Nivel: Básico. Construye un circuito de retardo al apagado utilizando la descarga lenta de un condensador para controlar un transistor.

Objetivo y caso de uso

En esta sesión, construirás un circuito temporizador analógico que mantiene un LED iluminado durante una duración específica después de soltar un pulsador. Esto demuestra cómo un condensador almacena energía y la descarga a lo largo del tiempo para controlar un elemento de conmutación (el transistor).

Por qué es útil:
* Iluminación interior de coches: Luces que se apagan lentamente después de cerrar la puerta.
* Temporizadores de escalera: Iluminación que permanece encendida el tiempo suficiente para que alguien suba las escaleras.
* Ventiladores de baño: Ventiladores que continúan funcionando durante unos minutos después de apagarlos para eliminar la humedad.
* Eliminación de rebotes (Debouncing): Suavizado de interrupciones de señal cortas y no deseadas.

Resultado esperado:
* Pulsación del botón: El LED se ENCIENDE inmediatamente con brillo máximo.
* Liberación del botón: El LED permanece ENCENDIDO inicialmente.
* Fase de retardo: El LED se atenúa gradualmente y se APAGA después de unos segundos a medida que cae el voltaje del condensador.
* Público objetivo: Estudiantes y aficionados que aprenden sobre constantes de tiempo RC y conmutación con transistores.

Materiales

• V1: Fuente de alimentación de 9 V CC, función: fuente de alimentación principal.
• S1: Pulsador (Normalmente Abierto), función: disparador de carga.
• C1: Condensador electrolítico de 470 µF, función: temporización y almacenamiento de energía.
• R1: Resistencia de 10 kΩ, función: resistencia de temporización de descarga.
• R2: Resistencia de 470 Ω, función: limitación de corriente del LED.
• Q1: Transistor NPN 2N2222, función: interruptor de corriente.
• D1: LED rojo, función: indicador visual de salida.

Guía de conexionado

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

• Fuente de alimentación:

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

• Red de entrada y temporización:

  • Conecta S1 entre el nodo VCC y el nodo VCAP.
  • Conecta el terminal positivo de C1 al nodo VCAP.
  • Conecta el terminal negativo de C1 al nodo 0.
  • Conecta R1 entre el nodo VCAP y el nodo BASE.

• Interruptor de transistor:

  • Conecta la Base de Q1 al nodo BASE.
  • Conecta el Emisor de Q1 al nodo 0.
  • Conecta el Colector de Q1 al nodo COL.

• Carga de salida (LED):

  • Conecta R2 entre el nodo VCC y el nodo LED_A.
  • Conecta el Ánodo de D1 al nodo LED_A.
  • Conecta el Cátodo de D1 al nodo COL.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ INPUT & TIMING ]                  [ LOGIC / SWITCH ]                 [ OUTPUT LOAD ]

(VCC 9 V) --+--(Power Path)--------------------------------------------------> [ Resistor R2 ]
           |                                                                        |
           |                                                                        v
     [ Button S1 ]                                                             [ LED D1 ]
           |                                                                        |
           v (Trigger)                                                              |
     [ Node VCAP ] --(Slow Discharge)--> [ Resistor R1 ] --(Base Sig)-->+           |
           |                                                            |           |
           + <--(Stores Charge)-- [ Capacitor C1 ]                      |           |
                                       |                                v           v
                                       v                        +-----------------------+
                                    [ GND ]                     |     TRANSISTOR Q1     |
                                                                | (Base)    (Collector) |
                                                                +-----------------------+
                                                                            |
                                                                            v (Emitter)
                                                                         [ GND ]

Mediciones y pruebas

Sigue estos pasos para validar el comportamiento del circuito usando un multímetro.

1. Estado inicial: Asegúrate de que S1 no esté presionado. El LED debe estar APAGADO.
   • Mide el voltaje en VCAP. Debería estar cerca de 0 V.
2. Fase de carga: Mantén presionado S1.
   • Comprobación: El LED se ENCIENDE inmediatamente.
   • Medición: El voltaje en VCAP debería subir instantáneamente a aproximadamente 9 V (VCC).
3. Fase de descarga: Suelta S1 e inicia un cronómetro.
   • Observación: El LED permanece encendido.
   • Medición: Monitorea el voltaje en VCAP. Disminuirá lentamente.
   • Umbral: Cuando VCAP cae por debajo de aproximadamente 1.4 V (V_BE + caída en R1), el LED se atenuará significativamente y se APAGARÁ.
4. Constante de tiempo: Registra el tiempo desde la liberación hasta que el LED se apague por completo.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Simple Transistor Timer

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

* --- Input and Timing Network ---
* S1: Push-button (Normally Open)
* Modeled as a Voltage Controlled Switch (S1) driven by a control pulse (V_S1_ACT)
* Connects VCC to VCAP when activated
S1 VCC VCAP CTRL 0 SW_MODEL

* Control signal for the button press simulation
* Press button at T=0.5s, hold for 0.5s, then release to allow discharge
V_S1_ACT CTRL 0 PULSE(0 5 0.5 1m 1m 0.5 20)

* C1: 470 µF electrolytic capacitor
C1 VCAP 0 470u

* R1: 10 kΩ resistor (Discharge path to Base)
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Simple Transistor Timer

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

* --- Input and Timing Network ---
* S1: Push-button (Normally Open)
* Modeled as a Voltage Controlled Switch (S1) driven by a control pulse (V_S1_ACT)
* Connects VCC to VCAP when activated
S1 VCC VCAP CTRL 0 SW_MODEL

* Control signal for the button press simulation
* Press button at T=0.5s, hold for 0.5s, then release to allow discharge
V_S1_ACT CTRL 0 PULSE(0 5 0.5 1m 1m 0.5 20)

* C1: 470 µF electrolytic capacitor
C1 VCAP 0 470u

* R1: 10 kΩ resistor (Discharge path to Base)
R1 VCAP BASE 10k

* --- Transistor Switch ---
* Q1: 2N2222 NPN transistor
* Connections: Collector=COL, Base=BASE, Emitter=0(GND)
Q1 COL BASE 0 2N2222MOD

* --- Output Load (LED) ---
* R2: 470 Ω resistor
R2 VCC LED_A 470

* D1: Red LED
* Connections: Anode=LED_A, Cathode=COL
D1 LED_A COL DLED

* --- Models ---
* Switch Model: Threshold 2.5V, Low On-Resistance
.model SW_MODEL SW(Vt=2.5 Ron=0.1 Roff=100Meg)

* NPN Transistor Model (Generic 2N2222)
.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)

* LED Model (Red LED approx)
.model DLED D(IS=1u N=2 RS=10 BV=5 IBV=10u)

* --- Analysis Commands ---
* Transient analysis for 10 seconds to observe the long RC discharge (Tau ~ 4.7s)
.tran 10m 10s

* Output voltage of Capacitor, Base, Collector, and LED Anode
.print tran V(VCAP) V(BASE) V(COL) V(LED_A)

.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (2110 rows)

Index   time            v(vcap)         v(base)         v(col)
0	0.000000e+00	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838023e+00
1	1.000000e-04	5.504285e-01	5.495836e-01	8.838088e+00
2	2.000000e-04	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
3	4.000000e-04	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
4	8.000000e-04	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
5	1.600000e-03	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
6	3.200000e-03	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
7	6.400000e-03	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
8	1.280000e-02	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
9	2.280000e-02	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
10	3.280000e-02	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
11	4.280000e-02	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
12	5.280000e-02	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
13	6.280000e-02	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
14	7.280000e-02	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
15	8.280000e-02	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
16	9.280000e-02	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
17	1.028000e-01	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
18	1.128000e-01	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
19	1.228000e-01	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
20	1.328000e-01	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
21	1.428000e-01	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
22	1.528000e-01	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
23	1.628000e-01	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
... (2086 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Polaridad del condensador invertida: Los condensadores electrolíticos pueden explotar o fallar si se conectan al revés. Asegúrate de que la franja negativa en C1 se conecte a 0 (GND).
2. Pin-out del transistor incorrecto: Confundir el Colector y el Emisor impide la conmutación. Verifica la hoja de datos del 2N2222; generalmente, la pestaña o el lado plano indica la orientación de los pines.
3. Valor del condensador demasiado pequeño: Usar un condensador pequeño (por ejemplo, 100 nF) resulta en un retardo demasiado corto para que el ojo humano lo perciba. Usa al menos 100 µF para resultados visibles.

Solución de problemas

• Síntoma: El LED nunca se ENCIENDE.
  • Causa: LED instalado al revés o transistor roto.
  • Solución: Verifica la orientación de D1 (Ánodo a resistencia, Cátodo a Colector) y verifica las conexiones de Q1.
• Síntoma: El LED se APAGA inmediatamente al soltar el botón.
  • Causa: Falta el condensador, está desconectado o el valor es demasiado bajo.
  • Solución: Asegúrate de que C1 esté firmemente conectado entre VCAP y 0. Intenta aumentar C1 a 1000 µF.
• Síntoma: El transistor se calienta mucho.
  • Causa: Falta la resistencia de base o hay un cortocircuito en la salida.
  • Solución: Asegúrate de que R1 (10 kΩ) esté instalada correctamente entre el condensador y la base para limitar la corriente de base.

Posibles mejoras y extensiones

1. Temporizador variable: Reemplaza R1 con un potenciómetro de 50 kΩ en serie con una resistencia de 1 kΩ para permitir al usuario ajustar la duración del retardo.
2. Par Darlington: Reemplaza Q1 con un transistor Darlington (o dos NPN conectados como un par Darlington) para aumentar significativamente la impedancia de entrada, permitiendo retardos mucho más largos con el mismo valor de condensador.

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. Verifique que un condensador permite el paso de señales de CA mientras bloquea los componentes de CC.

Objetivo y caso de uso

Construirá un circuito pasivo que conecta una fuente de señal con un offset de CC a una carga a través de un condensador en serie. La configuración demuestra cómo el condensador filtra el componente de corriente continua (CC) mientras permite que la señal de corriente alterna (CA) llegue a la carga.

Por qué es útil:
* Acoplamiento de audio: Esencial para conectar etapas de amplificación donde existen diferentes voltajes de polarización de CC, pero la señal de audio debe pasar sin cambios.
* Acondicionamiento de sensores: Elimina los offsets de voltaje constante de los sensores (como los elementos piezoeléctricos) para centrarse solo en los cambios dinámicos.
* Protección: Evita que corrientes peligrosas de CC fluyan hacia cargas sensibles como auriculares o altavoces.

Resultado esperado:
* Señal de entrada: Una onda sinusoidal que oscila estrictamente por encima de 0 V (por ejemplo, entre +2 V y +4 V).
* Señal de salida: La misma onda sinusoidal centrada alrededor de 0 V (oscilando entre -1 V y +1 V).
* Medición de CC: El nodo de entrada mide un voltaje de CC constante (por ejemplo, +3 V), mientras que el nodo de salida mide 0 V CC.

Público objetivo y nivel:
Estudiantes y aficionados que aprenden sobre filtros pasivos y acoplamiento de CA.

Materiales

• V1: Generador de funciones, función: proporciona una onda sinusoidal de 1 kHz (2 Vpp) con un offset de CC de +3 V.
• C1: Condensador electrolítico de 10 µF, función: condensador de acoplamiento para bloqueo de CC.
• R1: Resistencia de 10 kΩ, función: carga de salida a tierra.
• Herramientas de medición: Osciloscopio (modo de acoplamiento DC) y multímetro.

Guía de conexionado

Este circuito utiliza tres nodos específicos: VIN (fuente), VOUT (carga) y 0 (GND).

• V1 (Fuente): Conecte el terminal positivo al nodo VIN y el terminal negativo/tierra al nodo 0.
• C1 (Condensador): Conecte el terminal positivo (ánodo) al nodo VIN y el terminal negativo (cátodo) al nodo VOUT.
• R1 (Resistencia): Conecte una pata al nodo VOUT y la otra pata al nodo 0.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ INPUT SOURCE ]                 [ PROCESSING ]                   [ OUTPUT LOAD ]

    [ V1: Function Gen ]             [ C1: Capacitor ]                 [ R1: Resistor ]
    ( 1kHz Sine, 2Vpp  ) --(VIN)--> +[     10 µF     ]- --(VOUT)--> [     10 kΩ      ] --> GND
    (   +3 V DC Offset  )      |      ( Electrolytic  )       |
                              |                              |
                              v                              v
                       [ Measurement ]                [ Measurement ]
                       (Scope/Multi)                  (Scope/Multi)

Mediciones y pruebas

Para validar el circuito, asegúrese de que su osciloscopio esté configurado en DC Coupling (Acoplamiento DC) en el canal de entrada. Si se configura en AC Coupling, el propio osciloscopio bloqueará la CC, ocultando el efecto del condensador externo.

1. Configurar fuente (V1): Configure el generador de funciones en onda sinusoidal, Frecuencia = 1 kHz, Amplitud = 2 V pico a pico, Offset = +3 V.
2. Medir entrada (VIN):
   • Conecte la sonda del osciloscopio a VIN.
   • Observación: La señal debe oscilar entre +2 V y +4 V. La línea central está en +3 V.
   • Medidor de CC: Debe leer aproximadamente +3 V.
3. Medir salida (VOUT):
   • Conecte la sonda del osciloscopio a VOUT.
   • Observación: La señal debe oscilar entre -1 V y +1 V. La línea central está en 0 V.
   • Medidor de CC: Debe leer aproximadamente 0 V.
4. Verificación: Confirme que la forma y la amplitud (2 Vpp) de la onda de CA permanecen en gran medida inalteradas, pero la posición vertical se ha desplazado hacia abajo 3 voltios.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: DC blocking

* --- Components ---

* V1: Function Generator
* Specs: 1 kHz sine wave, 2 Vpp (Amplitude = 1V), +3 V DC offset
* Connection: Positive to VIN, Negative to 0 (GND)
V1 VIN 0 SIN(3 1 1k)

* C1: 10 uF electrolytic capacitor
* Function: DC blocking coupling capacitor
* Connection: Positive (VIN) to Negative (VOUT)
C1 VIN VOUT 10u

* R1: 10 kOhm resistor
* Function: Output load to ground
* Connection: VOUT to 0 (GND)
R1 VOUT 0 10k

* --- Simulation Commands ---
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: DC blocking

* --- Components ---

* V1: Function Generator
* Specs: 1 kHz sine wave, 2 Vpp (Amplitude = 1V), +3 V DC offset
* Connection: Positive to VIN, Negative to 0 (GND)
V1 VIN 0 SIN(3 1 1k)

* C1: 10 uF electrolytic capacitor
* Function: DC blocking coupling capacitor
* Connection: Positive (VIN) to Negative (VOUT)
C1 VIN VOUT 10u

* R1: 10 kOhm resistor
* Function: Output load to ground
* Connection: VOUT to 0 (GND)
R1 VOUT 0 10k

* --- Simulation Commands ---

* Operating point analysis
.op

* Transient analysis
* Frequency is 1kHz (Period = 1ms). Simulate 5ms to see 5 cycles.
.tran 10u 5m

* --- Output Directives ---
* Print input and output voltages for logging
.print tran V(VIN) V(VOUT)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (508 rows)

Index   time            v(vin)          v(vout)
0	0.000000e+00	3.000000e+00	0.000000e+00
1	1.000000e-07	3.000628e+00	6.283179e-04
2	2.000000e-07	3.001257e+00	1.256635e-03
3	4.000000e-07	3.002513e+00	2.513266e-03
4	8.000000e-07	3.005027e+00	5.026506e-03
5	1.600000e-06	3.010053e+00	1.005285e-02
6	3.200000e-06	3.020105e+00	2.010452e-02
7	6.400000e-06	3.040202e+00	4.020026e-02
8	1.280000e-05	3.080338e+00	8.033296e-02
9	2.280000e-05	3.142767e+00	1.427508e-01
10	3.280000e-05	3.204633e+00	2.045991e-01
11	4.280000e-05	3.265691e+00	2.656336e-01
12	5.280000e-05	3.325700e+00	3.256134e-01
13	6.280000e-05	3.384424e+00	3.843020e-01
14	7.280000e-05	3.441631e+00	4.414676e-01
15	8.280000e-05	3.497095e+00	4.968847e-01
16	9.280000e-05	3.550597e+00	5.503345e-01
17	1.028000e-04	3.601927e+00	6.016061e-01
18	1.128000e-04	3.650880e+00	6.504972e-01
19	1.228000e-04	3.697265e+00	6.968148e-01
20	1.328000e-04	3.740898e+00	7.403761e-01
21	1.428000e-04	3.781608e+00	7.810093e-01
22	1.528000e-04	3.819232e+00	8.185538e-01
23	1.628000e-04	3.853624e+00	8.528617e-01
... (484 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Usar acoplamiento de CA en el osciloscopio: Este es el error más frecuente. Hace que la entrada se vea exactamente igual que la salida porque el osciloscopio bloquea la CC internamente. Solución: Verifique siempre que el canal del osciloscopio esté configurado en «DC Coupling».
2. Invertir la polaridad del condensador: Usar un condensador electrolítico polarizado al revés puede hacer que tenga fugas de corriente o falle. Solución: Asegúrese de que el lado positivo de C1 esté orientado hacia el potencial de CC más alto (la fuente VIN en este caso).
3. Resistencia de carga (R1) demasiado baja: Si R1 es muy pequeña, crea un filtro paso alto con una frecuencia de corte superior a 1 kHz, atenuando la señal de CA. Solución: Asegúrese de que R1 × C1 sea lo suficientemente grande para que fcutoff = (1 / (2\pi R C)) esté muy por debajo de la frecuencia de la señal.

Solución de problemas

• Síntoma: VOUT muestra un voltaje de CC significativamente mayor que 0 V.
  • Causa: El condensador C1 tiene fugas o está dañado (actuando como una resistencia).
  • Solución: Reemplace C1 con un condensador nuevo.
• Síntoma: No hay señal en VOUT (0 V CA y 0 V CC).
  • Causa: Conexión de circuito abierto o pista de protoboard defectuosa.
  • Solución: Verifique la continuidad entre el cátodo de C1 y R1.
• Síntoma: La señal de CA en VOUT es mucho más pequeña que en VIN.
  • Causa: La frecuencia de la fuente es demasiado baja para la combinación seleccionada de C1/R1 (efecto de filtrado paso alto).
  • Solución: Aumente la frecuencia de V1 o aumente el valor de C1.

Posibles mejoras y extensiones

1. Barrido de frecuencia: Baje la frecuencia de V1 de 1 kHz a 1 Hz para observar cómo el condensador eventualmente bloquea también la señal de CA (demostración de filtro paso alto).
2. Carga variable: Reemplace R1 con un potenciómetro para ver cómo el cambio de la impedancia de carga afecta el punto de corte de baja frecuencia.

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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. Demostrar cómo un condensador suaviza el rizado en una señal rectificada de media onda.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirá un circuito rectificador de media onda y observará el efecto de añadir un condensador de filtro en paralelo con la carga.
* Por qué es útil:
* Esencial para convertir Corriente Alterna (CA) de la red en Corriente Continua (CC) para alimentar electrónica.
* Utilizado en cargadores de baterías sencillos.
* Concepto fundamental para la demodulación de señales de audio (detectores de envolvente).
* Demuestra las propiedades de almacenamiento de energía de los condensadores en fuentes de alimentación.
* Resultado esperado:
* Entrada: Una onda sinusoidal de CA pura (oscilando positiva y negativamente).
* Salida Paso 1: Una señal pulsante solo positiva (rectificación de media onda).
* Salida Paso 2: Un voltaje de CC estable con una ligera variación (rizado) después de conectar el condensador.
* Público objetivo y nivel: Estudiantes y aficionados que comprendan la conversión básica de CA/CC.

Materiales

• V1: Fuente de onda sinusoidal de 10 V (pico), 50 Hz, función: entrada de alimentación de CA.
• D1: Diodo 1N4007, función: rectifica CA a CC pulsante.
• R1: Resistencia de 1 kΩ, función: actúa como la carga eléctrica.
• C1: Condensador electrolítico de 100 µF, función: filtra el rizado de voltaje (almacena energía).
• GND: Referencia de tierra (0 V).

Guía de conexionado

Construya el circuito siguiendo estas conexiones de nodos:

• V1 (Fuente): Conecte el terminal positivo al nodo VAC y el terminal negativo al nodo 0 (GND).
• D1 (Rectificador): Conecte el Ánodo al nodo VAC y el Cátodo al nodo VOUT.
• R1 (Carga): Conecte entre el nodo VOUT y el nodo 0 (GND).
• C1 (Filtro): Conecte el terminal positivo al nodo VOUT y el terminal negativo al nodo 0 (GND). Nota: Inicialmente deje C1 desconectado para observar la señal sin filtrar, luego conéctelo.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ AC SOURCE ]            [ RECTIFICATION ]             [ OUTPUT STAGE ]

                                             +--> [ C1 Filter ] --> GND
                                                          |    (100 uF)
    [ V1 Source ] --(VAC)--> [ D1 Diode ] --(VOUT Node)-->+
    (10 V, 50Hz)              (1N4007)                     |
                                                          +--> [ R1 Load ]   --> GND
                                                               (1 kOhm)

Mediciones y pruebas

Realice los siguientes pasos utilizando un osciloscopio o un multímetro:

1. Verificación de entrada:
   • Conecte la sonda a VAC.
   • Verifique una onda sinusoidal oscilando entre +10 V y -10 V.
2. Rectificación sin filtrar (C1 desconectado):
   • Retire C1 temporalmente.
   • Mida VOUT. Debería ver solo los semiciclos positivos de la onda sinusoidal (aprox. 0 V a 9.3 V debido a la caída del diodo). El voltaje cae a cero entre picos.
3. Rectificación filtrada (C1 conectado):
   • Conecte C1 en paralelo con R1.
   • Mida VOUT. La señal ahora debería ser un voltaje de CC cerca del valor pico (aprox. 9 V) que no cae a cero.
   • Medición de Vripple (Rizado): Configure el osciloscopio en acoplamiento de CA para hacer zoom en la pequeña fluctuación de voltaje (forma de «diente de sierra») sobre la línea de CC.

Netlist SPICE y simulación

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

* Basic rectifier filtering

* --- Components ---

* V1: 10 V (peak), 50 Hz sine wave source
* Connected: Positive -> VAC, Negative -> 0 (GND)
V1 VAC 0 SIN(0 10 50)

* D1: 1N4007 diode (Rectifier)
* Connected: Anode -> VAC, Cathode -> VOUT
D1 VAC VOUT 1N4007

* R1: 1 kΩ resistor (Load)
* Connected: Between VOUT and 0 (GND)
R1 VOUT 0 1k

* C1: 100 µF electrolytic capacitor (Filter)
* Connected: Positive -> VOUT, Negative -> 0 (GND)
* Note: Included to demonstrate the filtering effect described in the case.
C1 VOUT 0 100u
* ... (truncated in public view) ...

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* Basic rectifier filtering

* --- Components ---

* V1: 10 V (peak), 50 Hz sine wave source
* Connected: Positive -> VAC, Negative -> 0 (GND)
V1 VAC 0 SIN(0 10 50)

* D1: 1N4007 diode (Rectifier)
* Connected: Anode -> VAC, Cathode -> VOUT
D1 VAC VOUT 1N4007

* R1: 1 kΩ resistor (Load)
* Connected: Between VOUT and 0 (GND)
R1 VOUT 0 1k

* C1: 100 µF electrolytic capacitor (Filter)
* Connected: Positive -> VOUT, Negative -> 0 (GND)
* Note: Included to demonstrate the filtering effect described in the case.
C1 VOUT 0 100u

* --- Models ---

* Standard silicon rectifier diode model approximation for 1N4007
.model 1N4007 D(IS=7.03n RS=0.04 N=1.85 CJO=10p VJ=1 M=0.5 BV=1000 IBV=10u TT=5u)

* --- Analysis Directives ---

* Transient analysis: 100ms duration (5 cycles of 50Hz) with 0.1ms step
.tran 0.1ms 100ms

* Operating point analysis
.op

* Print directives for simulation logging
.print tran V(VAC) V(VOUT)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (1017 rows)

Index   time            v(vac)          v(vout)
0	0.000000e+00	0.000000e+00	-2.77024e-22
1	1.000000e-06	3.141593e-03	3.430255e-10
2	2.000000e-06	6.283185e-03	6.932562e-10
3	4.000000e-06	1.256637e-02	1.411758e-09
4	8.000000e-06	2.513271e-02	2.956960e-09
5	1.600000e-05	5.026527e-02	6.646271e-09
6	3.200000e-05	1.005293e-01	1.882015e-08
7	5.304087e-05	1.666251e-01	6.310202e-08
8	7.565486e-05	2.376544e-01	2.484107e-07
9	1.009625e-04	3.171298e-01	1.270798e-06
10	1.280850e-04	4.022822e-01	7.576310e-06
11	1.570209e-04	4.930958e-01	5.140208e-05
12	1.876236e-04	5.890955e-01	3.869871e-04
13	2.197798e-04	6.899101e-01	3.065854e-03
14	2.535671e-04	7.957622e-01	2.015809e-02
15	2.900907e-04	9.100857e-01	7.787813e-02
16	3.269176e-04	1.025237e+00	1.740794e-01
17	3.659101e-04	1.147010e+00	2.922342e-01
18	4.156771e-04	1.302180e+00	4.470469e-01
19	4.731074e-04	1.480844e+00	6.257990e-01
20	5.731074e-04	1.790758e+00	9.360689e-01
21	6.731074e-04	2.098905e+00	1.244455e+00
22	7.731074e-04	2.404980e+00	1.550935e+00
23	8.731074e-04	2.708681e+00	1.855020e+00
... (993 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Invertir la polaridad del condensador:
   • Error: Conectar la pata negativa de un condensador electrolítico al nodo de voltaje positivo.
   • Solución: Asegúrese siempre de que la franja (lado negativo) del condensador se conecte a Tierra (0). La polaridad inversa puede hacer que el condensador explote.
2. Resistencia de carga demasiado baja:
   • Error: Usar una resistencia muy pequeña (ej. 10 Ω) con un condensador pequeño.
   • Solución: Si la carga consume demasiada corriente, el condensador se descarga demasiado rápido, causando un rizado masivo. Aumente C1 o R1.
3. Ignorar la caída de voltaje del diodo:
   • Error: Esperar exactamente 10 V de CC de una fuente de 10 V de CA pico.
   • Solución: Tenga en cuenta la caída de ~0.7 V a través del diodo de silicio. Espere alrededor de 9.3 V pico.

Solución de problemas

• Síntoma: La salida es idéntica a la Entrada (onda sinusoidal de CA).
  • Causa: El diodo está en cortocircuito internamente.
  • Solución: Reemplace D1.
• Síntoma: La salida es 0 V.
  • Causa: El diodo está abierto o conectado al revés (bloqueando el ciclo positivo).
  • Solución: Verifique la orientación del diodo (ánodo a la fuente).
• Síntoma: El rizado es muy alto (el voltaje cae profundamente entre picos).
  • Causa: El valor del condensador es demasiado bajo para la frecuencia o la carga.
  • Solución: Aumente C1 a 470 µF o 1000 µF.

Posibles mejoras y extensiones

1. Rectificación de onda completa: Reemplace el diodo único con un puente rectificador (4 diodos) para utilizar el semiciclo negativo, duplicando la frecuencia de rizado y mejorando la eficiencia.
2. Regulador de voltaje: Añada un diodo Zener o un regulador lineal (como un LM7805) después del condensador para crear una salida de CC fija y estable independientemente del rizado.

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Carlos Núñez Zorrilla

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

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¿Quiénes somos?

Nivel: Básico – Observar el almacenamiento de energía en un condensador electrolítico mediante el desvanecimiento de un LED.

Objetivo y caso de uso

Construirás un circuito simple donde un condensador actúa como un depósito temporal de energía, manteniendo un LED iluminado brevemente después de desconectar la fuente de alimentación.

• Por qué es útil:

  • Demuestra cómo los condensadores almacenan y liberan energía eléctrica.
  • Simula el efecto de «suavizado» utilizado en adaptadores de corriente para mantener un voltaje constante.
  • Visualiza la constante de tiempo RC (la relación entre resistencia, capacitancia y tiempo).
  • Introduce el concepto de «tiempo de mantenimiento» (hold-up time) en fallos de alimentación.

• Resultado esperado:

  • Interruptor ENCENDIDO: El LED se enciende inmediatamente.
  • Interruptor APAGADO: El LED no se apaga instantáneamente; en cambio, se desvanece lentamente durante varios segundos.
  • Visual: Una transición suave de luz brillante a oscuridad.
  • Audiencia: Estudiantes y aficionados interesados en el comportamiento de componentes básicos.

Materiales

• V1: Batería de 9 V CC o fuente de alimentación, función: fuente de energía principal.
• S1: Interruptor de palanca SPST o pulsador, función: controla la conexión a la fuente de alimentación.
• C1: Condensador electrolítico de 2200 µF (16 V o superior), función: depósito de almacenamiento de energía.
• R1: Resistencia de 470 Ω, función: limitación de corriente del LED y control del tiempo de descarga.
• D1: LED rojo, función: indicador visual del flujo de corriente y carga almacenada.

Guía de conexionado

Utiliza las siguientes conexiones de nodos explícitas para construir el circuito. La referencia de tierra estándar es el nodo 0.

• Alimentación e Interruptor:

  • Conecta el terminal Positivo de V1 al nodo VCC.
  • Conecta el terminal Negativo de V1 al nodo 0 (GND).
  • Conecta un lado del interruptor S1 al nodo VCC.
  • Conecta el otro lado del interruptor S1 al nodo V_CAP.

• Condensador (El Tanque):

  • Conecta el Positivo (patilla larga) de C1 al nodo V_CAP.
  • Conecta el Negativo (patilla corta/franja) de C1 al nodo 0.

• LED y Resistencia (La Carga):

  • Conecta la resistencia R1 entre el nodo V_CAP y el nodo V_LED.
  • Conecta el Ánodo (patilla larga) de D1 al nodo V_LED.
  • Conecta el Cátodo (patilla corta/lado plano) de D1 al nodo 0.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Title: Practical case: Visual Charge and Discharge with LED

      [ INPUT / CONTROL ]               [ STORAGE / BUFFER ]               [ OUTPUT / LOAD ]

                                            (Node V_CAP)
    [ 9 V Battery ] --(+)--> [ Switch S1 ] -------+-------> [ Resistor R1 ] --> [ LED D1 ] --> GND
                                                 |
                                                 |
                                                 v
                                          [ Capacitor C1 ]
                                          (   2200 uF    )
                                                 |
                                                GND

Mediciones y pruebas

1. Estado inicial: Asegúrate de que S1 esté Abierto (Apagado). El LED debe estar oscuro.
2. Fase de carga: Cierra S1. Observa que el LED se enciende al instante. El condensador C1 se carga a aproximadamente 9 V casi inmediatamente.
3. Fase de descarga: Abre S1.
   • Observa que el LED permanece encendido pero comienza a atenuarse.
   • Usa un cronómetro para medir el tiempo desde que se abre el interruptor hasta que el LED esté completamente oscuro.
4. Repetir: Cambia C1 por un valor más pequeño (ej. 100 µF) y observa cómo el tiempo de desvanecimiento se vuelve mucho más corto (casi instantáneo).

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Visual Charge and Discharge with LED

* --- Power Supply (V1) ---
* 9V DC Battery connected to VCC and GND (0)
V1 VCC 0 DC 9

* --- Switch (S1) ---
* Modeled as a Voltage-Controlled Switch to simulate a physical push-button.
* Connections: VCC to V_CAP
* The switch is controlled by the voltage at node 'CTRL'.
S1 VCC V_CAP CTRL 0 SW_PUSH

* Switch Control Source (Simulates User Interaction)
* Simulates pressing the button at T=0.1s, holding for 1s, then releasing.
* PULSE(V1 V2 TD TR TF PW PER)
V_USER_S1 CTRL 0 PULSE(0 5 0.1 1m 1m 1 5)

* Switch Model Definition
* Ron=1 ohm represents wiring/contact resistance.
.model SW_PUSH SW(Vt=2.5 Ron=1 Roff=100Meg)
* ... (truncated in public view) ...

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🔓 Ver planes de acceso premium

* Practical case: Visual Charge and Discharge with LED

* --- Power Supply (V1) ---
* 9V DC Battery connected to VCC and GND (0)
V1 VCC 0 DC 9

* --- Switch (S1) ---
* Modeled as a Voltage-Controlled Switch to simulate a physical push-button.
* Connections: VCC to V_CAP
* The switch is controlled by the voltage at node 'CTRL'.
S1 VCC V_CAP CTRL 0 SW_PUSH

* Switch Control Source (Simulates User Interaction)
* Simulates pressing the button at T=0.1s, holding for 1s, then releasing.
* PULSE(V1 V2 TD TR TF PW PER)
V_USER_S1 CTRL 0 PULSE(0 5 0.1 1m 1m 1 5)

* Switch Model Definition
* Ron=1 ohm represents wiring/contact resistance.
.model SW_PUSH SW(Vt=2.5 Ron=1 Roff=100Meg)

* --- Capacitor (C1) ---
* 2200uF Energy Storage
* Connections: V_CAP to GND (0)
C1 V_CAP 0 2200u

* --- Resistor (R1) ---
* 470 Ohm Current Limiting Resistor
* Connections: V_CAP to V_LED
R1 V_CAP V_LED 470

* --- LED (D1) ---
* Red LED Indicator
* Connections: Anode (V_LED) to Cathode (0)
D1 V_LED 0 D_LED_RED

* LED Model Definition
* Generic Red LED parameters
.model D_LED_RED D(IS=1e-14 N=2 RS=10 BV=5 IBV=10u)

* --- Analysis Commands ---
* The discharge time constant (Tau) = R * C = 470 * 2200e-6 approx 1.03 seconds.
* Simulation runs for 3 seconds to visualize the charge and discharge cycle.
.tran 10m 3s

* --- Output Directives ---
* Prints the capacitor voltage, LED anode voltage, and switch control signal.
.print tran V(V_CAP) V(V_LED) V(CTRL)

.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (352 rows)

Index   time            v(v_cap)        v(v_led)        v(ctrl)
0	0.000000e+00	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
1	1.000000e-04	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
2	2.000000e-04	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
3	4.000000e-04	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
4	8.000000e-04	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
5	1.600000e-03	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
6	3.200000e-03	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
7	6.400000e-03	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
8	1.280000e-02	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
9	2.280000e-02	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
10	3.280000e-02	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
11	4.280000e-02	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
12	5.280000e-02	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
13	6.280000e-02	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
14	7.280000e-02	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
15	8.280000e-02	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
16	9.280000e-02	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
17	1.000000e-01	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
18	1.001000e-01	8.234122e-01	8.233738e-01	5.000000e-01
19	1.002600e-01	8.234122e-01	8.233738e-01	1.300000e+00
20	1.003075e-01	8.234122e-01	8.233738e-01	1.537500e+00
21	1.003906e-01	8.234122e-01	8.233738e-01	1.953125e+00
22	1.004136e-01	8.234122e-01	8.233738e-01	2.068164e+00
23	1.004539e-01	8.234122e-01	8.233738e-01	2.269482e+00
... (328 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Polaridad del condensador invertida: Los condensadores electrolíticos están polarizados. Conectar la patilla negativa al voltaje positivo puede causar que el componente se sobrecaliente o estalle. Solución: Revisa siempre la franja en el lado del condensador; marca el pin negativo.
2. Omitir la resistencia: Conectar el LED directamente a la fuente de 9 V (o condensador cargado) sin R1 quemará el LED instantáneamente. Solución: Asegúrate de que R1 esté en serie con D1.
3. Usar un condensador muy pequeño: Si C1 es demasiado pequeño (ej. 100 nF), la descarga ocurrirá tan rápido que el ojo humano no podrá ver el desvanecimiento. Solución: Usa valores ≥ 1000 µF para pruebas visuales.

Solución de problemas

• El LED nunca se enciende:
  • Comprueba si D1 está insertado al revés (Ánodo/Cátodo intercambiados).
  • Verifica que S1 esté cerrando realmente el circuito.
  • Comprueba el voltaje de la batería.
• El LED se apaga instantáneamente (sin desvanecimiento):
  • C1 podría estar desconectado o en circuito abierto.
  • El valor de C1 es demasiado bajo.
  • El valor de R1 es demasiado alto, haciendo que el LED sea demasiado tenue para ver el final del desvanecimiento.
• El condensador se calienta:
  • ¡Desconecta la energía inmediatamente! La polaridad de C1 probablemente esté invertida.

Posibles mejoras y extensiones

1. Temporización variable: Reemplaza R1 con un potenciómetro de 1 kΩ en serie con una resistencia fija de 100 Ω. Ajustar el potenciómetro cambiará el tiempo de descarga y el brillo del LED.
2. Lógica de interruptor dual: Usa un interruptor SPDT (un polo, doble tiro). Conecta el Nodo VCC a la Posición 1, el Nodo 0 a la Posición 2, y el pin Común a la red Condensador/Resistencia. Esto te permite «descargar» activamente la energía a tierra o dejar que se desvanezca naturalmente.

Más Casos Prácticos en Prometeo.blog

Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

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

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¿Quiénes somos?

Nivel: Básico. Construye un sistema de alarma simple que detecte la interrupción de un haz de luz.

Objetivo y caso de uso

En este proyecto, construirás un sistema detector óptico que consiste en un transmisor (LED IR) y un receptor (Fotodiodo) que controla un interruptor de transistor. Cuando el haz infrarrojo invisible es interrumpido por un objeto, un LED de alarma se encenderá.

• Sistemas de seguridad: Utilizados en marcos de puertas o ventanas para detectar entradas no autorizadas.
• Automatización: detección de objetos en una cinta transportadora para conteo o clasificación.
• Seguridad: Mecanismos de parada de emergencia cuando una mano cruza un límite peligroso.
• Conmutación sin contacto: Activación de dispositivos sin contacto físico.

Resultado esperado:
* Haz intacto (Camino despejado): El LED rojo de alarma está APAGADO.
* Haz interrumpido (Objeto presente): El LED rojo de alarma se ENCIENDE.
* Señal: El voltaje en el nodo de detección pasará de Lógica Baja (aprox. 0.1 V – 0.5 V) a Lógica Alta (> 0.7 V) cuando se rompa el haz.
* Público objetivo: Principiantes familiarizados con el uso de protoboards y componentes discretos básicos.

Materiales

• V1: Fuente de alimentación de 5 V DC
• D1: LED IR (Emisor Infrarrojo), función: Transmisor del haz (Tx)
• R1: Resistencia de 220 Ω, función: Limitación de corriente para D1
• D2: Fotodiodo, función: Receptor del haz (Rx)
• R2: Resistencia de 100 kΩ, función: Resistencia de pull-up para el nodo de detección
• Q1: Transistor NPN 2N2222 (o 2N3904), función: Interruptor electrónico
• R3: Resistencia de 1 kΩ, función: Limitador de corriente de base para Q1
• D3: LED rojo, función: Indicador de alarma
• R4: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente para D3

Guía de conexionado

Este circuito se divide en dos partes: el Transmisor (Tx) y el Receptor (Rx). Constrúyelos uno frente al otro.

Transmisor (Tx):
* VCC conecta con R1.
* R1 conecta con el Ánodo de D1 (Nodo: TX_ANODE).
* D1 (Cátodo) conecta con 0 (GND).

Receptor (Rx) – Configuración de Detector de Oscuridad:
* VCC conecta con R2.
* R2 conecta con el Cátodo de D2 (Nodo: V_SENSE). Nota: Los fotodiodos se utilizan en polarización inversa.
* D2 (Ánodo) conecta con 0 (GND).
* VCC conecta con R4.
* R4 conecta con el Ánodo de D3.
* D3 (Cátodo) conecta con el Colector de Q1 (Nodo: V_ALARM).
* Q1 (Emisor) conecta con 0 (GND).
* Nodo V_SENSE conecta con R3.
* R3 conecta con la Base de Q1.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

+------------------------------------------------------------------------------+
|                   PRACTICAL CASE: BASIC INFRARED LIGHT BARRIER               |
+------------------------------------------------------------------------------+

      [ INPUTS / SENSORS ]              [ LOGIC / CONTROL ]               [ OUTPUT / LOAD ]

      (Transmitter)
      [ VCC ]
         |
         v
      [ R1: 220 ]
         |
         v
      [ D1: IR LED ] ~~~~~(IR Beam)~~~~~> [ D2: Photodiode ]
         |                                (Rx Sensor)
         v                                      |
      [ GND ]                                   |
                                                |
      (Receiver Bias)                           |
      [ VCC ]                                   |
         |                                      |
         v                                      |
      [ R2: 100k ]                              |
         |                                      |
+-----------(Node: V_SENSE)------------+
         |
         |
         v
      [ R3: 1k ]
         |
         v
      [ Q1: NPN Base ] ----------------> [ Q1: Collector ] <--(Switched Path)-- [ D3: Red LED ]
      (Transistor Switch)                (Sinks Current)                              ^
                                                |                                     |
                                                v                                [ R4: 330 ]
                                         [ Q1: Emitter ]                              ^
                                                |                                     |
                                                v                                  [ VCC ]
                                             [ GND ]

+------------------------------------------------------------------------------+
| SIGNAL FLOW ANALYSIS:                                                        |
| 1. Tx generates IR Beam.                                                     |
| 2. If Beam hits D2 (Clear) -> D2 conducts -> V_SENSE is LOW -> Q1 OFF.       |
| 3. If Beam blocked (Dark)  -> D2 blocks   -> V_SENSE is HIGH -> Q1 ON.       |
| 4. Q1 ON connects D3 to GND -> ALARM ACTIVATED.                              |
+------------------------------------------------------------------------------+

Tabla de verdad

Mediciones y pruebas

1. Verificación de Tx: Conecta la alimentación. Usa la cámara de un smartphone para mirar el LED IR (D1). Deberías ver un tenue brillo morado/rosado en la pantalla (los ojos humanos no pueden ver el IR).
2. Prueba de voltaje Rx (Haz intacto): Alinea D1 y D2 perfectamente. Mide el voltaje en V_SENSE con respecto a GND. Debería ser bajo (típicamente < 0.6 V) porque la luz hace que el fotodiodo conduzca corriente a tierra.
3. Prueba de voltaje Rx (Haz roto): Coloca una tarjeta o tu mano entre D1 y D2. Mide el voltaje en V_SENSE. Debería subir significativamente (cerca de 4 V–5 V) a medida que el fotodiodo deja de conducir y R2 lleva el nodo a nivel alto.
4. Prueba funcional: Asegúrate de que el LED rojo (D3) se ENCIENDA inmediatamente cuando el haz sea bloqueado y se APAGUE cuando el camino esté despejado.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Basic Infrared Light Barrier

* --- Component Models ---
* Standard NPN Transistor
.model 2N2222 NPN (IS=1E-14 BF=200 VAF=100)
* Infrared LED (Tx) - Approx Vf=1.2V
.model IR_LED D (IS=1p N=1.5 RS=5)
* Red LED (Alarm) - Approx Vf=1.8-2.0V
.model RED_LED D (IS=1u N=2 RS=10)
* Photodiode (Rx) - Modeled as diode with low capacitance
.model PD_DIODE D (IS=10p N=1 RS=10 CJO=10p)

* --- Power Supply ---
V1 VCC 0 DC 5

* --- Transmitter (Tx) Circuit ---
* Connectivity: VCC -> R1 -> D1(Anode). D1(Cathode) -> GND.
R1 VCC TX_ANODE 220
D1 TX_ANODE 0 IR_LED

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

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* Practical case: Basic Infrared Light Barrier

* --- Component Models ---
* Standard NPN Transistor
.model 2N2222 NPN (IS=1E-14 BF=200 VAF=100)
* Infrared LED (Tx) - Approx Vf=1.2V
.model IR_LED D (IS=1p N=1.5 RS=5)
* Red LED (Alarm) - Approx Vf=1.8-2.0V
.model RED_LED D (IS=1u N=2 RS=10)
* Photodiode (Rx) - Modeled as diode with low capacitance
.model PD_DIODE D (IS=10p N=1 RS=10 CJO=10p)

* --- Power Supply ---
V1 VCC 0 DC 5

* --- Transmitter (Tx) Circuit ---
* Connectivity: VCC -> R1 -> D1(Anode). D1(Cathode) -> GND.
R1 VCC TX_ANODE 220
D1 TX_ANODE 0 IR_LED

* --- Receiver (Rx) Circuit ---
* Sensor Stage: VCC -> R2 -> D2(Cathode). D2(Anode) -> GND.
* Node V_SENSE is the junction of R2 and D2.
R2 VCC V_SENSE 100k
D2 0 V_SENSE PD_DIODE

* PHYSICAL STIMULUS: IR Beam Simulation
* In a real circuit, D1 emits light which D2 receives.
* We model this optical coupling with a Current Source (Photocurrent) in parallel with D2.
* Direction: Photocurrent flows Cathode to Anode (V_SENSE to GND).
* Logic:
*   - 50uA = Light Detected (Beam Intact) -> V_SENSE pulled Low -> Alarm OFF.
*   - 0A   = Dark (Beam Broken) -> V_SENSE pulled High by R2 -> Alarm ON.
* Timing: Start with Light (50uA), break beam at 1ms (0A), restore at 3ms.
I_Beam V_SENSE 0 PULSE(50u 0 1m 10u 10u 2m 5m)

* Switch Stage: V_SENSE -> R3 -> Q1(Base)
R3 V_SENSE Q1_BASE 1k
* Q1: Collector=V_ALARM, Base=Q1_BASE, Emitter=GND
Q1 V_ALARM Q1_BASE 0 2N2222

* Alarm Indicator Stage: VCC -> R4 -> D3(Anode). D3(Cathode) -> Q1(Collector).
R4 VCC LED_ANODE 330
D3 LED_ANODE V_ALARM RED_LED

* --- Analysis Directives ---
* Transient analysis for 5ms to capture the beam break event
.tran 10u 5m

* Print required voltages for verification
.print tran V(V_SENSE) V(Q1_BASE) V(V_ALARM) V(TX_ANODE)

.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (1072 rows)

Index   time            v(v_sense)      v(q1_base)      v(v_alarm)
0	0.000000e+00	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
1	1.000000e-07	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
2	2.000000e-07	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
3	4.000000e-07	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
4	8.000000e-07	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
5	1.600000e-06	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
6	3.200000e-06	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
7	6.400000e-06	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
8	1.280000e-05	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
9	2.280000e-05	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
10	3.280000e-05	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
11	4.280000e-05	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
12	5.280000e-05	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
13	6.280000e-05	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
14	7.280000e-05	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
15	8.280000e-05	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
16	9.280000e-05	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
17	1.028000e-04	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
18	1.128000e-04	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
19	1.228000e-04	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
20	1.328000e-04	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
21	1.428000e-04	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
22	1.528000e-04	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
23	1.628000e-04	5.009804e-07	5.059904e-07	4.999999e+00
... (1048 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Fotodiodo invertido: A diferencia de los LED normales, los fotodiodos deben conectarse en polarización inversa (Cátodo al lado positivo, Ánodo al lado negativo) para detectar luz. Si se conecta en directa, actúa como un diodo normal y fija el voltaje, deshabilitando el sensor.
2. Desalineación: La luz IR es altamente direccional. Si el LED Tx y el Fotodiodo Rx no apuntan directamente el uno al otro, la alarma permanecerá ENCENDIDA permanentemente.
3. Interferencia de luz ambiental: La luz solar intensa o las lámparas de techo pueden inundar el fotodiodo, manteniendo el voltaje bajo incluso cuando bloqueas el haz IR. Usa un pequeño tubo o cinta aislante negra alrededor del fotodiodo para protegerlo de la luz lateral.

Solución de problemas

• La alarma nunca se ENCIENDE:
  • Causa: La base del transistor no recibe suficiente voltaje.
  • Solución: Verifica si el objeto realmente está bloqueando la luz. Aumenta R2 (por ejemplo, a 220 kΩ) para hacer el pull-up más fuerte contra fugas.
• La alarma nunca se APAGA:
  • Causa: El fotodiodo no recibe suficiente luz IR para bajar el voltaje de la base.
  • Solución: Realinea los LED. Disminuye R1 para hacer que el LED IR brille más (no bajes de 100 Ω). Asegúrate de que el fotodiodo esté insertado con la polaridad correcta.
• El sistema parpadea:
  • Causa: Detección de bordes o fuente de luz inestable.
  • Solución: Asegúrate de que la fuente de alimentación sea estable. Añade un pequeño condensador (por ejemplo, 100 nF) entre V_SENSE y GND para filtrar el ruido (nota: esto ralentiza ligeramente la respuesta).

Posibles mejoras y extensiones

1. Trigger Schmitt: Reemplaza el controlador de transistor simple con un Trigger Schmitt (o temporizador 555) para evitar que el LED se desvanezca, creando efectivamente un interruptor de acción «instantánea».
2. Modulación: Usa un módulo receptor de 38 kHz (como un sensor TSOP) y pulsa el LED IR a 38 kHz. Esto hace que el sistema sea completamente inmune a la luz solar y la iluminación de la habitación.

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Carlos Núñez Zorrilla

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¿Quiénes somos?

Nivel: Básico – Analizar diferencias de velocidad y linealidad entre una LDR y un fotodiodo.

Objetivo y caso de uso

Construirás un circuito de comparación dual que presenta una resistencia dependiente de la luz (LDR) y un fotodiodo uno al lado del otro, ambos estimulados por una fuente de luz LED pulsada. Esta configuración demuestra por qué se eligen sensores específicos para diferentes aplicaciones según el tiempo de respuesta y la linealidad.

• Transmisión de datos de alta velocidad: Los fotodiodos son esenciales para la fibra óptica y los controles remotos donde las señales conmutan rápidamente.
• Detección de luz ambiental: Las LDR son rentables para el alumbrado público (anochecer a amanecer) donde la velocidad de reacción no importa.
• Medición de precisión: Los fotodiodos proporcionan una salida de corriente lineal proporcional a la intensidad de la luz, ideal para luxómetros.

Resultado esperado:
* Salida de la LDR: Una respuesta de voltaje lenta y curva (forma de «aleta de tiburón») cuando se expone a una luz que parpadea rápidamente.
* Salida del fotodiodo: Una respuesta de voltaje cuadrada y nítida que sigue la fuente de luz con precisión.
* Niveles de voltaje: Cambios de voltaje distintos en los nodos V_LDR y V_PD correspondientes a la intensidad de la luz.
* Público objetivo: Estudiantes y aficionados interesados en sensores analógicos y optoelectrónica.

Materiales

• V1: Fuente de alimentación de 5 V CC, función: Alimentación principal del circuito.
• V2: Generador de pulsos de 0 V a 5 V (100 Hz), función: Controlador para el LED de prueba (Estímulo).
• R1: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente para el LED de estímulo.
• D_STIM: LED blanco, función: Fuente de luz para activar los sensores.
• R_LDR: Resistencia dependiente de la luz (LDR), función: Sensor fotorresistivo lento.
• R2: Resistencia de 10 kΩ, función: Rama inferior del divisor de voltaje para la LDR.
• D_PD: Fotodiodo de silicio (p. ej., BPW34), función: Sensor de fotocorriente rápido.
• R3: Resistencia de 100 kΩ, función: Resistencia de carga para convertir la fotocorriente en voltaje.

Guía de conexionado

El circuito consta de tres secciones distintas: el Estímulo (luz pulsante), el divisor LDR y el divisor de Fotodiodo.

Sección de estímulo:
* V2 (Fuente de pulsos) se conecta entre V_PULSE y 0 (GND).
* R1 se conecta entre V_PULSE y NODE_LED.
* D_STIM (Ánodo) se conecta a NODE_LED.
* D_STIM (Cátodo) se conecta a 0 (GND).
* Nota: Coloca D_STIM físicamente cerca tanto de R_LDR como de D_PD para asegurar que reciban la luz.

Sección del sensor LDR:
* V1 (Fuente CC) se conecta entre VCC y 0 (GND).
* R_LDR se conecta entre VCC y V_LDR.
* R2 se conecta entre V_LDR y 0 (GND).

Sección del sensor de fotodiodo:
* D_PD (Cátodo) se conecta a VCC. (Nota: Los fotodiodos operan en polarización inversa para el modo fotoconductivo).
* D_PD (Ánodo) se conecta a V_PD.
* R3 se conecta entre V_PD y 0 (GND).

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Title: Practical case: Photodiode vs photoresistor comparison

      [ INPUT SOURCES ]               [ SENSOR / OPTICAL BLOCK ]             [ OUTPUTS ]

          +--> [ R_LDR: Photoresistor ] --+------> < V_LDR >
                                   |    (Light Dependent Res.)     |
                                   |             ^                 v
                                   |             ~            [ R2: 10k ]
                                   |             ~ Light           |
    ( V1: 5 V DC Supply ) ----------+             ~                GND
                                   |             ~
                                   |             ~
                                           +--> [ D_PD: Photodiode ] ------+------> < V_PD >
                                        (Reverse Biased)           |
                                                 ^                 v
                                                 ~            [ R3: 100k ]
                                                 ~ Light           |
                                                 ~                GND
                                                 ~
                                                 ~
    ( V2: Pulse Gen ) --> [ R1: 330 ] --> [ D_STIM: White LED ] ----------> GND

Mediciones y pruebas

Para validar las diferencias entre los sensores, sigue estos pasos:

1. Pruebas estáticas (CC):

   • Apaga V2 (Pulso). Mantén V1 (5 V) encendida.
   • Cubre ambos sensores (Condición de oscuridad). Mide el voltaje en V_LDR y V_PD. Ambos deberían estar cerca de 0 V (dependiendo de la corriente/resistencia en oscuridad).
   • Ilumina con una luz constante. Mide el voltaje en V_LDR y V_PD. Ambos voltajes deberían subir.

2. Pruebas dinámicas (CA/Tiempo de respuesta):

   • Habilita V2 (Generador de pulsos) a 100 Hz (50% de ciclo de trabajo).
   • Conecta el Canal 1 del osciloscopio a V_PULSE (Referencia).
   • Conecta el Canal 2 del osciloscopio a V_LDR.
   • Conecta el Canal 3 del osciloscopio a V_PD.
   • Observación: Compara las formas de onda. El Canal 3 (Fotodiodo) debería parecerse a una onda cuadrada, coincidiendo con el Canal 1. El Canal 2 (LDR) se verá distorsionado, con flancos de subida y bajada lentos, no logrando alcanzar la amplitud completa si la frecuencia es demasiado alta.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Photodiode vs photoresistor comparison

* --- Component Models ---
* Generic Green LED Model
.model DLED D(IS=1e-22 RS=5 N=1.5 CJO=10p)
* Silicon Photodiode Model (BPW34 - Dark Characteristics)
.model D_BPW34 D(IS=1e-9 RS=5 N=1 CJO=20p)

* --- Power Supplies ---
* V1: Main Circuit Power (5V DC)
V1 VCC 0 DC 5

* V2: Pulse Generator (Stimulus)
* 0V to 5V, 100Hz (10ms period), 50% Duty Cycle
* Rise/Fall time 100us to ensure convergence
V2 V_PULSE 0 PULSE(0 5 0 100u 100u 5m 10m)

* --- Stimulus Section ---
* R1: Current limiting resistor for LED
R1 V_PULSE NODE_LED 330
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Photodiode vs photoresistor comparison

* --- Component Models ---
* Generic Green LED Model
.model DLED D(IS=1e-22 RS=5 N=1.5 CJO=10p)
* Silicon Photodiode Model (BPW34 - Dark Characteristics)
.model D_BPW34 D(IS=1e-9 RS=5 N=1 CJO=20p)

* --- Power Supplies ---
* V1: Main Circuit Power (5V DC)
V1 VCC 0 DC 5

* V2: Pulse Generator (Stimulus)
* 0V to 5V, 100Hz (10ms period), 50% Duty Cycle
* Rise/Fall time 100us to ensure convergence
V2 V_PULSE 0 PULSE(0 5 0 100u 100u 5m 10m)

* --- Stimulus Section ---
* R1: Current limiting resistor for LED
R1 V_PULSE NODE_LED 330

* D_STIM: Green LED (Light Source)
* Anode to NODE_LED, Cathode to GND
D_STIM NODE_LED 0 DLED

* --- Light Coupling & Physics Simulation (Behavioral) ---
* These elements simulate the physical behavior of light transfer
* from the LED to the sensors.

* 1. LDR Latency Simulation (RC Filter)
* Simulates the slow response time of the photo-resistive material.
* R_PHYS and C_PHYS create a delay on the control signal.
R_PHYS NODE_LED V_LIGHT_LDR 10k
C_PHYS V_LIGHT_LDR 0 1u

* --- LDR Sensor Section ---
* R_LDR: Light Dependent Resistor
* Modeled as a behavioral resistor (ngspice syntax).
* Resistance varies from ~1Meg (Dark) to ~2k (Light).
* Controlled by the delayed light signal (V_LIGHT_LDR) with a sigmoid transition.
R_LDR VCC V_LDR R = '2k + (1Meg - 2k) / (1 + exp(10 * (V(V_LIGHT_LDR) - 1.0)))'

* R2: Voltage divider bottom leg (10k)
R2 V_LDR 0 10k

* --- Photodiode Sensor Section ---
* D_PD: Silicon Photodiode (BPW34)
* Connected in reverse bias: Cathode to VCC, Anode to V_PD.
D_PD V_PD VCC D_BPW34

* Photocurrent Source (Behavioral)
* Represents the current generated by light (Cathode to Anode).
* Controlled directly by NODE_LED (Fast response).
* Generates ~20uA when LED is ON.
B_PD_PHOTO VCC V_PD I = '20u * (1 / (1 + exp(-10 * (V(NODE_LED) - 1.0))))'

* R3: Load resistor for Photodiode (220k)
* Converts photocurrent to voltage.
R3 V_PD 0 220k

* --- Simulation Directives ---
.op
* Transient analysis: 100us step size, 30ms duration (3 full cycles)
.tran 100u 30m

* Print directives for logging results
.print tran V(V_PULSE) V(NODE_LED) V(V_LDR) V(V_PD)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (764 rows)

Index   time            v(v_pulse)      v(node_led)     v(v_ldr)
0	0.000000e+00	0.000000e+00	2.716431e-145	4.950717e-02
1	1.000000e-06	5.000000e-02	4.824684e-02	4.950717e-02
2	1.083830e-06	5.419150e-02	5.230192e-02	4.950717e-02
3	1.251490e-06	6.257451e-02	6.041598e-02	4.950717e-02
4	1.586811e-06	7.934053e-02	7.664554e-02	4.950717e-02
5	2.257451e-06	1.128726e-01	1.091032e-01	4.950717e-02
6	3.598733e-06	1.799366e-01	1.740197e-01	4.950717e-02
7	6.281296e-06	3.140648e-01	3.038499e-01	4.950717e-02
8	1.164642e-05	5.823211e-01	5.635005e-01	4.950718e-02
9	2.048297e-05	1.024149e+00	9.911337e-01	4.950719e-02
10	3.049268e-05	1.524634e+00	1.474550e+00	4.950722e-02
11	3.675621e-05	1.837811e+00	1.660693e+00	4.950724e-02
12	4.338068e-05	2.169034e+00	1.711124e+00	4.950727e-02
13	4.777134e-05	2.388567e+00	1.729852e+00	4.950729e-02
14	5.403581e-05	2.701791e+00	1.750179e+00	4.950731e-02
15	6.656476e-05	3.328238e+00	1.778506e+00	4.950737e-02
16	9.162266e-05	4.581133e+00	1.819947e+00	4.950748e-02
17	1.000000e-04	5.000000e+00	1.831535e+00	4.950751e-02
18	1.050116e-04	5.000000e+00	1.831601e+00	4.950754e-02
19	1.150347e-04	5.000000e+00	1.831470e+00	4.950759e-02
20	1.350811e-04	5.000000e+00	1.831473e+00	4.950768e-02
21	1.751737e-04	5.000000e+00	1.831478e+00	4.950788e-02
22	2.553590e-04	5.000000e+00	1.831491e+00	4.950831e-02
23	3.553590e-04	5.000000e+00	1.831507e+00	4.950895e-02
... (740 more rows) ...

* Practical case: Photodiode vs photoresistor comparison

* --- Power Supplies ---
* V1: 5 V DC supply
V1 VCC 0 DC 5
* V2: 0 V to 5 V Pulse Generator (100 Hz), Stimulus Driver
* Pulse: 0V to 5V, Delay 0, Rise 100u, Fall 100u, Width 5m, Period 10m
V2 V_PULSE 0 PULSE(0 5 0 100u 100u 5m 10m)

* --- Stimulus Section ---
* R1: 330 Ohm resistor, Current limiting for LED
R1 V_PULSE NODE_LED 330
* D_STIM: White LED
* Anode connected to NODE_LED, Cathode connected to 0 (GND)
D_STIM NODE_LED 0 DLED_WHITE

* --- LDR Sensor Section ---
* R_LDR: Light Dependent Resistor
* Connects between VCC and V_LDR
* Modeled as a behavioral resistor: High Resistance (1Meg) in dark, Low (5k) in light.
* Light presence is derived from the voltage across the Stimulus LED (NODE_LED).
R_LDR VCC V_LDR R='1Meg - (1Meg - 5k) * (1 / (1 + exp(-10 * (V(NODE_LED) - 1.5))))'

* R2: 10 kΩ resistor, Voltage divider bottom leg
R2 V_LDR 0 10k

* --- Photodiode Sensor Section ---
* D_PD: Silicon Photodiode (BPW34)
* Wiring: Cathode to VCC, Anode to V_PD.
* SPICE Syntax: Dname Anode Cathode Model
D_PD V_PD VCC D_BPW34

* R3: 100 kΩ resistor, Load resistor
R3 V_PD 0 100k

* Behavioral Current Source to simulate Photocurrent
* Physical photodiodes generate current in reverse bias when illuminated.
* This source injects current from VCC to V_PD proportional to the LED state.
* Approx 30uA photocurrent when LED is ON.
B_PHOTO_I VCC V_PD I='30u * (1 / (1 + exp(-10 * (V(NODE_LED) - 1.5))))'

* --- Models ---
* Generic White LED Model (Vf approx 3.0V)
.model DLED_WHITE D (IS=1n N=2.5 RS=10 BV=5 IBV=10u)

* Generic Photodiode Model (Dark characteristics)
.model D_BPW34 D (IS=10p N=1 RS=5 CJO=20p)

* --- Analysis Commands ---
.op
* Transient analysis: 10us step size, 50ms duration (5 cycles of 100Hz)
.tran 10u 50m

* Print directives for simulation output
.print tran V(V_PULSE) V(NODE_LED) V(V_LDR) V(V_PD)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (10130 rows)

Index   time            v(v_pulse)      v(node_led)     v(v_ldr)
0	0.000000e+00	0.000000e+00	9.361484e-40	4.950497e-02
1	1.000000e-07	5.000000e-03	4.999973e-03	4.950497e-02
2	2.000000e-07	1.000000e-02	9.999945e-03	4.950497e-02
3	4.000000e-07	2.000000e-02	1.999988e-02	4.950497e-02
4	8.000000e-07	4.000000e-02	3.999972e-02	4.950497e-02
5	1.600000e-06	8.000000e-02	7.999919e-02	4.950498e-02
6	3.200000e-06	1.600000e-01	1.599964e-01	4.950501e-02
7	6.400000e-06	3.200000e-01	3.199538e-01	4.950532e-02
8	1.280000e-05	6.400000e-01	6.340342e-01	4.951341e-02
9	2.280000e-05	1.140000e+00	8.845732e-01	4.960852e-02
10	3.280000e-05	1.640000e+00	9.606899e-01	4.972663e-02
11	4.280000e-05	2.140000e+00	1.007645e+00	4.985907e-02
12	5.280000e-05	2.640000e+00	1.043655e+00	5.001333e-02
13	6.280000e-05	3.140000e+00	1.074525e+00	5.019717e-02
14	7.280000e-05	3.640000e+00	1.102157e+00	5.041742e-02
15	8.280000e-05	4.140000e+00	1.127621e+00	5.068194e-02
16	9.280000e-05	4.640000e+00	1.151535e+00	5.099977e-02
17	1.000000e-04	5.000000e+00	1.168018e+00	5.126749e-02
18	1.010000e-04	5.000000e+00	1.168023e+00	5.126758e-02
19	1.030000e-04	5.000000e+00	1.168018e+00	5.126749e-02
20	1.070000e-04	5.000000e+00	1.168018e+00	5.126749e-02
21	1.150000e-04	5.000000e+00	1.168018e+00	5.126749e-02
22	1.250000e-04	5.000000e+00	1.168018e+00	5.126749e-02
23	1.350000e-04	5.000000e+00	1.168018e+00	5.126749e-02
... (10106 more rows) ...