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Caso práctico: Detector de sombra para alerta visual

Prototipo de Detector de sombra para alerta visual (Maker Style)

Nivel: Medio — Construye un detector de sombra estable con indicación visual y baja probabilidad de activación falsa.

Objetivo y caso de uso

Construirás un circuito basado en una fotorresistencia que detecta una caída repentina de luz causada por una sombra y enciende un LED de forma estable. El diseño utiliza un divisor de tensión con LDR, un filtro RC y un comparador con histéresis para reducir activaciones falsas.

Por qué es útil:

  • Detectar cuando una mano u objeto pasa frente a una abertura iluminada.
  • Crear una advertencia visual simple para puntos de acceso, cajas o armarios.
  • Supervisar eventos breves de sombra en experimentos de aula sobre detección de luz.
  • Añadir un disparador fiable por cambio de luz a pequeños prototipos de automatización.

Resultado esperado:

  • La tensión del sensor en VA cambia con el nivel de luz, típicamente desde aproximadamente 0.8 V hasta 4.2 V según la iluminación.
  • La tensión filtrada en VB cambia más lentamente que VA, reduciendo picos cortos y parpadeos.
  • La salida del comparador en VOUT conmuta limpiamente entre estados bajo y alto.
  • El LED D1 se enciende cuando la luz cae por debajo del umbral ajustado y permanece estable cerca del punto de conmutación.
  • Una histéresis de aproximadamente 0.2 V a 0.5 V evita oscilaciones repetidas de encendido/apagado.

Público objetivo y nivel: Estudiantes con conocimientos básicos de resistencias, condensadores y medición de tensión.

Materiales

  • V1: fuente DC de 5 V
  • R1: fotorresistencia LDR, función: brazo superior dependiente de la luz del divisor del sensor
  • R2: potenciómetro de 10 kΩ, función: brazo inferior ajustable del divisor del sensor y ayuda para ajustar la sensibilidad del umbral
  • R3: resistencia de 22 kΩ, función: resistencia en serie desde el nodo del sensor hasta el filtro RC
  • C1: condensador de 10 µF, función: filtro paso bajo para estabilización del evento de sombra
  • U1: comparador LM393, función: comparar la tensión filtrada del sensor con una referencia ajustable
  • R4: potenciómetro de 10 kΩ, función: ajuste de la tensión de referencia para el comparador
  • R5: resistencia de 220 kΩ, función: realimentación positiva para añadir histéresis
  • R6: resistencia de 10 kΩ, función: pull-up para la salida de colector abierto del LM393
  • D1: LED rojo, función: salida de alerta visual
  • R7: resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente del LED

Guía de conexionado

  • V1 se conecta entre los nodos VCC y 0.
  • R1 se conecta entre los nodos VCC y VA.
  • R2 se conecta entre los nodos VA y 0; usa el potenciómetro como resistencia variable para ajustar la sensibilidad del divisor.
  • R3 se conecta entre los nodos VA y VB.
  • C1 se conecta entre los nodos VB y 0.
  • R4 se conecta entre los nodos VCC y 0; conecta el cursor de R4 al nodo VREF.
  • Los pines de alimentación del LM393 U1 se conectan así: pin de alimentación a VCC, pin de tierra a 0.
  • La entrada no inversora del comparador U1 se conecta al nodo VREF.
  • La entrada inversora del comparador U1 se conecta al nodo VB.
  • R5 se conecta entre los nodos VOUT y VREF.
  • R6 se conecta entre los nodos VCC y VOUT.
  • R7 se conecta entre los nodos VCC y VLED.
  • D1 se conecta entre los nodos VLED y VOUT; orienta el LED para que se encienda cuando VOUT sea llevado a nivel bajo por U1.

Diagrama de bloques conceptual

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

Esquemático

Practical case: Shadow detector for visual alert

Light / Shadow
      --> [ R1: LDR ]
      --> (VA: sensor divider node)
      --> [ R3: 22 kΩ ]
      --> (VB: filtered sensor signal)
      --> [ U1: LM393 Comparator (-) ]

VCC --> [ R2: 10 kΩ Pot, sensitivity adjust ] --> GND
                  \
                   --> (VA)

VCC --> [ R4: 10 kΩ Pot, reference adjust ] --> GND
                  \
                   --> (VREF)
                   --> [ U1: LM393 Comparator (+) ]

[ U1: LM393 Comparator Output VOUT ]
      --> [ R5: 220 kΩ Positive Feedback ] --> (VREF)
      --> [ D1: Red LED ] --> [ R7: 330 Ω ] --> VCC
      --> [ Alert Output: LED ON when VOUT goes LOW ]

VCC --> [ R6: 10 kΩ Pull-up ] --> (VOUT)

(VB) --> [ C1: 10 µF Low-Pass Filter ] --> GND

V1: 5 V DC --> VCC
V1: 0 V    --> GND
U1 power: VCC, GND
Esquema Eléctrico

Diagrama eléctrico

Diagrama eléctrico del caso detector de sombra para alerta visual
Generado desde la netlist SPICE validada del caso.

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Mediciones y pruebas

  1. Inspección con la alimentación desconectada
  2. Comprueba que VCC y 0 no estén en cortocircuito.
  3. Confirma la polaridad del LED.

  4. Verifica que la salida del LM393 tenga una resistencia pull-up R6.

  5. Comprobación de alimentación

  6. Alimenta el circuito con V1 = 5 V.

  7. Mide entre VCC y 0; valor esperado: 4.9 V a 5.1 V.

  8. Medición de la tensión del sensor

  9. Mide VA con luz intensa y luego bajo una sombra.
  10. Resultado esperado: VA debe cambiar claramente, a menudo en más de 1 V.

  11. Si el cambio es demasiado pequeño, ajusta R2 o cambia el ángulo de la luz sobre la LDR.

  12. Medición de la respuesta filtrada

  13. Mide VB mientras cubres repentinamente la LDR.
  14. VB no debe saltar instantáneamente; debe moverse con un pequeño retardo fijado por R3 × C1.

  15. Con R3 = 22 kΩ y C1 = 10 µF, la constante de tiempo es de aproximadamente 0.22 s.

  16. Ajuste del umbral

  17. Ajusta R4 hasta que D1 esté apagado con luz normal y se encienda cuando se aplique una sombra clara.

  18. Mide VREF; el rango útil típico es de 1 V a 4 V.

  19. Verificación de la histéresis

  20. Mueve lentamente una mano para crear una sombra parcial y luego retírala lentamente.
  21. Mide la tensión de conmutación en VB cuando el LED se enciende y cuando se apaga.

  22. Los dos valores deben diferir ligeramente debido a R5; una diferencia de 0.2 V a 0.5 V es un buen objetivo.

  23. Prueba de tiempo de respuesta

  24. Crea repetidamente una sombra repentina y observa el comportamiento del LED.
  25. El LED debe reaccionar en una fracción de segundo, sin parpadear por variaciones de luz muy breves.
  26. Si la respuesta es demasiado lenta, reduce C1 a 4.7 µF.

  27. Si las activaciones falsas continúan, aumenta C1 a 22 µF o aumenta ligeramente R5 para obtener más histéresis.

  28. Prueba de activación falsa

  29. Ilumina la LDR con luz ambiente e introduce pequeñas perturbaciones como movimiento de la mano cerca, pero sin cubrirla por completo.
  30. El LED debe permanecer estable a menos que la caída de luz sea lo bastante grande como para cruzar el umbral.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Shadow detector for visual alert
.width out=256

.param R2VAL=5k
.param R4POS=0.5
.param R4TOP={10000*(1-R4POS)+1m}
.param R4BOT={10000*(R4POS)+1m}
.param RLIGHT=2k
.param RDARK=50k

V1 VCC 0 DC 5

* Dynamic light/shadow stimulus: 0 = light, 1 = shadow
VLUX LUX 0 PULSE(0 1 50m 1m 1m 200m 400m)

* R1 LDR photoresistor: upper arm of divider
R1 VCC VA r='{RLIGHT + (RDARK-RLIGHT)*V(LUX)}'

* R2 10k potentiometer used as variable resistor
R2 VA 0 {R2VAL}
* ... (truncated in public view) ...

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

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* Practical case: Shadow detector for visual alert
.width out=256

.param R2VAL=5k
.param R4POS=0.5
.param R4TOP={10000*(1-R4POS)+1m}
.param R4BOT={10000*(R4POS)+1m}
.param RLIGHT=2k
.param RDARK=50k

V1 VCC 0 DC 5

* Dynamic light/shadow stimulus: 0 = light, 1 = shadow
VLUX LUX 0 PULSE(0 1 50m 1m 1m 200m 400m)

* R1 LDR photoresistor: upper arm of divider
R1 VCC VA r='{RLIGHT + (RDARK-RLIGHT)*V(LUX)}'

* R2 10k potentiometer used as variable resistor
R2 VA 0 {R2VAL}

R3 VA VB 22k
C1 VB 0 10u

* R4 10k potentiometer with wiper at VREF
R4A VCC VREF {R4TOP}
R4B VREF 0 {R4BOT}

* U1 LM393 approximation
* Non-inverting input: VREF
* Inverting input: VB
* Open-collector output: VOUT
B_U1DRV NBASE 0 V='0.95*(1+tanh(80*(V(VREF)-V(VB))))/2'
R_U1B NBASE 0 100k
Q_U1 VOUT NBASE 0 QLM393OC

R5 VOUT VREF 220k
R6 VCC VOUT 10k

R7 VCC VLED 330
D1 VLED VOUT DRED

* Probe aliases so .print can include V(IN) and V(OUT) first
V_INMON IN VB DC 0
V_OUTMON OUT VOUT DC 0

.model QLM393OC NPN(IS=1e-14 BF=100 VAF=100 CJE=5p CJC=3p TF=1n TR=10n)
.model DRED D(IS=1e-18 N=2.0 RS=10 CJO=5p VJ=0.75 M=0.33 TT=50n BV=5 IBV=10u)

.print tran V(IN) V(OUT) V(VB) V(VOUT) V(VREF) V(VA) V(VLED) V(LUX)
.op
.tran 100u 500m
.end
* --- GPT review (BOM/Wiring/SPICE) ---
* circuit_ok=true
* simulation_summary: The simulation is consistent with a shadow detector. In bright condition, VA and VB are high, VB is above VREF, the LM393 output transistor is off, and VOUT stays high at about 4.89 V so the LED is off. After the light-to-shadow transition, VA drops, VB falls slowly because of the R3-C1 filter, and when VB crosses below VREF at about 0.168 s, VOUT is pulled low to about 18 mV and the LED turns on. When light returns, VB rises slowly again, so the alert remains on for a while before resetting, consistent with RC filtering and hysteresis.
* bom/wiring vs SPICE issues (modelo):
*   - The LM393 is not a specific manufacturer macro-model; it is only an approximation of open-collector comparator behavior. This is acceptable for logic/function teaching, but not for accurate device-level output saturation or input common-mode behavior.
* bom_vs_spice equivalences ignored:
*   - R2 is described in the wiring guide as a 10 kΩ potentiometer used as a variable resistor, but the netlist fixes it with .param R2VAL=5k. This is acceptable for one simulation run, but the adjustable setting is not exposed unless the parameter is changed manually.
*   - The 10 kΩ potentiometer R4 is validly modeled as two resistors R4A and R4B with the wiper at node VREF.
*   - The LDR R1 is validly modeled as a resistor whose value changes with a control stimulus (behavioral resistance driven by VLUX).
*   - The LED D1 is validly modeled as a diode, with R7 providing the series current limit.
*   - The LM393 comparator is validly modeled with behavioral circuitry plus an NPN open-collector output stage.
*   - The changing light/shadow condition is validly modeled by the PULSE source VLUX.
* overall_comment: This SPICE netlist is broadly faithful to the BOM and wiring and is usable as a didactic example of a shadow-triggered visual alarm. The divider, RC filter, adjustable reference, hysteresis, open-collector pull-up, and active-low LED wiring all match the intended circuit. The main caveat is pedagogical: the LM393 is only behaviorally approximated, and R2 is represented by a fixed chosen value rather than an interactively adjustable potentiometer position. Before classroom use, I would explain the active-low output, the delayed switching caused by R3-C1, and the role of positive feedback R5 in shifting VREF slightly between output states.
* --------------------------------------

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation is consistent with a shadow detector. In bright condition, VA and VB are high, VB is above VREF, the LM393 output transistor is off, and VOUT stays high at about 4.89 V so the LED is off. After the light-to-shadow transition, VA drops, VB falls slowly because of the R3-C1 filter, and when VB crosses below VREF at about 0.168 s, VOUT is pulled low to about 18 mV and the LED turns on. When light returns, VB rises slowly again, so the alert remains on for a while before resetting, consistent with RC filtering and hysteresis.
Show raw data table (5027 rows)
Index   time            v(in)           v(out)          v(vb)           v(vout)         v(vref)         v(va)           v(vled)         v(lux)
0	0.000000e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
1	1.000000e-06	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
2	2.000000e-06	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
3	4.000000e-06	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
4	8.000000e-06	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
5	1.600000e-05	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
6	3.200000e-05	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
7	6.400000e-05	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
8	1.280000e-04	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
9	2.280000e-04	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
10	3.280000e-04	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
11	4.280000e-04	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
12	5.280000e-04	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
13	6.280000e-04	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
14	7.280000e-04	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
15	8.280000e-04	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
16	9.280000e-04	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
17	1.028000e-03	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
18	1.128000e-03	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
19	1.228000e-03	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
20	1.328000e-03	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
21	1.428000e-03	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
22	1.528000e-03	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
23	1.628000e-03	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
... (5003 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Conectar el LED directamente a la salida del comparador sin una resistencia

  2. Usa siempre R7 en serie con D1 para limitar la corriente.

  3. Olvidar que la salida del LM393 es de colector abierto

  4. Añade R6 desde VCC hasta VOUT, o la salida no producirá un nivel alto válido.

  5. No usar histéresis cerca del umbral

  6. Mantén R5 instalado para que el LED no vibre cuando el nivel de luz esté cerca del punto de conmutación.

Solución de problemas

  • Síntoma: el LED nunca se enciende
  • Causa: VREF está ajustado demasiado bajo o el rango del divisor de la LDR es demasiado pequeño.

  • Solución: Ajusta R4, luego verifica que VA y VB realmente cambien bajo una sombra.

  • Síntoma: el LED está siempre encendido

  • Causa: VREF está demasiado alto, o la LDR está conectada incorrectamente.

  • Solución: Baja VREF con R4 y confirma que R1 esté entre VCC y VA.

  • Síntoma: el LED parpadea cerca del punto de conmutación

  • Causa: filtrado o histéresis insuficientes.

  • Solución: Aumenta C1 o reduce R5 moderadamente para reforzar la histéresis.

  • Síntoma: la tensión de salida en VOUT nunca sube

  • Causa: falta la resistencia pull-up R6 o es incorrecta.

  • Solución: Confirma que R6 esté conectada entre VCC y VOUT.

  • Síntoma: la respuesta es demasiado lenta

  • Causa: el filtro RC es demasiado grande.
  • Solución: Reduce C1 o R3 para acortar el tiempo de respuesta.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Añadir una salida con zumbador

  2. Conecta un driver con transistor a VOUT para que el mismo evento de sombra active tanto un LED como un zumbador para una alerta más intensa.

  3. Usar una ventana de doble umbral

  4. Añade un segundo comparador para detectar tanto oscuridad excesiva como brillo excesivo, útil para supervisión de condiciones de luz en lugar de solo detección de sombras.

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Quiz rápido

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




Pregunta 2: ¿Qué componente se usa como sensor principal de luz en el circuito?




Pregunta 3: ¿Qué función cumple el filtro RC en el diseño?




Pregunta 4: ¿Qué ventaja aporta el comparador con histéresis?




Pregunta 5: Según el artículo, ¿entre qué valores típicos puede variar la tensión en VA con la iluminación?




Pregunta 6: ¿Qué ocurre con la tensión en VB respecto a VA?




Pregunta 7: ¿Cuándo se enciende el LED D1?




Pregunta 8: ¿Qué elemento del diseño ayuda específicamente a reducir activaciones falsas?




Pregunta 9: ¿Para qué tipo de aplicación se propone este detector de sombra?




Pregunta 10: ¿Cómo conmuta la salida del comparador en VOUT según el resultado esperado?




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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