Caso práctico: Interruptor crepuscular simple

Prototipo de Interruptor crepuscular simple (Maker Style)

Nivel: Básico. Objetivo: Construir un circuito que active un LED cuando bajen los niveles de luz.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, diseñarás y ensamblarás un circuito detector de luz que enciende automáticamente un LED cuando el ambiente se oscurece. Este circuito utiliza un fotodiodo para controlar un transistor NPN que actúa como interruptor.

  • Aplicaciones en el mundo real:
    • Sistemas de alumbrado público automático.
    • Luces de emergencia en pasillos que se activan durante cortes de energía (si no hay luz).
    • Luces solares de jardín para ahorro de batería.
    • Sistemas de seguridad activados por sombras u obstrucción de haces de luz.
  • Resultado esperado:
    • Luz brillante: El LED permanece APAGADO; el voltaje en la base del transistor es bajo.
    • Oscuridad: El LED se ENCIENDE; el voltaje en la base del transistor sube por encima de 0.7 V.
    • Transición: El circuito reacciona a la ausencia de luz (lógica de sensor de oscuridad).
  • Público objetivo: Principiantes y estudiantes de electrónica.

Materiales

  • V1: Fuente de 5 V CC, función: fuente de alimentación principal.
  • R1: Resistencia de 100 kΩ, función: resistencia pull-up de base (ajusta la sensibilidad).
  • R2: Resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente del LED.
  • D1: Fotodiodo de silicio genérico, función: sensor de luz.
  • Q1: Transistor NPN 2N2222 (o BC547), función: interruptor electrónico.
  • D2: LED rojo, función: indicador visual de salida.

Guía de conexionado

Esta guía utiliza nombres de nodo específicos para definir las conexiones claramente.
* Nodos definidos: VCC (5 V), GND (0 V), V_BASE (Voltaje de control), V_COL (Voltaje de colector).

  • V1 (Fuente): Conectar el terminal positivo a VCC y el terminal negativo a GND.
  • R1 (Polarización): Conectar entre VCC y V_BASE.
  • D1 (Fotodiodo):
    • Conectar el Cátodo a V_BASE.
    • Conectar el Ánodo a GND.
    • Nota: El fotodiodo se utiliza en modo de polarización inversa.
  • Q1 (Transistor):
    • Conectar la Base a V_BASE.
    • Conectar el Emisor a GND.
    • Conectar el Colector a V_COL.
  • R2 y D2 (Bucle de salida):
    • Conectar R2 entre VCC y el Ánodo de D2.
    • Conectar el Cátodo de D2 a V_COL (el Colector de Q1).

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC14 Photodiode
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

[ INPUT / SENSING ]                     [ LOGIC / SWITCHING ]                   [ OUTPUT / LOAD ]

      [ VCC (5 V) ]                                                                       [ VCC (5 V) ]
           |                                                                                  |
           |                                                                                  |
           v                                                                                  v
    [ R1: 100k Bias ] --(Pull Up)--+                                                  [ R2: 330 Ohm ]
                                   |                                                          |
                                   |                                                          |
                                (V_BASE)                                                      v
                                   |                                                    [ D2: Red LED ]
                                   |                                                          |
                                   +--(Control Sig)--> [ Q1: NPN Base ]                       |
                                   |                   [              ]                       |
                                   |                   [ Q1 Collector ] <--(Sink Current)-----+
    [ D1: Photodiode ] --(Sensor)--+                   [              ]                 (V_COL Node)
    (Reverse Biased)               |                   [ Q1 Emitter   ]
           |                       |                          |
           |                       |                          |
           v                       |                          v
        [ GND ]                    +---------------------> [ GND ]
Esquema Eléctrico

Mediciones y pruebas

Realice los siguientes pasos de validación utilizando un multímetro para asegurar que el circuito funcione según lo previsto.

  1. Verificar voltaje de alimentación:
    • Mida entre VCC y GND. Debería leer aproximadamente 5 V.
  2. Prueba en condición de luz (LED APAGADO):
    • Ilumine con una luz brillante directamente sobre el fotodiodo D1.
    • Mida el voltaje en V_BASE. Debería ser bajo (típicamente < 0.5 V) porque el fotodiodo conduce corriente a tierra.
    • Observe D2 (LED). Debería estar APAGADO.
    • Mida el voltaje en V_COL. Debería estar cerca de VCC (Alto) ya que el transistor está en corte.
  3. Prueba en condición de oscuridad (LED ENCENDIDO):
    • Cubra D1 completamente con su mano o una tapa oscura.
    • Mida el voltaje en V_BASE. Debería subir por encima de 0.6 V – 0.7 V.
    • Observe D2 (LED). Debería ENCENDERSE.
    • Mida el voltaje en V_COL. Debería caer cerca de 0 V (voltaje de saturación ~0.2 V).

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Simple twilight switch

* --- Power Supply ---
* V1: 5 V DC supply
V1 VCC 0 DC 5

* --- Input Stage (Light Sensor) ---
* R1: 100 kΩ resistor (Base pull-up)
* Connect between VCC and V_BASE
R1 VCC V_BASE 100k

* D1: Generic silicon photodiode
* Connect the Cathode to V_BASE, Anode to GND (Reverse Bias)
* SPICE Syntax: Dname Anode Cathode Model
D1 0 V_BASE D_GENERIC

* OPTICAL STIMULUS SIMULATION
* The photodiode generates a photocurrent flowing from Cathode to Anode 
* (Reverse current) proportional to light intensity.
* We simulate this with a Current Source (I_LIGHT) in parallel with D1.
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Simple twilight switch

* --- Power Supply ---
* V1: 5 V DC supply
V1 VCC 0 DC 5

* --- Input Stage (Light Sensor) ---
* R1: 100 kΩ resistor (Base pull-up)
* Connect between VCC and V_BASE
R1 VCC V_BASE 100k

* D1: Generic silicon photodiode
* Connect the Cathode to V_BASE, Anode to GND (Reverse Bias)
* SPICE Syntax: Dname Anode Cathode Model
D1 0 V_BASE D_GENERIC

* OPTICAL STIMULUS SIMULATION
* The photodiode generates a photocurrent flowing from Cathode to Anode 
* (Reverse current) proportional to light intensity.
* We simulate this with a Current Source (I_LIGHT) in parallel with D1.
* Logic: 
*   0uA = Dark (Night) -> Base High -> Q1 ON -> LED ON
*   100uA = Light (Day) -> Base Low -> Q1 OFF -> LED OFF
* Waveform: Dark (0uA) transitioning to Light (100uA)
I_LIGHT V_BASE 0 PULSE(0 100u 100u 100u 100u 2m 5m)

* --- Switching Stage ---
* Q1: 2N2222 NPN Transistor
* Base to V_BASE, Emitter to GND, Collector to V_COL
* SPICE Syntax: Qname Collector Base Emitter Model
Q1 V_COL V_BASE 0 2N2222

* --- Output Stage ---
* R2: 330 Ω resistor
* Connect between VCC and the Anode of D2 (Node V_LED_ANODE)
R2 VCC V_LED_ANODE 330

* D2: Red LED
* Connect Anode to V_LED_ANODE, Cathode to V_COL
D2 V_LED_ANODE V_COL LED_RED

* --- Models ---
* Standard NPN Transistor Model
.model 2N2222 NPN (IS=1E-14 VAF=100 BF=200 IKF=0.3 XTB=1.5 BR=3 CJC=8E-12 CJE=25E-12 TR=46.91E-9 TF=411.1E-12 ITF=0.6 VTF=1.7 XTF=3 RB=10 RC=1 RE=0.1)

* Generic Red LED Model (Approx 1.8V-2V drop)
.model LED_RED D (IS=93.2p RS=42m N=3.73 BV=5 IBV=10u CJO=2.97p VJ=0.75 M=0.333 TT=4.32u)

* Generic Silicon Diode Model for Photodiode (Dark characteristics)
.model D_GENERIC D (IS=1N N=1 RS=0.1)

* --- Analysis Directives ---
* Transient analysis to show the switching behavior
.tran 10u 5m

* Print required voltages to verify operation
* V(V_BASE): Sensor voltage (High = Dark, Low = Light)
* V(V_COL): Output state (Low = LED ON, High/Floating = LED OFF)
.print tran V(V_BASE) V(V_COL)

.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (534 rows) 
Index   time            v(v_base)       v(v_col)
0	0.000000e+00	7.119659e-01	4.863696e-01
1	1.000000e-07	7.119659e-01	4.863696e-01
2	2.000000e-07	7.119659e-01	4.863696e-01
3	4.000000e-07	7.119659e-01	4.863696e-01
4	8.000000e-07	7.119659e-01	4.863696e-01
5	1.600000e-06	7.119659e-01	4.863696e-01
6	3.200000e-06	7.119659e-01	4.863696e-01
7	6.400000e-06	7.119659e-01	4.863696e-01
8	1.280000e-05	7.119659e-01	4.863696e-01
9	2.280000e-05	7.119659e-01	4.863696e-01
10	3.280000e-05	7.119659e-01	4.863696e-01
11	4.280000e-05	7.119659e-01	4.863696e-01
12	5.280000e-05	7.119659e-01	4.863696e-01
13	6.280000e-05	7.119659e-01	4.863696e-01
14	7.280000e-05	7.119659e-01	4.863696e-01
15	8.280000e-05	7.119659e-01	4.863696e-01
16	9.280000e-05	7.119659e-01	4.863696e-01
17	1.000000e-04	7.119659e-01	4.863696e-01
18	1.006859e-04	7.117420e-01	5.075675e-01
19	1.020576e-04	7.110644e-01	5.716214e-01
20	1.044620e-04	7.094358e-01	7.222583e-01
21	1.068767e-04	7.077111e-01	8.743413e-01
22	1.096009e-04	7.056321e-01	1.048175e+00
23	1.150494e-04	7.009675e-01	1.400214e+00
... (510 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Invertir el fotodiodo:
    • Error: Conectar el Ánodo a la Base y el Cátodo a Tierra.
    • Resultado: El diodo actúa como un diodo estándar polarizado directamente, fijando la Base a ~0.7 V permanentemente o conduciendo totalmente, impidiendo la lógica de conmutación.
    • Solución: Asegúrese de que el Cátodo (marcado con una línea o lado plano) se conecte al lado positivo (Base) para operación en polarización inversa.
  2. Pinout del transistor incorrecto:
    • Error: Intercambiar Colector y Emisor en el 2N2222.
    • Resultado: La ganancia se reduce significativamente y es posible que el LED no se encienda completamente o que el transistor se sobrecaliente.
    • Solución: Verifique el pinout (E-B-C) en la hoja de datos (datasheet) antes de la inserción.
  3. Valor de resistencia incorrecto para R1:
    • Error: Usar un valor muy bajo (ej. 1 kΩ) para R1.
    • Resultado: La corriente del fotodiodo no puede bajar el voltaje lo suficiente con luz brillante, manteniendo el LED ENCENDIDO permanentemente.
    • Solución: Use un valor alto (100 kΩ a 330 kΩ) para permitir que la pequeña fotocorriente controle el divisor de voltaje efectivamente.

Solución de problemas

  • Síntoma: El LED está siempre ENCENDIDO, incluso con luz brillante.
    • Causa: R1 es demasiado pequeña, o la luz ambiental no es lo suficientemente fuerte para generar suficiente fotocorriente.
    • Solución: Aumente R1 a 220 kΩ o 330 kΩ, o acerque la fuente de luz.
  • Síntoma: El LED está siempre APAGADO, incluso en oscuridad total.
    • Causa: El fotodiodo está en corto, R1 está abierta o el transistor está quemado.
    • Solución: Verifique continuidad en R1. Retire D1; si el LED se enciende, D1 estaba en corto o instalado al revés (polarizado directamente).
  • Síntoma: El LED brilla tenuemente en la oscuridad.
    • Causa: Q1 no se está saturando completamente.
    • Solución: Disminuya R2 ligeramente (asegúrese de que se mantenga por encima de 220 Ω) o verifique si V1 es realmente de 5 V.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Ajuste de sensibilidad: Reemplace R1 con un potenciómetro de 500 kΩ (en serie con una resistencia de seguridad de 10 kΩ) para ajustar manualmente el nivel de luz al que se activa el LED.
  2. Histéresis/Conmutación limpia: Añada un segundo transistor o un Schmitt Trigger (ej. 74HC14) entre el nodo del fotodiodo y el transistor conductor para evitar 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: ¿Cuál es la función del transistor Q1 (NPN) en el circuito?




Pregunta 4: ¿Qué sucede con el LED cuando hay luz brillante en el ambiente?




Pregunta 5: ¿Qué voltaje aproximado en la base del transistor se necesita para encender el LED?




Pregunta 6: ¿Cuál es la función de la resistencia R2 de 330 Ω según la lógica estándar de estos circuitos?




Pregunta 7: ¿Qué aplicación del mundo real se menciona para este tipo de circuito?




Pregunta 8: ¿Qué componente se utiliza típicamente como resistencia de base para polarizar el transistor?




Pregunta 9: ¿Cuál es el voltaje de la fuente de alimentación (V1) sugerida?




Pregunta 10: ¿A qué público objetivo está dirigido principalmente este proyecto?




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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