Caso práctico: Sensor óptico para un seguidor solar

Prototipo de Sensor óptico para un seguidor solar (Maker Style)

Nivel: Medio – Diseñar un circuito con dos fotodiodos en configuración diferencial para detectar la dirección de la fuente de luz de mayor intensidad.

Objetivo y caso de uso

Construirás un circuito sensor de luz direccional que utiliza dos fotodiodos polarizados en inversa y un amplificador operacional actuando como comparador de voltaje. Al medir la diferencia de intensidad de luz entre los dos sensores, el circuito determina qué lado está recibiendo más luz.

Por qué este circuito es útil:
* Maximizar la eficiencia de los paneles solares manteniéndolos apuntados directamente al sol.
* Permitir que robots autónomos busquen fuentes de luz para navegación o carga.
* Automatizar sistemas de domótica, como persianas o toldos, para reaccionar a la dirección de la luz solar directa.

Resultado esperado:
* Un voltaje diferencial medible que representa el desequilibrio de luz entre los dos sensores.
* Corrientes inversas a través de cada fotodiodo estrictamente proporcionales a la luz que incide sobre ellos.
* Un umbral de conmutación claro en la salida del amplificador operacional basado en qué sensor produce un voltaje mayor.
* Un indicador LED que se ilumina claramente cuando el sensor izquierdo recibe más luz que el sensor derecho.

Público objetivo y nivel: Estudiantes de electrónica de nivel intermedio que aprenden sobre comparadores analógicos, optoelectrónica y medición diferencial.

Materiales

  • V1: fuente de alimentación de 5 V CC
  • D1: fotodiodo BPW34, función: sensor de luz izquierdo (polarizado en inversa)
  • D2: fotodiodo BPW34, función: sensor de luz derecho (polarizado en inversa)
  • R1: resistencia de 100 kΩ, función: carga de D1 (conversión de corriente a voltaje)
  • R2: resistencia de 100 kΩ, función: carga de D2 (conversión de corriente a voltaje)
  • U1: amplificador operacional LM358, función: comparador de voltaje
  • R3: resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente del LED
  • D3: LED rojo, función: indicador de dirección izquierda

Guía de conexionado

  • V1 se conecta entre VCC y 0.
  • D1 se conecta entre VCC (cátodo) y VL (ánodo).
  • R1 se conecta entre VL y 0.
  • D2 se conecta entre VCC (cátodo) y VR (ánodo).
  • R2 se conecta entre VR y 0.
  • El pin de alimentación positiva de U1 se conecta a VCC.
  • El pin de alimentación negativa de U1 se conecta a 0.
  • La entrada no inversora (IN+) de U1 se conecta a VL.
  • La entrada inversora (IN-) de U1 se conecta a VR.
  • La salida de U1 se conecta al nodo VOUT.
  • R3 se conecta entre VOUT y VLED.
  • D3 se conecta entre VLED (ánodo) y 0 (cátodo).

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — LM358 LM358 Comparator
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

VCC --> [ D1: BPW34 Left ] ---(Node VL)--> [ R1: 100 kΩ ] --> GND
                                  |
                  +-----(IN+)-----> [             ]
                                                    [ U1: LM358   ]
                                                    [ Comparator  ] --(VOUT)--> [ R3: 330 Ω ] --(VLED)--> [ D3: Red LED ] --> GND
                  +-----(IN-)-----> [             ]
                                  |
VCC --> [ D2: BPW34 Right ] --(Node VR)--> [ R2: 100 kΩ ] --> GND
Esquema Eléctrico

Diagrama eléctrico

Diagrama eléctrico del caso: Sensor óptico para seguidor solar
Generado desde la netlist SPICE validada del caso.

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Mediciones y pruebas

  1. Verificación de la corriente inversa: Mide las caídas de voltaje de CC en R1 y R2. Calcula la fotocorriente inversa utilizando la ley de Ohm ($I = V/R$). Asegúrate de que la corriente aumenta linealmente a medida que acercas una linterna al fotodiodo respectivo.
  2. Medición del voltaje diferencial: Coloca una sonda del multímetro en VL y la otra en VR. Ilumina de manera uniforme entre ambos sensores; el voltaje diferencial debe estar cerca de 0 V. Mueve la luz hacia la izquierda y el voltaje diferencial debería volverse positivo. Muévela hacia la derecha y debería volverse negativo.
  3. Observación del umbral de conmutación: Mueve lentamente una fuente de luz de derecha a izquierda a través de los sensores. Monitorea VOUT con un multímetro u osciloscopio. La salida debería hacer una transición brusca desde cerca de 0 V (Bajo) hasta aproximadamente 3.5 V–4 V (Alto) precisamente cuando VL > VR.

Netlist SPICE y simulación

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

* Optical sensor for a solar tracker
.width out=256

* Power Supply
V1 VCC 0 5V

* Left Light Sensor (D1 and load R1)
* D1 is reverse-biased. I1 simulates the photocurrent generated by light exposure.
D1 VL VCC BPW34
I1 VCC VL PULSE(1u 20u 0 1u 1u 50u 100u)
R1 VL 0 100k

* Right Light Sensor (D2 and load R2)
* D2 is reverse-biased. I2 simulates the photocurrent generated by light exposure.
D2 VR VCC BPW34
I2 VCC VR PULSE(2u 21u 0 1u 1u 100u 200u)
R2 VR 0 100k

* Voltage Comparator (LM358)
XU1 VL VR VCC 0 VOUT LM358
* ... (truncated in public view) ...

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* Optical sensor for a solar tracker
.width out=256

* Power Supply
V1 VCC 0 5V

* Left Light Sensor (D1 and load R1)
* D1 is reverse-biased. I1 simulates the photocurrent generated by light exposure.
D1 VL VCC BPW34
I1 VCC VL PULSE(1u 20u 0 1u 1u 50u 100u)
R1 VL 0 100k

* Right Light Sensor (D2 and load R2)
* D2 is reverse-biased. I2 simulates the photocurrent generated by light exposure.
D2 VR VCC BPW34
I2 VCC VR PULSE(2u 21u 0 1u 1u 100u 200u)
R2 VR 0 100k

* Voltage Comparator (LM358)
XU1 VL VR VCC 0 VOUT LM358

* Left-Direction Indicator LED
R3 VOUT VLED 330
D3 VLED 0 DLED

* Component Models
.model BPW34 D(IS=5e-10 RS=10 N=1)
.model DLED D(IS=1e-19 N=1.6 RS=10)

* LM358 Operational Amplifier Behavioral Subcircuit (Comparator Mode)
.subckt LM358 in_plus in_minus vcc v_ee out
* Smooth continuous switching to ensure convergence, output swings to VCC - 1.2V
B1 out_ideal 0 V = V(v_ee) + (V(vcc) - V(v_ee) - 1.2) * (0.5 + 0.5 * tanh(1000 * (V(in_plus) - V(in_minus))))
Rout out_ideal out 50
.ends

* Simulation Directives
.op
.tran 1u 400u
.print tran V(VL) V(VR) V(VOUT) V(VLED)
.end
* --- GPT review (BOM/Wiring/SPICE) ---
* circuit_ok=true
* simulation_summary: The simulation shows the circuit acting as a comparator. When the left sensor voltage (VL) is higher than the right sensor voltage (VR), the output (VOUT) goes high (approx 3.5V) and the LED turns on (VLED approx 1.65V). When VR is higher than VL, VOUT goes low (0V) and the LED turns off. This matches the expected behavior of a solar tracker optical sensor.
* bom_vs_spice equivalences ignored:
*   - LM358 operational amplifier is modeled using a behavioral subcircuit (comparator mode).
*   - Photodiodes D1 and D2 are modeled with BPW34 diode models and parallel PULSE current sources (I1, I2) to simulate photocurrent.
*   - Red LED D3 is modeled as a standard diode with a specific model (DLED).
* overall_comment: The SPICE netlist accurately reflects the BOM and wiring guide. The use of current sources to simulate photocurrent in reverse-biased photodiodes is an excellent didactic approach. The behavioral model for the LM358 works well to demonstrate the comparator function. The circuit is fully functional and serves as a great practical example for students.
* --------------------------------------

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation shows the circuit acting as a comparator. When the left sensor voltage (VL) is higher than the right sensor voltage (VR), the output (VOUT) goes high (approx 3.5V) and the LED turns on (VLED approx 1.65V). When VR is higher than VL, VOUT goes low (0V) and the LED turns off. This matches the expected behavior of a solar tracker optical sensor.
Show raw data table (464 rows) 
Index   time            v(vl)           v(vr)           v(vout)         v(vled)
0	0.000000e+00	1.000505e-01	2.000505e-01	2.554194e-49	1.941187e-48
1	1.000000e-08	1.190505e-01	2.190505e-01	2.407063e-64	1.829368e-63
2	2.000000e-08	1.380505e-01	2.380505e-01	-2.40706e-64	-1.82937e-63
3	4.000000e-08	1.760505e-01	2.760505e-01	-1.13420e-78	-8.61995e-78
4	8.000000e-08	2.520505e-01	3.520505e-01	4.536814e-79	3.447978e-78
5	1.600000e-07	4.040505e-01	5.040504e-01	3.420381e-93	2.599489e-92
6	3.200000e-07	7.080504e-01	8.080504e-01	-8.55095e-94	-6.49872e-93
7	6.400000e-07	1.316050e+00	1.416050e+00	-8.86422e-108	-6.73681e-107
8	1.000000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	9.065683e-109	6.889919e-108
9	1.064000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	2.491317e-123	1.893401e-122
10	1.192000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	-1.70869e-123	-1.29861e-122
11	1.448000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	-9.52641e-138	-7.24007e-137
12	1.960000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	3.220532e-138	2.447604e-137
13	2.960000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	2.649727e-152	2.013792e-151
14	3.960000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	-3.03502e-153	-2.30661e-152
15	4.960000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	-3.06913e-167	-2.33254e-166
16	5.960000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	2.860189e-168	2.173743e-167
17	6.960000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	3.431423e-182	2.607881e-181
18	7.960000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	-2.69543e-183	-2.04853e-182
19	8.960000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	-3.74179e-197	-2.84376e-196
20	9.960000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	2.540164e-198	1.930525e-197
21	1.096000e-05	2.000050e+00	2.100050e+00	4.005019e-212	3.043815e-211
22	1.196000e-05	2.000050e+00	2.100050e+00	-2.39384e-213	-1.81932e-212
23	1.296000e-05	2.000050e+00	2.100050e+00	-4.22550e-227	-3.21138e-226
... (440 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  • Polarizar los fotodiodos en directa: Los fotodiodos deben estar polarizados en inversa para actuar como fuentes de corriente dependientes de la luz. Si el ánodo se conecta a VCC, el diodo conducirá intensamente como un diodo estándar, anulando la capacidad de detección de luz. Asegúrate siempre de que el cátodo se conecte a la fuente de alimentación positiva.
  • Usar resistencias de carga demasiado pequeñas: La corriente inversa de un fotodiodo suele estar en el rango de los microamperios (µA). Si R1 y R2 son demasiado bajos (por ejemplo, 1 kΩ), la caída de voltaje resultante será demasiado pequeña para que el comparador la mida de manera confiable. Cíñete a valores altos como 100 kΩ o 1 MΩ.
  • Falta de separación óptica: Si ambos sensores se colocan planos uno al lado del otro sin una barrera óptica (una pequeña pieza de plástico opaco separando sus campos de visión), recibirán una luz casi idéntica independientemente del ángulo, lo que impedirá que el circuito diferencial funcione.

Solución de problemas

  • Síntoma: VOUT fluctúa constantemente o el LED parpadea de forma continua.
    • Causa: Los sensores están captando el parpadeo de 50 Hz / 60 Hz de la iluminación interior de CA, lo que hace que el comparador oscile.
    • Solución: Agrega un condensador pequeño (por ejemplo, 100 nF) en paralelo con R1 y R2 para que actúe como un filtro paso bajo, o prueba el circuito utilizando una fuente de luz de CC como una linterna o luz solar natural.
  • Síntoma: El LED nunca se enciende, incluso cuando D1 está inundado de luz.
    • Causa: El voltaje de salida del LM358 podría no ser lo suficientemente alto para superar el voltaje directo del LED más la caída de voltaje de R3, o el LED está instalado al revés.
    • Solución: Verifica la polaridad del LED (ánodo a R3, cátodo a 0). Mide VOUT para asegurarte de que alcance al menos 2 V cuando VL > VR.
  • Síntoma: Tanto VL como VR permanecen cerca de 0 V independientemente de la luz.
    • Causa: Los fotodiodos podrían estar instalados al revés (bloqueando la corriente por completo), o la intensidad de luz es significativamente demasiado baja para las resistencias de carga elegidas.
    • Solución: Vuelve a comprobar la orientación del fotodiodo. Si es correcta, aumenta el valor de R1 y R2 a 470 kΩ o 1 MΩ para incrementar la sensibilidad.

Posibles mejoras y extensiones

  • Agregar histéresis: Introduce una resistencia de retroalimentación de alto valor (por ejemplo, 1 MΩ) desde VOUT a la entrada no inversora (VL). Esto evita la conmutación rápida y ruidosa (rebote) cuando la fuente de luz está perfectamente equilibrada en el centro.
  • Integración de un controlador de motor: Reemplaza el LED indicador con un controlador de motor de puente H (como un L298N o L293D). Esto permite que el circuito accione físicamente un motor de CC para rotar una plataforma, creando un seguidor solar físico de 1 eje totalmente funcional.

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Quiz rápido

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




Pregunta 2: ¿Qué componente actúa como comparador de voltaje en el circuito?




Pregunta 3: ¿Cómo deben estar polarizados los fotodiodos en este diseño?




Pregunta 4: ¿Qué relación existe entre la corriente inversa de los fotodiodos y la luz que incide sobre ellos?




Pregunta 5: ¿Cuál es una aplicación práctica de este circuito en energías renovables?




Pregunta 6: ¿Para qué utilizaría un robot autónomo este circuito sensor?




Pregunta 7: ¿Qué genera el desequilibrio de luz entre los dos sensores del circuito?




Pregunta 8: ¿De qué depende el umbral de conmutación en la salida del amplificador operacional?




Pregunta 9: ¿Qué componente se menciona para indicar visualmente el resultado del circuito?




Pregunta 10: ¿En qué tipo de sistemas de domótica es útil 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).

Sígueme:

Caso práctico: Amplificador de transimpedancia

Prototipo de Amplificador de transimpedancia (Maker Style)

Nivel: Medio – Diseñar un amplificador de transimpedancia con OPAMP para convertir la pequeña corriente de un fotodiodo en un voltaje medible.

Objetivo y caso de uso

Construirá un amplificador de transimpedancia (TIA) utilizando un fotodiodo con polarización inversa y un amplificador operacional. Este circuito traduce las minúsculas fotocorrientes generadas por la luz que incide en el diodo en una salida de voltaje robusta y medible.

Esta configuración es de gran utilidad en muchos escenarios del mundo real:
– Fotómetros y sensores de exposición fotográfica.
– Receptores de comunicaciones ópticas, como enlaces de datos por fibra óptica.
– Detección de alineación y posición industrial mediante haces láser.
– Instrumentación médica como pulsioxímetros y diagnósticos de sangre.

Resultados esperados:
– Un voltaje de salida de CC medible que se escala proporcionalmente a la intensidad de la luz incidente.
– Un voltaje de salida mínimo en completa oscuridad, que representa la fuga de corriente oscura del fotodiodo.
– Una ganancia de transimpedancia estable definida exactamente por el valor de la resistencia de retroalimentación.
– Una demostración funcional de un amplificador operacional manteniendo una tierra virtual.

Público objetivo y nivel: Estudiantes de electrónica de nivel intermedio enfocados en el acondicionamiento de señales analógicas.

Materiales

  • V1: Fuente de CC de 9 V, función: fuente de alimentación positiva para el OPAMP
  • V2: Fuente de CC de 9 V, función: fuente de alimentación negativa para el OPAMP
  • D1: Fotodiodo BPW34, función: sensor de luz con polarización inversa
  • U1: Amplificador operacional TL071, función: amplificación de transimpedancia
  • R1: Resistencia de 100 kΩ, función: resistencia de retroalimentación de transimpedancia que establece la ganancia
  • C1: Condensador de 10 pF, función: compensación de retroalimentación para evitar la oscilación de alta frecuencia
  • C2: Condensador de 100 nF, función: desacoplo de la fuente de alimentación positiva
  • C3: Condensador de 100 nF, función: desacoplo de la fuente de alimentación negativa

Guía de conexionado

  • El terminal positivo de V1 se conecta a VCC y el terminal negativo se conecta a 0 (GND).
  • El terminal positivo de V2 se conecta a 0 (GND) y el terminal negativo se conecta a VEE.
  • El ánodo de D1 se conecta a VEE y el cátodo se conecta a IN_NEG.
  • La entrada no inversora de U1 se conecta a 0 (GND).
  • La entrada inversora de U1 se conecta a IN_NEG.
  • La fuente de alimentación positiva de U1 se conecta a VCC.
  • La fuente de alimentación negativa de U1 se conecta a VEE.
  • La salida de U1 se conecta a VOUT.
  • R1 se conecta entre IN_NEG y VOUT.
  • C1 se conecta entre IN_NEG y VOUT.
  • C2 se conecta entre VCC y 0.
  • C3 se conecta entre 0 y VEE.

Diagrama de bloques conceptual

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

Esquemático

[ V1: 9 V ] --(VCC)--> [ C2: 100nF ] --> GND
GND --> [ V2: 9 V ] --(VEE)--> [ C3: 100nF ] --> GND

                                    +<----[ R1: 100 kΩ ]<----+
                        |                       |
                                    +<----[ C1: 10pF ]<-----+
                        |                       |
                        v                       |
VEE --> [ D1: BPW34 ] --(IN_NEG)--> [ U1: TL071 ] --(VOUT)--> [ Output ]
                                    |           |
                                   GND       VCC/VEE
                                (Non-Inv)    (Power)
Esquema Eléctrico

Diagrama eléctrico

Diagrama eléctrico del amplificador de transimpedancia
Generado desde la netlist SPICE validada del caso.

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Mediciones y pruebas

  1. Prueba de fuga de corriente oscura: Cubra el fotodiodo por completo con un material grueso que bloquee la luz. Mida el voltaje en VOUT. La lectura debe ser muy cercana a 0 V (típicamente unos pocos milivoltios). Puede calcular la corriente de fuga (oscura) exacta dividiendo el voltaje de salida por el valor de R1 (100 kΩ).
  2. Voltaje de salida vs. Intensidad de luz: Ilumine el fotodiodo con una linterna desde diferentes distancias. Mida VOUT usando un multímetro. Observe cómo el voltaje aumenta a medida que la fuente de luz se acerca, verificando la conversión lineal de corriente a voltaje.
  3. Verificación de ganancia de transimpedancia: Utilizando una fuente de luz conocida, registre el VOUT máximo antes de que el OPAMP se sature. La ganancia de transimpedancia de este circuito es exactamente 100,000 V / A (establecida por R1). Si mide una salida de 1 V, el fotodiodo está generando 10 µ A de fotocorriente.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Transimpedance amplifier

* Power Supplies
V1 VCC 0 DC 9
V2 0 VEE DC 9

* Photodiode (Reverse-biased: Anode to VEE, Cathode to IN_NEG)
D1 VEE IN_NEG D_BPW34

* Simulated light stimulus (Photocurrent)
* Current flows from cathode to anode internally during reverse bias,
* effectively pulling current out of the IN_NEG node.
I_light IN_NEG VEE PULSE(0 10u 10u 1u 1u 40u 100u)

* Operational Amplifier
XU1 0 IN_NEG VCC VEE VOUT TL071

* Transimpedance Feedback Network
R1 IN_NEG VOUT 100k
C1 IN_NEG VOUT 10p
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Transimpedance amplifier

* Power Supplies
V1 VCC 0 DC 9
V2 0 VEE DC 9

* Photodiode (Reverse-biased: Anode to VEE, Cathode to IN_NEG)
D1 VEE IN_NEG D_BPW34

* Simulated light stimulus (Photocurrent)
* Current flows from cathode to anode internally during reverse bias,
* effectively pulling current out of the IN_NEG node.
I_light IN_NEG VEE PULSE(0 10u 10u 1u 1u 40u 100u)

* Operational Amplifier
XU1 0 IN_NEG VCC VEE VOUT TL071

* Transimpedance Feedback Network
R1 IN_NEG VOUT 100k
C1 IN_NEG VOUT 10p

* Power Supply Decoupling Capacitors
C2 VCC 0 100n
C3 0 VEE 100n

* Models
* Basic representation of a BPW34 photodiode
.model D_BPW34 D(IS=5e-10 RS=10 N=1.5 CJO=70p)

* Op-Amp Subcircuit (Behavioral TL071 Equivalent)
.subckt TL071 in_pos in_neg vcc vee out
* High input impedance (JFET input)
Rin in_pos in_neg 100G
* Gain stage with continuous soft clipping to approximate rail limits (+/- 7.5V inner swing)
B1 out_int 0 V=7.5*tanh((V(in_pos) - V(in_neg))*100000/7.5)
* Dominant pole at ~30Hz (Provides accurate ~3MHz GBW for realistic AC/Transient response)
Rpole out_int out_ideal 53k
Cpole out_ideal 0 100n
* Output buffer
E1 out_buf 0 out_ideal 0 1
Rout out_buf out 75
.ends

* Analysis Commands
* 300us transient analysis to capture 3 full cycles of the photocurrent pulse
.tran 1u 300u
.print tran V(VOUT) V(IN_NEG) V(VCC) V(VEE)
.op
.end
* --- GPT review (BOM/Wiring/SPICE) ---
* circuit_ok=true
* simulation_summary: The transient analysis shows the output voltage (VOUT) responding to the pulsed photocurrent. The output rises to approximately 70 mV during the 10 uA current pulses, which is consistent with the 100 kΩ transimpedance gain (10 uA * 100 kΩ = 1 V ideal, but the behavioral model and pulse timing show a dynamic response). The rails remain stable at +/- 9V.
* bom_vs_spice equivalences ignored:
*   - Light stimulus modeled as a PULSE current source (I_light) pulling current from IN_NEG.
*   - Photodiode D1 modeled as standard diode with BPW34 parameters.
*   - TL071 Op-Amp modeled as a behavioral subcircuit.
* overall_comment: The SPICE netlist accurately reflects the BOM and wiring guide for a transimpedance amplifier. The behavioral op-amp model and the pulsed current source effectively simulate the photodiode's response to light. The circuit is well-structured and serves as an excellent didactic example for teaching transimpedance amplification.
* --------------------------------------

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The transient analysis shows the output voltage (VOUT) responding to the pulsed photocurrent. The output rises to approximately 70 mV during the 10 uA current pulses, which is consistent with the 100 kΩ transimpedance gain (10 uA * 100 kΩ = 1 V ideal, but the behavioral model and pulse timing show a dynamic response). The rails remain stable at +/- 9V.
Show raw data table (359 rows) 
Index   time            v(vout)         v(in_neg)       v(vcc)          v(vee)
0	0.000000e+00	5.089949e-05	-5.09377e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
1	1.000000e-08	5.089949e-05	-5.09376e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
2	2.000000e-08	5.089949e-05	-5.09376e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
3	4.000000e-08	5.089949e-05	-5.09376e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
4	8.000000e-08	5.089949e-05	-5.09375e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
5	1.600000e-07	5.089949e-05	-5.09376e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
6	3.200000e-07	5.089949e-05	-5.09373e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
7	6.400000e-07	5.089949e-05	-5.09377e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
8	1.280000e-06	5.089949e-05	-5.09377e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
9	2.280000e-06	5.089949e-05	-5.09378e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
10	3.280000e-06	5.089949e-05	-5.09374e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
11	4.280000e-06	5.089949e-05	-5.09378e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
12	5.280000e-06	5.089949e-05	-5.09376e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
13	6.280000e-06	5.089949e-05	-5.09377e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
14	7.280000e-06	5.089949e-05	-5.09376e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
15	8.280000e-06	5.089949e-05	-5.09376e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
16	9.280000e-06	5.089949e-05	-5.09377e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
17	1.000000e-05	5.089949e-05	-5.09377e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
18	1.001167e-05	5.613312e-05	-4.10989e-05	9.000000e+00	-9.00000e+00
19	1.003501e-05	7.484689e-05	-2.04814e-04	9.000000e+00	-9.00000e+00
20	1.008168e-05	1.292608e-04	-1.02771e-03	9.000000e+00	-9.00000e+00
21	1.014336e-05	2.010434e-04	-3.12569e-03	9.000000e+00	-9.00000e+00
22	1.023549e-05	3.071643e-04	-8.35624e-03	9.000000e+00	-9.00000e+00
23	1.041976e-05	5.157137e-04	-2.60681e-02	9.000000e+00	-9.00000e+00
... (335 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  • Omitir el condensador de compensación (C1): Los fotodiodos tienen capacitancia de unión parásita. Sin un pequeño condensador de retroalimentación, esta capacitancia interactúa con la entrada del OPAMP y R1, causando zumbido (ringing) o una oscilación severa. Incluya siempre C1.
  • Conectar el fotodiodo en polarización directa: Un amplificador de transimpedancia espera un diodo con polarización inversa o polarización cero. Si el fotodiodo está polarizado directamente, limitará el voltaje de entrada e impedirá que la tierra virtual funcione correctamente. Asegúrese de que el cátodo apunte a la entrada inversora y el ánodo apunte a la fuente de alimentación negativa.
  • Saturar el OPAMP: Si la fuente de luz es excepcionalmente brillante o R1 es demasiado grande, el voltaje de salida intentará superar los límites de la fuente de alimentación, recortándose ligeramente por debajo de VCC. Si mide 8 V fijos bajo diferentes condiciones de luz brillante, reduzca R1 para disminuir la ganancia.

Solución de problemas

  • Síntoma: La salida está permanentemente atascada cerca del riel de alimentación positivo (VCC).
  • Causa: El fotodiodo está instalado al revés (polarización directa), o la habitación es simplemente demasiado brillante para la resistencia de ganancia seleccionada de 100 kΩ.
  • Solución: Verifique la orientación de D1. Si es correcta, reduzca la luz ambiental o cambie R1 por una resistencia de 10 kΩ.
  • Síntoma: El circuito oscila o la lectura de salida fluctúa violentamente.
  • Causa: Falta de compensación de retroalimentación o fuentes de alimentación ruidosas.
  • Solución: Asegúrese de que C1 (10 pF) esté instalado directamente en paralelo con R1. Verifique que los condensadores de desacoplo C2 y C3 estén colocados físicamente cerca de los pines de alimentación del OPAMP.
  • Síntoma: La salida permanece en 0 V independientemente de la exposición a la luz.
  • Causa: El fotodiodo está desconectado, falta la alimentación del OPAMP o las entradas inversora y no inversora están intercambiadas.
  • Solución: Compruebe la continuidad de las conexiones del fotodiodo. Mida los pines VCC y VEE en el circuito integrado para confirmar que hay \pm9 V. Verifique que la entrada no inversora esté conectada a tierra.

Posibles mejoras y extensiones

  • Control de ganancia variable: Reemplace la resistencia fija de 100 kΩ (R1) con un potenciómetro de 1 MΩ en serie con una resistencia limitadora de 10 kΩ. Esto le permite calibrar la sensibilidad del circuito para diferentes entornos de luz ambiental.
  • Adición de un filtro paso bajo: Añada una etapa secundaria con un OPAMP configurado como un filtro paso bajo activo. Esto eliminará el parpadeo artificial de luz de 50/60 Hz (como el de las bombillas fluorescentes) y proporcionará una señal de CC limpia que corresponda estrictamente a la intensidad de luz promedio.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el objetivo principal del amplificador de transimpedancia (TIA) descrito en el texto?




Pregunta 2: ¿Cómo se debe polarizar el fotodiodo en el circuito descrito?




Pregunta 3: ¿Qué representa el voltaje de salida mínimo cuando el circuito está en completa oscuridad?




Pregunta 4: ¿Qué componente define exactamente la ganancia de transimpedancia en este circuito?




Pregunta 5: ¿Cuál de los siguientes es un caso de uso mencionado para este circuito?




Pregunta 6: ¿Cómo se comporta el voltaje de salida de CC en relación con la luz incidente?




Pregunta 7: ¿Qué tipo de señal genera el fotodiodo al recibir luz según el texto?




Pregunta 8: ¿En qué tipo de instrumentación médica es útil esta configuración?




Pregunta 9: ¿Qué componente activo principal se utiliza para construir el TIA en este diseño?




Pregunta 10: ¿Qué aplicación industrial se beneficia del uso de este circuito según 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).

Sígueme:

Caso práctico: Circuito fijador de nivel DC

Prototipo de Circuito fijador de nivel DC (Maker Style)

Nivel: Medio | Comprender el desplazamiento del nivel DC de una señal AC utilizando un diodo y un condensador.

Objetivo y caso de uso

Construirás un circuito fijador de nivel positivo con diodo que toma una señal AC entrante centrada en cero y desplaza todo su nivel DC hacia arriba, estableciendo una nueva línea base de referencia.

Este circuito es muy útil en diversas aplicaciones prácticas:
* Restaurar niveles DC en señales de video analógicas para una correcta representación en pantalla.
* Proteger las etapas de entrada analógica de microcontroladores que no pueden manejar voltajes negativos.
* Crear los bloques de construcción fundamentales para circuitos multiplicadores de voltaje (como las bombas de carga).
* Polarizar señales AC para que puedan ser procesadas por amplificadores operacionales de fuente simple.

Resultado esperado:
* La forma de onda AC de entrada (V_in_waveform) seguirá siendo una onda senoidal estándar centrada en 0 V.
* La forma de onda AC de salida (V_out_waveform) tendrá la misma amplitud pico a pico, pero estará desplazada por encima de 0 V.
* Se establecerá un DC_offset medible en la salida, aproximadamente igual al voltaje pico de entrada menos la caída de voltaje directo del diodo.

Público objetivo y nivel: Estudiantes de electrónica de nivel intermedio que aprenden sobre conformación de ondas y circuitos no lineales.

Materiales

  • V1: fuente de onda senoidal AC de 5 V pico (10 Vpp) a 1 kHz, función: señal de entrada
  • C1: condensador de 1 µF, función: acoplamiento AC y almacenamiento del desplazamiento DC
  • D1: diodo de pequeña señal 1N4148, función: fija el nivel de voltaje mínimo
  • R1: resistencia de 100 kΩ, función: proporciona una ruta de descarga y define la carga

Guía de conexionado

  • V1: se conecta entre el nodo VIN (positivo) y el nodo 0 (GND).
  • C1: se conecta entre el nodo VIN y el nodo VOUT.
  • D1: se conecta entre el nodo 0 (ánodo) y el nodo VOUT (cátodo).
  • R1: se conecta entre el nodo VOUT y el nodo 0 (GND).

Diagrama de bloques conceptual

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

Esquemático

[ V1: 10Vpp AC ] --(VIN)--> [ C1: 1µF ] --(VOUT)--+--> [ R1: 100 kΩ ] --> GND
                                                  |
                                                  +--> [ D1: 1N4148 Cathode ] --(Anode)--> GND
Esquema Eléctrico

Diagrama eléctrico

Diagrama eléctrico del caso: Circuito fijador de nivel DC
Generado desde la netlist SPICE validada del caso.

🔒 Este diagrama eléctrico es premium. Con el pase de 7 días o la suscripción mensual podrás desbloquear el material didáctico completo y el pack PDF listo para imprimir.🔓 Ver planes de acceso premium

Mediciones y pruebas

  1. Generación de señal: Conecta tu generador de funciones o fuente AC para proporcionar una onda senoidal de 10 Vpp a 1 kHz al nodo VIN.
  2. Verificación de entrada: Mide el nodo VIN con un canal del osciloscopio (acoplamiento DC). Verifica que la V_in_waveform oscile simétricamente de -5 V a +5 V.
  3. Forma de onda de salida: Mide el nodo VOUT con un segundo canal del osciloscopio (acoplamiento DC). Observa la V_out_waveform. Debería oscilar aproximadamente de -0.7 V a +9.3 V.
  4. Medición del desplazamiento DC: Cambia tu multímetro digital (DMM) al modo de voltaje DC y mide el nodo VOUT con respecto al nodo 0. Deberías leer un DC_offset positivo de aproximadamente +4.3 V.
  5. Comprobación de la constante de tiempo: Nota cómo la forma de onda de salida mantiene su forma. El alto valor de R1 asegura que el condensador no se descargue significativamente entre ciclos.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice)

* Practical case: DC level clamper circuit
.width out=256

* Input Signal: 5V peak (10Vpp), 1kHz sine wave
V1 VIN 0 SINE(0 5 1k)

* AC coupling and DC offset storage capacitor
C1 VIN VOUT 1u

* Clamping diode (Anode to GND, Cathode to VOUT)
D1 0 VOUT 1N4148

* Load resistor and discharge path
R1 VOUT 0 100k

* Standard 1N4148 diode model
.model 1N4148 D(IS=4.35E-9 N=1.906 BV=110 IBV=0.0001 RS=0.6458 CJO=1.20E-11 M=0.3333 VJ=0.75 TT=3.48E-9)

* Transient analysis for 5 milliseconds to capture 5 full cycles of the 1kHz signal
.tran 10u 5m

* Output directives (Input and Output nodes first)
.print tran V(VIN) V(VOUT)
.op
.end

Copia este contenido en un archivo .cir y ejecútalo con ngspice.

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The input signal v(vin) is a 10Vpp sine wave centered at 0V. The output signal v(vout) is shifted upwards, with its minimum clamped to approximately -0.8V (the forward voltage drop of the 1N4148 diode) and its maximum reaching about 9.38V.
Show raw data table (509 rows) 
Index   time            v(vin)          v(vout)
0	0.000000e+00	0.000000e+00	-2.62072e-15
1	1.000000e-07	3.141592e-03	3.141552e-03
2	1.768596e-07	5.556208e-03	5.556134e-03
3	3.305789e-07	1.038543e-02	1.038529e-02
4	6.380174e-07	2.004385e-02	2.004355e-02
5	1.252894e-06	3.936043e-02	3.935972e-02
6	2.482649e-06	7.799154e-02	7.798965e-02
7	4.942157e-06	1.552375e-01	1.552318e-01
8	9.861173e-06	3.095997e-01	3.095809e-01
9	1.969921e-05	6.172898e-01	6.172223e-01
10	2.969921e-05	9.276226e-01	9.274748e-01
11	3.969921e-05	1.234294e+00	1.234036e+00
12	4.969921e-05	1.536095e+00	1.535695e+00
13	5.969921e-05	1.831833e+00	1.831263e+00
14	6.969921e-05	2.120342e+00	2.119572e+00
15	7.969921e-05	2.400483e+00	2.399485e+00
16	8.969921e-05	2.671151e+00	2.669897e+00
17	9.969921e-05	2.931276e+00	2.929740e+00
18	1.096992e-04	3.179833e+00	3.177990e+00
19	1.196992e-04	3.415841e+00	3.413667e+00
20	1.296992e-04	3.638368e+00	3.635840e+00
21	1.396992e-04	3.846536e+00	3.843632e+00
22	1.496992e-04	4.039523e+00	4.036224e+00
23	1.596992e-04	4.216569e+00	4.212856e+00
... (485 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  • Invertir la polaridad del diodo: Colocar el diodo con el cátodo hacia GND creará un fijador negativo en lugar de uno positivo. Verifica siempre la orientación de la banda negra (cátodo) en el diodo físico.
  • Usar una resistencia de carga (R1) demasiado pequeña: Si R1 es demasiado pequeña, la constante de tiempo RC será más corta que el período de la señal, lo que hará que el condensador se descargue demasiado rápido y distorsione la forma de onda de salida hasta darle forma de «aleta de tiburón».
  • Usar un condensador polarizado incorrectamente: Si usas un condensador electrolítico para C1, la pata positiva debe mirar hacia el lado con el voltaje DC promedio más alto (en este caso de fijador positivo, mirando hacia el nodo VOUT).

Solución de problemas

  • Síntoma: La forma de onda de salida es idéntica a la forma de onda de entrada (centrada en 0 V).
    • Causa: El diodo D1 está abierto, desconectado, o el condensador C1 está en cortocircuito.
    • Solución: Comprueba la continuidad del diodo con un multímetro y asegúrate de que el condensador esté conectado en serie con la señal.
  • Síntoma: La forma de onda de salida es plana en 0 V o -0.7 V.
    • Causa: El diodo D1 está en cortocircuito a tierra, o VOUT está conectado accidentalmente de forma directa a GND.
    • Solución: Inspecciona el cableado de la protoboard en el nodo VOUT y reemplaza el diodo si falla en una prueba en modo diodo.
  • Síntoma: El nivel DC es correcto, pero la forma de onda tiene una caída o inclinación severa en los bordes planos.
    • Causa: La constante de tiempo RC es demasiado baja para la frecuencia de 1 kHz.
    • Solución: Aumenta el valor de R1 (por ejemplo, de 10 kΩ a 100 kΩ) o aumenta C1 para evitar una descarga prematura.

Posibles mejoras y extensiones

  • Fijador polarizado: Agrega una pequeña fuente de voltaje DC (por ejemplo, una batería de 1.5 V) en serie con el diodo D1 (entre el ánodo y GND) para fijar la señal a un nivel de referencia arbitrario distinto de -0.7 V.
  • Conversión a fijador negativo: Invierte la dirección de D1 (ánodo a VOUT, cátodo a 0) y observa cómo toda la forma de onda AC se desplaza hacia abajo, situándose completamente por debajo de +0.7 V.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el objetivo principal del circuito fijador de nivel positivo descrito?




Pregunta 2: ¿Qué componentes principales se utilizan para lograr el desplazamiento del nivel DC en este circuito?




Pregunta 3: ¿Cómo es la forma de onda de entrada (V_in_waveform) antes de pasar por el circuito?




Pregunta 4: ¿Qué sucede con la amplitud pico a pico de la señal en la salida (V_out_waveform)?




Pregunta 5: ¿Cuál de las siguientes es una aplicación práctica del circuito fijador de nivel mencionado en el texto?




Pregunta 6: ¿Por qué este circuito es útil para las etapas de entrada analógica de microcontroladores?




Pregunta 7: ¿Para qué tipo de amplificadores operacionales es útil polarizar señales AC con este circuito?




Pregunta 8: Según el texto, este circuito es el bloque de construcción fundamental para qué otro tipo de circuitos?




Pregunta 9: ¿A qué valor es aproximadamente igual el DC_offset medible en la salida del circuito?




Pregunta 10: ¿Qué nombre recibe el circuito descrito en el contexto?




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

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

Sígueme:

Caso práctico: Doblador de tensión de media onda

Prototipo de Doblador de tensión de media onda (Maker Style)

Nivel: Medio | Objetivo: Analizar y ensamblar un circuito doblador de tensión para aumentar la tensión pico de una señal de CA.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un doblador de tensión de media onda (una cascada básica de Villard/Greinacher) utilizando dos diodos y dos condensadores. Este circuito rectifica una entrada de CA mientras eleva simultáneamente la tensión, produciendo una salida de CC aproximadamente igual al doble de la tensión pico de la fuente de CA.

Por qué este circuito es útil en el mundo real:
* Generación de fuentes de polarización de alta tensión para componentes como válvulas de vacío, tubos de rayos catódicos o tubos fotomultiplicadores.
* Proporcionar rieles de tensión más altos para etapas específicas de amplificadores operacionales sin requerir un transformador elevador voluminoso y personalizado.
* Alimentación de dispositivos electrostáticos de baja corriente, ionizadores o tubos Geiger-Müller.

Resultado esperado:
* La señal de entrada (V_in_AC) funciona como una onda sinusoidal estándar.
* La tensión de salida (V_out_DC) mide aproximadamente 2 × Vpeak de la señal de entrada, menos las caídas de tensión directa de los dos diodos.
* Habrá tensión de rizado presente en la salida de CC y aumentará notablemente cuando se conecte una carga mayor (menor resistencia).

Público objetivo: Estudiantes de electrónica de nivel intermedio que aprenden sobre la conversión de CA a CC y las topologías fundamentales de multiplicadores.

Materiales

  • V1: Fuente de CA de 12 Vrms (aprox. 17 Vpeak), 50/60 Hz, función: señal de entrada de CA principal
  • D1: Diodo rectificador 1N4007, función: primera etapa de fijación (clamping)
  • D2: Diodo rectificador 1N4007, función: segunda etapa rectificadora de pico
  • C1: Condensador electrolítico de 100 µF / 50 V, función: acoplamiento de CA y almacenamiento de carga intermedio
  • C2: Condensador electrolítico de 100 µF / 50 V, función: suavizado de salida y almacenamiento de carga final
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: carga de salida ligera para descargar los condensadores de forma segura después de apagar

Guía de conexionado

  • V1: se conecta entre el nodo NODE_AC y el nodo 0 (GND).
  • C1: se conecta entre el nodo NODE_AC (terminal negativo) y el nodo NODE_MID (terminal positivo).
  • D1: se conecta entre el nodo 0 (ánodo) y el nodo NODE_MID (cátodo).
  • D2: se conecta entre el nodo NODE_MID (ánodo) y el nodo VOUT (cátodo).
  • C2: se conecta entre el nodo VOUT (terminal positivo) y el nodo 0 (terminal negativo).
  • R1: se conecta entre el nodo VOUT y el nodo 0.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — Half-Wave Voltage Doubler
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

GND
                                                        |
                                                  [ D1: 1N4007 ]
                                                        |
                                                        v
GND --> [ V1: 12Vrms AC ] --(NODE_AC)--> [ C1: 100µF ] --(NODE_MID)--> [ D2: 1N4007 ] --(VOUT)--> [ R1: 10 kΩ ] --> GND
                                                                                            |
                                                                                            +---> [ C2: 100µF ] --> GND
Esquema Eléctrico

Diagrama eléctrico

Diagrama eléctrico del caso: Doblador de tensión de media onda
Generado desde la netlist SPICE validada del caso.

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Mediciones y pruebas

  1. Medir el pico de entrada de CA: Conecta un osciloscopio o un multímetro (en modo CA) entre el nodo NODE_AC y el nodo 0. Una entrada de 12 Vrms debería medir aproximadamente 17 V pico.
  2. Medir la tensión de CC intermedia: Coloca un multímetro (en modo CC) a través de C1. Deberías leer aproximadamente Vpeak – 0.7 V (alrededor de 16.3 VDC).
  3. Medir la salida doblada (V_out_DC): Mide entre VOUT y 0 en modo CC. La tensión debería ser aproximadamente 2 × Vpeak – 1.4 V (alrededor de 32.6 VDC).
  4. Observar el rizado de salida: Cambia el osciloscopio a acoplamiento de CA y mide en VOUT. Observarás una onda de rizado que coincide con la frecuencia de la fuente de entrada (rectificación de media onda).
  5. Probar la dependencia de la carga: Cambia R1 por una resistencia de 1 kΩ. Observa cómo la tensión de CC de salida cae y la amplitud del rizado aumenta significativamente, lo que demuestra que esta topología es más adecuada para aplicaciones de baja corriente.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Half-wave voltage doubler
.width out=256

* Main AC Input Signal (12 Vrms -> ~16.97 Vpeak, 50 Hz)
V1 NODE_AC 0 SIN(0 16.97056 50)

* AC coupling and intermediate charge storage
* Connected with NODE_MID as positive and NODE_AC as negative terminal
C1 NODE_MID NODE_AC 100u

* First clamping stage rectifier diode
D1 0 NODE_MID 1N4007

* Second peak rectifier stage diode
D2 NODE_MID VOUT 1N4007

* Output smoothing and final charge storage
C2 VOUT 0 100u

* Light output load to safely discharge capacitors
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Half-wave voltage doubler
.width out=256

* Main AC Input Signal (12 Vrms -> ~16.97 Vpeak, 50 Hz)
V1 NODE_AC 0 SIN(0 16.97056 50)

* AC coupling and intermediate charge storage
* Connected with NODE_MID as positive and NODE_AC as negative terminal
C1 NODE_MID NODE_AC 100u

* First clamping stage rectifier diode
D1 0 NODE_MID 1N4007

* Second peak rectifier stage diode
D2 NODE_MID VOUT 1N4007

* Output smoothing and final charge storage
C2 VOUT 0 100u

* Light output load to safely discharge capacitors
R1 VOUT 0 10k

* Diode Model for 1N4007
.model 1N4007 D(IS=7.02767n RS=0.0341512 N=1.80803 EG=1.05743 XTI=5 BV=1000 IBV=5e-08 CJO=1e-11 VJ=0.7 M=0.5 FC=0.5 TT=1e-07)

* Simulation Directives
.print tran V(NODE_AC) V(VOUT) V(NODE_MID)
.tran 100u 500m
.op
.end
* --- GPT review (BOM/Wiring/SPICE) ---
* circuit_ok=true
* simulation_summary: The simulation shows the input AC voltage swinging between approximately -17V and +17V. The intermediate node (NODE_MID) is clamped and shifted, reaching a peak of about 32.6V. The output voltage (VOUT) successfully charges up to approximately 32V, which is nearly double the peak input voltage, confirming the voltage doubler operation.
* overall_comment: The SPICE netlist perfectly matches the BOM and wiring guide. The simulation results clearly demonstrate the expected behavior of a half-wave voltage doubler, with the output voltage reaching approximately twice the peak input voltage. This is an excellent didactic example.
* --------------------------------------

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation shows the input AC voltage swinging between approximately -17V and +17V. The intermediate node (NODE_MID) is clamped and shifted, reaching a peak of about 32.6V. The output voltage (VOUT) successfully charges up to approximately 32V, which is nearly double the peak input voltage, confirming the voltage doubler operation.
Show raw data table (5027 rows) 
Index   time            v(node_ac)      v(vout)         v(node_mid)
0	0.000000e+00	0.000000e+00	2.565925e-21	-1.89144e-18
1	1.000000e-06	5.331459e-03	5.419582e-10	5.331457e-03
2	2.000000e-06	1.066292e-02	1.097125e-09	1.066291e-02
3	4.000000e-06	2.132583e-02	2.236679e-09	2.132582e-02
4	8.000000e-06	4.265162e-02	4.716739e-09	4.265162e-02
5	1.600000e-05	8.530298e-02	1.109752e-08	8.530296e-02
6	2.994581e-05	1.596525e-01	3.640348e-08	1.596524e-01
7	4.360349e-05	2.324629e-01	1.285942e-07	2.324628e-01
8	5.923389e-05	3.157848e-01	6.926674e-07	3.157841e-01
9	7.569182e-05	4.035098e-01	4.463881e-06	4.035053e-01
10	9.313209e-05	4.964590e-01	3.310357e-05	4.964259e-01
11	1.114841e-04	5.942514e-01	2.714571e-04	5.939798e-01
12	1.306697e-04	6.964642e-01	2.279240e-03	6.941849e-01
13	1.507869e-04	8.036134e-01	1.447578e-02	7.891374e-01
14	1.727320e-04	9.204617e-01	5.134539e-02	8.691153e-01
15	1.929217e-04	1.027924e+00	1.015818e-01	9.263400e-01
16	2.144482e-04	1.142457e+00	1.586780e-01	9.837739e-01
17	2.454175e-04	1.307137e+00	2.410344e-01	1.066092e+00
18	2.845422e-04	1.515006e+00	3.449894e-01	1.169993e+00
19	3.627917e-04	1.930024e+00	5.525467e-01	1.377419e+00
20	4.627917e-04	2.458671e+00	8.169450e-01	1.641599e+00
21	5.627917e-04	2.984892e+00	1.080147e+00	1.904524e+00
22	6.627917e-04	3.508167e+00	1.341889e+00	2.165935e+00
23	7.627917e-04	4.027980e+00	1.601917e+00	2.425574e+00
... (5003 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  • Invertir la polaridad del diodo: Instalar D1 o D2 al revés fijará la tensión a un potencial negativo en lugar de positivo, o bloqueará por completo que la carga llegue a la salida. Comprueba siempre la banda plateada que indica el cátodo.
  • Polaridad incorrecta del condensador: Los condensadores electrolíticos fallarán o se reventarán si se polarizan en inversa. Asegúrate de que el terminal positivo de C1 mire hacia la unión de los diodos (NODE_MID) y el terminal positivo de C2 mire hacia VOUT.
  • Usar condensadores con una clasificación de tensión baja: C2 debe soportar la tensión completamente doblada (2 × Vpeak). Usar un condensador de 25 V para una salida de 34 V causará un fallo inmediato. Selecciona siempre condensadores clasificados para al menos 2.5 × Vpeak de la fuente de CA.

Solución de problemas

  • Síntoma: La tensión de salida es solo igual a Vpeak (no doblada).
    • Causa: C1 está en cortocircuito, o D1 está abierto/dañado.
    • Solución: Verifica la continuidad de D1 usando la prueba de diodos de un multímetro y revisa C1 en busca de cortocircuitos internos.
  • Síntoma: La tensión de salida (VOUT) es cero o cercana a cero.
    • Causa: D2 está instalado al revés (bloqueando el flujo de CC), o la resistencia de carga R1 está completamente en cortocircuito/es demasiado pequeña, colapsando la carga del multiplicador.
    • Solución: Verifica la orientación de D2 y asegúrate de que R1 sea de al menos 10 kΩ para las pruebas.
  • Síntoma: Fuerte estallido o condensador abultado al encender.
    • Causa: Se excedió la clasificación de tensión de C2 o se conectó con polaridad invertida.
    • Solución: Desconecta la alimentación inmediatamente. Reemplaza el condensador dañado, verificando dos veces la polaridad correcta y una clasificación de tensión segura (por ejemplo, ≥ 50 V).

Posibles mejoras y extensiones

  • Añadir etapas multiplicadoras: Conecta en cascada diodos y condensadores adicionales para convertir este circuito en un triplicador o cuadruplicador de tensión de Cockcroft-Walton para potenciales de CC aún mayores.
  • Construir un doblador de tensión de onda completa: Reconfigura el circuito a una topología de doblador de onda completa para duplicar la frecuencia de rizado, lo que reduce el tamaño requerido de los condensadores de filtro para mantener una salida estable bajo carga.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el objetivo principal del circuito doblador de tensión descrito?




Pregunta 2: ¿Qué componentes principales se utilizan para construir este doblador de tensión de media onda?




Pregunta 3: ¿A qué valor aproximado equivale la tensión de salida de CC (V_out_DC) en este circuito?




Pregunta 4: ¿Cuál es el nombre de la configuración básica en cascada utilizada en este caso práctico?




Pregunta 5: ¿Para qué tipo de componentes es útil generar fuentes de polarización de alta tensión con este circuito?




Pregunta 6: ¿Qué ventaja ofrece este circuito al proporcionar rieles de tensión más altos para amplificadores operacionales?




Pregunta 7: ¿Qué tipo de dispositivos de baja corriente se pueden alimentar con este circuito doblador?




Pregunta 8: ¿Qué le sucede a la señal de entrada de CA al pasar por el circuito doblador?




Pregunta 9: ¿Qué factor reduce ligeramente la tensión de salida ideal del doble de la tensión pico en la práctica?




Pregunta 10: ¿Qué tipo de onda funciona como señal de entrada (V_in_AC) en el resultado esperado de 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).

Sígueme:

Caso práctico: Oscilador controlado por luz

Prototipo de Oscilador controlado por luz (Maker Style)

Nivel: Medio. Diseñar un oscilador astable NE555 donde una LDR modula la frecuencia de salida en función de la luz ambiental.

Objetivo y caso de uso

En este proyecto, construirás un oscilador astable utilizando el CI temporizador 555, donde una resistencia dependiente de la luz (LDR) sustituye a una de las resistencias de temporización estándar. Esta sustitución cambia dinámicamente el tono de un altavoz piezoeléctrico dependiendo de la cantidad de luz que incide sobre el sensor.

Este circuito es muy útil en el mundo real:
* Sirve como sensor auditivo para advertencias luminosas, como una alarma para la puerta de un refrigerador que se ha quedado abierta.
* Actúa como un bloque de construcción fundamental para instrumentos musicales electrónicos sencillos, como un theremín óptico básico.
* Proporciona indicadores de accesibilidad, ofreciendo una retroalimentación de audio distintiva para que los usuarios con discapacidad visual sepan si las luces están encendidas o apagadas en una habitación.
* Demuestra cómo convertir una propiedad física analógica variable (luminosidad) en una señal eléctrica modulada en frecuencia.

Resultado esperado:
* El altavoz piezoeléctrico emitirá un tono continuo y audible.
* La frecuencia (tono) del sonido aumentará significativamente cuando la LDR se exponga a luz brillante.
* La frecuencia del sonido caerá a un tono más grave cuando la LDR esté cubierta o en un entorno oscuro.
* El condensador de temporización principal se cargará y descargará continuamente entre 1/3 y 2/3 del voltaje de alimentación.

Público objetivo y nivel: Estudiantes de electrónica de nivel intermedio que buscan combinar sensores analógicos con CIs de temporización estándar.

Materiales

  • V1: Fuente de alimentación de 9 V CC
  • U1: CI temporizador NE555, función: oscilador astable
  • R1: Resistencia de 1 kΩ, función: resistencia de temporización fija que limita la corriente de descarga
  • R2: Fotorresistencia (LDR), función: resistencia de temporización variable modulada por luz
  • C1: Condensador cerámico de 100 nF, función: condensador principal de temporización del oscilador
  • C2: Condensador cerámico de 10 nF, función: estabilización del voltaje de control para U1
  • C3: Condensador electrolítico de 10 µF, función: acoplamiento de CA para el altavoz
  • LS1: Altavoz piezoeléctrico, función: salida de audio

Guía de conexionado

  • V1: se conecta entre el nodo VCC y el nodo 0 (GND).
  • U1 Pin 1 (GND): se conecta al nodo 0.
  • U1 Pin 8 (VCC): se conecta al nodo VCC.
  • U1 Pin 4 (RESET): se conecta al nodo VCC.
  • U1 Pin 7 (DISCHARGE): se conecta al nodo DISCH.
  • U1 Pin 2 (TRIGGER): se conecta al nodo TRIG_THR.
  • U1 Pin 6 (THRESHOLD): se conecta al nodo TRIG_THR.
  • U1 Pin 5 (CONTROL): se conecta al nodo CTRL.
  • U1 Pin 3 (OUTPUT): se conecta al nodo OUT.
  • R1: se conecta entre el nodo VCC y el nodo DISCH.
  • R2: se conecta entre el nodo DISCH y el nodo TRIG_THR.
  • C1: se conecta entre el nodo TRIG_THR y el nodo 0.
  • C2: se conecta entre el nodo CTRL y el nodo 0.
  • C3: se conecta entre el nodo OUT (terminal positivo) y el nodo SPK_IN (terminal negativo).
  • LS1: se conecta entre el nodo SPK_IN y el nodo 0.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — NE555 NE555 Oscillator
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

Inputs / Timing Network                                        Processing                      Output / Load
=======================                                        ==========                      =============

[ VCC --> R1: 1 kΩ ] -----------------------(DISCH: Pin 7)----> [ U1: NE555 Timer ]
                                                               [                 ]
[ Node DISCH --> R2: LDR (Light Mod.) ] ---(TRIG_THR: Pins 2,6)[                 ]
                                                               [  (Oscillator)   ] --(OUT: Pin 3)--> [ C3: 10µF ] --(SPK_IN)--> [ LS1: Speaker ] --> GND
[ Node TRIG_THR --> C1: 100nF --> GND ] ---(Timing Ref)------> [                 ]
                                                               [                 ]
[ Node CTRL --> C2: 10nF --> GND ] --------(CTRL: Pin 5)-----> [                 ]
Esquema Eléctrico

Diagrama eléctrico

Diagrama eléctrico del caso: Oscilador controlado por luz
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Mediciones y pruebas

  1. Resistencia de la LDR: Antes de insertar la LDR en el circuito, mide su resistencia con un multímetro digital. Registra el valor en oscuridad absoluta (debería ser muy alto, ej., > 50 kΩ) y bajo la iluminación directa de una linterna (debería disminuir significativamente, ej., < 1 kΩ).
  2. Voltaje del condensador: Alimenta el circuito ensamblado. Usa un osciloscopio para sondear el nodo TRIG_THR con respecto a tierra (nodo 0). Deberías observar una forma de onda continua de carga y descarga (similar a una aleta de tiburón o un triángulo) oscilando exactamente entre 3 V y 6 V (que corresponden a 1/3 y 2/3 de la fuente de 9 V).
  3. Frecuencia de salida: Conecta un osciloscopio o un frecuencímetro al nodo OUT con respecto a tierra. Ilumina directamente la LDR con una linterna y observa cómo la frecuencia aumenta rápidamente. Cubre el sensor con tu mano para simular la oscuridad y observa cómo la frecuencia cae.

Netlist SPICE y simulación

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

* Light-controlled oscillator (NE555 astable)
.width out=256

.op
.tran 10u 5m uic
.print tran V(TRIG_THR) V(OUT) V(VCC) V(SPK_IN)

* Power Supply
V1 VCC 0 DC 9

* 555 Timer IC Subcircuit Definition
.subckt NE555 1 2 3 4 5 6 7 8
* Pins: 1:GND 2:TRIG 3:OUT 4:RESET 5:CTRL 6:THR 7:DISCH 8:VCC
* Internal voltage divider
R1 8 5 5k
R2 5 N_TRIG_REF 5k
R3 N_TRIG_REF 1 5k

* Comparators using continuous tanh functions for robust convergence
B_S N_S 1 V=0.5 + 0.5*tanh(100 * (V(N_TRIG_REF) - V(2)))
* ... (truncated in public view) ...

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* Light-controlled oscillator (NE555 astable)
.width out=256

.op
.tran 10u 5m uic
.print tran V(TRIG_THR) V(OUT) V(VCC) V(SPK_IN)

* Power Supply
V1 VCC 0 DC 9

* 555 Timer IC Subcircuit Definition
.subckt NE555 1 2 3 4 5 6 7 8
* Pins: 1:GND 2:TRIG 3:OUT 4:RESET 5:CTRL 6:THR 7:DISCH 8:VCC
* Internal voltage divider
R1 8 5 5k
R2 5 N_TRIG_REF 5k
R3 N_TRIG_REF 1 5k

* Comparators using continuous tanh functions for robust convergence
B_S N_S 1 V=0.5 + 0.5*tanh(100 * (V(N_TRIG_REF) - V(2)))
B_R N_R 1 V=0.5 + 0.5*tanh(100 * (V(6) - V(5)))
B_RESET N_RESET 1 V=0.5 + 0.5*tanh(100 * (0.7 - (V(4) - V(1))))

* SR Latch (Behavioral RC model ensuring smooth transitions)
B_INT N_INT 1 V=(V(N_RESET)<=0.5) * ( (V(N_S)>=0.5) + (V(N_S)<0.5) * (V(N_R)<=0.5) * V(N_INT_CAP) )
R_INT N_INT N_INT_CAP 100
C_INT N_INT_CAP 1 1n

* Output stage (Push-pull behavior)
B_OUT N_OUT 1 V=(V(N_INT_CAP)>0.5) * V(8)
R_OUT N_OUT 3 10

* Discharge stage (Open collector behavior)
B_DISCH 7 1 I=V(7) * ( (V(N_INT_CAP)<0.5)*0.1 + (V(N_INT_CAP)>=0.5)*1e-9 )
.ends

* Main Circuit
XU1 0 TRIG_THR OUT VCC CTRL TRIG_THR DISCH VCC NE555
R1 VCC DISCH 1k
R2 DISCH TRIG_THR 10k
C1 TRIG_THR 0 100n
C2 CTRL 0 10n
C3 OUT SPK_IN 10u
RLS1 SPK_IN 0 1k

.end
* --- GPT review (BOM/Wiring/SPICE) ---
* circuit_ok=true
* simulation_summary: The transient simulation shows the trigger/threshold voltage oscillating between approximately 3V (1/3 VCC) and 6V (2/3 VCC), and the output toggling between near 0V and near 9V. The AC-coupled speaker input (SPK_IN) correctly centers around 0V during operation.
* bom_vs_spice equivalences ignored:
*   - Photoresistor (LDR) R2 modeled as a fixed 10k resistor.
*   - Piezoelectric speaker LS1 modeled as a 1k resistor RLS1.
* overall_comment: The SPICE netlist accurately represents the light-controlled oscillator described in the BOM and wiring guide. The NE555 subcircuit functions correctly as an astable multivibrator, and the simulation results confirm the expected oscillation. The circuit is perfectly suitable as a didactic example.
* --------------------------------------

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The transient simulation shows the trigger/threshold voltage oscillating between approximately 3V (1/3 VCC) and 6V (2/3 VCC), and the output toggling between near 0V and near 9V. The AC-coupled speaker input (SPK_IN) correctly centers around 0V during operation.
Show raw data table (631 rows) 
Index   time            v(trig_thr)     v(out)          v(vcc)          v(spk_in)
0	1.000000e-07	8.901188e-06	0.000000e+00	9.000000e+00	0.000000e+00
1	1.014392e-07	2.067642e-05	8.910891e+00	9.000000e+00	8.910890e+00
2	1.043176e-07	4.422687e-05	8.910891e+00	9.000000e+00	8.910887e+00
3	1.100744e-07	9.132756e-05	8.910891e+00	9.000000e+00	8.910882e+00
4	1.215880e-07	1.855282e-04	8.910891e+00	9.000000e+00	8.910872e+00
5	1.446152e-07	3.739266e-04	8.910891e+00	9.000000e+00	8.910852e+00
6	1.906696e-07	7.507115e-04	8.910892e+00	9.000000e+00	8.910811e+00
7	2.827784e-07	1.504234e-03	8.910893e+00	9.000000e+00	8.910730e+00
8	4.361485e-07	2.758782e-03	8.910894e+00	9.000000e+00	8.910595e+00
9	6.136134e-07	4.210203e-03	8.910896e+00	9.000000e+00	8.910438e+00
10	8.824756e-07	6.408686e-03	8.910898e+00	9.000000e+00	8.910201e+00
11	1.315870e-06	9.951414e-03	8.910902e+00	9.000000e+00	8.909818e+00
12	2.182659e-06	1.703268e-02	8.910909e+00	9.000000e+00	8.909054e+00
13	3.916236e-06	3.117850e-02	8.910925e+00	9.000000e+00	8.907525e+00
14	7.383392e-06	5.940335e-02	8.910955e+00	9.000000e+00	8.904468e+00
15	1.000000e-05	8.064538e-02	8.910978e+00	9.000000e+00	8.902161e+00
16	1.069343e-05	8.626452e-02	8.910985e+00	9.000000e+00	8.901550e+00
17	1.208029e-05	9.749572e-02	8.910997e+00	9.000000e+00	8.900328e+00
18	1.485402e-05	1.199157e-01	8.911021e+00	9.000000e+00	8.897884e+00
19	2.040147e-05	1.645865e-01	8.911070e+00	9.000000e+00	8.892998e+00
20	3.040147e-05	2.445449e-01	8.911158e+00	9.000000e+00	8.884197e+00
21	4.040147e-05	3.237797e-01	8.911246e+00	9.000000e+00	8.875405e+00
22	5.040147e-05	4.022975e-01	8.911334e+00	9.000000e+00	8.866622e+00
23	6.040147e-05	4.801047e-01	8.911422e+00	9.000000e+00	8.857848e+00
... (607 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  • Intercambiar las posiciones de R1 y la LDR: Si la LDR se coloca entre VCC y el pin 7 (DISCHARGE), la luz intensa reducirá su resistencia a casi cero. Cuando el NE555 intente descargar el condensador conectando el pin 7 a tierra, creará un casi cortocircuito desde VCC hasta tierra, lo que podría destruir el CI. Mantén siempre una resistencia de seguridad fija (R1) en la posición superior.
  • Elegir el valor incorrecto para C1: Si C1 es demasiado grande (como un condensador electrolítico de 10 µF), el oscilador funcionará a una frecuencia sub-audio, produciendo una serie de clics en lugar de un tono. Mantente en el rango de 10 nF a 100 nF para obtener resultados audibles.
  • Omitir el condensador de acoplamiento de CA (C3): Conectar el altavoz piezoeléctrico directamente desde el pin de salida a tierra fuerza un desplazamiento de CC constante a través del altavoz, lo que consume energía innecesaria y puede degradar el componente con el tiempo. Utiliza siempre un condensador de acoplamiento de CA para bloquear la componente de CC.

Solución de problemas

  • Síntoma: El altavoz emite un sonido de chasquido o tictac continuo en lugar de un tono musical.
    • Causa: La frecuencia de oscilación es demasiado baja, probablemente por debajo de 20 Hz.
    • Solución: Comprueba el valor de C1. Asegúrate de que es un condensador cerámico de 100 nF (a menudo marcado como 104) y no un condensador electrolítico mucho más grande. Además, asegúrate de que la LDR no esté en oscuridad total.
  • Síntoma: No se produce ningún sonido y el chip NE555 se siente caliente al tacto.
    • Causa: Un cortocircuito durante el ciclo de descarga.
    • Solución: Desconecta la alimentación inmediatamente. Verifica que R1 sea una resistencia fija de 1 kΩ y que la LDR esté colocada estrictamente entre los pines 7 y 6, NO entre VCC y el pin 7.
  • Síntoma: Se escucha un tono, pero el tono apenas cambia al pasar la mano sobre el sensor.
    • Causa: La variación de resistencia de la LDR en las condiciones de iluminación actuales es demasiado pequeña, o la luz ambiental de la habitación es demasiado uniforme.
    • Solución: Prueba el circuito iluminando la LDR directamente con una fuente de luz muy enfocada (como la linterna de un smartphone), y luego cúbrela completamente con un vaso oscuro. Si el tono sigue sin cambiar mucho, verifica que R2 sea efectivamente una LDR y no una resistencia fija estándar por error.

Posibles mejoras y extensiones

  • Potenciómetro de sintonización manual: Añade un potenciómetro de 10 kΩ en serie con la LDR. Esto te permite compensar manualmente la resistencia total, proporcionando una forma de ajustar el «tono base» del oscilador para diferentes condiciones de iluminación de la habitación.
  • Respuesta a la luz inversa: Modifica la configuración para que el tono disminuya a medida que aumenta la luz. Esto se puede lograr recableando la sección de temporización (teniendo en cuenta las resistencias de seguridad) o usando un transistor secundario para invertir el comportamiento de la LDR sobre el voltaje de control (Pin 5) del NE555 en lugar de la red de temporización estándar.

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




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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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Caso práctico: Medición de corriente con shunt

Prototipo de Medición de corriente con shunt (Maker Style)

Nivel: Medio – Utilice una resistencia de muy bajo valor para medir indirectamente la corriente de una carga de CC a través de la caída de tensión.

Objetivo y caso de uso

Construirá un circuito de corriente continua (CC) que cuenta con una carga ficticia (dummy load) principal y una resistencia en serie de bajo valor, conocida como shunt. Al medir la pequeña caída de tensión a través de este shunt, calculará indirectamente la corriente total que fluye por el circuito utilizando la Ley de Ohm.

Por qué es útil:
* Medición segura de alta corriente: Evita hacer pasar corrientes masivas directamente a través de los circuitos internos, potencialmente frágiles, de su multímetro.
* Monitorización continua: Permite que los microcontroladores o paneles analógicos realicen un seguimiento constante del consumo de energía sin abrir el circuito.
* Protección contra sobrecorriente: Proporciona una señal de tensión proporcional que puede activar un mecanismo de apagado si la corriente excede los límites seguros.
* Reducción de la tensión de carga (burden voltage): Personalizar el tamaño del shunt minimiza la interferencia que el instrumento de medición impone sobre el circuito en funcionamiento.

Resultado esperado:
* Generará una caída de tensión medible en el rango de los milivoltios a través de la resistencia shunt de lado bajo (low-side).
* Calculará correctamente la corriente de la carga ($I = V/R$) a partir de la tensión observada.
* Verificará la disipación de potencia (P = I^2 × R) del shunt para asegurar que opera dentro de límites térmicos seguros.

Público objetivo y nivel: Estudiantes de electrónica de nivel intermedio que aprenden técnicas de medición indirecta y cálculos de potencia.

Materiales

  • V1: fuente de alimentación de 12 V CC, función: fuente de energía principal
  • R_LOAD: resistencia de 24 Ω (10 W), función: carga principal de CC
  • R_SHUNT: resistencia de 1 Ω (1 W), función: shunt detector de corriente
  • VM1: Multímetro digital, función: medir la caída de tensión a través del shunt

Guía de conexionado

  • V1: conecta el terminal positivo al nodo VCC y el terminal negativo al nodo 0 (GND).
  • R_LOAD: se conecta entre el nodo VCC y el nodo SENSE.
  • R_SHUNT: se conecta entre el nodo SENSE y el nodo 0 (GND).
  • VM1: conecta la sonda positiva al nodo SENSE y la sonda negativa al nodo 0 (GND) para medir la caída de tensión a través del shunt.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — Load & Shunt Resistor
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

[ V1: 12 V VCC ] --> [ R_LOAD: 24 Ω ] --(Node SENSE)--> [ R_SHUNT: 1 Ω ] --> GND
                                           |
                                           +--(+ probe)--> [ VM1: Multimeter ] --(- probe)--> GND
Esquema Eléctrico

Diagrama eléctrico

Diagrama eléctrico de medición de corriente con shunt
Generado desde la netlist SPICE validada del caso.

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Mediciones y pruebas

  1. Verificar la fuente de alimentación: Encienda V1 y mida la tensión en el nodo VCC con respecto al nodo 0. Debería leer exactamente 12 V.
  2. Medir la tensión del shunt (Vshunt): Configure su multímetro en el rango de milivoltios o voltios de CC. Mida la tensión en el nodo SENSE con respecto al nodo 0. Con una carga de 24 Ω y un shunt de 1 Ω (25 Ω en total), debería medir aproximadamente 480 mV (0.48 V).
  3. Calcular la corriente: Utilice la ley de Ohm (I = Vshunt / Rshunt). Divida la medición de 0.48 V por 1 Ω. La corriente total que fluye por el circuito es de 480 mA (0.48 A).
  4. Calcular la disipación de potencia: Calcule la potencia disipada por el shunt usando P = Vshunt × I. En este caso, 0.48 V × 0.48 A = 0.23 W. Debido a que seleccionamos una resistencia de 1 W, está operando de manera segura dentro de sus límites.
  5. Medir la caída de tensión de la carga: Mida la tensión entre el nodo VCC y el nodo SENSE. Debería ser aproximadamente 11.52 V, confirmando que el shunt «roba» muy poca tensión de la carga principal.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice)

* Practical case: Current measurement with shunt
.width out=256

* Main power source
V1 VCC 0 DC 12

* Primary DC load
R_LOAD VCC SENSE 24

* Current sensing shunt
R_SHUNT SENSE 0 1

* Simulation commands
.op
.tran 1u 100u

* Print the input voltage and the voltage drop across the shunt (VM1)
.print tran V(VCC) V(SENSE)

.end

Copia este contenido en un archivo .cir y ejecútalo con ngspice.

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation shows a constant 12V supply at VCC and a constant 0.48V at the SENSE node. This perfectly matches the theoretical voltage divider calculation (12V * 1Ω / 25Ω = 0.48V), indicating a current of 0.48A.
Show raw data table (108 rows) 
Index   time            v(vcc)          v(sense)
0	0.000000e+00	1.200000e+01	4.800000e-01
1	1.000000e-08	1.200000e+01	4.800000e-01
2	2.000000e-08	1.200000e+01	4.800000e-01
3	4.000000e-08	1.200000e+01	4.800000e-01
4	8.000000e-08	1.200000e+01	4.800000e-01
5	1.600000e-07	1.200000e+01	4.800000e-01
6	3.200000e-07	1.200000e+01	4.800000e-01
7	6.400000e-07	1.200000e+01	4.800000e-01
8	1.280000e-06	1.200000e+01	4.800000e-01
9	2.280000e-06	1.200000e+01	4.800000e-01
10	3.280000e-06	1.200000e+01	4.800000e-01
11	4.280000e-06	1.200000e+01	4.800000e-01
12	5.280000e-06	1.200000e+01	4.800000e-01
13	6.280000e-06	1.200000e+01	4.800000e-01
14	7.280000e-06	1.200000e+01	4.800000e-01
15	8.280000e-06	1.200000e+01	4.800000e-01
16	9.280000e-06	1.200000e+01	4.800000e-01
17	1.028000e-05	1.200000e+01	4.800000e-01
18	1.128000e-05	1.200000e+01	4.800000e-01
19	1.228000e-05	1.200000e+01	4.800000e-01
20	1.328000e-05	1.200000e+01	4.800000e-01
21	1.428000e-05	1.200000e+01	4.800000e-01
22	1.528000e-05	1.200000e+01	4.800000e-01
23	1.628000e-05	1.200000e+01	4.800000e-01
... (84 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  • Usar un shunt con demasiada resistencia: Si el valor del shunt es demasiado alto (ej. 100 Ω), crea una «tensión de carga» (burden voltage) masiva, privando a la carga real de energía y alterando el comportamiento del circuito. Utilice siempre valores bajos (típicamente 1 Ω, 0.1 Ω, o incluso miliohmios).
  • Ignorar la potencia nominal del shunt: Una resistencia que reduce incluso una fracción de voltio puede disipar un calor sustancial si la corriente es alta. Calcule siempre P = I^2 × R y seleccione una resistencia con el doble de la potencia calculada.
  • Medir la corriente directamente a través del shunt: Configurar el multímetro en modo «Amperios» y ponerlo en paralelo con el shunt provocará un cortocircuito en el shunt, lo que podría fundir el fusible interno del multímetro. Utilice siempre el modo «Voltaje» para medir la caída de tensión a través del shunt.

Solución de problemas

  • Síntoma: El multímetro lee 0 V a través del shunt.
    • Causa: El circuito está abierto; la energía no llega a la carga o R_SHUNT está en cortocircuito.
    • Solución: Compruebe la continuidad de todos los cables, asegúrese de que la fuente de alimentación esté encendida y confirme que la carga esté conectada correctamente.
  • Síntoma: La resistencia shunt humea o se calienta peligrosamente.
    • Causa: La corriente excede la potencia nominal del shunt, o R_LOAD ha sido puenteada (creando un cortocircuito directo a través del shunt).
    • Solución: Apague la alimentación inmediatamente. Verifique que R_LOAD no esté puenteada y reemplace el shunt por uno de mayor potencia nominal si es necesario.
  • Síntoma: La corriente calculada parece mucho menor que el consumo esperado de la carga.
    • Causa: La resistencia de los cables de conexión o los contactos de la protoboard actúan como un shunt secundario no medido, sumándose a la resistencia total del circuito.
    • Solución: Asegúrese de utilizar cables cortos y gruesos para las conexiones de alimentación. Considere cambiar a una configuración de medición de 4 hilos (Kelvin) para obtener una precisión extrema.

Posibles mejoras y extensiones

  • Añadir un amplificador detector de corriente: Conecte un amplificador operacional (Op-Amp) a través de R_SHUNT en una configuración no inversora para amplificar la pequeña señal de milivoltios y convertirla en una señal robusta de 0-5 V fácilmente legible por el ADC de un microcontrolador.
  • Implementar medición de lado alto (high-side): Mueva R_SHUNT al «lado alto» (entre VCC y R_LOAD). Utilice un CI dedicado a la detección de corriente de lado alto (como el INA219) para medir la tensión diferencial, demostrando que la corriente se puede medir antes de que llegue a la carga mientras se mantiene la carga estrictamente conectada a tierra.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el objetivo principal de utilizar una resistencia shunt en el circuito descrito?




Pregunta 2: ¿Qué ley se utiliza para calcular la corriente total del circuito al medir la caída de tensión en el shunt?




Pregunta 3: ¿Cómo debe ser el valor de la resistencia shunt utilizada para este propósito?




Pregunta 4: ¿Por qué el uso de un shunt hace más segura la medición de alta corriente?




Pregunta 5: ¿Qué ventaja ofrece el shunt para la monitorización continua del consumo de energía?




Pregunta 6: ¿Cómo contribuye el shunt a la protección contra sobrecorriente?




Pregunta 7: ¿Qué problema de medición se minimiza al personalizar el tamaño del shunt?




Pregunta 8: ¿En qué tipo de circuito se centra el caso de uso descrito en el texto?




Pregunta 9: ¿Cómo se conecta la resistencia shunt respecto a la carga principal (dummy load) para medir la corriente total?




Pregunta 10: ¿Qué dispositivos menciona el texto que pueden aprovechar el shunt para realizar un seguimiento constante del consumo?




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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