Caso práctico: Alarma de intrusión por rotura de cable

Prototipo de Alarma de intrusión por rotura de cable (Maker Style)

Nivel: Básico. Diseñe un circuito de seguridad donde cortar un cable active una alarma utilizando lógica de saturación de transistor.

Objetivo y caso de uso

En este proyecto, construirá un sistema de seguridad de lazo cerrado utilizando un transistor BJT. Cuando un cable específico (el «lazo sensor») está intacto, el sistema permanece en silencio; si el cable se corta o desconecta, un LED se enciende inmediatamente.

  • Seguridad perimetral: Monitorizar ventanas o cercas donde se instala una cinta conductora o cable.
  • Mecanismos anti-manipulación: Detectar si la carcasa de un dispositivo ha sido abierta al romperse una conexión.
  • Prueba de continuidad: Verificar la integridad del cable en la fabricación de arneses.

Resultado esperado:
* Lazo intacto (Seguro): El LED permanece APAGADO. VBE ≈ 0 V.
* Lazo cortado (Alarma): El LED se ENCIENDE. VBE ≈ 0.7 V y el transistor entra en saturación (VCE < 0.2 V).

Público objetivo: Estudiantes y aficionados que aprenden aplicaciones básicas de conmutación con transistores.

Materiales

  • V1: Fuente de alimentación de 9 V CC o batería.
  • Q1: 2N2222 o BC547 (NPN BJT), función: interruptor electrónico.
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: resistencia pull-up de base.
  • R2: Resistencia de 470 Ω, función: limitación de corriente del LED.
  • D1: LED rojo, función: indicador visual de alarma.
  • W1: Cable de cobre o puente, función: lazo sensor (el cable del «intruso»).

Guía de conexionado

Construya el circuito asegurando que todas las conexiones correspondan a los siguientes nodos: VCC, GND (0), BASE, y COLLECTOR.

  • V1: Terminal positivo a VCC, terminal negativo a GND.
  • R1 (Pull-up): Se conecta entre VCC y BASE.
  • W1 (Lazo sensor): Se conecta entre BASE y GND.
  • Q1 (Transistor):
    • Pin de Base a BASE.
    • Pin de Emisor a GND.
    • Pin de Colector a COLLECTOR.
  • D1 (LED): Ánodo a VCC, Cátodo al nodo LED_CATHODE.
  • R2 (Limitadora): Se conecta entre LED_CATHODE y COLLECTOR.

Diagrama de bloques conceptual

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

Esquemático

Title: Practical case: Intrusion alarm by wire break

[ A. CONTROL / SENSING LOOP ]
(Logic: W1 keeps Base LOW. If W1 breaks, R1 pulls Base HIGH)

VCC (9 V) --> [ R1: 10k Pull-Up ] --(Node: BASE)--> [ Q1: Base ]
                                         |
                                        +-------> [ W1: Sense Wire ] --> GND


[ B. ALARM / POWER LOOP ]
(Logic: Current flows through LED only when Q1 is ON)

VCC (9 V) --> [ D1: Red LED ] --> [ R2: 470R ] --> [ Q1: Collector ]
                                                          |
                                                      (Switch)
                                                          |
                                                          v
                                                   [ Q1: Emitter ] --> GND
Esquema Eléctrico

Mediciones y pruebas

Verifique los estados lógicos utilizando un multímetro.

  1. Estado 1: Lazo intacto (Seguro)

    • Asegúrese de que el cable W1 conecte BASE a GND.
    • Mida el voltaje Base-Emisor (VBE): Debe ser 0 V.
    • Mida el voltaje Colector-Emisor (VCE): Debe estar cerca de 9 V (Región de corte).
    • Resultado: El LED está APAGADO.

  2. Estado 2: Lazo roto (Alarma)

    • Desconecte o corte el cable W1.
    • Mida el voltaje Base-Emisor (VBE): Debe ser aproximadamente 0.7 V.
    • Mida el voltaje Colector-Emisor (VCE): Debe ser aproximadamente 0.1 V a 0.2 V (Región de saturación).
    • Resultado: El LED está ENCENDIDO.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Intrusion alarm by wire break
.width out=256

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

* --- Input / Sense Loop ---
* W1: Sense Loop (Copper wire). 
* Modeled as a Voltage Controlled Switch (S_W1) to simulate the wire breaking.
* Logic: High Control (5V) = Wire Intact (Closed). Low Control (0V) = Wire Broken (Open).
S_W1 BASE 0 CTRL 0 SW_WIRE
.model SW_WIRE SW(Vt=2.5 Vh=0.1 Ron=0.01 Roff=100Meg)

* Control Signal for W1:
* Starts at 5V (Intact), breaks at 2ms (0V), stays broken for duration.
V_W1_CTRL CTRL 0 PULSE(5 0 2ms 1u 1u 5ms 10ms)

* --- Pull-up Network ---
* R1: Base pull-up resistor
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Intrusion alarm by wire break
.width out=256

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

* --- Input / Sense Loop ---
* W1: Sense Loop (Copper wire). 
* Modeled as a Voltage Controlled Switch (S_W1) to simulate the wire breaking.
* Logic: High Control (5V) = Wire Intact (Closed). Low Control (0V) = Wire Broken (Open).
S_W1 BASE 0 CTRL 0 SW_WIRE
.model SW_WIRE SW(Vt=2.5 Vh=0.1 Ron=0.01 Roff=100Meg)

* Control Signal for W1:
* Starts at 5V (Intact), breaks at 2ms (0V), stays broken for duration.
V_W1_CTRL CTRL 0 PULSE(5 0 2ms 1u 1u 5ms 10ms)

* --- Pull-up Network ---
* R1: Base pull-up resistor
R1 VCC BASE 10k

* --- Switching Element ---
* Q1: NPN Transistor (2N2222)
* Connections: Collector, Base, Emitter(GND)
Q1 COLLECTOR BASE 0 2N2222
.model 2N2222 NPN(IS=1E-14 VAF=100 BF=200 IKF=0.3 XTB=1.5 BR=3 CJC=8E-12 CJE=25E-12 TR=46.91E-9 TF=411.1E-12 ITF=0.6 VTF=1.7 XTF=3 RB=10 RC=0.3 RE=0.2)

* --- Output / Alarm Indicator ---
* D1: Red LED
* Anode to VCC, Cathode to LED_CATHODE
D1 VCC LED_CATHODE LED_RED
.model LED_RED D(IS=93.2P RS=42M N=3.73 BV=4 IBV=10U CJO=2.97P VJ=0.75 M=0.33 TT=4.32U)

* R2: LED current limiting resistor
* Between LED_CATHODE and COLLECTOR
R2 LED_CATHODE COLLECTOR 470

* --- Simulation Commands ---
.op
* Simulate for 5ms to capture the wire break event at 2ms
.tran 10u 5ms

* --- Output Printing ---
* V(BASE): Trigger voltage (Low=Intact, High=Alarm)
* V(COLLECTOR): Output node (Pulled Low when Alarm is Active)
.print tran V(BASE) V(COLLECTOR) V(LED_CATHODE)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (536 rows) 
Index   time            v(base)         v(collector)    v(led_cathode)
0	0.000000e+00	8.999991e-06	8.979590e+00	8.979590e+00
1	1.000000e-07	8.999991e-06	8.979590e+00	8.979590e+00
2	2.000000e-07	8.999991e-06	8.979590e+00	8.979590e+00
3	4.000000e-07	8.999991e-06	8.979590e+00	8.979590e+00
4	8.000000e-07	8.999991e-06	8.979590e+00	8.979590e+00
5	1.600000e-06	8.999991e-06	8.979591e+00	8.979591e+00
6	3.200000e-06	8.999991e-06	8.979592e+00	8.979592e+00
7	6.400000e-06	8.999991e-06	8.979594e+00	8.979594e+00
8	1.280000e-05	8.999991e-06	8.979598e+00	8.979598e+00
9	2.280000e-05	8.999991e-06	8.979604e+00	8.979604e+00
10	3.280000e-05	8.999991e-06	8.979610e+00	8.979610e+00
11	4.280000e-05	8.999991e-06	8.979616e+00	8.979616e+00
12	5.280000e-05	8.999991e-06	8.979622e+00	8.979623e+00
13	6.280000e-05	8.999991e-06	8.979629e+00	8.979629e+00
14	7.280000e-05	8.999991e-06	8.979635e+00	8.979635e+00
15	8.280000e-05	8.999991e-06	8.979641e+00	8.979641e+00
16	9.280000e-05	8.999991e-06	8.979647e+00	8.979647e+00
17	1.028000e-04	8.999991e-06	8.979653e+00	8.979653e+00
18	1.128000e-04	8.999991e-06	8.979659e+00	8.979659e+00
19	1.228000e-04	8.999991e-06	8.979665e+00	8.979665e+00
20	1.328000e-04	8.999991e-06	8.979671e+00	8.979671e+00
21	1.428000e-04	8.999991e-06	8.979677e+00	8.979677e+00
22	1.528000e-04	8.999991e-06	8.979684e+00	8.979684e+00
23	1.628000e-04	8.999991e-06	8.979690e+00	8.979690e+00
... (512 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Conectar el lazo al Colector: Colocar el cable sensor en el lado de salida probablemente cortocircuitará la fuente de alimentación o el LED, en lugar de controlar el transistor. Asegúrese de que el lazo controle la Base.
  2. Omitir la resistencia de Base (R1): Si falta R1, la Base queda flotante cuando se corta el cable, y es posible que el transistor no se encienda de manera fiable. R1 proporciona la corriente de encendido necesaria.
  3. Sin limitación de corriente para el LED: Olvidar R2 permite que fluya corriente ilimitada a través del LED y Q1 al activarse la alarma, quemando instantáneamente el LED.

Solución de problemas

  • El LED nunca se ENCIENDE: Verifique si R1 está conectada a VCC. Si la base nunca recibe voltaje cuando se corta el cable, el transistor permanece APAGADO.
  • El LED permanece ENCENDIDO (incluso con el lazo intacto): Verifique la conexión de W1. Si la resistencia del cable sensor es demasiado alta (mal contacto), podría no bajar el voltaje de la base lo suficiente para apagar el transistor.
  • El transistor se calienta: Verifique si R2 es demasiado baja (corriente de colector excesiva) o si el LED está en cortocircuito.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Alarma sonora: Conecte un zumbador activo de 9 V en paralelo con el LED (y su resistencia) para proporcionar sonido.
  2. Circuito de enclavamiento: Utilice un tiristor (SCR) en lugar de un transistor NPN para que, una vez cortado el cable, la alarma permanezca ENCENDIDA incluso si el intruso intenta volver a conectar el cable.

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Quiz rápido

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




Pregunta 2: ¿Qué componente activo se utiliza como interruptor en este proyecto?




Pregunta 3: ¿En qué estado se encuentra el LED cuando el lazo sensor (cable W1) está intacto?




Pregunta 4: ¿Cuál es el voltaje aproximado base-emisor (Vbe) cuando el lazo está intacto y el sistema es seguro?




Pregunta 5: ¿Qué sucede con el transistor cuando se corta el cable del lazo sensor?




Pregunta 6: ¿Qué función cumple la resistencia R1 (10k) en el diagrama del circuito?




Pregunta 7: ¿Hacia dónde se conecta el extremo final del cable sensor (W1) en el diagrama?




Pregunta 8: ¿Cuál es el valor de la resistencia R2 conectada en serie con el LED?




Pregunta 9: ¿Qué voltaje Vbe se espera medir cuando el lazo está cortado (Alarma activa)?




Pregunta 10: ¿Cuál de los siguientes es un caso de uso mencionado para 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).

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