Caso práctico: Interruptor crepuscular automático

Prototipo de Interruptor crepuscular automático (Maker Style)

Nivel: Básico. Construye un circuito que encienda automáticamente un LED cuando la luz ambiental caiga por debajo de un nivel específico.

Objetivo y caso de uso

Diseñarás y montarás un circuito sensor de luz utilizando una fotorresistencia (LDR) y un transistor para controlar un LED según el brillo ambiental. El circuito actúa como una puerta lógica NOT en relación con la intensidad de la luz: Luz = Salida OFF (apagada), Oscuridad = Salida ON (encendida).

Por qué es útil:
* Alumbrado público: Automatizar farolas para que se enciendan solo por la noche para ahorrar energía.
* Luces de jardín: Luminarias solares de jardín que se activan al anochecer.
* Sistemas de seguridad: Activar grabación o iluminación con poca luz.
* Eficiencia de pantallas: Ajustar el brillo de la pantalla o la retroiluminación según las condiciones de la habitación.

Resultado esperado:
* Cuando la LDR está expuesta a luz brillante, el LED permanece OFF (apagado).
* Cuando se cubre la LDR (simulando oscuridad), el LED se pone en ON (encendido).
* El voltaje en la base del transistor (V_BASE) aumenta a medida que disminuye la intensidad de la luz.

Público objetivo: Principiantes que aprenden sobre sensores y conmutación con transistores.

Materiales

  • V1: Batería de 9 V CC o fuente de alimentación.
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: rama superior del divisor de voltaje (pull-up).
  • R2: LDR (Fotorresistencia), GL5528 o similar, función: sensor de luz (rama inferior).
  • R3: Resistencia de 470 Ω, función: limitación de corriente del LED.
  • Q1: Transistor NPN 2N3904, función: interruptor electrónico.
  • D1: LED rojo, función: indicador de salida.

Guía de conexionado

Construye el circuito siguiendo estas conexiones utilizando los nombres de nodo específicos:

  • Fuente de alimentación:

    • V1 (+): Se conecta al nodo VCC.
    • V1 (-): Se conecta al nodo 0 (GND).

  • Etapa del sensor (Divisor de voltaje):

    • R1 (10 kΩ): Se conecta entre VCC y el nodo V_BASE.
    • R2 (LDR): Se conecta entre el nodo V_BASE y 0 (GND).

  • Etapa de conmutación:

    • Q1 (Base): Se conecta al nodo V_BASE.
    • Q1 (Emisor): Se conecta al nodo 0 (GND).
    • Q1 (Colector): Se conecta al nodo N_LED_CATHODE.

  • Etapa de salida:

    • R3 (470 Ω): Se conecta entre VCC y el nodo N_LED_ANODE.
    • D1 (Ánodo): Se conecta al nodo N_LED_ANODE.
    • D1 (Cátodo): Se conecta al nodo N_LED_CATHODE.

Diagrama de bloques conceptual

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

Esquemático

[ SENSOR STAGE ]                   [ SWITCHING STAGE ]                 [ OUTPUT STAGE ]

   [ VCC 9 V Source ]
          |
          v
   [ R1: 10k Pull-Up ]
          |
          v
   [ Node: V_BASE  ] --(Trigger)--> [ Base: Q1 (2N3904)   ]
          |                         [                     ]
          v                         [ Coll: N_LED_CATHODE ] --(Sink)--> [ Cathode: D1 LED ]
   [ R2: LDR Sensor ]               [                     ]             [ Node: N_LED_ANODE ]
          |                         [ Emit: GND           ]             [ Anode:   D1 LED   ]
          v                                                             [         ^         ]
       [ GND ]                                                          [         |         ]
                                                                        [ R3: 470 Resistor  ]
                                                                                  ^
                                                                                  |
                                                                             [ VCC 9 V ]
Esquema Eléctrico

Mediciones y pruebas

Para validar el funcionamiento del circuito, realiza los siguientes pasos con un multímetro:

  1. Condición de luz (Simulación): Ilumina R2 (LDR) con una linterna o asegúrate de que la habitación esté iluminada.

    • Mide el voltaje en V_BASE con respecto a 0 (GND). Debería ser bajo (< 0.6 V).
    • Observa D1: Debería estar OFF (apagado).
    • Mide el voltaje en N_LED_CATHODE con respecto a 0 (GND). Debería estar cerca de VCC (flotando alto a través del LED).

  2. Condición de oscuridad (Simulación): Cubre R2 (LDR) completamente con tu dedo o una tapa.

    • Mide el voltaje en V_BASE. Debería subir por encima de 0.7 V.
    • Observa D1: Debería ponerse en ON (encendido).
    • Mide el voltaje en N_LED_CATHODE (Colector). Debería caer cerca de 0 V (Voltaje de saturación, aprox. 0.1 V – 0.2 V).

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Automatic twilight switch
* 
* This netlist implements a twilight switch where an LED turns ON
* when the light level drops (simulated by increasing LDR resistance).

* --- Models ---
* Standard NPN Transistor Model
.model 2N3904 NPN(IS=1E-14 VAF=100 BF=200 IKF=0.3 XTB=1.5 BR=3 CJC=8E-12 CJE=25E-12 TR=460E-9 TF=400E-12 ITF=0.6 VTF=10 XTF=30 RB=10 RC=1 RE=0.1)
* Generic Red LED Model (Vf approx 1.8V)
.model LED_RED D(IS=1e-14 N=2.5 RS=5 BV=5 IBV=10u)

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC source connected to VCC and GND (0)
V1 VCC 0 DC 9

* --- Sensor Stage (Voltage Divider) ---
* R1: 10 kΩ Pull-up resistor
R1 VCC V_BASE 10k

* R2: LDR (Light Dependent Resistor)
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Automatic twilight switch
* 
* This netlist implements a twilight switch where an LED turns ON
* when the light level drops (simulated by increasing LDR resistance).

* --- Models ---
* Standard NPN Transistor Model
.model 2N3904 NPN(IS=1E-14 VAF=100 BF=200 IKF=0.3 XTB=1.5 BR=3 CJC=8E-12 CJE=25E-12 TR=460E-9 TF=400E-12 ITF=0.6 VTF=10 XTF=30 RB=10 RC=1 RE=0.1)
* Generic Red LED Model (Vf approx 1.8V)
.model LED_RED D(IS=1e-14 N=2.5 RS=5 BV=5 IBV=10u)

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC source connected to VCC and GND (0)
V1 VCC 0 DC 9

* --- Sensor Stage (Voltage Divider) ---
* R1: 10 kΩ Pull-up resistor
R1 VCC V_BASE 10k

* R2: LDR (Light Dependent Resistor)
* Modeled as a behavioral resistor to simulate changing light conditions.
* Low Resistance = Bright Light (LED OFF), High Resistance = Dark (LED ON).
* Simulation: Resistance ramps from 100 Ohm to 3000 Ohm over 5ms.
* The switching threshold (Vbe ~ 0.65V) occurs around R2 = 780 Ohms.
R2 V_BASE 0 R='100 + 2900 * (time / 0.005)'

* --- Switching Stage ---
* Q1: 2N3904 NPN Transistor
* Base -> V_BASE, Collector -> N_LED_CATHODE, Emitter -> GND (0)
Q1 N_LED_CATHODE V_BASE 0 2N3904

* --- Output Stage ---
* R3: 470 Ω LED current limiting resistor
R3 VCC N_LED_ANODE 470

* D1: Red LED
* Anode -> N_LED_ANODE, Cathode -> N_LED_CATHODE
D1 N_LED_ANODE N_LED_CATHODE LED_RED

* --- Simulation Directives ---
* Perform a transient analysis for 5ms to observe the switching behavior
.tran 10u 5m

* Print required voltages for verification
* V_BASE: Shows the sensor voltage rising.
* N_LED_CATHODE: Shows the collector voltage dropping when Q1 turns ON.
.print tran V(V_BASE) V(N_LED_CATHODE) V(N_LED_ANODE)

.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (508 rows) 
Index   time            v(v_base)       v(n_led_cathode v(n_led_anode)
0	0.000000e+00	8.910891e-02	8.519679e+00	9.000000e+00
1	1.000000e-07	8.915880e-02	8.519729e+00	9.000000e+00
2	2.000000e-07	8.920993e-02	8.519780e+00	9.000000e+00
3	4.000000e-07	8.931227e-02	8.519882e+00	9.000000e+00
4	8.000000e-07	8.951694e-02	8.520087e+00	9.000000e+00
5	1.600000e-06	8.992625e-02	8.520496e+00	9.000000e+00
6	3.200000e-06	9.074475e-02	8.521314e+00	9.000000e+00
7	6.400000e-06	9.238131e-02	8.522950e+00	9.000000e+00
8	1.280000e-05	9.565263e-02	8.526219e+00	9.000000e+00
9	2.280000e-05	1.007592e-01	8.531319e+00	9.000000e+00
10	3.280000e-05	1.058600e-01	8.536410e+00	9.000000e+00
11	4.280000e-05	1.109549e-01	8.541491e+00	9.000000e+00
12	5.280000e-05	1.160440e-01	8.546563e+00	9.000000e+00
13	6.280000e-05	1.211273e-01	8.551627e+00	9.000000e+00
14	7.280000e-05	1.262047e-01	8.556682e+00	9.000000e+00
15	8.280000e-05	1.312764e-01	8.561728e+00	9.000000e+00
16	9.280000e-05	1.363422e-01	8.566765e+00	9.000000e+00
17	1.028000e-04	1.414023e-01	8.571793e+00	9.000000e+00
18	1.128000e-04	1.464566e-01	8.576812e+00	9.000000e+00
19	1.228000e-04	1.515051e-01	8.581823e+00	9.000000e+00
20	1.328000e-04	1.565479e-01	8.586824e+00	9.000000e+00
21	1.428000e-04	1.615849e-01	8.591815e+00	9.000000e+00
22	1.528000e-04	1.666162e-01	8.596796e+00	9.000000e+00
23	1.628000e-04	1.716418e-01	8.601767e+00	9.000000e+00
... (484 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Intercambiar la resistencia y la LDR: Colocar la LDR arriba y R1 abajo crea una «Alarma matutina» (se enciende cuando detecta luz) en lugar de un interruptor crepuscular. Asegúrate de que R1 se conecte a VCC y la LDR se conecte a 0.
  2. Polaridad del LED invertida: El LED no se encenderá si el ánodo y el cátodo están intercambiados. Asegúrate de que el lado plano (Cátodo) se conecte al colector del transistor.
  3. Confusión en el pinout del transistor: Confundir Colector, Base y Emisor en el 2N3904 es común. Verifica la hoja de datos (datasheet) para tu encapsulado específico (generalmente E-B-C de izquierda a derecha cuando el lado plano te mira).

Solución de problemas

  • El LED está siempre encendido:
    • La luz ambiental podría ser demasiado baja. Usa una linterna para probar el sensor.
    • El valor de R1 (Pull-up) es demasiado bajo, proporcionando demasiada corriente de base incluso con luz. Aumenta R1 a 22 kΩ o 47 kΩ.
  • El LED está siempre apagado:
    • Comprueba la orientación del transistor.
    • R1 podría ser demasiado alta, impidiendo que el voltaje de base alcance los 0.7 V incluso en la oscuridad.
    • La LDR podría estar en cortocircuito.
  • El LED es tenue en la oscuridad:
    • El voltaje de la batería (V1) es bajo.
    • R3 (Limitación de corriente) es demasiado alta; intenta reducirla ligeramente (no bajes de 220 Ω).

Posibles mejoras y extensiones

  1. Ajuste de sensibilidad: Reemplaza R1 con un potenciómetro de 50 kΩ o 100 kΩ para ajustar manualmente el nivel exacto de oscuridad requerido para activar el LED.
  2. Histéresis: Añade una resistencia de retroalimentación entre el Colector y la Base para crear un efecto «Schmitt Trigger», evitando que el LED parpadee en el umbral crepuscular.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el objetivo principal del circuito descrito en el artículo?




Pregunta 2: ¿Qué componente actúa como el sensor de luz en este circuito?




Pregunta 3: El circuito actúa como una puerta lógica específica en relación con la luz. ¿Cuál es?




Pregunta 4: ¿Qué sucede con el voltaje en la base del transistor (V_BASE) cuando disminuye la intensidad de la luz?




Pregunta 5: ¿Cuál es la función principal del transistor en este circuito?




Pregunta 6: ¿Qué estado tiene el LED cuando la LDR está expuesta a luz brillante?




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




Pregunta 8: ¿Qué ocurre con el LED cuando se cubre la LDR simulando oscuridad?




Pregunta 9: ¿Para qué tipo de público está dirigido este proyecto según el contexto?




Pregunta 10: ¿Cómo se relaciona este circuito con la eficiencia de pantallas?




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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