Caso práctico: Temporizador simple con transistor

Prototipo de Temporizador simple con transistor (Maker Style)

Nivel: Básico. Construye un circuito de retardo al apagado utilizando la descarga lenta de un condensador para controlar un transistor.

Objetivo y caso de uso

En esta sesión, construirás un circuito temporizador analógico que mantiene un LED iluminado durante una duración específica después de soltar un pulsador. Esto demuestra cómo un condensador almacena energía y la descarga a lo largo del tiempo para controlar un elemento de conmutación (el transistor).

Por qué es útil:
* Iluminación interior de coches: Luces que se apagan lentamente después de cerrar la puerta.
* Temporizadores de escalera: Iluminación que permanece encendida el tiempo suficiente para que alguien suba las escaleras.
* Ventiladores de baño: Ventiladores que continúan funcionando durante unos minutos después de apagarlos para eliminar la humedad.
* Eliminación de rebotes (Debouncing): Suavizado de interrupciones de señal cortas y no deseadas.

Resultado esperado:
* Pulsación del botón: El LED se ENCIENDE inmediatamente con brillo máximo.
* Liberación del botón: El LED permanece ENCENDIDO inicialmente.
* Fase de retardo: El LED se atenúa gradualmente y se APAGA después de unos segundos a medida que cae el voltaje del condensador.
* Público objetivo: Estudiantes y aficionados que aprenden sobre constantes de tiempo RC y conmutación con transistores.

Materiales

  • V1: Fuente de alimentación de 9 V CC, función: fuente de alimentación principal.
  • S1: Pulsador (Normalmente Abierto), función: disparador de carga.
  • C1: Condensador electrolítico de 470 µF, función: temporización y almacenamiento de energía.
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: resistencia de temporización de descarga.
  • R2: Resistencia de 470 Ω, función: limitación de corriente del LED.
  • Q1: Transistor NPN 2N2222, función: interruptor de corriente.
  • D1: LED rojo, función: indicador visual de salida.

Guía de conexionado

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

  • Fuente de alimentación:

    • Conecta el terminal positivo de V1 al nodo VCC.
    • Conecta el terminal negativo de V1 al nodo 0 (GND).

  • Red de entrada y temporización:

    • Conecta S1 entre el nodo VCC y el nodo VCAP.
    • Conecta el terminal positivo de C1 al nodo VCAP.
    • Conecta el terminal negativo de C1 al nodo 0.
    • Conecta R1 entre el nodo VCAP y el nodo BASE.

  • Interruptor de transistor:

    • Conecta la Base de Q1 al nodo BASE.
    • Conecta el Emisor de Q1 al nodo 0.
    • Conecta el Colector de Q1 al nodo COL.

  • Carga de salida (LED):

    • Conecta R2 entre el nodo VCC y el nodo LED_A.
    • Conecta el Ánodo de D1 al nodo LED_A.
    • Conecta el Cátodo de D1 al nodo COL.

Diagrama de bloques conceptual

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

Esquemático

[ INPUT & TIMING ]                  [ LOGIC / SWITCH ]                 [ OUTPUT LOAD ]

(VCC 9 V) --+--(Power Path)--------------------------------------------------> [ Resistor R2 ]
           |                                                                        |
           |                                                                        v
     [ Button S1 ]                                                             [ LED D1 ]
           |                                                                        |
           v (Trigger)                                                              |
     [ Node VCAP ] --(Slow Discharge)--> [ Resistor R1 ] --(Base Sig)-->+           |
           |                                                            |           |
           + <--(Stores Charge)-- [ Capacitor C1 ]                      |           |
                                       |                                v           v
                                       v                        +-----------------------+
                                    [ GND ]                     |     TRANSISTOR Q1     |
                                                                | (Base)    (Collector) |
                                                                +-----------------------+
                                                                            |
                                                                            v (Emitter)
                                                                         [ GND ]
Esquema Eléctrico

Mediciones y pruebas

Sigue estos pasos para validar el comportamiento del circuito usando un multímetro.

  1. Estado inicial: Asegúrate de que S1 no esté presionado. El LED debe estar APAGADO.
    • Mide el voltaje en VCAP. Debería estar cerca de 0 V.
  2. Fase de carga: Mantén presionado S1.
    • Comprobación: El LED se ENCIENDE inmediatamente.
    • Medición: El voltaje en VCAP debería subir instantáneamente a aproximadamente 9 V (VCC).
  3. Fase de descarga: Suelta S1 e inicia un cronómetro.
    • Observación: El LED permanece encendido.
    • Medición: Monitorea el voltaje en VCAP. Disminuirá lentamente.
    • Umbral: Cuando VCAP cae por debajo de aproximadamente 1.4 V (V_BE + caída en R1), el LED se atenuará significativamente y se APAGARÁ.
  4. Constante de tiempo: Registra el tiempo desde la liberación hasta que el LED se apague por completo.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Simple Transistor Timer

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC supply
V1 VCC 0 DC 9

* --- Input and Timing Network ---
* S1: Push-button (Normally Open)
* Modeled as a Voltage Controlled Switch (S1) driven by a control pulse (V_S1_ACT)
* Connects VCC to VCAP when activated
S1 VCC VCAP CTRL 0 SW_MODEL

* Control signal for the button press simulation
* Press button at T=0.5s, hold for 0.5s, then release to allow discharge
V_S1_ACT CTRL 0 PULSE(0 5 0.5 1m 1m 0.5 20)

* C1: 470 µF electrolytic capacitor
C1 VCAP 0 470u

* R1: 10 kΩ resistor (Discharge path to Base)
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Simple Transistor Timer

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC supply
V1 VCC 0 DC 9

* --- Input and Timing Network ---
* S1: Push-button (Normally Open)
* Modeled as a Voltage Controlled Switch (S1) driven by a control pulse (V_S1_ACT)
* Connects VCC to VCAP when activated
S1 VCC VCAP CTRL 0 SW_MODEL

* Control signal for the button press simulation
* Press button at T=0.5s, hold for 0.5s, then release to allow discharge
V_S1_ACT CTRL 0 PULSE(0 5 0.5 1m 1m 0.5 20)

* C1: 470 µF electrolytic capacitor
C1 VCAP 0 470u

* R1: 10 kΩ resistor (Discharge path to Base)
R1 VCAP BASE 10k

* --- Transistor Switch ---
* Q1: 2N2222 NPN transistor
* Connections: Collector=COL, Base=BASE, Emitter=0(GND)
Q1 COL BASE 0 2N2222MOD

* --- Output Load (LED) ---
* R2: 470 Ω resistor
R2 VCC LED_A 470

* D1: Red LED
* Connections: Anode=LED_A, Cathode=COL
D1 LED_A COL DLED

* --- Models ---
* Switch Model: Threshold 2.5V, Low On-Resistance
.model SW_MODEL SW(Vt=2.5 Ron=0.1 Roff=100Meg)

* NPN Transistor Model (Generic 2N2222)
.model 2N2222MOD 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=0.3 RE=0.2)

* LED Model (Red LED approx)
.model DLED D(IS=1u N=2 RS=10 BV=5 IBV=10u)

* --- Analysis Commands ---
* Transient analysis for 10 seconds to observe the long RC discharge (Tau ~ 4.7s)
.tran 10m 10s

* Output voltage of Capacitor, Base, Collector, and LED Anode
.print tran V(VCAP) V(BASE) V(COL) V(LED_A)

.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (2110 rows) 
Index   time            v(vcap)         v(base)         v(col)
0	0.000000e+00	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838023e+00
1	1.000000e-04	5.504285e-01	5.495836e-01	8.838088e+00
2	2.000000e-04	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
3	4.000000e-04	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
4	8.000000e-04	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
5	1.600000e-03	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
6	3.200000e-03	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
7	6.400000e-03	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
8	1.280000e-02	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
9	2.280000e-02	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
10	3.280000e-02	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
11	4.280000e-02	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
12	5.280000e-02	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
13	6.280000e-02	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
14	7.280000e-02	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
15	8.280000e-02	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
16	9.280000e-02	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
17	1.028000e-01	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
18	1.128000e-01	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
19	1.228000e-01	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
20	1.328000e-01	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
21	1.428000e-01	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
22	1.528000e-01	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
23	1.628000e-01	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
... (2086 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Polaridad del condensador invertida: Los condensadores electrolíticos pueden explotar o fallar si se conectan al revés. Asegúrate de que la franja negativa en C1 se conecte a 0 (GND).
  2. Pin-out del transistor incorrecto: Confundir el Colector y el Emisor impide la conmutación. Verifica la hoja de datos del 2N2222; generalmente, la pestaña o el lado plano indica la orientación de los pines.
  3. Valor del condensador demasiado pequeño: Usar un condensador pequeño (por ejemplo, 100 nF) resulta en un retardo demasiado corto para que el ojo humano lo perciba. Usa al menos 100 µF para resultados visibles.

Solución de problemas

  • Síntoma: El LED nunca se ENCIENDE.
    • Causa: LED instalado al revés o transistor roto.
    • Solución: Verifica la orientación de D1 (Ánodo a resistencia, Cátodo a Colector) y verifica las conexiones de Q1.
  • Síntoma: El LED se APAGA inmediatamente al soltar el botón.
    • Causa: Falta el condensador, está desconectado o el valor es demasiado bajo.
    • Solución: Asegúrate de que C1 esté firmemente conectado entre VCAP y 0. Intenta aumentar C1 a 1000 µF.
  • Síntoma: El transistor se calienta mucho.
    • Causa: Falta la resistencia de base o hay un cortocircuito en la salida.
    • Solución: Asegúrate de que R1 (10 kΩ) esté instalada correctamente entre el condensador y la base para limitar la corriente de base.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Temporizador variable: Reemplaza R1 con un potenciómetro de 50 kΩ en serie con una resistencia de 1 kΩ para permitir al usuario ajustar la duración del retardo.
  2. Par Darlington: Reemplaza Q1 con un transistor Darlington (o dos NPN conectados como un par Darlington) para aumentar significativamente la impedancia de entrada, permitiendo retardos mucho más largos con el mismo valor de condensador.

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Quiz rápido

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




Pregunta 2: ¿Qué componente es responsable de almacenar la energía para crear el retardo?




Pregunta 3: ¿Qué sucede con el LED cuando se pulsa el botón?




Pregunta 4: ¿Cuál es una aplicación práctica mencionada para este tipo de circuito?




Pregunta 5: ¿Qué función cumple el transistor en este circuito?




Pregunta 6: ¿Qué ocurre durante la 'Fase de retardo' descrita?




Pregunta 7: ¿Qué fenómeno físico se utiliza para controlar el transistor en este proyecto?




Pregunta 8: ¿Para qué sirve este circuito en los ventiladores de baño según el texto?




Pregunta 9: ¿Qué es el 'Debouncing' o eliminación de rebotes mencionado como utilidad?




Pregunta 10: ¿Qué nivel de dificultad se asigna a este proyecto en el texto?




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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