Nivel: Básico – Controlar una carga de alta potencia usando una señal de bajo voltaje mediante aislamiento galvánico.
Objetivo y caso de uso
Construirás un circuito controlador que utiliza una pequeña señal de 5 V para activar un relé electromecánico, el cual a su vez conmuta un circuito separado de alta potencia de 12 V que alimenta una bombilla.
-
Por qué es útil:
- Sistemas automotrices: Permite que una señal de ECU de baja corriente conmute faros de alta corriente.
- Seguridad: Mantiene el alto voltaje/corriente (el lado de la carga) físicamente separado de la lógica de control sensible (el lado del usuario).
- Interfaz: Permite a microcontroladores (como Arduino/ESP32) controlar equipos industriales o electrodomésticos de CA (simulados aquí con 12 V).
-
Resultado esperado:
- La bombilla de 12 V se enciende (ON) solo cuando el interruptor de control de 5 V está cerrado.
- Se escucha un «clic» audible del componente relé al cambiar de estado.
- Mediciones: 0 V en la carga cuando la señal de control es 0 V; ~12 V en la carga cuando la señal de control es 5 V.
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Público objetivo: Estudiantes que tratan con interfaces electromecánicas y protección de circuitos.
Materiales
- V1: Fuente de voltaje de 5 V CC, función: Suministro de lógica de control
- V2: Fuente de voltaje de 12 V CC, función: Suministro de carga de alta potencia
- S1: Interruptor de palanca SPST, función: Disparador de control
- R1: Resistencia de 1 kΩ, función: Limitador de corriente de base para Q1
- Q1: Transistor BJT NPN 2N2222, función: Controlador de bobina de relé
- D1: Diodo 1N4007, función: Protección flyback (snubber)
- K1: Relé SPST de 5 V (resistencia de bobina ~70 Ω), función: Interruptor de aislamiento galvánico
- L1: Bombilla incandescente de 12 V / 10 W, función: Carga de alta potencia
Guía de conexionado
Esta guía utiliza nombres de nodos específicos para asegurar conexiones correctas en la simulación y el montaje. El circuito tiene dos lados aislados: el Lado de Control (Nodos: V_CTRL, 0) y el Lado de Carga (Nodos: V_HV, GND_LOAD).
Lado de Control (Baja Potencia):
* V1 (+): Se conecta al Nodo V_CTRL.
* V1 (-): Se conecta al Nodo 0 (Tierra Común).
* S1: Se conecta entre V_CTRL y el Nodo V_TRIG.
* R1: Se conecta entre V_TRIG y el Nodo V_BASE.
* Q1 (Base): Se conecta al Nodo V_BASE.
* Q1 (Emisor): Se conecta al Nodo 0.
* Q1 (Colector): Se conecta al Nodo COIL_LOW.
* K1 (Pin 1 de la bobina): Se conecta al Nodo V_CTRL.
* K1 (Pin 2 de la bobina): Se conecta al Nodo COIL_LOW.
* D1 (Ánodo): Se conecta al Nodo COIL_LOW.
* D1 (Cátodo): Se conecta al Nodo V_CTRL (Polarización inversa a través de la bobina).
Lado de Carga (Alta Potencia):
* V2 (+): Se conecta al Nodo V_HV.
* V2 (-): Se conecta al Nodo GND_LOAD (Aislado del Nodo 0).
* K1 (Contacto Común): Se conecta al Nodo V_HV.
* K1 (Contacto Normalmente Abierto): Se conecta al Nodo BULB_IN.
* L1: Se conecta entre el Nodo BULB_IN y el Nodo GND_LOAD.
Diagrama de bloques conceptual
Esquemático
+-------------------------------------------------------------------------+
| PRACTICAL CASE: HIGH POWER CIRCUIT ISOLATION |
+-------------------------------------------------------------------------+
===========================================================================
PART 1: CONTROL SIDE (5 V Logic)
Nodes: V_CTRL, V_TRIG, V_BASE, COIL_LOW, 0 (GND)
===========================================================================
(Trigger Signal Path)
[ V1: 5 V (+) ] --> [ S1: Switch ] --> [ R1: 1k Ohm ] --> [ Q1: Base ]
|
| (Controls)
v
(Coil Power Path) [ Q1: Collector ]
[ V1: 5 V (+) ] ---------> [ K1: Relay Coil ] --------------> |
[ || D1 Diode ] |
[ (Rev Biased) ] | (Conducts to)
|
v
[ Q1: Emitter ]
|
v
[ Node 0 (GND) ]
~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~
~ MAGNETIC LINK (GALVANIC ISOLATION) ~
~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~
===========================================================================
PART 2: LOAD SIDE (12 V High Power)
Nodes: V_HV, BULB_IN, GND_LOAD
===========================================================================
(High Current Path)
[ V2: 12 V (+) ] --> [ K1: Relay Switch ] --> [ L1: 12 V Bulb ] --> [ GND_LOAD ]
[ (COM -> NO) ]
Mediciones y pruebas
Sigue estos pasos para validar el aislamiento y la capacidad de conmutación:
-
Prueba de voltaje de bobina:
- Cierra el interruptor S1.
- Mide el voltaje entre
V_CTRLyCOIL_LOW. - Resultado: Debería leer aproximadamente 5 V (indicando que el transistor está drenando corriente).
-
Activación de carga:
- Mantén S1 cerrado.
- Observa L1 (Bombilla).
- Resultado: La bombilla se ilumina. Mide el voltaje a través de L1; debería ser ~12 V.
-
Latencia de conmutación (Requiere osciloscopio):
- Conecta el Canal 1 a
V_TRIGy el Canal 2 aBULB_IN. - Conmuta S1 de OFF a ON.
- Resultado: Observarás un retraso (típicamente 5–15 ms) entre la subida de la señal en el Ch1 y la aparición de energía en el Ch2. Este es el tiempo de conmutación mecánica de la armadura del relé.
- Conecta el Canal 1 a
Netlist SPICE y simulación
Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)
* High power circuit isolation
*
* This netlist simulates a relay driver circuit with a high-power load.
* It includes a low-voltage control side (5V) and an isolated high-voltage load side (12V).
*
* --- Analysis Setup ---
.tran 10u 10m
.print tran V(V_TRIG) V(BULB_IN) V(COIL_LOW) I(L_K1_COIL)
* --- Control Side (Low Power) ---
* Supply V1: 5V DC
V1 V_CTRL 0 DC 5
* Switch S1: Modeled as a Pulse Voltage Source to simulate user actuation
* Connects to V_TRIG to drive the base resistor.
* Timing: Off for 1ms, On for 4ms, then Off.
V_S1 V_TRIG 0 PULSE(0 5 1m 10u 10u 4m 10m)
* ... (truncated in public view) ...Copia este contenido en un archivo .cir y ejecútalo con ngspice.
* High power circuit isolation
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* This netlist simulates a relay driver circuit with a high-power load.
* It includes a low-voltage control side (5V) and an isolated high-voltage load side (12V).
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* --- Analysis Setup ---
.tran 10u 10m
.print tran V(V_TRIG) V(BULB_IN) V(COIL_LOW) I(L_K1_COIL)
* --- Control Side (Low Power) ---
* Supply V1: 5V DC
V1 V_CTRL 0 DC 5
* Switch S1: Modeled as a Pulse Voltage Source to simulate user actuation
* Connects to V_TRIG to drive the base resistor.
* Timing: Off for 1ms, On for 4ms, then Off.
V_S1 V_TRIG 0 PULSE(0 5 1m 10u 10u 4m 10m)
* Resistor R1: 1k Base Current Limiter
R1 V_TRIG V_BASE 1k
* Transistor Q1: 2N2222 NPN Relay Driver
* Connections: Collector=COIL_LOW, Base=V_BASE, Emitter=0
Q1 COIL_LOW V_BASE 0 2N2222MOD
* Relay Coil K1 (Coil Side)
* Modeled as Inductance + Resistance in series between V_CTRL and COIL_LOW
R_K1_COIL V_CTRL INT_COIL 70
L_K1_COIL INT_COIL COIL_LOW 50m
* Diode D1: Flyback protection (Snubber)
* Anode=COIL_LOW, Cathode=V_CTRL
D1 COIL_LOW V_CTRL 1N4007MOD
* --- Load Side (High Power) ---
* Ground Isolation: High resistance path to global ground 0 to prevent singular matrix
R_ISO GND_LOAD 0 100Meg
* Supply V2: 12V DC
V2 V_HV GND_LOAD DC 12
* Relay Contact K1 (Switch Side)
* Modeled as a Voltage Controlled Switch
* Controlled by the voltage across the coil: V(V_CTRL) - V(COIL_LOW)
* Connects V_HV to BULB_IN when coil is energized
S_K1 V_HV BULB_IN V_CTRL COIL_LOW RELAY_SW_MOD
* Load L1: 12V / 10W Bulb
* Resistance ~ 14.4 Ohms (R = V^2 / P = 144 / 10)
R_L1 BULB_IN GND_LOAD 14.4
* --- Component Models ---
* NPN Transistor Model
.model 2N2222MOD NPN(IS=1E-14 VAF=100 BF=200 IKF=0.3 XTB=1.5 BR=3 CJC=8E-12 CJE=25E-12 TR=46.91E-9 TF=411.1E-12 ITF=0.6 VTF=1.7 XTF=3 RB=10 RC=0.3 RE=0.2)
* Diode Model
.model 1N4007MOD D(IS=7.02767n RS=0.0341512 N=1.80803 EG=1.11 XTI=3 BV=1000 IBV=5u CJO=10p VJ=0.7 M=0.5 FC=0.5 TT=100n)
* Relay Switch Model
* Threshold Vt=2.5V (Coil is 5V), Hysteresis Vh=0.5V
.model RELAY_SW_MOD SW(Vt=2.5 Vh=0.5 Ron=0.1 Roff=100Meg)
.op
.endResultados de Simulación (Transitorio)
Análisis: The simulation shows the trigger signal (V_TRIG) going high (5V) between 1ms and 5ms. During this window, the coil current (I(L_K1_COIL)) rises, causing the relay switch to close and V(BULB_IN) to switch to ~12V. After 5ms, the trigger drops, coil current decays (snubber active), and the load voltage returns to near zero.
Show raw data table (4100 rows)
Index time v(v_trig) v(bulb_in) v(coil_low) l_k1_coil#branc 0 0.000000e+00 0.000000e+00 1.722670e-06 5.000000e+00 1.002664e-11 1 1.000000e-07 0.000000e+00 1.722670e-06 5.000000e+00 1.002626e-11 2 2.000000e-07 0.000000e+00 1.722670e-06 5.000000e+00 1.002547e-11 3 4.000000e-07 0.000000e+00 1.722670e-06 5.000000e+00 1.002342e-11 4 8.000000e-07 0.000000e+00 1.722670e-06 5.000000e+00 1.001814e-11 5 1.600000e-06 0.000000e+00 1.722670e-06 5.000000e+00 1.000316e-11 6 3.200000e-06 0.000000e+00 1.722670e-06 5.000000e+00 9.969744e-12 7 6.400000e-06 0.000000e+00 1.722670e-06 5.000000e+00 1.000801e-11 8 1.280000e-05 0.000000e+00 1.722670e-06 5.000000e+00 1.002921e-11 9 2.280000e-05 0.000000e+00 1.722670e-06 5.000000e+00 9.970357e-12 10 3.280000e-05 0.000000e+00 1.722670e-06 5.000000e+00 1.004993e-11 11 4.280000e-05 0.000000e+00 1.722670e-06 5.000000e+00 9.955463e-12 12 5.280000e-05 0.000000e+00 1.722670e-06 5.000000e+00 1.004077e-11 13 6.280000e-05 0.000000e+00 1.722670e-06 5.000000e+00 9.984500e-12 14 7.280000e-05 0.000000e+00 1.722670e-06 5.000000e+00 1.001134e-11 15 8.280000e-05 0.000000e+00 1.722670e-06 5.000000e+00 1.001578e-11 16 9.280000e-05 0.000000e+00 1.722670e-06 5.000000e+00 1.000519e-11 17 1.028000e-04 0.000000e+00 1.722670e-06 5.000000e+00 1.003686e-11 18 1.128000e-04 0.000000e+00 1.722670e-06 5.000000e+00 9.961732e-12 19 1.228000e-04 0.000000e+00 1.722670e-06 5.000000e+00 1.005266e-11 20 1.328000e-04 0.000000e+00 1.722670e-06 5.000000e+00 9.963169e-12 21 1.428000e-04 0.000000e+00 1.722670e-06 5.000000e+00 1.003205e-11 22 1.528000e-04 0.000000e+00 1.722670e-06 5.000000e+00 9.984436e-12 23 1.628000e-04 0.000000e+00 1.722670e-06 5.000000e+00 1.001919e-11 ... (4076 more rows) ...
Errores comunes y cómo evitarlos
-
Omitir el diodo flyback (D1):
- Error: El transistor Q1 falla permanentemente después de unas pocas conmutaciones.
- Solución: Coloca siempre un diodo en polarización inversa en paralelo a la bobina del relé para absorber el pico de alto voltaje generado cuando el campo magnético colapsa.
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Compartir tierras involuntariamente:
- Error: Conectar
GND_LOADal Nodo0en la protoboard. - Solución: Aunque el circuito funcionará, pierdes el aislamiento galvánico. Mantén la ruta de retorno de alta potencia físicamente separada de la tierra lógica.
- Error: Conectar
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Corriente de base insuficiente:
- Error: Usar una resistencia R1 demasiado alta (p. ej., 100 kΩ). El relé no hace clic o lo hace débilmente.
- Solución: Asegúrate de que el transistor esté en saturación. Para un 2N2222 controlando un relé estándar, 1 kΩ suele ser suficiente.
Solución de problemas
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Síntoma: El relé hace clic, pero la bombilla no se enciende.
- Causa: Problema en el Lado de Carga (circuito secundario).
- Solución: Revisa el suministro V2, verifica que la bombilla L1 no esté fundida y asegúrate de que las conexiones a los pines COM/NO del relé estén firmes.
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Síntoma: No hay sonido del relé, Bombilla APAGADA.
- Causa: La bobina no se está energizando.
- Solución: Revisa el voltaje en el Nodo
V_BASE. Si es 0 V, revisa S1. Si es ~0.7 V, revisa si Q1 está instalado correctamente (pinout E-B-C).
-
Síntoma: El transistor se calienta extremadamente.
- Causa: La corriente de la bobina es demasiado alta para el transistor seleccionado.
- Solución: Verifica la resistencia de la bobina del relé. Si consume >600 mA, el 2N2222 podría tener poca potencia; usa un transistor de potencia (p. ej., TIP31) o un MOSFET.
Posibles mejoras y extensiones
- Indicador de estado: Añade un pequeño LED y una resistencia de 330 Ω en paralelo con la bobina del relé para indicar visualmente cuando la señal de control está activa.
- Actualización a estado sólido: Reemplaza el relé mecánico (K1) y el controlador de transistor con un Optoacoplador y un MOSFET (o Triac para CA) para eliminar el desgaste mecánico y reducir la latencia de conmutación.
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Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer
Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).
