Caso práctico: Barrera de luz infrarroja básica

Prototipo de Barrera de luz infrarroja básica (Maker Style)

Nivel: Básico. Construye un sistema de alarma simple que detecte la interrupción de un haz de luz.

Objetivo y caso de uso

En este proyecto, construirás un sistema detector óptico que consiste en un transmisor (LED IR) y un receptor (Fotodiodo) que controla un interruptor de transistor. Cuando el haz infrarrojo invisible es interrumpido por un objeto, un LED de alarma se encenderá.

  • Sistemas de seguridad: Utilizados en marcos de puertas o ventanas para detectar entradas no autorizadas.
  • Automatización: detección de objetos en una cinta transportadora para conteo o clasificación.
  • Seguridad: Mecanismos de parada de emergencia cuando una mano cruza un límite peligroso.
  • Conmutación sin contacto: Activación de dispositivos sin contacto físico.

Resultado esperado:
* Haz intacto (Camino despejado): El LED rojo de alarma está APAGADO.
* Haz interrumpido (Objeto presente): El LED rojo de alarma se ENCIENDE.
* Señal: El voltaje en el nodo de detección pasará de Lógica Baja (aprox. 0.1 V – 0.5 V) a Lógica Alta (> 0.7 V) cuando se rompa el haz.
* Público objetivo: Principiantes familiarizados con el uso de protoboards y componentes discretos básicos.

Materiales

  • V1: Fuente de alimentación de 5 V DC
  • D1: LED IR (Emisor Infrarrojo), función: Transmisor del haz (Tx)
  • R1: Resistencia de 220 Ω, función: Limitación de corriente para D1
  • D2: Fotodiodo, función: Receptor del haz (Rx)
  • R2: Resistencia de 100 kΩ, función: Resistencia de pull-up para el nodo de detección
  • Q1: Transistor NPN 2N2222 (o 2N3904), función: Interruptor electrónico
  • R3: Resistencia de 1 kΩ, función: Limitador de corriente de base para Q1
  • D3: LED rojo, función: Indicador de alarma
  • R4: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente para D3

Guía de conexionado

Este circuito se divide en dos partes: el Transmisor (Tx) y el Receptor (Rx). Constrúyelos uno frente al otro.

Transmisor (Tx):
* VCC conecta con R1.
* R1 conecta con el Ánodo de D1 (Nodo: TX_ANODE).
* D1 (Cátodo) conecta con 0 (GND).

Receptor (Rx) – Configuración de Detector de Oscuridad:
* VCC conecta con R2.
* R2 conecta con el Cátodo de D2 (Nodo: V_SENSE). Nota: Los fotodiodos se utilizan en polarización inversa.
* D2 (Ánodo) conecta con 0 (GND).
* VCC conecta con R4.
* R4 conecta con el Ánodo de D3.
* D3 (Cátodo) conecta con el Colector de Q1 (Nodo: V_ALARM).
* Q1 (Emisor) conecta con 0 (GND).
* Nodo V_SENSE conecta con R3.
* R3 conecta con la Base de Q1.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — Light Barrier Detection
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

+------------------------------------------------------------------------------+
|                   PRACTICAL CASE: BASIC INFRARED LIGHT BARRIER               |
+------------------------------------------------------------------------------+

      [ INPUTS / SENSORS ]              [ LOGIC / CONTROL ]               [ OUTPUT / LOAD ]

      (Transmitter)
      [ VCC ]
         |
         v
      [ R1: 220 ]
         |
         v
      [ D1: IR LED ] ~~~~~(IR Beam)~~~~~> [ D2: Photodiode ]
         |                                (Rx Sensor)
         v                                      |
      [ GND ]                                   |
                                                |
      (Receiver Bias)                           |
      [ VCC ]                                   |
         |                                      |
         v                                      |
      [ R2: 100k ]                              |
         |                                      |
+-----------(Node: V_SENSE)------------+
         |
         |
         v
      [ R3: 1k ]
         |
         v
      [ Q1: NPN Base ] ----------------> [ Q1: Collector ] <--(Switched Path)-- [ D3: Red LED ]
      (Transistor Switch)                (Sinks Current)                              ^
                                                |                                     |
                                                v                                [ R4: 330 ]
                                         [ Q1: Emitter ]                              ^
                                                |                                     |
                                                v                                  [ VCC ]
                                             [ GND ]

+------------------------------------------------------------------------------+
| SIGNAL FLOW ANALYSIS:                                                        |
| 1. Tx generates IR Beam.                                                     |
| 2. If Beam hits D2 (Clear) -> D2 conducts -> V_SENSE is LOW -> Q1 OFF.       |
| 3. If Beam blocked (Dark)  -> D2 blocks   -> V_SENSE is HIGH -> Q1 ON.       |
| 4. Q1 ON connects D3 to GND -> ALARM ACTIVATED.                              |
+------------------------------------------------------------------------------+
Esquema Eléctrico

Tabla de verdad

Estado físico Estado del haz IR Modo del fotodiodo (D2) Voltaje V_SENSE Transistor (Q1) LED de alarma (D3)
Normal Alcanzando Rx Conduciendo (Baja resistencia) Bajo (< 0.6 V) OFF (Corte) APAGADO
Intrusión Bloqueado/Roto Bloqueando (Alta impedancia) Alto (~VCC) ON (Saturación) ENCENDIDO

Mediciones y pruebas

  1. Verificación de Tx: Conecta la alimentación. Usa la cámara de un smartphone para mirar el LED IR (D1). Deberías ver un tenue brillo morado/rosado en la pantalla (los ojos humanos no pueden ver el IR).
  2. Prueba de voltaje Rx (Haz intacto): Alinea D1 y D2 perfectamente. Mide el voltaje en V_SENSE con respecto a GND. Debería ser bajo (típicamente < 0.6 V) porque la luz hace que el fotodiodo conduzca corriente a tierra.
  3. Prueba de voltaje Rx (Haz roto): Coloca una tarjeta o tu mano entre D1 y D2. Mide el voltaje en V_SENSE. Debería subir significativamente (cerca de 4 V–5 V) a medida que el fotodiodo deja de conducir y R2 lleva el nodo a nivel alto.
  4. Prueba funcional: Asegúrate de que el LED rojo (D3) se ENCIENDA inmediatamente cuando el haz sea bloqueado y se APAGUE cuando el camino esté despejado.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Practical case: Basic Infrared Light Barrier

* --- Component Models ---
* Standard NPN Transistor
.model 2N2222 NPN (IS=1E-14 BF=200 VAF=100)
* Infrared LED (Tx) - Approx Vf=1.2V
.model IR_LED D (IS=1p N=1.5 RS=5)
* Red LED (Alarm) - Approx Vf=1.8-2.0V
.model RED_LED D (IS=1u N=2 RS=10)
* Photodiode (Rx) - Modeled as diode with low capacitance
.model PD_DIODE D (IS=10p N=1 RS=10 CJO=10p)

* --- Power Supply ---
V1 VCC 0 DC 5

* --- Transmitter (Tx) Circuit ---
* Connectivity: VCC -> R1 -> D1(Anode). D1(Cathode) -> GND.
R1 VCC TX_ANODE 220
D1 TX_ANODE 0 IR_LED

* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Basic Infrared Light Barrier

* --- Component Models ---
* Standard NPN Transistor
.model 2N2222 NPN (IS=1E-14 BF=200 VAF=100)
* Infrared LED (Tx) - Approx Vf=1.2V
.model IR_LED D (IS=1p N=1.5 RS=5)
* Red LED (Alarm) - Approx Vf=1.8-2.0V
.model RED_LED D (IS=1u N=2 RS=10)
* Photodiode (Rx) - Modeled as diode with low capacitance
.model PD_DIODE D (IS=10p N=1 RS=10 CJO=10p)

* --- Power Supply ---
V1 VCC 0 DC 5

* --- Transmitter (Tx) Circuit ---
* Connectivity: VCC -> R1 -> D1(Anode). D1(Cathode) -> GND.
R1 VCC TX_ANODE 220
D1 TX_ANODE 0 IR_LED

* --- Receiver (Rx) Circuit ---
* Sensor Stage: VCC -> R2 -> D2(Cathode). D2(Anode) -> GND.
* Node V_SENSE is the junction of R2 and D2.
R2 VCC V_SENSE 100k
D2 0 V_SENSE PD_DIODE

* PHYSICAL STIMULUS: IR Beam Simulation
* In a real circuit, D1 emits light which D2 receives.
* We model this optical coupling with a Current Source (Photocurrent) in parallel with D2.
* Direction: Photocurrent flows Cathode to Anode (V_SENSE to GND).
* Logic:
*   - 50uA = Light Detected (Beam Intact) -> V_SENSE pulled Low -> Alarm OFF.
*   - 0A   = Dark (Beam Broken) -> V_SENSE pulled High by R2 -> Alarm ON.
* Timing: Start with Light (50uA), break beam at 1ms (0A), restore at 3ms.
I_Beam V_SENSE 0 PULSE(50u 0 1m 10u 10u 2m 5m)

* Switch Stage: V_SENSE -> R3 -> Q1(Base)
R3 V_SENSE Q1_BASE 1k
* Q1: Collector=V_ALARM, Base=Q1_BASE, Emitter=GND
Q1 V_ALARM Q1_BASE 0 2N2222

* Alarm Indicator Stage: VCC -> R4 -> D3(Anode). D3(Cathode) -> Q1(Collector).
R4 VCC LED_ANODE 330
D3 LED_ANODE V_ALARM RED_LED

* --- Analysis Directives ---
* Transient analysis for 5ms to capture the beam break event
.tran 10u 5m

* Print required voltages for verification
.print tran V(V_SENSE) V(Q1_BASE) V(V_ALARM) V(TX_ANODE)

.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (1072 rows) 
Index   time            v(v_sense)      v(q1_base)      v(v_alarm)
0	0.000000e+00	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
1	1.000000e-07	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
2	2.000000e-07	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
3	4.000000e-07	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
4	8.000000e-07	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
5	1.600000e-06	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
6	3.200000e-06	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
7	6.400000e-06	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
8	1.280000e-05	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
9	2.280000e-05	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
10	3.280000e-05	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
11	4.280000e-05	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
12	5.280000e-05	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
13	6.280000e-05	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
14	7.280000e-05	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
15	8.280000e-05	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
16	9.280000e-05	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
17	1.028000e-04	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
18	1.128000e-04	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
19	1.228000e-04	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
20	1.328000e-04	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
21	1.428000e-04	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
22	1.528000e-04	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
23	1.628000e-04	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
... (1048 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Fotodiodo invertido: A diferencia de los LED normales, los fotodiodos deben conectarse en polarización inversa (Cátodo al lado positivo, Ánodo al lado negativo) para detectar luz. Si se conecta en directa, actúa como un diodo normal y fija el voltaje, deshabilitando el sensor.
  2. Desalineación: La luz IR es altamente direccional. Si el LED Tx y el Fotodiodo Rx no apuntan directamente el uno al otro, la alarma permanecerá ENCENDIDA permanentemente.
  3. Interferencia de luz ambiental: La luz solar intensa o las lámparas de techo pueden inundar el fotodiodo, manteniendo el voltaje bajo incluso cuando bloqueas el haz IR. Usa un pequeño tubo o cinta aislante negra alrededor del fotodiodo para protegerlo de la luz lateral.

Solución de problemas

  • La alarma nunca se ENCIENDE:
    • Causa: La base del transistor no recibe suficiente voltaje.
    • Solución: Verifica si el objeto realmente está bloqueando la luz. Aumenta R2 (por ejemplo, a 220 kΩ) para hacer el pull-up más fuerte contra fugas.
  • La alarma nunca se APAGA:
    • Causa: El fotodiodo no recibe suficiente luz IR para bajar el voltaje de la base.
    • Solución: Realinea los LED. Disminuye R1 para hacer que el LED IR brille más (no bajes de 100 Ω). Asegúrate de que el fotodiodo esté insertado con la polaridad correcta.
  • El sistema parpadea:
    • Causa: Detección de bordes o fuente de luz inestable.
    • Solución: Asegúrate de que la fuente de alimentación sea estable. Añade un pequeño condensador (por ejemplo, 100 nF) entre V_SENSE y GND para filtrar el ruido (nota: esto ralentiza ligeramente la respuesta).

Posibles mejoras y extensiones

  1. Trigger Schmitt: Reemplaza el controlador de transistor simple con un Trigger Schmitt (o temporizador 555) para evitar que el LED se desvanezca, creando efectivamente un interruptor de acción «instantánea».
  2. Modulación: Usa un módulo receptor de 38 kHz (como un sensor TSOP) y pulsa el LED IR a 38 kHz. Esto hace que el sistema sea completamente inmune a la luz solar y la iluminación de la habitación.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el objetivo principal del proyecto descrito?




Pregunta 2: ¿Qué componente actúa como el transmisor del haz (Tx) en este sistema?




Pregunta 3: ¿Qué sucede con el LED rojo de alarma cuando el haz infrarrojo está intacto (camino despejado)?




Pregunta 4: ¿Cuál es la función del transistor en este circuito?




Pregunta 5: ¿Qué cambio de voltaje se espera en el nodo de detección cuando se rompe el haz?




Pregunta 6: ¿Qué componente cumple la función de receptor del haz (Rx)?




Pregunta 7: ¿Cuál de los siguientes es un caso de uso mencionado para este sistema?




Pregunta 8: ¿Para qué público objetivo está diseñado este proyecto?




Pregunta 9: ¿Qué ocurre cuando un objeto interrumpe el haz infrarrojo?




Pregunta 10: ¿Cuál es una aplicación de seguridad mencionada para este circuito?




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

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

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