Practical case: Simple voltage divider

Simple voltage divider prototype (Maker Style)

Level: Basic. Demonstrate how two resistors in series divide the input voltage into predictable proportions.

Objective and use case

In this practical case, you will build a fundamental circuit that uses two resistors in series to reduce a higher DC source voltage to a specific lower voltage level.

  • Why it is useful:

    • Sensor interfacing: Adapts high-voltage sensors (e.g., 12 V automotive sensors) to low-voltage microcontrollers (e.g., 3.3 V or 5 V logic).
    • Biasing: Provides stable reference voltages for transistor bases or operational amplifier inputs.
    • Level shifting: Simple method to step down signal levels between different circuit stages.

  • Expected outcome:

    • Input Voltage (Vin): Measured at the full 9 V supply.
    • Output Voltage (Vout): Measured at the junction between the resistors; expecting exactly 4.5 V (50% of input).
    • Current: A small, safe current flows continuously from the source to ground through the series path.
    • Ratio verification: The output voltage follows the formula Vout = Vin × (R2 / (R1 + R2)).

  • Target audience and level: Students starting with Ohm’s Law and Series Circuits (Level: Basic).

Materials

  • V1: 9 V DC voltage source (battery or power supply).
  • R1: 10 kΩ resistor, function: high-side element (drops half the voltage).
  • R2: 10 kΩ resistor, function: low-side element (measurement resistor).
  • M1: Digital Multimeter (Voltmeter mode), function: measurement tool.

Wiring guide

Construct the circuit using the following node connections. Ensure the power supply is turned off while assembling components.

  • V1: Connect the positive terminal to node VCC and the negative terminal to node 0 (GND).
  • R1: Connect between node VCC and node VOUT.
  • R2: Connect between node VOUT and node 0 (GND).

Conceptual block diagram

Conceptual block diagram — Voltage Divider
Quick read: inputs → main block → output (actuator or measurement). This summarizes the ASCII schematic below.

Schematic

[ INPUT ]                    [ PROCESSING ]                    [ OUTPUT ]

 [ 9V Source (V1) ] --(VCC)--> [ R1: High-Side 10k ] --(VOUT)--> [ Multimeter (M1) ]
                                          |
                                          v
                                 [ R2: Low-Side 10k ]
                                          |
                                          v
                                    [ Node 0 (GND) ]
Schematic (ASCII)

Electrical diagram

Electrical diagram for the practical case: Simple voltage divider
Generated from the validated SPICE netlist for this case.

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Measurements and tests

Perform the following steps to validate the circuit behavior.

  1. Set up the Multimeter: Switch your multimeter to DC Voltage mode (20 V range or auto-range).
  2. Measure Input (Vin): Place the red probe on node VCC and the black probe on node 0. Verify the reading is approximately 9 V.
  3. Measure Output (Vout): Place the red probe on node VOUT (the junction between R1 and R2) and the black probe on node 0.
  4. Validate Result: The reading should be approximately 4.5 V.
    • Calculation: Vout = 9V × (10kΩ / (10kΩ + 10kΩ)) = 9V × 0.5 = 4.5V.

SPICE netlist and simulation

Reference SPICE Netlist (ngspice) — excerptFull SPICE netlist (ngspice)

* Title: Simple voltage divider

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC voltage source
* Connected positive to VCC, negative to 0 (GND)
V1 VCC 0 DC 9

* --- Components ---
* R1: 10 kOhm resistor (High-side)
* Connected between VCC and VOUT
R1 VCC VOUT 10k

* R2: 10 kOhm resistor (Low-side)
* Connected between VOUT and 0 (GND)
R2 VOUT 0 10k

* M1: Digital Multimeter (Voltmeter mode)
* Function: Measurement tool across R2 (VOUT to GND)
* Modeled as a high-impedance resistor (10 MegOhm) to represent input impedance
R_M1 VOUT 0 10Meg
* ... (truncated in public view) ...

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* Title: Simple voltage divider

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC voltage source
* Connected positive to VCC, negative to 0 (GND)
V1 VCC 0 DC 9

* --- Components ---
* R1: 10 kOhm resistor (High-side)
* Connected between VCC and VOUT
R1 VCC VOUT 10k

* R2: 10 kOhm resistor (Low-side)
* Connected between VOUT and 0 (GND)
R2 VOUT 0 10k

* M1: Digital Multimeter (Voltmeter mode)
* Function: Measurement tool across R2 (VOUT to GND)
* Modeled as a high-impedance resistor (10 MegOhm) to represent input impedance
R_M1 VOUT 0 10Meg

* --- Simulation and Output ---
* Operating point analysis for DC steady state
.op

* Transient analysis (required for .print tran)
* Simulating for 5ms to show steady DC levels
.tran 100u 5ms

* Print directives
.print tran V(VCC) V(VOUT)

.end

Simulation Results (Transient Analysis)

Simulation Results (Transient Analysis)
Show raw data table (59 rows) 
Index   time            v(vcc)          v(vout)
0	0.000000e+00	9.000000e+00	4.497751e+00
1	5.000000e-07	9.000000e+00	4.497751e+00
2	1.000000e-06	9.000000e+00	4.497751e+00
3	2.000000e-06	9.000000e+00	4.497751e+00
4	4.000000e-06	9.000000e+00	4.497751e+00
5	8.000000e-06	9.000000e+00	4.497751e+00
6	1.600000e-05	9.000000e+00	4.497751e+00
7	3.200000e-05	9.000000e+00	4.497751e+00
8	6.400000e-05	9.000000e+00	4.497751e+00
9	1.280000e-04	9.000000e+00	4.497751e+00
10	2.280000e-04	9.000000e+00	4.497751e+00
11	3.280000e-04	9.000000e+00	4.497751e+00
12	4.280000e-04	9.000000e+00	4.497751e+00
13	5.280000e-04	9.000000e+00	4.497751e+00
14	6.280000e-04	9.000000e+00	4.497751e+00
15	7.280000e-04	9.000000e+00	4.497751e+00
16	8.280000e-04	9.000000e+00	4.497751e+00
17	9.280000e-04	9.000000e+00	4.497751e+00
18	1.028000e-03	9.000000e+00	4.497751e+00
19	1.128000e-03	9.000000e+00	4.497751e+00
20	1.228000e-03	9.000000e+00	4.497751e+00
21	1.328000e-03	9.000000e+00	4.497751e+00
22	1.428000e-03	9.000000e+00	4.497751e+00
23	1.528000e-03	9.000000e+00	4.497751e+00
... (35 more rows) ...

Common mistakes and how to avoid them

  1. Connecting a heavy load: Connecting a motor or low-resistance load to VOUT will cause the voltage to drop significantly below 4.5 V (loading effect). Solution: Only connect high-impedance loads (like microcontroller inputs) or use a buffer.
  2. Using incorrect resistor ratios: Using random resistor values will result in a random output voltage. Solution: Always calculate the required ratio using the voltage divider formula before building.
  3. Overheating resistors: Using very low resistance values (e.g., 10 Ω) connects the supply almost directly to ground, causing high current. Solution: Use values in the kΩ range for signal reference voltages to minimize power waste.

Troubleshooting

  • Symptom: VOUT reads 0 V.
    • Cause: R1 is open (broken) or R2 is shorted to ground.
    • Fix: Check continuity of R1 and ensure R2 legs are not touching.
  • Symptom: VOUT equals VCC (9 V).
    • Cause: R2 is open (broken) or R1 is shorted.
    • Fix: Ensure R2 is correctly inserted into the breadboard rails.
  • Symptom: VOUT is slightly off (e.g., 4.6 V instead of 4.5 V).
    • Cause: Resistor tolerance (standard resistors vary by ±5%).
    • Fix: This is normal behavior. Use 1% precision resistors if exact values are critical.

Possible improvements and extensions

  1. Variable Divider: Replace R1 and R2 with a single 10 kΩ potentiometer (wiper to output) to create a variable voltage source from 0 V to 9 V.
  2. Buffered Output: Connect the VOUT node to an Operational Amplifier configured as a voltage follower to drive loads like LEDs without dropping the voltage.

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Quick Quiz

Question 1: What is the primary objective of the circuit described in this practical case?




Question 2: Which formula correctly represents the output voltage (Vout) in a voltage divider circuit?




Question 3: If the input voltage is 9 V and both resistors are equal (e.g., 10 kΩ), what is the expected output voltage?




Question 4: What is a practical use case for this voltage divider circuit mentioned in the text?




Question 5: In the context of the expected outcome, what role does the resistor R1 play?




Question 6: Which component would be used to verify the voltage levels in this experiment?




Question 7: Where is the Output Voltage (Vout) measured in this circuit?




Question 8: What is the target audience level for this practical case?




Question 9: How is the current flow described in this series circuit?




Question 10: Why is this circuit useful for 'Biasing'?




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

Telecommunications Electronics Engineer and Computer Engineer (official degrees in Spain).

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Caso práctico: Divisor de voltaje simple

Prototipo de Divisor de voltaje simple (Maker Style)

Nivel: Básico. Demuestra cómo dos resistencias en serie dividen el voltaje de entrada en proporciones predecibles.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirá un circuito fundamental que utiliza dos resistencias en serie para reducir un voltaje de fuente de CC más alto a un nivel de voltaje más bajo específico.

  • Por qué es útil:

    • Interfaz de sensores: Adapta sensores de alto voltaje (por ejemplo, sensores automotrices de 12 V) a microcontroladores de bajo voltaje (por ejemplo, lógica de 3.3 V o 5 V).
    • Polarización: Proporciona voltajes de referencia estables para bases de transistores o entradas de amplificadores operacionales.
    • Desplazamiento de nivel: Método simple para reducir los niveles de señal entre diferentes etapas del circuito.

  • Resultado esperado:

    • Voltaje de entrada (Vin): Medido en la fuente de alimentación completa de 9 V.
    • Voltaje de salida (Vout): Medido en la unión entre las resistencias; esperando exactamente 4.5 V (50% de la entrada).
    • Corriente: Una corriente pequeña y segura fluye continuamente desde la fuente a tierra a través de la ruta en serie.
    • Verificación de la relación: El voltaje de salida sigue la fórmula Vout = Vin × (R2 / (R1 + R2)).

  • Público objetivo y nivel: Estudiantes que comienzan con la Ley de Ohm y Circuitos en Serie (Nivel: Básico).

Materiales

  • V1: Fuente de voltaje de 9 V CC (batería o fuente de alimentación).
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: elemento del lado alto (cae la mitad del voltaje).
  • R2: Resistencia de 10 kΩ, función: elemento del lado bajo (resistencia de medición).
  • M1: Multímetro digital (modo voltímetro), función: herramienta de medición.

Guía de conexionado

Construya el circuito utilizando las siguientes conexiones de nodos. Asegúrese de que la fuente de alimentación esté apagada mientras ensambla los componentes.

  • V1: Conecte el terminal positivo al nodo VCC y el terminal negativo al nodo 0 (GND).
  • R1: Conecte entre el nodo VCC y el nodo VOUT.
  • R2: Conecte entre el nodo VOUT y el nodo 0 (GND).

Diagrama de bloques conceptual

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

Esquemático

[ INPUT ]                    [ PROCESSING ]                    [ OUTPUT ]

 [ 9V Source (V1) ] --(VCC)--> [ R1: High-Side 10k ] --(VOUT)--> [ Multimeter (M1) ]
                                          |
                                          v
                                 [ R2: Low-Side 10k ]
                                          |
                                          v
                                    [ Node 0 (GND) ]
Esquema Eléctrico

Diagrama eléctrico

Diagrama eléctrico del caso práctico: Divisor de voltaje simple
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

Realice los siguientes pasos para validar el comportamiento del circuito.

  1. Configurar el multímetro: Cambie su multímetro al modo de voltaje de CC (rango de 20 V o rango automático).
  2. Medir la entrada (Vin): Coloque la sonda roja en el nodo VCC y la sonda negra en el nodo 0. Verifique que la lectura sea de aproximadamente 9 V.
  3. Medir la salida (Vout): Coloque la sonda roja en el nodo VOUT (la unión entre R1 y R2) y la sonda negra en el nodo 0.
  4. Validar el resultado: La lectura debe ser de aproximadamente 4.5 V.
    • Cálculo: Vout = 9V × (10kΩ / (10kΩ + 10kΩ)) = 9V × 0.5 = 4.5V.

Netlist SPICE y simulación

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

* Title: Simple voltage divider

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC voltage source
* Connected positive to VCC, negative to 0 (GND)
V1 VCC 0 DC 9

* --- Components ---
* R1: 10 kOhm resistor (High-side)
* Connected between VCC and VOUT
R1 VCC VOUT 10k

* R2: 10 kOhm resistor (Low-side)
* Connected between VOUT and 0 (GND)
R2 VOUT 0 10k

* M1: Digital Multimeter (Voltmeter mode)
* Function: Measurement tool across R2 (VOUT to GND)
* Modeled as a high-impedance resistor (10 MegOhm) to represent input impedance
R_M1 VOUT 0 10Meg
* ... (truncated in public view) ...

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* Title: Simple voltage divider

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC voltage source
* Connected positive to VCC, negative to 0 (GND)
V1 VCC 0 DC 9

* --- Components ---
* R1: 10 kOhm resistor (High-side)
* Connected between VCC and VOUT
R1 VCC VOUT 10k

* R2: 10 kOhm resistor (Low-side)
* Connected between VOUT and 0 (GND)
R2 VOUT 0 10k

* M1: Digital Multimeter (Voltmeter mode)
* Function: Measurement tool across R2 (VOUT to GND)
* Modeled as a high-impedance resistor (10 MegOhm) to represent input impedance
R_M1 VOUT 0 10Meg

* --- Simulation and Output ---
* Operating point analysis for DC steady state
.op

* Transient analysis (required for .print tran)
* Simulating for 5ms to show steady DC levels
.tran 100u 5ms

* Print directives
.print tran V(VCC) V(VOUT)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (59 rows) 
Index   time            v(vcc)          v(vout)
0	0.000000e+00	9.000000e+00	4.497751e+00
1	5.000000e-07	9.000000e+00	4.497751e+00
2	1.000000e-06	9.000000e+00	4.497751e+00
3	2.000000e-06	9.000000e+00	4.497751e+00
4	4.000000e-06	9.000000e+00	4.497751e+00
5	8.000000e-06	9.000000e+00	4.497751e+00
6	1.600000e-05	9.000000e+00	4.497751e+00
7	3.200000e-05	9.000000e+00	4.497751e+00
8	6.400000e-05	9.000000e+00	4.497751e+00
9	1.280000e-04	9.000000e+00	4.497751e+00
10	2.280000e-04	9.000000e+00	4.497751e+00
11	3.280000e-04	9.000000e+00	4.497751e+00
12	4.280000e-04	9.000000e+00	4.497751e+00
13	5.280000e-04	9.000000e+00	4.497751e+00
14	6.280000e-04	9.000000e+00	4.497751e+00
15	7.280000e-04	9.000000e+00	4.497751e+00
16	8.280000e-04	9.000000e+00	4.497751e+00
17	9.280000e-04	9.000000e+00	4.497751e+00
18	1.028000e-03	9.000000e+00	4.497751e+00
19	1.128000e-03	9.000000e+00	4.497751e+00
20	1.228000e-03	9.000000e+00	4.497751e+00
21	1.328000e-03	9.000000e+00	4.497751e+00
22	1.428000e-03	9.000000e+00	4.497751e+00
23	1.528000e-03	9.000000e+00	4.497751e+00
... (35 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Conectar una carga pesada: Conectar un motor o una carga de baja resistencia a VOUT hará que el voltaje caiga significativamente por debajo de 4.5 V (efecto de carga). Solución: Conecte solo cargas de alta impedancia (como entradas de microcontrolador) o use un búfer.
  2. Usar relaciones de resistencia incorrectas: Usar valores de resistencia aleatorios dará como resultado un voltaje de salida aleatorio. Solución: Calcule siempre la relación requerida utilizando la fórmula del divisor de voltaje antes de construir.
  3. Sobrecalentamiento de resistencias: El uso de valores de resistencia muy bajos (por ejemplo, 10 Ω) conecta la fuente casi directamente a tierra, causando una alta corriente. Solución: Use valores en el rango de kΩ para voltajes de referencia de señal para minimizar el desperdicio de energía.

Solución de problemas

  • Síntoma: VOUT marca 0 V.
    • Causa: R1 está abierta (rota) o R2 está en cortocircuito a tierra.
    • Solución: Verifique la continuidad de R1 y asegúrese de que las patas de R2 no se toquen.
  • Síntoma: VOUT es igual a VCC (9 V).
    • Causa: R2 está abierta (rota) o R1 está en cortocircuito.
    • Solución: Asegúrese de que R2 esté insertada correctamente en los rieles de la protoboard.
  • Síntoma: VOUT está ligeramente desviado (por ejemplo, 4.6 V en lugar de 4.5 V).
    • Causa: Tolerancia de la resistencia (las resistencias estándar varían en ±5%).
    • Solución: Este es un comportamiento normal. Use resistencias de precisión del 1% si los valores exactos son críticos.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Divisor variable: Reemplace R1 y R2 con un solo potenciómetro de 10 kΩ (cursor a la salida) para crear una fuente de voltaje variable de 0 V a 9 V.
  2. Salida con búfer: Conecte el nodo VOUT a un amplificador operacional configurado como seguidor de voltaje para manejar cargas como LED sin que caiga el voltaje.

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Quiz rápido

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




Pregunta 2: ¿Qué componentes fundamentales se utilizan para crear este circuito?




Pregunta 3: Según el texto, ¿cuál es una aplicación útil de este circuito para sensores?




Pregunta 4: Si el voltaje de entrada (Vin) es de 9 V y se espera un Vout de 4.5 V, ¿qué relación tienen las resistencias?




Pregunta 5: ¿Qué fórmula general describe el comportamiento del voltaje de salida (Vout) en un divisor de voltaje?




Pregunta 6: ¿Qué se espera que ocurra con la corriente en este circuito?




Pregunta 7: ¿Para qué nivel de habilidad está diseñado este caso práctico?




Pregunta 8: ¿Dónde se debe medir el voltaje de salida (Vout) en este circuito?




Pregunta 9: ¿Qué utilidad tiene este circuito en relación con los transistores?




Pregunta 10: ¿Qué voltaje de entrada (Vin) se utiliza en el ejemplo práctico del 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:

Practical case: Current limiting in an LED

Current limiting in an LED prototype (Maker Style)

Level: Basic. Demonstrate how a resistor protects a sensitive component (LED) by limiting current flow according to Ohm’s Law.

Objective and use case

In this case, you will build a fundamental series circuit connecting a DC voltage source, a current-limiting resistor, and a Light Emitting Diode (LED).

Why it is useful:
* Component Protection: Prevents the LED from drawing excessive current and burning out instantly.
* Ohm’s Law Application: Visually demonstrates the relationship between Voltage, Current, and Resistance ($I = V/R$).
* Status Indication: Forms the basis for power indicators on almost every electronic device.
* Diagnostic Tooling: Simple LED circuits are often used to debug logic levels in complex systems.

Expected outcome:
* The LED lights up steadily without overheating.
* The current flowing through the circuit remains within the safe range (typically 10–20 mA).
* The voltage drop across the resistor corresponds to the supply voltage minus the LED forward voltage.

Target audience and level: Beginners and students starting with basic component analysis.

Materials

  • V1: 5 V DC supply
  • R1: 220 Ω resistor, function: current limiting
  • D1: Red LED, function: light emission
  • M1: Multimeter, function: current measurement (A)
  • M2: Multimeter, function: voltage measurement (V)

Wiring guide

This circuit uses a series topology. We define the nodes as VCC (5V Source), 0 (Ground), and NODE_A (Intermediate connection).

  • V1 (DC Source): Positive terminal connects to node VCC. Negative terminal connects to node 0.
  • R1 (Resistor): Connects between node VCC and node NODE_A.
  • D1 (LED): Anode connects to node NODE_A. Cathode connects to node 0.

Conceptual block diagram

Conceptual block diagram — Current Limiting
Quick read: inputs → main block → output (actuator or measurement). This summarizes the ASCII schematic below.

Schematic

[ SOURCE ]                  [ CURRENT CONTROL ]              [ OUTPUT / LOAD ]

    [ V1: 5V DC ] --(VCC)--> [ R1: 220 Ohm ] --(Node A)--> [ D1: Red LED ] --(0)--> [ GND ]
Schematic (ASCII)

Electrical diagram

Electrical diagram for current limiting in an LED
Generated from the validated SPICE netlist for this case.

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Measurements and tests

To validate Ohm’s Law and component safety:

  1. Calculate Expected Current:
    • Assume LED Forward Voltage ($V_f$) $\approx$ 2.0 V.
    • Voltage across R1: $V_{R1} = V_{source} – V_f = 5V – 2V = 3V$.
    • Expected Current: $I = V_{R1} / R1 = 3V / 220\Omega \approx 13.6 mA$.
  2. Voltage Measurement: Set multimeter M2 to DC Volts. Measure across R1 (leads on VCC and NODE_A). The reading should be approximately 3 V.
  3. Current Measurement: Break the circuit at node VCC or 0 and insert multimeter M1 in series (Amperemeter mode). The reading should be close to 13–14 mA.
  4. Visual Check: The LED should emit a steady, bright red light.

SPICE netlist and simulation

Reference SPICE Netlist (ngspice) — excerptFull SPICE netlist (ngspice)

* Practical case: Current limiting in an LED

* --- Power Supply ---
* V1: 5V DC Supply connected between VCC and 0 (GND)
V1 VCC 0 DC 5

* --- Components ---
* R1: 220 Ohm Resistor
* Function: Current limiting
* Connected between VCC and NODE_A
R1 VCC NODE_A 220

* D1: Red LED
* Function: Light emission
* Anode connected to NODE_A, Cathode connected to 0 (GND)
D1 NODE_A 0 DLED

* --- Models ---
* Model for D1 (Red LED)
* Parameters: IS (Saturation Current), N (Emission Coefficient), RS (Series Resistance)
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Current limiting in an LED

* --- Power Supply ---
* V1: 5V DC Supply connected between VCC and 0 (GND)
V1 VCC 0 DC 5

* --- Components ---
* R1: 220 Ohm Resistor
* Function: Current limiting
* Connected between VCC and NODE_A
R1 VCC NODE_A 220

* D1: Red LED
* Function: Light emission
* Anode connected to NODE_A, Cathode connected to 0 (GND)
D1 NODE_A 0 DLED

* --- Models ---
* Model for D1 (Red LED)
* Parameters: IS (Saturation Current), N (Emission Coefficient), RS (Series Resistance)
* Tuned for approximately 1.8V - 2.0V forward voltage drop
.model DLED D (IS=1e-14 N=2.5 RS=5 BV=5 IBV=10u)

* --- Analysis Directives ---
* Calculate DC operating point
.op

* Transient analysis (Required for .print output generation)
* Step: 100us, Stop: 10ms
.tran 100u 10m

* --- Output / Measurements ---
* Simulating M2 (Multimeter - Voltage): Probing NODE_A (Voltage across LED)
* Simulating M1 (Multimeter - Current): Probing I(V1) (Total circuit current)
* Note: I(V1) will be negative as current flows out of the voltage source.
.print tran V(VCC) V(NODE_A) I(V1)

.end

Simulation Results (Transient Analysis)

Simulation Results (Transient Analysis)
Show raw data table (108 rows) 
Index   time            v(vcc)          v(node_a)       v1#branch
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6	3.200000e-05	5.000000e+00	1.880178e+00	-1.41810e-02
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8	1.280000e-04	5.000000e+00	1.880178e+00	-1.41810e-02
9	2.280000e-04	5.000000e+00	1.880178e+00	-1.41810e-02
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... (84 more rows) ...

Common mistakes and how to avoid them

  1. Reversed LED Polarity: Connecting the LED cathode to positive. Solution: Ensure the longer leg (Anode) faces the positive voltage side (towards R1).
  2. Omitting the Resistor: Connecting the LED directly to 5V. Solution: Always verify the resistor is in series before applying power to prevent destroying the LED.
  3. Measuring Current in Parallel: Attempting to measure current by probing across the LED like a voltmeter. Solution: Always break the circuit path and place the meter in series for current measurements.

Troubleshooting

  • Symptom: LED does not light up.
    • Cause: LED connected backwards or broken circuit.
    • Fix: Check orientation (Anode/Cathode) and ensure all breadboard connections are tight.
  • Symptom: LED flashes once and dies.
    • Cause: No current limiting resistor used (LED burned out).
    • Fix: Replace the LED and ensure R1 (220 Ω) is correctly installed.
  • Symptom: LED is very dim.
    • Cause: Resistance value is too high (e.g., using 10 kΩ instead of 220 Ω).
    • Fix: Verify the resistor color bands or measure R1 with a multimeter.
  • Symptom: Multimeter reads 0 A.
    • Cause: Blown fuse in the multimeter or improper mode selection.
    • Fix: Check probe connections (Com/mA) and ensure the meter dial is set to DC Current.

Possible improvements and extensions

  1. Variable Brightness: Replace R1 with a 1 kΩ potentiometer in series with a 100 Ω safety resistor to manually adjust the brightness.
  2. Multiple Colors: Swap the Red LED for Blue or Green and measure the change in current (different colors have different forward voltages, affecting the calculation).

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Quick Quiz

Question 1: What is the primary function of the resistor (R1) in this circuit?




Question 2: Which fundamental law is visually demonstrated by this circuit?




Question 3: What is the expected outcome regarding the LED if the circuit is built correctly?




Question 4: What is the typical safe current range for the LED mentioned in the text?




Question 5: What is the voltage of the DC supply (V1) used in this circuit?




Question 6: Which topology is used to wire this circuit?




Question 7: What determines the voltage drop across the resistor in this circuit?




Question 8: What is a common use case for this type of simple LED circuit mentioned in the text?




Question 9: Why is this circuit useful for component protection?




Question 10: What is the resistance value of R1 specified in the materials list?




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

Telecommunications Electronics Engineer and Computer Engineer (official degrees in Spain).

Follow me:

Caso práctico: Limitación de corriente en un LED

Prototipo de Limitación de corriente en un LED (Maker Style)

Nivel: Básico. Demostrar cómo una resistencia protege un componente sensible (LED) limitando el flujo de corriente según la Ley de Ohm.

Objetivo y caso de uso

En este caso, construirá un circuito en serie fundamental conectando una fuente de voltaje de CC, una resistencia limitadora de corriente y un Diodo Emisor de Luz (LED).

Por qué es útil:
* Protección de componentes: Evita que el LED consuma una corriente excesiva y se queme instantáneamente.
* Aplicación de la Ley de Ohm: Demuestra visualmente la relación entre Voltaje, Corriente y Resistencia ($I = V/R$).
* Indicación de estado: Forma la base para los indicadores de encendido en casi todos los dispositivos electrónicos.
* Herramientas de diagnóstico: Los circuitos LED simples se utilizan a menudo para depurar niveles lógicos en sistemas complejos.

Resultado esperado:
* El LED se enciende de forma constante sin sobrecalentarse.
* La corriente que fluye a través del circuito permanece dentro del rango seguro (típicamente 10–20 mA).
* La caída de voltaje a través de la resistencia corresponde al voltaje de alimentación menos el voltaje directo del LED.

Público objetivo y nivel: Principiantes y estudiantes que comienzan con el análisis básico de componentes.

Materiales

  • V1: Fuente de 5 V CC
  • R1: Resistencia de 220 Ω, función: limitación de corriente
  • D1: LED rojo, función: emisión de luz
  • M1: Multímetro, función: medición de corriente (A)
  • M2: Multímetro, función: medición de voltaje (V)

Guía de conexionado

Este circuito utiliza una topología en serie. Definimos los nodos como VCC (Fuente de 5V), 0 (Tierra) y NODE_A (Conexión intermedia).

  • V1 (Fuente de CC): El terminal positivo se conecta al nodo VCC. El terminal negativo se conecta al nodo 0.
  • R1 (Resistencia): Se conecta entre el nodo VCC y el nodo NODE_A.
  • D1 (LED): El ánodo se conecta al nodo NODE_A. El cátodo se conecta al nodo 0.

Diagrama de bloques conceptual

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

Esquemático

[ SOURCE ]                  [ CURRENT CONTROL ]              [ OUTPUT / LOAD ]

    [ V1: 5V DC ] --(VCC)--> [ R1: 220 Ohm ] --(Node A)--> [ D1: Red LED ] --(0)--> [ GND ]
Esquema Eléctrico

Diagrama eléctrico

Diagrama eléctrico de limitación de corriente en un LED
Generado desde la netlist SPICE validada del caso.

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Mediciones y pruebas

Para validar la Ley de Ohm y la seguridad de los componentes:

  1. Calcular la corriente esperada:
    • Asumir Voltaje Directo del LED ($V_f$) $\approx$ 2.0 V.
    • Voltaje a través de R1: $V_{R1} = V_{source} – V_f = 5V – 2V = 3V$.
    • Corriente esperada: $I = V_{R1} / R1 = 3V / 220\Omega \approx 13.6 mA$.
  2. Medición de voltaje: Configure el multímetro M2 en Voltios de CC. Mida a través de R1 (puntas en VCC y NODE_A). La lectura debe ser de aproximadamente 3 V.
  3. Medición de corriente: Abra el circuito en el nodo VCC o 0 e inserte el multímetro M1 en serie (modo Amperímetro). La lectura debe estar cerca de 13–14 mA.
  4. Comprobación visual: El LED debe emitir una luz roja brillante y constante.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Current limiting in an LED

* --- Power Supply ---
* V1: 5V DC Supply connected between VCC and 0 (GND)
V1 VCC 0 DC 5

* --- Components ---
* R1: 220 Ohm Resistor
* Function: Current limiting
* Connected between VCC and NODE_A
R1 VCC NODE_A 220

* D1: Red LED
* Function: Light emission
* Anode connected to NODE_A, Cathode connected to 0 (GND)
D1 NODE_A 0 DLED

* --- Models ---
* Model for D1 (Red LED)
* Parameters: IS (Saturation Current), N (Emission Coefficient), RS (Series Resistance)
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Current limiting in an LED

* --- Power Supply ---
* V1: 5V DC Supply connected between VCC and 0 (GND)
V1 VCC 0 DC 5

* --- Components ---
* R1: 220 Ohm Resistor
* Function: Current limiting
* Connected between VCC and NODE_A
R1 VCC NODE_A 220

* D1: Red LED
* Function: Light emission
* Anode connected to NODE_A, Cathode connected to 0 (GND)
D1 NODE_A 0 DLED

* --- Models ---
* Model for D1 (Red LED)
* Parameters: IS (Saturation Current), N (Emission Coefficient), RS (Series Resistance)
* Tuned for approximately 1.8V - 2.0V forward voltage drop
.model DLED D (IS=1e-14 N=2.5 RS=5 BV=5 IBV=10u)

* --- Analysis Directives ---
* Calculate DC operating point
.op

* Transient analysis (Required for .print output generation)
* Step: 100us, Stop: 10ms
.tran 100u 10m

* --- Output / Measurements ---
* Simulating M2 (Multimeter - Voltage): Probing NODE_A (Voltage across LED)
* Simulating M1 (Multimeter - Current): Probing I(V1) (Total circuit current)
* Note: I(V1) will be negative as current flows out of the voltage source.
.print tran V(VCC) V(NODE_A) I(V1)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (108 rows) 
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18	1.128000e-03	5.000000e+00	1.880178e+00	-1.41810e-02
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... (84 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Polaridad del LED invertida: Conectar el cátodo del LED al positivo. Solución: Asegúrese de que la pata más larga (Ánodo) esté orientada hacia el lado del voltaje positivo (hacia R1).
  2. Omitir la resistencia: Conectar el LED directamente a 5V. Solución: Verifique siempre que la resistencia esté en serie antes de aplicar energía para evitar destruir el LED.
  3. Medir corriente en paralelo: Intentar medir la corriente colocando las puntas a través del LED como un voltímetro. Solución: Abra siempre la ruta del circuito y coloque el medidor en serie para las mediciones de corriente.

Solución de problemas

  • Síntoma: El LED no se enciende.
    • Causa: LED conectado al revés o circuito abierto.
    • Solución: Verifique la orientación (Ánodo/Cátodo) y asegúrese de que todas las conexiones de la placa de pruebas (breadboard) estén firmes.
  • Síntoma: El LED parpadea una vez y muere.
    • Causa: No se utilizó resistencia limitadora de corriente (el LED se quemó).
    • Solución: Reemplace el LED y asegúrese de que R1 (220 Ω) esté instalada correctamente.
  • Síntoma: El LED es muy tenue.
    • Causa: El valor de la resistencia es demasiado alto (por ejemplo, usando 10 kΩ en lugar de 220 Ω).
    • Solución: Verifique las bandas de color de la resistencia o mida R1 con un multímetro.
  • Síntoma: El multímetro lee 0 A.
    • Causa: Fusible fundido en el multímetro o selección de modo incorrecta.
    • Solución: Verifique las conexiones de las puntas de prueba (Com/mA) y asegúrese de que el dial del medidor esté configurado en Corriente CC.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Brillo variable: Reemplace R1 con un potenciómetro de 1 kΩ en serie con una resistencia de seguridad de 100 Ω para ajustar manualmente el brillo.
  2. Múltiples colores: Cambie el LED rojo por uno azul o verde y mida el cambio en la corriente (los diferentes colores tienen diferentes voltajes directos, lo que afecta el cálculo).

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el objetivo principal de la resistencia en el circuito descrito?




Pregunta 2: ¿Qué ley fundamental de la electrónica se demuestra visualmente en este circuito?




Pregunta 3: ¿Cuál es el rango de corriente seguro típico para el LED mencionado en el texto?




Pregunta 4: ¿Qué topología de circuito se utiliza para conectar los componentes?




Pregunta 5: ¿Cómo se calcula la caída de voltaje a través de la resistencia según el texto?




Pregunta 6: ¿Cuál es una aplicación práctica mencionada para este tipo de circuito simple?




Pregunta 7: ¿Qué resultado visual se espera si el circuito funciona correctamente?




Pregunta 8: ¿Qué tipo de fuente de voltaje se utiliza en este circuito fundamental?




Pregunta 9: ¿Qué función adicional, aparte de iluminar, se menciona para los circuitos LED simples?




Pregunta 10: ¿Qué relación matemática define la Ley de Ohm aplicada en este contexto?




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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