Caso práctico: Sensor de oscuridad automático

Prototipo de Sensor de oscuridad automático (Maker Style)

Nivel: Básico — Utiliza un inversor 74HC04 y una LDR para encender automáticamente un LED cuando la luz ambiental disminuye.

Objetivo y caso de uso

Construirás un circuito de control de luz automático que detecta la oscuridad utilizando una fotorresistencia (LDR) y activa un LED usando un inversor digital 74HC04.

  • Por qué es útil:
    • Automatizar farolas para que se enciendan solo por la noche y ahorrar energía.
    • Activar la iluminación de emergencia en pasillos durante cortes de energía u oscuridad.
    • Controlar luces solares de jardín automáticamente.
    • Ajustar el brillo de la pantalla en dispositivos móviles según la luz ambiental.
  • Resultado esperado:
    • Cuando la LDR está expuesta a luz brillante, el LED permanece APAGADO.
    • Cuando la LDR está cubierta (oscuridad), el LED se ENCIENDE.
    • El voltaje en la entrada de la puerta lógica transiciona de Nivel Alto (5V) a Nivel Bajo (0V) a medida que oscurece.
  • Público objetivo y nivel: Estudiantes y aficionados familiarizados con el uso básico de placas de pruebas (breadboards).

Materiales

  • V1: Fuente de 5 V CC, función: Fuente de alimentación principal.
  • R1: LDR (GL5528 o similar), función: Sensor de luz (Resistencia variable).
  • R2: Potenciómetro de 10 kΩ, función: Calibración de sensibilidad (Pull-down).
  • U1: 74HC04, función: Inversor séxtuple (Puerta NOT).
  • R3: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente del LED.
  • D1: LED rojo, función: Indicador de salida visual.

Pin-out del CI utilizado

Chip: 74HC04 (Inversor séxtuple)

Pin Nombre Función lógica Conexión en este caso
14 VCC Alimentación (+) Conectar a VCC (5V)
7 GND Tierra (-) Conectar a 0 (GND)
1 1A Entrada Conectar al nodo del sensor VSENSE
2 1Y Salida Conectar al nodo del LED VOUT

(Nota: Los pines 3, 5, 9, 11 y 13 son entradas no utilizadas e idealmente deberían conectarse a GND en circuitos permanentes para evitar ruido, aunque no es estrictamente necesario para esta prueba rápida.)

Guía de conexionado

Usa las siguientes conexiones de nodos explícitas para construir el circuito en tu placa de pruebas:

  • Fuente de alimentación:
    • El terminal positivo de V1 se conecta al nodo VCC.
    • El terminal negativo de V1 se conecta al nodo 0 (GND).
  • Etapa de sensor (Divisor de voltaje):
    • R1 (LDR) se conecta entre VCC y el nodo VSENSE.
    • R2 (Potenciómetro) se conecta entre el nodo VSENSE y 0 (GND).
    • Nota: Ajusta R2 para que el voltaje en VSENSE varíe cuando cambie la luz.
  • Etapa lógica (Inversor):
    • U1 Pin 14 se conecta a VCC.
    • U1 Pin 7 se conecta a 0.
    • U1 Pin 1 (Entrada) se conecta al nodo VSENSE.
    • U1 Pin 2 (Salida) se conecta al nodo VOUT.
  • Etapa de salida:
    • R3 se conecta entre el nodo VOUT y el nodo LED_ANODE.
    • D1 se conecta entre el nodo LED_ANODE (Ánodo/Pata larga) y 0 (Cátodo/Pata corta).

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC04 NOT gate

Esquemático

[ INPUT / SENSOR STAGE ]               [ LOGIC STAGE ]                  [ OUTPUT STAGE ]

 [ VCC ] --> [ R1: LDR (Sensor) ] --+
                                    |
                                    v
                               [ VSENSE ] --(Pin 1)--> [ U1: 74HC04 ] --(Pin 2)--> [ R3: 330 Ohm ] --> [ D1: LED ] --> GND
                                    ^                  [  NOT Gate  ]
                                    |
 [ GND ] --> [ R2: Pot (Calib) ] ---+
Esquema Eléctrico

Tabla de verdad

El 74HC04 invierte la señal de entrada. Configuramos los sensores para que «Brillante» genere una entrada ALTA (HIGH).

Condición ambiental Resistencia LDR Voltaje en VSENSE (Entrada) Entrada lógica Salida lógica (VOUT) Estado del LED
Brillante Baja Alta (> 2.5V) 1 0 (GND) APAGADO
Oscuro Alta Baja (< 1.5V) 0 1 (5V) ENCENDIDO

Mediciones y pruebas

  1. Calibración: Exponer la LDR a la luz normal de la habitación. Ajustar el potenciómetro R2 hasta que el LED se APAGUE.
  2. Verificación de voltaje (Brillante): Medir el voltaje entre VSENSE y GND. Debería estar cerca de 5V (Lógica 1). La salida en VOUT debería estar cerca de 0V.
  3. Activación: Cubrir la LDR con la mano para simular oscuridad.
  4. Verificación de voltaje (Oscuro): Medir VSENSE nuevamente. Debería caer hacia 0V (Lógica 0). La salida VOUT debería saltar a aprox. 5V, encendiendo el LED.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Automatic darkness sensor

* --- Models ---
* Generic Red LED Model
.model DLED D (IS=1e-22 N=1.5 RS=5 BV=5 IBV=10u CJO=10p)

* --- Subcircuits ---
* 74HC04 Hex Inverter Model (Behavioral)
* Pins: 1=Input, 2=Output, 7=GND, 14=VCC
* Maps to subckt args: In Out GND VCC
.subckt 74HC04 In Out GND VCC
  * Robust Sigmoid Transfer Function for Inverter
  * Threshold is VCC/2. Output swings between GND and VCC.
  * Formula: Vout = VCC * (1 / (1 + exp(50 * (V(In) - V(VCC)/2))))
  B_INV Out GND V = V(VCC) * (1 / (1 + exp(50 * (V(In) - V(VCC)/2))))
.ends

* --- Main Circuit Components ---

* 1. Power Supply
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Automatic darkness sensor

* --- Models ---
* Generic Red LED Model
.model DLED D (IS=1e-22 N=1.5 RS=5 BV=5 IBV=10u CJO=10p)

* --- Subcircuits ---
* 74HC04 Hex Inverter Model (Behavioral)
* Pins: 1=Input, 2=Output, 7=GND, 14=VCC
* Maps to subckt args: In Out GND VCC
.subckt 74HC04 In Out GND VCC
  * Robust Sigmoid Transfer Function for Inverter
  * Threshold is VCC/2. Output swings between GND and VCC.
  * Formula: Vout = VCC * (1 / (1 + exp(50 * (V(In) - V(VCC)/2))))
  B_INV Out GND V = V(VCC) * (1 / (1 + exp(50 * (V(In) - V(VCC)/2))))
.ends

* --- Main Circuit Components ---

* 1. Power Supply
* V1: 5V DC supply
V1 VCC 0 DC 5

* 2. Sensor Stage (Voltage Divider)
* R1: LDR (Light Dependent Resistor)
* Implementation: A dummy R1 is placed to satisfy the BOM.
* A parallel behavioral source (B_LDR) implements the dynamic resistance change.
R1 VCC VSENSE 100Meg
B_LDR VCC VSENSE I = V(VCC, VSENSE) / V(RES_CTRL)

* R2: 10k Potentiometer (Sensitivity Calibration)
R2 VSENSE 0 10k

* Dynamic Stimulus for LDR (Simulates Light Conditions)
* Generates a control voltage representing Ohms.
* Pulse sweeps from 1k (Light) to 100k (Dark).
* Logic: Light(1k) -> VSENSE High -> LED OFF. Dark(100k) -> VSENSE Low -> LED ON.
V_LDR_CTRL RES_CTRL 0 PULSE(1k 100k 0 200u 200u 400u 2ms)

* 3. Logic Stage
* U1: 74HC04 Hex Inverter
* Connections: Pin 1 (In)=VSENSE, Pin 2 (Out)=VOUT, Pin 7=0, Pin 14=VCC
XU1 VSENSE VOUT 0 VCC 74HC04

* 4. Output Stage
* R3: LED Current Limiting Resistor (330 Ohm)
R3 VOUT LED_ANODE 330

* D1: Red LED
D1 LED_ANODE 0 DLED

* --- Analysis Directives ---
* Transient analysis to capture the Light/Dark transition
.tran 10u 2ms

* Print specific node voltages for validation
.print tran V(VSENSE) V(VOUT) V(LED_ANODE)

* Compute DC operating point
.op

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (224 rows) 
Index   time            v(vsense)       v(vout)         v(led_anode)
0	0.000000e+00	4.545459e+00	1.916016e-44	6.555013e-37
1	1.000000e-07	4.525005e+00	3.875543e-44	2.124754e-38
2	2.000000e-07	4.504821e+00	1.070470e-43	-1.98700e-38
3	4.000000e-07	4.464726e+00	4.391831e-43	-3.30922e-39
4	8.000000e-07	4.386087e+00	5.351931e-42	4.963938e-40
5	1.600000e-06	4.240174e+00	7.789996e-38	7.726704e-38
6	3.200000e-06	3.973321e+00	1.292803e-32	1.287493e-32
7	6.400000e-06	3.529123e+00	-6.61237e-21	-6.59876e-21
8	1.280000e-05	2.884261e+00	2.263832e-08	2.262430e-08
9	1.905731e-05	2.447108e+00	4.668386e+00	1.823995e+00
10	2.344117e-05	2.212214e+00	4.999997e+00	1.833723e+00
11	2.751655e-05	2.030989e+00	5.000000e+00	1.833029e+00
12	3.266976e-05	1.840361e+00	5.000000e+00	1.833116e+00
13	4.266976e-05	1.556825e+00	5.000000e+00	1.833028e+00
14	5.266976e-05	1.349010e+00	5.000000e+00	1.833116e+00
15	6.266976e-05	1.190157e+00	5.000000e+00	1.833028e+00
16	7.266976e-05	1.064784e+00	5.000000e+00	1.833116e+00
17	8.266976e-05	9.633175e-01	5.000000e+00	1.833028e+00
18	9.266976e-05	8.795141e-01	5.000000e+00	1.833116e+00
19	1.026698e-04	8.091310e-01	5.000000e+00	1.833028e+00
20	1.126698e-04	7.491835e-01	5.000000e+00	1.833116e+00
21	1.226698e-04	6.975110e-01	5.000000e+00	1.833028e+00
22	1.326698e-04	6.525106e-01	5.000000e+00	1.833116e+00
23	1.426698e-04	6.129684e-01	5.000000e+00	1.833028e+00
... (200 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Intercambiar LDR y potenciómetro: Si intercambias R1 y R2, la lógica se invierte: la luz se ENCENDERÁ cuando haya claridad y se APAGARÁ cuando esté oscuro. Asegúrate de que la LDR esté conectada a VCC y el potenciómetro a GND.
  2. LED insertado al revés: Si D1 no se enciende cuando VOUT está alto, verifica la polaridad. La pata más larga (ánodo) debe mirar hacia la resistencia R3.
  3. Sensibilidad demasiado baja: Si el LED nunca se apaga, es posible que R2 esté ajustado a una resistencia demasiado alta, manteniendo el voltaje en VSENSE siempre alto. Gira la perilla para reducir la resistencia.

Solución de problemas

  • El LED está siempre ENCENDIDO:
    • Causa: La resistencia del potenciómetro es demasiado alta o la LDR está rota (circuito abierto).
    • Solución: Disminuye el valor de R2 girando la perilla. Revisa las conexiones de la LDR.
  • El LED está siempre APAGADO:
    • Causa: La resistencia del potenciómetro es demasiado baja (cortocircuitando la entrada a tierra) o U1 no tiene alimentación.
    • Solución: Verifica que el Pin 14 tenga 5V. Aumenta ligeramente la resistencia de R2.
  • El LED parpadea:
    • Causa: El nivel de luz está justo en el umbral de conmutación del 74HC04.
    • Solución: Ajusta R2 ligeramente para alejarte del umbral o sombrea la LDR de manera más decisiva.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Añadir histéresis: Reemplaza el 74HC04 con un 74HC14 (Inversor Schmitt Trigger). Esto evita el parpadeo cuando la luz transiciona lentamente (atardecer/amanecer).
  2. Carga de alta potencia: Conecta el pin de salida a un transistor (como un 2N2222) y un módulo de relé para conmutar una lámpara de escritorio de 110V/220V en lugar de un pequeño LED.

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Quiz rápido

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




Pregunta 2: ¿Qué componente actúa como el sensor de luz en este proyecto?




Pregunta 3: ¿Qué función cumple el componente U1 (74HC04) en el circuito?




Pregunta 4: ¿Cuál es el estado esperado del LED cuando la LDR está expuesta a luz brillante?




Pregunta 5: ¿Qué componente se utiliza para calibrar la sensibilidad del circuito?




Pregunta 6: ¿A qué pin del chip 74HC04 se debe conectar la alimentación positiva (VCC)?




Pregunta 7: ¿Qué sucede con el voltaje en la entrada de la puerta lógica a medida que oscurece?




Pregunta 8: ¿Cuál es la función de la resistencia R3 de 330 Ω?




Pregunta 9: ¿Cuál de los siguientes es un caso de uso útil mencionado para este circuito?




Pregunta 10: ¿A qué pin del 74HC04 se debe conectar la Tierra (GND)?




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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