Nivel: Básico — Construye un circuito que atenúa un LED lentamente mediante la descarga de un condensador.
Objetivo y caso de uso
En este caso práctico, construirás un circuito temporizador analógico utilizando un transistor NPN y un condensador. Cuando se suelta el pulsador, el LED no se apaga inmediatamente; en su lugar, se atenúa gradualmente hasta extinguirse.
- Iluminación interior de coche: imita el efecto de las luces de techo que se atenúan después de cerrar la puerta.
- Iluminación de seguridad: proporciona iluminación temporal en pasillos o escaleras después de apagar un interruptor.
- Simulación de rebote (debouncing): demuestra cómo los condensadores suavizan los cambios repentinos de señal.
- Visualización de constantes de tiempo RC: permite la observación directa del almacenamiento y decaimiento de la carga eléctrica.
Resultado esperado:
* Encendido inmediato: Al presionar el botón, el LED se enciende instantáneamente con brillo máximo.
* Apagado retardado: Al soltar el botón, el LED permanece encendido y se atenúa durante un periodo de 2 a 5 segundos.
* Decaimiento de voltaje: Si se mide con un multímetro, el voltaje en el condensador disminuye exponencialmente.
* Retroalimentación visual: El brillo del LED se correlaciona directamente con la carga restante en el condensador.
* Público objetivo: Estudiantes y aficionados que deseen comprender la relación entre condensadores y transistores.
Materiales
- V1: Fuente de alimentación de 9 V CC, función: fuente de alimentación principal
- S1: Pulsador momentáneo (Normalmente Abierto), función: mecanismo de disparo
- R1: Resistencia de 100 Ω, función: protección de corriente del interruptor (limita la corriente de irrupción al condensador)
- R2: Resistencia de 22 kΩ, función: limitación de corriente de base y control de tiempo
- R3: Resistencia de 470 Ω, función: limitación de corriente del LED
- C1: Condensador electrolítico de 1000 µF, función: almacenamiento de carga (tanque de tiempo)
- Q1: Transistor NPN 2N2222 (o BC547), función: interruptor/amplificador de corriente
- D1: LED rojo, función: indicador visual de salida
Guía de conexionado
Utiliza las siguientes conexiones de nodos para montar el circuito en una protoboard.
-
Nodos de alimentación:
- VCC: Riel positivo (9 V).
- 0: Riel de tierra (0 V).
-
Red de interruptor y condensador (Nodos: VCC, V_STORE, 0):
- S1 se conecta entre VCC y un nodo intermedio (interno al montaje del interruptor).
- R1 se conecta entre la salida del interruptor y V_STORE. (Cuando se presiona S1, V_STORE se carga a ~9 V).
- C1 se conecta entre V_STORE (patilla positiva) y 0 (patilla negativa).
-
Control del transistor (Nodos: V_STORE, V_BASE, 0):
- R2 se conecta entre V_STORE y V_BASE.
- Q1 (Base) se conecta a V_BASE.
- Q1 (Emisor) se conecta a 0.
-
Etapa de salida (Nodos: VCC, V_COLL):
- R3 se conecta entre VCC y el ánodo de D1.
- D1 (Cátodo) se conecta a V_COLL.
- Q1 (Colector) se conecta a V_COLL.
Diagrama de bloques conceptual
Esquemático
+-------------------------------------------------------------------------+
| SLOW TURN-OFF TIMER DIAGRAM |
+-------------------------------------------------------------------------+
1. TIMING & CONTROL LOOP (Charges C1, drives Transistor Base)
---------------------------------------------------------------------------
VCC (9 V) --> [ S1: Button ] --> [ R1: 100 ] --(V_STORE)--> [ R2: 22k ] --> [ Q1:Base ]
|
v
[ C1: 1000u ]
|
v
GND
2. OUTPUT LOAD LOOP (Powering the LED)
---------------------------------------------------------------------------
VCC (9 V) --> [ R3: 470 ] --> [ LED: Red ] --> [ Q1:Collector ]
|
v
(Current Flow)
v
[ Q1:Emitter ] --> GND
Mediciones y pruebas
Para validar el funcionamiento del circuito, realiza los siguientes pasos:
- Fase de carga: Mantén presionado S1. Mide el voltaje en V_STORE con respecto a Tierra. Debería subir rápidamente a aproximadamente 9 V. El LED D1 debería estar completamente encendido.
- Activación de base: Mientras mantienes presionado S1, mide el voltaje en V_BASE. Debería diferir de V_STORE debido a la caída en R2, estabilizándose alrededor de 0.7 V – 0.8 V (el voltaje de saturación Base-Emisor).
- Fase de descarga: Suelta S1. Observa D1. No debería apagarse instantáneamente. En su lugar, debería atenuarse.
- Medición de tiempo: Usa un cronómetro para medir el tiempo desde el momento en que se suelta S1 hasta que el LED esté completamente oscuro. Con un condensador de 1000 µF y una resistencia de 22 kΩ, esto debería tomar varios segundos.
- Seguimiento de voltaje: Conecta un multímetro a V_STORE inmediatamente después de soltar el botón. Observa la caída de voltaje. El LED generalmente se apaga cuando V_STORE cae por debajo del umbral requerido para mantener suficiente corriente de base a través de R2 (aproximadamente cuando V_STORE se acerca a 1.5 V – 2 V).
Netlist SPICE y simulación
Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)
* Practical case: Slow turn-off timer
.width out=256
* --- Models ---
* Standard NPN Transistor Model
.model 2N2222 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=1 RE=1)
* Generic Red LED Model (Vf approx 1.8V-2V)
.model DLED D(IS=1e-22 RS=10 N=1.5 CJO=50p)
* Switch Model for Push Button
.model SW_BTN SW(Vt=2.5 Ron=0.1 Roff=100M)
* --- Power Supply ---
V1 VCC 0 DC 9
* --- Input / Trigger Mechanism ---
* S1: Push Button. Modeled as a voltage-controlled switch connecting VCC to SW_OUT.
* V_BTN_ACT: Simulates the user pressing the button.
* Pulse starts at 1s, holds for 2s (simulating a solid press), then releases.
V_BTN_ACT CTRL 0 PULSE(0 5 1 0.1 0.1 2 100)
S1 VCC SW_OUT CTRL 0 SW_BTN
* ... (truncated in public view) ...Copia este contenido en un archivo .cir y ejecútalo con ngspice.
* Practical case: Slow turn-off timer
.width out=256
* --- Models ---
* Standard NPN Transistor Model
.model 2N2222 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=1 RE=1)
* Generic Red LED Model (Vf approx 1.8V-2V)
.model DLED D(IS=1e-22 RS=10 N=1.5 CJO=50p)
* Switch Model for Push Button
.model SW_BTN SW(Vt=2.5 Ron=0.1 Roff=100M)
* --- Power Supply ---
V1 VCC 0 DC 9
* --- Input / Trigger Mechanism ---
* S1: Push Button. Modeled as a voltage-controlled switch connecting VCC to SW_OUT.
* V_BTN_ACT: Simulates the user pressing the button.
* Pulse starts at 1s, holds for 2s (simulating a solid press), then releases.
V_BTN_ACT CTRL 0 PULSE(0 5 1 0.1 0.1 2 100)
S1 VCC SW_OUT CTRL 0 SW_BTN
* --- Switch Current Protection & Charging ---
* R1 limits inrush current to C1 when S1 is closed.
R1 SW_OUT V_STORE 100
* --- Timing Tank ---
* C1 charges when S1 is closed and discharges through R2/Q1 when open.
C1 V_STORE 0 1000u
* --- Transistor Control ---
* R2 provides base current and sets the discharge timing constant (Tau = R2*C1 approx 22s).
R2 V_STORE V_BASE 22k
* --- Transistor Switch ---
* Q1 NPN Transistor (2N2222)
* Collector: V_COLL, Base: V_BASE, Emitter: 0 (GND)
Q1 V_COLL V_BASE 0 2N2222
* --- Output Stage ---
* R3 limits current through the LED.
R3 VCC LED_ANODE 470
* D1 Red LED. Anode at LED_ANODE, Cathode at V_COLL.
D1 LED_ANODE V_COLL DLED
* --- Simulation Commands ---
.op
* Transient analysis for 60 seconds to capture the slow decay (RC ~ 22s).
.tran 0.1s 60s
* --- Output Directives ---
* Printing Capacitor Voltage (Timing) and Collector Voltage (Output State)
.print tran V(V_STORE) V(V_COLL) V(LED_ANODE) V(SW_OUT)Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (640 rows)
Index time v(v_store) v(v_coll) v(led_anode) v(sw_out) 0 0.000000e+00 8.962619e+00 1.066236e-01 2.056192e+00 8.999963e+00 1 1.000000e-03 8.962619e+00 1.066236e-01 2.056192e+00 8.999963e+00 2 2.000000e-03 8.962619e+00 1.066236e-01 2.056192e+00 8.999963e+00 3 4.000000e-03 8.962619e+00 1.066236e-01 2.056192e+00 8.999963e+00 4 8.000000e-03 8.962619e+00 1.066236e-01 2.056192e+00 8.999963e+00 5 1.600000e-02 8.962619e+00 1.066236e-01 2.056192e+00 8.999963e+00 6 3.200000e-02 8.962619e+00 1.066236e-01 2.056192e+00 8.999963e+00 7 6.400000e-02 8.962619e+00 1.066236e-01 2.056192e+00 8.999963e+00 8 1.280000e-01 8.962619e+00 1.066236e-01 2.056192e+00 8.999963e+00 9 2.280000e-01 8.962619e+00 1.066236e-01 2.056192e+00 8.999963e+00 10 3.280000e-01 8.962619e+00 1.066236e-01 2.056192e+00 8.999963e+00 11 4.280000e-01 8.962619e+00 1.066236e-01 2.056192e+00 8.999963e+00 12 5.280000e-01 8.962619e+00 1.066236e-01 2.056192e+00 8.999963e+00 13 6.280000e-01 8.962619e+00 1.066236e-01 2.056192e+00 8.999963e+00 14 7.280000e-01 8.962619e+00 1.066236e-01 2.056192e+00 8.999963e+00 15 8.280000e-01 8.962619e+00 1.066236e-01 2.056192e+00 8.999963e+00 16 9.280000e-01 8.962619e+00 1.066236e-01 2.056192e+00 8.999963e+00 17 1.000000e+00 8.962619e+00 1.066236e-01 2.056192e+00 8.999963e+00 18 1.010000e+00 8.962619e+00 1.066236e-01 2.056192e+00 8.999963e+00 19 1.026000e+00 8.962619e+00 1.066236e-01 2.056192e+00 8.999963e+00 20 1.030750e+00 8.962619e+00 1.066236e-01 2.056192e+00 8.999963e+00 21 1.039062e+00 8.962619e+00 1.066236e-01 2.056192e+00 8.999963e+00 22 1.041363e+00 8.962619e+00 1.066236e-01 2.056192e+00 8.999963e+00 23 1.045390e+00 8.962619e+00 1.066236e-01 2.056192e+00 8.999963e+00 ... (616 more rows) ...
Errores comunes y cómo evitarlos
- Polaridad del condensador invertida: Los condensadores electrolíticos tienen una polaridad específica. Conectar la franja negativa al voltaje positivo puede causar que el componente se caliente o estalle. Solución: Asegúrate de que la patilla marcada con una franja (negativa) se conecte a Tierra.
- Valor de R2 demasiado bajo: Si R2 es muy pequeña (p. ej., 1 kΩ), el condensador se descargará en la base del transistor muy rápidamente, resultando en ningún efecto de atenuación visible. Solución: Usa un valor de resistencia alto (10 kΩ–47 kΩ) para ralentizar la descarga.
- Omitir R1: Conectar el interruptor directamente a un condensador grande crea un pico de corriente masivo (chispa) cuando se presiona. Solución: Usa siempre una resistencia pequeña (100 Ω) en serie con el interruptor para proteger los contactos.
Solución de problemas
- El LED se apaga instantáneamente (sin atenuación):
- Causa: Falta el condensador C1, está desconectado o el valor es demasiado pequeño (p. ej., 100 nF en lugar de 1000 µF).
- Solución: Verifica que C1 esté correctamente asentado y sea de al menos 470 µF.
- El LED permanece encendido permanentemente:
- Causa: El interruptor S1 podría ser del tipo incorrecto (con enclavamiento en lugar de momentáneo) o hay un cortocircuito que evita el transistor.
- Solución: Asegúrate de que el botón se suelte físicamente y verifica el cableado alrededor del Colector-Emisor.
- El LED es muy tenue incluso cuando se presiona el botón:
- Causa: R2 (resistencia de Base) es demasiado alta (limita demasiado la corriente de base) o R3 (resistencia del LED) es demasiado alta.
- Solución: Comprueba que R2 sea de aproximadamente 22 kΩ y R3 de aproximadamente 470 Ω.
Posibles mejoras y extensiones
- Temporización variable: Reemplaza R2 con un potenciómetro de 100 kΩ en serie con una resistencia de 1 kΩ. Esto te permite ajustar la duración de la atenuación manualmente.
- Par Darlington: Reemplaza Q1 con un transistor Darlington (o dos NPN conectados en configuración Darlington). Esto ofrece una ganancia de corriente mucho mayor, permitiéndote usar una R2 mucho más grande (p. ej., 1 MΩ), resultando en duraciones de temporizador extremadamente largas (minutos) con el mismo condensador.
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Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer
Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).
