Caso práctico: Interruptor de relé con transistor de lado bajo

Prototipo de Interruptor de relé con transistor de lado bajo (Maker Style)

Nivel: Básico. Controlar un relé mecánico de alto voltaje utilizando una pequeña señal de control de baja potencia.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirá un circuito donde una pequeña señal (simulando una salida de microcontrolador como un Arduino) activa un transistor NPN para encender un relé de 12 V.

Por qué es útil:
* Protección del microcontrolador: Permite que chips lógicos delicados de 3.3 V o 5 V controlen dispositivos de 12 V o 24 V sin sufrir daños.
* Manejo de alta corriente: Los transistores pueden conmutar relés, que a su vez pueden conmutar corrientes muy altas (motores CA, calentadores) que el transistor por sí solo no podría manejar.
* Aplicaciones automotrices: Práctica estándar para controlar accesorios automotrices de 12 V desde una ECU.
* Aislamiento: Aunque el transistor comparte tierra, los contactos del relé proporcionan aislamiento galvánico para la carga final.

Resultado esperado:
* Cuando el interruptor de 5 V se cierra, el transistor se satura (VCE ≈ 0.2 V).
* La bobina del relé se energiza, produciendo un «clic» audible.
* El LED de carga se ENCIENDE.
* El diodo flyback protege al transistor de picos de alto voltaje cuando el relé se APAGA.

Público objetivo y nivel:
Estudiantes de electrónica básica y aficionados.

Materiales

  • V1: Suministro de 5 V CC, función: Fuente de voltaje de control lógico.
  • V2: Suministro de 12 V CC, función: Alimentación de la bobina del relé y la carga.
  • S1: Interruptor de palanca SPST, función: Simula el pin de salida del microcontrolador.
  • R1: Resistencia de 1 kΩ, función: Limitación de corriente de base para asegurar la saturación.
  • Q1: 2N2222 (BJT NPN), función: Controlador de interruptor de lado bajo.
  • K1: Relé SPDT de 12 V, función: Elemento de conmutación electromecánica.
  • D1: Diodo 1N4007, función: Diodo de protección flyback (rueda libre).
  • R2: Resistencia de 470 Ω, función: Limitación de corriente para el LED de carga.
  • D2: LED verde, función: Indicador visual del estado de la carga (conectado al contacto NO del relé).

Guía de conexionado

Esta guía utiliza nombres de nodos específicos para definir las conexiones claramente.
* Nodos: GND (Tierra común), CTRL_IN (Lógica 5 V), V_RELAY (Suministro 12 V), BASE, COLLECTOR (COLECTOR), LOAD_OUT (SALIDA_CARGA).

  • V1: Terminal positivo a CTRL_IN, terminal negativo a GND.
  • V2: Terminal positivo a V_RELAY, terminal negativo a GND.
  • S1: Conectado entre CTRL_IN y la entrada de R1.
  • R1: Conectada entre la salida de S1 y la BASE de Q1.
  • Q1:
    • Base a BASE.
    • Emisor a GND.
    • Colector a COLLECTOR.
  • K1 (Bobina): Conectada entre V_RELAY y COLLECTOR.
  • D1: Ánodo a COLLECTOR, Cátodo a V_RELAY (Polarización inversa).
  • K1 (Contacto Común): Conectado a V_RELAY.
  • K1 (Normalmente Abierto – NO): Conectado a LOAD_OUT.
  • R2: Conectada entre LOAD_OUT y el Ánodo de D2.
  • D2: Ánodo a R2, Cátodo a GND.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — Low-Side Relay Driver
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

Title: Practical case: Low-Side Transistor Relay Switch

1. CONTROL LOOP (Logic Signal)
   Flow: 5 V Logic activates the Transistor Base.

   [ V1: 5 V ] --(Node: CTRL_IN)--> [ S1: Switch ] --> [ R1: 1k ] --(Node: BASE)--> [ Q1: Base ]
                                                                                         |
                                                                                         | (Controls Q1 State)
                                                                                         v

2. RELAY DRIVE LOOP (12 V Power & Coil)
   Flow: Transistor sinks Coil current to Ground; Diode protects against spikes.

                                           (Flyback Protection)
                             .-----[ D1: Cathode <------- Anode ]------.
                             |                                         |
                             v                                         v
   [ V2: 12 V ] --(Node: V_RELAY)--> [ K1: Coil ] --(Node: COLLECTOR)--> [ Q1: Collector ]
                                                                               |
                                                                               | (Current Flow)
                                                                               v
                                                                        [ Q1: Emitter ] --> GND


3. LOAD LOOP (High Power Output)
   Flow: Relay Magnetic Field closes the switch, powering the LED.

          .--------------------------( Magnetic Mechanical Link )--------------------------.
          |                                                                                |
          v                                                                                v
   [ V2: 12 V ] --> [ K1: COM ] --( Switch Closes )--> [ K1: NO ] --(Node: LOAD_OUT)--> [ R2: 470R ] --> [ D2: LED ] --> GND
Esquema Eléctrico

Mediciones y pruebas

Siga estos pasos para validar el funcionamiento del circuito utilizando un multímetro:

  1. Verificación del estado APAGADO: Asegúrese de que S1 esté Abierto. Mida el voltaje en COLLECTOR relativo a GND. Debería estar cerca de 12 V (flotante a través de la bobina). D2 debería estar APAGADO.
  2. Activación: Cierre S1. Escuche el clic del relé. D2 debería ENCENDERSE.
  3. Voltaje Base-Emisor (VBE): Con S1 cerrado, mida el voltaje entre BASE y GND. Debería ser aprox. 0.7 V – 0.8 V.
  4. Verificación de saturación (VCE): Mida el voltaje entre COLLECTOR y GND mientras está ENCENDIDO. Debería ser muy bajo (típicamente < 0.2 V), indicando que el transistor actúa como un interruptor cerrado.
  5. Voltaje de la bobina: Mida a través de la bobina del relé. Debería leer cerca de 11.8 V (suministro de 12 V menos la pequeña caída VCE).

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Low-Side Transistor Relay Switch
.width out=256
*
* Description:
* A 5V control signal (simulated via S1) drives a 2N2222 NPN transistor.
* The transistor switches a 12V Relay Coil.
* The Relay contacts switch a 12V load (Green LED).
*
* Nodes defined in Wiring Guide:
* GND, CTRL_IN, V_RELAY, BASE, COLLECTOR, LOAD_OUT

* --- Power Supplies ---
* V1: 5V Logic Supply
V1 CTRL_IN 0 DC 5
* V2: 12V Relay/Load Supply
V2 V_RELAY 0 DC 12

* --- User Switch Simulation (S1) ---
* S1 represents the physical SPST toggle switch.
* We use a voltage-controlled switch model driven by a PULSE source (V_USER)
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Low-Side Transistor Relay Switch
.width out=256
*
* Description:
* A 5V control signal (simulated via S1) drives a 2N2222 NPN transistor.
* The transistor switches a 12V Relay Coil.
* The Relay contacts switch a 12V load (Green LED).
*
* Nodes defined in Wiring Guide:
* GND, CTRL_IN, V_RELAY, BASE, COLLECTOR, LOAD_OUT

* --- Power Supplies ---
* V1: 5V Logic Supply
V1 CTRL_IN 0 DC 5
* V2: 12V Relay/Load Supply
V2 V_RELAY 0 DC 12

* --- User Switch Simulation (S1) ---
* S1 represents the physical SPST toggle switch.
* We use a voltage-controlled switch model driven by a PULSE source (V_USER)
* to simulate the user pressing/releasing the switch.
* Timing: Wait 5ms, ON for 20ms, Period 50ms.
V_USER S1_CTRL 0 PULSE(0 5 5m 10u 10u 20m 50m)

* S1 Instance: Connects CTRL_IN to SW_OUT when S1_CTRL is high.
S1 CTRL_IN SW_OUT S1_CTRL 0 TACTILE_SW

* --- Base Drive ---
* R1: Current limiting for Q1 Base
R1 SW_OUT BASE 1k

* --- Low-Side Driver (Q1) ---
* Q1: NPN 2N2222
* Connections: Collector, Base, Emitter(GND)
Q1 COLLECTOR BASE 0 2N2222_MOD

* --- Relay Coil & Flyback Diode ---
* K1 Coil: Modeled as Inductance (L) + Series Resistance (R).
* Connected between V_RELAY (12V) and COLLECTOR.
* Typical 12V relay coil resistance ~400 Ohms.
R_K1_COIL V_RELAY K1_INT 400
L_K1_COIL K1_INT COLLECTOR 100m

* D1: 1N4007 Flyback Diode (Reverse biased)
* Anode to COLLECTOR, Cathode to V_RELAY
D1 COLLECTOR V_RELAY 1N4007_MOD

* --- Relay Contacts (K1 Switch) ---
* Modeled as a voltage-controlled switch (S_K1).
* Controlled by the voltage across the coil (V_RELAY - COLLECTOR).
* When Q1 is ON, Coil Voltage ~ 12V -> Contacts Close.
* When Q1 is OFF, Coil Voltage ~ 0V -> Contacts Open.
* Connections: Common (V_RELAY) to NO (LOAD_OUT).
S_K1 V_RELAY LOAD_OUT V_RELAY COLLECTOR RELAY_SW_MOD

* --- Load Circuit ---
* R2: Current limiting for LED
R2 LOAD_OUT LED_ANODE 470
* D2: Green LED
D2 LED_ANODE 0 LED_GREEN_MOD

* --- Component Models ---

* Switch Model for S1 (Logic Level Control)
.model TACTILE_SW SW(Vt=2.5 Vh=0.5 Ron=0.01 Roff=100Meg)

* Switch Model for Relay (High Voltage Threshold)
* Vt=8V ensures it pulls in only when coil is energized (approx >8V)
.model RELAY_SW_MOD SW(Vt=8.0 Vh=1.0 Ron=0.05 Roff=100Meg)

* BJT Model 2N2222
.model 2N2222_MOD 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=1 RE=0.1)

* Diode Model 1N4007
.model 1N4007_MOD D(IS=7n RS=0.034 N=1.8 BV=1000 IBV=5e-8 CJO=10p VJ=0.7 M=0.5 TT=100n)

* LED Model (Green, approx 2.1V Vf)
.model LED_GREEN_MOD D(IS=1e-22 RS=5 N=1.8 CJO=50p VJ=2.2 BV=5 IBV=10u)

* --- Analysis Directives ---
.op
.tran 100u 60m

* Output Printing
* V(SW_OUT): Input signal after switch S1
* V(LOAD_OUT): Output status (Relay NO contact)
* V(BASE): Transistor Base Voltage
* V(COLLECTOR): Transistor Collector Voltage (Relay Coil Low-Side)
.print tran V(SW_OUT) V(LOAD_OUT) V(BASE) V(COLLECTOR) I(L_K1_COIL)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation shows the switch (S1) activating at 5ms. When V(SW_OUT) goes high (~5V), V(BASE) rises to ~0.8V, turning Q1 ON. V(COLLECTOR) drops to ~70mV (saturation), energizing the coil. However, V(LOAD_OUT) remains high (~12V) throughout the log, even when the switch is OFF at t=0, suggesting the relay contact model might be inverted or the threshold logic is tricky.
Show raw data table (722 rows) 
Index   time            v(sw_out)       v(load_out)     v(base)         v(collector)    l_k1_coil#branc
0	0.000000e+00	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
1	1.000000e-06	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
2	2.000000e-06	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
3	4.000000e-06	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
4	8.000000e-06	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
5	1.600000e-05	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
6	3.200000e-05	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
7	6.400000e-05	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
8	1.280000e-04	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
9	2.280000e-04	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
10	3.280000e-04	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
11	4.280000e-04	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
12	5.280000e-04	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
13	6.280000e-04	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
14	7.280000e-04	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
15	8.280000e-04	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
16	9.280000e-04	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
17	1.028000e-03	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
18	1.128000e-03	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
19	1.228000e-03	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
20	1.328000e-03	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
21	1.428000e-03	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
22	1.528000e-03	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
23	1.628000e-03	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
... (698 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Omitir el diodo flyback (D1):
    • Consecuencia: El pico de alto voltaje generado por el colapso de la bobina del relé puede destruir el transistor inmediatamente.
    • Solución: Instale siempre un diodo en paralelo con la bobina, cátodo al voltaje positivo.
  2. Usar una resistencia de base (R1) demasiado alta:
    • Consecuencia: El transistor opera en la región activa en lugar de saturación, causando que se sobrecaliente y potencialmente falle en activar el relé.
    • Solución: Calcule IB para que sea al menos de 5× a 10× la corriente de base requerida para la carga de colector dada.
  3. Conectar la carga al Emisor (Lado alto):
    • Consecuencia: El relé no recibirá 12 V; solo recibirá aprox. Vbase – 0.7 V (aprox. 4.3 V), lo cual es insuficiente para accionar un relé de 12 V.
    • Solución: Utilice siempre transistores NPN como interruptores de «Lado bajo» (Carga conectada al Colector, Emisor a Tierra).

Solución de problemas

  • Síntoma: El relé no hace clic, el LED D2 permanece apagado.
    • Causa: S1 no conecta o R1 es demasiado grande.
    • Arreglo: Verifique continuidad en S1 y verifique que llegan 5 V a R1.
  • Síntoma: El transistor se calienta mucho cuando el Relé está ENCENDIDO.
    • Causa: Transistor no completamente saturado (Corriente de base demasiado baja).
    • Arreglo: Reduzca el valor de R1 (ej. pruebe 470 Ω) para llevar a Q1 a saturación profunda.
  • Síntoma: El circuito funcionó una vez, luego dejó de funcionar permanentemente.
    • Causa: Falta D1 o está invertido (causando cortocircuito) o Q1 está quemado.
    • Arreglo: Reemplace Q1 y asegúrese de que D1 esté instalado correctamente (Cátodo a +12 V).
  • Síntoma: D2 se enciende, pero no se escucha «clic».
    • Causa: Podría estar probando con un indicador de estado sólido en lugar de un relé mecánico, o la bobina del relé está dañada.
    • Arreglo: Verifique que la resistencia de la bobina coincida con las especificaciones de la hoja de datos.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Actualización a MOSFET: Reemplace el BJT NPN con un MOSFET de Canal N de Nivel Lógico (ej. IRLZ44N) para mayor eficiencia y consumo de corriente de puerta cero.
  2. Aislamiento óptico: Añada un optoacoplador (como 4N25) antes de Q1 para aislar eléctricamente por completo el lado de control de 5 V del lado de potencia de 12 V, protegiendo el microcontrolador de fallas de energía catastróficas.

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Quiz rápido

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




Pregunta 2: ¿Qué componente se utiliza para simular la salida de un microcontrolador?




Pregunta 3: ¿Por qué es útil este circuito para la protección del microcontrolador?




Pregunta 4: ¿Qué función cumple la resistencia R1 de 1 kΩ?




Pregunta 5: ¿Qué sucede con el transistor Q1 cuando el interruptor de 5 V se cierra?




Pregunta 6: ¿Qué componente protege al transistor de los picos de alto voltaje cuando el relé se apaga?




Pregunta 7: ¿Qué tipo de aislamiento proporcionan los contactos del relé para la carga final?




Pregunta 8: ¿Cuál es la función de la fuente V2 de 12 V CC?




Pregunta 9: ¿Qué tipo de transistor se utiliza en este circuito para activar el relé?




Pregunta 10: ¿Qué señal audible indica que la bobina del relé se ha energizado?




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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