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

Objetivo y caso de uso

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

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

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

Materiales

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

Guía de conexionado

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

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

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Title: Practical case: Adaptive Screen Brightness Regulator

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

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

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

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

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

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Adaptive Screen Brightness Regulator

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

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

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

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

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

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* Practical case: Adaptive Screen Brightness Regulator

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

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

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

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

* Control Voltage noise filtering
C2 V_CV 0 10n

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (4016 rows)

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

Errores comunes y cómo evitarlos

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

Solución de problemas

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

Posibles mejoras y extensiones

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

Más Casos Prácticos en Prometeo.blog

Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

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

Sígueme:

¿Quiénes somos?

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

Objetivo y caso de uso

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

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

Materiales

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

Guía de conexionado

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

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

• Conecta C1 entre VCC y GND.

• Sensores (Divisor de voltaje dual):

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

• Conecta R4 entre VB y GND.

• Comparadores (LM358 – U1):

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

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

• Controlador de motor (L293D – U2):

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

• Conecta los pines GND de U2 a GND.

• Actuador:

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

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

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

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

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

Mediciones y pruebas

Sigue estos pasos para validar la lógica del seguidor:

1. Prueba de equilibrio estático:

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

2. Simulación de sombra izquierda:

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

3. Simulación de sombra derecha:

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

Netlist SPICE y simulación

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

* --- Subcircuit Definitions ---

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

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

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

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

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (3024 rows)

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

Errores comunes y cómo evitarlos

1. LDR colocados demasiado cerca uno del otro:

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

2. Accionar el motor directamente desde los OpAmps:

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

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

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

Solución de problemas

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

Posibles mejoras y extensiones

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

Más Casos Prácticos en Prometeo.blog

Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

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

Sígueme:

¿Quiénes somos?

Nivel: Medio. Construye una escalera resistiva para convertir señales binarias de 4 bits en niveles de voltaje analógicos precisos.

Objetivo y caso de uso

En esta sesión, construirás un Convertidor Digital a Analógico (DAC) de 4 bits utilizando una topología de escalera de resistencias R-2R. Este circuito suma entradas ponderadas binarias para producir una salida analógica proporcional al valor digital.

Por qué es útil:
* Síntesis de audio: Utilizado en generadores de funciones simples para crear ondas senoidales o triangulares desde microcontroladores digitales.
* Señales de video: Históricamente utilizado en adaptadores VGA para generar niveles de intensidad de color.
* Control rentable: Permite generar voltajes de control variables sin chips DAC dedicados.
* Educación en procesamiento de señales: Demuestra la superposición y el teorema de Thévenin de una manera práctica.

Resultado esperado:
* Un voltaje de salida estable (VOUT) que varía de 0 V a aproximadamente 4.68 V (dada una alimentación de 5 V).
* Dieciséis pasos de voltaje distintos (del binario 0000 al 1111).
* Relación lineal entre el valor de entrada binario y el voltaje analógico medido.

Público objetivo y nivel: Estudiantes de electrónica y aficionados familiarizados con las leyes básicas de circuitos.

Materiales

• V1: Fuente de CC de 5 V, función: Referencia de lógica alta y alimentación principal.
• R1: Resistencia de 10 kΩ, función: Resistencia en serie (R) en la columna de la escalera (Bit 0-1).
• R2: Resistencia de 10 kΩ, función: Resistencia en serie (R) en la columna de la escalera (Bit 1-2).
• R3: Resistencia de 10 kΩ, función: Resistencia en serie (R) en la columna de la escalera (Bit 2-3).
• R4: Resistencia de 20 kΩ, función: Resistencia en paralelo (2R) para Bit 0 (LSB).
• R5: Resistencia de 20 kΩ, función: Resistencia en paralelo (2R) para Bit 1.
• R6: Resistencia de 20 kΩ, función: Resistencia en paralelo (2R) para Bit 2.
• R7: Resistencia de 20 kΩ, función: Resistencia en paralelo (2R) para Bit 3 (MSB).
• R8: Resistencia de 20 kΩ, función: Resistencia de terminación (2R) conectada a Tierra.
• SW1: Interruptor SPDT (o cable puente), función: Entrada del Bit 0 (LSB), conmuta entre VCC y GND.
• SW2: Interruptor SPDT (o cable puente), función: Entrada del Bit 1, conmuta entre VCC y GND.
• SW3: Interruptor SPDT (o cable puente), función: Entrada del Bit 2, conmuta entre VCC y GND.
• SW4: Interruptor SPDT (o cable puente), función: Entrada del Bit 3 (MSB), conmuta entre VCC y GND.

Guía de conexionado

Esta guía utiliza nombres de nodos: VCC (5 V), 0 (GND), B0 (Entrada Bit 0), B1 (Entrada Bit 1), B2 (Entrada Bit 2), B3 (Entrada Bit 3), y nodos internos de la escalera N0, N1, N2. VOUT es la salida analógica.

• Conexión V1: Conecta el terminal positivo de V1 a VCC y el negativo a 0.
• Interruptores de entrada (Entradas digitales):
  • SW1: Común a B0, Posición 1 a 0, Posición 2 a VCC.
  • SW2: Común a B1, Posición 1 a 0, Posición 2 a VCC.
  • SW3: Común a B2, Posición 1 a 0, Posición 2 a VCC.
  • SW4: Común a B3, Posición 1 a 0, Posición 2 a VCC.
• Resistencias «R» de la escalera (Columna):
  • R1: Se conecta entre el nodo N0 y el nodo N1.
  • R2: Se conecta entre el nodo N1 y el nodo N2.
  • R3: Se conecta entre el nodo N2 y el nodo VOUT.
• Resistencias «2R» de la escalera (Ramas):
  • R8 (Terminación): Se conecta entre el nodo N0 y 0.
  • R4: Se conecta entre el nodo B0 y el nodo N0.
  • R5: Se conecta entre el nodo B1 y el nodo N1.
  • R6: Se conecta entre el nodo B2 y el nodo N2.
  • R7: Se conecta entre el nodo B3 y el nodo VOUT.
• Salida: Monitorea el voltaje en el nodo VOUT relativo a 0.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ DIGITAL INPUTS ]              [ R-2R LADDER NETWORK ]                 [ ANALOG OUTPUT ]
(Switches toggle VCC/GND)           (Voltage Summing Logic)

                                                   +--> [ Multimeter ]
                                                                           |    (Measure V)
[ SW4: Bit 3 (MSB) ] --(High/Low)--> [ R7: 20k (2R) ] --(Bit 3 Weight)---->+--> [ VOUT Node  ]
                                                            ^
                                                            |
                                                     [ R3: 10k (R) ]
                                                            |
[ SW3: Bit 2       ] --(High/Low)--> [ R6: 20k (2R) ] --(Bit 2 Weight)---->+ (Node N2)
                                                            ^
                                                            |
                                                     [ R2: 10k (R) ]
                                                            |
[ SW2: Bit 1       ] --(High/Low)--> [ R5: 20k (2R) ] --(Bit 1 Weight)---->+ (Node N1)
                                                            ^
                                                            |
                                                     [ R1: 10k (R) ]
                                                            |
[ SW1: Bit 0 (LSB) ] --(High/Low)--> [ R4: 20k (2R) ] --(Bit 0 Weight)---->+ (Node N0)
                                                            |
                                                            v
                                                     [ R8: 20k (2R) ]
                                                            |
                                                           GND

Diagrama eléctrico

🔒 Este diagrama eléctrico es premium. Con el pase de 7 días o la suscripción mensual podrás desbloquear el material didáctico completo y el pack PDF listo para imprimir.🔓 Ver planes de acceso premium

Mediciones y pruebas

Para validar el DAC, configurarás los interruptores en códigos binarios específicos y medirás el voltaje resultante en VOUT. La fórmula para la salida es:
$VOUT = Vref × ((Decimal Value) / 16)$

1. Comprobación de cero: Configura todos los interruptores (SW1-SW4) en 0 (GND). Mide VOUT. Debería ser exactamente 0 V.
2. Comprobación del LSB (Bit 0): Configura SW1 a VCC y los otros a 0 (Binario 0001).
   • Cálculo: $5 V × (1/16) = 0.3125 V$.
   • Verifica que VOUT sea aprox 0.31 V.
3. Comprobación del MSB (Bit 3): Configura SW4 a VCC y los otros a 0 (Binario 1000).
   • Cálculo: $5 V × (8/16) = 2.5 V$.
   • Verifica que VOUT sea aprox 2.5 V.
4. Comprobación de escala completa: Configura todos los interruptores a VCC (Binario 1111).
   • Cálculo: $5 V × (15/16) = 4.6875 V. * Verifica que VOUT sea aprox 4.69 V. <! – – SPICE_INSERT_POINT – – > ## Errores comunes y cómo evitarlos 1. Entradas flotantes: Dejar un interruptor abierto (desconectado) en lugar de conectarlo a Tierra para un «0» lógico. * Solución: Las escaleras R – 2R requieren que las entradas estén estrictamente enV_{ref}$ o $0 V$. Usa interruptores SPDT o verifica que tus cables puente se conecten a GND cuando estén «apagados».
5. Intercambiar R y 2R: Colocar una resistencia de 10 kΩ donde se requiere una de 20 kΩ (o viceversa).
   • Solución: Verifica dos veces los códigos de colores. 10 kΩ es usualmente Marrón-Negro-Naranja; 20 kΩ es Rojo-Negro-Naranja.
6. Cargar la salida: Conectar una carga de baja impedancia (como un altavoz o LED) directamente a VOUT.
   • Solución: Este circuito tiene una impedancia de salida relativamente alta ($R$). Siempre usa un búfer con Op-Amp (seguidor de voltaje) si necesitas alimentar una carga.

Solución de problemas

• Síntoma: $V_{OUT}$ es 2.5 V cuando debería ser 1.25 V.
  • Causa: El MSB (Bit 3) podría estar atascado en alto, o las resistencias están intercambiadas.
  • Solución: Revisa la continuidad del interruptor y verifica la colocación de resistencias en el nodo VOUT.
• Síntoma: Los voltajes de salida son no lineales o aleatorios.
  • Causa: Conexión deficiente en las resistencias de la «columna» (R1, R2, R3).
  • Solución: Reasienta las resistencias en la protoboard para asegurar que la cadena de la escalera esté intacta.
• Síntoma: La salida nunca llega cerca de 4.6 V.
  • Causa: Acumulación de tolerancia de resistencias o bajo voltaje de la fuente de alimentación.
  • Solución: Mide el voltaje real de V1. Usa resistencias de película metálica con tolerancia del 1% para una mejor precisión.

Posibles mejoras y extensiones

1. Expansión a 8 bits: Agrega cuatro etapas más a la escalera (usando más resistencias R y 2R) para crear un DAC de 8 bits con 256 pasos de voltaje.
2. Búfer activo: Conecta VOUT a un Op-Amp LM358 configurado como un búfer de ganancia unitaria para alimentar un LED o un pequeño altavoz de audio de forma segura.

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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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Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: R-2R Resistor Network (Simple DAC)

* --- Power Supply ---
* V1: 5 V DC supply, function: Logic high reference and main power
V1 VCC 0 DC 5

* --- Digital Inputs (Simulated Switches) ---
* Modeled as PULSE voltage sources to strictly simulate user input/switching.
* Generates a binary counting sequence (0000 to 1111) to test the full truth table.
* Logic High = 5V (VCC), Logic Low = 0V (GND).

* SW1 (Bit 0 LSB): Toggles every 100us (Period)
VB0 B0 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 50u 100u)

* SW2 (Bit 1): Toggles every 200us (Period)
VB1 B1 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 100u 200u)

* SW3 (Bit 2): Toggles every 400us (Period)
VB2 B2 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 200u 400u)

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

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* Practical case: R-2R Resistor Network (Simple DAC)

* --- Power Supply ---
* V1: 5 V DC supply, function: Logic high reference and main power
V1 VCC 0 DC 5

* --- Digital Inputs (Simulated Switches) ---
* Modeled as PULSE voltage sources to strictly simulate user input/switching.
* Generates a binary counting sequence (0000 to 1111) to test the full truth table.
* Logic High = 5V (VCC), Logic Low = 0V (GND).

* SW1 (Bit 0 LSB): Toggles every 100us (Period)
VB0 B0 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 50u 100u)

* SW2 (Bit 1): Toggles every 200us (Period)
VB1 B1 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 100u 200u)

* SW3 (Bit 2): Toggles every 400us (Period)
VB2 B2 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 200u 400u)

* SW4 (Bit 3 MSB): Toggles every 800us (Period)
VB3 B3 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 400u 800u)

* --- R-2R Ladder Network ---

* -- Spine Resistors (R = 10k) --
* R1: Connects between node N0 and node N1
R1 N0 N1 10k

* R2: Connects between node N1 and node N2
R2 N1 N2 10k

* R3: Connects between node N2 and node VOUT
R3 N2 VOUT 10k

* -- Branch/Termination Resistors (2R = 20k) --
* R8 (Termination): Connects between node N0 and 0 (GND)
R8 N0 0 20k

* R4 (Bit 0 Input): Connects between node B0 and node N0
R4 B0 N0 20k

* R5 (Bit 1 Input): Connects between node B1 and node N1
R5 B1 N1 20k

* R6 (Bit 2 Input): Connects between node B2 and node N2
R6 B2 N2 20k

* R7 (Bit 3 Input - MSB): Connects between node B3 and node VOUT
R7 B3 VOUT 20k

* --- Simulation Directives ---
* Transient analysis to capture the full binary counting sequence (approx 1ms)
.tran 2u 1000u

* --- Output Printing ---
* Monitor the Input Bits and the Analog Output Voltage
.print tran V(B0) V(B1) V(B2) V(B3) V(VOUT)

.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (1384 rows)

Index   time            v(b0)           v(b1)           v(b2)
0	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00
1	1.000000e-08	5.000000e-02	5.000000e-02	5.000000e-02
2	2.000000e-08	1.000000e-01	1.000000e-01	1.000000e-01
3	4.000000e-08	2.000000e-01	2.000000e-01	2.000000e-01
4	8.000000e-08	4.000000e-01	4.000000e-01	4.000000e-01
5	1.600000e-07	8.000000e-01	8.000000e-01	8.000000e-01
6	3.200000e-07	1.600000e+00	1.600000e+00	1.600000e+00
7	6.400000e-07	3.200000e+00	3.200000e+00	3.200000e+00
8	1.000000e-06	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
9	1.064000e-06	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
10	1.192000e-06	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
11	1.448000e-06	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
12	1.960000e-06	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
13	2.984000e-06	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
14	4.984000e-06	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
15	6.984000e-06	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
16	8.984000e-06	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
17	1.098400e-05	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
18	1.298400e-05	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
19	1.498400e-05	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
20	1.698400e-05	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
21	1.898400e-05	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
22	2.098400e-05	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
23	2.298400e-05	5.000000e+00	5.000000e+00	5.000000e+00
... (1360 more rows) ...

Nivel: Medio. Analice la variación de voltaje diferencial en un puente resistivo modificando un sensor.

Objetivo y caso de uso

Construirá un circuito de puente de Wheatstone utilizando tres resistencias fijas y una resistencia variable para simular un sensor resistivo. Este circuito convierte un cambio en la resistencia en una salida de voltaje diferencial medible.

Por qué es útil:
* Detección de precisión: Utilizado en celdas de carga (básculas) y galgas extensiométricas donde los cambios de resistencia son minúsculos.
* Medición de temperatura: Fundamental para leer RTD (Detectores de Temperatura de Resistencia) y termistores.
* Calibración a cero: Permite a los sistemas establecer un «punto nulo» (salida de 0 V) para cancelar errores de offset antes de tomar mediciones.
* Detección de señales pequeñas: Filtra el ruido de la fuente de alimentación común a ambas ramas del puente (Rechazo en Modo Común).

Resultado esperado:
* Estado equilibrado: Cuando la resistencia variable coincide con la relación de la rama fija, el voltaje diferencial (VAB) marca exactamente 0 V.
* Estado desequilibrado: A medida que la resistencia cambia, VAB se vuelve positivo o negativo dependiendo de la dirección del cambio.
* Sensibilidad: Observará la relación no lineal entre el cambio de resistencia (\Delta R) y el voltaje de salida (VOUT).

Público objetivo y nivel: Estudiantes de electrónica y aficionados familiarizados con la Ley de Ohm (Medio).

Materiales

• V1: Fuente de voltaje de 5 V DC, función: alimentación principal.
• R1: Resistencia de 1 kΩ, función: rama de referencia superior.
• R2: Resistencia de 1 kΩ, función: rama de referencia inferior.
• R3: Resistencia de 1 kΩ, función: rama de medición superior.
• R4: Potenciómetro de 2 kΩ (lineal), función: resistencia variable (simulando un sensor como un termistor o galga extensiométrica).

Guía de conexionado

Este circuito consta de dos divisores de voltaje paralelos conectados a una fuente común. La salida se toma diferencialmente entre los puntos centrales de estos divisores.

• V1 se conecta entre el nodo VCC (positivo) y el nodo 0 (GND).
• R1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo VA (Punto de Referencia).
• R2 se conecta entre el nodo VA y el nodo 0.
• R3 se conecta entre el nodo VCC y el nodo VB (Punto de Medición).
• R4 se conecta entre el nodo VB y el nodo 0.
• Medición: La salida VOUT se mide entre el nodo VA y el nodo VB.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ SOURCE ]                     [ BRIDGE PROCESSING ]                     [ OUTPUT ]

                               +-----------------------------+
                               |   Reference Divider (Left)  |
                            +->|  (Fixed Ratio: R1 / R2)     |--(Node VA)-->+
                            |  |  [ R1: 1 kΩ ] + [ R2: 1 kΩ ]  |              |
                            |  +-----------------------------+              |
                            |                                               v
[ V1: 5 V DC ] --(Supply)--> +                                          [ V_OUT ]
                            |                                          (Differential)
                            |  +-----------------------------+         ( VA - VB )
                            |  |  Measurement Divider (Right)|              ^
                            +->|  (Variable Ratio: R3 / R4)  |--(Node VB)-->+
                               |  [ R3: 1 kΩ ] + [ R4: Pot ]  |
                               +-----------------------------+

Diagrama eléctrico

🔒 Este diagrama eléctrico es premium. Con el pase de 7 días o la suscripción mensual podrás desbloquear el material didáctico completo y el pack PDF listo para imprimir.🔓 Ver planes de acceso premium

Mediciones y pruebas

Siga estos pasos para validar el funcionamiento del puente utilizando un voltímetro o multímetro.

1. Configuración: Alimente el circuito con 5 V. Configure su multímetro para medir Voltaje DC en el rango de 20 V o 2 V.
2. Verificar referencia: Mida el voltaje entre VA y 0 (GND). Al ser R1 y R2 iguales (1 kΩ), esto debería ser estable en exactamente 2.5 V.
3. Encontrar el punto nulo: Conecte las puntas del multímetro entre VA (punta roja) y VB (punta negra). Ajuste el potenciómetro R4 hasta que el multímetro lea 0.00 V.
   • Observación: En este punto, el puente está equilibrado (R1 / R2 = R3 / R4). R4 debería ser aproximadamente 1 kΩ.
4. Simular aumento del sensor: Aumente la resistencia de R4.
   • Observación: El voltaje en VB aumenta. La lectura diferencial (VA – VB) se volverá negativa (asumiendo punta Roja en A, Negra en B).
5. Simular disminución del sensor: Disminuya la resistencia de R4 por debajo de 1 kΩ.
   • Observación: El voltaje en VB cae. La lectura diferencial se volverá positiva.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Unbalanced Wheatstone Bridge

* --- Power Supply ---
* V1: 5 V DC voltage source, main power supply
V1 VCC 0 DC 5

* --- Reference Arm (Left) ---
* R1: 1 kΩ, upper reference arm
R1 VCC VA 1k

* R2: 1 kΩ, lower reference arm
R2 VA 0 1k

* --- Measurement Arm (Right) ---
* R3: 1 kΩ, upper measurement arm
R3 VCC VB 1k

* R4: 2 kΩ potentiometer (simulating sensor), lower measurement arm
* Connected between VB and 0. Set to 2k to demonstrate unbalanced state.
R4 VB 0 2k
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Unbalanced Wheatstone Bridge

* --- Power Supply ---
* V1: 5 V DC voltage source, main power supply
V1 VCC 0 DC 5

* --- Reference Arm (Left) ---
* R1: 1 kΩ, upper reference arm
R1 VCC VA 1k

* R2: 1 kΩ, lower reference arm
R2 VA 0 1k

* --- Measurement Arm (Right) ---
* R3: 1 kΩ, upper measurement arm
R3 VCC VB 1k

* R4: 2 kΩ potentiometer (simulating sensor), lower measurement arm
* Connected between VB and 0. Set to 2k to demonstrate unbalanced state.
R4 VB 0 2k

* --- Simulation Setup ---
* Calculate DC operating point
.op

* Transient analysis (10ms duration to verify stability)
.tran 100u 10m

* --- Output Directives ---
* Monitor Supply, Reference Voltage (VA), and Sensor Voltage (VB)
* Differential Output VOUT = V(VA) - V(VB)
.print tran V(VCC) V(VA) V(VB)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (108 rows)

Index   time            v(vcc)          v(va)           v(vb)
0	0.000000e+00	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
1	1.000000e-06	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
2	2.000000e-06	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
3	4.000000e-06	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
4	8.000000e-06	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
5	1.600000e-05	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
6	3.200000e-05	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
7	6.400000e-05	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
8	1.280000e-04	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
9	2.280000e-04	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
10	3.280000e-04	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
11	4.280000e-04	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
12	5.280000e-04	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
13	6.280000e-04	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
14	7.280000e-04	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
15	8.280000e-04	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
16	9.280000e-04	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
17	1.028000e-03	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
18	1.128000e-03	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
19	1.228000e-03	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
20	1.328000e-03	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
21	1.428000e-03	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
22	1.528000e-03	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
23	1.628000e-03	5.000000e+00	2.500000e+00	3.333333e+00
... (84 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Medir con respecto a Tierra: Los estudiantes a menudo miden VA a GND y VB a GND por separado. Aunque es válido, el puente está diseñado para medirse diferencialmente (VA a VB) directamente.
   • Solución: Coloque las puntas del voltímetro directamente a través de los puntos medios del puente.
2. Usar resistencias de baja tolerancia: Si R1 y R2 tienen una tolerancia alta (p. ej., 10%), el voltaje de referencia VA no será exactamente VCC/2, dificultando el cálculo del punto nulo.
   • Solución: Utilice resistencias de película metálica del 1% para R1, R2 y R3 para mayor precisión.
3. Cargar el puente: Conectar una carga de baja impedancia (como un motor o un altavoz de baja resistencia) directamente entre VA y VB.
   • Solución: El puente es para medición de señales, no para potencia. Conecte siempre los nodos de salida a una entrada de alta impedancia, como un amplificador operacional o el ADC de un microcontrolador.

Solución de problemas

• Síntoma: El voltaje de salida es siempre 0 V independientemente de la posición del potenciómetro.
  • Causa: La fuente de alimentación está apagada o hay un cortocircuito entre VA y VB.
  • Solución: Verifique las conexiones de V1 y asegúrese de que las dos ramas del puente no estén en cortocircuito entre sí.
• Síntoma: No se puede alcanzar la salida de 0 V (Punto nulo).
  • Causa: La resistencia fija R3 es significativamente diferente del rango del potenciómetro R4.
  • Solución: Asegúrese de que el rango de R4 incluya el valor de R3 (p. ej., si R3 es 1 kΩ, R4 debe ser capaz de alcanzar 1 kΩ).
• Síntoma: Las lecturas son inestables o «temblorosas».
  • Causa: Cursor del potenciómetro ruidoso o contactos sueltos en la protoboard.
  • Solución: Reemplace el potenciómetro o asegure conexiones sólidas en la protoboard.

Posibles mejoras y extensiones

1. Amplificador de instrumentación: Alimente los nodos VA y VB en un amplificador de instrumentación (como el AD620) para amplificar el pequeño voltaje diferencial para que lo lea un microcontrolador.
2. Sensor físico: Reemplace R4 con una fotorresistencia (LDR) o un termistor (NTC). Observe cómo la luz o la temperatura cambian el equilibrio del puente.

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Nivel: Medio. Diseñe un circuito lógico que alerte al usuario cuando un sensor de agua deje de detectar líquido utilizando una compuerta NOT.

Objetivo y caso de uso

En este caso, construirá un circuito de monitoreo utilizando un inversor 74HC04 que ilumina un LED rojo cuando el nivel de líquido de un tanque cae por debajo de un punto crítico.

• Evita daños en la bomba: Detiene las bombas de agua para que no funcionen en seco en sistemas hidropónicos.
• Seguridad doméstica: Alerta cuando los tanques de reserva en la azotea están vacíos.
• Mantenimiento industrial: Indicador visual de los requisitos de recarga de refrigerante.

Resultado esperado:
* Agua presente: El sensor está abierto (entrada Lógica 1) $\rightarrow$ el LED permanece APAGADO.
* Tanque vacío: El sensor se cierra (entrada Lógica 0) $\rightarrow$ el LED se ENCIENDE.
* Nivel lógico: $V_{in} \approx 0\text{ V}$ activa la alerta; $V_{in} \approx 5\text{ V}$ indica estado normal.

Público objetivo: Estudiantes de electrónica y aficionados familiarizados con la lógica digital básica.

Materiales

• V1: Fuente de alimentación de 5 V CC, función: alimentación principal del circuito
• U1: CI Inversor Hexagonal 74HC04, función: inversión lógica
• S1: Interruptor de flotador (configurado para Cerrar cuando está Vacío), función: sensor de nivel de líquido
• R1: Resistencia de 10 kΩ, función: pull-up para señal del sensor
• R2: Resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente del LED
• D1: LED rojo, función: alerta visual de vacío
• C1: Condensador cerámico de 100 nF, función: desacoplo de la fuente de alimentación

Pin-out del CI utilizado

Chip seleccionado: 74HC04 (Inversor Hexagonal)

Guía de conexionado

• V1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo 0 (GND).
• C1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo 0 (colocado físicamente cerca de U1).
• R1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo SENSE_IN.
• S1 se conecta entre el nodo SENSE_IN y el nodo 0.
• U1 pin 1 se conecta al nodo SENSE_IN.
• U1 pin 2 se conecta al nodo ALERT_OUT.
• U1 pin 14 se conecta a VCC; el pin 7 se conecta a 0.
• R2 se conecta entre el nodo ALERT_OUT y el nodo LED_ANODE.
• D1 se conecta entre el nodo LED_ANODE (Ánodo) y el nodo 0 (Cátodo).

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ INPUT / SENSOR ]                 [ LOGIC PROCESSING ]                 [ OUTPUT / ALERT ]

[ VCC 5V ] --> [ R1: 10k ] --+
               (Pull-Up)     |
                             |
                             V
                        (SENSE_IN) ---->+------------------+
                        (Pin 1)         |    U1: 74HC04    |
                             ^          |   Hex Inverter   |--(ALERT_OUT)--> [ R2: 330R ] --> [ D1: Red LED ] --> GND
                             |          |   (Pin 1 -> 2)   |  (Pin 2)        (Limiting)       (Anode/Cathode)
[ GND 0V ] --> [ S1: Float ]-+          +------------------+
               (Switch)                           ^
                                                  |
                                            [ C1: 100nF ]
                                            (Decoupling)
                                            (VCC / GND)

Tabla de verdad

Mediciones y pruebas

1. Verificación de alimentación: Mida el voltaje entre VCC y 0. Asegúrese de que sea estable a 5 V.
2. Simulación de tanque lleno: Levante manualmente el flotador (abra S1). Mida el voltaje en SENSE_IN. Debería ser $\approx 5\text{ V}$. Verifique que el LED esté APAGADO.
3. Simulación de tanque vacío: Deje caer el flotador (cierre S1). Mida el voltaje en SENSE_IN. Debería ser $\approx 0\text{ V}$.
4. Salida lógica: Mientras S1 está cerrado (Vacío), mida el voltaje en ALERT_OUT. Debería ser $\approx 5\text{ V}$.
5. Consumo de corriente: Mida la corriente a través de D1 ($I_{led}$) cuando esté ENCENDIDO. Debería ser de aproximadamente 10–12 mA dependiendo de la caída de voltaje específica del LED.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Empty Tank Level Indicator

* ==============================================================================
* BILL OF MATERIALS & COMPONENTS
* ==============================================================================

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

* --- Decoupling ---
* C1: 100 nF ceramic capacitor (Power supply decoupling)
C1 VCC 0 100n

* --- Sensor Input Section ---
* R1: 10 kΩ resistor (Pull-up for sensor signal)
R1 VCC SENSE_IN 10k

* S1: Float switch (SPST)
* Wiring: Connects between node SENSE_IN and node GND.
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Empty Tank Level Indicator

* ==============================================================================
* BILL OF MATERIALS & COMPONENTS
* ==============================================================================

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

* --- Decoupling ---
* C1: 100 nF ceramic capacitor (Power supply decoupling)
C1 VCC 0 100n

* --- Sensor Input Section ---
* R1: 10 kΩ resistor (Pull-up for sensor signal)
R1 VCC SENSE_IN 10k

* S1: Float switch (SPST)
* Wiring: Connects between node SENSE_IN and node GND.
* Simulation: Modeled as a Voltage Controlled Switch (SW).
* Logic: 
*   - Tank Full (Float Up) -> Switch Open -> SENSE_IN pulled to VCC.
*   - Tank Empty (Float Down) -> Switch Closed -> SENSE_IN pulled to GND.
* Control Source V_FLOAT_ACT simulates the float movement.
*   - 0V = Float Up (Full)
*   - 5V = Float Down (Empty)
S1 SENSE_IN 0 FLOAT_CTRL 0 SW_FLOAT
.model SW_FLOAT SW(Vt=2.5 Ron=0.1 Roff=10Meg)

* Stimulus: Float starts Up (Full), drops to Down (Empty) at 50us, returns at 200us.
V_FLOAT_ACT FLOAT_CTRL 0 PULSE(0 5 50u 1u 1u 150u 400u)

* --- Logic Processing ---
* U1: 74HC04 Hex Inverter
* Wiring Guide: Pin 1 (In) -> SENSE_IN, Pin 2 (Out) -> ALERT_OUT
* Power: Pin 14 -> VCC, Pin 7 -> GND
* Implemented as a subcircuit to strictly map pins.
XU1 SENSE_IN ALERT_OUT 0 VCC 74HC04_GATE

* Subcircuit definition for one gate of 74HC04
.subckt 74HC04_GATE IN OUT GND VCC
    * Behavioral voltage source for robust logic inversion
    * Uses sigmoid function for convergence: Vout = VCC if Vin < 2.5V
    B1 OUT GND V = V(VCC) * (1 / (1 + exp(50 * (V(IN) - 2.5))))
.ends

* --- Output Alert ---
* R2: 330 Ω resistor (LED current limiting)
R2 ALERT_OUT LED_ANODE 330

* D1: Red LED (Visual empty alert)
* Wiring: Anode -> LED_ANODE, Cathode -> GND
D1 LED_ANODE 0 LED_RED
.model LED_RED D(IS=1e-14 N=2 RS=5 BV=5 IBV=10u CJO=40p)

* ==============================================================================
* ANALYSIS COMMANDS
* ==============================================================================

* Operating Point Analysis
.op

* Transient Analysis
* Run for 500us to capture the float switch activation cycle
.tran 1u 500u

* Output Printing
* Monitor Sensor Input, Inverter Output, and LED Voltage
.print tran V(SENSE_IN) V(ALERT_OUT) V(LED_ANODE) V(FLOAT_CTRL)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (1190 rows)

Index   time            v(sense_in)     v(alert_out)    v(led_anode)
0	0.000000e+00	4.995005e+00	3.316079e-54	-1.70080e-28
1	1.000000e-08	4.995005e+00	3.316079e-54	-9.73961e-29
2	2.000000e-08	4.995005e+00	3.316079e-54	-1.41516e-29
3	4.000000e-08	4.995005e+00	3.316079e-54	8.723601e-29
4	8.000000e-08	4.995005e+00	3.316079e-54	1.163518e-28
5	1.600000e-07	4.995005e+00	3.316079e-54	4.380930e-29
6	3.200000e-07	4.995005e+00	3.316079e-54	-1.45299e-29
7	6.400000e-07	4.995005e+00	3.316079e-54	-1.01395e-29
8	1.280000e-06	4.995005e+00	3.316079e-54	-5.46095e-32
9	2.280000e-06	4.995005e+00	3.316079e-54	4.098577e-31
10	3.280000e-06	4.995005e+00	3.316079e-54	2.282032e-32
11	4.280000e-06	4.995005e+00	3.316079e-54	-9.50625e-33
12	5.280000e-06	4.995005e+00	3.316079e-54	-1.09186e-33
13	6.280000e-06	4.995005e+00	3.316079e-54	1.911218e-34
14	7.280000e-06	4.995005e+00	3.316079e-54	3.847480e-35
15	8.280000e-06	4.995005e+00	3.316079e-54	-2.97995e-36
16	9.280000e-06	4.995005e+00	3.316079e-54	-1.15977e-36
17	1.028000e-05	4.995005e+00	3.316079e-54	1.723722e-38
18	1.128000e-05	4.995005e+00	3.316079e-54	3.117034e-38
19	1.228000e-05	4.995005e+00	3.316079e-54	1.177223e-39
20	1.328000e-05	4.995005e+00	3.316079e-54	-7.52109e-40
21	1.428000e-05	4.995005e+00	3.316079e-54	-6.99870e-41
22	1.528000e-05	4.995005e+00	3.316079e-54	1.597704e-41
23	1.628000e-05	4.995005e+00	3.316079e-54	2.660714e-42
... (1166 more rows) ...

* Practical case: Empty Tank Level Indicator

* -----------------------------------------------------------------------------
* Power Supply
* V1 connects between node VCC and node 0 (GND)
* -----------------------------------------------------------------------------
V1 VCC 0 DC 5

* -----------------------------------------------------------------------------
* Decoupling Capacitor
* C1 connects between node VCC and node 0
* -----------------------------------------------------------------------------
C1 VCC 0 100n

* -----------------------------------------------------------------------------
* Sensor / Input Stage
* S1: Float switch (configured to Close when Empty)
* R1: Pull-up resistor
* Wiring: R1 between VCC and SENSE_IN. S1 between SENSE_IN and 0.
*
* Simulation Note: S1 is modeled as a Voltage-Controlled Switch driven by 
* a PULSE source (V_SW_CTRL) to simulate the physical action of the tank 
* emptying and the switch closing.
* -----------------------------------------------------------------------------
R1 VCC SENSE_IN 10k

* Switch S1
* Controlled by node SW_CTRL. 
* Control = 0V -> Switch Open (Tank Full, SENSE_IN pulled High)
* Control = 5V -> Switch Closed (Tank Empty, SENSE_IN pulled Low)
S1 SENSE_IN 0 SW_CTRL 0 FLOAT_SW_MODEL

* Switch Model
.model FLOAT_SW_MODEL SW(Vt=2.5 Ron=0.1 Roff=100M)

* Stimulus: User/Environment simulation
* Pulse starts at 0V (Full), pulses to 5V (Empty) at 100us, holds for 200us.
V_SW_CTRL SW_CTRL 0 PULSE(0 5 100u 1u 1u 200u 500u)

* -----------------------------------------------------------------------------
* Logic Stage: U1 74HC04 Hex Inverter
* Wiring: Pin 1 (Input) -> SENSE_IN, Pin 2 (Output) -> ALERT_OUT
*         Pin 14 -> VCC, Pin 7 -> 0 (GND)
* Implemented as a subcircuit to expose pins and provide robust behavioral logic.
* -----------------------------------------------------------------------------
XU1 SENSE_IN ALERT_OUT 0 VCC 74HC04_GATE

.subckt 74HC04_GATE IN OUT GND VCC
* Robust behavioral model of a CMOS Inverter using sigmoid function
* Vout = VCC if Vin < Vth, Vout = 0 if Vin > Vth
* Vth set to VCC/2. Steepness factor k=50.
B_INV OUT GND V = V(VCC) / (1 + exp(50 * (V(IN) - V(VCC)/2)))
.ends

* -----------------------------------------------------------------------------
* Output Stage: Indicator LED
* Wiring: R2 between ALERT_OUT and LED_ANODE. D1 between LED_ANODE and 0.
* -----------------------------------------------------------------------------
R2 ALERT_OUT LED_ANODE 330

* D1 Red LED
D1 LED_ANODE 0 RED_LED_MODEL

* LED Model (Approximate Red LED Vf ~ 1.8V @ 10mA)
.model RED_LED_MODEL D(IS=1e-18 N=2 RS=5 BV=5 IBV=10u CJO=10p)

* -----------------------------------------------------------------------------
* Analysis Commands
* -----------------------------------------------------------------------------
.op
* Transient analysis: 1us step, 500us total duration
.tran 1u 500u

* Print results to log (Required)
.print tran V(SENSE_IN) V(ALERT_OUT) V(LED_ANODE) V(SW_CTRL)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (1080 rows)

Index   time            v(sense_in)     v(alert_out)    v(led_anode)
0	0.000000e+00	4.999950e-05	5.000000e+00	1.948002e+00
1	1.000000e-08	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
2	2.000000e-08	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
3	4.000000e-08	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
4	8.000000e-08	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
5	1.600000e-07	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
6	3.200000e-07	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
7	6.400000e-07	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
8	1.280000e-06	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
9	2.280000e-06	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
10	3.280000e-06	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
11	4.280000e-06	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
12	5.280000e-06	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
13	6.280000e-06	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
14	7.280000e-06	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
15	8.280000e-06	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
16	9.280000e-06	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
17	1.028000e-05	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
18	1.128000e-05	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
19	1.228000e-05	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
20	1.328000e-05	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
21	1.428000e-05	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
22	1.528000e-05	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
23	1.628000e-05	4.999950e-05	5.000000e+00	1.947999e+00
... (1056 more rows) ...