Nivel: Básico. Compare la eficiencia de conmutación y los requisitos de excitación de los transistores BJT y MOSFET.

Objetivo y caso de uso

Usted construirá dos circuitos de conmutación en paralelo utilizando un BJT (Transistor de Unión Bipolar) y un MOSFET (Transistor de Efecto de Campo Metal-Óxido-Semiconductor) para alimentar cargas LED idénticas. Al medir las corrientes de entrada y las caídas de voltaje de salida, observará las diferencias fundamentales en cómo estos dispositivos controlan la potencia.

Por qué es útil:
* Eficiencia: Entender qué transistor disipa menos potencia (calor) en una aplicación específica.
* Interfaz con microcontroladores: Aprender qué dispositivo se conecta directamente a pines lógicos sin cargar el procesador.
* Requisitos de excitación: Distinguir entre dispositivos controlados por corriente (BJT) y dispositivos controlados por voltaje (MOSFET).
* Selección de componentes: Tomar decisiones informadas para controladores de motores, controles de relés y conmutación de alta potencia.

Resultado esperado:
* Corriente de entrada: El BJT consumirá una corriente medible en su Base, mientras que la corriente de Puerta (Gate) del MOSFET será cercana a cero.
* Caída de voltaje: Medirá diferentes caídas de voltaje (VCE vs VDS) a través de los transistores cuando estén encendidos (ON).
* Acción del LED: Ambos LEDs se encenderán, confirmando visualmente la acción de conmutación.

Público objetivo y nivel:
Estudiantes y aficionados que aprenden las características de los componentes.

Materiales

• V1: Fuente de alimentación de 5 V DC, función: Fuente de alimentación principal.
• S1: Interruptor de palanca SPST, función: Señal de control de entrada.
• Q1: Transistor NPN 2N2222, función: Interruptor controlado por corriente.
• M1: MOSFET de Canal N 2N7000, función: Interruptor controlado por voltaje.
• R1: Resistencia de 1 kΩ, función: Limitación de corriente para la Base del BJT.
• R2: Resistencia de 10 kΩ, función: Pull-down para la señal del interruptor.
• R3: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente para la carga del BJT (LED).
• R4: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente para la carga del MOSFET (LED).
• D1: LED Rojo, función: Indicador de carga para el BJT.
• D2: LED Verde, función: Indicador de carga para el MOSFET.

Guía de conexionado

Construya el circuito siguiendo estas conexiones utilizando los nombres de nodo proporcionados.

Sección de señal de control:
* S1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo CTRL.
* R2 se conecta entre el nodo CTRL y el nodo 0 (GND).

Circuito BJT (Controlado por corriente):
* R1 se conecta entre el nodo CTRL y el nodo B_BASE.
* La Base de Q1 se conecta al nodo B_BASE.
* El Emisor de Q1 se conecta al nodo 0.
* El Colector de Q1 se conecta al nodo B_COLL.
* El Ánodo de D1 se conecta al nodo VCC.
* El Cátodo de D1 se conecta al nodo D1_K.
* R3 se conecta entre el nodo D1_K y el nodo B_COLL.

Circuito MOSFET (Controlado por voltaje):
* La Puerta (Gate) de M1 se conecta directamente al nodo CTRL.
* La Fuente (Source) de M1 se conecta al nodo 0.
* El Drenador (Drain) de M1 se conecta al nodo M_DRAIN.
* El Ánodo de D2 se conecta al nodo VCC.
* El Cátodo de D2 se conecta al nodo D2_K.
* R4 se conecta entre el nodo D2_K y el nodo M_DRAIN.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

+-------------------------------------------------------------------------+
|               PRACTICAL CASE: COMPARING BJT AND MOSFET SWITCHES         |
+-------------------------------------------------------------------------+

1. CONTROL SIGNAL GENERATION
   (Creates the "CTRL" signal used by both circuits below)

   VCC (5 V) --> [ S1: Switch ] --+--(Node: CTRL)
                                 |
                                            +--> [ R2: 10k Pull-Down ] --> GND


2. BJT CIRCUIT (Current Controlled)
   (Requires Base Resistor R1 for current limiting)

   [ Node: CTRL ] --(Signal)--> [ R1: 1k ] --(I_Base)--> [ Q1: Base ]
                                                             |
                                                         (Controls)
                                                             |
                                                             v
   VCC --> [ D1: Red LED ] --> [ R3: 330 ] --> [ Q1: Collector ]
                                                             |
                                                         (Switch)
                                                             |
                                               +--> [ Q1: Emitter ] --> GND


3. MOSFET CIRCUIT (Voltage Controlled)
   (Gate connects directly; controlled by Voltage Field)

   [ Node: CTRL ] --(Voltage)--------------------------> [ M1: Gate ]
                                                             |
                                                         (Controls)
                                                             |
                                                             v
   VCC --> [ D2: Grn LED ] --> [ R4: 330 ] --> [ M1: Drain ]
                                                             |
                                                         (Switch)
                                                             |
                                                             +--> [ M1: Source ] --> GND

Mediciones y pruebas

Realice los siguientes pasos para validar las diferencias entre los transistores.

1. Encendido (Switch ON): Cierre el interruptor S1 para aplicar 5 V al nodo de control. Asegúrese de que tanto D1 (Rojo) como D2 (Verde) se enciendan.
2. Prueba 1: Corriente de entrada (Ganancia de corriente vs. Efecto de campo):
   • Mida el voltaje a través de R1 (1 kΩ). Use la Ley de Ohm ($I = V/R$) para calcular la corriente de Base (IB) que fluye hacia Q1.
   • Resultado: Debería calcular aproximadamente 4.3 mA.
   • Intente medir la corriente que fluye hacia la Puerta (Gate) de M1.
   • Resultado: Debería ser efectivamente 0 mA (típicamente nano-amperios), demostrando que el MOSFET es controlado por voltaje.
3. Prueba 2: Eficiencia de conmutación (Caída de voltaje):
   • Mida el voltaje desde el Colector al Emisor de Q1 (VCE).
   • Resultado: Espere una caída de aproximadamente 0.1 V a 0.2 V (Voltaje de saturación).
   • Mida el voltaje desde el Drenador (Drain) a la Fuente (Source) de M1 (VDS).
   • Resultado: Para corrientes pequeñas con un 2N7000, esta caída es a menudo muy baja (milivoltios), dependiente de Iload × Rdson.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Comparing BJT and MOSFET Switches
.width out=256

* --- Power Supply ---
* V1: Main 5V DC supply
V1 VCC 0 DC 5

* --- Control Signal Section ---
* S1: SPST toggle switch connecting VCC to CTRL.
* Modeled as a voltage-controlled switch (S1) driven by a behavioral pulse source (V_SW_ACT)
* to simulate the user pressing the button periodically.
V_SW_ACT SW_CTRL 0 PULSE(0 5 10u 1u 1u 100u 200u)
S1 VCC CTRL SW_CTRL 0 SWITCH_MOD

* R2: Pull-down resistor (10k) ensures CTRL goes to 0V when switch is open
R2 CTRL 0 10k

* --- BJT Circuit (Current Controlled) ---
* R1: Current limiting resistor for Base (1k)
R1 CTRL B_BASE 1k
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Comparing BJT and MOSFET Switches
.width out=256

* --- Power Supply ---
* V1: Main 5V DC supply
V1 VCC 0 DC 5

* --- Control Signal Section ---
* S1: SPST toggle switch connecting VCC to CTRL.
* Modeled as a voltage-controlled switch (S1) driven by a behavioral pulse source (V_SW_ACT)
* to simulate the user pressing the button periodically.
V_SW_ACT SW_CTRL 0 PULSE(0 5 10u 1u 1u 100u 200u)
S1 VCC CTRL SW_CTRL 0 SWITCH_MOD

* R2: Pull-down resistor (10k) ensures CTRL goes to 0V when switch is open
R2 CTRL 0 10k

* --- BJT Circuit (Current Controlled) ---
* R1: Current limiting resistor for Base (1k)
R1 CTRL B_BASE 1k

* Q1: 2N2222 NPN Transistor
* Syntax: Qname Collector Base Emitter Model
Q1 B_COLL B_BASE 0 2N2222

* BJT Load Indicator: Red LED (D1) and Resistor (R3)
* D1 Anode connects to VCC, Cathode to D1_K
D1 VCC D1_K LED_RED
* R3 connects between D1_K and BJT Collector
R3 D1_K B_COLL 330

* --- MOSFET Circuit (Voltage Controlled) ---
* M1: 2N7000 N-Channel MOSFET
* Syntax: Mname Drain Gate Source Bulk Model
M1 M_DRAIN CTRL 0 0 2N7000

* MOSFET Load Indicator: Green LED (D2) and Resistor (R4)
* D2 Anode connects to VCC, Cathode to D2_K
D2 VCC D2_K LED_GREEN
* R4 connects between D2_K and MOSFET Drain
R4 D2_K M_DRAIN 330

* --- Component Models ---

* Switch Model (Threshold 2.5V, Low On-Resistance)
.model SWITCH_MOD SW(Vt=2.5 Ron=0.1 Roff=10Meg)

* BJT Model (Standard 2N2222 parameters)
.model 2N2222 NPN(IS=1E-14 BF=200 VAF=100 IKF=0.3 XTB=1.5 BR=3 CJC=8p CJE=25p TR=46n TF=411p RC=0.3 RE=0.2)

* MOSFET Model (2N7000 approximation Level 1)
.model 2N7000 NMOS(Level=1 VTO=2.1 KP=0.12 LAMBDA=0.01 RD=1 RS=1 CGSO=10p CGDO=10p CGBO=10p)

* LED Models (Generic Red and Green)
* Red LED approx 1.8V drop
.model LED_RED D(IS=1e-20 N=2.0 RS=5 BV=5 IBV=10u CJO=10p)
* Green LED approx 2.1V drop
.model LED_GREEN D(IS=1e-22 N=1.5 RS=5 BV=5 IBV=10u CJO=10p)

* --- Analysis Directives ---
.op
* Transient analysis: 1us step, 500us duration (captures 2.5 cycles of 200us pulse)
.tran 1u 500u

* Output Print Directives
* Order: Input (CTRL), BJT Output (Collector), MOSFET Output (Drain)
.print tran V(CTRL) V(B_COLL) V(M_DRAIN)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation confirms correct switching behavior. Initially (Time=0 to ~10us), CTRL is low (~5mV), BJT Collector is high (~3.95V, LED OFF), and MOSFET Drain is high (~4.06V, LED OFF). When the pulse activates (Time > 10us), CTRL goes high (~5V), BJT Collector drops to saturation (~24mV, LED ON), and MOSFET Drain drops to low resistance state (~46mV, LED ON).

Show raw data table (638 rows)

Index   time            v(ctrl)         v(b_coll)       v(m_drain)
0	0.000000e+00	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
1	1.000000e-08	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
2	2.000000e-08	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
3	4.000000e-08	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
4	8.000000e-08	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
5	1.600000e-07	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
6	3.200000e-07	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
7	6.400000e-07	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
8	1.280000e-06	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
9	2.280000e-06	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
10	3.280000e-06	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
11	4.280000e-06	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
12	5.280000e-06	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
13	6.280000e-06	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
14	7.280000e-06	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
15	8.280000e-06	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
16	9.280000e-06	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
17	1.000000e-05	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
18	1.010000e-05	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
19	1.026000e-05	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
20	1.030750e-05	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
21	1.039062e-05	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
22	1.041363e-05	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
23	1.045390e-05	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
... (614 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Omitir la resistencia de Base (R1): Conectar 5 V directamente a la Base del BJT destruirá el transistor inmediatamente debido a una corriente excesiva. Siempre use una resistencia limitadora.
2. Dejar la Puerta (Gate) del MOSFET flotante: Si se quita R2 (pull-down) y S1 está abierto, el MOSFET puede encenderse/apagarse aleatoriamente debido a la carga estática. Siempre conecte la Puerta a un nivel conocido.
3. Confusión en el pinout: Confundir el Drenador/Fuente en el MOSFET o el Colector/Emisor en el BJT. Siempre verifique el diagrama de la hoja de datos para el encapsulado específico (TO-92).

Solución de problemas

• Síntoma: El BJT se calienta, pero el LED es tenue.
  • Causa: El transistor está en la región activa (no completamente saturado) o R1 es demasiado alta.
  • Solución: Disminuya R1 ligeramente para asegurar que suficiente corriente de Base lleve al transistor a la saturación.
• Síntoma: El MOSFET no se enciende.
  • Causa: El Voltaje Umbral de Puerta (Vgsth) es mayor que el voltaje de alimentación.
  • Solución: Asegúrese de usar el 2N7000 (compatible con nivel lógico) o verifique que la alimentación sea de al menos 5 V.
• Síntoma: Los LEDs permanecen encendidos cuando S1 está abierto.
  • Causa: Falta la resistencia pull-down R2.
  • Solución: Instale R2 (10 kΩ) para descargar el nodo CTRL a tierra cuando el interruptor esté abierto.

Posibles mejoras y extensiones

1. Prueba de carga inductiva: Reemplace los LEDs/Resistencias con pequeños motores de 5 V DC. Agregue diodos flyback (por ejemplo, 1N4007) a través de los motores para proteger los transistores de picos de voltaje.
2. Comparación de alta potencia: Cambie Q1 por un TIP31 y M1 por un IRF520 para manejar una carga más pesada (como una lámpara de 12 V 10W). Observe qué componente requiere un disipador de calor primero (típicamente el BJT).

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: Básico. Controlar un relé mecánico de alto voltaje utilizando una pequeña señal de control de baja potencia.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirá un circuito donde una pequeña señal (simulando una salida de microcontrolador como un Arduino) activa un transistor NPN para encender un relé de 12 V.

Por qué es útil:
* Protección del microcontrolador: Permite que chips lógicos delicados de 3.3 V o 5 V controlen dispositivos de 12 V o 24 V sin sufrir daños.
* Manejo de alta corriente: Los transistores pueden conmutar relés, que a su vez pueden conmutar corrientes muy altas (motores CA, calentadores) que el transistor por sí solo no podría manejar.
* Aplicaciones automotrices: Práctica estándar para controlar accesorios automotrices de 12 V desde una ECU.
* Aislamiento: Aunque el transistor comparte tierra, los contactos del relé proporcionan aislamiento galvánico para la carga final.

Resultado esperado:
* Cuando el interruptor de 5 V se cierra, el transistor se satura (VCE ≈ 0.2 V).
* La bobina del relé se energiza, produciendo un «clic» audible.
* El LED de carga se ENCIENDE.
* El diodo flyback protege al transistor de picos de alto voltaje cuando el relé se APAGA.

Público objetivo y nivel:
Estudiantes de electrónica básica y aficionados.

Materiales

• V1: Suministro de 5 V CC, función: Fuente de voltaje de control lógico.
• V2: Suministro de 12 V CC, función: Alimentación de la bobina del relé y la carga.
• S1: Interruptor de palanca SPST, función: Simula el pin de salida del microcontrolador.
• R1: Resistencia de 1 kΩ, función: Limitación de corriente de base para asegurar la saturación.
• Q1: 2N2222 (BJT NPN), función: Controlador de interruptor de lado bajo.
• K1: Relé SPDT de 12 V, función: Elemento de conmutación electromecánica.
• D1: Diodo 1N4007, función: Diodo de protección flyback (rueda libre).
• R2: Resistencia de 470 Ω, función: Limitación de corriente para el LED de carga.
• D2: LED verde, función: Indicador visual del estado de la carga (conectado al contacto NO del relé).

Guía de conexionado

Esta guía utiliza nombres de nodos específicos para definir las conexiones claramente.
* Nodos: GND (Tierra común), CTRL_IN (Lógica 5 V), V_RELAY (Suministro 12 V), BASE, COLLECTOR (COLECTOR), LOAD_OUT (SALIDA_CARGA).

• V1: Terminal positivo a CTRL_IN, terminal negativo a GND.
• V2: Terminal positivo a V_RELAY, terminal negativo a GND.
• S1: Conectado entre CTRL_IN y la entrada de R1.
• R1: Conectada entre la salida de S1 y la BASE de Q1.
• Q1:
  • Base a BASE.
  • Emisor a GND.
  • Colector a COLLECTOR.
• K1 (Bobina): Conectada entre V_RELAY y COLLECTOR.
• D1: Ánodo a COLLECTOR, Cátodo a V_RELAY (Polarización inversa).
• K1 (Contacto Común): Conectado a V_RELAY.
• K1 (Normalmente Abierto – NO): Conectado a LOAD_OUT.
• R2: Conectada entre LOAD_OUT y el Ánodo de D2.
• D2: Ánodo a R2, Cátodo a GND.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Title: Practical case: Low-Side Transistor Relay Switch

1. CONTROL LOOP (Logic Signal)
   Flow: 5 V Logic activates the Transistor Base.

   [ V1: 5 V ] --(Node: CTRL_IN)--> [ S1: Switch ] --> [ R1: 1k ] --(Node: BASE)--> [ Q1: Base ]
                                                                                         |
                                                                                         | (Controls Q1 State)
                                                                                         v

2. RELAY DRIVE LOOP (12 V Power & Coil)
   Flow: Transistor sinks Coil current to Ground; Diode protects against spikes.

                                           (Flyback Protection)
                             .-----[ D1: Cathode <------- Anode ]------.
                             |                                         |
                             v                                         v
   [ V2: 12 V ] --(Node: V_RELAY)--> [ K1: Coil ] --(Node: COLLECTOR)--> [ Q1: Collector ]
                                                                               |
                                                                               | (Current Flow)
                                                                               v
                                                                        [ Q1: Emitter ] --> GND


3. LOAD LOOP (High Power Output)
   Flow: Relay Magnetic Field closes the switch, powering the LED.

          .--------------------------( Magnetic Mechanical Link )--------------------------.
          |                                                                                |
          v                                                                                v
   [ V2: 12 V ] --> [ K1: COM ] --( Switch Closes )--> [ K1: NO ] --(Node: LOAD_OUT)--> [ R2: 470R ] --> [ D2: LED ] --> GND

Mediciones y pruebas

Siga estos pasos para validar el funcionamiento del circuito utilizando un multímetro:

1. Verificación del estado APAGADO: Asegúrese de que S1 esté Abierto. Mida el voltaje en COLLECTOR relativo a GND. Debería estar cerca de 12 V (flotante a través de la bobina). D2 debería estar APAGADO.
2. Activación: Cierre S1. Escuche el clic del relé. D2 debería ENCENDERSE.
3. Voltaje Base-Emisor (VBE): Con S1 cerrado, mida el voltaje entre BASE y GND. Debería ser aprox. 0.7 V – 0.8 V.
4. Verificación de saturación (VCE): Mida el voltaje entre COLLECTOR y GND mientras está ENCENDIDO. Debería ser muy bajo (típicamente < 0.2 V), indicando que el transistor actúa como un interruptor cerrado.
5. Voltaje de la bobina: Mida a través de la bobina del relé. Debería leer cerca de 11.8 V (suministro de 12 V menos la pequeña caída VCE).

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Low-Side Transistor Relay Switch
.width out=256
*
* Description:
* A 5V control signal (simulated via S1) drives a 2N2222 NPN transistor.
* The transistor switches a 12V Relay Coil.
* The Relay contacts switch a 12V load (Green LED).
*
* Nodes defined in Wiring Guide:
* GND, CTRL_IN, V_RELAY, BASE, COLLECTOR, LOAD_OUT

* --- Power Supplies ---
* V1: 5V Logic Supply
V1 CTRL_IN 0 DC 5
* V2: 12V Relay/Load Supply
V2 V_RELAY 0 DC 12

* --- User Switch Simulation (S1) ---
* S1 represents the physical SPST toggle switch.
* We use a voltage-controlled switch model driven by a PULSE source (V_USER)
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Low-Side Transistor Relay Switch
.width out=256
*
* Description:
* A 5V control signal (simulated via S1) drives a 2N2222 NPN transistor.
* The transistor switches a 12V Relay Coil.
* The Relay contacts switch a 12V load (Green LED).
*
* Nodes defined in Wiring Guide:
* GND, CTRL_IN, V_RELAY, BASE, COLLECTOR, LOAD_OUT

* --- Power Supplies ---
* V1: 5V Logic Supply
V1 CTRL_IN 0 DC 5
* V2: 12V Relay/Load Supply
V2 V_RELAY 0 DC 12

* --- User Switch Simulation (S1) ---
* S1 represents the physical SPST toggle switch.
* We use a voltage-controlled switch model driven by a PULSE source (V_USER)
* to simulate the user pressing/releasing the switch.
* Timing: Wait 5ms, ON for 20ms, Period 50ms.
V_USER S1_CTRL 0 PULSE(0 5 5m 10u 10u 20m 50m)

* S1 Instance: Connects CTRL_IN to SW_OUT when S1_CTRL is high.
S1 CTRL_IN SW_OUT S1_CTRL 0 TACTILE_SW

* --- Base Drive ---
* R1: Current limiting for Q1 Base
R1 SW_OUT BASE 1k

* --- Low-Side Driver (Q1) ---
* Q1: NPN 2N2222
* Connections: Collector, Base, Emitter(GND)
Q1 COLLECTOR BASE 0 2N2222_MOD

* --- Relay Coil & Flyback Diode ---
* K1 Coil: Modeled as Inductance (L) + Series Resistance (R).
* Connected between V_RELAY (12V) and COLLECTOR.
* Typical 12V relay coil resistance ~400 Ohms.
R_K1_COIL V_RELAY K1_INT 400
L_K1_COIL K1_INT COLLECTOR 100m

* D1: 1N4007 Flyback Diode (Reverse biased)
* Anode to COLLECTOR, Cathode to V_RELAY
D1 COLLECTOR V_RELAY 1N4007_MOD

* --- Relay Contacts (K1 Switch) ---
* Modeled as a voltage-controlled switch (S_K1).
* Controlled by the voltage across the coil (V_RELAY - COLLECTOR).
* When Q1 is ON, Coil Voltage ~ 12V -> Contacts Close.
* When Q1 is OFF, Coil Voltage ~ 0V -> Contacts Open.
* Connections: Common (V_RELAY) to NO (LOAD_OUT).
S_K1 V_RELAY LOAD_OUT V_RELAY COLLECTOR RELAY_SW_MOD

* --- Load Circuit ---
* R2: Current limiting for LED
R2 LOAD_OUT LED_ANODE 470
* D2: Green LED
D2 LED_ANODE 0 LED_GREEN_MOD

* --- Component Models ---

* Switch Model for S1 (Logic Level Control)
.model TACTILE_SW SW(Vt=2.5 Vh=0.5 Ron=0.01 Roff=100Meg)

* Switch Model for Relay (High Voltage Threshold)
* Vt=8V ensures it pulls in only when coil is energized (approx >8V)
.model RELAY_SW_MOD SW(Vt=8.0 Vh=1.0 Ron=0.05 Roff=100Meg)

* BJT Model 2N2222
.model 2N2222_MOD 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=0.1)

* Diode Model 1N4007
.model 1N4007_MOD D(IS=7n RS=0.034 N=1.8 BV=1000 IBV=5e-8 CJO=10p VJ=0.7 M=0.5 TT=100n)

* LED Model (Green, approx 2.1V Vf)
.model LED_GREEN_MOD D(IS=1e-22 RS=5 N=1.8 CJO=50p VJ=2.2 BV=5 IBV=10u)

* --- Analysis Directives ---
.op
.tran 100u 60m

* Output Printing
* V(SW_OUT): Input signal after switch S1
* V(LOAD_OUT): Output status (Relay NO contact)
* V(BASE): Transistor Base Voltage
* V(COLLECTOR): Transistor Collector Voltage (Relay Coil Low-Side)
.print tran V(SW_OUT) V(LOAD_OUT) V(BASE) V(COLLECTOR) I(L_K1_COIL)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation shows the switch (S1) activating at 5ms. When V(SW_OUT) goes high (~5V), V(BASE) rises to ~0.8V, turning Q1 ON. V(COLLECTOR) drops to ~70mV (saturation), energizing the coil. However, V(LOAD_OUT) remains high (~12V) throughout the log, even when the switch is OFF at t=0, suggesting the relay contact model might be inverted or the threshold logic is tricky.

Show raw data table (722 rows)

Index   time            v(sw_out)       v(load_out)     v(base)         v(collector)    l_k1_coil#branc
0	0.000000e+00	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
1	1.000000e-06	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
2	2.000000e-06	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
3	4.000000e-06	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
4	8.000000e-06	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
5	1.600000e-05	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
6	3.200000e-05	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
7	6.400000e-05	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
8	1.280000e-04	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
9	2.280000e-04	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
10	3.280000e-04	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
11	4.280000e-04	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
12	5.280000e-04	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
13	6.280000e-04	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
14	7.280000e-04	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
15	8.280000e-04	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
16	9.280000e-04	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
17	1.028000e-03	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
18	1.128000e-03	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
19	1.228000e-03	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
20	1.328000e-03	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
21	1.428000e-03	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
22	1.528000e-03	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
23	1.628000e-03	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
... (698 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Omitir el diodo flyback (D1):
   • Consecuencia: El pico de alto voltaje generado por el colapso de la bobina del relé puede destruir el transistor inmediatamente.
   • Solución: Instale siempre un diodo en paralelo con la bobina, cátodo al voltaje positivo.
2. Usar una resistencia de base (R1) demasiado alta:
   • Consecuencia: El transistor opera en la región activa en lugar de saturación, causando que se sobrecaliente y potencialmente falle en activar el relé.
   • Solución: Calcule IB para que sea al menos de 5× a 10× la corriente de base requerida para la carga de colector dada.
3. Conectar la carga al Emisor (Lado alto):
   • Consecuencia: El relé no recibirá 12 V; solo recibirá aprox. Vbase – 0.7 V (aprox. 4.3 V), lo cual es insuficiente para accionar un relé de 12 V.
   • Solución: Utilice siempre transistores NPN como interruptores de «Lado bajo» (Carga conectada al Colector, Emisor a Tierra).

Solución de problemas

• Síntoma: El relé no hace clic, el LED D2 permanece apagado.
  • Causa: S1 no conecta o R1 es demasiado grande.
  • Arreglo: Verifique continuidad en S1 y verifique que llegan 5 V a R1.
• Síntoma: El transistor se calienta mucho cuando el Relé está ENCENDIDO.
  • Causa: Transistor no completamente saturado (Corriente de base demasiado baja).
  • Arreglo: Reduzca el valor de R1 (ej. pruebe 470 Ω) para llevar a Q1 a saturación profunda.
• Síntoma: El circuito funcionó una vez, luego dejó de funcionar permanentemente.
  • Causa: Falta D1 o está invertido (causando cortocircuito) o Q1 está quemado.
  • Arreglo: Reemplace Q1 y asegúrese de que D1 esté instalado correctamente (Cátodo a +12 V).
• Síntoma: D2 se enciende, pero no se escucha «clic».
  • Causa: Podría estar probando con un indicador de estado sólido en lugar de un relé mecánico, o la bobina del relé está dañada.
  • Arreglo: Verifique que la resistencia de la bobina coincida con las especificaciones de la hoja de datos.

Posibles mejoras y extensiones

1. Actualización a MOSFET: Reemplace el BJT NPN con un MOSFET de Canal N de Nivel Lógico (ej. IRLZ44N) para mayor eficiencia y consumo de corriente de puerta cero.
2. Aislamiento óptico: Añada un optoacoplador (como 4N25) antes de Q1 para aislar eléctricamente por completo el lado de control de 5 V del lado de potencia de 12 V, protegiendo el microcontrolador de fallas de energía catastróficas.

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: Básico. Diseñe un circuito de seguridad donde cortar un cable active una alarma utilizando lógica de saturación de transistor.

Objetivo y caso de uso

En este proyecto, construirá un sistema de seguridad de lazo cerrado utilizando un transistor BJT. Cuando un cable específico (el «lazo sensor») está intacto, el sistema permanece en silencio; si el cable se corta o desconecta, un LED se enciende inmediatamente.

• Seguridad perimetral: Monitorizar ventanas o cercas donde se instala una cinta conductora o cable.
• Mecanismos anti-manipulación: Detectar si la carcasa de un dispositivo ha sido abierta al romperse una conexión.
• Prueba de continuidad: Verificar la integridad del cable en la fabricación de arneses.

Resultado esperado:
* Lazo intacto (Seguro): El LED permanece APAGADO. VBE ≈ 0 V.
* Lazo cortado (Alarma): El LED se ENCIENDE. VBE ≈ 0.7 V y el transistor entra en saturación (VCE < 0.2 V).

Público objetivo: Estudiantes y aficionados que aprenden aplicaciones básicas de conmutación con transistores.

Materiales

• V1: Fuente de alimentación de 9 V CC o batería.
• Q1: 2N2222 o BC547 (NPN BJT), función: interruptor electrónico.
• R1: Resistencia de 10 kΩ, función: resistencia pull-up de base.
• R2: Resistencia de 470 Ω, función: limitación de corriente del LED.
• D1: LED rojo, función: indicador visual de alarma.
• W1: Cable de cobre o puente, función: lazo sensor (el cable del «intruso»).

Guía de conexionado

Construya el circuito asegurando que todas las conexiones correspondan a los siguientes nodos: VCC, GND (0), BASE, y COLLECTOR.

• V1: Terminal positivo a VCC, terminal negativo a GND.
• R1 (Pull-up): Se conecta entre VCC y BASE.
• W1 (Lazo sensor): Se conecta entre BASE y GND.
• Q1 (Transistor):
  • Pin de Base a BASE.
  • Pin de Emisor a GND.
  • Pin de Colector a COLLECTOR.
• D1 (LED): Ánodo a VCC, Cátodo al nodo LED_CATHODE.
• R2 (Limitadora): Se conecta entre LED_CATHODE y COLLECTOR.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Title: Practical case: Intrusion alarm by wire break

[ A. CONTROL / SENSING LOOP ]
(Logic: W1 keeps Base LOW. If W1 breaks, R1 pulls Base HIGH)

VCC (9 V) --> [ R1: 10k Pull-Up ] --(Node: BASE)--> [ Q1: Base ]
                                         |
                                        +-------> [ W1: Sense Wire ] --> GND


[ B. ALARM / POWER LOOP ]
(Logic: Current flows through LED only when Q1 is ON)

VCC (9 V) --> [ D1: Red LED ] --> [ R2: 470R ] --> [ Q1: Collector ]
                                                          |
                                                      (Switch)
                                                          |
                                                          v
                                                   [ Q1: Emitter ] --> GND

Mediciones y pruebas

Verifique los estados lógicos utilizando un multímetro.

1. Estado 1: Lazo intacto (Seguro)

   • Asegúrese de que el cable W1 conecte BASE a GND.
   • Mida el voltaje Base-Emisor (VBE): Debe ser 0 V.
   • Mida el voltaje Colector-Emisor (VCE): Debe estar cerca de 9 V (Región de corte).
   • Resultado: El LED está APAGADO.

2. Estado 2: Lazo roto (Alarma)

   • Desconecte o corte el cable W1.
   • Mida el voltaje Base-Emisor (VBE): Debe ser aproximadamente 0.7 V.
   • Mida el voltaje Colector-Emisor (VCE): Debe ser aproximadamente 0.1 V a 0.2 V (Región de saturación).
   • Resultado: El LED está ENCENDIDO.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Intrusion alarm by wire break
.width out=256

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC power supply
V1 VCC 0 DC 9

* --- Input / Sense Loop ---
* W1: Sense Loop (Copper wire). 
* Modeled as a Voltage Controlled Switch (S_W1) to simulate the wire breaking.
* Logic: High Control (5V) = Wire Intact (Closed). Low Control (0V) = Wire Broken (Open).
S_W1 BASE 0 CTRL 0 SW_WIRE
.model SW_WIRE SW(Vt=2.5 Vh=0.1 Ron=0.01 Roff=100Meg)

* Control Signal for W1:
* Starts at 5V (Intact), breaks at 2ms (0V), stays broken for duration.
V_W1_CTRL CTRL 0 PULSE(5 0 2ms 1u 1u 5ms 10ms)

* --- Pull-up Network ---
* R1: Base pull-up resistor
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Intrusion alarm by wire break
.width out=256

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC power supply
V1 VCC 0 DC 9

* --- Input / Sense Loop ---
* W1: Sense Loop (Copper wire). 
* Modeled as a Voltage Controlled Switch (S_W1) to simulate the wire breaking.
* Logic: High Control (5V) = Wire Intact (Closed). Low Control (0V) = Wire Broken (Open).
S_W1 BASE 0 CTRL 0 SW_WIRE
.model SW_WIRE SW(Vt=2.5 Vh=0.1 Ron=0.01 Roff=100Meg)

* Control Signal for W1:
* Starts at 5V (Intact), breaks at 2ms (0V), stays broken for duration.
V_W1_CTRL CTRL 0 PULSE(5 0 2ms 1u 1u 5ms 10ms)

* --- Pull-up Network ---
* R1: Base pull-up resistor
R1 VCC BASE 10k

* --- Switching Element ---
* Q1: NPN Transistor (2N2222)
* Connections: Collector, Base, Emitter(GND)
Q1 COLLECTOR BASE 0 2N2222
.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=0.3 RE=0.2)

* --- Output / Alarm Indicator ---
* D1: Red LED
* Anode to VCC, Cathode to LED_CATHODE
D1 VCC LED_CATHODE LED_RED
.model LED_RED D(IS=93.2P RS=42M N=3.73 BV=4 IBV=10U CJO=2.97P VJ=0.75 M=0.33 TT=4.32U)

* R2: LED current limiting resistor
* Between LED_CATHODE and COLLECTOR
R2 LED_CATHODE COLLECTOR 470

* --- Simulation Commands ---
.op
* Simulate for 5ms to capture the wire break event at 2ms
.tran 10u 5ms

* --- Output Printing ---
* V(BASE): Trigger voltage (Low=Intact, High=Alarm)
* V(COLLECTOR): Output node (Pulled Low when Alarm is Active)
.print tran V(BASE) V(COLLECTOR) V(LED_CATHODE)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (536 rows)

Index   time            v(base)         v(collector)    v(led_cathode)
0	0.000000e+00	8.999991e-06	8.979590e+00	8.979590e+00
1	1.000000e-07	8.999991e-06	8.979590e+00	8.979590e+00
2	2.000000e-07	8.999991e-06	8.979590e+00	8.979590e+00
3	4.000000e-07	8.999991e-06	8.979590e+00	8.979590e+00
4	8.000000e-07	8.999991e-06	8.979590e+00	8.979590e+00
5	1.600000e-06	8.999991e-06	8.979591e+00	8.979591e+00
6	3.200000e-06	8.999991e-06	8.979592e+00	8.979592e+00
7	6.400000e-06	8.999991e-06	8.979594e+00	8.979594e+00
8	1.280000e-05	8.999991e-06	8.979598e+00	8.979598e+00
9	2.280000e-05	8.999991e-06	8.979604e+00	8.979604e+00
10	3.280000e-05	8.999991e-06	8.979610e+00	8.979610e+00
11	4.280000e-05	8.999991e-06	8.979616e+00	8.979616e+00
12	5.280000e-05	8.999991e-06	8.979622e+00	8.979623e+00
13	6.280000e-05	8.999991e-06	8.979629e+00	8.979629e+00
14	7.280000e-05	8.999991e-06	8.979635e+00	8.979635e+00
15	8.280000e-05	8.999991e-06	8.979641e+00	8.979641e+00
16	9.280000e-05	8.999991e-06	8.979647e+00	8.979647e+00
17	1.028000e-04	8.999991e-06	8.979653e+00	8.979653e+00
18	1.128000e-04	8.999991e-06	8.979659e+00	8.979659e+00
19	1.228000e-04	8.999991e-06	8.979665e+00	8.979665e+00
20	1.328000e-04	8.999991e-06	8.979671e+00	8.979671e+00
21	1.428000e-04	8.999991e-06	8.979677e+00	8.979677e+00
22	1.528000e-04	8.999991e-06	8.979684e+00	8.979684e+00
23	1.628000e-04	8.999991e-06	8.979690e+00	8.979690e+00
... (512 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Conectar el lazo al Colector: Colocar el cable sensor en el lado de salida probablemente cortocircuitará la fuente de alimentación o el LED, en lugar de controlar el transistor. Asegúrese de que el lazo controle la Base.
2. Omitir la resistencia de Base (R1): Si falta R1, la Base queda flotante cuando se corta el cable, y es posible que el transistor no se encienda de manera fiable. R1 proporciona la corriente de encendido necesaria.
3. Sin limitación de corriente para el LED: Olvidar R2 permite que fluya corriente ilimitada a través del LED y Q1 al activarse la alarma, quemando instantáneamente el LED.

Solución de problemas

• El LED nunca se ENCIENDE: Verifique si R1 está conectada a VCC. Si la base nunca recibe voltaje cuando se corta el cable, el transistor permanece APAGADO.
• El LED permanece ENCENDIDO (incluso con el lazo intacto): Verifique la conexión de W1. Si la resistencia del cable sensor es demasiado alta (mal contacto), podría no bajar el voltaje de la base lo suficiente para apagar el transistor.
• El transistor se calienta: Verifique si R2 es demasiado baja (corriente de colector excesiva) o si el LED está en cortocircuito.

Posibles mejoras y extensiones

1. Alarma sonora: Conecte un zumbador activo de 9 V en paralelo con el LED (y su resistencia) para proporcionar sonido.
2. Circuito de enclavamiento: Utilice un tiristor (SCR) en lugar de un transistor NPN para que, una vez cortado el cable, la alarma permanezca ENCENDIDA incluso si el intruso intenta volver a conectar el cable.

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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: 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:

1. 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.
2. 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).
3. Fase de descarga: Suelta S1. Observa D1. No debería apagarse instantáneamente. En su lugar, debería atenuarse.
4. 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.
5. 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) ...

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* 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

1. 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.
2. 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.
3. 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

1. 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.
2. 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

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¿Quiénes somos?

Nivel: Básico. Construye un circuito para amplificar una señal de audio débil utilizando un transistor NPN en configuración de emisor común.

Objetivo y caso de uso

En este caso, construirás un amplificador clásico de Clase A de una sola etapa utilizando un transistor NPN con polarización por divisor de voltaje. Introducirás una pequeña señal de CA (que representa audio) y observarás una oscilación de voltaje mayor en la salida.

• Por qué es útil:

  • Preamplificación: Aumenta las señales débiles de los micrófonos antes de que lleguen a un amplificador de potencia.
  • Acondicionamiento de señal: Eleva los niveles de salida de los sensores para que sean legibles por microcontroladores.
  • Procesamiento analógico: Bloque de construcción fundamental para filtros, osciladores y mezcladores.
  • Adaptación de impedancia: Amortigua fuentes de alta impedancia para manejar cargas de menor impedancia (dependiendo de la configuración específica).

• Resultado esperado:

  • Punto de operación de CC: VCE se estabiliza alrededor de la mitad del voltaje de alimentación (VCC / 2) para una máxima oscilación.
  • Amplificación: El voltaje de salida de CA (Vout) es significativamente mayor que la entrada (Vin), indicando Ganancia de Voltaje (Av > 1).
  • Inversión de fase: La forma de onda de la señal de salida está invertida (180^\circ) en relación con la entrada.
  • Flujo de corriente: IC es controlada por IB de acuerdo con la beta (\beta) del transistor.

• Público objetivo y nivel: Estudiantes con conocimientos básicos de la Ley de Ohm e identificación de componentes.

Materiales

• V1: Batería de 9 V CC o fuente de alimentación de banco, función: alimentación principal del circuito.
• V2: Generador de señales (Onda senoidal, 1 kHz, 20 mV pico a pico), función: simula una entrada de audio débil.
• Q1: BJT NPN 2N3904 (o 2N2222), función: elemento amplificador activo.
• R1: Resistencia de 22 kΩ, función: divisor de polarización de base superior.
• R2: Resistencia de 6.8 kΩ, función: divisor de polarización de base inferior.
• R3: Resistencia de 4.7 kΩ, función: carga del colector (establece la ganancia y la impedancia de salida).
• R4: Resistencia de 1 kΩ, función: degeneración del emisor (establece la estabilidad de CC).
• C1: Condensador electrolítico de 10 µF, función: bloqueo de CC de entrada.
• C2: Condensador electrolítico de 10 µF, función: bloqueo de CC de salida.
• C3: Condensador electrolítico de 100 µF, función: bypass del emisor (aumenta la ganancia de CA).

Guía de conexionado

Usa los siguientes nodos para conectar tu circuito: VCC (9 V), 0 (GND), BASE, COLL, EMIT, VIN, VOUT.

• V1: Terminal positivo conecta a VCC, terminal negativo conecta a 0.
• V2: Salida de señal conecta a VIN, Tierra conecta a 0.
• R1: Conecta entre VCC y BASE.
• R2: Conecta entre BASE y 0.
• R3: Conecta entre VCC y COLL.
• R4: Conecta entre EMIT y 0.
• Q1: Pin del colector a COLL, pin de la base a BASE, pin del emisor a EMIT.
• C1: Pata positiva a BASE, pata negativa a VIN.
• C2: Pata positiva a COLL, pata negativa a VOUT (Carga/Sonda del osciloscopio conecta aquí).
• C3: Pata positiva a EMIT, pata negativa a 0 (Colocar en paralelo con R4).

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Title: Practical case: Simple audio amplifier

      (BIAS & INPUT NETWORK)                               (POWER & OUTPUT NETWORK)
      ======================                               ========================

                                                           VCC (9 V)
      VCC (9 V)                                                |
         |                                                    |
         v                                                    v
    [ R1: 22k ]                                          [ R3: 4.7k ]
         |                                                    |
         v                                                    v
      (BASE) --------(Control Signal)----------------> [ Q1: Collector ] <--(COLL)--+
         ^                                                    |                     |
         |                                                    | (Amplified Current) |
    [ C1: 10uF ] <--(VIN)-- [ V2: Source ]                    v                     |
         |                                             [ Q1: Emitter ]              +--> [ C2: 10uF ] --> VOUT
         v                                                    |
    [ R2: 6.8k ]                                              v
         |                                                  (EMIT)
         v                                                    |
        GND                                       +-----------+-----------+
                                                  |                       |
                                                  v                       v
                                             [ R4: 1k ]             [ C3: 100uF ]
                                                  |                       |
                                                  v                       v
                                                 GND                     GND

Mediciones y pruebas

Realiza estas pruebas utilizando un multímetro (DMM) y un osciloscopio (si está disponible).

1. Comprobación de polarización de CC (Punto de reposo):

   • Asegúrate de que V2 (fuente de CA) esté APAGADA o desconectada.
   • Mide el voltaje de COLL a 0. Debería ser aproximadamente de 4 V a 5 V (aproximadamente la mitad de VCC).
   • Mide el voltaje de EMIT a 0. Debería ser aproximadamente 1 V (VE).
   • Mide el voltaje de BASE a EMIT (VBE). Debe ser ~0.65 V a 0.7 V para que el transistor esté activo.

2. Cálculo de corriente:

   • Calcula la corriente de colector (IC): IC ≈ VEMIT / R4. Espera aprox. 1 mA.
   • Calcula la corriente de base (IB): IC / \beta (asumiendo \beta ≈ 100, IB ≈ 10 µ A).

3. Verificación de ganancia de CA:

   • Conecta V2 (VIN) con una onda senoidal de 20 mV pico a pico a 1 kHz.
   • Mide el voltaje pico a pico en VOUT.
   • Calcula la ganancia de voltaje (Av): Av = Voutpp / Vinpp.
   • Observación: Sin C3, la ganancia es baja (≈ R3 / R4). Con C3 conectado, la ganancia debería aumentar significativamente.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Simple audio amplifier

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC battery
V1 VCC 0 DC 9

* --- Input Signal ---
* V2: Signal Generator (Sine wave, 1 kHz, 20 mV peak-to-peak -> 10mV Amplitude)
V2 VIN 0 SIN(0 10m 1k)

* --- Components ---
* Q1: 2N3904 NPN BJT
Q1 COLL BASE EMIT 2N3904

* R1: Upper base bias divider
R1 VCC BASE 22k

* R2: Lower base bias divider
R2 BASE 0 6.8k

* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Simple audio amplifier

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC battery
V1 VCC 0 DC 9

* --- Input Signal ---
* V2: Signal Generator (Sine wave, 1 kHz, 20 mV peak-to-peak -> 10mV Amplitude)
V2 VIN 0 SIN(0 10m 1k)

* --- Components ---
* Q1: 2N3904 NPN BJT
Q1 COLL BASE EMIT 2N3904

* R1: Upper base bias divider
R1 VCC BASE 22k

* R2: Lower base bias divider
R2 BASE 0 6.8k

* R3: Collector load
R3 VCC COLL 4.7k

* R4: Emitter degeneration
R4 EMIT 0 1k

* C1: Input DC blocking (Positive leg to BASE, Negative leg to VIN)
C1 BASE VIN 10u

* C2: Output DC blocking (Positive leg to COLL, Negative leg to VOUT)
C2 COLL VOUT 10u

* C3: Emitter bypass (Positive leg to EMIT, Negative leg to 0)
C3 EMIT 0 100u

* --- Load Simulation ---
* High impedance load to simulate scope probe and prevent floating node error at VOUT
R_SCOPE VOUT 0 1Meg

* --- Models ---
.model 2N3904 NPN(IS=1E-14 VAF=100 BF=300 IKF=0.4 XTB=1.5 BR=4 CJC=4E-12 CJE=8E-12 RB=20 RC=0.1 RE=0.1 TR=250n TF=350p ITF=1 VTF=2 XTF=3)

* --- Analysis Directives ---
.op
.tran 10u 5ms

* --- Output ---
* Prints Input and Output voltages, plus internal transistor nodes
.print tran V(VIN) V(VOUT) V(BASE) V(COLL) V(EMIT)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (511 rows)

Index   time            v(vin)          v(vout)         v(base)         v(coll)         v(emit)
0	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	2.100182e+00	2.275541e+00	1.435514e+00
1	1.000000e-07	6.283185e-06	-1.11372e-03	2.100188e+00	2.274427e+00	1.435514e+00
2	2.000000e-07	1.256637e-05	-2.51792e-03	2.100195e+00	2.273023e+00	1.435514e+00
3	4.000000e-07	2.513271e-05	-5.47602e-03	2.100207e+00	2.270065e+00	1.435514e+00
4	8.000000e-07	5.026527e-05	-1.15278e-02	2.100232e+00	2.264013e+00	1.435514e+00
5	1.600000e-06	1.005293e-04	-2.35622e-02	2.100283e+00	2.251979e+00	1.435514e+00
6	3.200000e-06	2.010484e-04	-4.77358e-02	2.100383e+00	2.227805e+00	1.435514e+00
7	6.400000e-06	4.020155e-04	-9.61836e-02	2.100584e+00	2.179357e+00	1.435514e+00
8	1.280000e-05	8.033810e-04	-1.93689e-01	2.100985e+00	2.081852e+00	1.435516e+00
9	2.280000e-05	1.427671e-03	-3.47124e-01	2.101609e+00	1.928416e+00	1.435522e+00
10	3.280000e-05	2.046327e-03	-5.01331e-01	2.102227e+00	1.774210e+00	1.435531e+00
11	4.280000e-05	2.656907e-03	-6.48595e-01	2.102836e+00	1.626945e+00	1.435544e+00
12	5.280000e-05	3.257002e-03	-7.15494e-01	2.103433e+00	1.560045e+00	1.435558e+00
13	6.280000e-05	3.844242e-03	-7.38189e-01	2.104013e+00	1.537349e+00	1.435575e+00
14	7.280000e-05	4.416311e-03	-7.50146e-01	2.104572e+00	1.525391e+00	1.435592e+00
15	8.280000e-05	4.970951e-03	-7.58389e-01	2.105109e+00	1.517147e+00	1.435610e+00
16	9.280000e-05	5.505973e-03	-7.63991e-01	2.105621e+00	1.511545e+00	1.435628e+00
17	1.028000e-04	6.019265e-03	-7.68326e-01	2.106106e+00	1.507209e+00	1.435647e+00
18	1.128000e-04	6.508802e-03	-7.71816e-01	2.106563e+00	1.503719e+00	1.435667e+00
19	1.228000e-04	6.972652e-03	-7.74681e-01	2.106990e+00	1.500853e+00	1.435687e+00
20	1.328000e-04	7.408984e-03	-7.77018e-01	2.107384e+00	1.498515e+00	1.435707e+00
21	1.428000e-04	7.816076e-03	-7.78966e-01	2.107746e+00	1.496566e+00	1.435728e+00
22	1.528000e-04	8.192321e-03	-7.80567e-01	2.108073e+00	1.494964e+00	1.435750e+00
23	1.628000e-04	8.536235e-03	-7.81896e-01	2.108365e+00	1.493635e+00	1.435772e+00
... (487 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Inversión del pin-out del transistor: Intercambiar el Colector y el Emisor impide la amplificación y actúa como un diodo polarizado inversamente.
   • Solución: Verifica dos veces la hoja de datos del 2N3904 (E-B-C lado plano hacia ti) antes de insertar.
2. Polaridad del condensador: Los condensadores electrolíticos (C1, C2, C3) explotan o fallan si se polarizan al revés.
   • Solución: Asegúrate de que el terminal positivo (pata más larga) esté orientado hacia el potencial de CC más positivo (hacia la base/colector del transistor).
3. Saturación o corte: El uso de valores de resistencia incorrectos desplaza el punto Q, causando que la señal se recorte (aplane) inmediatamente.
   • Solución: Verifica los voltajes de CC en el Colector antes de aplicar una señal de CA. Si VC está cerca de 9 V o 0 V, revisa R1 y R2.

Solución de problemas

• Síntoma: No hay señal de salida.
  • Causa: Conexión suelta, transistor quemado o V1 está apagado.
  • Solución: Verifica la continuidad en los rieles de la protoboard; verifica que V1 sea de 9 V.
• Síntoma: La salida está recortada (Cimas o fondos planos).
  • Causa: El amplificador es llevado a saturación (fondo plano) o corte (cima plana), o la señal de entrada es demasiado grande.
  • Solución: Reduce la amplitud de entrada (V2); revisa las resistencias de polarización (R1, R2) para centrar el punto Q.
• Síntoma: Ganancia baja (Salida ≈ Entrada).
  • Causa: El condensador de bypass C3 falta, está suelto o es demasiado pequeño.
  • Solución: Asegúrate de que C3 esté conectado sólidamente en paralelo con R4. Esto cortocircuita la resistencia del emisor para señales de CA, maximizando la ganancia.

Posibles mejoras y extensiones

1. Control de volumen: Reemplaza R2 (o añade un potenciómetro antes de C1) con un potenciómetro de 10 kΩ para atenuar la señal de entrada.
2. Aumento de potencia: Añade una segunda etapa de transistor (Seguidor de emisor / Clase B push-pull) después de VOUT para manejar un pequeño altavoz de 8 Ω en lugar de solo observar el voltaje en un osciloscopio.

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: Básico. Objetivo: Comprender el corte y la saturación del BJT para controlar una carga (LED) con una pequeña señal de control.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un circuito utilizando un Transistor de Unión Bipolar (BJT) NPN para encender y apagar una carga de alta corriente (un LED) mediante una señal de control de baja corriente activada por un pulsador.

Por qué es útil:
* Interfaz con microcontroladores: Permite que pines de baja potencia (como los de un Arduino o ESP32) manejen cargas de mayor corriente.
* Actuación de sensores: Permite que señales débiles de sensores (como LDRs o termistores) activen luces o alarmas.
* Protección de componentes: Separa el circuito de control sensible del circuito de potencia.
* Conmutación lógica: Forma el bloque de construcción fundamental de las puertas lógicas digitales.

Resultado esperado:
* Estado de reposo (Botón soltado): El transistor está en Corte. IC ≈ 0 mA, el LED está APAGADO, y VCE ≈ Vsupply.
* Estado activo (Botón presionado): El transistor entra en Saturación. El LED está ENCENDIDO.
* Voltaje de saturación: VCE cae aproximadamente a $0.1$ V – $0.2$ V.
* Umbral de Base: VBE se estabiliza alrededor de $0.7$ V cuando el transistor está conduciendo.

Público objetivo: Estudiantes de electrónica de nivel básico.

Materiales

• V1: Batería de 9 V CC o fuente de alimentación, función: Alimentación principal del circuito.
• S1: Pulsador táctil (Normalmente Abierto), función: Disparador de entrada del usuario.
• R1: Resistencia de 10 kΩ, función: Limitación de corriente de Base (para asegurar la saturación sin dañar la Base).
• R2: Resistencia de 100 kΩ, función: Resistencia pull-down (mantiene la Base a 0 V cuando S1 está abierto).
• R3: Resistencia de 330 Ω, función: Protección limitadora de corriente del LED.
• Q1: Transistor NPN 2N2222 (o BC547), función: Interruptor electrónico.
• D1: LED rojo, función: Indicador visual de carga.

Guía de conexionado

Esta guía utiliza nombres de nodos específicos para ayudarte a visualizar las conexiones.
* Nodos de alimentación: Conecta el positivo de V1 al nodo VCC y el negativo al nodo 0 (GND).
* Etapa de entrada:
* Conecta un lado de S1 a VCC.
* Conecta el otro lado de S1 al nodo INPUT_SIG.
* Conecta R1 (10 kΩ) entre INPUT_SIG y el nodo BASE.
* Conecta R2 (100 kΩ) entre el nodo BASE y el nodo 0 (GND).
* Conexiones del transistor:
* Conecta la Base de Q1 al nodo BASE.
* Conecta el Emisor de Q1 directamente al nodo 0 (GND).
* Conecta el Colector de Q1 al nodo COLL.
* Carga de salida:
* Conecta R3 (330 Ω) entre VCC y el nodo LED_ANODE.
* Conecta el Ánodo (patilla larga) de D1 al nodo LED_ANODE.
* Conecta el Cátodo (patilla corta, lado plano) de D1 al nodo COLL.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Title: Practical case: The transistor as a light switch

1. CONTROL PATH (Input Stage)
   Flow: VCC triggers the Base when S1 is pressed. R2 ensures Base is 0 V when S1 is open.

   [ VCC ] --> [ S1: Button ] --(INPUT_SIG)--> [ R1: 10k ] --(BASE)--+--> [ Q1: Base ]
                                                                     |
                                                                     +--> [ R2: 100k ] --> [ GND ]

2. LOAD PATH (Output Stage)
   Flow: Current flows from VCC through the LED into the Transistor Collector.

   [ VCC ] --> [ R3: 330R ] --(LED_ANODE)--> [ D1: Red LED ] --(COLL)--> [ Q1: Collector ]

3. COMMON RETURN (Grounding)
   Flow: The transistor completes the circuit to Ground.

   [ Q1: Emitter ] --> [ GND ]

Mediciones y pruebas

Realiza estos pasos con un multímetro para verificar las regiones de operación del transistor.

1. Prueba de región de corte (Interruptor abierto):

   • Asegúrate de que S1 no esté presionado.
   • Mide el voltaje entre Base y Emisor (VBE). El resultado debe ser 0 V.
   • Mide el voltaje entre Colector y Emisor (VCE). El resultado debe ser cercano a 9 V (voltaje de la fuente), indicando que el interruptor está abierto.
   • Observa D1: Debe estar APAGADO.

2. Prueba de región de saturación (Interruptor cerrado):

   • Presiona y mantén S1.
   • Mide el voltaje entre Base y Emisor (VBE). El resultado debe ser aproximadamente de 0.65 V a 0.75 V.
   • Mide el voltaje entre Colector y Emisor (VCE). El resultado debe caer a < 0.2 V. Esta caída de voltaje demuestra que el transistor está actuando como un interruptor cerrado (Saturación).
   • Observa D1: Debe ENCENDERSE con brillo.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: The transistor as a light switch
* Improved Netlist with robust switch modelling

.width out=256

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC battery (Main circuit power)
V1 VCC 0 DC 9

* --- User Input Trigger (S1) ---
* S1: Tactile Push-button (Normally Open) connecting VCC to INPUT_SIG.
* Modeled using a Voltage-Controlled Switch (S1) driven by a control pulse (V_ACT).
* V_ACT simulates the user pressing the button (Logic 0 -> 1 -> 0).
V_ACT ACTUATE 0 PULSE(0 5 1ms 100u 100u 5ms 20ms)
S1 VCC INPUT_SIG ACTUATE 0 SW_TACTILE

* --- Input Stage ---
* R1: 10 kOhm, Base current limiting
R1 INPUT_SIG BASE 10k

* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: The transistor as a light switch
* Improved Netlist with robust switch modelling

.width out=256

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC battery (Main circuit power)
V1 VCC 0 DC 9

* --- User Input Trigger (S1) ---
* S1: Tactile Push-button (Normally Open) connecting VCC to INPUT_SIG.
* Modeled using a Voltage-Controlled Switch (S1) driven by a control pulse (V_ACT).
* V_ACT simulates the user pressing the button (Logic 0 -> 1 -> 0).
V_ACT ACTUATE 0 PULSE(0 5 1ms 100u 100u 5ms 20ms)
S1 VCC INPUT_SIG ACTUATE 0 SW_TACTILE

* --- Input Stage ---
* R1: 10 kOhm, Base current limiting
R1 INPUT_SIG BASE 10k

* R2: 100 kOhm, Pull-down resistor (keeps Base low when S1 is open)
R2 BASE 0 100k

* --- Transistor Switch ---
* Q1: 2N2222 NPN Transistor
* Connections: Collector=COLL, Base=BASE, Emitter=0(GND)
Q1 COLL BASE 0 2N2222

* --- Output Load ---
* R3: 330 Ohm, LED current limiting resistor
R3 VCC LED_ANODE 330

* D1: Red LED
* Connections: Anode=LED_ANODE, Cathode=COLL
D1 LED_ANODE COLL RED_LED

* --- Component Models ---
* Switch Model: Added hysteresis (Vh) and relaxed Ron for better convergence
.model SW_TACTILE SW(Vt=2.5 Vh=0.1 Ron=1 Roff=100Meg)

* Transistor Model: Standard 2N2222 parameters
.model 2N2222 NPN(IS=1E-14 VAF=100 BF=200 IKF=0.3 XTB=1.5 BR=3 CJC=8p CJE=25p TR=46.9n TF=411p ITF=0.6 VTF=1.7 XTF=3 RB=10 RC=1 RE=0.1)

* LED Model: Generic Red LED parameters
.model RED_LED D(IS=93.2p RS=42m N=3.73 BV=5 IBV=10u CJO=2.97p VJ=0.75 M=0.33 TT=4.32u)

* --- Analysis Commands ---
.op
* Simulate for 10ms to capture the button press event
.tran 100u 10ms

* --- Output Directives ---
* Printing INPUT (Switch output) and OUTPUT (Collector voltage) first
.print tran V(INPUT_SIG) V(COLL) V(BASE) V(LED_ANODE) V(ACTUATE)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (170 rows)

Index   time            v(input_sig)    v(coll)         v(base)         v(led_anode)    v(actuate)
0	0.000000e+00	9.890018e-03	8.982941e+00	8.991007e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
1	1.000000e-06	9.890019e-03	8.982941e+00	8.991008e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
2	2.000000e-06	9.890019e-03	8.982941e+00	8.991008e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
3	4.000000e-06	9.890021e-03	8.982941e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
4	8.000000e-06	9.890021e-03	8.982941e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
5	1.600000e-05	9.890021e-03	8.982941e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
6	3.200000e-05	9.890021e-03	8.982941e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
7	6.400000e-05	9.890021e-03	8.982942e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
8	1.280000e-04	9.890021e-03	8.982942e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
9	2.280000e-04	9.890021e-03	8.982943e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
10	3.280000e-04	9.890021e-03	8.982944e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
11	4.280000e-04	9.890021e-03	8.982945e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
12	5.280000e-04	9.890021e-03	8.982946e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
13	6.280000e-04	9.890021e-03	8.982947e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
14	7.280000e-04	9.890021e-03	8.982948e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
15	8.280000e-04	9.890021e-03	8.982949e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
16	9.280000e-04	9.890021e-03	8.982950e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
17	1.000000e-03	9.890021e-03	8.982950e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
18	1.010000e-03	9.890021e-03	8.982951e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	5.000000e-01
19	1.027500e-03	9.890021e-03	8.982951e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	1.375000e+00
20	1.032344e-03	9.890021e-03	8.982951e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	1.617187e+00
21	1.040820e-03	9.890021e-03	8.982951e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	2.041016e+00
22	1.043167e-03	9.890021e-03	8.982951e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	2.158325e+00
23	1.047272e-03	9.890021e-03	8.982951e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	2.363617e+00
... (146 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Intercambiar Colector y Emisor:
   • Error: El LED se enciende pero se ve tenue o no conmuta completamente. El transistor puede sobrecalentarse.
   • Solución: Verifica el pin-out del 2N2222 (E-B-C o C-B-E dependiendo del encapsulado/hoja de datos específica).
2. Omitir la resistencia de Base (R1):
   • Error: Conectar el interruptor directamente a la Base provoca un flujo masivo de corriente de Base a Emisor, destruyendo el transistor instantáneamente.
   • Solución: Incluye siempre una resistencia limitadora (R1) en serie con la Base.
3. Base flotante (Falta R2):
   • Error: El LED puede parpadear o brillar débilmente cuando el interruptor está abierto porque la Base capta ruido electromagnético.
   • Solución: Asegúrate de que R2 (Pull-down) esté conectada a tierra para descargar la capacitancia de la Base cuando el interruptor esté abierto.

Solución de problemas

• Síntoma: El LED está siempre ENCENDIDO, incluso cuando no se presiona el botón.
  • Causa: Cortocircuito interno C-E en el transistor o R2 falta/desconectada.
  • Solución: Reemplaza Q1 y verifica la conexión de R2 a Tierra.
• Síntoma: El LED no se ENCIENDE cuando se presiona el botón.
  • Causa: LED conectado al revés, valor de R1 demasiado alto (impidiendo la saturación) o R3 demasiado alta.
  • Solución: Comprueba la polaridad del LED. Verifica que R1 sea de 10 kΩ y R3 de 330 Ω.
• Síntoma: El LED es muy tenue cuando está ENCENDIDO.
  • Causa: El transistor está en la región «Activa», no en «Saturación».
  • Solución: Disminuye ligeramente R1 (p. ej., a 4.7 kΩ) para aumentar la corriente de Base (IB) y forzar la saturación completa.

Posibles mejoras y extensiones

1. Control de alta potencia: Reemplaza el LED y R3 con un relé de 9 V (recuerda añadir un diodo flyback en paralelo con la bobina del relé) para controlar una lámpara doméstica.
2. Luz nocturna automática: Reemplaza el pulsador táctil (S1) con una LDR (Fotorresistencia) y ajusta la posición de las resistencias para crear un sensor que encienda el LED en la oscuridad.

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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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