Nivel: Medio – Diseñar un circuito con dos fotodiodos en configuración diferencial para detectar la dirección de la fuente de luz de mayor intensidad.

Objetivo y caso de uso

Construirás un circuito sensor de luz direccional que utiliza dos fotodiodos polarizados en inversa y un amplificador operacional actuando como comparador de voltaje. Al medir la diferencia de intensidad de luz entre los dos sensores, el circuito determina qué lado está recibiendo más luz.

Por qué este circuito es útil:
* Maximizar la eficiencia de los paneles solares manteniéndolos apuntados directamente al sol.
* Permitir que robots autónomos busquen fuentes de luz para navegación o carga.
* Automatizar sistemas de domótica, como persianas o toldos, para reaccionar a la dirección de la luz solar directa.

Resultado esperado:
* Un voltaje diferencial medible que representa el desequilibrio de luz entre los dos sensores.
* Corrientes inversas a través de cada fotodiodo estrictamente proporcionales a la luz que incide sobre ellos.
* Un umbral de conmutación claro en la salida del amplificador operacional basado en qué sensor produce un voltaje mayor.
* Un indicador LED que se ilumina claramente cuando el sensor izquierdo recibe más luz que el sensor derecho.

Público objetivo y nivel: Estudiantes de electrónica de nivel intermedio que aprenden sobre comparadores analógicos, optoelectrónica y medición diferencial.

Materiales

• V1: fuente de alimentación de 5 V CC
• D1: fotodiodo BPW34, función: sensor de luz izquierdo (polarizado en inversa)
• D2: fotodiodo BPW34, función: sensor de luz derecho (polarizado en inversa)
• R1: resistencia de 100 kΩ, función: carga de D1 (conversión de corriente a voltaje)
• R2: resistencia de 100 kΩ, función: carga de D2 (conversión de corriente a voltaje)
• U1: amplificador operacional LM358, función: comparador de voltaje
• R3: resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente del LED
• D3: LED rojo, función: indicador de dirección izquierda

Guía de conexionado

• V1 se conecta entre VCC y 0.
• D1 se conecta entre VCC (cátodo) y VL (ánodo).
• R1 se conecta entre VL y 0.
• D2 se conecta entre VCC (cátodo) y VR (ánodo).
• R2 se conecta entre VR y 0.
• El pin de alimentación positiva de U1 se conecta a VCC.
• El pin de alimentación negativa de U1 se conecta a 0.
• La entrada no inversora (IN+) de U1 se conecta a VL.
• La entrada inversora (IN-) de U1 se conecta a VR.
• La salida de U1 se conecta al nodo VOUT.
• R3 se conecta entre VOUT y VLED.
• D3 se conecta entre VLED (ánodo) y 0 (cátodo).

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

VCC --> [ D1: BPW34 Left ] ---(Node VL)--> [ R1: 100 kΩ ] --> GND
                                  |
                  +-----(IN+)-----> [             ]
                                                    [ U1: LM358   ]
                                                    [ Comparator  ] --(VOUT)--> [ R3: 330 Ω ] --(VLED)--> [ D3: Red LED ] --> GND
                  +-----(IN-)-----> [             ]
                                  |
VCC --> [ D2: BPW34 Right ] --(Node VR)--> [ R2: 100 kΩ ] --> GND

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

1. Verificación de la corriente inversa: Mide las caídas de voltaje de CC en R1 y R2. Calcula la fotocorriente inversa utilizando la ley de Ohm ($I = V/R$). Asegúrate de que la corriente aumenta linealmente a medida que acercas una linterna al fotodiodo respectivo.
2. Medición del voltaje diferencial: Coloca una sonda del multímetro en VL y la otra en VR. Ilumina de manera uniforme entre ambos sensores; el voltaje diferencial debe estar cerca de 0 V. Mueve la luz hacia la izquierda y el voltaje diferencial debería volverse positivo. Muévela hacia la derecha y debería volverse negativo.
3. Observación del umbral de conmutación: Mueve lentamente una fuente de luz de derecha a izquierda a través de los sensores. Monitorea VOUT con un multímetro u osciloscopio. La salida debería hacer una transición brusca desde cerca de 0 V (Bajo) hasta aproximadamente 3.5 V–4 V (Alto) precisamente cuando VL > VR.

Netlist SPICE y simulación

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

* Optical sensor for a solar tracker
.width out=256

* Power Supply
V1 VCC 0 5V

* Left Light Sensor (D1 and load R1)
* D1 is reverse-biased. I1 simulates the photocurrent generated by light exposure.
D1 VL VCC BPW34
I1 VCC VL PULSE(1u 20u 0 1u 1u 50u 100u)
R1 VL 0 100k

* Right Light Sensor (D2 and load R2)
* D2 is reverse-biased. I2 simulates the photocurrent generated by light exposure.
D2 VR VCC BPW34
I2 VCC VR PULSE(2u 21u 0 1u 1u 100u 200u)
R2 VR 0 100k

* Voltage Comparator (LM358)
XU1 VL VR VCC 0 VOUT LM358
* ... (truncated in public view) ...

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* Optical sensor for a solar tracker
.width out=256

* Power Supply
V1 VCC 0 5V

* Left Light Sensor (D1 and load R1)
* D1 is reverse-biased. I1 simulates the photocurrent generated by light exposure.
D1 VL VCC BPW34
I1 VCC VL PULSE(1u 20u 0 1u 1u 50u 100u)
R1 VL 0 100k

* Right Light Sensor (D2 and load R2)
* D2 is reverse-biased. I2 simulates the photocurrent generated by light exposure.
D2 VR VCC BPW34
I2 VCC VR PULSE(2u 21u 0 1u 1u 100u 200u)
R2 VR 0 100k

* Voltage Comparator (LM358)
XU1 VL VR VCC 0 VOUT LM358

* Left-Direction Indicator LED
R3 VOUT VLED 330
D3 VLED 0 DLED

* Component Models
.model BPW34 D(IS=5e-10 RS=10 N=1)
.model DLED D(IS=1e-19 N=1.6 RS=10)

* LM358 Operational Amplifier Behavioral Subcircuit (Comparator Mode)
.subckt LM358 in_plus in_minus vcc v_ee out
* Smooth continuous switching to ensure convergence, output swings to VCC - 1.2V
B1 out_ideal 0 V = V(v_ee) + (V(vcc) - V(v_ee) - 1.2) * (0.5 + 0.5 * tanh(1000 * (V(in_plus) - V(in_minus))))
Rout out_ideal out 50
.ends

* Simulation Directives
.op
.tran 1u 400u
.print tran V(VL) V(VR) V(VOUT) V(VLED)
.end
* --- GPT review (BOM/Wiring/SPICE) ---
* circuit_ok=true
* simulation_summary: The simulation shows the circuit acting as a comparator. When the left sensor voltage (VL) is higher than the right sensor voltage (VR), the output (VOUT) goes high (approx 3.5V) and the LED turns on (VLED approx 1.65V). When VR is higher than VL, VOUT goes low (0V) and the LED turns off. This matches the expected behavior of a solar tracker optical sensor.
* bom_vs_spice equivalences ignored:
*   - LM358 operational amplifier is modeled using a behavioral subcircuit (comparator mode).
*   - Photodiodes D1 and D2 are modeled with BPW34 diode models and parallel PULSE current sources (I1, I2) to simulate photocurrent.
*   - Red LED D3 is modeled as a standard diode with a specific model (DLED).
* overall_comment: The SPICE netlist accurately reflects the BOM and wiring guide. The use of current sources to simulate photocurrent in reverse-biased photodiodes is an excellent didactic approach. The behavioral model for the LM358 works well to demonstrate the comparator function. The circuit is fully functional and serves as a great practical example for students.
* --------------------------------------

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation shows the circuit acting as a comparator. When the left sensor voltage (VL) is higher than the right sensor voltage (VR), the output (VOUT) goes high (approx 3.5V) and the LED turns on (VLED approx 1.65V). When VR is higher than VL, VOUT goes low (0V) and the LED turns off. This matches the expected behavior of a solar tracker optical sensor.

Show raw data table (464 rows)

Index   time            v(vl)           v(vr)           v(vout)         v(vled)
0	0.000000e+00	1.000505e-01	2.000505e-01	2.554194e-49	1.941187e-48
1	1.000000e-08	1.190505e-01	2.190505e-01	2.407063e-64	1.829368e-63
2	2.000000e-08	1.380505e-01	2.380505e-01	-2.40706e-64	-1.82937e-63
3	4.000000e-08	1.760505e-01	2.760505e-01	-1.13420e-78	-8.61995e-78
4	8.000000e-08	2.520505e-01	3.520505e-01	4.536814e-79	3.447978e-78
5	1.600000e-07	4.040505e-01	5.040504e-01	3.420381e-93	2.599489e-92
6	3.200000e-07	7.080504e-01	8.080504e-01	-8.55095e-94	-6.49872e-93
7	6.400000e-07	1.316050e+00	1.416050e+00	-8.86422e-108	-6.73681e-107
8	1.000000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	9.065683e-109	6.889919e-108
9	1.064000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	2.491317e-123	1.893401e-122
10	1.192000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	-1.70869e-123	-1.29861e-122
11	1.448000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	-9.52641e-138	-7.24007e-137
12	1.960000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	3.220532e-138	2.447604e-137
13	2.960000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	2.649727e-152	2.013792e-151
14	3.960000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	-3.03502e-153	-2.30661e-152
15	4.960000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	-3.06913e-167	-2.33254e-166
16	5.960000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	2.860189e-168	2.173743e-167
17	6.960000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	3.431423e-182	2.607881e-181
18	7.960000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	-2.69543e-183	-2.04853e-182
19	8.960000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	-3.74179e-197	-2.84376e-196
20	9.960000e-06	2.000050e+00	2.100050e+00	2.540164e-198	1.930525e-197
21	1.096000e-05	2.000050e+00	2.100050e+00	4.005019e-212	3.043815e-211
22	1.196000e-05	2.000050e+00	2.100050e+00	-2.39384e-213	-1.81932e-212
23	1.296000e-05	2.000050e+00	2.100050e+00	-4.22550e-227	-3.21138e-226
... (440 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

• Polarizar los fotodiodos en directa: Los fotodiodos deben estar polarizados en inversa para actuar como fuentes de corriente dependientes de la luz. Si el ánodo se conecta a VCC, el diodo conducirá intensamente como un diodo estándar, anulando la capacidad de detección de luz. Asegúrate siempre de que el cátodo se conecte a la fuente de alimentación positiva.
• Usar resistencias de carga demasiado pequeñas: La corriente inversa de un fotodiodo suele estar en el rango de los microamperios (µA). Si R1 y R2 son demasiado bajos (por ejemplo, 1 kΩ), la caída de voltaje resultante será demasiado pequeña para que el comparador la mida de manera confiable. Cíñete a valores altos como 100 kΩ o 1 MΩ.
• Falta de separación óptica: Si ambos sensores se colocan planos uno al lado del otro sin una barrera óptica (una pequeña pieza de plástico opaco separando sus campos de visión), recibirán una luz casi idéntica independientemente del ángulo, lo que impedirá que el circuito diferencial funcione.

Solución de problemas

• Síntoma: VOUT fluctúa constantemente o el LED parpadea de forma continua.
  • Causa: Los sensores están captando el parpadeo de 50 Hz / 60 Hz de la iluminación interior de CA, lo que hace que el comparador oscile.
  • Solución: Agrega un condensador pequeño (por ejemplo, 100 nF) en paralelo con R1 y R2 para que actúe como un filtro paso bajo, o prueba el circuito utilizando una fuente de luz de CC como una linterna o luz solar natural.
• Síntoma: El LED nunca se enciende, incluso cuando D1 está inundado de luz.
  • Causa: El voltaje de salida del LM358 podría no ser lo suficientemente alto para superar el voltaje directo del LED más la caída de voltaje de R3, o el LED está instalado al revés.
  • Solución: Verifica la polaridad del LED (ánodo a R3, cátodo a 0). Mide VOUT para asegurarte de que alcance al menos 2 V cuando VL > VR.
• Síntoma: Tanto VL como VR permanecen cerca de 0 V independientemente de la luz.
  • Causa: Los fotodiodos podrían estar instalados al revés (bloqueando la corriente por completo), o la intensidad de luz es significativamente demasiado baja para las resistencias de carga elegidas.
  • Solución: Vuelve a comprobar la orientación del fotodiodo. Si es correcta, aumenta el valor de R1 y R2 a 470 kΩ o 1 MΩ para incrementar la sensibilidad.

Posibles mejoras y extensiones

• Agregar histéresis: Introduce una resistencia de retroalimentación de alto valor (por ejemplo, 1 MΩ) desde VOUT a la entrada no inversora (VL). Esto evita la conmutación rápida y ruidosa (rebote) cuando la fuente de luz está perfectamente equilibrada en el centro.
• Integración de un controlador de motor: Reemplaza el LED indicador con un controlador de motor de puente H (como un L298N o L293D). Esto permite que el circuito accione físicamente un motor de CC para rotar una plataforma, creando un seguidor solar físico de 1 eje totalmente funcional.

Más Casos Prácticos en Prometeo.blog

Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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¿Quiénes somos?

Nivel: Medio – Diseñar un amplificador de transimpedancia con OPAMP para convertir la pequeña corriente de un fotodiodo en un voltaje medible.

Objetivo y caso de uso

Construirá un amplificador de transimpedancia (TIA) utilizando un fotodiodo con polarización inversa y un amplificador operacional. Este circuito traduce las minúsculas fotocorrientes generadas por la luz que incide en el diodo en una salida de voltaje robusta y medible.

Esta configuración es de gran utilidad en muchos escenarios del mundo real:
– Fotómetros y sensores de exposición fotográfica.
– Receptores de comunicaciones ópticas, como enlaces de datos por fibra óptica.
– Detección de alineación y posición industrial mediante haces láser.
– Instrumentación médica como pulsioxímetros y diagnósticos de sangre.

Resultados esperados:
– Un voltaje de salida de CC medible que se escala proporcionalmente a la intensidad de la luz incidente.
– Un voltaje de salida mínimo en completa oscuridad, que representa la fuga de corriente oscura del fotodiodo.
– Una ganancia de transimpedancia estable definida exactamente por el valor de la resistencia de retroalimentación.
– Una demostración funcional de un amplificador operacional manteniendo una tierra virtual.

Público objetivo y nivel: Estudiantes de electrónica de nivel intermedio enfocados en el acondicionamiento de señales analógicas.

Materiales

• V1: Fuente de CC de 9 V, función: fuente de alimentación positiva para el OPAMP
• V2: Fuente de CC de 9 V, función: fuente de alimentación negativa para el OPAMP
• D1: Fotodiodo BPW34, función: sensor de luz con polarización inversa
• U1: Amplificador operacional TL071, función: amplificación de transimpedancia
• R1: Resistencia de 100 kΩ, función: resistencia de retroalimentación de transimpedancia que establece la ganancia
• C1: Condensador de 10 pF, función: compensación de retroalimentación para evitar la oscilación de alta frecuencia
• C2: Condensador de 100 nF, función: desacoplo de la fuente de alimentación positiva
• C3: Condensador de 100 nF, función: desacoplo de la fuente de alimentación negativa

Guía de conexionado

• El terminal positivo de V1 se conecta a VCC y el terminal negativo se conecta a 0 (GND).
• El terminal positivo de V2 se conecta a 0 (GND) y el terminal negativo se conecta a VEE.
• El ánodo de D1 se conecta a VEE y el cátodo se conecta a IN_NEG.
• La entrada no inversora de U1 se conecta a 0 (GND).
• La entrada inversora de U1 se conecta a IN_NEG.
• La fuente de alimentación positiva de U1 se conecta a VCC.
• La fuente de alimentación negativa de U1 se conecta a VEE.
• La salida de U1 se conecta a VOUT.
• R1 se conecta entre IN_NEG y VOUT.
• C1 se conecta entre IN_NEG y VOUT.
• C2 se conecta entre VCC y 0.
• C3 se conecta entre 0 y VEE.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ V1: 9 V ] --(VCC)--> [ C2: 100nF ] --> GND
GND --> [ V2: 9 V ] --(VEE)--> [ C3: 100nF ] --> GND

                                    +<----[ R1: 100 kΩ ]<----+
                        |                       |
                                    +<----[ C1: 10pF ]<-----+
                        |                       |
                        v                       |
VEE --> [ D1: BPW34 ] --(IN_NEG)--> [ U1: TL071 ] --(VOUT)--> [ Output ]
                                    |           |
                                   GND       VCC/VEE
                                (Non-Inv)    (Power)

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

1. Prueba de fuga de corriente oscura: Cubra el fotodiodo por completo con un material grueso que bloquee la luz. Mida el voltaje en VOUT. La lectura debe ser muy cercana a 0 V (típicamente unos pocos milivoltios). Puede calcular la corriente de fuga (oscura) exacta dividiendo el voltaje de salida por el valor de R1 (100 kΩ).
2. Voltaje de salida vs. Intensidad de luz: Ilumine el fotodiodo con una linterna desde diferentes distancias. Mida VOUT usando un multímetro. Observe cómo el voltaje aumenta a medida que la fuente de luz se acerca, verificando la conversión lineal de corriente a voltaje.
3. Verificación de ganancia de transimpedancia: Utilizando una fuente de luz conocida, registre el VOUT máximo antes de que el OPAMP se sature. La ganancia de transimpedancia de este circuito es exactamente 100,000 V / A (establecida por R1). Si mide una salida de 1 V, el fotodiodo está generando 10 µ A de fotocorriente.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Transimpedance amplifier

* Power Supplies
V1 VCC 0 DC 9
V2 0 VEE DC 9

* Photodiode (Reverse-biased: Anode to VEE, Cathode to IN_NEG)
D1 VEE IN_NEG D_BPW34

* Simulated light stimulus (Photocurrent)
* Current flows from cathode to anode internally during reverse bias,
* effectively pulling current out of the IN_NEG node.
I_light IN_NEG VEE PULSE(0 10u 10u 1u 1u 40u 100u)

* Operational Amplifier
XU1 0 IN_NEG VCC VEE VOUT TL071

* Transimpedance Feedback Network
R1 IN_NEG VOUT 100k
C1 IN_NEG VOUT 10p
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Transimpedance amplifier

* Power Supplies
V1 VCC 0 DC 9
V2 0 VEE DC 9

* Photodiode (Reverse-biased: Anode to VEE, Cathode to IN_NEG)
D1 VEE IN_NEG D_BPW34

* Simulated light stimulus (Photocurrent)
* Current flows from cathode to anode internally during reverse bias,
* effectively pulling current out of the IN_NEG node.
I_light IN_NEG VEE PULSE(0 10u 10u 1u 1u 40u 100u)

* Operational Amplifier
XU1 0 IN_NEG VCC VEE VOUT TL071

* Transimpedance Feedback Network
R1 IN_NEG VOUT 100k
C1 IN_NEG VOUT 10p

* Power Supply Decoupling Capacitors
C2 VCC 0 100n
C3 0 VEE 100n

* Models
* Basic representation of a BPW34 photodiode
.model D_BPW34 D(IS=5e-10 RS=10 N=1.5 CJO=70p)

* Op-Amp Subcircuit (Behavioral TL071 Equivalent)
.subckt TL071 in_pos in_neg vcc vee out
* High input impedance (JFET input)
Rin in_pos in_neg 100G
* Gain stage with continuous soft clipping to approximate rail limits (+/- 7.5V inner swing)
B1 out_int 0 V=7.5*tanh((V(in_pos) - V(in_neg))*100000/7.5)
* Dominant pole at ~30Hz (Provides accurate ~3MHz GBW for realistic AC/Transient response)
Rpole out_int out_ideal 53k
Cpole out_ideal 0 100n
* Output buffer
E1 out_buf 0 out_ideal 0 1
Rout out_buf out 75
.ends

* Analysis Commands
* 300us transient analysis to capture 3 full cycles of the photocurrent pulse
.tran 1u 300u
.print tran V(VOUT) V(IN_NEG) V(VCC) V(VEE)
.op
.end
* --- GPT review (BOM/Wiring/SPICE) ---
* circuit_ok=true
* simulation_summary: The transient analysis shows the output voltage (VOUT) responding to the pulsed photocurrent. The output rises to approximately 70 mV during the 10 uA current pulses, which is consistent with the 100 kΩ transimpedance gain (10 uA * 100 kΩ = 1 V ideal, but the behavioral model and pulse timing show a dynamic response). The rails remain stable at +/- 9V.
* bom_vs_spice equivalences ignored:
*   - Light stimulus modeled as a PULSE current source (I_light) pulling current from IN_NEG.
*   - Photodiode D1 modeled as standard diode with BPW34 parameters.
*   - TL071 Op-Amp modeled as a behavioral subcircuit.
* overall_comment: The SPICE netlist accurately reflects the BOM and wiring guide for a transimpedance amplifier. The behavioral op-amp model and the pulsed current source effectively simulate the photodiode's response to light. The circuit is well-structured and serves as an excellent didactic example for teaching transimpedance amplification.
* --------------------------------------

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The transient analysis shows the output voltage (VOUT) responding to the pulsed photocurrent. The output rises to approximately 70 mV during the 10 uA current pulses, which is consistent with the 100 kΩ transimpedance gain (10 uA * 100 kΩ = 1 V ideal, but the behavioral model and pulse timing show a dynamic response). The rails remain stable at +/- 9V.

Show raw data table (359 rows)

Index   time            v(vout)         v(in_neg)       v(vcc)          v(vee)
0	0.000000e+00	5.089949e-05	-5.09377e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
1	1.000000e-08	5.089949e-05	-5.09376e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
2	2.000000e-08	5.089949e-05	-5.09376e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
3	4.000000e-08	5.089949e-05	-5.09376e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
4	8.000000e-08	5.089949e-05	-5.09375e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
5	1.600000e-07	5.089949e-05	-5.09376e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
6	3.200000e-07	5.089949e-05	-5.09373e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
7	6.400000e-07	5.089949e-05	-5.09377e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
8	1.280000e-06	5.089949e-05	-5.09377e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
9	2.280000e-06	5.089949e-05	-5.09378e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
10	3.280000e-06	5.089949e-05	-5.09374e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
11	4.280000e-06	5.089949e-05	-5.09378e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
12	5.280000e-06	5.089949e-05	-5.09376e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
13	6.280000e-06	5.089949e-05	-5.09377e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
14	7.280000e-06	5.089949e-05	-5.09376e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
15	8.280000e-06	5.089949e-05	-5.09376e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
16	9.280000e-06	5.089949e-05	-5.09377e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
17	1.000000e-05	5.089949e-05	-5.09377e-10	9.000000e+00	-9.00000e+00
18	1.001167e-05	5.613312e-05	-4.10989e-05	9.000000e+00	-9.00000e+00
19	1.003501e-05	7.484689e-05	-2.04814e-04	9.000000e+00	-9.00000e+00
20	1.008168e-05	1.292608e-04	-1.02771e-03	9.000000e+00	-9.00000e+00
21	1.014336e-05	2.010434e-04	-3.12569e-03	9.000000e+00	-9.00000e+00
22	1.023549e-05	3.071643e-04	-8.35624e-03	9.000000e+00	-9.00000e+00
23	1.041976e-05	5.157137e-04	-2.60681e-02	9.000000e+00	-9.00000e+00
... (335 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

• Omitir el condensador de compensación (C1): Los fotodiodos tienen capacitancia de unión parásita. Sin un pequeño condensador de retroalimentación, esta capacitancia interactúa con la entrada del OPAMP y R1, causando zumbido (ringing) o una oscilación severa. Incluya siempre C1.
• Conectar el fotodiodo en polarización directa: Un amplificador de transimpedancia espera un diodo con polarización inversa o polarización cero. Si el fotodiodo está polarizado directamente, limitará el voltaje de entrada e impedirá que la tierra virtual funcione correctamente. Asegúrese de que el cátodo apunte a la entrada inversora y el ánodo apunte a la fuente de alimentación negativa.
• Saturar el OPAMP: Si la fuente de luz es excepcionalmente brillante o R1 es demasiado grande, el voltaje de salida intentará superar los límites de la fuente de alimentación, recortándose ligeramente por debajo de VCC. Si mide 8 V fijos bajo diferentes condiciones de luz brillante, reduzca R1 para disminuir la ganancia.

Solución de problemas

• Síntoma: La salida está permanentemente atascada cerca del riel de alimentación positivo (VCC).
• Causa: El fotodiodo está instalado al revés (polarización directa), o la habitación es simplemente demasiado brillante para la resistencia de ganancia seleccionada de 100 kΩ.
• Solución: Verifique la orientación de D1. Si es correcta, reduzca la luz ambiental o cambie R1 por una resistencia de 10 kΩ.
• Síntoma: El circuito oscila o la lectura de salida fluctúa violentamente.
• Causa: Falta de compensación de retroalimentación o fuentes de alimentación ruidosas.
• Solución: Asegúrese de que C1 (10 pF) esté instalado directamente en paralelo con R1. Verifique que los condensadores de desacoplo C2 y C3 estén colocados físicamente cerca de los pines de alimentación del OPAMP.
• Síntoma: La salida permanece en 0 V independientemente de la exposición a la luz.
• Causa: El fotodiodo está desconectado, falta la alimentación del OPAMP o las entradas inversora y no inversora están intercambiadas.
• Solución: Compruebe la continuidad de las conexiones del fotodiodo. Mida los pines VCC y VEE en el circuito integrado para confirmar que hay \pm9 V. Verifique que la entrada no inversora esté conectada a tierra.

Posibles mejoras y extensiones

• Control de ganancia variable: Reemplace la resistencia fija de 100 kΩ (R1) con un potenciómetro de 1 MΩ en serie con una resistencia limitadora de 10 kΩ. Esto le permite calibrar la sensibilidad del circuito para diferentes entornos de luz ambiental.
• Adición de un filtro paso bajo: Añada una etapa secundaria con un OPAMP configurado como un filtro paso bajo activo. Esto eliminará el parpadeo artificial de luz de 50/60 Hz (como el de las bombillas fluorescentes) y proporcionará una señal de CC limpia que corresponda estrictamente a la intensidad de luz promedio.

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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¿Quiénes somos?

Nivel: Medio – Construye un receptor capaz de demodular una señal de audio transmitida a través de un haz de luz LED utilizando un fotodiodo.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un receptor óptico analógico utilizando un fotodiodo de alta velocidad configurado en modo fotoconductivo, seguido de un Amplificador de Transimpedancia (TIA) y un amplificador de potencia de audio. Este circuito detecta cambios en la intensidad de la luz modulados por una fuente de audio y los convierte de nuevo en señales eléctricas para excitar un altavoz.

Por qué es útil:
* Comunicaciones Ópticas Inalámbricas (OWC): Demuestra la física fundamental detrás del Li-Fi y los controles remotos infrarrojos.
* Aislamiento galvánico: Permite la transmisión de audio entre dispositivos sin una conexión física a tierra, evitando bucles de tierra.
* Seguridad: A diferencia de la radiofrecuencia (RF), las señales ópticas se confinan en la habitación y no pueden atravesar paredes opacas.
* Inmunidad a interferencias: Inmune a la interferencia electromagnética (EMI) que típicamente afecta la transmisión por cable de cobre.

Resultado esperado:
* Salida de señal: Una forma de onda de voltaje medible en la salida del TIA (V_PRE) que refleja la forma de onda de audio transmitida.
* Salida de audio: Reproducción de sonido clara a través del altavoz (LS1) cuando el fotodiodo recibe luz modulada.
* Niveles de voltaje: La salida del TIA debe oscilar sobre una polarización de CC (aprox. VCC/2) con una oscilación de señal de CA que depende de la intensidad de la luz.
* Control de volumen: Ajuste del nivel de audio mediante el potenciómetro (R_VOL).

Público objetivo: Estudiantes de electrónica y aficionados interesados en el acondicionamiento de señales analógicas.

Materiales

• V1: Fuente de voltaje de 9 V CC, función: Fuente de alimentación principal del circuito.
• D1: Fotodiodo BPW34, función: Sensor óptico (convertidor de luz a corriente).
• U1: Amplificador Operacional TL071, función: Amplificador de Transimpedancia (TIA).
• U2: CI Amplificador de Audio LM386N-1, función: Amplificación de potencia para altavoz.
• R_F: Resistencia de 100 kΩ, función: Resistencia de retroalimentación del TIA (ajusta la ganancia).
• R_B1: Resistencia de 10 kΩ, función: Parte superior del divisor de voltaje para polarización VCC/2.
• R_B2: Resistencia de 10 kΩ, función: Parte inferior del divisor de voltaje para polarización VCC/2.
• R_VOL: Potenciómetro de 10 kΩ, función: Control de volumen de audio.
• C_DEC: Condensador cerámico de 100 nF, función: Desacoplo de la fuente de alimentación.
• C_BIAS: Condensador electrolítico de 10 µF, función: Estabilizar el punto de polarización VCC/2.
• C_COUP: Condensador electrolítico de 4.7 µF, función: Bloqueo de CC entre el TIA y el amplificador de audio.
• C_OUT: Condensador electrolítico de 220 µF, función: Acoplamiento de salida para el altavoz.
• C_GAIN: Condensador electrolítico de 10 µF, función: Ajuste de ganancia del LM386 (Pines 1-8).
• LS1: Altavoz de 8 Ω / 0.5W, función: Transductor de audio.

Guía de conexionado

Esta guía define las conexiones utilizando nombres de nodo SPICE específicos: VCC, 0 (GND), V_BIAS, N_INV (Entrada inversora), V_PRE (Salida preamplificador), V_WIPER (Salida potenciómetro) y V_SPK (Salida amplificador).

Potencia y Polarización:
* V1: Terminal positivo a VCC, terminal negativo a 0.
* R_B1: Conecta entre VCC y V_BIAS.
* R_B2: Conecta entre V_BIAS y 0.
* C_BIAS: Terminal positivo a V_BIAS, terminal negativo a 0.
* C_DEC: Conecta entre VCC y 0 (cerca de U1).

Amplificador de Transimpedancia (Etapa 1):
* U1 (Op-Amp): Pin V+ a VCC, pin V- a 0. Entrada no inversora (+) a V_BIAS. Entrada inversora (-) a N_INV. Pin de salida a V_PRE.
* D1 (Fotodiodo): Cátodo a VCC, Ánodo a N_INV (Polarización inversa).
* R_F: Conecta entre N_INV y V_PRE.

Acoplamiento de señal:
* C_COUP: Terminal positivo a V_PRE, terminal negativo a NODE_POT_TOP.
* R_VOL: Terminal superior a NODE_POT_TOP, terminal inferior a 0, Cursor (Wiper) a V_WIPER.

Amplificador de Potencia (Etapa 2):
* U2 (LM386): Vs (Pin 6) a VCC, GND (Pin 4) a 0. Entrada no inversora (Pin 3) a V_WIPER. Entrada inversora (Pin 2) a 0.
* C_GAIN: Conecta entre el Pin 1 y el Pin 8 de U2 (Positivo al Pin 1).
* C_OUT: Terminal positivo a la Salida de U2 (Pin 5), terminal negativo a V_SPK.
* LS1: Conecta entre V_SPK y 0.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Title: Practical case: Modulated light audio receiver

      [ INPUT / SENSOR ]               [ STAGE 1: TIA PRE-AMP ]                  [ INTERSTAGE ]                [ STAGE 2: POWER AMP ]              [ OUTPUT ]

                                   +-----------[ R_F: 100k ]-----------+
                                     |           (Feedback)              |
                                     v                                   |
(Light) ~~~> [ D1: BPW34 ] --(I)--> [ (-) N_INV      U1: TL071      OUT ] --(V_PRE)--> [ C_COUP ] --> [ R_VOL: 10k ] --(V_WIPER)-->+
             (Photodiode)           |                                    |             (4.7uF)        (Volume Pot)                 |
                                    | (+) V_BIAS                         |                                                         |
                                    +----------------^-------------------+                                                         |
                                                     |                                                                             |
      [ POWER & BIAS ]                               |                                                                             v
                                                     |                                                                     [ IN+  U2: LM386  OUT ] --(V_SPK)--> [ C_OUT ] --> [ LS1: Speaker ]
    [ V1: 9 V DC Source ] --(VCC)--> (Powers U1, U2)  |                                                                     |                 |                (220uF)        (8 Ohm)
             |                                       |                                                                     |  Gain Pins 1-8  |                                  |
                                                  +---> [ Bias Divider ] --(VCC/2 Ref)----+                                                                     +--------+--------+                                 GND
                   (R_B1, R_B2,                                                                                                     |
                    C_BIAS)                                                                                                    [ C_GAIN ]
                                                                                                                                (10uF)

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

1. Verificación del punto de polarización: Usa un multímetro para medir el voltaje en el nodo V_BIAS. Debería ser aproximadamente 4.5 V (la mitad de VCC). Si no, revisa R_B1 y R_B2.
2. Nivel de luz ambiental: Mide el voltaje de CC en V_PRE sin ninguna señal modulada (solo luz ambiental). Debería ser ligeramente inferior a V_BIAS dependiendo del brillo ambiental que incide en D1.
3. Adquisición de señal:
   • Apunta una fuente de luz modulada (por ejemplo, un LED conectado a una salida de audio o un generador de señales) hacia D1.
   • Usa un osciloscopio en V_PRE. Deberías ver una forma de onda de CA superpuesta al nivel de CC.
   • Mide el Vpp (Voltaje pico a pico). Debería estar en el rango de 100 mV a 1 V dependiendo de la distancia y la intensidad de la luz.
4. Prueba de audio: Sube R_VOL lentamente. Deberías escuchar el audio transmitido claramente desde LS1.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Modulated light audio receiver

* --- Component Models ---
* Generic Photodiode Model
.model D_BPW34 D(Is=1n Rs=5 Cjo=10p)

* --- Subcircuits ---

* TL071 Operational Amplifier Macro Model
* Pinout: 1=NonInv 2=Inv 3=V+ 4=V- 5=Out
.SUBCKT TL071 P_NI P_INV P_VCC P_VEE P_OUT
  * Input Impedance
  Rin P_NI P_INV 1T
  * Output Stage (Behavioral with Rail Limiting)
  * Models high open-loop gain and saturation at Rails +/- 1.5V
  B1 P_OUT 0 V=V(P_VEE) + 1.5 + (V(P_VCC)-V(P_VEE)-3) * (1 / (1 + exp(-100000 * (V(P_NI)-V(P_INV)))))
.ENDS TL071

* LM386 Audio Amplifier Macro Model
* Pinout: 1=Gain 2=Inv 3=NonInv 4=GND 5=Out 6=Vs 8=Gain
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Modulated light audio receiver

* --- Component Models ---
* Generic Photodiode Model
.model D_BPW34 D(Is=1n Rs=5 Cjo=10p)

* --- Subcircuits ---

* TL071 Operational Amplifier Macro Model
* Pinout: 1=NonInv 2=Inv 3=V+ 4=V- 5=Out
.SUBCKT TL071 P_NI P_INV P_VCC P_VEE P_OUT
  * Input Impedance
  Rin P_NI P_INV 1T
  * Output Stage (Behavioral with Rail Limiting)
  * Models high open-loop gain and saturation at Rails +/- 1.5V
  B1 P_OUT 0 V=V(P_VEE) + 1.5 + (V(P_VCC)-V(P_VEE)-3) * (1 / (1 + exp(-100000 * (V(P_NI)-V(P_INV)))))
.ENDS TL071

* LM386 Audio Amplifier Macro Model
* Pinout: 1=Gain 2=Inv 3=NonInv 4=GND 5=Out 6=Vs 8=Gain
.SUBCKT LM386 P_G1 P_INV P_NI P_GND P_OUT P_VS P_G8
  * Internal Gain Resistor (1.35k) connecting Pins 1 and 8
  R_GAIN_INT P_G1 P_G8 1.35k
  * High resistance to GND to prevent floating node errors for the Gain capacitor
  R_C1 P_G1 0 100Meg
  R_C8 P_G8 0 100Meg
  
  * Audio Amplifier Behavioral Source
  * Self-biasing output to Vs/2
  * Fixed Gain approx 200 (Assuming C_GAIN is present externally)
  B_OUT P_OUT P_GND V=V(P_VS)/2 + 200*(V(P_NI)-V(P_INV))
.ENDS LM386

* --- Main Circuit ---

* Power Supply (9V)
V1 VCC 0 DC 9

* Power Supply Decoupling
C_DEC VCC 0 100n

* Bias Voltage Generator (VCC/2)
R_B1 VCC V_BIAS 10k
R_B2 V_BIAS 0 10k
C_BIAS V_BIAS 0 10u

* --- Stage 1: Transimpedance Amplifier (TIA) ---
* U1 TL071 Op-Amp
* Connections: NI=V_BIAS, INV=N_INV, V+=VCC, V-=0, OUT=V_PRE
XU1 V_BIAS N_INV VCC 0 V_PRE TL071

* Photodiode Sensor (Reverse Biased)
* Cathode to VCC, Anode to N_INV
D1 N_INV VCC D_BPW34

* Optical Signal Simulation
* Current source representing modulated light (1kHz square wave)
* Connected parallel to photodiode (Anode to Cathode current flow)
I_LIGHT N_INV VCC PULSE(0 2u 0 1u 1u 500u 1000u)

* Feedback Resistor
R_F N_INV V_PRE 100k

* --- Signal Coupling ---
* DC Blocking Capacitor
C_COUP V_PRE NODE_POT_TOP 4.7u

* Volume Potentiometer (10k)
* Modeled as voltage divider. Wiper set to 20% to manage gain.
* Top Resistor (8k)
R_VOL_TOP NODE_POT_TOP V_WIPER 8k
* Bottom Resistor (2k)
R_VOL_BOT V_WIPER 0 2k

* --- Stage 2: Power Amplifier ---
* U2 LM386 Audio Amp
* Connections: 1=GAIN_P, 2=0, 3=V_WIPER, 4=0, 5=V_AMP_OUT, 6=VCC, 8=GAIN_N
XU2 GAIN_P 0 V_WIPER 0 V_AMP_OUT VCC GAIN_N LM386

* Gain Setting Capacitor (Pins 1-8)
C_GAIN GAIN_P GAIN_N 10u

* Output Coupling Capacitor
C_OUT V_AMP_OUT V_SPK 220u

* Speaker Load (8 Ohm)
LS1 V_SPK 0 8

* --- Simulation Directives ---
* Transient analysis for 5ms to see 5 cycles of 1kHz audio
.tran 10u 5ms

* Output data for plotting
.print tran V(V_PRE) V(V_WIPER) V(V_SPK)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (623 rows)

Index   time            v(v_pre)        v(v_wiper)      v(v_spk)
0	0.000000e+00	4.499900e+00	0.000000e+00	0.000000e+00
1	1.000000e-08	4.501899e+00	3.998838e-04	7.997676e-02
2	1.083984e-08	4.502067e+00	4.334770e-04	8.669540e-02
3	1.251953e-08	4.502403e+00	5.006638e-04	1.001328e-01
4	1.587889e-08	4.503075e+00	6.350376e-04	1.270075e-01
5	2.259763e-08	4.504418e+00	9.037850e-04	1.807570e-01
6	3.603509e-08	4.507106e+00	1.441280e-03	2.882560e-01
7	6.291003e-08	4.512481e+00	2.516269e-03	5.032538e-01
8	1.166599e-07	4.523231e+00	4.666245e-03	9.332491e-01
9	2.241596e-07	4.544731e+00	8.966191e-03	1.793238e+00
10	4.391591e-07	4.587730e+00	1.756605e-02	3.513210e+00
11	8.691581e-07	4.673729e+00	3.476566e-02	6.953131e+00
12	1.000000e-06	4.699898e+00	3.999919e-02	7.999838e+00
13	1.086000e-06	4.699898e+00	3.999923e-02	7.999847e+00
14	1.257999e-06	4.699898e+00	3.999909e-02	7.999818e+00
15	1.601999e-06	4.699898e+00	3.999879e-02	7.999759e+00
16	2.289997e-06	4.699898e+00	3.999821e-02	7.999642e+00
17	3.665994e-06	4.699898e+00	3.999704e-02	7.999408e+00
18	6.417987e-06	4.699898e+00	3.999470e-02	7.998939e+00
19	1.192197e-05	4.699898e+00	3.999001e-02	7.998002e+00
20	2.192197e-05	4.699898e+00	3.998151e-02	7.996300e+00
21	3.192197e-05	4.699898e+00	3.997300e-02	7.994598e+00
22	4.192197e-05	4.699898e+00	3.996450e-02	7.992895e+00
23	5.192197e-05	4.699898e+00	3.995599e-02	7.991193e+00
... (599 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Polaridad invertida del fotodiodo: Conectar el ánodo a VCC polarizará el diodo en directa, haciendo que conduzca completamente y sature el amplificador. Solución: Asegúrate de que el Cátodo (generalmente marcado con un lado plano o una pata más corta) vaya a VCC.
2. Omitir condensadores de bloqueo de CC: Conectar la salida del TIA directamente al potenciómetro de volumen del LM386 puede alterar la polarización del amplificador de audio. Solución: Usa siempre C_COUP para pasar solo la señal de audio y bloquear el desplazamiento de CC.
3. Saturación óptica: Probar bajo luz solar directa o luz artificial muy fuerte satura el fotodiodo, aplanando la señal. Solución: Usa un escudo óptico (un tubo negro) alrededor de D1 para limitar el campo de visión solo al transmisor.

Solución de problemas

• Síntoma: Zumbido fuerte y constante.
  • Causa: Captación de ruido de 50Hz/60Hz de la iluminación ambiental de la habitación (fluorescente/red eléctrica).
  • Solución: Apaga las luces de la habitación o usa un filtro óptico (plástico rojo/IR) sobre D1.
• Síntoma: No hay audio, pero V_PRE muestra señal.
  • Causa: R_VOL está al mínimo o el cableado del LM386 es incorrecto.
  • Solución: Verifica la conexión del cursor del potenciómetro y asegúrate de que los pines de alimentación de U2 sean correctos.
• Síntoma: La señal está recortada (cuadrada) en el TIA.
  • Causa: La resistencia de ganancia R_F es demasiado alta para la intensidad de luz recibida.
  • Solución: Reduce R_F a 47 kΩ o aleja más el transmisor.

Posibles mejoras y extensiones

1. Filtro paso banda: Reemplaza R_F con una red en T o añade un condensador en paralelo para crear un filtro paso bajo, y añade una etapa de filtro paso alto para eliminar el zumbido de la red de 50/60Hz.
2. Salida Schmitt Trigger: Alimenta la salida de V_PRE a un comparador o Schmitt trigger (como un 74HC14) para convertir el receptor de audio analógico en un receptor de datos digital para transmisión UART.

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

Sígueme:

¿Quiénes somos?

Nivel: Medio – Diseña un sistema de medición de RPM utilizando un fotodiodo en modo fotoconductivo para detectar interrupciones de luz.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un circuito sensor óptico sin contacto que convierte las interrupciones de luz causadas por una hélice giratoria en un tren de pulsos digitales limpios. El sistema utiliza un fotodiodo en polarización inversa (modo fotoconductivo) para detectar cambios en la intensidad de la luz, un comparador para digitalizar la señal analógica y un inversor lógico para hacer de buffer de la salida.

Por qué es útil:
* Sistemas de control de velocidad: Proporciona retroalimentación para controladores PID para mantener una velocidad constante del motor bajo cargas variables.
* Monitoreo de cintas transportadoras: Detecta atascos o paradas monitoreando la rotación de los rodillos de transmisión.
* Detección de fallos en ventiladores: Se utiliza en servidores y equipos industriales para activar alarmas si los ventiladores de refrigeración dejan de girar.
* Medición sin contacto: Permite medir piezas mecánicas de alta velocidad sin añadir fricción ni desgaste físico.

Resultado esperado:
* Generación de señal: Una salida de onda cuadrada (VOUT) donde la frecuencia es proporcional a la velocidad del motor.
* Indicación visual: Un LED indicador parpadea en sincronía con el paso de la aspa de la hélice (visible a bajas velocidades).
* Niveles de voltaje: El voltaje analógico del sensor oscila entre ≈ 0 V (oscuridad) y $>2 V$ (luz), convertido a niveles lógicos TTL de 5 V válidos en la salida.
* Público objetivo: Estudiantes de electrónica y aficionados familiarizados con amplificadores operacionales básicos y semiconductores discretos.

Materiales

Lista de materiales:
* V1: Fuente de 5 V DC, función: Alimentación principal del circuito.
* V2: Fuente de 5 V DC, función: Alimentación para la fuente de luz externa (o compartida con V1).
* D1: Fotodiodo BPW34 (o genérico), función: Sensor de luz (Polarización inversa).
* R1: Resistencia de 100 kΩ, función: Conversión de corriente a voltaje (Resistencia de ganancia).
* RV1: Potenciómetro de 10 kΩ, función: Voltaje de referencia ajustable (VREF) para el comparador.
* U1: Op-Amp LM358, función: Comparador de voltaje.
* U2: Inversor Hexagonal 74HC04, función: Buffer e inversión de señal.
* R2: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente del LED de salida.
* D2: LED rojo, función: Indicador de pulso.
* L1: LED blanco o linterna, función: Fuente de luz externa apuntando a D1.
* M1: Motor DC con una hélice/ventilador, función: Objeto a medir (corta el haz de luz).

Pin-out del CI utilizado

Chip seleccionado: 74HC04 (Inversor Hexagonal)

Nota: El pinout del Op-Amp LM358 es estándar (Pin 8: VCC, Pin 4: GND, Pin 3: Entrada no inversora, Pin 2: Entrada inversora, Pin 1: Salida).

Guía de conexionado

Construye el circuito siguiendo estas conexiones de nodos. Asegúrate de que el fotodiodo esté protegido de la luz ambiental para obtener mejores resultados.

• Nodos de Alimentación:

  • VCC: Conecta el terminal positivo de V1, el Pin 8 de U1 (LM358), el Pin 14 de U2 (74HC04) y un lado de RV1.
  • 0 (GND): Conecta el terminal negativo de V1, el Pin 4 de U1, el Pin 7 de U2, el otro lado de RV1, el Ánodo de D1 y el Cátodo de D2.

• Etapa del Sensor (Modo Fotoconductivo):

  • VSENS: Conecta el Cátodo de D1 (Fotodiodo), un extremo de R1 y el Pin 3 (Entrada no inversora) de U1.
  • Conecta el otro extremo de R1 a VCC.
  • Nota: Esta configuración crea un divisor de voltaje. Cuando la luz golpea a D1, fluye corriente inversa, bajando el voltaje en VSENS. Oscuridad = Voltaje Alto (cerca de VCC); Luz = Voltaje Bajo.

• Etapa del Comparador:

  • VREF: Conecta el cursor (pin central) de RV1 al Pin 2 (Entrada inversora) de U1.
  • VCOMP: Conecta el Pin 1 (Salida) de U1 al Pin 1 (Entrada 1 A) de U2.

• Etapa de Salida:

  • VOUT: Conecta el Pin 2 (Salida 1Y) de U2 a un extremo de R2. Este es tu punto de medición para el osciloscopio.
  • Conecta el otro extremo de R2 al Ánodo de D2 (LED).

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Title: Practical case: Optical tachometer for DC motor

      [ INPUTS / SENSORS ]                     [ LOGIC / PROCESSING ]                  [ OUTPUTS ]

[ Light Source L1 ]
        |
   (Light Beam)
        |
        v
[ Motor M1 (Propeller) ]
        |
 (Interrupted Beam)
        |
        v
[ Photodiode D1 ] --(VSENS: Pin 3)-->+----------------+
(Rev-Biased w/ R1)                   |                |
                                     |   U1: LM358    |
                                     |   Comparator   | --(VCOMP: Pin 1)-->+
                                     |                |                    |
[ Potentiometer RV1 ] --(VREF: Pin 2)-->+----------------+                    |
(Adjust Sensitivity)                                                       |
                                                                           v
                                                                   +----------------+
                                                                   |                |
                                                                   |   U2: 74HC04   |
                                                                   |  Hex Inverter  |
                                                                   |                |
                                                                   +-------+--------+
                                                                           |
                                                                     (VOUT: Pin 2)
                                                                           |
                                                               +--------(Scope Probe)-->
                                                                           |
                                                                           v
                                                                    [ Resistor R2 ]
                                                                           |
                                                                           v
                                                                      [ LED D2 ]
                                                                           |
                                                                           v
                                                                         (GND)

Diagrama eléctrico

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Tabla de verdad (Etapa lógica)

Esta tabla describe el flujo lógico desde el estado físico hasta la salida eléctrica final.

Nota: Dado que la configuración del sensor lleva VSENS a nivel bajo cuando está iluminado, la salida del Comparador pasa a Bajo cuando hay luz. El 74HC04 invierte esto, por lo que el LED se ENCIENDE cuando la luz pasa a través.

Mediciones y pruebas

1. Calibración (Prueba Estática):

   • Enciende el sistema (V1 = 5 V).
   • Asegúrate de que la fuente de luz L1 brille directamente sobre D1.
   • Mide VSENS con un multímetro. Debería ser bajo (ej. 1 V – 2 V) debido a la fotocorriente.
   • Bloquea la luz con tu mano. VSENS debería subir cerca de VCC (ej. 4.5 V).
   • Ajusta el potenciómetro RV1 para que VREF esté exactamente en el medio de estos dos valores (ej. si Oscuro=4.5 V y Luz=1.5 V, ajusta VREF a 3.0 V).

2. Prueba Dinámica:

   • Coloca el motor M1 de manera que su hélice corte el haz entre L1 y D1.
   • Conecta el Canal 1 de tu osciloscopio a VOUT.
   • Haz funcionar el motor. Deberías ver un tren de ondas cuadradas.

3. Cálculo:

   • Mide la frecuencia ($f$) de la señal en VOUT en Hertz.
   • Cuenta el número de aspas ($N$) en tu hélice.
   • Calcula las RPM: RPM = ≤ft( (f / N) \right) × 60.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Optical tachometer for DC motor

* ==========================================
* Models and Definitions
* ==========================================

* Photodiode Model (Generic BPW34)
.model D_BPW34 D(IS=10n N=1.1 RS=5 CJO=20p)

* Output LED Model (Red)
.model LED_Red D(IS=1u N=1.8 RS=5 BV=5 IBV=10u)

* External Light Source LED Model (White)
.model LED_White D(IS=1n N=2.5 RS=10 BV=5 IBV=10u)

* Subcircuit: LM358 Op-Amp (Comparator Mode)
* Pins: OUT INM INP GND VCC
.subckt LM358 OUT INM INP GND VCC
* Dummy resistors to ensure DC path for all pins (avoids floating node warnings)
R_supply VCC GND 100Meg
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Optical tachometer for DC motor

* ==========================================
* Models and Definitions
* ==========================================

* Photodiode Model (Generic BPW34)
.model D_BPW34 D(IS=10n N=1.1 RS=5 CJO=20p)

* Output LED Model (Red)
.model LED_Red D(IS=1u N=1.8 RS=5 BV=5 IBV=10u)

* External Light Source LED Model (White)
.model LED_White D(IS=1n N=2.5 RS=10 BV=5 IBV=10u)

* Subcircuit: LM358 Op-Amp (Comparator Mode)
* Pins: OUT INM INP GND VCC
.subckt LM358 OUT INM INP GND VCC
* Dummy resistors to ensure DC path for all pins (avoids floating node warnings)
R_supply VCC GND 100Meg
R_inM    INM GND 100Meg
R_inP    INP GND 100Meg
* Behavioral Output: High (VCC) if INP > INM, Low (GND) otherwise
B_Out OUT GND V = (V(VCC)-V(GND)) * (1 / (1 + exp(-100 * (V(INP)-V(INM)))))
.ends LM358

* Subcircuit: 74HC04 Hex Inverter (Single Gate)
* Pins: IN OUT GND VCC
.subckt 74HC04_Gate IN OUT GND VCC
* Dummy resistors
R_supply VCC GND 100Meg
R_in     IN  GND 100Meg
* Inverter Logic: High if IN < 2.5V
B_Out OUT GND V = (V(VCC)-V(GND)) * (1 / (1 + exp(100 * (V(IN) - 2.5))))
.ends 74HC04_Gate

* ==========================================
* Circuit Instantiation
* ==========================================

* --- Power Supply Section ---
* V1: 5V DC Supply for the main circuit (VCC)
V1 VCC 0 DC 5

* V2: 5V DC Supply for external components (Motor/Light)
V2 VCC_EXT 0 DC 5

* --- Environment (Physical BOM Components) ---
* L1: White LED (External Light Source)
* Modeled as electrical load on V2. Light emission is implicit.
R_L1 VCC_EXT N_L1 220
D_L1 N_L1 0 LED_White

* M1: DC Motor (Propeller)
* Modeled as electrical load on V2. Rotation is simulated by the chopper signal.
R_M1 VCC_EXT N_M1 20
L_M1 N_M1 0 10m

* Optical Interaction Simulation:
* V_Chopper simulates the propeller cutting the light beam from L1 to D1.
* 1V = Light Passing (Gap), 0V = Light Blocked (Blade).
* Frequency approx 500Hz (2ms period).
V_Chopper V_OPT_LINK 0 PULSE(0 1 0 100u 100u 800u 2000u)

* --- Sensor Stage ---
* R1: 100k Resistor (Pull-up) connecting VCC to VSENS
R1 VCC VSENS 100k

* D1: BPW34 Photodiode
* Wiring: Cathode to VSENS, Anode to GND (Reverse Biased)
D1 0 VSENS D_BPW34

* Photocurrent Injection (Behavioral):
* Represents light hitting D1 when V_OPT_LINK is High.
* Current flows Cathode to Anode (VSENS to GND). I_photo = 50uA.
B_Photo VSENS 0 I = V(V_OPT_LINK) * 50u

* --- Comparator Stage ---
* RV1: 10k Potentiometer (Reference Voltage)
* Configured as 50% divider (5k + 5k) setting VREF to ~2.5V.
R_RV1_Top VCC VREF 5k
R_RV1_Bot VREF 0 5k

* U1: LM358 Op-Amp configured as Comparator
* Pin 8=VCC, Pin 4=GND, Pin 3=VSENS (Non-Inv), Pin 2=VREF (Inv), Pin 1=VCOMP
XU1 VCOMP VREF VSENS 0 VCC LM358

* --- Buffer/Inverter Stage ---
* U2: 74HC04 Hex Inverter (Gate 1)
* Pin 14=VCC, Pin 7=GND, Pin 1=VCOMP (Input), Pin 2=VOUT (Output)
XU2 VCOMP VOUT 0 VCC 74HC04_Gate

* --- Output Stage ---
* R2: 330 Ohm Current Limiting Resistor
R2 VOUT LED_A 330

* D2: Red LED (Signal Indicator)
* Wiring: Anode to R2, Cathode to GND
D2 LED_A 0 LED_Red

* ==========================================
* Analysis Commands
* ==========================================

* Transient analysis: 10ms to capture 5 pulses
.tran 100u 10ms

* Monitor signals
.print tran V(VSENS) V(VREF) V(VCOMP) V(VOUT) V(LED_A) V(V_OPT_LINK)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (526 rows)

Index   time            v(vsens)        v(vref)         v(vcomp)
0	0.000000e+00	4.994005e+00	2.499938e+00	5.000000e+00
1	1.000000e-06	4.966501e+00	2.499938e+00	5.000000e+00
2	2.000000e-06	4.926705e+00	2.499938e+00	5.000000e+00
3	4.000000e-06	4.836178e+00	2.499938e+00	5.000000e+00
4	8.000000e-06	4.635945e+00	2.499938e+00	5.000000e+00
5	1.600000e-05	4.238426e+00	2.499938e+00	5.000000e+00
6	3.200000e-05	3.442420e+00	2.499938e+00	5.000000e+00
7	6.400000e-05	1.854804e+00	2.499938e+00	4.799431e-28
8	1.000000e-04	8.527235e-02	2.499938e+00	5.000000e-99
9	1.009874e-04	5.613111e-02	2.499938e+00	5.038370e-99
10	1.029622e-04	1.810390e-02	2.499938e+00	5.069277e-99
11	1.055177e-04	3.702381e-03	2.499938e+00	5.376972e-99
12	1.063053e-04	2.444841e-03	2.499938e+00	6.193694e-99
13	1.072769e-04	1.458053e-03	2.499938e+00	5.050362e-99
14	1.083003e-04	8.469348e-04	2.499938e+00	4.694441e-99
15	1.095417e-04	4.347045e-04	2.499938e+00	5.049162e-99
16	1.109578e-04	2.013374e-04	2.499938e+00	4.883316e-99
17	1.123791e-04	9.296145e-05	2.499938e+00	4.945812e-99
18	1.143288e-04	3.056502e-05	2.499938e+00	4.968802e-99
19	1.167173e-04	7.196143e-06	2.499938e+00	4.988316e-99
20	1.202744e-04	2.927790e-07	2.499938e+00	4.996548e-99
21	1.252257e-04	-3.66547e-08	2.499938e+00	4.999835e-99
22	1.343972e-04	1.488928e-08	2.499938e+00	5.000026e-99
23	1.527400e-04	-9.71180e-09	2.499938e+00	4.999988e-99
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Errores comunes y cómo evitarlos

1. Polaridad del fotodiodo invertida: En modo fotoconductivo, el fotodiodo DEBE estar polarizado inversamente (Cátodo a potencial positivo relativo al Ánodo). Si se conecta en directa, actúa como un diodo normal y no detectará la luz eficazmente.
   • Solución: Verifica el lado plano o el terminal más corto del fotodiodo y asegúrate de que se conecta al nodo VSENS (que está conectado a VCC vía R1).
2. Voltaje de Referencia (VREF) incorrecto: Si VREF se ajusta demasiado alto (por encima del voltaje en oscuridad) o demasiado bajo (por debajo del voltaje en luz), el comparador nunca conmutará.
   • Solución: Siempre mide VSENS en ambos estados (oscuro y luz) antes de ajustar RV1.
3. Interferencia de Luz Ambiental: La iluminación de la habitación (especialmente luces fluorescentes parpadeando a 50/60Hz) puede activar el sensor falsamente.
   • Solución: Usa un tubo opaco (termorretráctil o la carcasa de un bolígrafo) alrededor del fotodiodo para estrechar su campo de visión estrictamente a la fuente de luz.

Solución de problemas

• Síntoma: El LED está siempre ENCENDIDO o siempre APAGADO.
  • Causa: VREF no está ajustado correctamente o la fuente de luz es demasiado débil.
  • Solución: Reajusta RV1. Asegúrate de que L1 sea brillante y esté alineada.
• Síntoma: La señal de salida es inestable o tiene múltiples picos por pulso.
  • Causa: Transiciones ruidosas cuando el voltaje cruza el umbral lentamente.
  • Solución: Añade una pequeña resistencia de histéresis (ej. 1 MΩ) entre VCOMP y el Pin 3 de U1, o asegúrate de que la transición óptica sea nítida (haz enfocado).
• Síntoma: VSENS no cambia significativamente con la luz.
  • Causa: El valor de R1 es demasiado bajo para la sensibilidad de D1.
  • Solución: Aumenta R1 a 220 kΩ o 470 kΩ para aumentar la ganancia de voltaje (V = Ifoto × R1).

Posibles mejoras y extensiones

1. Histéresis (Trigger Schmitt): Modifica el circuito del Op-Amp para incluir retroalimentación positiva. Esto crea dos voltajes de umbral distintos, haciendo al sistema inmune al ruido alrededor del punto de conmutación.
2. Modo Sensor Reflectivo: En lugar de colocar la fuente de luz opuesta al sensor (transmisivo), colócalos lado a lado. Pinta las aspas de la hélice de negro (no reflectante) y blanco (reflectante). Esto permite medir RPM en motores donde no puedes acceder a ambos lados de las aspas.

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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