Caso práctico: Uso de bobina en timbre electromecánico

Materiales

• 1 × Fuente de alimentación DC regulada de 9–12 V (o batería de 9 V de buena calidad; mejor pack de 8×AA 1,5 V).
• 1 × Bobina de timbre o electroimán pequeño (resistencia DC típica 20–60 Ω).
• 1 × Transistor NPN de uso general (p. ej. 2N2222 o BC337).
• 1 × Resistencia de base [R1] de 4,7 kΩ (para el transistor).
• 1 × Diodo de protección [D1] 1N4007 (o similar, rectificador).
• 1 × Pulsador normalmente abierto (push button).
• 1 × Chapita metálica o pequeña campana (el “gong” del timbre).
• 1 × Pieza metálica o tornillo como núcleo móvil / martillo (o lengüeta metálica flexible).
• 1 × Protoboard (placa de pruebas) o base para montaje.
• Varios × Cables de protoboard (jumpers).
• 1 × Multímetro digital (para medir tensiones y corrientes).
• 1 × Soporte mecánico sencillo (madera/cartón) para fijar bobina y campana (opcional pero recomendable).

Guía de conexionado

Trata esta sección como la especificación oficial de conexiones. El esquemático respetará exactamente estas conexiones.

• Conexiones de alimentación:
• Conecta el terminal positivo de la fuente de 9–12 V al nodo etiquetado como +V.

• Conecta el terminal negativo de la fuente al nodo etiquetado como GND.

• Conexión de la bobina (inductor):

• Conecta un extremo de la bobina del timbre al nodo +V.

• Conecta el otro extremo de la bobina al nodo VC (colector del transistor).

• Diodo de protección sobre la bobina:

• Conecta el cátodo de [D1] 1N4007 (extremo marcado con banda) al nodo +V.
• Conecta el ánodo de [D1] al nodo VC.

• Es decir, el diodo queda en paralelo con la bobina pero en sentido inverso a la polaridad normal de la fuente.

• Transistor NPN (etapa de conmutación):

• Conecta el colector del transistor NPN al nodo VC.
• Conecta el emisor del transistor NPN al nodo GND.

• Conecta la base del transistor NPN al nodo VB.

• Resistencia de base y pulsador:

• Conecta un extremo de la resistencia [R1] 4,7 kΩ al nodo +V.
• Conecta el otro extremo de [R1] al nodo VBTN.
• Conecta un terminal del pulsador al nodo VBTN.
• Conecta el otro terminal del pulsador al nodo VB.

• Conecta una resistencia de “pull‑down” opcional [R2] 100 kΩ entre el nodo VB y GND (si dispones de ella; ayuda a que el transistor quede bien apagado cuando no se pulsa).

  • Un extremo de [R2] al nodo VB.
  • El otro extremo de [R2] al nodo GND.

• Nodo de medición:

• El nodo VC será el punto donde medirás la tensión en el colector (V_CE) respecto a GND.
• El nodo VB será el punto donde medirás la tensión de base (V_B) respecto a GND.
• La corriente de la bobina (I_COIL) la medirás insertando el multímetro en serie entre +V y la bobina en las pruebas.

Esquemático

                                                +V
                 |
                 +------------------------------+
                 |                              |
               [R1] 4.7kΩ                       |
                 |                              |
             VBTN node o                        |
                 |                              |
              Pulsador                          |
                 |                              |
             VB node o------------------------+ |
                 |                            | |
               [R2] 100kΩ (opc)               | |
                 |                            | |
                GND                           | |
                                              | |
                                              | |
                 +V                           | |
                 |                            | |
                 o----------------[COIL]------+ |
                 |                Bobina        |
                 |                    |         |
                 |                   VC node o--+
                 |                     |
                  +---------------------+
                 |                     |
                [D1] 1N4007          |
              cátodo arriba           |
                 |                     |
                 +---------------------+
                 |
                GND


Etapa transistor NPN:

           VC node o----C   Q1 NPN   E----o GND
                         \    |    /
                          \   |   /
                           \  |  /
                            \ | /
                             \|/
                              B
                              |
                         VB node
                            ---

Mediciones y pruebas

• Verificación básica sin transistor (solo bobina):

  • Con la fuente desconectada, mide la resistencia DC de la bobina con el multímetro en modo ohmímetro (valor típico entre 20–60 Ω).
  • Calcula la corriente esperada I_COIL = V / R_COIL (por ejemplo, para 12 V y 40 Ω → I_COIL ≈ 0,3 A) para confirmar que tu fuente puede suministrarla.

• Medición de tensión de alimentación:

  • Configura el multímetro en modo voltímetro DC.
  • Mide la tensión entre +V y GND para asegurarte de que realmente dispones de 9–12 V (punta roja a +V, punta negra a GND).

• Medición de V_B (tensión de base, VB):

  • V_B significa “tensión en la base del transistor respecto a GND”.
  • Coloca la punta negra del multímetro en GND y la roja en el nodo VB.
  • Con el pulsador sin presionar, V_B debe estar cerca de 0 V (especialmente si usas [R2] como resistencia de pull‑down).
  • Con el pulsador presionado, V_B debe subir a unos 0,7–1 V (típico de unión base‑emisor en conducción).

• Medición de V_CE (tensión colector‑emisor):

  • V_CE significa “tensión entre el colector y el emisor del transistor”.
  • Coloca la punta negra en GND (emisor) y la roja en el nodo VC (colector).
  • Con el pulsador sin presionar, V_CE ≈ tensión de alimentación (+V), porque la bobina no conduce y el transistor está cortado.
  • Con el pulsador presionado, V_CE debe caer a un valor bajo (≈ 0,2–0,4 V) si el transistor satura correctamente, indicando que la mayor parte de la tensión está ahora en la bobina.

• Medición de I_COIL (corriente de la bobina):

  • I_COIL significa “corriente que atraviesa la bobina”.
  • Pon el multímetro en modo amperímetro DC (rango adecuado, por ejemplo 1 A o 400 mA según lo esperado).
  • Desconecta el cable que va de +V a la bobina y conecta en su lugar el multímetro en serie:
    • Punta roja del multímetro al nodo +V.
    • Punta negra del multímetro al extremo de la bobina que antes iba a +V.
  • Pulsa el botón brevemente y lee la corriente: debe estar cerca del valor calculado (por ejemplo, 0,2–0,4 A). No mantengas pulsado mucho tiempo si el transistor se calienta.

• Pruebas de funcionamiento mecánico:

  • Asegúrate de que la parte móvil (martillo o lengüeta) está bien alineada: cuando la bobina se energiza, debe acercarse a la chapita metálica o campana.
  • Pulsa el botón repetidas veces: cada vez debes oír un clic o un pequeño “ding”.
  • Si no hay sonido, prueba a ajustar la distancia entre el núcleo de la bobina y la parte móvil (demasiado lejos no se moverá; demasiado cerca puede quedar pegada).

Conceptos clave sobre la bobina en este timbre

• Inductor como electroimán:
• La bobina es un inductor: un conjunto de espiras de hilo que, al circular corriente, genera un campo magnético.

• Ese campo magnético atrae piezas metálicas ferromagnéticas (hierro, acero), que es lo que mueve el martillo del timbre.

• Autoinducción y diodo de protección:

• Cuando cortas la corriente de la bobina (al soltar el pulsador), el campo magnético colapsa.
• Ese cambio rápido de campo induce una tensión opuesta (llamada “tensión inducida” o “pico inductivo”) que puede ser muy alta.

• El diodo [D1], colocado en paralelo a la bobina en inversa, da un camino seguro a esa corriente inducida y limita la sobretensión, protegiendo al transistor.

• Uso del transistor como interruptor electrónico:

• El transistor NPN funciona aquí como un interruptor controlado por corriente de base.
• Cuando la base recibe corriente a través de [R1] (pulsador presionado), el transistor conduce y deja pasar la corriente por la bobina.
• Cuando la base está a 0 V (pulsador suelto), el transistor se corta y la bobina se desenergiza.

Errores comunes y cómo evitarlos

• Olvidar el diodo de protección [D1]:
• Sin [D1], el transistor puede dañarse por los picos de tensión de la bobina.

• Síntomas: transistor que se calienta mucho o deja de funcionar de forma repentina.

• Polaridad invertida del diodo:

• Si conectas el diodo al revés (ánodo a +V, cátodo a VC), la bobina no se activará porque el diodo hará un cortocircuito (con gran corriente).

• Recuerda: banda del diodo (cátodo) hacia +V, extremo sin banda (ánodo) hacia VC.

• Transistor conectado con patillas intercambiadas:

• Diferentes modelos (2N2222, BC337, etc.) tienen disposición de patillas distinta (E-B-C).

• Siempre revisa el datasheet para saber qué patilla es colector, base y emisor.

• Bobina para AC usada con DC sin revisar:

• Algunos timbres comerciales están pensados para AC 230 V y no para baja tensión DC.
• Usa siempre una bobina/electroimán apropiada para 9–12 V DC o un timbre de baja tensión.

Mejoras y extensiones posibles

• Timbre automático (repetitivo):
• Añade un contacto mecánico que se abra y cierre por efecto del propio movimiento del martillo (tipo timbre clásico), de modo que suene “drinnnnnnn” continuo mientras mantienes pulsado.

• Esto se puede implementar con una lengüeta flexible que toque un contacto cuando está en reposo y lo suelte al ser atraída por la bobina.

• Control desde microcontrolador:

• Sustituye el pulsador por la salida digital de un Arduino o similar.

• Mantén la misma etapa de potencia con transistor y diodo para no sobrecargar la salida del microcontrolador.

• Medición de forma de onda con osciloscopio:

• Si dispones de osciloscopio, observa la forma de la tensión en el nodo VC cuando cortas la corriente.

• Verás cómo el diodo recorta el pico inductivo y limita la tensión.

• Optimización del timbre:

• Prueba con bobinas de distinto número de espiras o distintos núcleos (tornillo de hierro, perno macizo, núcleo laminado).
• Ajusta la distancia entre la bobina y la pieza móvil para maximizar la fuerza y el sonido sin que se quede pegada.

Con este caso práctico habrás visto, de forma muy tangible, cómo un inductor funciona como electroimán, por qué genera picos de tensión al desconectarlo y cómo se protege el circuito con un diodo, todo aplicado a algo muy cotidiano: un timbre electromecánico.

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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