Caso práctico: Sensor de alarma para cajón secreto

Nivel: Básico — Construye un circuito que active un zumbador cuando detecte luz al abrir un cajón oscuro.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un sistema de alarma sensible a la luz utilizando una fotorresistencia (LDR) y un controlador de transistor. El circuito permanece en silencio en la oscuridad, pero activa una alarma sonora inmediatamente cuando la luz incide sobre el sensor.

• Seguridad: Protege cajones o cajas privadas alertándote si son abiertos.
• Protección: Puede usarse para señalar si la puerta de un refrigerador o despensa no está completamente cerrada.
• Automatización: Demuestra cómo utilizar entradas ambientales (luz) para controlar dispositivos de salida (sonido).

Resultado esperado:
* Oscuridad (Cajón cerrado): El zumbador permanece APAGADO (0 V a través del zumbador).
* Luz (Cajón abierto): El zumbador se ENCIENDE inmediatamente.
* Umbral: El transistor conmuta la carga cuando el voltaje de base excede aproximadamente 0.6 V–0.7 V.
* Público objetivo: Principiantes y aficionados que aprenden sobre la interfaz de sensores.

Materiales

• V1: Batería de 9 V CC o fuente de alimentación, función: Fuente de alimentación principal.
• R1: Fotorresistencia (LDR) GL5528, función: Detecta la intensidad de la luz (resistencia variable).
• R2: Resistencia de 10 kΩ, función: Resistencia pull-down para formar un divisor de voltaje.
• Q1: Transistor NPN 2N2222, función: Interruptor electrónico para accionar el zumbador.
• LS1: Zumbador piezoeléctrico activo de 9 V, función: Salida de alarma sonora.
• SW1: Interruptor de palanca SPST, función: Interruptor maestro de encendido/apagado (opcional).

Guía de conexionado

Construye el circuito conectando los componentes entre los nodos específicos definidos a continuación. Utiliza una protoboard para un fácil montaje.

• VCC: Conecta el terminal positivo de V1 y un lado de SW1. Conecta el otro lado de SW1 al riel principal VCC.
• 0 (GND): Conecta el terminal negativo de V1, el Emisor de Q1 y una pata de R2.
• V_BASE: Conecta la otra pata de R2, una pata de R1 y la Base de Q1.
• VCC (Conexión): Conecta la otra pata de R1 al riel VCC.
• V_COLLECTOR: Conecta el Colector de Q1 al cable negativo de LS1.
• VCC (Carga): Conecta el cable positivo de LS1 al riel VCC.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ INPUTS / POWER ]                  [ LOGIC / CONTROL ]                     [ OUTPUT ]

                                             (VCC Rail)
    [ 9 V Battery ] --> [ SW1 Switch ] --+------->+----------------------------------+
                                        |        |                                  |
                                        |        v                                  v
    [ Light Source ] --> [ LDR (R1) ] --+--> [ Voltage Divider ]                    |
                         (Sensor)            [ (Node: V_BASE)  ] --(Trigger)--> [ Q1 Transistor ]
                                       +--> [ R1 vs R2 Logic  ]                [ (NPN Switch)  ] --(Ground Path)--> [ LS1 Buzzer ]
                                        |                                       [ Collector Pin ]                    (Active Alarm)
    [ Resistor R2 ] ----(Pull-Down)-----+                                           |
    (10k Ohm)                                                                       v
                                                                                 [ GND ]

Mediciones y pruebas

Sigue estos pasos para validar el funcionamiento del circuito:

1. Comprobación de resistencia del LDR:
   • Configura tu multímetro para medir Resistencia (Ω).
   • Mide R1 a plena luz; debería leer un valor bajo (p. ej., 500 Ω – 2 kΩ).
   • Cubre R1 completamente; debería leer un valor alto (p. ej., > 100 kΩ).
2. Prueba del divisor de voltaje:
   • Enciende el circuito (VCC = 9 V).
   • Configura el multímetro en Voltaje CC. Conecta la sonda negra a 0 (GND) y la sonda roja a V_BASE.
   • En oscuridad: El voltaje debería estar cerca de 0 V (por debajo de 0.6 V).
   • En luz: El voltaje debería aumentar significativamente (por encima de 0.7 V).
3. Verificación de salida:
   • Expón el sensor a la luz. El zumbador LS1 debería sonar.
   • Cubre el sensor con tu mano. El zumbador debería detenerse inmediatamente.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Secret drawer alarm sensor
* Ngspice Netlist
*
* Circuit Description:
* A light-activated alarm using a photoresistor (LDR) and an NPN transistor.
* When the drawer opens (Light), LDR resistance drops, Base voltage rises,
* Q1 turns ON, and the Buzzer sounds.
*
* Simulation Scenario:
* 0ms - 2ms: System OFF (Master Switch Open).
* 2ms: Master Switch closes (System Armed). Drawer is Closed (Dark).
* 5ms: Drawer Opens (Light hits LDR). Alarm triggers.

* --- Power Supply (V1) ---
* 9V DC Battery
V1 BAT_POS 0 DC 9

* --- Master Switch (SW1) ---
* Connects Battery Positive to Main VCC Rail.
* Modeled as a voltage-controlled switch closing at t=2ms.
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Secret drawer alarm sensor
* Ngspice Netlist
*
* Circuit Description:
* A light-activated alarm using a photoresistor (LDR) and an NPN transistor.
* When the drawer opens (Light), LDR resistance drops, Base voltage rises,
* Q1 turns ON, and the Buzzer sounds.
*
* Simulation Scenario:
* 0ms - 2ms: System OFF (Master Switch Open).
* 2ms: Master Switch closes (System Armed). Drawer is Closed (Dark).
* 5ms: Drawer Opens (Light hits LDR). Alarm triggers.

* --- Power Supply (V1) ---
* 9V DC Battery
V1 BAT_POS 0 DC 9

* --- Master Switch (SW1) ---
* Connects Battery Positive to Main VCC Rail.
* Modeled as a voltage-controlled switch closing at t=2ms.
S1 BAT_POS VCC CTRL_SW 0 SW_MODEL
V_SW_CTRL CTRL_SW 0 PULSE(0 5 2ms 1u 1u 100ms)
.model SW_MODEL SW(Vt=2.5 Ron=0.01 Roff=100Meg)

* --- Photoresistor (R1 / LDR) ---
* LDR GL5528 connecting VCC to Base.
* Modeled as a behavioral resistor B_R1.
* Resistance logic controlled by V_LDR_RES:
*   Dark (Closed) = 1 MegOhm
*   Light (Open)  = 2 kOhm
* Simulation: Transitions from Dark to Light at t=5ms.
V_LDR_RES RES_CTRL 0 PWL(0 1Meg 4.99ms 1Meg 5ms 2k)
B_R1 VCC V_BASE I=(V(VCC) - V(V_BASE)) / V(RES_CTRL)

* --- Resistor (R2) ---
* 10k Ohm pull-down resistor from Base to Ground.
R2 V_BASE 0 10k

* --- Transistor (Q1) ---
* 2N2222 NPN Transistor acting as the switch for the buzzer.
* Connections: Collector=V_COLLECTOR, Base=V_BASE, Emitter=0
Q1 V_COLLECTOR V_BASE 0 2N2222MOD

* --- Buzzer (LS1) ---
* 9V Active Piezo Buzzer.
* Modeled as a 1k Ohm resistive load connected between VCC and Collector.
* (Not modeled as a voltage source per requirements).
R_LS1 VCC V_COLLECTOR 1k

* --- Component Models ---
.model 2N2222MOD NPN(Is=14.34f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=74.03 Bf=255.9 Ne=1.307 Ise=14.34f Ikf=.2847 Xtb=1.5 Br=6.092 Nc=2 Isc=0 Ikr=0 Rc=1 Cjc=7.306p Mjc=.3416 Vjc=.75 Fc=.5 Cje=22.01p Mje=.377 Vje=.75 Tr=46.91n Tf=411.1p Itf=.6 Vtf=1.7 Xtf=3 Rb=10)

* --- Analysis Directives ---
.op
* Transient analysis for 10ms to capture the sequence.
.tran 10u 10ms

* Print directives to verify operation
* V(VCC): Power rail status
* V(V_BASE): Transistor drive voltage (Low=Dark, High=Light)
* V(V_COLLECTOR): Output node (High=Off, Low=Alarm On)
.print tran V(VCC) V(V_BASE) V(V_COLLECTOR)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (1057 rows)

Index   time            v(vcc)          v(v_base)       v(v_collector)
0	0.000000e+00	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
1	1.000000e-07	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
2	2.000000e-07	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
3	4.000000e-07	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
4	8.000000e-07	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
5	1.600000e-06	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
6	3.200000e-06	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
7	6.400000e-06	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
8	1.280000e-05	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
9	2.280000e-05	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
10	3.280000e-05	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
11	4.280000e-05	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
12	5.280000e-05	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
13	6.280000e-05	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
14	7.280000e-05	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
15	8.280000e-05	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
16	9.280000e-05	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
17	1.028000e-04	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
18	1.128000e-04	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
19	1.228000e-04	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
20	1.328000e-04	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
21	1.428000e-04	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
22	1.528000e-04	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
23	1.628000e-04	8.999090e-02	8.909999e-04	8.999089e-02
... (1033 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Invertir el divisor de voltaje: Si intercambias R1 (LDR) y R2 (Resistencia fija), la alarma sonará en la oscuridad y se detendrá con la luz (lógica inversa). Asegúrate de que R1 esté conectada a VCC y R2 a GND.
2. Usar un zumbador pasivo: Un zumbador pasivo requiere una señal de CA oscilante para emitir sonido. Este circuito proporciona CC. Debes usar un Zumbador activo (que tiene un oscilador interno).
3. Errores en el pin-out del transistor: Confundir el Colector (C) y el Emisor (E) es común. Para el 2N2222 en un encapsulado TO-92, verifica la hoja de datos del pin-out; generalmente, con el lado plano hacia ti, los pines son E-B-C o E-B-C dependiendo del fabricante.

Solución de problemas

• El zumbador suena continuamente (incluso en la oscuridad):
  • La luz ambiental es demasiado fuerte. Coloca el circuito en una caja.
  • El valor de R2 es demasiado alto. Intenta reemplazar R2 con un valor más bajo (p. ej., 4.7 kΩ) para reducir el voltaje de base con más fuerza.
• El zumbador nunca suena:
  • El valor de R2 es demasiado bajo.
  • LS1 está conectado al revés (verifica la polaridad).
  • Q1 está dañado o conectado incorrectamente.
• El zumbador suena muy bajo:
  • El voltaje de la batería podría ser bajo.
  • Asegúrate de que el zumbador esté clasificado para el voltaje de alimentación utilizado (9 V).

Posibles mejoras y extensiones

1. Control de sensibilidad: Reemplaza la resistencia fija R2 con un potenciómetro de 50 kΩ. Esto te permite ajustar con precisión cuánta luz se necesita para activar la alarma.
2. Alarma con enclavamiento: Añade un Rectificador Controlado de Silicio (SCR) en lugar del transistor NPN, o añade un bucle de retroalimentación. Esto mantendría la alarma sonando incluso si el ladrón cierra rápidamente el cajón de nuevo, forzando un reinicio manual.

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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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