Electrònica: Fonaments, Components i Aplicacions Clau

Electrònica: Fonaments, Components i Aplicacions

L'electrònica és la branca de la física que s'ocupa dels aparells, dispositius i sistemes en els quals té lloc la conducció d'electrons a través del buit, d'un gas o d'un material semiconductor. Els sistemes i dispositius electrònics tenen múltiples aplicacions en àmbits molt diversos, com la llar, la indústria o les telecomunicacions.

Components Electrònics: Passius i Actius

Els components electrònics es classifiquen principalment en dos tipus:

• Components Passius: Com les resistències, els condensadors o les bobines, són elements que no creen ni amplifiquen els senyals que reben. Aquests components estan constituïts per diversos materials ben coneguts, com el carbó, l'acer o el coure. Es tracta d'elements conductors, de resistència coneguda, i que funcionen dins d'un rang de tensions i intensitats de corrent ben definit.
• Components Actius: Com els transistors, són elements capaços de produir o dur a terme una amplificació del senyal que reben. Aquests components estan constituïts per materials semiconductors, com el seleni, el germani i el silici. En condicions normals no condueixen electricitat, però es converteixen en conductors quan es modifiquen les condicions de funcionament mitjançant una font d'energia elèctrica, tèrmica o lluminosa o mitjançant el dopatge (la introducció d'impureses en aquests materials per modificar el seu comportament).

Cristalls Semiconductors: Tipus P i N

Segons el tipus de materials que s'utilitzi en el dopatge, podem obtenir dos tipus de cristalls semiconductors:

• Cristalls de tipus P (Electropositius): S'obtenen introduint en l'estructura cristal·lina del silici un altre tipus d'àtoms capaços d'acceptar electrons, com el bor.
• Cristalls de tipus N (Electronegatius): S'obtenen introduint a la xarxa cristal·lina del silici alguns àtoms de fòsfor, arsènic o antimoni, capaços de cedir electrons.

Els efectes produïts per aquests materials i la unió de dos o més semiconductors de tipus P i N han generat l'aparició d'un gran nombre de components, com els díodes, els transistors i les resistències dependents de la llum, la temperatura i la tensió.

Components Passius en Detall

Resistències Lineals

La resistència lineal és un component passiu la funció del qual és oposar-se al pas del corrent elèctric. S'utilitzen per controlar la intensitat i el voltatge que ha de suportar un altre component. El seu valor es mesura en ohms (Ω). Segons les seves característiques, poden ser fixes o variables:

• Resistències Fixes: Se solen utilitzar per ajustar la tensió que ha de suportar un component o bé per limitar la intensitat de corrent que hi circula. Per ajustar-ne la tensió s'ha d'instal·lar una resistència en sèrie. En canvi, per limitar la intensitat de corrent que circula per un component, s'hi ha d'instal·lar la resistència en paral·lel.
• Resistències Variables: El valor òhmic es pot regular per mitjà d'un cursor.

Associació de Resistències

Les resistències es poden associar de diverses maneres: en sèrie, en paral·lel o de forma mixta.

• En Sèrie: La resistència equivalent és igual a la suma dels valors òhmics de les resistències.
  Req = R1 + R2 + R3 + ...
• En Paral·lel: La inversa de la resistència equivalent és igual a la suma de les inverses dels valors òhmics.
  1/Req = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ...

Resistències Dependents

Aquestes resistències varien el seu valor òhmic en funció de factors externs:

• Resistències LDR (Light Dependent Resistor): Són resistències dependents de la llum. El seu valor òhmic varia en funció de la llum que incideix sobre elles: la resistència disminueix quan s'il·luminen i augmenta en la foscor. Estan constituïdes per materials com el sulfur de cadmi o el selenur de cadmi. S'utilitzen en automatismes d'obertura de portes, en els sistemes d'encesa de l'enllumenat públic, etc.
• Resistències VDR (Voltage Dependent Resistor) o Varistors: Són resistències dependents de la tensió. El seu valor òhmic varia en funció de la tensió a la qual se sotmeten: la resistència augmenta com més gran és la tensió que suporten. Els varistors estan compostos per grànuls de carbur de silici, òxid de zinc i altres matèries en menor quantitat. S'empren com a element de protecció de contactes i com a limitadors de la tensió.
• Termistors (NTC i PTC): Totes les resistències, en menor o major grau, depenen de la temperatura.
  • NTC (Negative Temperature Coefficient): La resistència disminueix amb l'augment de la temperatura (ex: termòstats i termòmetres industrials).
  • PTC (Positive Temperature Coefficient): La resistència augmenta amb l'augment de la temperatura (ex: sistemes contra incendis).

Condensadors

El condensador és un component passiu la funció del qual és emmagatzemar càrrega elèctrica per a cedir-la en un moment determinat. Estan formats per dues plaques metàl·liques anomenades armadures i separades per un material aïllant que rep el nom de dielèctric. Aquest material pot ser paper, mica, ceràmica o fins i tot el mateix aire. La capacitat (C) depèn de la superfície de les armadures, de la distància que les separa i de la naturalesa del dielèctric. La seva fórmula és C=Q/V. La unitat de capacitat és el farad (F).

El funcionament d'un condensador és senzill: quan es connecta a una font d'alimentació, adquireix càrrega de forma instantània. Un cop carregat, si es connecta a una llum, aquesta brillarà un breu instant. És el fonament dels flaixos de la fotografia.

Existeixen dos tipus bàsics de condensadors:

• Condensadors Fixos: Es classifiquen segons el dielèctric: paper, plàstic, mica, ceràmica. En aquest grup destaquen els condensadors electrolítics.
• Condensadors Variables: Estan formats per una armadura fixa i una altra de mòbil. El dielèctric pot ser mica o aire. S'empren per a sintonitzar emissores de ràdio, entre altres aplicacions.

Associació de Condensadors

Els condensadors es poden associar de diverses maneres:

• En Sèrie: La inversa de la capacitat equivalent és igual a la suma de les inverses de les capacitats.
  1/Ceq = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + ...
• En Paral·lel: La capacitat equivalent és igual a la suma dels valors de les capacitats.
  Ceq = C1 + C2 + C3 + ...

Components Actius en Detall

El Díode

El díode és un element que permet el pas de corrent en un sol sentit. És un dels components més emprats en els circuits electrònics. Està format per la unió de dos cristalls semiconductors, un de tipus N, anomenat càtode, i un altre de tipus P, anomenat ànode.

Quan es connecta a una font d'alimentació de corrent continu, el díode es polaritza. La polarització pot ser directa o inversa:

• Polarització Directa: Es produeix quan el pol positiu de la font d'alimentació s'uneix a l'ànode i el negatiu al càtode. En aquest cas, el díode es comporta com un conductor.
• Polarització Inversa: Es produeix quan el pol negatiu de la font d'alimentació s'uneix a l'ànode i el positiu al càtode. En aquest cas, el díode no condueix (excepte en condicions de ruptura).

Tipus de Díodes

Existeixen diversos tipus de díodes, cadascun amb aplicacions específiques:

• Díodes Rectificadors: Permeten la rectificació del corrent altern, transformant-la en contínua. Quan estan sotmesos a polarització directa, condueixen el corrent elèctric a partir d'una tensió entre 0.2 i 0.8 V. El seu encapsulat pot ser de plàstic, de metall o ceràmic, segons la seva potència. El càtode va assenyalat per un anell blanc. S'identifica mitjançant un codi alfanumèric.
• Díodes LED (Light Emitting Diode): Emeten llum quan són sotmesos a polarització directa. S'empren per a senyalització lluminosa i es fabriquen en diversos colors. Necessiten una tensió mínima per emetre llum (d'1,5 a 2V). Per aconseguir-la, s'ha d'intercalar una resistència en sèrie. El càtode s'identifica observant l'interior de la càpsula o la longitud dels terminals. Cada cop són més utilitzats en il·luminació pel seu baix consum.
• Díodes Zener: S'anomenen també reguladors de tensió perquè la seva missió és estabilitzar els valors de voltatge a què està sotmès un circuit. Estan dissenyats per a treballar amb tensions inverses, és a dir, en cas de polarització inversa. S'intercalen en els circuits perquè, si es produeix aquest tipus de tensions, el corrent es derivi a través del díode i no danyi la resta dels components dels circuits. S'empren en circuits de control.

El Transistor

El transistor és un dels components electrònics més versàtils. Està format per la unió de tres cristalls semiconductors. Cadascun dels cristalls consta d'un terminal que ens permet connectar el component al circuit. Els terminals s'anomenen base, emissor i col·lector.

Tipus de Circuits Electrònics

Els circuits electrònics es presenten en diverses formes:

• Circuits Impresos: És una placa de material aïllant en una de les cares del qual s'ha disposat una fina capa de material conductor mitjançant procediments electrolítics.

  Avantatges:

  • Redueixen el volum dels circuits electrònics.
  • Són fàcils de verificar i de substituir.
  • Permeten la producció en sèrie.
  • Es poden reproduir amb total exactitud.
• Circuits Integrats: És un dispositiu electrònic constituït per una placa de material semiconductor sobre la qual es munten diferents components formant un circuit de petites dimensions.