Nivel: Medio. Diseñar un oscilador astable NE555 donde una LDR modula la frecuencia de salida en función de la luz ambiental.

Objetivo y caso de uso

En este proyecto, construirás un oscilador astable utilizando el CI temporizador 555, donde una resistencia dependiente de la luz (LDR) sustituye a una de las resistencias de temporización estándar. Esta sustitución cambia dinámicamente el tono de un altavoz piezoeléctrico dependiendo de la cantidad de luz que incide sobre el sensor.

Este circuito es muy útil en el mundo real:
* Sirve como sensor auditivo para advertencias luminosas, como una alarma para la puerta de un refrigerador que se ha quedado abierta.
* Actúa como un bloque de construcción fundamental para instrumentos musicales electrónicos sencillos, como un theremín óptico básico.
* Proporciona indicadores de accesibilidad, ofreciendo una retroalimentación de audio distintiva para que los usuarios con discapacidad visual sepan si las luces están encendidas o apagadas en una habitación.
* Demuestra cómo convertir una propiedad física analógica variable (luminosidad) en una señal eléctrica modulada en frecuencia.

Resultado esperado:
* El altavoz piezoeléctrico emitirá un tono continuo y audible.
* La frecuencia (tono) del sonido aumentará significativamente cuando la LDR se exponga a luz brillante.
* La frecuencia del sonido caerá a un tono más grave cuando la LDR esté cubierta o en un entorno oscuro.
* El condensador de temporización principal se cargará y descargará continuamente entre 1/3 y 2/3 del voltaje de alimentación.

Público objetivo y nivel: Estudiantes de electrónica de nivel intermedio que buscan combinar sensores analógicos con CIs de temporización estándar.

Materiales

• V1: Fuente de alimentación de 9 V CC
• U1: CI temporizador NE555, función: oscilador astable
• R1: Resistencia de 1 kΩ, función: resistencia de temporización fija que limita la corriente de descarga
• R2: Fotorresistencia (LDR), función: resistencia de temporización variable modulada por luz
• C1: Condensador cerámico de 100 nF, función: condensador principal de temporización del oscilador
• C2: Condensador cerámico de 10 nF, función: estabilización del voltaje de control para U1
• C3: Condensador electrolítico de 10 µF, función: acoplamiento de CA para el altavoz
• LS1: Altavoz piezoeléctrico, función: salida de audio

Guía de conexionado

• V1: se conecta entre el nodo VCC y el nodo 0 (GND).
• U1 Pin 1 (GND): se conecta al nodo 0.
• U1 Pin 8 (VCC): se conecta al nodo VCC.
• U1 Pin 4 (RESET): se conecta al nodo VCC.
• U1 Pin 7 (DISCHARGE): se conecta al nodo DISCH.
• U1 Pin 2 (TRIGGER): se conecta al nodo TRIG_THR.
• U1 Pin 6 (THRESHOLD): se conecta al nodo TRIG_THR.
• U1 Pin 5 (CONTROL): se conecta al nodo CTRL.
• U1 Pin 3 (OUTPUT): se conecta al nodo OUT.
• R1: se conecta entre el nodo VCC y el nodo DISCH.
• R2: se conecta entre el nodo DISCH y el nodo TRIG_THR.
• C1: se conecta entre el nodo TRIG_THR y el nodo 0.
• C2: se conecta entre el nodo CTRL y el nodo 0.
• C3: se conecta entre el nodo OUT (terminal positivo) y el nodo SPK_IN (terminal negativo).
• LS1: se conecta entre el nodo SPK_IN y el nodo 0.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Inputs / Timing Network                                        Processing                      Output / Load
=======================                                        ==========                      =============

[ VCC --> R1: 1 kΩ ] -----------------------(DISCH: Pin 7)----> [ U1: NE555 Timer ]
                                                               [                 ]
[ Node DISCH --> R2: LDR (Light Mod.) ] ---(TRIG_THR: Pins 2,6)[                 ]
                                                               [  (Oscillator)   ] --(OUT: Pin 3)--> [ C3: 10µF ] --(SPK_IN)--> [ LS1: Speaker ] --> GND
[ Node TRIG_THR --> C1: 100nF --> GND ] ---(Timing Ref)------> [                 ]
                                                               [                 ]
[ Node CTRL --> C2: 10nF --> GND ] --------(CTRL: Pin 5)-----> [                 ]

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

1. Resistencia de la LDR: Antes de insertar la LDR en el circuito, mide su resistencia con un multímetro digital. Registra el valor en oscuridad absoluta (debería ser muy alto, ej., > 50 kΩ) y bajo la iluminación directa de una linterna (debería disminuir significativamente, ej., < 1 kΩ).
2. Voltaje del condensador: Alimenta el circuito ensamblado. Usa un osciloscopio para sondear el nodo TRIG_THR con respecto a tierra (nodo 0). Deberías observar una forma de onda continua de carga y descarga (similar a una aleta de tiburón o un triángulo) oscilando exactamente entre 3 V y 6 V (que corresponden a 1/3 y 2/3 de la fuente de 9 V).
3. Frecuencia de salida: Conecta un osciloscopio o un frecuencímetro al nodo OUT con respecto a tierra. Ilumina directamente la LDR con una linterna y observa cómo la frecuencia aumenta rápidamente. Cubre el sensor con tu mano para simular la oscuridad y observa cómo la frecuencia cae.

Netlist SPICE y simulación

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

* Light-controlled oscillator (NE555 astable)
.width out=256

.op
.tran 10u 5m uic
.print tran V(TRIG_THR) V(OUT) V(VCC) V(SPK_IN)

* Power Supply
V1 VCC 0 DC 9

* 555 Timer IC Subcircuit Definition
.subckt NE555 1 2 3 4 5 6 7 8
* Pins: 1:GND 2:TRIG 3:OUT 4:RESET 5:CTRL 6:THR 7:DISCH 8:VCC
* Internal voltage divider
R1 8 5 5k
R2 5 N_TRIG_REF 5k
R3 N_TRIG_REF 1 5k

* Comparators using continuous tanh functions for robust convergence
B_S N_S 1 V=0.5 + 0.5*tanh(100 * (V(N_TRIG_REF) - V(2)))
* ... (truncated in public view) ...

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* Light-controlled oscillator (NE555 astable)
.width out=256

.op
.tran 10u 5m uic
.print tran V(TRIG_THR) V(OUT) V(VCC) V(SPK_IN)

* Power Supply
V1 VCC 0 DC 9

* 555 Timer IC Subcircuit Definition
.subckt NE555 1 2 3 4 5 6 7 8
* Pins: 1:GND 2:TRIG 3:OUT 4:RESET 5:CTRL 6:THR 7:DISCH 8:VCC
* Internal voltage divider
R1 8 5 5k
R2 5 N_TRIG_REF 5k
R3 N_TRIG_REF 1 5k

* Comparators using continuous tanh functions for robust convergence
B_S N_S 1 V=0.5 + 0.5*tanh(100 * (V(N_TRIG_REF) - V(2)))
B_R N_R 1 V=0.5 + 0.5*tanh(100 * (V(6) - V(5)))
B_RESET N_RESET 1 V=0.5 + 0.5*tanh(100 * (0.7 - (V(4) - V(1))))

* SR Latch (Behavioral RC model ensuring smooth transitions)
B_INT N_INT 1 V=(V(N_RESET)<=0.5) * ( (V(N_S)>=0.5) + (V(N_S)<0.5) * (V(N_R)<=0.5) * V(N_INT_CAP) )
R_INT N_INT N_INT_CAP 100
C_INT N_INT_CAP 1 1n

* Output stage (Push-pull behavior)
B_OUT N_OUT 1 V=(V(N_INT_CAP)>0.5) * V(8)
R_OUT N_OUT 3 10

* Discharge stage (Open collector behavior)
B_DISCH 7 1 I=V(7) * ( (V(N_INT_CAP)<0.5)*0.1 + (V(N_INT_CAP)>=0.5)*1e-9 )
.ends

* Main Circuit
XU1 0 TRIG_THR OUT VCC CTRL TRIG_THR DISCH VCC NE555
R1 VCC DISCH 1k
R2 DISCH TRIG_THR 10k
C1 TRIG_THR 0 100n
C2 CTRL 0 10n
C3 OUT SPK_IN 10u
RLS1 SPK_IN 0 1k

.end
* --- GPT review (BOM/Wiring/SPICE) ---
* circuit_ok=true
* simulation_summary: The transient simulation shows the trigger/threshold voltage oscillating between approximately 3V (1/3 VCC) and 6V (2/3 VCC), and the output toggling between near 0V and near 9V. The AC-coupled speaker input (SPK_IN) correctly centers around 0V during operation.
* bom_vs_spice equivalences ignored:
*   - Photoresistor (LDR) R2 modeled as a fixed 10k resistor.
*   - Piezoelectric speaker LS1 modeled as a 1k resistor RLS1.
* overall_comment: The SPICE netlist accurately represents the light-controlled oscillator described in the BOM and wiring guide. The NE555 subcircuit functions correctly as an astable multivibrator, and the simulation results confirm the expected oscillation. The circuit is perfectly suitable as a didactic example.
* --------------------------------------

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The transient simulation shows the trigger/threshold voltage oscillating between approximately 3V (1/3 VCC) and 6V (2/3 VCC), and the output toggling between near 0V and near 9V. The AC-coupled speaker input (SPK_IN) correctly centers around 0V during operation.

Show raw data table (631 rows)

Index   time            v(trig_thr)     v(out)          v(vcc)          v(spk_in)
0	1.000000e-07	8.901188e-06	0.000000e+00	9.000000e+00	0.000000e+00
1	1.014392e-07	2.067642e-05	8.910891e+00	9.000000e+00	8.910890e+00
2	1.043176e-07	4.422687e-05	8.910891e+00	9.000000e+00	8.910887e+00
3	1.100744e-07	9.132756e-05	8.910891e+00	9.000000e+00	8.910882e+00
4	1.215880e-07	1.855282e-04	8.910891e+00	9.000000e+00	8.910872e+00
5	1.446152e-07	3.739266e-04	8.910891e+00	9.000000e+00	8.910852e+00
6	1.906696e-07	7.507115e-04	8.910892e+00	9.000000e+00	8.910811e+00
7	2.827784e-07	1.504234e-03	8.910893e+00	9.000000e+00	8.910730e+00
8	4.361485e-07	2.758782e-03	8.910894e+00	9.000000e+00	8.910595e+00
9	6.136134e-07	4.210203e-03	8.910896e+00	9.000000e+00	8.910438e+00
10	8.824756e-07	6.408686e-03	8.910898e+00	9.000000e+00	8.910201e+00
11	1.315870e-06	9.951414e-03	8.910902e+00	9.000000e+00	8.909818e+00
12	2.182659e-06	1.703268e-02	8.910909e+00	9.000000e+00	8.909054e+00
13	3.916236e-06	3.117850e-02	8.910925e+00	9.000000e+00	8.907525e+00
14	7.383392e-06	5.940335e-02	8.910955e+00	9.000000e+00	8.904468e+00
15	1.000000e-05	8.064538e-02	8.910978e+00	9.000000e+00	8.902161e+00
16	1.069343e-05	8.626452e-02	8.910985e+00	9.000000e+00	8.901550e+00
17	1.208029e-05	9.749572e-02	8.910997e+00	9.000000e+00	8.900328e+00
18	1.485402e-05	1.199157e-01	8.911021e+00	9.000000e+00	8.897884e+00
19	2.040147e-05	1.645865e-01	8.911070e+00	9.000000e+00	8.892998e+00
20	3.040147e-05	2.445449e-01	8.911158e+00	9.000000e+00	8.884197e+00
21	4.040147e-05	3.237797e-01	8.911246e+00	9.000000e+00	8.875405e+00
22	5.040147e-05	4.022975e-01	8.911334e+00	9.000000e+00	8.866622e+00
23	6.040147e-05	4.801047e-01	8.911422e+00	9.000000e+00	8.857848e+00
... (607 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

• Intercambiar las posiciones de R1 y la LDR: Si la LDR se coloca entre VCC y el pin 7 (DISCHARGE), la luz intensa reducirá su resistencia a casi cero. Cuando el NE555 intente descargar el condensador conectando el pin 7 a tierra, creará un casi cortocircuito desde VCC hasta tierra, lo que podría destruir el CI. Mantén siempre una resistencia de seguridad fija (R1) en la posición superior.
• Elegir el valor incorrecto para C1: Si C1 es demasiado grande (como un condensador electrolítico de 10 µF), el oscilador funcionará a una frecuencia sub-audio, produciendo una serie de clics en lugar de un tono. Mantente en el rango de 10 nF a 100 nF para obtener resultados audibles.
• Omitir el condensador de acoplamiento de CA (C3): Conectar el altavoz piezoeléctrico directamente desde el pin de salida a tierra fuerza un desplazamiento de CC constante a través del altavoz, lo que consume energía innecesaria y puede degradar el componente con el tiempo. Utiliza siempre un condensador de acoplamiento de CA para bloquear la componente de CC.

Solución de problemas

• Síntoma: El altavoz emite un sonido de chasquido o tictac continuo en lugar de un tono musical.
  • Causa: La frecuencia de oscilación es demasiado baja, probablemente por debajo de 20 Hz.
  • Solución: Comprueba el valor de C1. Asegúrate de que es un condensador cerámico de 100 nF (a menudo marcado como 104) y no un condensador electrolítico mucho más grande. Además, asegúrate de que la LDR no esté en oscuridad total.
• Síntoma: No se produce ningún sonido y el chip NE555 se siente caliente al tacto.
  • Causa: Un cortocircuito durante el ciclo de descarga.
  • Solución: Desconecta la alimentación inmediatamente. Verifica que R1 sea una resistencia fija de 1 kΩ y que la LDR esté colocada estrictamente entre los pines 7 y 6, NO entre VCC y el pin 7.
• Síntoma: Se escucha un tono, pero el tono apenas cambia al pasar la mano sobre el sensor.
  • Causa: La variación de resistencia de la LDR en las condiciones de iluminación actuales es demasiado pequeña, o la luz ambiental de la habitación es demasiado uniforme.
  • Solución: Prueba el circuito iluminando la LDR directamente con una fuente de luz muy enfocada (como la linterna de un smartphone), y luego cúbrela completamente con un vaso oscuro. Si el tono sigue sin cambiar mucho, verifica que R2 sea efectivamente una LDR y no una resistencia fija estándar por error.

Posibles mejoras y extensiones

• Potenciómetro de sintonización manual: Añade un potenciómetro de 10 kΩ en serie con la LDR. Esto te permite compensar manualmente la resistencia total, proporcionando una forma de ajustar el «tono base» del oscilador para diferentes condiciones de iluminación de la habitación.
• Respuesta a la luz inversa: Modifica la configuración para que el tono disminuya a medida que aumenta la luz. Esto se puede lograr recableando la sección de temporización (teniendo en cuenta las resistencias de seguridad) o usando un transistor secundario para invertir el comportamiento de la LDR sobre el voltaje de control (Pin 5) del NE555 en lugar de la red de temporización estándar.

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

Objetivo y caso de uso

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

Por qué es útil:

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

Resultado esperado:

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

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

Materiales

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

Guía de conexionado

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

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Practical case: Shadow detector for visual alert

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

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

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

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

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

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

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

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

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

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

5. Comprobación de alimentación

6. Alimenta el circuito con V1 = 5 V.

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

8. Medición de la tensión del sensor

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

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

12. Medición de la respuesta filtrada

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

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

16. Ajuste del umbral

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

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

19. Verificación de la histéresis

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

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

23. Prueba de tiempo de respuesta

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

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

28. Prueba de activación falsa

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

Netlist SPICE y simulación

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

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

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

V1 VCC 0 DC 5

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

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

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

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

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

V1 VCC 0 DC 5

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

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

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

R3 VA VB 22k
C1 VB 0 10u

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

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

R5 VOUT VREF 220k
R6 VCC VOUT 10k

R7 VCC VLED 330
D1 VLED VOUT DRED

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

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

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

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation is consistent with a shadow detector. In bright condition, VA and VB are high, VB is above VREF, the LM393 output transistor is off, and VOUT stays high at about 4.89 V so the LED is off. After the light-to-shadow transition, VA drops, VB falls slowly because of the R3-C1 filter, and when VB crosses below VREF at about 0.168 s, VOUT is pulled low to about 18 mV and the LED turns on. When light returns, VB rises slowly again, so the alert remains on for a while before resetting, consistent with RC filtering and hysteresis.

Show raw data table (5027 rows)

Index   time            v(in)           v(out)          v(vb)           v(vout)         v(vref)         v(va)           v(vled)         v(lux)
0	0.000000e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
1	1.000000e-06	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
2	2.000000e-06	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
3	4.000000e-06	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
4	8.000000e-06	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
5	1.600000e-05	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
6	3.200000e-05	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
7	6.400000e-05	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
8	1.280000e-04	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
9	2.280000e-04	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
10	3.280000e-04	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
11	4.280000e-04	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
12	5.280000e-04	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
13	6.280000e-04	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
14	7.280000e-04	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
15	8.280000e-04	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
16	9.280000e-04	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
17	1.028000e-03	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
18	1.128000e-03	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
19	1.228000e-03	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
20	1.328000e-03	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
21	1.428000e-03	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
22	1.528000e-03	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
23	1.628000e-03	3.571429e+00	4.892473e+00	3.571429e+00	4.892473e+00	2.526882e+00	3.571429e+00	5.000000e+00	0.000000e+00
... (5003 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

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

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

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

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

5. No usar histéresis cerca del umbral

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

Solución de problemas

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

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

• Síntoma: el LED está siempre encendido

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

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

• Síntoma: el LED parpadea cerca del punto de conmutación

• Causa: filtrado o histéresis insuficientes.

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

• Síntoma: la tensión de salida en VOUT nunca sube

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

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

• Síntoma: la respuesta es demasiado lenta

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

Posibles mejoras y extensiones

1. Añadir una salida con zumbador

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

3. Usar una ventana de doble umbral

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

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).

Sígueme:

¿Quiénes somos?

Nivel: Medio
Diseña un circuito que disminuya la intensidad de la retroiluminación LED a medida que aumenta la luz ambiental.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un controlador PWM (Modulación por Ancho de Pulso) utilizando un temporizador 555 y una fotorresistencia (LDR). El circuito ajustará automáticamente el ciclo de trabajo de la señal de salida basándose en los niveles de luz ambiental, controlando un MOSFET de potencia para atenuar una tira de LED.

Por qué es útil:
* Eficiencia energética: Reduce el consumo de energía en entornos de alto brillo donde la retroiluminación podría ser menos visible o necesaria (dependiendo del tipo de pantalla).
* Luces nocturnas automáticas: Útil para sistemas que necesitan ser tenues durante el día y brillantes por la noche (si se invierte la lógica) o viceversa.
* Confort visual humano: Previene el deslumbramiento ajustando la intensidad de la luz dinámicamente.
* Instrumentación: A menudo utilizado en tableros de automóviles o paneles de control.

Resultado esperado:
* Generación de señal: Una salida de onda cuadrada en el pin 3 del temporizador 555.
* Respuesta inversa: Cuando el LDR se expone a luz fuerte (Linterna), el brillo del LED disminuye.
* Respuesta en oscuridad: Cuando el LDR está cubierto (Oscuridad), el brillo del LED aumenta al máximo.
* Público objetivo: Estudiantes de electrónica de nivel intermedio y aficionados.

Materiales

• V1: Fuente de voltaje de 9 V CC, función: Alimentación principal del circuito.
• R1: Fotorresistencia (LDR), función: Sensor de luz (Ruta de carga).
• R2: Resistencia de 10 kΩ, función: Temporización de la ruta de descarga.
• R3: Resistencia de 1 kΩ, función: Protección de la Gate del MOSFET.
• R4: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente del LED.
• C1: Condensador de 100 nF, función: Condensador de temporización PWM.
• C2: Condensador de 10 nF, función: Filtrado de ruido del voltaje de control.
• D1: Diodo 1N4148, función: Diodo de dirección para la ruta de carga.
• D2: Diodo 1N4148, función: Diodo de dirección para la ruta de descarga.
• D3: LED blanco de alto brillo, función: Retroiluminación simulada.
• Q1: 2N7000 (MOSFET de canal N), función: Interruptor controlador del LED.
• U1: Temporizador de precisión NE555, función: Generador PWM.

Guía de conexionado

Esta guía utiliza nombres de nodos específicos (VCC, 0, V_TRIG, V_GATE, etc.) para ayudarte a verificar las conexiones.

• Fuente de alimentación:
• Conecta el terminal positivo de V1 al nodo VCC.
• Conecta el terminal negativo de V1 al nodo 0 (GND).
• Alimentación y Reset del Temporizador 555 (U1):
• Conecta U1 pin 8 (VCC) al nodo VCC.
• Conecta U1 pin 1 (GND) al nodo 0.
• Conecta U1 pin 4 (Reset) al nodo VCC.
• Red de temporización (El núcleo PWM):
• Conecta R1 (LDR) entre el nodo VCC y el nodo V_CHARGE.
• Conecta D1 (Ánodo) a V_CHARGE y D1 (Cátodo) al nodo V_TIMING.
• Conecta D2 (Ánodo) al nodo V_TIMING y D2 (Cátodo) al nodo V_DISCHARGE.
• Conecta R2 entre el nodo V_DISCHARGE y U1 pin 7 (Discharge).
• Conecta C1 entre el nodo V_TIMING y el nodo 0.
• Conecta U1 pin 2 (Trigger) al nodo V_TIMING.
• Conecta U1 pin 6 (Threshold) al nodo V_TIMING.
• Voltaje de control:
• Conecta C2 entre U1 pin 5 (CV) y el nodo 0.
• Etapa de salida:
• Conecta R3 entre U1 pin 3 (Output) y el nodo V_GATE.
• Conecta Q1 Gate al nodo V_GATE.
• Conecta Q1 Source al nodo 0.
• Conecta Q1 Drain al nodo V_LED_CATHODE.
• Carga (Retroiluminación):
• Conecta R4 entre el nodo VCC y el nodo V_LED_ANODE.
• Conecta D3 Anode al nodo V_LED_ANODE.
• Conecta D3 Cathode al nodo V_LED_CATHODE.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Title: Practical case: Adaptive Screen Brightness Regulator

      [ INPUTS / TIMING NETWORK ]              [ LOGIC / CONTROL ]                 [ OUTPUT STAGE ]

[ V1: 9 V Source ] --(Power VCC)--------->+-----------------------+
                                         |                       |
(Light) -> [ R1: LDR ] --(Charge)------->|                       |
                                         |       U1: NE555       |
[ D1, D2, R2 ] --(Steering/Disch)------->|    (PWM Generator)    |--(Pin 3)--> [ R3: 1k ] --> [ Q1: MOSFET ]
                                         |                       |                                  |
[ C1: 100nF ] --(Timing Ramp)----------->|  Pins 2,6 (Trig/Thr)  |                                  |
                                         |  Pin 7 (Discharge)    |                           (Switches GND)
[ C2: 10nF ] --(Filter)----------------->|  Pin 5 (Ctrl Volt)    |                                  |
                                         |                       |                                  v
                                         +-----------------------+                       [ D3: LED + R4: 330R ]
                                                                                              (Backlight)

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

Realiza estos pasos para validar el comportamiento «Inverso» (Más luz = Menos brillo).

1. Comprobación base (Luz ambiental):
   • Alimenta el circuito con 9 V.
   • Observa el LED D3. Debería estar iluminado a un nivel moderado.
   • Mide el voltaje en V_GATE usando un osciloscopio. Deberías ver una onda cuadrada.
2. Prueba de luz alta:
   • Apunta una linterna directamente sobre R1 (LDR).
   • Observación: El LED D3 debería atenuarse significativamente o apagarse.
   • Medición: Comprueba el ciclo de trabajo en V_GATE. Dado que la resistencia del LDR cae, el condensador se carga muy rápidamente (Ton corto) en relación con el tiempo de descarga fijo (Toff). El Ciclo de Trabajo (Ton / Ttotal) disminuye.
3. Prueba de luz baja:
   • Cubre R1 (LDR) con tu mano o una tapa negra.
   • Observación: El LED D3 debería alcanzar el brillo máximo.
   • Medición: La resistencia del LDR aumenta, haciendo que el tiempo de carga (Ton) sea mucho más largo. El Ciclo de Trabajo aumenta hacia el 100%.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Adaptive Screen Brightness Regulator

* --- Power Supply ---
V1 VCC 0 DC 9

* --- Input Stage (Light Sensor) ---
R1 VCC V_CHARGE 20k

* --- PWM Timing Network ---
D1 V_CHARGE V_TIMING D1N4148
D2 V_TIMING V_DISCHARGE D1N4148
R2 V_DISCHARGE V_DISCH_PIN 10k
C1 V_TIMING 0 100n

* --- Control & Processing ---
* U1: NE555 Precision Timer
XU1 0 V_TIMING V_OUT_PIN VCC V_CV V_TIMING V_DISCH_PIN VCC NE555

* Control Voltage noise filtering
C2 V_CV 0 10n
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Adaptive Screen Brightness Regulator

* --- Power Supply ---
V1 VCC 0 DC 9

* --- Input Stage (Light Sensor) ---
R1 VCC V_CHARGE 20k

* --- PWM Timing Network ---
D1 V_CHARGE V_TIMING D1N4148
D2 V_TIMING V_DISCHARGE D1N4148
R2 V_DISCHARGE V_DISCH_PIN 10k
C1 V_TIMING 0 100n

* --- Control & Processing ---
* U1: NE555 Precision Timer
XU1 0 V_TIMING V_OUT_PIN VCC V_CV V_TIMING V_DISCH_PIN VCC NE555

* Control Voltage noise filtering
C2 V_CV 0 10n

* --- Output Driver Stage ---
R3 V_OUT_PIN V_GATE 1k

* Q1: N-Channel MOSFET
MQ1 V_LED_CATHODE V_GATE 0 0 2N7000

* --- Load (Backlight) ---
R4 VCC V_LED_ANODE 330
D3 V_LED_ANODE V_LED_CATHODE WHITE_LED

* --- Component Models ---
.model D1N4148 D (IS=2.682n N=1.836 RS=.5664 BV=100 IBV=100p CJO=4p TT=11.54n)
.model 2N7000 NMOS (Level=1 VTO=2.1 KP=0.5 Lambda=0.002 RD=1.5 RS=1.5 CGSO=10p CGDO=10p CGBO=10p)
.model WHITE_LED D (IS=1p N=5 RS=5 BV=5 IBV=10u CJO=50p)

* --- NE555 Behavioral Subcircuit ---
.subckt NE555 GND TRIG OUT RESET CV THRES DISCH VCC
    * Internal Voltage Divider
    R_div1 VCC CV 5k
    R_div2 CV TR 5k
    R_div3 TR GND 5k

    * Comparators (Sigmoid-based for smooth convergence)
    * Set Signal (Active High) when TRIG < 1/3 VCC (V_TR)
    B_set set_node 0 V = 2.5 + 2.5 * tanh(100 * (V(TR) - V(TRIG)))

    * Reset Signal Logic
    * Condition 1: THRES > CV
    B_c1 c1 0 V = 0.5 * (1 + tanh(100 * (V(THRES) - V(CV))))
    * Condition 2: RESET < 1.0V
    B_c2 c2 0 V = 0.5 * (1 + tanh(100 * (1.0 - V(RESET))))
    * Combine (Probabilistic OR logic): V_rst = c1 + c2 - c1*c2, scaled to 5V
    B_rst rst_node 0 V = 5 * (V(c1) + V(c2) - V(c1)*V(c2))

    * RC Delays to prevent algebraic loops in Flip-Flop
    R_sd set_node set_d 1k
    C_sd set_d 0 1p
    R_rd rst_node rst_d 1k
    C_rd rst_d 0 1p

    * SR Latch (Cross-coupled NOR logic with soft thresholds)
    * Q = ~(R | Qb)
    B_q  q_int  0 V = 5 / (1 + exp( 20 * (V(rst_d) + V(qb_int) - 2.5) ))
    * Qb = ~(S | Q)
    B_qb qb_int 0 V = 5 / (1 + exp( 20 * (V(set_d) + V(q_int) - 2.5) ))

    * Output Buffer
    E_out OUT_int 0 q_int 0 1
    R_out_prot OUT_int OUT 1

    * Discharge Transistor (Switch to GND when Qb is High / Output Low)
    S_disch DISCH 0 qb_int 0 SW_DISCH
    .model SW_DISCH SW(Vt=2.5 Ron=10 Roff=100Meg)
.ends

* --- Simulation Directives ---
.tran 10u 20m
.print tran V(V_TIMING) V(V_GATE) V(V_LED_CATHODE) V(V_LED_ANODE)
.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (4016 rows)

Index   time            v(v_timing)     v(v_gate)       v(v_led_cathode
0	0.000000e+00	3.183820e+00	9.643749e-22	8.709822e+00
1	1.000000e-07	3.183820e+00	9.643749e-22	8.709822e+00
2	2.000000e-07	3.183820e+00	-2.54330e-17	8.709822e+00
3	4.000000e-07	3.183820e+00	4.759196e-18	8.709822e+00
4	8.000000e-07	3.183820e+00	-5.90561e-18	8.709822e+00
5	1.600000e-06	3.183820e+00	1.843922e-17	8.709822e+00
6	3.200000e-06	3.183820e+00	4.911091e-18	8.709822e+00
7	6.400000e-06	3.183819e+00	9.652751e-18	8.709822e+00
8	1.280000e-05	3.183819e+00	-2.42211e-18	8.709822e+00
9	2.280000e-05	3.183818e+00	-2.25892e-17	8.709822e+00
10	3.280000e-05	3.183818e+00	-5.29878e-18	8.709822e+00
11	4.280000e-05	3.183817e+00	-8.38426e-18	8.709822e+00
12	5.280000e-05	3.183816e+00	-5.24090e-18	8.709822e+00
13	6.280000e-05	3.183815e+00	5.344924e-18	8.709822e+00
14	7.280000e-05	3.183815e+00	-6.20163e-18	8.709822e+00
15	8.280000e-05	3.183814e+00	-2.95146e-18	8.709822e+00
16	9.280000e-05	3.183813e+00	-1.95605e-17	8.709822e+00
17	1.028000e-04	3.183813e+00	5.833300e-18	8.709822e+00
18	1.128000e-04	3.183812e+00	-9.79628e-18	8.709822e+00
19	1.228000e-04	3.183812e+00	1.090495e-18	8.709822e+00
20	1.328000e-04	3.183811e+00	-1.79618e-17	8.709822e+00
21	1.428000e-04	3.183810e+00	6.632650e-18	8.709822e+00
22	1.528000e-04	3.183810e+00	-1.47697e-17	8.709822e+00
23	1.628000e-04	3.183809e+00	6.958764e-18	8.709822e+00
... (3992 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Invertir los diodos de dirección (D1, D2):
   • Error: Colocar D1 o D2 al revés impide que el condensador se cargue o descargue correctamente.
   • Solución: Asegúrate de que la banda negra (cátodo) de D1 apunte hacia el condensador y la banda negra de D2 apunte hacia el Pin 7.
2. Conectar el LDR al Pin 7 directamente:
   • Error: Conectar el LDR sin los diodos de dirección crea un oscilador astable estándar donde la frecuencia cambia drásticamente, pero el control del ciclo de trabajo es menos distintivo.
   • Solución: Utiliza la topología de dirección con diodos descrita para separar las rutas de Carga (LDR) y Descarga (R2).
3. Confusión en el pinout del MOSFET:
   • Error: Intercambiar Drain y Source en el 2N7000.
   • Solución: Verifica la hoja de datos. Para el 2N7000 (TO-92), mirando el lado plano, los pines suelen ser Source, Gate, Drain (de izquierda a derecha).

Solución de problemas

• Síntoma: El LED está siempre ENCENDIDO y no cambia con la luz.
  • Causa: Gate del MOSFET flotante o Pin 3 atascado en Alto.
  • Arreglo: Revisa las conexiones de R1 y C1. Asegúrate de que los pines 2 y 6 estén unidos.
• Síntoma: El LED está siempre APAGADO.
  • Causa: La resistencia del LDR es demasiado baja (cortocircuito) o el LED está conectado al revés.
  • Arreglo: Revisa la polaridad del LED. Mide la resistencia del LDR en oscuridad; si es 0 Ω, está defectuoso.
• Síntoma: El LED parpadea visiblemente.
  • Causa: La frecuencia es demasiado baja.
  • Arreglo: Reduce el valor de C1 (p. ej., cambia de 100 nF a 10 nF) para aumentar la frecuencia PWM más allá de la persistencia de la visión humana (> 100 Hz).

Posibles mejoras y extensiones

1. Fijación de brillo mínimo: Añade una resistencia fija en serie con el LDR (R1). Esto asegura que incluso con luz extremadamente brillante (baja resistencia del LDR), todavía haya un tiempo de carga mínimo, evitando que el LED se apague por completo.
2. Transición más suave: Añade un condensador grande en paralelo con el LDR para filtrar cambios rápidos en la luz (p. ej., sombras de objetos que pasan), creando un efecto de «desvanecimiento» en lugar de un salto instantáneo en el brillo.

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).

Sígueme:

¿Quiénes somos?

Nivel: Medio. Diseña un circuito de control que compare los niveles de luz de dos sensores para orientar un motor hacia la fuente de luz más brillante.

Objetivo y caso de uso

Este caso práctico te guía a través de la construcción de un bucle de control analógico que orienta automáticamente un mecanismo hacia una fuente de luz utilizando fotorresistencias (LDR) y amplificadores operacionales. Construirás un «buscador solar» que equilibra activamente dos entradas de luz para accionar un motor en la dirección correspondiente.

• Aplicaciones en el mundo real:
• Energía solar: Aumenta la eficiencia de los paneles fotovoltaicos manteniendo los paneles perpendiculares al sol durante todo el día.
• Robótica: Permite comportamientos de búsqueda de luz (fototaxis) en robots autónomos.
• Domótica: Controla persianas inteligentes para regular la temperatura de la habitación basándose en la intensidad de la luz solar.
• Resultado esperado:
• Cuando la fuente de luz está equilibrada, el motor permanece parado.
• Cuando LDR1 está sombreado, la diferencia de voltaje activa el motor para girar en sentido horario (CW).
• Cuando LDR2 está sombreado, el motor gira en sentido antihorario (CCW).
• Público objetivo: Estudiantes de electrónica familiarizados con divisores de voltaje y amplificadores operacionales (OpAmps).

Materiales

• V1: Fuente de alimentación de 9 V CC (Fuente de energía).
• R1: Fotorresistencia (LDR), función: Sensor de luz izquierdo.
• R2: Fotorresistencia (LDR), función: Sensor de luz derecho.
• R3: Resistencia de 10 kΩ, función: Rama inferior del divisor de voltaje para R1.
• R4: Resistencia de 10 kΩ, función: Rama inferior del divisor de voltaje para R2.
• U1: LM358, función: Amplificador operacional dual (Comparadores).
• U2: L293D, función: CI controlador de motor de puente en H.
• M1: Motorreductor de 9 V CC, función: Actuador de seguimiento.
• C1: Condensador de 100 nF, función: Desacoplo de la fuente de alimentación.

Guía de conexionado

Este circuito utiliza dos divisores de voltaje paralelos comparados por dos OpAmps para determinar la dirección del motor.

• Fuente de alimentación:
• Conecta el terminal positivo de V1 al nodo VCC.
• Conecta el terminal negativo de V1 al nodo GND (0).

• Conecta C1 entre VCC y GND.

• Sensores (Divisor de voltaje dual):

• Conecta R1 (LDR izquierdo) entre VCC y el nodo VA (Voltaje del sensor A).
• Conecta R3 entre VA y GND.
• Conecta R2 (LDR derecho) entre VCC y el nodo VB (Voltaje del sensor B).

• Conecta R4 entre VB y GND.

• Comparadores (LM358 – U1):

• Comparador A (Lógica de giro a la derecha/CW):
  • Conecta la entrada no inversora (+) de U1 al nodo VA.
  • Conecta la entrada inversora (-) de U1 al nodo VB.
  • Conecta la Salida A de U1 al nodo SIG_CW.
• Comparador B (Lógica de giro a la izquierda/CCW):
  • Conecta la entrada no inversora (+) de U1 al nodo VB.
  • Conecta la entrada inversora (-) de U1 al nodo VA.
  • Conecta la Salida B de U1 al nodo SIG_CCW.

• Conecta el pin VCC de U1 a VCC y el pin GND a GND.

• Controlador de motor (L293D – U2):

• Conecta la Entrada 1 de U2 al nodo SIG_CW.
• Conecta la Entrada 2 de U2 al nodo SIG_CCW.
• Conecta el pin Enable 1 de U2 a VCC.
• Conecta la Salida 1 de U2 al nodo M_POS.
• Conecta la Salida 2 de U2 al nodo M_NEG.
• Conecta VCC1 (Lógica) y VCC2 (Potencia) de U2 a VCC.

• Conecta los pines GND de U2 a GND.

• Actuador:

• Conecta M1 (Motor) entre los nodos M_POS y M_NEG.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ INPUTS / SENSORS ]               [ LOGIC / PROCESSING ]                  [ ACTUATOR ]

   [ Power Supply Block ]
   [ Source: V1 (9 V)    ] --(VCC/GND Power)--> (Distributes to all ICs and Sensors)
   [ Filter: C1 (100nF) ]

                                         [ U1: LM358 Dual OpAmp ]
                                         |                      |
   [ Left Light Sensor  ]                | Comparator A (Logic) |
   [ Top: R1 (LDR)      ] --(Signal VA)->| Input: VA > VB ?     |--(SIG_CW)--->+
   [ Bot: R3 (10k Ohm)  ]                | Output: Turn CW      |              |
                                         |                      |              |
                                         |                      |              v
                                         | Comparator B (Logic) |      [ U2: L293D H-Bridge ]
   [ Right Light Sensor ]                | Input: VB > VA ?     |      |                    |
   [ Top: R2 (LDR)      ] --(Signal VB)->| Output: Turn CCW     |      | Input 1: CW Sig    |
   [ Bot: R4 (10k Ohm)  ]                |                      |      | Input 2: CCW Sig   |===(High Current)==> [ M1: Gear Motor ]
                                         +----------+-----------+      | Enable: VCC        |      (9 V DC)
                                                    |                  | VCC1/VCC2: 9 V      |
                                                    +--(SIG_CCW)------>| GND: Common        |
                                                                       +--------------------+

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

Sigue estos pasos para validar la lógica del seguidor:

1. Prueba de equilibrio estático:

   • Expón ambos LDR a la luz ambiente por igual.
   • Mide el voltaje en los nodos VA y VB. Deberían ser aproximadamente iguales.
   • Mide SIG_CW y SIG_CCW. Ambos deberían estar en Bajo (aprox. 0 V) o equilibrados, manteniendo el motor detenido.

2. Simulación de sombra izquierda:

   • Cubre R1 (LDR izquierdo) con tu mano.
   • Observación: La resistencia de R1 aumenta, provocando que el voltaje en VA caiga.
   • Comprobación lógica: Dado que VB > VA, el Comparador B (No inversor = VB) debería ponerse en Alto (SIG_CCW ≈ VCC).
   • Actuador: El motor debería girar en sentido antihorario.

3. Simulación de sombra derecha:

   • Expón R1 a la luz y cubre R2 (LDR derecho).
   • Observación: La resistencia de R2 aumenta, provocando que el voltaje en VB caiga.
   • Comprobación lógica: Dado que VA > VB, el Comparador A (No inversor = VA) debería ponerse en Alto (SIG_CW ≈ VCC).
   • Actuador: El motor debería girar en sentido horario.

Netlist SPICE y simulación

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

* Single-axis Solar Tracker Simulation
* Based on Practical Electronics Breadboard Case

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC power supply
V1 VCC 0 DC 9V
* C1: 100 nF capacitor (Decoupling)
C1 VCC 0 100nF

* --- Dynamic Light Stimulus (Virtual Control) ---
* This source simulates the position of the sun moving from Left to Right.
* 0V = Light on Left Sensor, 5V = Light on Right Sensor.
* Sweeps linearly from 0V to 5V over 100ms.
V_LIGHT LIGHT_POS 0 PWL(0 0 100m 5)

* --- Sensors (LDRs) ---
* Modeled as voltage-dependent resistors controlled by LIGHT_POS.
* R1 (Left LDR): Resistance increases as Light moves Right (LIGHT_POS increases).
* Range: 1k (Bright) to 50k (Dark).
R1 VCC VA R = '1k + 49k * (V(LIGHT_POS)/5)'
* ... (truncated in public view) ...

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* Single-axis Solar Tracker Simulation
* Based on Practical Electronics Breadboard Case

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC power supply
V1 VCC 0 DC 9V
* C1: 100 nF capacitor (Decoupling)
C1 VCC 0 100nF

* --- Dynamic Light Stimulus (Virtual Control) ---
* This source simulates the position of the sun moving from Left to Right.
* 0V = Light on Left Sensor, 5V = Light on Right Sensor.
* Sweeps linearly from 0V to 5V over 100ms.
V_LIGHT LIGHT_POS 0 PWL(0 0 100m 5)

* --- Sensors (LDRs) ---
* Modeled as voltage-dependent resistors controlled by LIGHT_POS.
* R1 (Left LDR): Resistance increases as Light moves Right (LIGHT_POS increases).
* Range: 1k (Bright) to 50k (Dark).
R1 VCC VA R = '1k + 49k * (V(LIGHT_POS)/5)'

* R2 (Right LDR): Resistance decreases as Light moves Right.
* Range: 50k (Dark) to 1k (Bright).
R2 VCC VB R = '1k + 49k * (1 - V(LIGHT_POS)/5)'

* --- Voltage Divider Bottom Legs ---
* R3: 10 kΩ resistor for R1
R3 VA 0 10k
* R4: 10 kΩ resistor for R2
R4 VB 0 10k

* --- Comparators (U1: LM358) ---
* U1 is a Dual OpAmp. We define a subcircuit matching the 8-pin DIP pinout.
* Pinout: 1=OutA, 2=In-A, 3=In+A, 4=GND, 5=In+B, 6=In-B, 7=OutB, 8=VCC
* Wiring Guide:
* Comparator A (CW): (+) VA, (-) VB -> Out SIG_CW
* Comparator B (CCW): (+) VB, (-) VA -> Out SIG_CCW
XU1 SIG_CW VB VA 0 VB VA SIG_CCW VCC LM358_DIP8

* --- Motor Driver (U2: L293D) ---
* U2 is an H-Bridge Driver. We define a subcircuit for the used pins.
* Pinout used: 1=EN1, 2=IN1, 3=OUT1, 4/5=GND, 6=OUT2, 7=IN2, 8=VCC2, 16=VCC1
* Wiring Guide:
* IN1=SIG_CW, IN2=SIG_CCW, OUT1=M_POS, OUT2=M_NEG, EN1=VCC
XU2 VCC SIG_CW M_POS 0 0 M_NEG SIG_CCW VCC VCC L293D_BRIDGE

* --- Actuator (M1: 9V DC Gear Motor) ---
* Modeled as a resistive/inductive load.
R_M1 M_POS M_INT 20
L_M1 M_INT M_NEG 5mH

* --- Subcircuit Definitions ---

.subckt LM358_DIP8 OUTA INMA INPA GND INPB INMB OUTB VCC
* Comparator A Behavior (Sigmoid for convergence)
* Output swings approx 0V to VCC-1.5V
B_OUTA OUTA 0 V = (V(VCC)-1.5) / (1 + exp(-50*(V(INPA)-V(INMA)))) + 0.05
* Comparator B Behavior
B_OUTB OUTB 0 V = (V(VCC)-1.5) / (1 + exp(-50*(V(INPB)-V(INMB)))) + 0.05
.ends

.subckt L293D_BRIDGE EN1 IN1 OUT1 GND1 GND2 OUT2 IN2 VCC2 VCC1
* Logic Threshold approx 2.0V.
* Output Voltage ~ VCC2 - 1.4V drop.
* Enable Logic
B_EN node_en 0 V = 1 / (1 + exp(-50*(V(EN1)-2.0)))
* Output 1 (M_POS)
B_O1 OUT1 0 V = V(node_en) * (1/(1+exp(-50*(V(IN1)-2.0)))) * (V(VCC2)-1.4)
* Output 2 (M_NEG)
B_O2 OUT2 0 V = V(node_en) * (1/(1+exp(-50*(V(IN2)-2.0)))) * (V(VCC2)-1.4)
.ends

* --- Simulation Directives ---
.op
* Transient analysis: 100ms duration to capture the full light sweep
.tran 100u 100m

* Print signals to verify logic:
* VA/VB: Sensor Voltages
* SIG_CW/CCW: Comparator Logic Outputs
* M_POS/M_NEG: Motor Drive Voltages
.print tran V(VA) V(VB) V(SIG_CW) V(SIG_CCW) V(M_POS) V(M_NEG) V(LIGHT_POS)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (3024 rows)

Index   time            v(va)           v(vb)           v(sig_cw)
0	0.000000e+00	8.181818e+00	1.500000e+00	7.550000e+00
1	1.000000e-06	8.181454e+00	1.500012e+00	7.550000e+00
2	2.000000e-06	8.181089e+00	1.500025e+00	7.550000e+00
3	4.000000e-06	8.180361e+00	1.500049e+00	7.550000e+00
4	8.000000e-06	8.178903e+00	1.500098e+00	7.550000e+00
5	1.600000e-05	8.175990e+00	1.500196e+00	7.550000e+00
6	3.200000e-05	8.170168e+00	1.500392e+00	7.550000e+00
7	6.400000e-05	8.158542e+00	1.500784e+00	7.550000e+00
8	1.280000e-04	8.135365e+00	1.501569e+00	7.550000e+00
9	2.280000e-04	8.099394e+00	1.502797e+00	7.550000e+00
10	3.280000e-04	8.063833e+00	1.504028e+00	7.550000e+00
11	4.280000e-04	8.028586e+00	1.505260e+00	7.550000e+00
12	5.280000e-04	7.993645e+00	1.506495e+00	7.550000e+00
13	6.280000e-04	7.959008e+00	1.507732e+00	7.550000e+00
14	7.280000e-04	7.924669e+00	1.508970e+00	7.550000e+00
15	8.280000e-04	7.890626e+00	1.510211e+00	7.550000e+00
16	9.280000e-04	7.856873e+00	1.511454e+00	7.550000e+00
17	1.028000e-03	7.823409e+00	1.512699e+00	7.550000e+00
18	1.128000e-03	7.790228e+00	1.513945e+00	7.550000e+00
19	1.228000e-03	7.757327e+00	1.515194e+00	7.550000e+00
20	1.328000e-03	7.724703e+00	1.516445e+00	7.550000e+00
21	1.428000e-03	7.692352e+00	1.517698e+00	7.550000e+00
22	1.528000e-03	7.660271e+00	1.518953e+00	7.550000e+00
23	1.628000e-03	7.628457e+00	1.520211e+00	7.550000e+00
... (3000 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. LDR colocados demasiado cerca uno del otro:

   • Síntoma: El sistema es insensible y requiere ángulos de luz extremos para reaccionar.
   • Solución: Monta los LDR con una barrera física (un trozo de cartón o plástico) entre ellos para que se proyecte una sombra sobre un LDR cuando la luz no esté perfectamente centrada.

2. Accionar el motor directamente desde los OpAmps:

   • Síntoma: El motor zumba pero no gira, o el OpAmp se sobrecalienta y falla.
   • Solución: Utiliza siempre una etapa controladora de corriente como el L293D o un puente en H de transistores. Los OpAmps no pueden suministrar la corriente requerida por los motores (típicamente >100 mA).

3. Falta de banda muerta (Vibración/Jittering):

   • Síntoma: El motor vibra constantemente de un lado a otro cuando la luz está centrada.
   • Solución: Esta topología básica es un controlador «bang-bang» (todo o nada). En diseños avanzados, añade resistencias de histéresis a los OpAmps para crear una pequeña ventana de voltaje donde el motor permanezca apagado.

Solución de problemas

• El motor gira en la dirección incorrecta:
  • Causa: La polaridad del motor está invertida en relación con la ubicación de los sensores.
  • Arreglo: Intercambia las conexiones de M1 (M_POS y M_NEG) O intercambia físicamente las posiciones de R1 y R2.
• El motor funciona continuamente incluso con luz igual:
  • Causa: Gran diferencia de tolerancia entre los dos LDR o las resistencias fijas (R3/R4).
  • Arreglo: Reemplaza una resistencia fija (por ejemplo, R3) con un potenciómetro de ajuste de 10k para calibrar el equilibrio del puente manualmente.
• No pasa nada cuando cambia la luz:
  • Causa: El pin Enable del L293D no está conectado a nivel alto.
  • Arreglo: Asegúrate de que el pin Enable del controlador esté conectado a VCC.

Posibles mejoras y extensiones

1. Control de sensibilidad: Reemplaza las resistencias fijas R3 y R4 con un solo potenciómetro multivuelta. Conecta el cursor a tierra y los extremos a los LDR para permitir un ajuste fino del punto central.
2. Integración de energía solar: Reemplaza V1 con un pequeño panel solar y un circuito de carga para hacer que el seguidor sea autosostenible.

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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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