Nivel: Básico – Construye un circuito donde un LED se atenúa a medida que aumenta la luz ambiental.
Objetivo y caso de uso
Construirás un circuito de sensor de luz analógico simple utilizando una fotorresistencia (LDR) en una configuración donde la salida de luz es inversamente proporcional a la intensidad de la luz ambiental. Esto crea un efecto de «Sensor de oscuridad» sin usar transistores.
Por qué es útil:
* Iluminación automática: Simula farolas o luces nocturnas que se encienden automáticamente cuando oscurece.
* Eficiencia de la batería: Asegura que los indicadores solo estén activos durante condiciones de poca luz cuando la visibilidad es pobre.
* Sistemas de seguridad: Puede detectar si un contenedor sellado o una habitación oscura ha sido vulnerada por la luz.
* Demostración de concepto: Demuestra la división de corriente y componentes de resistencia no lineal en circuitos paralelos.
Resultado esperado:
* Condición de oscuridad: La resistencia del LDR es alta, forzando la corriente a través del LED. El LED rojo se ENCIENDE.
* Condición de luz brillante: La resistencia del LDR cae significativamente, desviando la corriente del LED. El LED rojo se APAGA o se atenúa significativamente.
* Cambio de voltaje: Medirás una caída de voltaje en el nodo compartido a medida que aumenta la luz.
* Público objetivo: Principiantes y estudiantes familiarizados con el montaje básico en protoboard.
Materiales
- V1: Suministro de 5 V CC, función: fuente de alimentación principal
- R1: Resistencia de 470 Ω, función: limitación de corriente y rama superior del divisor de voltaje
- R2: LDR (GL5528 o similar), función: sensor de luz ambiental (resistencia variable)
- D1: LED rojo, función: indicador de baja luz
Guía de conexionado
Usaremos una topología de «shunt de corriente» (derivación de corriente). El LDR se coloca en paralelo con el LED.
- VCC: Conecta el terminal positivo de V1 a un lado de R1.
- VA: Conecta el otro lado de R1 al Ánodo (patilla larga) de D1.
- VA: Conecta una patilla de R2 (LDR) al mismo nodo (Ánodo de D1).
- 0 (GND): Conecta el Cátodo (lado plano/patilla corta) de D1 al terminal negativo de V1.
- 0 (GND): Conecta la patilla restante de R2 (LDR) al terminal negativo de V1.
Diagrama de bloques conceptual
Esquemático
[ POWER SOURCE ] [ CURRENT LIMITER ] [ SHUNT TOPOLOGY ]
+--> [ D1: Red LED ] --> GND
| (Output Indicator)
[ V1: 5 V DC ] --(+)--> [ R1: 470 Ω ] --(Node VA)--> [ + ]
|
+--> [ R2: LDR ] --> GND
(Light Sensor)
Mediciones y pruebas
Para validar que el circuito se comporta inversamente a la intensidad de la luz:
- Configurar el multímetro: Selecciona el modo de Voltaje CC (rango de 20 V).
- Conectar las sondas: Coloca la sonda Roja en el nodo VA (Ánodo del LED) y la sonda Negra en 0 (GND).
- Prueba 1 (Luz ambiental/brillante):
- Expón el LDR a una luz brillante.
- Observación: El LED debe estar TENUE o APAGADO.
- Medición: El voltaje en VA debe caer por debajo del voltaje directo del LED (probablemente < 1.5 V). La baja resistencia del LDR desvía la corriente a tierra.
- Prueba 2 (Oscuridad):
- Cubre el LDR completamente con tu dedo o una tapa.
- Observación: El LED debe encenderse BRILLANTEMENTE.
- Medición: El voltaje en VA debe subir al voltaje directo del LED (aprox. 1.8 V a 2.0 V para un LED rojo). La alta resistencia del LDR fuerza la corriente a través del LED.
Netlist SPICE y simulación
Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)
* Practical case: Simple light intensity meter
* --- Models ---
* Generic Red LED Model
* Parameters: IS=saturation current, N=emission coefficient, RS=series resistance
* BV=breakdown voltage, IBV=breakdown current, CJO=junction capacitance
.model DLED D(IS=1e-14 N=2 RS=10 BV=5 IBV=10u CJO=20p)
* --- Power Supply ---
* V1: 5V DC supply (Main power source)
* Connected between VCC and GND (0)
V1 VCC 0 DC 5
* --- Circuit Components ---
* R1: 470 Ohm resistor
* Function: Current limiting and voltage divider upper leg
* Wiring: Connects Positive Terminal of V1 (VCC) to Node VA
R1 VCC VA 470
* D1: Red LED
* ... (truncated in public view) ...Copia este contenido en un archivo .cir y ejecútalo con ngspice.
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* Practical case: Simple light intensity meter
* --- Models ---
* Generic Red LED Model
* Parameters: IS=saturation current, N=emission coefficient, RS=series resistance
* BV=breakdown voltage, IBV=breakdown current, CJO=junction capacitance
.model DLED D(IS=1e-14 N=2 RS=10 BV=5 IBV=10u CJO=20p)
* --- Power Supply ---
* V1: 5V DC supply (Main power source)
* Connected between VCC and GND (0)
V1 VCC 0 DC 5
* --- Circuit Components ---
* R1: 470 Ohm resistor
* Function: Current limiting and voltage divider upper leg
* Wiring: Connects Positive Terminal of V1 (VCC) to Node VA
R1 VCC VA 470
* D1: Red LED
* Function: Low-light indicator
* Wiring: Anode to Node VA, Cathode to Negative Terminal of V1 (0)
D1 VA 0 DLED
* R2: LDR (GL5528 or similar)
* Function: Ambient light sensor (variable resistor)
* Wiring: Connects Node VA to Negative Terminal of V1 (0)
* Note: Modeled as a behavioral resistor where Resistance = V(V_LDR_CTRL).
* This allows simulating the change from Light (Low R) to Dark (High R).
R2 VA 0 R='V(V_LDR_CTRL)'
* --- Dynamic Stimuli (Simulation Only) ---
* V_LDR_SRC: Generates a voltage signal representing the LDR resistance in Ohms.
* Logic:
* - 100V (representing 100 Ohms) = Bright Light -> V(VA) drops -> LED OFF
* - 10kV (representing 10k Ohms) = Dark -> V(VA) rises -> LED ON
* Timing: Fast pulse to demonstrate switching.
* PULSE(v1 v2 td tr tf pw per)
V_LDR_SRC V_LDR_CTRL 0 PULSE(100 10000 10u 100u 100u 500u 1000u)
* --- Analysis Directives ---
* Transient analysis: 5us step size, 2ms duration
.tran 5u 2ms
* Print specific nodes to verify operation
* V(VA): Voltage at the LED/LDR node (Should swing between ~0.8V and ~1.8V)
* V(V_LDR_CTRL): The resistance value being simulated
.print tran V(VA) V(V_LDR_CTRL)
.op
.endResultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (441 rows)
Index time v(va) v(v_ldr_ctrl) 0 0.000000e+00 8.771739e-01 1.000000e+02 1 5.000000e-08 8.771739e-01 1.000000e+02 2 1.000000e-07 8.771739e-01 1.000000e+02 3 2.000000e-07 8.771739e-01 1.000000e+02 4 4.000000e-07 8.771739e-01 1.000000e+02 5 8.000000e-07 8.771739e-01 1.000000e+02 6 1.600000e-06 8.771739e-01 1.000000e+02 7 3.200000e-06 8.771739e-01 1.000000e+02 8 6.400000e-06 8.771739e-01 1.000000e+02 9 1.000000e-05 8.771739e-01 1.000000e+02 10 1.016024e-05 9.861073e-01 1.158634e+02 11 1.048071e-05 1.182699e+00 1.475902e+02 12 1.112165e-05 1.342799e+00 2.110437e+02 13 1.175485e-05 1.386540e+00 2.737299e+02 14 1.276008e-05 1.418826e+00 3.732481e+02 15 1.399489e-05 1.436968e+00 4.954940e+02 16 1.646450e-05 1.455127e+00 7.399857e+02 17 2.140373e-05 1.468889e+00 1.228969e+03 18 2.640373e-05 1.474732e+00 1.723969e+03 19 3.140373e-05 1.478748e+00 2.218969e+03 20 3.640373e-05 1.480441e+00 2.713969e+03 21 4.140373e-05 1.481529e+00 3.208969e+03 22 4.640373e-05 1.482571e+00 3.703969e+03 23 5.140373e-05 1.483189e+00 4.198969e+03 ... (417 more rows) ...
Errores comunes y cómo evitarlos
- Colocar componentes en serie:
- Error: Cablear Fuente -> Resistencia -> LDR -> LED -> Tierra.
- Resultado: Esto crea un «Sensor de luz» (luz más brillante = LED más brillante), que es lo opuesto al objetivo.
- Solución: Asegúrate de que el LDR esté en paralelo con el LED (compartiendo los mismos nodos de inicio y fin).
- Usar un valor de resistencia demasiado alto para R1:
- Error: Usar una resistencia de 10 kΩ para R1.
- Resultado: El LED nunca se enciende brillantemente incluso en oscuridad total porque la corriente está demasiado restringida.
- Solución: Usa de 330 Ω a 470 Ω para una fuente de 5 V para asegurar suficiente corriente para el LED cuando el LDR tiene alta resistencia.
- Esperar un interruptor de Encendido/Apagado «Duro»:
- Error: Esperar una conmutación tipo digital.
- Resultado: El LED se atenúa gradualmente en lugar de apagarse de golpe.
- Solución: Entiende que este es un circuito analógico pasivo. Para una acción de «golpe» duro, se requeriría un transistor o comparador.
Solución de problemas
- Síntoma: El LED está siempre ENCENDIDO, incluso con luz brillante.
- Causa: El valor de R1 es demasiado bajo, o el LDR tiene una resistencia muy alta incluso con luz (o está desconectado).
- Arreglo: Revisa las conexiones del LDR. Si son correctas, aumenta R1 a 1 kΩ para facilitar que el LDR baje el voltaje.
- Síntoma: El LED está siempre APAGADO.
- Causa: LED cableado al revés o R1 es demasiado alta.
- Arreglo: Invierte la orientación del LED. Asegúrate de que R1 sea < 1 kΩ.
- Síntoma: La fuente se calienta.
- Causa: Cortocircuito. Probablemente R1 fue omitida, conectando VCC directamente al LDR o al LED.
- Arreglo: Asegúrate de que R1 esté estrictamente entre VCC y el nodo VA.
Posibles mejoras y extensiones
- Ajuste de sensibilidad: Reemplaza R1 con un potenciómetro de 1 kΩ para sintonizar exactamente qué tan oscuro debe estar antes de que el LED se encienda.
- Mezcla de colores: Pon un LED verde en serie con el LDR (en lugar de paralelo). A medida que aumenta la luz, el LED verde se vuelve más brillante mientras que el LED rojo (paralelo) se atenúa, creando un monitor de luz con cambio de color.
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