Nivel: Medio – Construye un contador óptico de objetos con salidas decimales y un reinicio automático de lote.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un circuito contador óptico secuencial utilizando una resistencia dependiente de la luz (LDR), un inversor 74HC04 para el acondicionamiento de la señal y un contador de décadas CD4017BE. El circuito detecta objetos que interrumpen un haz de luz, los cuenta secuencialmente mediante indicadores LED y se reinicia automáticamente después de un lote de 5 artículos.

Este circuito es muy relevante en escenarios del mundo real:
– Líneas de envasado: Agrupación automática de productos en tamaños de lote predeterminados (por ejemplo, 5 artículos por caja).
– Automatización industrial: Seguimiento del movimiento de piezas discretas a lo largo de una cinta transportadora.
– Enclavamientos de seguridad: Monitorización de interruptores de límite o barreras ópticas para garantizar que un ciclo de operación se complete en su totalidad.

Resultado esperado:
– El divisor de tensión de la LDR oscilará de ALTO (iluminada) a BAJO (haz bloqueado).
– El inversor 74HC04 generará un flanco de reloj de subida limpio (VB) con cada detección.
– El contador CD4017BE avanzará su señal lógica activa en ALTO a través de las salidas Q0 a Q4, encendiendo los LED en secuencia.
– Cuando se detecta el sexto objeto (conteo de 5), la salida Q5 activará el pin de reinicio, borrando instantáneamente el conteo de vuelta a 0.

Público objetivo: Estudiantes de electrónica que aprenden lógica secuencial, contadores decimales e integración básica de sensores.

Materiales

• V1: fuente de alimentación de 5 V CC
• RLDR1: Resistencia dependiente de la luz (LDR), función: detección óptica
• R1: resistencia de 10 kΩ, función: pull-down del divisor de tensión para la LDR
• U1: 74HC04, función: inversor lógico y conformador de flanco de reloj
• U2: CD4017BE, función: contador de décadas con salidas decodificadas
• D1: LED rojo, función: indicador del conteo 0
• D2: LED rojo, función: indicador del conteo 1
• D3: LED rojo, función: indicador del conteo 2
• D4: LED rojo, función: indicador del conteo 3
• D5: LED rojo, función: indicador del conteo 4
• R2: resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente del LED D1
• R3: resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente del LED D2
• R4: resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente del LED D3
• R5: resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente del LED D4
• R6: resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente del LED D5
• C1: condensador de 100 nF, función: desacoplo de U1
• C2: condensador de 100 nF, función: desacoplo de U2

Pin-out del CI utilizado

74HC04 (Inversor hexadecimal)

CD4017BE (Contador de décadas / divisor)

Nota: Los pines 5, 6, 9, 11 y 12 son salidas decodificadas no utilizadas y el pin de acarreo; se dejan flotando en este caso.

Guía de conexionado

• V1 se conecta entre VCC y 0.
• RLDR1 se conecta entre VCC y VA.
• R1 se conecta entre VA y 0.
• El pin 14 de U1 se conecta a VCC.
• El pin 7 de U1 se conecta a 0.
• El pin 1 de U1 se conecta a VA.
• El pin 2 de U1 se conecta a VB.
• El pin 16 de U2 se conecta a VCC.
• El pin 8 de U2 se conecta a 0.
• El pin 13 de U2 se conecta a 0.
• El pin 14 de U2 se conecta a VB.
• El pin 1 de U2 se conecta a VC.
• El pin 15 de U2 se conecta a VC.
• El pin 3 de U2 se conecta a V_Q0.
• El pin 2 de U2 se conecta a V_Q1.
• El pin 4 de U2 se conecta a V_Q2.
• El pin 7 de U2 se conecta a V_Q3.
• El pin 10 de U2 se conecta a V_Q4.
• R2 se conecta entre V_Q0 y V_D1.
• D1 se conecta entre V_D1 y 0.
• R3 se conecta entre V_Q1 y V_D2.
• D2 se conecta entre V_D2 y 0.
• R4 se conecta entre V_Q2 y V_D3.
• D3 se conecta entre V_D3 y 0.
• R5 se conecta entre V_Q3 y V_D4.
• D4 se conecta entre V_D4 y 0.
• R6 se conecta entre V_Q4 y V_D5.
• D5 se conecta entre V_D5 y 0.
• C1 se conecta entre VCC y 0, cerca de U1.
• C2 se conecta entre VCC y 0, cerca de U2.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ U2: CD4017BE Decade Counter ]
                                                             |                             |
VCC --> [ RLDR1: LDR ] --(VA)--> [ U1: 74HC04 Inverter ] --(VB)--> CLK (Pin 14)            |
                           |                                 |                  Q0 (Pin 3)-|--(V_Q0)--> [ R2: 330 ] --> [ D1: Red LED ] --> GND
                           +---> [ R1: 10k ] --> GND         |                  Q1 (Pin 2)-|--(V_Q1)--> [ R3: 330 ] --> [ D2: Red LED ] --> GND
                                                             |                  Q2 (Pin 4)-|--(V_Q2)--> [ R4: 330 ] --> [ D3: Red LED ] --> GND
                                                 +--(VC)---------> RST (Pin 15) Q3 (Pin 7)-|--(V_Q3)--> [ R5: 330 ] --> [ D4: Red LED ] --> GND
                                                 |           |                  Q4 (Pin 10)|--(V_Q4)--> [ R6: 330 ] --> [ D5: Red LED ] --> GND
                                                 +---------------< Q5 (Pin 1)              |
                                                             |                             |
                                                 GND ------------> EN (Pin 13)             |
                                                             [-----------------------------]

* Power & Decoupling Notes:
  VCC --> [ C1: 100nF ] --> GND  (U1 Decoupling)
  VCC --> [ C2: 100nF ] --> GND  (U2 Decoupling)
  U1 Power: Pin 14 (VCC), Pin 7 (GND)
  U2 Power: Pin 16 (VCC), Pin 8 (GND)

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

1. Calibración del sensor: mide el nodo VA con un multímetro. Debe estar por encima de 4,0 V con la LDR iluminada y caer por debajo de 1,0 V cuando un objeto corta el haz. Ajusta R1 si tu LDR tiene otra curva de resistencia.
2. Comprobación del flanco de reloj: conecta el osciloscopio al nodo VB. Al pasar un objeto por el haz debes ver una transición limpia de 0 V a 5 V.
3. Verificación del conteo secuencial: observa los nodos V_Q0 a V_Q4. Cada pulso debe activar una salida distinta y encender D1 a D5 en orden.
4. Validación del reinicio automático: monitoriza VC. Al detectar el sexto objeto debe aparecer un pulso breve que reinicia el contador y vuelve a activar D1.

Netlist SPICE y simulación

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

* Conveyor belt object counter
.width out=256

* --- Digital Subcircuits ---

* Analog Behavioral D-Flip-Flop with Asynchronous Reset
.subckt DFF D CLK RST Q
B_M M_int 0 V = V(RST)>2.5 ? 0 : (V(CLK)>2.5 ? (V(M_state)>2.5 ? 5 : 0) : (V(D)>2.5 ? 5 : 0))
R_M M_int M_state 100
C_M M_state 0 1n

B_S S_int 0 V = V(RST)>2.5 ? 0 : (V(CLK)>2.5 ? (V(M_state)>2.5 ? 5 : 0) : (V(S_state)>2.5 ? 5 : 0))
R_S S_int S_state 100
C_S S_state 0 1n

B_Q Q_int 0 V = V(S_state)>2.5 ? 5 : 0
R_Q Q_int Q 100
C_Q Q 0 1n
.ends

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

Copia este contenido en un archivo .cir y ejecútalo con ngspice.

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* Conveyor belt object counter
.width out=256

* --- Digital Subcircuits ---

* Analog Behavioral D-Flip-Flop with Asynchronous Reset
.subckt DFF D CLK RST Q
B_M M_int 0 V = V(RST)>2.5 ? 0 : (V(CLK)>2.5 ? (V(M_state)>2.5 ? 5 : 0) : (V(D)>2.5 ? 5 : 0))
R_M M_int M_state 100
C_M M_state 0 1n

B_S S_int 0 V = V(RST)>2.5 ? 0 : (V(CLK)>2.5 ? (V(M_state)>2.5 ? 5 : 0) : (V(S_state)>2.5 ? 5 : 0))
R_S S_int S_state 100
C_S S_state 0 1n

B_Q Q_int 0 V = V(S_state)>2.5 ? 5 : 0
R_Q Q_int Q 100
C_Q Q 0 1n
.ends

* CD4017BE Decade Counter (5-stage Johnson Counter with decoded outputs)
* Pins: 1:Q5(VC), 2:Q1, 3:Q0, 4:Q2, 7:Q3, 8:GND, 10:Q4, 13:EN, 14:CLK, 15:RST, 16:VCC
.subckt CD4017 1 2 3 4 7 8 10 13 14 15 16
B_CLK_INT CLK_INT 0 V = (V(14)>2.5) * (V(13)<2.5) * 5
R_CLK CLK_INT CLK_F 100
C_CLK CLK_F 0 1n

XF1 D1 CLK_F 15 F1 DFF
XF2 F1 CLK_F 15 F2 DFF
XF3 F2 CLK_F 15 F3 DFF
XF4 F3 CLK_F 15 F4 DFF
XF5 F4 CLK_F 15 F5 DFF

B_D1_int D1_int 0 V = V(F5)>2.5 ? 0 : 5
R_D1 D1_int D1 100
C_D1 D1 0 1n

B_Q0_int Q0_int 0 V = (V(F1)<2.5) * (V(F5)<2.5) * 5
R_Q0 Q0_int 3 100
C_Q0 3 0 1n

B_Q1_int Q1_int 0 V = (V(F1)>2.5) * (V(F2)<2.5) * 5
R_Q1 Q1_int 2 100
C_Q1 2 0 1n

B_Q2_int Q2_int 0 V = (V(F2)>2.5) * (V(F3)<2.5) * 5
R_Q2 Q2_int 4 100
C_Q2 4 0 1n

B_Q3_int Q3_int 0 V = (V(F3)>2.5) * (V(F4)<2.5) * 5
R_Q3 Q3_int 7 100
C_Q3 7 0 1n

B_Q4_int Q4_int 0 V = (V(F4)>2.5) * (V(F5)<2.5) * 5
R_Q4 Q4_int 10 100
C_Q4 10 0 1n

* Q5 output is used for the modulo-5 reset via VC, so it uses a slightly larger delay 
* to guarantee the reset pulse is wide enough to clear all DFFs.
B_Q5_int Q5_int 0 V = (V(F5)>2.5) * (V(F1)>2.5) * 5
R_Q5 Q5_int 1 100
C_Q5 1 0 10n

* Dummy loads to prevent warnings on power pins
R_GND 8 0 1
R_VCC 16 0 1Meg
.ends

* 74HC04 Hex Inverter (single gate modeled for pins 1, 2)
* Pins: 1:A, 2:Y, 7:GND, 14:VCC
.subckt 74HC04 1 2 7 14
B_Y_int Y_int 0 V = V(1)>2.5 ? 0 : 5
R_Y Y_int 2 100
C_Y 2 0 1n
R_GND 7 0 1
R_VCC 14 0 1Meg
.ends

* --- Main Circuit ---

* Power Supply
V1 VCC 0 DC 5

* Optical Sensing (LDR and pull-down divider)
* Conveyor beam is normally ON (light=1), LDR is 1k. 
* When object passes, light is blocked (light=0), LDR becomes 100k.
V_LIGHT N_LIGHT 0 PULSE(1 0 0.1 0.05 0.05 0.2 0.5)
R_LIGHT N_LIGHT 0 1Meg 
RLDR1 VCC VA R='V(N_LIGHT) > 0.5 ? 1k : 100k'
R1 VA 0 10k

* Edge sharpener and logic inverter
XU1 VA VB 0 VCC 74HC04

* Decade Counter
XU2 VC V_Q1 V_Q0 V_Q2 V_Q3 0 V_Q4 0 VB VC VCC CD4017

* LED Output Indicators
.model RED_LED D(IS=1e-18 N=1.8 RS=10)

R2 V_Q0 V_D1 330
D1 V_D1 0 RED_LED

R3 V_Q1 V_D2 330
D2 V_D2 0 RED_LED

R4 V_Q2 V_D3 330
D3 V_D3 0 RED_LED

R5 V_Q3 V_D4 330
D4 V_D4 0 RED_LED

R6 V_Q4 V_D5 330
D5 V_D5 0 RED_LED

* Decoupling Capacitors
C1 VCC 0 100n
C2 VCC 0 100n

* Dummy IN/OUT assignments for strict output requirements
R_IN VA IN 1
R_IN_GND IN 0 100Meg
R_OUT V_Q4 OUT 1
R_OUT_GND OUT 0 100Meg

* --- Simulation Commands ---
.op
.tran 1m 3.0
.print tran V(IN) V(OUT) V(VA) V(V_Q0) V(V_Q1) V(V_Q2) V(V_Q3) V(V_Q4)

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation shows the input signal (VA) toggling between ~4.5V and ~0.45V, representing the LDR state changes. The outputs V_Q0 to V_Q4 sequentially pulse high to ~4.25V, confirming the decade counter is advancing correctly with each input pulse.

Show raw data table (3128 rows)

Index   time            v(in)           v(out)          v(va)           v(v_q0)         v(v_q1)         v(v_q2)         v(v_q3)         v(v_q4)
0	0.000000e+00	4.545413e+00	7.813983e-36	4.545413e+00	7.814080e-36	4.250409e+00	7.814080e-36	7.814080e-36	7.813983e-36
1	1.000000e-05	4.545413e+00	7.736609e-38	4.545413e+00	7.736713e-38	4.250409e+00	7.736713e-38	7.736713e-38	7.736609e-38
2	2.000000e-05	4.545413e+00	7.660001e-40	4.545413e+00	7.660112e-40	4.250409e+00	7.660112e-40	7.660112e-40	7.660001e-40
3	4.000000e-05	4.545413e+00	-7.50832e-40	4.545413e+00	-7.50843e-40	4.250409e+00	-7.50843e-40	-7.50843e-40	-7.50832e-40
4	8.000000e-05	4.545413e+00	7.433609e-40	4.545413e+00	7.433716e-40	4.250409e+00	7.433716e-40	7.433716e-40	7.433609e-40
5	1.600000e-04	4.545413e+00	-7.39653e-40	4.545413e+00	-7.39664e-40	4.250409e+00	-7.39664e-40	-7.39664e-40	-7.39653e-40
6	3.200000e-04	4.545413e+00	7.378065e-40	4.545413e+00	7.378171e-40	4.250409e+00	7.378171e-40	7.378171e-40	7.378065e-40
7	6.400000e-04	4.545413e+00	-7.36885e-40	4.545413e+00	-7.36895e-40	4.250409e+00	-7.36895e-40	-7.36895e-40	-7.36885e-40
8	1.280000e-03	4.545413e+00	7.364244e-40	4.545413e+00	7.364350e-40	4.250409e+00	7.364350e-40	7.364350e-40	7.364244e-40
9	2.280000e-03	4.545413e+00	-7.36130e-40	4.545413e+00	-7.36141e-40	4.250409e+00	-7.36141e-40	-7.36141e-40	-7.36130e-40
10	3.280000e-03	4.545413e+00	7.358355e-40	4.545413e+00	7.358461e-40	4.250409e+00	7.358461e-40	7.358461e-40	7.358355e-40
11	4.280000e-03	4.545413e+00	-7.35541e-40	4.545413e+00	-7.35552e-40	4.250409e+00	-7.35552e-40	-7.35552e-40	-7.35541e-40
12	5.280000e-03	4.545413e+00	7.352471e-40	4.545413e+00	7.352577e-40	4.250409e+00	7.352577e-40	7.352577e-40	7.352471e-40
13	6.280000e-03	4.545413e+00	-7.34953e-40	4.545413e+00	-7.34964e-40	4.250409e+00	-7.34964e-40	-7.34964e-40	-7.34953e-40
14	7.280000e-03	4.545413e+00	7.346591e-40	4.545413e+00	7.346697e-40	4.250409e+00	7.346697e-40	7.346697e-40	7.346591e-40
15	8.280000e-03	4.545413e+00	-7.34365e-40	4.545413e+00	-7.34376e-40	4.250409e+00	-7.34376e-40	-7.34376e-40	-7.34365e-40
16	9.280000e-03	4.545413e+00	7.340716e-40	4.545413e+00	7.340822e-40	4.250409e+00	7.340822e-40	7.340822e-40	7.340716e-40
17	1.028000e-02	4.545413e+00	-7.33778e-40	4.545413e+00	-7.33789e-40	4.250409e+00	-7.33789e-40	-7.33789e-40	-7.33778e-40
18	1.128000e-02	4.545413e+00	7.334846e-40	4.545413e+00	7.334952e-40	4.250409e+00	7.334952e-40	7.334952e-40	7.334846e-40
19	1.228000e-02	4.545413e+00	-7.33191e-40	4.545413e+00	-7.33202e-40	4.250409e+00	-7.33202e-40	-7.33202e-40	-7.33191e-40
20	1.328000e-02	4.545413e+00	7.328981e-40	4.545413e+00	7.329086e-40	4.250409e+00	7.329086e-40	7.329086e-40	7.328981e-40
21	1.428000e-02	4.545413e+00	-7.32605e-40	4.545413e+00	-7.32616e-40	4.250409e+00	-7.32616e-40	-7.32616e-40	-7.32605e-40
22	1.528000e-02	4.545413e+00	7.323120e-40	4.545413e+00	7.323225e-40	4.250409e+00	7.323225e-40	7.323225e-40	7.323120e-40
23	1.628000e-02	4.545413e+00	-7.32019e-40	4.545413e+00	-7.32030e-40	4.250409e+00	-7.32030e-40	-7.32030e-40	-7.32019e-40
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Errores comunes y cómo evitarlos

1. Dejar CKE flotante: el pin 13 del CD4017BE es activo en nivel bajo. Si queda sin conectar, el ruido puede bloquear o habilitar el reloj de forma impredecible. Conéctalo siempre a 0.
2. Omitir resistencias en los LED: conectar los LED directamente a las salidas del CD4017BE puede dañar el integrado. Cada LED debe llevar su resistencia limitadora, por ejemplo 330 Ω.
3. Transiciones lentas del sensor: si el objeto se mueve despacio, la señal de la LDR puede permanecer demasiado tiempo cerca del umbral lógico y producir varios pulsos. En ese caso conviene sustituir el 74HC04 por un inversor Schmitt como el 74HC14.

Solución de problemas

• Síntoma: el contador salta números o cuenta de forma aleatoria.
• Causa: ruido eléctrico en la línea de la LDR o vibraciones que afectan al haz de luz.
• Solución: añade un condensador pequeño, por ejemplo 10 nF, entre VA y 0 para filtrar ruido de alta frecuencia.
• Síntoma: el circuito se queda siempre en D1 y no avanza.
• Causa: el pin de reinicio está fijo en alto o el pin CKE está en alto.
• Solución: revisa la conexión entre Q5 y RST, y confirma que el pin 13 está unido a 0.
• Síntoma: los LED se ven muy tenues.
• Causa: las resistencias limitadoras son demasiado grandes o la alimentación cae por falta de corriente.
• Solución: comprueba que R2-R6 son de 330 Ω y que VCC se mantiene estable en 5 V.

Posibles mejoras y extensiones

1. Visualización numérica: sustituir la lógica de LED por un CD4026BE permite excitar directamente un display de 7 segmentos y mostrar el conteo como dígito.
2. Antirrebote con monoestable: insertar un NE555 en configuración monoestable entre VB y el reloj del contador garantiza un único pulso de duración fija por objeto detectado.
3. Tamaño de lote ajustable: puedes elegir otra salida del CD4017BE para el reinicio si necesitas agrupar 3, 4, 6 o más objetos.
4. Salida de control: añade un transistor o un relé para activar una compuerta, zumbador o actuador cuando se complete el lote.

Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

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

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¿Quiénes somos?

Nivel: Básico – Construye un circuito temporizador monostable utilizando el CI NE555 para controlar la salida de un LED durante un tiempo determinado.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un multivibrador monostable (temporizador de un solo pulso) utilizando el clásico CI NE555. Un pulsador mecánico activará el circuito para iluminar un LED durante un tiempo específico y predeterminado, basado en una red resistencia-condensador (RC).

Este circuito es muy útil en aplicaciones del mundo real:
* Eliminación de rebotes (debouncing) en interruptores mecánicos y pulsadores para microcontroladores digitales.
* Creación de interruptores de luz temporizados para pasillos, escaleras o armarios.
* Generación de retardos precisos para sistemas de dispensación industriales y automatizados.
* Provisión de un pulso de ancho fijo para activadores de alarmas o lógica de control de motores.

Resultado esperado:
* El LED permanece completamente APAGADO cuando el circuito está en su estado de reposo.
* Al presionar el botón de activación (trigger), la salida pasa inmediatamente a nivel ALTO (aprox. 5 V), encendiendo el LED.
* El LED permanece iluminado durante aproximadamente 1.1 segundos antes de APAGARSE automáticamente.
* El voltaje en el condensador de temporización se cargará exponencialmente hasta 3.33 V (2/3 de VCC) antes de que la salida se reinicie a nivel BAJO.

Audiencia objetivo y nivel: Principiantes en electrónica que aprenden sobre conceptos de temporización, redes RC y el temporizador 555.

Materiales

• V1: Fuente de alimentación de 5 V CC
• U1: CI temporizador NE555, función: controlador monostable
• R1: Resistencia de 10 kΩ, función: pull-up para el pin de activación (trigger)
• R2: Resistencia de 10 kΩ, función: resistencia de temporización (RT)
• R3: Resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente del LED
• C1: Condensador electrolítico de 100 µF, función: condensador de temporización (CT)
• C2: Condensador cerámico de 10 nF, función: estabilización del voltaje de control
• S1: Pulsador Normalmente Abierto (NA), función: entrada de activación (trigger)
• D1: LED rojo, función: indicador de salida

Guía de conexionado

• V1 se conecta entre VCC y 0 (GND).
• El Pin 1 (GND) de U1 se conecta a 0.
• El Pin 8 (VCC) de U1 se conecta a VCC.
• R1 se conecta entre VCC y TRIG.
• S1 se conecta entre TRIG y 0.
• El Pin 2 (Trigger) de U1 se conecta a TRIG.
• R2 se conecta entre VCC y DISCH_THRES.
• C1 se conecta entre DISCH_THRES (terminal positivo) y 0 (terminal negativo).
• El Pin 6 (Threshold) de U1 se conecta a DISCH_THRES.
• El Pin 7 (Discharge) de U1 se conecta a DISCH_THRES.
• El Pin 4 (Reset) de U1 se conecta a VCC.
• C2 se conecta entre CTRL y 0.
• El Pin 5 (Control Voltage) de U1 se conecta a CTRL.
• R3 se conecta entre OUT y NODE_LED.
• D1 se conecta entre NODE_LED (ánodo) y 0 (cátodo).
• El Pin 3 (Output) de U1 se conecta a OUT.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ U1: NE555 Timer ]
VCC -----------------------------------------> [ Pin 8: VCC      ]
                                               [                 ]
VCC --> [ R1: 10 kΩ ] --(TRIG)----------------> [ Pin 2: Trigger  ]
                          |                    [                 ]
                     [ S1: Button ]            [                 ]
                          |                    [                 ]
                         GND                   [                 ]
                                               [                 ]
VCC --> [ R2: 10 kΩ ] --(DISCH_THRES)---------> [ Pin 6: Thres    ] --(Pin 3: OUT)--> [ R3: 330 Ω ] --> [ D1: Red LED ] --> GND
                          |                    [ Pin 7: Disch    ]
                     [ C1: 100µF ]             [                 ]
                          |                    [                 ]
                         GND                   [                 ]
                                               [                 ]
VCC -----------------------------------------> [ Pin 4: Reset    ]
                                               [                 ]
                                               [ Pin 5: Control  ] --(CTRL)--> [ C2: 10nF ] --> GND
                                               [                 ]
GND -----------------------------------------> [ Pin 1: GND      ]

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

1. Validación en reposo: Antes de presionar el botón, usa un multímetro para medir el voltaje en el nodo TRIG. Debería marcar 5 V debido a la resistencia pull-up. El voltaje en el nodo OUT debería ser de 0 V.
2. Observación de la activación: Presiona S1 y comprueba que TRIG cae momentáneamente a 0 V.
3. Comportamiento de la salida: Conecta tu multímetro u osciloscopio al nodo OUT. Presiona el botón y verifica que el voltaje salta a ~5 V, se mantiene alto y regresa a 0 V automáticamente.
4. Curva de carga del condensador: Conecta una sonda al nodo DISCH_THRES. Observa cómo el voltaje se carga desde 0 V hasta ~3.33 V (que es 2/3 de VCC) inmediatamente después de presionar el activador. Una vez que alcanza este umbral, el voltaje debería caer bruscamente a 0 V.
5. Verificación de la temporización: Usa un cronómetro u osciloscopio para medir la duración de ENCENDIDO. Verifica que coincida con la fórmula teórica: T = 1.1 × R2 × C1 (1.1 × 10,000 Ω × 0.0001 F ≈ 1.1 segundos).

Netlist SPICE y simulación

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

* One-Shot Timer Using NE555
.width out=256

* Power Supply
V1 VCC 0 DC 5

* Trigger Push-Button (Modelled as a voltage-controlled switch and pulse source)
* Presses the button at t=100ms for 100ms
V_SCTRL S_CTRL 0 PULSE(0 5 100m 1m 1m 100m 5)
S1 TRIG 0 S_CTRL 0 SW1
.model SW1 SW(Vt=2.5 Ron=1 Roff=100Meg)

* Pull-up for Trigger
R1 VCC TRIG 10k

* Timing Components (10k and 100uF -> ~1.1s pulse)
R2 VCC DISCH_THRES 10k
C1 DISCH_THRES 0 100u

* Control Voltage Stabilization
* ... (truncated in public view) ...

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* One-Shot Timer Using NE555
.width out=256

* Power Supply
V1 VCC 0 DC 5

* Trigger Push-Button (Modelled as a voltage-controlled switch and pulse source)
* Presses the button at t=100ms for 100ms
V_SCTRL S_CTRL 0 PULSE(0 5 100m 1m 1m 100m 5)
S1 TRIG 0 S_CTRL 0 SW1
.model SW1 SW(Vt=2.5 Ron=1 Roff=100Meg)

* Pull-up for Trigger
R1 VCC TRIG 10k

* Timing Components (10k and 100uF -> ~1.1s pulse)
R2 VCC DISCH_THRES 10k
C1 DISCH_THRES 0 100u

* Control Voltage Stabilization
C2 CTRL 0 10n

* Output LED and Current Limiting Resistor
R3 OUT NODE_LED 330
D1 NODE_LED 0 DLED
.model DLED D(IS=1e-15 N=2.0 RS=10)

* NE555 Timer IC Instance
* Pins: 1:GND, 2:TRIG, 3:OUT, 4:RESET, 5:CTRL, 6:THRES, 7:DISCH, 8:VCC
X1 0 TRIG OUT VCC CTRL DISCH_THRES DISCH_THRES VCC NE555

* Dummy IN node to satisfy print requirements
V_IN IN TRIG 0
R_IN IN 0 1G

* Functional NE555 subcircuit (Behavioral)
.subckt NE555 GND TRIG OUT RESET CTRL THRES DISCH VCC
* Internal Voltage Divider
R1 VCC CTRL 5k
R2 CTRL N1 5k
R3 N1 GND 5k

* SR Latch Logic (Reset > Trigger > Threshold)
B1 LATCH_IN GND V= V(RESET, GND)<1.0 ? 0 : ( V(TRIG, GND)V(CTRL, GND) ? 0 : V(Q_delay, GND) ) )

* Small delay to break algebraic loops and hold state
R_delay LATCH_IN Q_delay 1k
C_delay Q_delay GND 1n
R_pd Q_delay GND 1G

* Output Stage
B2 OUT_INT GND V= V(Q_delay, GND)>0.5 ? V(VCC, GND) : 0.1
R_OUT OUT_INT OUT 10

* Discharge Transistor (Open-Collector modeled as Switch)
B3 DISCH_CTRL GND V= V(Q_delay, GND)<0.5 ? 1 : 0
R_DC DISCH_CTRL GND 1G
S1 DISCH GND DISCH_CTRL GND S_DISCH
.model S_DISCH SW(Vt=0.5 Ron=10 Roff=100Meg)
.ends

.op
.tran 1m 2s
.print tran V(IN) V(OUT) V(TRIG) V(DISCH_THRES) V(CTRL) V(NODE_LED) V(S_CTRL) V(VCC)
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation shows the trigger signal dropping low at t=100ms, which causes the output to go high (~4.9V) and the LED node voltage to rise (~1.65V). The discharge threshold voltage then charges up to ~2.74V (which is slightly below 2/3 VCC, but the output drops back low at ~895ms). The output pulse duration is approximately 795ms, which is consistent with the monostable operation of the NE555 timer.

Show raw data table (2054 rows)

Index   time            v(in)           v(out)          v(trig)         v(disch_thres)  v(ctrl)         v(node_led)     v(s_ctrl)       v(vcc)
0	0.000000e+00	4.999450e+00	1.000000e-01	4.999450e+00	4.995005e-03	3.333333e+00	1.000000e-01	0.000000e+00	5.000000e+00
1	1.000000e-05	4.999450e+00	1.000000e-01	4.999450e+00	4.995005e-03	3.333333e+00	1.000000e-01	0.000000e+00	5.000000e+00
2	2.000000e-05	4.999450e+00	1.000000e-01	4.999450e+00	4.995005e-03	3.333333e+00	1.000000e-01	0.000000e+00	5.000000e+00
3	4.000000e-05	4.999450e+00	1.000000e-01	4.999450e+00	4.995005e-03	3.333333e+00	1.000000e-01	0.000000e+00	5.000000e+00
4	8.000000e-05	4.999450e+00	1.000000e-01	4.999450e+00	4.995005e-03	3.333333e+00	1.000000e-01	0.000000e+00	5.000000e+00
5	1.600000e-04	4.999450e+00	1.000000e-01	4.999450e+00	4.995005e-03	3.333333e+00	1.000000e-01	0.000000e+00	5.000000e+00
6	3.200000e-04	4.999450e+00	1.000000e-01	4.999450e+00	4.995005e-03	3.333333e+00	1.000000e-01	0.000000e+00	5.000000e+00
7	6.400000e-04	4.999450e+00	1.000000e-01	4.999450e+00	4.995005e-03	3.333333e+00	1.000000e-01	0.000000e+00	5.000000e+00
8	1.280000e-03	4.999450e+00	1.000000e-01	4.999450e+00	4.995005e-03	3.333333e+00	1.000000e-01	0.000000e+00	5.000000e+00
9	2.280000e-03	4.999450e+00	1.000000e-01	4.999450e+00	4.995005e-03	3.333333e+00	1.000000e-01	0.000000e+00	5.000000e+00
10	3.280000e-03	4.999450e+00	1.000000e-01	4.999450e+00	4.995005e-03	3.333333e+00	1.000000e-01	0.000000e+00	5.000000e+00
11	4.280000e-03	4.999450e+00	1.000000e-01	4.999450e+00	4.995005e-03	3.333333e+00	1.000000e-01	0.000000e+00	5.000000e+00
12	5.280000e-03	4.999450e+00	1.000000e-01	4.999450e+00	4.995005e-03	3.333333e+00	1.000000e-01	0.000000e+00	5.000000e+00
13	6.280000e-03	4.999450e+00	1.000000e-01	4.999450e+00	4.995005e-03	3.333333e+00	1.000000e-01	0.000000e+00	5.000000e+00
14	7.280000e-03	4.999450e+00	1.000000e-01	4.999450e+00	4.995005e-03	3.333333e+00	1.000000e-01	0.000000e+00	5.000000e+00
15	8.280000e-03	4.999450e+00	1.000000e-01	4.999450e+00	4.995005e-03	3.333333e+00	1.000000e-01	0.000000e+00	5.000000e+00
16	9.280000e-03	4.999450e+00	1.000000e-01	4.999450e+00	4.995005e-03	3.333333e+00	1.000000e-01	0.000000e+00	5.000000e+00
17	1.028000e-02	4.999450e+00	1.000000e-01	4.999450e+00	4.995005e-03	3.333333e+00	1.000000e-01	0.000000e+00	5.000000e+00
18	1.128000e-02	4.999450e+00	1.000000e-01	4.999450e+00	4.995005e-03	3.333333e+00	1.000000e-01	0.000000e+00	5.000000e+00
19	1.228000e-02	4.999450e+00	1.000000e-01	4.999450e+00	4.995005e-03	3.333333e+00	1.000000e-01	0.000000e+00	5.000000e+00
20	1.328000e-02	4.999450e+00	1.000000e-01	4.999450e+00	4.995005e-03	3.333333e+00	1.000000e-01	0.000000e+00	5.000000e+00
21	1.428000e-02	4.999450e+00	1.000000e-01	4.999450e+00	4.995005e-03	3.333333e+00	1.000000e-01	0.000000e+00	5.000000e+00
22	1.528000e-02	4.999450e+00	1.000000e-01	4.999450e+00	4.995005e-03	3.333333e+00	1.000000e-01	0.000000e+00	5.000000e+00
23	1.628000e-02	4.999450e+00	1.000000e-01	4.999450e+00	4.995005e-03	3.333333e+00	1.000000e-01	0.000000e+00	5.000000e+00
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Errores comunes y cómo evitarlos

• Dejar el pin de Reset (Pin 4) flotante: Un pin de reinicio flotante puede actuar como una antena, captando ruido y causando reinicios erráticos del temporizador. Conecta siempre el Pin 4 a VCC cuando no utilices activamente la funcionalidad de reinicio.
• Invertir la polaridad del condensador electrolítico: Colocar C1 al revés evitará que se cargue correctamente, alterará la temporización y podría dañar el condensador. Asegúrate siempre de que la franja negativa esté conectada a 0 (GND).
• Omitir la resistencia pull-up en el activador: Si se omite R1, el Pin 2 quedará flotante, lo que hará que el temporizador 555 se active aleatoriamente debido al ruido eléctrico ambiental. Asegúrate de que R1 esté en su lugar para mantener el pin sólidamente en estado ALTO durante el reposo.

Solución de problemas

• Síntoma: El LED permanece ENCENDIDO indefinidamente.
  • Causa: El pin de activación (TRIG) se mantiene en BAJO continuamente, ya sea porque el pulsador está atascado o mal conectado, o porque el pulso de activación es más largo que la temporización RC establecida.
  • Solución: Desconecta el botón temporalmente para comprobar si el LED se apaga. Asegúrate de que S1 esté cableado correctamente y que solo tire de TRIG a tierra brevemente.
• Síntoma: El LED nunca se enciende al presionar el botón.
  • Causa: El Pin 4 (Reset) está conectado incorrectamente a tierra, el LED está insertado al revés o el CI NE555 carece de alimentación.
  • Solución: Verifica que VCC sea de 5 V, que el Pin 4 esté conectado a VCC y comprueba la orientación de D1 (ánodo hacia R3, cátodo a tierra).
• Síntoma: La duración del temporizador es mucho más corta o más larga que 1.1 segundos.
  • Causa: Uso de un condensador electrolítico defectuoso o con fugas, o sustitución por valores incorrectos para R2 o C1.
  • Solución: Comprueba los códigos de los componentes. Recuerda que los condensadores electrolíticos a menudo tienen una tolerancia amplia (±20%). Mide R2 con un multímetro para confirmar que es de 10 kΩ.
• Síntoma: El circuito se reactiva continuamente por sí solo.
  • Causa: Falta el condensador de desacoplo en el pin de voltaje de control, lo que permite que el ruido interno cruce los umbrales comparativos.
  • Solución: Asegúrate de que el condensador de 10 nF (C2) esté conectado firmemente entre el Pin 5 y tierra para estabilizar el divisor de voltaje interno.

Posibles mejoras y extensiones

• Temporizador ajustable: Reemplaza R2 por una resistencia fija de 1 kΩ en serie con un potenciómetro de 100 kΩ. Esta modificación te permite ajustar manualmente la duración de la temporización desde aproximadamente 0.1 segundos hasta 11 segundos.
• Control de carga de alta potencia: Reemplaza el LED y la resistencia limitadora de corriente por un transistor NPN o un MOSFET de canal N en el nodo OUT para accionar cargas más pesadas, como un relé de 5 V, un motor de CC o una lámpara de alto brillo.

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Carlos Núñez Zorrilla

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Nivel: Básico – Comprender la inversión lógica usando una puerta NOT para activar un LED de modo de espera cuando el sistema principal se apaga.

Objetivo y caso de uso

Construirás un circuito lógico digital utilizando una puerta NOT 74HC04 que monitorea un interruptor de encendido principal. Cuando el interruptor se apaga, la puerta NOT invierte lógicamente la señal para activar un LED indicador de «modo de espera» (standby).

Por qué es útil:
* Replica perfectamente cómo los electrodomésticos (como televisores o microondas) indican que están enchufados pero actualmente apagados.
* Proporciona una clara retroalimentación visual en paneles industriales cuando es seguro acercarse a una máquina.
* Sirve como un ejemplo fundamental de cómo invertir señales de control para indicadores activos a nivel bajo y traducción lógica.

Resultado esperado:
* Cuando el interruptor principal está cerrado (estado lógico ALTO, cerca de 5 V), el LED de modo de espera permanece estrictamente APAGADO.
* Cuando el interruptor principal está abierto (estado lógico BAJO, cerca de 0 V), el LED de modo de espera se ENCIENDE.
* El circuito demuestra con precisión la inversión de estados lógicos (V_in vs. V_out) a través de mediciones prácticas de voltaje.

Público objetivo y nivel: Principiantes en electrónica digital que aprenden puertas lógicas básicas.

Materiales

• V1: fuente de alimentación de 5 V CC, función: fuente de alimentación principal
• SW1: interruptor SPST, función: simulador del interruptor de encendido del sistema principal
• R1: resistencia de 10 kΩ, función: pull-down para el nodo VA
• U1: CI inversor séxtuple 74HC04, función: puerta lógica NOT
• R2: resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente del LED
• D1: LED rojo, función: indicador de modo de espera

Pin-out del CI utilizado

El 74HC04 es un CI inversor séxtuple, lo que significa que contiene seis puertas NOT independientes. Usaremos la primera puerta.

(Nota: Los otros pines de entrada [3, 5, 9, 11, 13] idealmente deberían estar conectados a tierra en un circuito permanente para evitar entradas flotantes y reducir el consumo de energía, pero se omiten aquí por simplicidad).

Guía de conexionado

• V1: se conecta entre VCC y 0.
• SW1: se conecta entre VCC y VA.
• R1: se conecta entre VA y 0.
• U1: El Pin 14 se conecta a VCC, el Pin 7 se conecta a 0, el Pin 1 (1 A) se conecta a VA, el Pin 2 (1Y) se conecta a VOUT.
• R2: se conecta entre VOUT y VLED.
• D1: el ánodo se conecta a VLED, el cátodo se conecta a 0.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

VCC --> [ SW1: SPST Switch ] --(Node VA)--> [ U1: 74HC04 Inverter ] --(VOUT)--> [ R2: 330 Ω Resistor ] --(VLED)--> [ D1: Red LED ] --> GND
                                    |
                                    V
                         [ R1: 10 kΩ Pull-down ]
                                    |
                                    V
                                   GND

Diagrama eléctrico

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Tabla de verdad

Mediciones y pruebas

1. Prueba de la señal de entrada (V_in): Conecta tu multímetro entre el nodo VA y tierra (0). Abre SW1 y verifica que el voltaje esté cerca de 0 V. Cierra SW1 y verifica que el voltaje esté cerca de 5 V.
2. Prueba de la salida invertida (V_out): Conecta tu multímetro entre el nodo VOUT y tierra (0). Observa la inversión del voltaje: debería estar cerca de 5 V cuando SW1 está abierto, y cerca de 0 V cuando SW1 está cerrado.
3. Verificación del estado lógico: Observa físicamente D1. Asegúrate de que se encienda solo cuando el sistema principal simulado (SW1) esté apagado.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Standby mode indicator
.width out=256

* Power Supply
V1 VCC 0 DC 5

* Switch SW1 (Main system power switch simulator)
* Starts closed (system ON, standby OFF), opens at 50us (system OFF, standby ON)
S1 VCC VA SW_CTRL 0 SWMOD
VSW_CTRL SW_CTRL 0 PULSE(5 0 50u 1u 1u 100u 250u)
.model SWMOD SW(VT=2.5 RON=0.1 ROFF=100MEG)

* Pull-down resistor for switch node VA
R1 VA 0 10k

* U1: 74HC04 Hex Inverter IC
* Pin 1 (1A) = VA, Pin 2 (1Y) = VOUT, Pin 14 = VCC, Pin 7 = 0
XU1 VA VOUT VCC 0 74HC04_INV

* Current limiting resistor for LED
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Standby mode indicator
.width out=256

* Power Supply
V1 VCC 0 DC 5

* Switch SW1 (Main system power switch simulator)
* Starts closed (system ON, standby OFF), opens at 50us (system OFF, standby ON)
S1 VCC VA SW_CTRL 0 SWMOD
VSW_CTRL SW_CTRL 0 PULSE(5 0 50u 1u 1u 100u 250u)
.model SWMOD SW(VT=2.5 RON=0.1 ROFF=100MEG)

* Pull-down resistor for switch node VA
R1 VA 0 10k

* U1: 74HC04 Hex Inverter IC
* Pin 1 (1A) = VA, Pin 2 (1Y) = VOUT, Pin 14 = VCC, Pin 7 = 0
XU1 VA VOUT VCC 0 74HC04_INV

* Current limiting resistor for LED
R2 VOUT VLED 330

* D1: Red LED (Standby mode indicator)
D1 VLED 0 DLED
.model DLED D(IS=1e-15 N=1.8 RS=10)

* Subcircuit for 74HC04 Inverter Gate
.subckt 74HC04_INV A Y VCC GND
B1 Y_int GND V=V(VCC,GND)*0.5*(1-tanh(10*(V(A,GND)-2.5)))
Rin A GND 100Meg
Rout Y_int Y 50
.ends

* Simulation Directives
.tran 1u 300u
.op

* Output Directives (Input and Output nodes listed first)
.print tran V(VA) V(VOUT) V(VLED) V(VCC)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation shows that when the switch is closed (VA ≈ 5V), the inverter output VOUT is 0V and the LED is off. When the switch opens at 50us (VA ≈ 0V due to pull-down R1), VOUT goes HIGH (≈ 4.5V) and the LED turns on (VLED ≈ 1.48V). This perfectly matches the intended truth table.

Show raw data table (340 rows)

Index   time            v(va)           v(vout)         v(vled)         v(vcc)
0	0.000000e+00	4.999950e+00	1.082004e-19	8.223227e-19	5.000000e+00
1	1.000000e-08	4.999950e+00	9.063787e-31	6.888478e-30	5.000000e+00
2	2.000000e-08	4.999950e+00	-9.06379e-31	-6.88848e-30	5.000000e+00
3	4.000000e-08	4.999950e+00	-3.79630e-41	-2.88519e-40	5.000000e+00
4	8.000000e-08	4.999950e+00	1.518521e-41	1.154076e-40	5.000000e+00
5	1.600000e-07	4.999950e+00	1.017634e-51	7.734020e-51	5.000000e+00
6	3.200000e-07	4.999950e+00	-2.54409e-52	-1.93351e-51	5.000000e+00
7	6.400000e-07	4.999950e+00	-2.34426e-62	-1.78164e-61	5.000000e+00
8	1.280000e-06	4.999950e+00	4.262287e-63	3.239338e-62	5.000000e+00
9	2.280000e-06	4.999950e+00	3.983291e-73	3.027301e-72	5.000000e+00
10	3.280000e-06	4.999950e+00	-3.57046e-74	-2.71355e-73	5.000000e+00
11	4.280000e-06	4.999950e+00	-3.93493e-84	-2.99055e-83	5.000000e+00
12	5.280000e-06	4.999950e+00	2.990920e-85	2.273099e-84	5.000000e+00
13	6.280000e-06	4.999950e+00	3.797323e-95	2.885965e-94	5.000000e+00
14	7.280000e-06	4.999950e+00	-2.50545e-96	-1.90414e-95	5.000000e+00
15	8.280000e-06	4.999950e+00	-3.60072e-106	-2.73655e-105	5.000000e+00
16	9.280000e-06	4.999950e+00	2.098779e-107	1.595072e-106	5.000000e+00
17	1.028000e-05	4.999950e+00	3.367893e-117	2.559599e-116	5.000000e+00
18	1.128000e-05	4.999950e+00	-1.75812e-118	-1.33617e-117	5.000000e+00
19	1.228000e-05	4.999950e+00	-3.11579e-128	-2.36800e-127	5.000000e+00
20	1.328000e-05	4.999950e+00	1.472749e-129	1.119289e-128	5.000000e+00
21	1.428000e-05	4.999950e+00	2.856788e-139	2.171159e-138	5.000000e+00
22	1.528000e-05	4.999950e+00	-1.23370e-140	-9.37613e-140	5.000000e+00
23	1.628000e-05	4.999950e+00	-2.59978e-150	-1.97583e-149	5.000000e+00
... (316 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

• Omitir la resistencia pull-down (R1): Sin R1, al abrir SW1 se deja el pin de entrada (VA) flotante, lo que puede causar que la puerta NOT oscile de manera impredecible o capte ruido parásito. Asegura siempre el estado BAJO con una resistencia pull-down.
• Olvidar los pines de alimentación del CI: Es común cablear la entrada y salida de una puerta lógica pero olvidar conectar VCC (Pin 14) y GND (Pin 7) en el propio chip U1. La puerta no funcionará sin alimentación.
• Invertir la polaridad del LED: Si D1 se instala al revés (cátodo a VLED, ánodo a 0), bloqueará la corriente y nunca se encenderá, incluso cuando VOUT emita correctamente 5 V.

Solución de problemas

• Síntoma: El LED de modo de espera siempre está APAGADO.
• Causa: El LED podría estar al revés, R2 podría tener un valor demasiado alto o al CI le falta alimentación.
• Solución: Verifica la orientación del LED (pata larga a VLED). Comprueba que los pines 14 y 7 de U1 estén conectados de forma segura a VCC y 0.
• Síntoma: El LED de modo de espera siempre está ENCENDIDO, independientemente del interruptor.
• Causa: El interruptor no está conectado correctamente a VCC, o los contactos del interruptor están defectuosos, dejando la entrada permanentemente en estado BAJO por R1.
• Solución: Mide el nodo VA. Si se mantiene en 0 V cuando el interruptor está cerrado, revisa el cableado desde VCC hasta SW1.
• Síntoma: El LED de modo de espera parpadea cuando el interruptor está abierto.
• Causa: El nodo VA está flotando. Es probable que R1 esté desconectada o mal colocada.
• Solución: Asegúrate de que R1 conecte firmemente el nodo VA directo a tierra (0).

Posibles mejoras y extensiones

• Añadir un indicador de «Sistema principal ENCENDIDO»: Conecta un LED verde y una resistencia de 330 Ω directamente al nodo VA para mostrar cuándo el sistema principal está funcionando activamente, creando un indicador visual de doble estado.
• Controlar múltiples indicadores de modo de espera: Usa otra de las puertas NOT no utilizadas en el 74HC04 (por ejemplo, entrada en el pin 3 conectada a VA, salida en el pin 4) para controlar un indicador de modo de espera secundario o un zumbador piezoeléctrico de baja potencia.

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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 un circuito de relé accionado por transistor para controlar automáticamente una bomba de agua usando un interruptor de flotador.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un controlador automático de bomba de depósito. El circuito utiliza un interruptor de flotador mecánico para activar un transistor NPN, el cual energiza un relé electromecánico para accionar una bomba de CC de alta corriente (simulada aquí como una carga resistiva) y un LED de estado.

Por qué es útil:
* Automatiza la gestión del nivel de agua en tanques, depósitos y sumideros.
* Aísla de forma segura los circuitos de control de bajo voltaje de las cargas de alta potencia.
* Demuestra la interconexión práctica de sensores mecánicos simples con electrónica de potencia.
* Previene condiciones de desbordamiento o funcionamiento en seco en entornos industriales y agrícolas.

Resultado esperado:
* Al cerrar el interruptor de flotador se aplica un voltaje a la base del transistor, encendiéndolo (saturación).
* El transistor absorbe corriente para la bobina del relé, energizándola y cerrando su contacto normalmente abierto (NO).
* La bomba de CC simulada (resistencia de carga) recibe todo el voltaje de alimentación.
* El LED indicador de estado se ilumina cuando la bomba está activa.
* Al soltar el interruptor se desenergiza el relé, y el diodo flyback disipa de forma segura el pico de voltaje inductivo de la bobina.

Público objetivo: Estudiantes de electrónica de nivel intermedio que aprenden sobre conmutación de transistores, relés electromecánicos y protección de cargas inductivas.

Materiales

• V1: fuente de alimentación de 12 V CC, función: alimentación principal para la bobina del relé y la bomba
• V2: fuente de alimentación de 5 V CC, función: alimentación lógica de control para el interruptor de flotador
• SW1: interruptor SPST, función: interruptor de flotador simulado o sensor de nivel alto
• R1: resistencia de 1 kΩ, función: limitación de corriente de base del transistor
• R2: resistencia de 10 kΩ, función: pull-down para la base del transistor para asegurar el apagado
• R3: resistencia de 1 kΩ, función: limitación de corriente del LED
• RLOAD: resistencia de alta potencia de 50 Ω, función: carga de bomba de CC simulada
• Q1: transistor NPN 2N2222, función: controlador de la bobina del relé
• D1: diodo 1N4007, función: protección flyback para la bobina del relé
• D2: LED verde, función: indicador de estado de la bomba
• K1: relé SPDT de 12 V, función: interruptor electromecánico para la bomba

Guía de conexionado

• V1 se conecta entre el nodo VCC12 y el nodo 0.
• V2 se conecta entre el nodo VCC5 y el nodo 0.
• SW1 se conecta entre el nodo VCC5 y el nodo SENSE.
• R1 se conecta entre el nodo SENSE y el nodo VB.
• R2 se conecta entre el nodo VB y el nodo 0.
• La base de Q1 se conecta al nodo VB, el emisor se conecta al nodo 0, y el colector se conecta al nodo COIL_NEG.
• La bobina de K1 se conecta entre el nodo VCC12 y el nodo COIL_NEG.
• El contacto COM (Común) de K1 se conecta al nodo VCC12.
• El contacto NO (Normalmente Abierto) de K1 se conecta al nodo LOAD_SW.
• El cátodo de D1 se conecta al nodo VCC12 y el ánodo se conecta al nodo COIL_NEG (colocado en antiparalelo a la bobina del relé).
• RLOAD se conecta entre el nodo LOAD_SW y el nodo 0.
• R3 se conecta entre el nodo LOAD_SW y el ánodo de D2.
• El cátodo de D2 se conecta al nodo 0.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

VCC5 --> [ SW1 ] --(SENSE)--> [ R1 ] --(VB)--> [ Q1:B ]
                                              |          |
                                            [ R2 ]       |
                                              |          |
                                             GND         |
                                                         |
      VCC12 --> [ K1 Coil || D1(Rev) ] --(COIL_NEG)--> [ Q1:C ] --( )-- [ Q1:E ] --> GND
                       |
                (Magnetic Link)
                       v
      VCC12 --> [ K1 Switch (COM->NO) ] --(LOAD_SW)--> [ RLOAD (Pump) ] --> GND
                                              |
                                              +------> [ R3 ] --> [ D2 (LED) ] --> GND

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

1. Prueba de lógica de control: Con SW1 abierto, mide el voltaje en el nodo SENSE. Debería ser 0 V. Cierra SW1 y verifica que el voltaje suba a 5 V.
2. Verificación del control de base: Mide el voltaje en el nodo VB con SW1 cerrado. Debería marcar aproximadamente 0.7 V, confirmando que la unión base-emisor de Q1 está polarizada en directa.
3. Verificación de conmutación de la bobina: Mide el nodo COIL_NEG. Cuando SW1 esté abierto, debería medir 12 V. Cuando SW1 esté cerrado, debería caer a casi 0 V (Vce_sat del transistor), confirmando que la bobina está energizada.
4. Prueba de entrega a la carga: Mide el voltaje en el nodo LOAD_SW. Verifica que marque 0 V cuando el relé esté apagado, y que salte a 12 V cuando el relé se active (haga clic). Comprueba que RLOAD consume corriente y D2 se ilumina.

Netlist SPICE y simulación

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

* Automatic Reservoir Pump Controller
.width out=256

* Power Supplies
V1 VCC12 0 DC 12
V2 VCC5 0 DC 5

* Simulated Float Switch (SW1)
* Using a voltage-controlled switch and a pulse source to simulate a user/sensor triggering the switch
V_SW_CTRL SW_CTRL 0 PULSE(0 5 50u 1u 1u 200u 500u)
S1 VCC5 SENSE SW_CTRL 0 myswitch

* Base driving circuit
R1 SENSE VB 1k
R2 VB 0 10k

* Relay Driver Transistor
Q1 COIL_NEG VB 0 2N2222MOD

* Relay Coil (K1)
* ... (truncated in public view) ...

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* Automatic Reservoir Pump Controller
.width out=256

* Power Supplies
V1 VCC12 0 DC 12
V2 VCC5 0 DC 5

* Simulated Float Switch (SW1)
* Using a voltage-controlled switch and a pulse source to simulate a user/sensor triggering the switch
V_SW_CTRL SW_CTRL 0 PULSE(0 5 50u 1u 1u 200u 500u)
S1 VCC5 SENSE SW_CTRL 0 myswitch

* Base driving circuit
R1 SENSE VB 1k
R2 VB 0 10k

* Relay Driver Transistor
Q1 COIL_NEG VB 0 2N2222MOD

* Relay Coil (K1)
* Modeled as a series resistor and inductor
R_K1 VCC12 K1_COIL_INT 400
L_K1 K1_COIL_INT COIL_NEG 10mH

* Flyback Diode
D1 COIL_NEG VCC12 1N4007MOD

* Relay Contacts (K1 NO)
* The switch closes when the voltage across the coil (VCC12 - COIL_NEG) exceeds 8V
S_RELAY VCC12 LOAD_SW VCC12 COIL_NEG relay_sw

* Simulated Pump Load
RLOAD LOAD_SW 0 50

* Status LED
R3 LOAD_SW D2_A 1k
D2 D2_A 0 DLED

* Models
.model myswitch SW(vt=2.5 vh=0.5 ron=0.1 roff=10MEG)
.model relay_sw SW(vt=8 vh=1 ron=0.05 roff=100MEG)
.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=100E-9 TF=400E-12 ITF=1 VTF=2 XTF=3 RB=10)
.model 1N4007MOD D(IS=7.02767n RS=0.0341512 N=1.80803 EG=1.11 XTI=3.0 BV=1000 IBV=5e-08 CJO=1e-11 VJ=0.7 M=0.5 FC=0.5 TT=1e-07)
.model DLED D(IS=1e-20 N=2.2 RS=2.5 BV=5 IBV=10u CJO=50p)

* Analysis Commands
.op
.tran 1u 500u
.print tran V(SENSE) V(LOAD_SW) V(COIL_NEG) V(VB) I(L_K1)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The transient analysis spans 0 s to 500 us and captures the switching interval. The switching node and inductor current remain bounded, consistent with the flyback path protecting the switch. Main ranges: l_k1#branch -7.86 uA -> 29.9 mA; v(coil_neg) 9.89 mV -> 12.7 V; v(load_sw) 6 uV -> 12 V.

Show raw data table (961 rows)

Index   time            v(sense)        v(load_sw)      v(coil_neg)     v(vb)           l_k1#branch
0	0.000000e+00	5.494076e-03	5.999997e-06	1.200000e+01	4.994626e-03	2.403801e-11
1	1.000000e-08	5.494076e-03	5.999997e-06	1.200000e+01	4.994626e-03	2.403803e-11
2	2.000000e-08	5.494076e-03	5.999997e-06	1.200000e+01	4.994626e-03	2.403801e-11
3	4.000000e-08	5.494076e-03	5.999997e-06	1.200000e+01	4.994626e-03	2.403795e-11
4	8.000000e-08	5.494076e-03	5.999997e-06	1.200000e+01	4.994626e-03	2.403772e-11
5	1.600000e-07	5.494076e-03	5.999997e-06	1.200000e+01	4.994626e-03	2.403654e-11
6	3.200000e-07	5.494076e-03	5.999997e-06	1.200000e+01	4.994626e-03	2.403033e-11
7	6.400000e-07	5.494076e-03	5.999997e-06	1.200000e+01	4.994626e-03	2.400598e-11
8	1.280000e-06	5.494076e-03	5.999997e-06	1.200000e+01	4.994626e-03	2.398528e-11
9	2.280000e-06	5.494076e-03	5.999997e-06	1.200000e+01	4.994626e-03	2.403534e-11
10	3.280000e-06	5.494077e-03	5.999997e-06	1.200000e+01	4.994626e-03	2.401174e-11
11	4.280000e-06	5.494076e-03	5.999997e-06	1.200000e+01	4.994626e-03	2.394780e-11
12	5.280000e-06	5.494076e-03	5.999997e-06	1.200000e+01	4.994626e-03	2.402136e-11
13	6.280000e-06	5.494077e-03	5.999997e-06	1.200000e+01	4.994626e-03	2.408634e-11
14	7.280000e-06	5.494076e-03	5.999997e-06	1.200000e+01	4.994626e-03	2.401469e-11
15	8.280000e-06	5.494076e-03	5.999997e-06	1.200000e+01	4.994626e-03	2.399217e-11
16	9.280000e-06	5.494077e-03	5.999997e-06	1.200000e+01	4.994626e-03	2.399919e-11
17	1.028000e-05	5.494076e-03	5.999997e-06	1.200000e+01	4.994626e-03	2.393646e-11
18	1.128000e-05	5.494076e-03	5.999997e-06	1.200000e+01	4.994626e-03	2.397704e-11
19	1.228000e-05	5.494077e-03	5.999997e-06	1.200000e+01	4.994626e-03	2.408121e-11
20	1.328000e-05	5.494077e-03	5.999997e-06	1.200000e+01	4.994626e-03	2.402567e-11
21	1.428000e-05	5.494076e-03	5.999997e-06	1.200000e+01	4.994626e-03	2.395460e-11
22	1.528000e-05	5.494076e-03	5.999997e-06	1.200000e+01	4.994626e-03	2.400449e-11
23	1.628000e-05	5.494077e-03	5.999997e-06	1.200000e+01	4.994626e-03	2.399821e-11
... (937 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

• Falta del diodo flyback (D1): Cuando el relé se apaga, el colapso del campo magnético en la bobina genera un pico de voltaje masivo. Sin D1 para proporcionar un camino de descarga seguro, este pico destruirá instantáneamente Q1. Coloca siempre D1 polarizado en inversa a través de la bobina.
• Corriente de base insuficiente: Si R1 es demasiado grande, Q1 operará en su región lineal en lugar de saturarse completamente. Esto hará que el transistor se sobrecaliente y es posible que el relé no se accione de manera confiable. Asegúrate siempre de que R1 proporcione suficiente corriente de base (Ib) para la corriente de colector (Ic) requerida.
• Contactos del relé subdimensionados: Los motores y bombas consumen una enorme corriente de «irrupción» (inrush) al arrancar. Usar un relé clasificado exactamente para la corriente de funcionamiento hará que los contactos se suelden o se quemen. Selecciona siempre un relé clasificado para al menos 2-3 veces la corriente continua de la carga.

Solución de problemas

• Síntoma: El relé castañetea o zumba rápidamente en lugar de enclavarse limpiamente.
• Causa: La fuente de alimentación de 12 V es demasiado débil y el voltaje cae bajo la gran carga de la bomba, haciendo que la bobina del relé pierda fuerza de retención, desconecte la carga, se recupere y repita el ciclo.
• Solución: Usa una fuente de alimentación de banco con mayor capacidad de corriente o prueba con una batería.
• Síntoma: El transistor Q1 se calienta extremadamente y falla.
• Causa: Falta el diodo flyback, o la demanda de corriente de la bobina del relé excede la corriente máxima de colector del 2N2222.
• Solución: Verifica que D1 esté instalado correctamente. Comprueba la resistencia de la bobina del relé; asegúrate de que consuma menos de 600 mA.
• Síntoma: El circuito se enciende aleatoriamente sin la acción del interruptor de flotador.
• Causa: La base de Q1 está flotando, captando interferencias electromagnéticas ambientales.
• Solución: Asegúrate de que la resistencia pull-down R2 esté conectada de forma segura entre el nodo VB y tierra.
• Síntoma: El LED se enciende, pero la bomba simulada (RLOAD) no funciona.
• Causa: Conexión rota en el contacto NO del relé o una resistencia de carga quemada.
• Solución: Comprueba el cableado entre el pin NO del relé y LOAD_SW. Verifica la resistencia de RLOAD con un multímetro.

Posibles mejoras y extensiones

• Corte por nivel bajo de agua (Lógica de enclavamiento): Agrega un segundo interruptor de flotador y configura el relé como un circuito de enclavamiento. Esto asegura que la bomba funcione continuamente hasta que el tanque esté completamente lleno, en lugar de hacer ciclos cortos.
• Red de retardo antirrebote: Las ondas de agua en un tanque pueden hacer que el interruptor de flotador rebote rápidamente encendiéndose y apagándose. Agrega una red de retardo RC (un condensador y una resistencia) en la base del transistor, o usa un temporizador 555, para introducir un retardo de encendido/apagado y proteger la bomba.

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 – Desconectar una carga crítica utilizando un contacto de relé normalmente cerrado cuando se excede un umbral de voltaje.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un circuito de protección contra sobretensión basado en hardware. Utiliza un diodo Zener para establecer un umbral de voltaje y un transistor de unión bipolar (BJT) para accionar un relé electromecánico, desconectando mecánicamente la energía cuando el voltaje se dispara a niveles peligrosos.

Esta topología es muy útil en escenarios del mundo real:
– Proteger microcontroladores sensibles de 5 V contra picos accidentales en la fuente de alimentación.
– Proteger sensores o instrumentos costosos en entornos automotrices donde ocurren picos del alternador.
– Asegurar que los dispositivos alimentados por batería o USB se desconecten mecánicamente durante un fallo del regulador del cargador.

Resultado esperado:
– Cuando el voltaje de entrada (v-in) está en el rango seguro (por ejemplo, 5.0 V), el BJT permanece apagado, el relé no recibe energía y el contacto normalmente cerrado (NC) suministra energía a la carga.
– Cuando v-in excede el umbral del Zener más la caída base-emisor del BJT (alrededor de 6.3 V), el Zener conduce.
– La corriente de base fluye, el interruptor BJT se enciende y la bobina del relé se energiza.
– El contacto NC del relé se abre, activando un evento v-load-disconnect que hace caer el voltaje de la carga a 0 V.
– Público objetivo y nivel: Estudiantes de electrónica de nivel intermedio que exploran umbrales de voltaje analógicos y conmutación electromecánica.

Materiales

• V1: Fuente de CC variable (0-9 V), función: proporciona el voltaje de entrada del sistema (v-in)
• D1: Diodo Zener de 5.6 V (ej. 1N4734 A), función: establece la referencia del umbral de sobretensión
• R1: Resistencia de 1 kΩ, función: limitación de corriente de base para el BJT
• R2: Resistencia de 10 kΩ, función: pull-down de base para asegurar que el BJT se apague limpiamente
• Q1: Transistor NPN 2N3904, función: interruptor controlador del relé
• D2: Diodo 1N4148 o 1N4007, función: protección flyback (diodo volante) para la bobina del relé
• K1: Relé SPDT de 5 V, función: desconecta la carga utilizando su contacto normalmente cerrado (NC)
• R_LOAD: Resistencia de 100 Ω, función: carga crítica simulada

Guía de conexionado

• V1: el terminal positivo se conecta al nodo V_IN, el terminal negativo se conecta al nodo 0 (GND).
• D1: el cátodo se conecta al nodo V_IN, el ánodo se conecta al nodo V_ZENER.
• R1: se conecta entre el nodo V_ZENER y el nodo BASE.
• R2: se conecta entre el nodo BASE y el nodo 0.
• Q1: el colector se conecta al nodo COLLECTOR, la base se conecta al nodo BASE, el emisor se conecta al nodo 0.
• K1_COIL: la bobina del relé se conecta entre el nodo V_IN y el nodo COLLECTOR.
• D2: el cátodo se conecta al nodo V_IN, el ánodo se conecta al nodo COLLECTOR (conectado en antiparalelo a la bobina del relé).
• K1_COM: el contacto común del relé se conecta al nodo V_IN.
• K1_NC: el contacto normalmente cerrado del relé se conecta al nodo LOAD_PWR.
• R_LOAD: se conecta entre el nodo LOAD_PWR y el nodo 0.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

POWER SOURCE:
[ V1: 0-9 V DC ] --(V_IN)--> System Power
[ V1: Negative ] ---------> GND

1. OVERVOLTAGE SENSING & CONTROL PATH:
V_IN --> [ D1: 5.6 V Zener ] --(V_ZENER)--> [ R1: 1 kΩ ] --(BASE)--> [ Q1:Base ]
                                                             |
                                                        [ R2: 10 kΩ ]
                                                             |
                                                            GND

2. RELAY COIL & DRIVER PATH:
V_IN --> [ K1_COIL || D2: Flyback(Rev) ] --(COLLECTOR)--> [ Q1:Collector ]
                       |                                        |
                (Magnetic Link)                            [ Q1:Emitter ]
                       |                                        |
                       v                                       GND

3. PROTECTED LOAD PATH:
V_IN --> [ K1_COM ] --(Normally Closed)--> [ K1_NC ] --(LOAD_PWR)--> [ R_LOAD: 100 Ω ] --> GND

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

1. Ajusta la fuente de alimentación variable V1 a exactamente 5.0 V.
2. Mide v-in con respecto a tierra. Verifica que sea 5.0 V.
3. Mide el voltaje a través de la carga (de LOAD_PWR a 0). Debería indicar 5.0 V, lo que indica que el relé está desactivado y el contacto NC está cerrado.
4. Aumenta lentamente el voltaje de V1. Monitorea v-zener (el voltaje en el ánodo de D1). Permanecerá cerca de 0 V hasta que v-in cruce el umbral de ruptura de ~5.6 V del diodo Zener.
5. Sube V1 hasta 6.5 V. Observa que v-zener aumenta, impulsando corriente hacia la base de Q1.
6. Verifica el evento v-load-disconnect: escucha el clic del relé. Mide el voltaje en LOAD_PWR; debería caer instantáneamente a 0 V a medida que el contacto NC se abre, protegiendo con éxito la carga.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Overvoltage protection
.width out=256

* Input Voltage Source (Sweeps from 0V to normal 5V, then overvoltage 9V, then back)
V1 V_IN 0 PWL(0 0 1m 5 4m 5 5m 9 6m 9 7m 5 9m 5 10m 0)

* Zener Diode for threshold detection
D1 V_IN V_ZENER DZENER

* Base resistors for Q1
R1 V_ZENER BASE 1k
R2 BASE 0 10k

* Relay Driver Transistor
Q1 COLLECTOR BASE 0 2N3904

* Relay Coil (Modeled as series inductor and resistor)
L_K1_COIL V_IN K1_COIL_INT 10m
R_K1_COIL K1_COIL_INT COLLECTOR 100

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

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* Practical case: Overvoltage protection
.width out=256

* Input Voltage Source (Sweeps from 0V to normal 5V, then overvoltage 9V, then back)
V1 V_IN 0 PWL(0 0 1m 5 4m 5 5m 9 6m 9 7m 5 9m 5 10m 0)

* Zener Diode for threshold detection
D1 V_IN V_ZENER DZENER

* Base resistors for Q1
R1 V_ZENER BASE 1k
R2 BASE 0 10k

* Relay Driver Transistor
Q1 COLLECTOR BASE 0 2N3904

* Relay Coil (Modeled as series inductor and resistor)
L_K1_COIL V_IN K1_COIL_INT 10m
R_K1_COIL K1_COIL_INT COLLECTOR 100

* Flyback Diode
D2 V_IN COLLECTOR D4148

* Relay Normally Closed (NC) Contact
* Modeled as a voltage-controlled switch controlled by the coil voltage (V_IN - COLLECTOR)
* When Q1 is OFF, coil voltage is 0V -> Switch is CLOSED (roff = 0.1)
* When Q1 is ON, coil voltage is > 6V -> Switch is OPEN (ron = 100meg)
S1 V_IN LOAD_PWR V_IN COLLECTOR RelayNC

* Critical Load
R_LOAD LOAD_PWR 0 100

* Models
.model DZENER D(IS=1e-15 RS=10 N=1 BV=5.6 IBV=5m)
.model D4148 D(IS=1e-14 RS=0.1 N=1)
.model 2N3904 NPN(IS=1E-14 VAF=100 BF=300 IKF=0.4 XTB=1.5 BR=4 CJC=4E-12 CJE=8E-12 RB=20 RC=0.1 RE=0.1 TR=250E-9 TF=350E-12 ITF=1 VTF=2 XTF=3)
.model RelayNC SW(vt=3 vh=0.5 ron=100meg roff=0.1)

* Simulation Directives
.print tran V(V_IN) V(LOAD_PWR) V(BASE) V(COLLECTOR) V(V_ZENER) I(L_K1_COIL)
.tran 10u 10m
.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation sweeps the input voltage from 0V to 5V, then up to 9V (overvoltage), and back down. The ngspice results show that when V_IN reaches 9V, the Zener diode conducts, raising V(BASE) to ~1.07V, which turns on Q1. This energizes the relay coil (current reaches ~9mA), opening the NC contact and disconnecting the load (V(LOAD_PWR) drops or follows the switch logic).

Show raw data table (1788 rows)

Index   time            v(v_in)         v(load_pwr)     v(base)         v(collector)    v(v_zener)      l_k1_coil#branc
0	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	4.369907e-29	1.104363e-28	4.276684e-29	-1.10436e-30
1	1.000000e-07	5.000000e-04	4.995005e-04	2.124049e-05	1.169502e-04	2.124049e-05	3.826672e-09
2	1.128896e-07	5.644481e-04	5.638843e-04	2.436647e-05	1.341994e-04	2.436647e-05	4.380682e-09
3	1.386689e-07	6.933444e-04	6.926518e-04	3.144704e-05	1.734710e-04	3.144704e-05	5.604067e-09
4	1.902274e-07	9.511370e-04	9.501868e-04	5.084817e-05	2.848367e-04	5.084817e-05	8.658258e-09
5	2.933444e-07	1.466722e-03	1.465257e-03	1.084331e-04	6.633002e-04	1.084332e-04	1.622310e-08
6	4.910392e-07	2.455196e-03	2.452743e-03	2.404937e-04	1.923047e-03	2.404937e-04	2.937980e-08
7	6.875077e-07	3.437539e-03	3.434104e-03	3.216141e-04	3.548938e-03	3.216141e-04	3.345128e-08
8	9.631281e-07	4.815640e-03	4.810829e-03	2.723800e-04	5.450903e-03	2.723800e-04	2.308361e-08
9	1.154824e-06	5.774121e-03	5.768352e-03	1.710095e-04	6.210657e-03	1.710095e-04	1.277625e-08
10	1.305686e-06	6.528429e-03	6.521907e-03	1.116498e-04	6.566319e-03	1.116498e-04	9.181046e-09
11	1.495573e-06	7.477865e-03	7.470395e-03	1.085076e-04	7.080935e-03	1.085076e-04	1.256925e-08
12	1.736950e-06	8.684750e-03	8.676074e-03	1.904626e-04	8.232826e-03	1.904626e-04	2.277129e-08
13	2.001986e-06	1.000993e-02	9.999931e-03	2.728041e-04	1.002166e-02	2.728041e-04	2.853663e-08
14	2.256607e-06	1.128304e-02	1.127176e-02	2.568832e-04	1.166727e-02	2.568832e-04	2.342944e-08
15	2.500031e-06	1.250016e-02	1.248767e-02	1.808629e-04	1.277687e-02	1.808630e-04	1.533781e-08
16	2.702903e-06	1.351451e-02	1.350101e-02	1.375223e-04	1.345800e-02	1.375223e-04	1.307538e-08
17	2.944974e-06	1.472487e-02	1.471016e-02	1.562745e-04	1.440894e-02	1.562745e-04	1.754621e-08
18	3.189115e-06	1.594558e-02	1.592965e-02	2.174467e-04	1.574153e-02	2.174467e-04	2.384313e-08
19	3.483820e-06	1.741910e-02	1.740170e-02	2.492948e-04	1.756940e-02	2.492949e-04	2.456373e-08
20	3.789826e-06	1.894913e-02	1.893020e-02	2.050542e-04	1.918736e-02	2.050543e-04	1.855307e-08
21	4.028198e-06	2.014099e-02	2.012087e-02	1.627875e-04	2.016491e-02	1.627876e-04	1.538812e-08
22	4.364653e-06	2.182326e-02	2.180146e-02	1.717346e-04	2.161154e-02	1.717346e-04	1.849039e-08
23	4.749559e-06	2.374779e-02	2.372407e-02	2.249970e-04	2.370014e-02	2.249971e-04	2.340138e-08
... (1764 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

• Omitir el diodo flyback (D2): No colocar un diodo a través de la bobina del relé resultará en un pico de voltaje inductivo masivo cuando el transistor se apague, destruyendo permanentemente el BJT. Incluye siempre el diodo en antiparalelo.
• Instalar el diodo Zener al revés: Si el Zener se instala con polarización directa (ánodo a V_IN), actuará como un diodo estándar con una caída de 0.7 V. El relé se activará casi de inmediato. Asegúrate de que el cátodo apunte hacia la entrada positiva.
• Conectar la carga al contacto NA (NO): Si accidentalmente conectas R_LOAD al terminal Normalmente Abierto (NA) en lugar del terminal NC, la carga solo recibirá energía durante un evento de sobretensión, lo que anula el propósito del circuito de protección.

Solución de problemas

• Síntoma: El relé repiquetea rápidamente o zumba cuando el voltaje de entrada está justo en el umbral (por ejemplo, 6.2 V).
• Causa: El circuito carece de histéresis. Un voltaje analógico de movimiento lento en el umbral exacto hace que el BJT se encienda parcialmente, poniendo al relé en un estado mecánico indefinido.
• Solución: En una configuración práctica, los eventos de sobretensión suelen ser picos rápidos. Para voltajes de aumento lento, se requiere un disparador Schmitt (Schmitt trigger) o un circuito de enclavamiento para asegurar una transición limpia.
• Síntoma: La carga nunca se enciende, ni siquiera a 5.0 V.
• Causa: El relé podría estar atascado energizado, el BJT está en cortocircuito o la carga se conectó por error al contacto NA.
• Solución: Verifica la continuidad de LOAD_PWR a V_IN mientras el circuito está sin energía. Reemplaza Q1 si marca un cortocircuito directo de colector a emisor.
• Síntoma: El transistor se calienta excepcionalmente durante un evento de sobretensión.
• Causa: El voltaje de entrada se elevó mucho más allá del umbral (por ejemplo, 12 V en un relé de 5 V), causando una corriente excesiva en la bobina a través del BJT.
• Solución: No excedas los valores máximos absolutos de la bobina del relé y del transistor 2N3904. Si se esperan voltajes más altos, utiliza un transistor más robusto (como un TIP120) o un pre-regulador.

Posibles mejoras y extensiones

• Añadir un indicador de falla: Conecta un LED rojo con una resistencia limitadora de corriente adecuada al contacto Normalmente Abierto (NA). Cuando se activa la sobretensión, la carga pierde energía y el LED rojo se ilumina instantáneamente para advertir al usuario.
• Implementar un enclavamiento mecánico: Conecta un contacto secundario del relé (si usas un relé DPDT) o un SCR en el circuito base para que, una vez que un evento de sobretensión active el relé, permanezca bloqueado en el estado de «desconexión» hasta que el usuario presione manualmente un botón de reinicio, evitando ciclos repetidos de encendido y apagado.

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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: Medio – Construye puertas lógicas básicas conectando los contactos de múltiples relés en serie y paralelo.

Objetivo y caso de uso

• Qué construirás: Un circuito que utiliza dos relés electromecánicos DPDT (dos polos, dos tiros) para demostrar simultáneamente operaciones lógicas booleanas básicas (puertas AND y OR).
• Por qué es útil:
  • Forma la base histórica de la automatización industrial y la programación de lógica de escalera (ladder).
  • Demuestra cómo manejar la lógica en sistemas de alto voltaje o alta corriente donde los CI de silicio estándar no son adecuados.
  • Proporciona aislamiento eléctrico completo entre las entradas de control (bobinas) y las salidas lógicas (contactos).
  • Ilustra los principios fundamentales de los enclavamientos a prueba de fallos utilizados en maquinaria pesada y circuitos de seguridad.
• Resultado esperado:
  • La salida AND (LED verde) solo se iluminará cuando ambas bobinas de los relés estén energizadas (contactos en serie).
  • La salida OR (LED rojo) se iluminará cuando cualquiera de las bobinas de los relés esté energizada (contactos en paralelo).
  • Medición exitosa de los voltajes de control confirmando la activación de rutas lógicas específicas.
• Público objetivo y nivel: Estudiantes de electrónica de nivel intermedio que exploran sistemas de control automatizado y conmutación electromecánica.

Materiales

• V1: Fuente de 5 V CC, función: alimentación para bobinas y lógica
• SW1: Interruptor SPST, función: control de la Entrada A
• SW2: Interruptor SPST, función: control de la Entrada B
• K1: Relé DPDT de 5 V, función: elemento de puerta lógica A
• K2: Relé DPDT de 5 V, función: elemento de puerta lógica B
• D1: LED verde, función: indicador de salida lógica AND
• D2: LED rojo, función: indicador de salida lógica OR
• D3: Diodo 1N4148, función: protección flyback para K1
• D4: Diodo 1N4148, función: protección flyback para K2
• R1: Resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente para D1
• R2: Resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente para D2

Guía de conexionado

• V1 se conecta entre VCC y 0.
• SW1 se conecta entre VCC y el nodo VA.
• SW2 se conecta entre VCC y el nodo VB.
• La bobina de K1 se conecta entre el nodo VA y 0.
• La bobina de K2 se conecta entre el nodo VB y 0.
• El cátodo de D3 se conecta al nodo VA, el ánodo se conecta a 0 (en antiparalelo a la bobina de K1).
• El cátodo de D4 se conecta al nodo VB, el ánodo se conecta a 0 (en antiparalelo a la bobina de K2).
• Lógica AND (Conexionado en serie – Polo 1):
  • El contacto común del Polo 1 de K1 se conecta a VCC.
  • El contacto normalmente abierto (NO) del Polo 1 de K1 se conecta al nodo AND_MID.
  • El contacto común del Polo 1 de K2 se conecta al nodo AND_MID.
  • El contacto normalmente abierto (NO) del Polo 1 de K2 se conecta al nodo OUT_AND.
• Lógica OR (Conexionado en paralelo – Polo 2):
  • El contacto común del Polo 2 de K1 se conecta a VCC.
  • El contacto normalmente abierto (NO) del Polo 2 de K1 se conecta al nodo OUT_OR.
  • El contacto común del Polo 2 de K2 se conecta a VCC.
  • El contacto normalmente abierto (NO) del Polo 2 de K2 se conecta al nodo OUT_OR.
• Salidas:
  • R1 se conecta entre OUT_AND y el nodo D1_ANODE.
  • D1 se conecta entre D1_ANODE y 0 (cátodo a tierra).
  • R2 se conecta entre OUT_OR y el nodo D2_ANODE.
  • D2 se conecta entre D2_ANODE y 0 (cátodo a tierra).

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ CONTROL SECTION: RELAY COILS ]

VCC --> [ SW1 (Input A) ] --(VA)--> [ K1 Coil || D3(Rev) ] --> GND
                                          |
                                   (Magnetic Link)
                                          v
                                    (To K1 Poles)

VCC --> [ SW2 (Input B) ] --(VB)--> [ K2 Coil || D4(Rev) ] --> GND
                                          |
                                   (Magnetic Link)
                                          v
                                    (To K2 Poles)


[ AND LOGIC SECTION: SERIES WIRING (POLE 1) ]

VCC --> [ K1 Pole 1 (NO) ] --(AND_MID)--> [ K2 Pole 1 (NO) ] --(OUT_AND)--> [ R1 ] --(D1_ANODE)--> [ D1 (Green LED) ] --> GND


[ OR LOGIC SECTION: PARALLEL WIRING (POLE 2) ]

VCC --> [ K1 Pole 2 (NO) ] --(OUT_OR)--+
                                       |--> [ R2 ] --(D2_ANODE)--> [ D2 (Red LED) ] --> GND
VCC --> [ K2 Pole 2 (NO) ] --(OUT_OR)--+

Diagrama eléctrico

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Tabla de verdad

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Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: AND and OR logic using relays
.width out=256

* Power Supply
V1 VCC 0 DC 5

* Input A Control (SW1)
* Modeled as a voltage-controlled switch toggled by a fast pulse source to simulate user input
S_SW1 VCC VA ctrl_A 0 switch_mod
V_ctrl_A ctrl_A 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 100u 200u)

* Input B Control (SW2)
* Modeled as a voltage-controlled switch toggled by a fast pulse source
S_SW2 VCC VB ctrl_B 0 switch_mod
V_ctrl_B ctrl_B 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 200u 400u)

* Relay K1 Coil and Flyback Diode
* Coil modeled as an RL series circuit
L_K1 VA K1_mid 1m
R_K1 K1_mid 0 100
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: AND and OR logic using relays
.width out=256

* Power Supply
V1 VCC 0 DC 5

* Input A Control (SW1)
* Modeled as a voltage-controlled switch toggled by a fast pulse source to simulate user input
S_SW1 VCC VA ctrl_A 0 switch_mod
V_ctrl_A ctrl_A 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 100u 200u)

* Input B Control (SW2)
* Modeled as a voltage-controlled switch toggled by a fast pulse source
S_SW2 VCC VB ctrl_B 0 switch_mod
V_ctrl_B ctrl_B 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 200u 400u)

* Relay K1 Coil and Flyback Diode
* Coil modeled as an RL series circuit
L_K1 VA K1_mid 1m
R_K1 K1_mid 0 100
D3 0 VA 1N4148

* Relay K2 Coil and Flyback Diode
L_K2 VB K2_mid 1m
R_K2 K2_mid 0 100
D4 0 VB 1N4148

* AND Logic (Series Wiring - Pole 1)
S_K1_P1 VCC AND_MID VA 0 relay_switch
S_K2_P1 AND_MID OUT_AND VB 0 relay_switch
* Anti-floating leak resistor for the midpoint of the series connection
R_leak AND_MID 0 1G 

* OR Logic (Parallel Wiring - Pole 2)
S_K1_P2 VCC OUT_OR VA 0 relay_switch
S_K2_P2 VCC OUT_OR VB 0 relay_switch

* Outputs
R1 OUT_AND D1_ANODE 330
D1 D1_ANODE 0 DLED_Green

R2 OUT_OR D2_ANODE 330
D2 D2_ANODE 0 DLED_Red

* Models
.model switch_mod SW(vt=2.5 vh=0.5 ron=0.1 roff=100MEG)
.model relay_switch SW(vt=2.5 vh=0.5 ron=0.1 roff=100MEG)
.model 1N4148 D(IS=2.682n N=1.836 RS=0.5623 BV=100 IBV=100p CJO=4p M=0.333 VJ=0.5 TT=11.54n)
.model DLED_Green D(IS=1e-20 N=2.2 RS=5)
.model DLED_Red D(IS=1e-15 N=2.0 RS=5)

* Analysis
.tran 1u 500u
.print tran V(VA) V(VB) V(OUT_AND) V(OUT_OR) V(AND_MID) I(L_K1)
.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation results match the expected truth table for AND and OR logic. When both inputs are 5V, both outputs are near 5V. When only one input is 5V, only the OR output goes to 5V. The OFF state voltages are non-zero (around 1.6V and 0.9V) due to the finite off-resistance of the switch models, but these are below the LED forward voltages.

Show raw data table (5166 rows)

Index   time            v(va)           v(vb)           v(out_and)      v(out_or)       v(and_mid)      l_k1#branch
0	0.000000e+00	4.999967e-06	4.999967e-06	1.597015e+00	9.421253e-01	3.141436e+00	4.999967e-08
1	1.000000e-08	4.999967e-06	4.999967e-06	1.597015e+00	9.421253e-01	3.141436e+00	4.999967e-08
2	2.000000e-08	4.999967e-06	4.999967e-06	1.597015e+00	9.421253e-01	3.141436e+00	4.999967e-08
3	4.000000e-08	4.999967e-06	4.999967e-06	1.597015e+00	9.421253e-01	3.141436e+00	4.999967e-08
4	8.000000e-08	4.999967e-06	4.999967e-06	1.597015e+00	9.421253e-01	3.141436e+00	4.999967e-08
5	1.600000e-07	4.999967e-06	4.999967e-06	1.597015e+00	9.421253e-01	3.141436e+00	4.999967e-08
6	3.200000e-07	4.999967e-06	4.999967e-06	1.597015e+00	9.421253e-01	3.141436e+00	4.999967e-08
7	3.750000e-07	4.999967e-06	4.999967e-06	1.597015e+00	9.421253e-01	3.141436e+00	4.999967e-08
8	4.712500e-07	4.999967e-06	4.999967e-06	1.597015e+00	9.421253e-01	3.141436e+00	4.999967e-08
9	4.978906e-07	4.999967e-06	4.999967e-06	1.597015e+00	9.421253e-01	3.141436e+00	4.999967e-08
10	5.445117e-07	4.999967e-06	4.999967e-06	1.597015e+00	9.421253e-01	3.141436e+00	4.999967e-08
11	5.574158e-07	4.999967e-06	4.999967e-06	1.597015e+00	9.421253e-01	3.141436e+00	4.999967e-08
12	5.799979e-07	4.999967e-06	4.999967e-06	1.597015e+00	9.421253e-01	3.141436e+00	4.999967e-08
13	6.019875e-07	4.999887e+00	4.999887e+00	4.998416e+00	4.999485e+00	4.999208e+00	5.496234e-05
14	6.174611e-07	5.000094e+00	5.000094e+00	4.998416e+00	4.999485e+00	4.999208e+00	1.321856e-04
15	6.317917e-07	4.999872e+00	4.999872e+00	4.998416e+00	4.999485e+00	4.999208e+00	2.035976e-04
16	6.498539e-07	5.000078e+00	5.000078e+00	4.998416e+00	4.999485e+00	4.999208e+00	2.934595e-04
17	6.859784e-07	4.999845e+00	4.999845e+00	4.998416e+00	4.999485e+00	4.999208e+00	4.726966e-04
18	7.582273e-07	5.000025e+00	5.000025e+00	4.998416e+00	4.999485e+00	4.999208e+00	8.292335e-04
19	9.027252e-07	4.999739e+00	4.999739e+00	4.998416e+00	4.999485e+00	4.999208e+00	1.534627e-03
20	1.000000e-06	4.999907e+00	4.999907e+00	4.998416e+00	4.999485e+00	4.999208e+00	2.003774e-03
21	1.028900e-06	4.999786e+00	4.999786e+00	4.998416e+00	4.999485e+00	4.999208e+00	2.142075e-03
22	1.086699e-06	4.999758e+00	4.999758e+00	4.998416e+00	4.999485e+00	4.999208e+00	2.417880e-03
23	1.202297e-06	4.999704e+00	4.999704e+00	4.998416e+00	4.999485e+00	4.999208e+00	2.964729e-03
... (5142 more rows) ...