Nivel: Básico. Analizando la inestabilidad causada por entradas incorrectas de divisores de tensión en puertas digitales.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un circuito donde la entrada a un inversor digital (puerta NOT) se mantiene exactamente a 2.5 V usando un divisor de tensión simétrico. Esto crea un estado «prohibido» para las familias lógicas de 5 V.

• Entendiendo los umbrales lógicos: Aprende por qué las entradas digitales necesitan tensiones Alta y Baja definidas, no solo «algo en el medio».
• Diagnosticando la inestabilidad: Reconoce los síntomas de estados indefinidos, como la oscilación o el calentamiento excesivo.
• Comportamiento interno del transistor: Visualiza qué sucede con los MOSFETs internos cuando la tensión de entrada está en la «zona muerta».

Resultado esperado:
* Señal: La tensión de entrada (Vin) mide exactamente 2.5 V.
* Salida: El LED de salida puede estar tenue, parpadeando o atascado en una tensión intermedia (no totalmente 0 V o 5 V).
* Térmico: El chip 74HC04 puede calentarse ligeramente debido a la corriente interna de «shoot-through» (conducción cruzada).

Público objetivo: Estudiantes que trabajan con interfaces de sensores y niveles lógicos.

Materiales

• V1: Fuente de alimentación de 5 V DC, función: Fuente de alimentación principal
• R1: Resistencia de 10 kΩ, función: Rama superior del divisor de tensión
• R2: Resistencia de 10 kΩ, función: Rama inferior del divisor de tensión
• U1: 74HC04, función: Hex Inverter (puerta NOT)
• R3: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente del LED
• D1: LED rojo, función: Indicador de estado lógico
• C1: Condensador de 100 nF, función: Desacoplo de la fuente de alimentación

Pin-out del CI utilizado

Chip: 74HC04 (Hex Inverter)

Guía de conexionado

• VCC: Conecta el terminal positivo de V1, el Pin 14 de U1 y un lado de R1.
• 0 (GND): Conecta el terminal negativo de V1, el Pin 7 de U1, un lado de R2 y el cátodo (patilla corta) de D1.
• V_IN: Conecta el lado restante de R1, el lado restante de R2 y el Pin 1 (Entrada 1 A) de U1. Nota: Este nodo crea el nivel problemático de 2.5 V.
• V_OUT: Conecta el Pin 2 (Salida 1Y) de U1 a un lado de R3.
• LED_NODE: Conecta el lado restante de R3 al ánodo (patilla larga) de D1.
• Desacoplo: Conecta C1 directamente entre el Pin 14 y el Pin 7 de U1.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

INPUT STAGE (Voltage Divider)              PROCESSING STAGE (Logic)                  OUTPUT STAGE (Load)

VCC (5 V)
   |
[ R1: 10 kΩ ]
   |
+---------(V_IN: ~2.5 V)---------> [ U1: 74HC04 (Inverter) ] -------(V_OUT)-------> [ R3: 330 Ω ] ----> [ D1: LED ] ----> GND
   |          (Undefined Level)      [ Input: Pin 1          ]
[ R2: 10 kΩ ]                         [ Output: Pin 2         ]
   |                                 [ Power: VCC/GND + C1   ]
GND (0 V)

Tabla de verdad

Puerta: NOT (Inversor)

Mediciones y pruebas

1. Comprobación de tensión de entrada: Configura tu multímetro en tensión continua (DC). Coloca la sonda roja en el nodo V_IN (Pin 1 de U1) y la sonda negra en GND. Verifica que la lectura sea de aproximadamente 2.5 V.
2. Observación de la salida: Mira D1. Podría estar brillando tenuemente o parpadeando. Esto indica que la salida no está proporcionando un nivel lógico Alto o Bajo sólido.
3. Comprobación de tensión de salida: Mide la tensión en V_OUT (Pin 2). Probablemente no será 0 V ni 5 V, sino un valor intermedio, o puede estar oscilando (lectura fluctuante).
4. Prueba táctil (Precaución): Toca con cuidado la parte superior del encapsulado de plástico del 74HC04. Si el chip se siente más caliente que la temperatura ambiente, está consumiendo corriente en exceso.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: The Undefined Logic Level Danger
.width out=256

* --- Models ---
* Generic Red LED Model
.model LED_RED D(IS=1e-22 N=1.5 RS=10 BV=5 CJO=50p IBV=1u)

* Subcircuit for U1: 74HC04 Hex Inverter
* Pinout: 1=Input(A), 2=Output(Y), 7=GND, 14=VCC
* Implemented with a continuous sigmoid function to allow robust simulation 
* of the linear region (undefined state) without convergence issues.
.subckt 74HC04 1 2 7 14
B_INV 2 7 V = V(14,7) / (1 + exp(20 * (V(1,7) - 0.5*V(14,7))))
.ends

* --- Components ---

* V1: Main Power Supply
* Using PULSE to simulate power-on transient (0V to 5V)
V1 VCC 0 PULSE(0 5 1u 10u 10u 100m 200m)
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: The Undefined Logic Level Danger
.width out=256

* --- Models ---
* Generic Red LED Model
.model LED_RED D(IS=1e-22 N=1.5 RS=10 BV=5 CJO=50p IBV=1u)

* Subcircuit for U1: 74HC04 Hex Inverter
* Pinout: 1=Input(A), 2=Output(Y), 7=GND, 14=VCC
* Implemented with a continuous sigmoid function to allow robust simulation 
* of the linear region (undefined state) without convergence issues.
.subckt 74HC04 1 2 7 14
B_INV 2 7 V = V(14,7) / (1 + exp(20 * (V(1,7) - 0.5*V(14,7))))
.ends

* --- Components ---

* V1: Main Power Supply
* Using PULSE to simulate power-on transient (0V to 5V)
V1 VCC 0 PULSE(0 5 1u 10u 10u 100m 200m)

* R1: Top leg of voltage divider (10k)
R1 VCC V_IN 10k

* R2: Bottom leg of voltage divider (10k)
* This creates approx 2.5V at V_IN when VCC is 5V
R2 V_IN 0 10k

* U1: 74HC04 Hex Inverter
* Connections: Pin 1=V_IN, Pin 2=V_OUT, Pin 7=0(GND), Pin 14=VCC
XU1 V_IN V_OUT 0 VCC 74HC04

* C1: Decoupling capacitor (100nF)
C1 VCC 0 100n

* R3: LED current limiting resistor (330 Ohm)
R3 V_OUT LED_NODE 330

* D1: Red LED
D1 LED_NODE 0 LED_RED

* --- Analysis ---

* Transient analysis to capture power-up and settling
* Step size 1us, Stop time 500us
.tran 1u 500u

* Print directives for simulation logging
.print tran V(V_IN) V(V_OUT) V(LED_NODE) V(VCC)

* Operating point calculation
.op

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation shows V_IN settling at exactly 2.5V (half of VCC). The inverter output V_OUT also settles at 2.5V, causing the LED node to sit at ~1.75V. This confirms the ‘undefined’ behavior where the output is neither clearly High nor Low.

Show raw data table (519 rows)

Index   time            v(v_in)         v(v_out)        v(led_node)     v(vcc)
0	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	-1.32954e-36	0.000000e+00
1	1.000000e-08	0.000000e+00	0.000000e+00	-8.37118e-37	0.000000e+00
2	2.000000e-08	0.000000e+00	0.000000e+00	-2.17031e-37	0.000000e+00
3	4.000000e-08	0.000000e+00	0.000000e+00	6.442019e-37	0.000000e+00
4	8.000000e-08	0.000000e+00	0.000000e+00	1.087387e-36	0.000000e+00
5	1.600000e-07	0.000000e+00	0.000000e+00	5.886649e-37	0.000000e+00
6	3.200000e-07	0.000000e+00	0.000000e+00	-7.16419e-38	0.000000e+00
7	6.400000e-07	0.000000e+00	0.000000e+00	-1.33719e-37	0.000000e+00
8	1.000000e-06	0.000000e+00	0.000000e+00	-1.75658e-38	0.000000e+00
9	1.005123e-06	1.280776e-03	1.280776e-03	3.255392e-04	2.561552e-03
10	1.015369e-06	3.842328e-03	3.842328e-03	1.418765e-03	7.684656e-03
11	1.035862e-06	8.965432e-03	8.965432e-03	5.258943e-03	1.793086e-02
12	1.070382e-06	1.759552e-02	1.759552e-02	1.345000e-02	3.519104e-02
13	1.105069e-06	2.626716e-02	2.626716e-02	2.210557e-02	5.253431e-02
14	1.174442e-06	4.361042e-02	4.361042e-02	3.941132e-02	8.722085e-02
15	1.313188e-06	7.829696e-02	7.829696e-02	7.402122e-02	1.565939e-01
16	1.590680e-06	1.476700e-01	1.476700e-01	1.432281e-01	2.953401e-01
17	2.145665e-06	2.864162e-01	2.864162e-01	2.815810e-01	5.728324e-01
18	3.145665e-06	5.364162e-01	5.364162e-01	5.305352e-01	1.072832e+00
19	4.145665e-06	7.864162e-01	7.864162e-01	7.789169e-01	1.572832e+00
20	5.145665e-06	1.036416e+00	1.036416e+00	1.027633e+00	2.072832e+00
21	6.145665e-06	1.286416e+00	1.286416e+00	1.276050e+00	2.572832e+00
22	7.145665e-06	1.536416e+00	1.536416e+00	1.521539e+00	3.072832e+00
23	8.145665e-06	1.786416e+00	1.786416e+00	1.662480e+00	3.572832e+00
... (495 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Asumir que 2.5 V es «Alto»: Muchos estudiantes piensan que cualquier tensión > 0 V es «Alta». Consulta la hoja de datos para los requisitos mínimos de VIH (Tensión de entrada Alta) (generalmente ~3.5 V para lógica HC de 5 V).
2. Usar divisores de alta impedancia: Usar 10 kΩ/10 kΩ está bien para referencias, pero el ruido puede acoplarse fácilmente en este nodo de alta impedancia, causando que la puerta conmute aleatoriamente.
3. Ignorar los condensadores de desacoplo: En este estado inestable, el chip genera ruido en los rieles de alimentación. Omitir C1 hace que el comportamiento sea aún más errático.

Solución de problemas

• Síntoma: El LED está tenue o parpadea rápidamente.
  • Causa: La entrada está en la «región lineal» o «zona prohibida». Los transistores internos están amplificando ruido.
  • Solución: Ajusta la tensión de entrada para que sea claramente válida (p. ej., conecta la Entrada directamente a VCC o GND para probar).
• Síntoma: El chip se está calentando, pero el LED funciona.
  • Causa: Corriente de «shoot-through». Dentro del chip, tanto el P-MOSFET como el N-MOSFET de la etapa de entrada están conduciendo parcialmente porque 2.5 V los polariza a ambos en ON. Esto crea un cortocircuito desde VCC a GND dentro del silicio.
  • Solución: Nunca dejes una entrada CMOS en una tensión intermedia.
• Síntoma: La tensión en V_IN no es exactamente 2.5 V.
  • Causa: Tolerancia de las resistencias (p. ej., resistencias del 5% o 10%) o carga del multímetro.
  • Solución: Mide los valores de R1 y R2 independientemente o verifica con un multímetro de precisión.

Posibles mejoras y extensiones

1. Implementación de histéresis: Reemplaza el 74HC04 con un 74HC14 (Inversor Schmitt Trigger). Observa cómo el Schmitt trigger maneja la entrada de 2.5 V (permanecerá en el estado anterior hasta que se cruce un umbral específico) sin oscilar.
2. Entrada Variable: Reemplaza las resistencias fijas R1/R2 con un potenciómetro de 10 kΩ. Barre la tensión de 0 V a 5 V mientras mides la corriente de alimentación (Amperaje). Verás un pico de corriente exactamente alrededor del punto de transición de 2.5 V.

Más Casos Prácticos en Prometeo.blog

Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

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

Sígueme:

¿Quiénes somos?

Nivel: Básico. Aprende a identificar y arreglar un transistor NPN atascado en la región activa.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un interruptor de lado bajo (Low-Side Switch) estándar utilizando un BJT (Transistor de Unión Bipolar) para controlar una carga de alta corriente. Sin embargo, el circuito contendrá un fallo deliberado en la selección de la resistencia de base para demostrar la diferencia entre la Región activa y la Saturación.

• Entendiendo los modos del transistor: Aprende por qué un transistor actúa como una resistencia en lugar de un interruptor si no está polarizado correctamente.
• Disipación de potencia: Entiende por qué los transistores parcialmente abiertos se sobrecalientan.
• Solución de problemas: Practica la medición de VCE para diagnosticar la eficiencia de conmutación.

Resultado esperado:
* Inicialmente, el LED de alta corriente será sorprendentemente tenue.
* La medición de voltaje a través del transistor (VCE) será alta (> 2 V).
* Después del arreglo, el LED brillará intensamente y VCE caerá a cerca de 0 V.
* Público objetivo: Principiantes y estudiantes familiarizados con la Ley de Ohm básica.

Materiales

• V1: Fuente de alimentación de 5 V DC, función: Alimentación del circuito principal.
• Q1: Transistor NPN 2N2222, función: Interruptor de lado bajo.
• D1: LED blanco de alto brillo, función: La carga pesada (requiere aprox. 80-100 mA).
• R1: Resistencia de 33 Ω (1/2 Watt), función: Limitación de corriente del LED (Rload).
• R2: Resistencia de 100 kΩ, función: Resistencia de base incorrecta (Caso de prueba).
• R3: Resistencia de 1 kΩ, función: Resistencia de base correcta (Solución).
• S1: Interruptor SPST o cable puente (jumper), función: Control de entrada.

Guía de conexionado

Construye el circuito utilizando las siguientes conexiones de la lista de redes (netlist). Presta atención a los nombres de los nodos.

• V1 (5 V) se conecta al nodo VCC.
• V1 (GND) se conecta al nodo 0.
• S1 se conecta entre VCC y el nodo SWITCH_OUT.
• R2 (100 kΩ) se conecta entre SWITCH_OUT y el nodo BASE.
• Base de Q1 se conecta al nodo BASE.
• Emisor de Q1 se conecta al nodo 0 (GND).
• Colector de Q1 se conecta al nodo COLLECTOR.
• Ánodo de D1 se conecta al nodo VCC.
• Cátodo de D1 se conecta al nodo LED_CATHODE.
• R1 (33 Ω) se conecta entre LED_CATHODE y COLLECTOR.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Title: Practical case: NPN Switch Saturation Troubleshooting

(1) CONTROL PATH (Base Current Drive)
    VCC --> [ S1: Switch ] --(SWITCH_OUT)--> [ R2: 100k ] --(BASE)--> [ Q1: Base ]
                                                                           |
                                                                    (Activates Switch)
                                                                           |
                                                                           V

(2) POWER PATH (High Current Load)
    VCC --> [ D1: LED ] --(LED_CATHODE)--> [ R1: 33 Ohm ] --(COLLECTOR)--> [ Q1: Collector ]
                                                                                 |
                                                                           (Current Flow)
                                                                                 |
                                                                                 V
                                                                           [ Q1: Emitter ] --> GND

Mediciones y pruebas

Sigue este procedimiento para analizar el comportamiento del circuito antes de aplicar el arreglo.

1. Inspección visual: Cierra el interruptor S1. Observa el brillo de D1. Debería ser notablemente tenue para un LED de alto brillo.
2. Comprobación de voltaje de base: Mide el voltaje en el nodo BASE con respecto a GND. Debería ser aproximadamente 0.7 V.
3. Comprobación de voltaje de colector (VCE): Mide el voltaje en el nodo COLLECTOR con respecto a GND (a través del transistor).
   • Expectativa para un interruptor perfecto: ~0 V.
   • Medición real: Probablemente medirás un voltaje significativo (por ejemplo, 2 V a 4 V dependiendo de la ganancia exacta de tu Q1 específico).
4. Corriente calculada: Calcula la corriente entrando a la base: IB = (5 V – 0.7 V) / 100 kΩ.

Netlist SPICE y simulación

* Practical case: NPN Switch Saturation Troubleshooting
.width out=256

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

* --- Input Control (S1) ---
* S1 connects VCC to SWITCH_OUT. Modeled as a voltage-controlled switch
* driven by a PULSE source to simulate user actuation.
S1 VCC SWITCH_OUT CTRL 0 SW_IDEAL
Vctrl CTRL 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 50u 100u)
.model SW_IDEAL SW(Vt=2.5 Ron=0.01 Roff=100Meg)

* --- Circuit Components ---
* R2: Incorrect Base resistor (100k) causing weak saturation.
* This matches the "Troubleshooting" state defined in the Wiring Guide.
R2 SWITCH_OUT BASE 100k

* Note: R3 (1k) is listed in the BOM as the 'Solution' but is not connected
* in the current wiring guide configuration. It is omitted to prevent floating nodes.
* ... (truncated in public view) ...

* Practical case: NPN Switch Saturation Troubleshooting
.width out=256

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

* --- Input Control (S1) ---
* S1 connects VCC to SWITCH_OUT. Modeled as a voltage-controlled switch
* driven by a PULSE source to simulate user actuation.
S1 VCC SWITCH_OUT CTRL 0 SW_IDEAL
Vctrl CTRL 0 PULSE(0 5 0 1u 1u 50u 100u)
.model SW_IDEAL SW(Vt=2.5 Ron=0.01 Roff=100Meg)

* --- Circuit Components ---
* R2: Incorrect Base resistor (100k) causing weak saturation.
* This matches the "Troubleshooting" state defined in the Wiring Guide.
R2 SWITCH_OUT BASE 100k

* Note: R3 (1k) is listed in the BOM as the 'Solution' but is not connected
* in the current wiring guide configuration. It is omitted to prevent floating nodes.

* Q1: NPN Transistor Switch (Low-side)
Q1 COLLECTOR BASE 0 2N2222MOD

* D1: High-Brightness White LED
D1 VCC LED_CATHODE D_WHITE

* R1: LED Current Limiting Resistor
R1 LED_CATHODE COLLECTOR 33

* --- Models ---
* Generic NPN Model for 2N2222
.model 2N2222MOD NPN(IS=1E-14 BF=200 VAF=100 IKF=0.3 RB=10 RC=0.3 RE=0.2 CJE=25p CJC=8p)

* Approximate White LED Model (High Forward Voltage)
.model D_WHITE D(IS=1p N=3.5 RS=5 BV=5 IBV=10u)

* --- Analysis Commands ---
* Transient analysis to visualize switching behavior
.tran 1u 200u

* Output identification:
* Input: V(SWITCH_OUT)
* Output: V(COLLECTOR) (Low-side switch voltage)
.print tran V(SWITCH_OUT) V(COLLECTOR) V(BASE) V(LED_CATHODE)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation confirms the ‘Troubleshooting’ scenario: when the switch is ON (V(SWITCH_OUT)=5V), the Collector voltage drops only to ~2.6V rather than near 0V. This indicates the transistor is in the active region (not fully saturated) due to the high base resistance (100kΩ), failing to fully power the LED load.

Show raw data table (271 rows)

Index   time            v(switch_out)   v(collector)    v(base)         v(led_cathode)
0	0.000000e+00	5.375300e-01	3.548129e+00	5.330675e-01	3.548432e+00
1	1.000000e-08	5.375300e-01	3.548129e+00	5.330675e-01	3.548432e+00
2	2.000000e-08	5.375300e-01	3.548129e+00	5.330675e-01	3.548432e+00
3	4.000000e-08	5.375300e-01	3.548129e+00	5.330676e-01	3.548432e+00
4	8.000000e-08	5.375300e-01	3.548129e+00	5.330676e-01	3.548432e+00
5	1.600000e-07	5.375300e-01	3.548129e+00	5.330676e-01	3.548432e+00
6	3.200000e-07	5.375300e-01	3.548129e+00	5.330676e-01	3.548432e+00
7	3.562500e-07	5.375300e-01	3.548129e+00	5.330676e-01	3.548432e+00
8	4.196875e-07	5.375300e-01	3.548129e+00	5.330676e-01	3.548432e+00
9	4.372461e-07	5.375300e-01	3.548129e+00	5.330676e-01	3.548432e+00
10	4.679736e-07	5.375300e-01	3.548129e+00	5.330676e-01	3.548432e+00
11	5.019934e-07	5.000000e+00	3.537721e+00	5.508590e-01	3.538060e+00
12	5.700330e-07	5.000000e+00	3.337558e+00	5.996484e-01	3.340559e+00
13	6.907446e-07	5.000000e+00	3.004466e+00	6.704095e-01	3.063080e+00
14	8.252066e-07	5.000000e+00	2.710645e+00	7.051011e-01	2.922994e+00
15	1.000000e-06	5.000000e+00	2.604154e+00	7.130054e-01	2.886751e+00
16	1.026892e-06	5.000000e+00	2.605141e+00	7.129945e-01	2.887005e+00
17	1.080677e-06	5.000000e+00	2.606105e+00	7.129106e-01	2.887380e+00
18	1.188247e-06	5.000000e+00	2.607032e+00	7.128469e-01	2.887677e+00
19	1.403386e-06	5.000000e+00	2.607269e+00	7.128312e-01	2.887753e+00
20	1.833664e-06	5.000000e+00	2.607219e+00	7.128340e-01	2.887737e+00
21	2.694221e-06	5.000000e+00	2.607248e+00	7.128325e-01	2.887747e+00
22	3.694221e-06	5.000000e+00	2.607227e+00	7.128335e-01	2.887740e+00
23	4.694221e-06	5.000000e+00	2.607243e+00	7.128328e-01	2.887745e+00
... (247 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Confundir el pinout: Colocar el transistor al revés (Colector y Emisor intercambiados) a menudo permite que fluya algo de corriente pero con una ganancia muy baja, imitando este problema específico. Verifica siempre la hoja de datos (datasheet).
2. Asumir que hFE es constante: Los estudiantes a menudo usan el hFE máximo (por ejemplo, 300) para el cálculo. Para conmutación, debes asumir un «beta forzado» mucho más bajo (generalmente 10) para asegurar la saturación.
3. Ignorar las clasificaciones de potencia: Si el transistor está dejando caer 3 V y pasando 50 mA, está disipando 150mW. Aunque es seguro para un 2N2222, este calor es energía desperdiciada.

Solución de problemas

• El LED no se enciende en absoluto: Comprueba si la polaridad del LED es correcta (Ánodo a VCC). Verifica que S1 esté realmente conectando energía a R2.
• El transistor se calienta: Si VCE es alto y la corriente fluye, el transistor está actuando como una resistencia. Esto confirma que está en la Región Activa.
• VCE marca 5 V: El transistor no se está encendiendo en absoluto. Comprueba si R2 está conectada correctamente o si la unión Base-Emisor está quemada.

Diagnóstico y solución

Sigue esta secuencia pedagógica para entender y resolver el problema.

1. El problema (Síntoma)
Has ensamblado el circuito, cerrado el interruptor, pero el LED de alta corriente apenas brilla. Se ve débil. ¿Por qué sucede esto si se supone que el transistor es un «interruptor»?

2. La investigación
Toma tu multímetro. Mide el voltaje entre el Colector y el Emisor (VCE).
* Si Q1 fuera un interruptor cerrado, esperarías 0 V (o muy cerca de ello).
* Sin embargo, probablemente encontrarás de 2 V a 3 V.
* Ahora, calcula la Corriente de Base que estás proporcionando: IB = (VIN – 0.7 V) / RB. Con 100 kΩ, IB es diminuta (~43µ A).

Posibles mejoras y extensiones

1. Par Darlington: Usa dos transistores configurados como un par Darlington para aumentar la ganancia total, permitiendo que la resistencia de 100 kΩ conmute exitosamente la carga (a costa de una caída Vcesat mayor de ~1.2 V).
2. Actualización a MOSFET: Reemplaza el 2N2222 con un MOSFET de Canal-N (como un 2N7000) para lograr requisitos de corriente de puerta cercanos a cero y una menor caída de voltaje.

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

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

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¿Quiénes somos?

Nivel: Básico – Controlar una carga de alta potencia usando una señal de bajo voltaje mediante aislamiento galvánico.

Objetivo y caso de uso

Construirás un circuito controlador que utiliza una pequeña señal de 5 V para activar un relé electromecánico, el cual a su vez conmuta un circuito separado de alta potencia de 12 V que alimenta una bombilla.

• Por qué es útil:

  • Sistemas automotrices: Permite que una señal de ECU de baja corriente conmute faros de alta corriente.
  • Seguridad: Mantiene el alto voltaje/corriente (el lado de la carga) físicamente separado de la lógica de control sensible (el lado del usuario).
  • Interfaz: Permite a microcontroladores (como Arduino/ESP32) controlar equipos industriales o electrodomésticos de CA (simulados aquí con 12 V).

• Resultado esperado:

  • La bombilla de 12 V se enciende (ON) solo cuando el interruptor de control de 5 V está cerrado.
  • Se escucha un «clic» audible del componente relé al cambiar de estado.
  • Mediciones: 0 V en la carga cuando la señal de control es 0 V; ~12 V en la carga cuando la señal de control es 5 V.

• Público objetivo: Estudiantes que tratan con interfaces electromecánicas y protección de circuitos.

Materiales

• V1: Fuente de voltaje de 5 V CC, función: Suministro de lógica de control
• V2: Fuente de voltaje de 12 V CC, función: Suministro de carga de alta potencia
• S1: Interruptor de palanca SPST, función: Disparador de control
• R1: Resistencia de 1 kΩ, función: Limitador de corriente de base para Q1
• Q1: Transistor BJT NPN 2N2222, función: Controlador de bobina de relé
• D1: Diodo 1N4007, función: Protección flyback (snubber)
• K1: Relé SPST de 5 V (resistencia de bobina ~70 Ω), función: Interruptor de aislamiento galvánico
• L1: Bombilla incandescente de 12 V / 10 W, función: Carga de alta potencia

Guía de conexionado

Esta guía utiliza nombres de nodos específicos para asegurar conexiones correctas en la simulación y el montaje. El circuito tiene dos lados aislados: el Lado de Control (Nodos: V_CTRL, 0) y el Lado de Carga (Nodos: V_HV, GND_LOAD).

Lado de Control (Baja Potencia):
* V1 (+): Se conecta al Nodo V_CTRL.
* V1 (-): Se conecta al Nodo 0 (Tierra Común).
* S1: Se conecta entre V_CTRL y el Nodo V_TRIG.
* R1: Se conecta entre V_TRIG y el Nodo V_BASE.
* Q1 (Base): Se conecta al Nodo V_BASE.
* Q1 (Emisor): Se conecta al Nodo 0.
* Q1 (Colector): Se conecta al Nodo COIL_LOW.
* K1 (Pin 1 de la bobina): Se conecta al Nodo V_CTRL.
* K1 (Pin 2 de la bobina): Se conecta al Nodo COIL_LOW.
* D1 (Ánodo): Se conecta al Nodo COIL_LOW.
* D1 (Cátodo): Se conecta al Nodo V_CTRL (Polarización inversa a través de la bobina).

Lado de Carga (Alta Potencia):
* V2 (+): Se conecta al Nodo V_HV.
* V2 (-): Se conecta al Nodo GND_LOAD (Aislado del Nodo 0).
* K1 (Contacto Común): Se conecta al Nodo V_HV.
* K1 (Contacto Normalmente Abierto): Se conecta al Nodo BULB_IN.
* L1: Se conecta entre el Nodo BULB_IN y el Nodo GND_LOAD.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

+-------------------------------------------------------------------------+
|               PRACTICAL CASE: HIGH POWER CIRCUIT ISOLATION              |
+-------------------------------------------------------------------------+

===========================================================================
  PART 1: CONTROL SIDE (5 V Logic)
  Nodes: V_CTRL, V_TRIG, V_BASE, COIL_LOW, 0 (GND)
===========================================================================

  (Trigger Signal Path)
  [ V1: 5 V (+) ] --> [ S1: Switch ] --> [ R1: 1k Ohm ] --> [ Q1: Base ]
                                                               |
                                                               | (Controls)
                                                               v
  (Coil Power Path)                                    [ Q1: Collector ]
  [ V1: 5 V (+) ] ---------> [ K1: Relay Coil ] --------------> |
                            [ || D1 Diode    ]                 |
                            [ (Rev Biased)   ]                 | (Conducts to)
                                                               |
                                                               v
                                                       [ Q1: Emitter ]
                                                               |
                                                               v
                                                       [ Node 0 (GND) ]


             ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~
             ~      MAGNETIC LINK (GALVANIC ISOLATION)   ~
             ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~


===========================================================================
  PART 2: LOAD SIDE (12 V High Power)
  Nodes: V_HV, BULB_IN, GND_LOAD
===========================================================================

  (High Current Path)

  [ V2: 12 V (+) ] --> [ K1: Relay Switch ] --> [ L1: 12 V Bulb ] --> [ GND_LOAD ]
                      [   (COM -> NO)    ]

Mediciones y pruebas

Sigue estos pasos para validar el aislamiento y la capacidad de conmutación:

1. Prueba de voltaje de bobina:

   • Cierra el interruptor S1.
   • Mide el voltaje entre V_CTRL y COIL_LOW.
   • Resultado: Debería leer aproximadamente 5 V (indicando que el transistor está drenando corriente).

2. Activación de carga:

   • Mantén S1 cerrado.
   • Observa L1 (Bombilla).
   • Resultado: La bombilla se ilumina. Mide el voltaje a través de L1; debería ser ~12 V.

3. Latencia de conmutación (Requiere osciloscopio):

   • Conecta el Canal 1 a V_TRIG y el Canal 2 a BULB_IN.
   • Conmuta S1 de OFF a ON.
   • Resultado: Observarás un retraso (típicamente 5–15 ms) entre la subida de la señal en el Ch1 y la aparición de energía en el Ch2. Este es el tiempo de conmutación mecánica de la armadura del relé.

Netlist SPICE y simulación

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

* High power circuit isolation
*
* This netlist simulates a relay driver circuit with a high-power load.
* It includes a low-voltage control side (5V) and an isolated high-voltage load side (12V).
*

* --- Analysis Setup ---
.tran 10u 10m
.print tran V(V_TRIG) V(BULB_IN) V(COIL_LOW) I(L_K1_COIL)

* --- Control Side (Low Power) ---

* Supply V1: 5V DC
V1 V_CTRL 0 DC 5

* Switch S1: Modeled as a Pulse Voltage Source to simulate user actuation
* Connects to V_TRIG to drive the base resistor.
* Timing: Off for 1ms, On for 4ms, then Off.
V_S1 V_TRIG 0 PULSE(0 5 1m 10u 10u 4m 10m)

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

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* High power circuit isolation
*
* This netlist simulates a relay driver circuit with a high-power load.
* It includes a low-voltage control side (5V) and an isolated high-voltage load side (12V).
*

* --- Analysis Setup ---
.tran 10u 10m
.print tran V(V_TRIG) V(BULB_IN) V(COIL_LOW) I(L_K1_COIL)

* --- Control Side (Low Power) ---

* Supply V1: 5V DC
V1 V_CTRL 0 DC 5

* Switch S1: Modeled as a Pulse Voltage Source to simulate user actuation
* Connects to V_TRIG to drive the base resistor.
* Timing: Off for 1ms, On for 4ms, then Off.
V_S1 V_TRIG 0 PULSE(0 5 1m 10u 10u 4m 10m)

* Resistor R1: 1k Base Current Limiter
R1 V_TRIG V_BASE 1k

* Transistor Q1: 2N2222 NPN Relay Driver
* Connections: Collector=COIL_LOW, Base=V_BASE, Emitter=0
Q1 COIL_LOW V_BASE 0 2N2222MOD

* Relay Coil K1 (Coil Side)
* Modeled as Inductance + Resistance in series between V_CTRL and COIL_LOW
R_K1_COIL V_CTRL INT_COIL 70
L_K1_COIL INT_COIL COIL_LOW 50m

* Diode D1: Flyback protection (Snubber)
* Anode=COIL_LOW, Cathode=V_CTRL
D1 COIL_LOW V_CTRL 1N4007MOD

* --- Load Side (High Power) ---

* Ground Isolation: High resistance path to global ground 0 to prevent singular matrix
R_ISO GND_LOAD 0 100Meg

* Supply V2: 12V DC
V2 V_HV GND_LOAD DC 12

* Relay Contact K1 (Switch Side)
* Modeled as a Voltage Controlled Switch
* Controlled by the voltage across the coil: V(V_CTRL) - V(COIL_LOW)
* Connects V_HV to BULB_IN when coil is energized
S_K1 V_HV BULB_IN V_CTRL COIL_LOW RELAY_SW_MOD

* Load L1: 12V / 10W Bulb
* Resistance ~ 14.4 Ohms (R = V^2 / P = 144 / 10)
R_L1 BULB_IN GND_LOAD 14.4

* --- Component Models ---

* NPN Transistor Model
.model 2N2222MOD NPN(IS=1E-14 VAF=100 BF=200 IKF=0.3 XTB=1.5 BR=3 CJC=8E-12 CJE=25E-12 TR=46.91E-9 TF=411.1E-12 ITF=0.6 VTF=1.7 XTF=3 RB=10 RC=0.3 RE=0.2)

* Diode Model
.model 1N4007MOD D(IS=7.02767n RS=0.0341512 N=1.80803 EG=1.11 XTI=3 BV=1000 IBV=5u CJO=10p VJ=0.7 M=0.5 FC=0.5 TT=100n)

* Relay Switch Model
* Threshold Vt=2.5V (Coil is 5V), Hysteresis Vh=0.5V
.model RELAY_SW_MOD SW(Vt=2.5 Vh=0.5 Ron=0.1 Roff=100Meg)

.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation shows the trigger signal (V_TRIG) going high (5V) between 1ms and 5ms. During this window, the coil current (I(L_K1_COIL)) rises, causing the relay switch to close and V(BULB_IN) to switch to ~12V. After 5ms, the trigger drops, coil current decays (snubber active), and the load voltage returns to near zero.

Show raw data table (4100 rows)

Index   time            v(v_trig)       v(bulb_in)      v(coil_low)     l_k1_coil#branc
0	0.000000e+00	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.002664e-11
1	1.000000e-07	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.002626e-11
2	2.000000e-07	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.002547e-11
3	4.000000e-07	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.002342e-11
4	8.000000e-07	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.001814e-11
5	1.600000e-06	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.000316e-11
6	3.200000e-06	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	9.969744e-12
7	6.400000e-06	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.000801e-11
8	1.280000e-05	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.002921e-11
9	2.280000e-05	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	9.970357e-12
10	3.280000e-05	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.004993e-11
11	4.280000e-05	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	9.955463e-12
12	5.280000e-05	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.004077e-11
13	6.280000e-05	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	9.984500e-12
14	7.280000e-05	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.001134e-11
15	8.280000e-05	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.001578e-11
16	9.280000e-05	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.000519e-11
17	1.028000e-04	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.003686e-11
18	1.128000e-04	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	9.961732e-12
19	1.228000e-04	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.005266e-11
20	1.328000e-04	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	9.963169e-12
21	1.428000e-04	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.003205e-11
22	1.528000e-04	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	9.984436e-12
23	1.628000e-04	0.000000e+00	1.722670e-06	5.000000e+00	1.001919e-11
... (4076 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Omitir el diodo flyback (D1):

   • Error: El transistor Q1 falla permanentemente después de unas pocas conmutaciones.
   • Solución: Coloca siempre un diodo en polarización inversa en paralelo a la bobina del relé para absorber el pico de alto voltaje generado cuando el campo magnético colapsa.

2. Compartir tierras involuntariamente:

   • Error: Conectar GND_LOAD al Nodo 0 en la protoboard.
   • Solución: Aunque el circuito funcionará, pierdes el aislamiento galvánico. Mantén la ruta de retorno de alta potencia físicamente separada de la tierra lógica.

3. Corriente de base insuficiente:

   • Error: Usar una resistencia R1 demasiado alta (p. ej., 100 kΩ). El relé no hace clic o lo hace débilmente.
   • Solución: Asegúrate de que el transistor esté en saturación. Para un 2N2222 controlando un relé estándar, 1 kΩ suele ser suficiente.

Solución de problemas

• Síntoma: El relé hace clic, pero la bombilla no se enciende.

  • Causa: Problema en el Lado de Carga (circuito secundario).
  • Solución: Revisa el suministro V2, verifica que la bombilla L1 no esté fundida y asegúrate de que las conexiones a los pines COM/NO del relé estén firmes.

• Síntoma: No hay sonido del relé, Bombilla APAGADA.

  • Causa: La bobina no se está energizando.
  • Solución: Revisa el voltaje en el Nodo V_BASE. Si es 0 V, revisa S1. Si es ~0.7 V, revisa si Q1 está instalado correctamente (pinout E-B-C).

• Síntoma: El transistor se calienta extremadamente.

  • Causa: La corriente de la bobina es demasiado alta para el transistor seleccionado.
  • Solución: Verifica la resistencia de la bobina del relé. Si consume >600 mA, el 2N2222 podría tener poca potencia; usa un transistor de potencia (p. ej., TIP31) o un MOSFET.

Posibles mejoras y extensiones

1. Indicador de estado: Añade un pequeño LED y una resistencia de 330 Ω en paralelo con la bobina del relé para indicar visualmente cuando la señal de control está activa.
2. Actualización a estado sólido: Reemplaza el relé mecánico (K1) y el controlador de transistor con un Optoacoplador y un MOSFET (o Triac para CA) para eliminar el desgaste mecánico y reducir la latencia de conmutación.

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¿Quiénes somos?

Nivel: Básico – Entender cómo usar dos relés SPDT para cambiar la polaridad y dirección de un motor de CC.

Objetivo y caso de uso

En este caso, construirá un circuito de puente en H basado en relés para controlar un motor de CC. Usando dos relés de un polo y doble tiro (SPDT), podrá accionar el motor en sentido horario, antihorario o frenarlo utilizando pulsadores simples.

• Escenarios del mundo real:
• Elevalunas automotrices: Invertir el motor para subir o bajar el vidrio.
• Robótica: Controlar la dirección de las ruedas para el movimiento hacia adelante y hacia atrás.
• Cintas transportadoras industriales: Cambiar la dirección de una banda para enrutar productos.

• Cortinas motorizadas: Mecanismos de apertura y cierre.

• Resultado esperado:

• Estado de reposo: Cuando no se presionan botones, los terminales del motor están conectados a tierra (diferencia de 0 V), resultando en un freno dinámico (el motor se detiene).
• Estado de avance: Presionar el Botón A aplica +5 V al motor; gira en sentido horario (CW).
• Estado de retroceso: Presionar el Botón B aplica -5 V (cambio de polaridad) al motor; gira en sentido antihorario (CCW).
• Frenado/Seguridad: Si ambos botones se presionan simultáneamente, ambos terminales del motor se conectan a VCC, resultando en una diferencia de 0 V y el motor permanece detenido.

Público objetivo: Aficionados y estudiantes que se inician en el control electromecánico.

Materiales

• V1: Fuente de alimentación de 5 V CC, función: Fuente de energía principal.
• M1: Motor de 5 V CC, función: El actuador a controlar.
• K1: Relé SPDT de 5 V, función: Controla el lado «Positivo» del motor.
• K2: Relé SPDT de 5 V, función: Controla el lado «Negativo» del motor.
• S1: Pulsador momentáneo (NO), función: Activa el Relé K1 (Avance).
• S2: Pulsador momentáneo (NO), función: Activa el Relé K2 (Retroceso).
• D1: Diodo 1N4007, función: Protección flyback para la bobina de K1.
• D2: Diodo 1N4007, función: Protección flyback para la bobina de K2.

Guía de conexionado

Esta guía utiliza nombres de nodos para describir las conexiones.
Nodos: VCC (Alimentación 5 V), 0 (Tierra), COIL_A, COIL_B, MOT_A, MOT_B.

• Fuente de alimentación:
• V1 (+): Conecta al nodo VCC.

• V1 (-): Conecta al nodo 0.

• Circuito de control (Bobinas):

• S1: Conecta entre VCC y COIL_A.
• K1 (Bobina): Conecta entre COIL_A y 0.
• D1: Cátodo a COIL_A, Ánodo a 0 (Protege contra picos inductivos).
• S2: Conecta entre VCC y COIL_B.
• K2 (Bobina): Conecta entre COIL_B y 0.

• D2: Cátodo a COIL_B, Ánodo a 0.

• Circuito de potencia (Accionamiento del motor):

• K1 (Normalmente Abierto – NO): Conecta a VCC.
• K1 (Normalmente Cerrado – NC): Conecta a 0.
• K1 (Común – COM): Conecta al nodo MOT_A.
• K2 (Normalmente Abierto – NO): Conecta a VCC.
• K2 (Normalmente Cerrado – NC): Conecta a 0.
• K2 (Común – COM): Conecta al nodo MOT_B.
• M1: Conecta entre MOT_A y MOT_B.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

+-------------------------------------------------------------------------+
|                DC MOTOR REVERSING CIRCUIT (H-BRIDGE)                    |
+-------------------------------------------------------------------------+

[ CONTROL SUBSYSTEM ]                                [ POWER SUBSYSTEM ]

      (Forward Input)                                   (Left Side Drive)
VCC --> [ S1 Button ]                                  VCC (NO)
            |                                             |
            v                                             v
    [ Node: COIL_A ]                               [ K1 Switch (COM) ] --(MOT_A)--+
            |                                      [  (Relay 1)      ]            |
            +--> [ K1 Coil || D1 ] --> GND                ^                       |
            |    (D1 is Reverse Biased)                   |                       |
            |                                             |                       |
            +----------(Magnetic Link)--------------------+                       |
                                                          |                       |
                                                  GND (NC) +                      |
                                                                                  v
                                                                           [ DC MOTOR ]
                                                                           [    M1    ]
                                                                                  ^
                                                  GND (NC) +                      |
                                                          |                       |
            +----------(Magnetic Link)--------------------+                       |
            |                                             |                       |
            |    (D2 is Reverse Biased)                   |                       |
            +--> [ K2 Coil || D2 ] --> GND         [ K2 Switch (COM) ] --(MOT_B)--+
            |                                      [  (Relay 2)      ]
    [ Node: COIL_B ]                                      ^
            ^                                             |
            |                                             |
VCC --> [ S2 Button ]                                  VCC (NO)
      (Reverse Input)                                   (Right Side Drive)

+-------------------------------------------------------------------------+
| LOGIC KEY:                                                              |
| 1. Idle: Both Switches connect COM to NC (GND). Motor is braked (0 V).   |
| 2. Press S1: K1 switches to NO (VCC). Current: VCC->MOT_A->MOT_B->GND.  |
| 3. Press S2: K2 switches to NO (VCC). Current: VCC->MOT_B->MOT_A->GND.  |
+-------------------------------------------------------------------------+

Mediciones y pruebas

Para validar el circuito, realice los siguientes pasos usando un multímetro e inspección visual:

1. Verificación en reposo: Asegúrese de que ni S1 ni S2 estén presionados. Mida el voltaje entre MOT_A y MOT_B.
   • Resultado: Debe ser 0 V. Ambos terminales están conectados a GND a través de los contactos NC. El motor está bloqueado (difícil de girar a mano debido al cortocircuito de la fuerza contraelectromotriz).
2. Accionamiento de avance: Mantenga presionado S1.
   • Resultado: K1 hace clic. Mida el voltaje desde MOT_A (Sonda roja) a MOT_B (Sonda negra). El voltaje debe ser aproximadamente +5 V. El motor gira en sentido horario.
3. Accionamiento de retroceso: Suelte S1, luego mantenga presionado S2.
   • Resultado: K2 hace clic. Mida el voltaje desde MOT_A a MOT_B. El voltaje debe ser aproximadamente -5 V. El motor gira en sentido antihorario.
4. Doble pulsación (Prueba de seguridad): Presione S1 y S2 simultáneamente.
   • Resultado: Ambos relés hacen clic. El voltaje entre MOT_A y MOT_B es 0 V (Ambos a potencial de 5 V). El motor no se mueve.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: DC Motor Reversing
.width out=256
* Ngspice Netlist
*
* Description: H-Bridge configuration using two SPDT relays to control a DC motor.
* Logic:
* - S1 Pressed -> K1 Active -> MOT_A = 5V, MOT_B = 0V (Forward)
* - S2 Pressed -> K2 Active -> MOT_A = 0V, MOT_B = 5V (Reverse)
* - None Pressed -> MOT_A = 0V, MOT_B = 0V (Stop/Brake)
*
* Simulation Time: 10ms (Captures S1 pulse at 1ms and S2 pulse at 5ms)
.tran 10u 10m

* -----------------------------------------------------------------------------
* Power Supply
* -----------------------------------------------------------------------------
* V1: 5V DC Power Supply, function: Main energy source.
* Connected between VCC (+) and 0 (-).
V1 VCC 0 DC 5

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

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* Practical case: DC Motor Reversing
.width out=256
* Ngspice Netlist
*
* Description: H-Bridge configuration using two SPDT relays to control a DC motor.
* Logic:
* - S1 Pressed -> K1 Active -> MOT_A = 5V, MOT_B = 0V (Forward)
* - S2 Pressed -> K2 Active -> MOT_A = 0V, MOT_B = 5V (Reverse)
* - None Pressed -> MOT_A = 0V, MOT_B = 0V (Stop/Brake)
*
* Simulation Time: 10ms (Captures S1 pulse at 1ms and S2 pulse at 5ms)
.tran 10u 10m

* -----------------------------------------------------------------------------
* Power Supply
* -----------------------------------------------------------------------------
* V1: 5V DC Power Supply, function: Main energy source.
* Connected between VCC (+) and 0 (-).
V1 VCC 0 DC 5

* -----------------------------------------------------------------------------
* User Inputs (Pushbuttons)
* -----------------------------------------------------------------------------
* Modeled as Voltage Controlled Switches (S1, S2) driven by Pulse Sources.
* This strictly simulates the user pressing the button at specific times.

* Stimulus for S1 (Forward Request)
* Pulse: 0V to 5V, starts at 1ms, duration 2ms.
V_USER_S1 CTRL_S1 0 PULSE(0 5 1m 1u 1u 2m 10m)

* Stimulus for S2 (Reverse Request)
* Pulse: 0V to 5V, starts at 5ms, duration 2ms.
V_USER_S2 CTRL_S2 0 PULSE(0 5 5m 1u 1u 2m 10m)

* S1: Momentary Pushbutton (NO)
* Connects VCC to COIL_A when activated by V_USER_S1.
S1 VCC COIL_A CTRL_S1 0 SW_PUSH

* S2: Momentary Pushbutton (NO)
* Connects VCC to COIL_B when activated by V_USER_S2.
S2 VCC COIL_B CTRL_S2 0 SW_PUSH

* -----------------------------------------------------------------------------
* Control Circuit (Relay Coils)
* -----------------------------------------------------------------------------
* Relay K1 Coil Circuit
* K1 Coil: Connects between COIL_A and 0. Modeled as L+R.
L_K1 COIL_A K1_INT 10m
R_K1 K1_INT 0 100
* D1: 1N4007 Diode, function: Flyback protection.
* Cathode to COIL_A, Anode to 0.
D1 0 COIL_A D_1N4007

* Relay K2 Coil Circuit
* K2 Coil: Connects between COIL_B and 0. Modeled as L+R.
L_K2 COIL_B K2_INT 10m
R_K2 K2_INT 0 100
* D2: 1N4007 Diode, function: Flyback protection.
* Cathode to COIL_B, Anode to 0.
D2 0 COIL_B D_1N4007

* -----------------------------------------------------------------------------
* Power Circuit (Motor Drive via Relay Contacts)
* -----------------------------------------------------------------------------
* Relay K1 Contacts (SPDT)
* COM: MOT_A
* NO: VCC (Connected when Coil is Energized/High)
* NC: 0   (Connected when Coil is De-energized/Low)
S_K1_NO VCC MOT_A COIL_A 0 SW_NO_RELAY
S_K1_NC MOT_A 0   COIL_A 0 SW_NC_RELAY

* Relay K2 Contacts (SPDT)
* COM: MOT_B
* NO: VCC (Connected when Coil is Energized/High)
* NC: 0   (Connected when Coil is De-energized/Low)
S_K2_NO VCC MOT_B COIL_B 0 SW_NO_RELAY
S_K2_NC MOT_B 0   COIL_B 0 SW_NC_RELAY

* M1: 5 V DC Motor
* Modeled as a resistive load (50 Ohms) to visualize voltage polarity.
* Connects between MOT_A and MOT_B.
R_M1 MOT_A MOT_B 50

* -----------------------------------------------------------------------------
* Component Models
* -----------------------------------------------------------------------------
* Standard Diode Model
.model D_1N4007 D(IS=1N N=1 RS=0.1 BV=1000 IBV=10u)

* Pushbutton Switch Model (Normally Open)
* Closes (Low R) when Control Voltage > 2.5V
.model SW_PUSH SW(Vt=2.5 Vh=0.1 Ron=0.01 Roff=10Meg)

* Relay Contact Models
* NO (Normally Open): Conducts when Coil > 2.5V
.model SW_NO_RELAY SW(Vt=2.5 Vh=0.1 Ron=0.01 Roff=10Meg)

* NC (Normally Closed): Conducts when Coil < 2.5V
* SPICE SW Logic: If V < Vt, R = Roff. If V > Vt, R = Ron.
* For NC: We want Low R when V < Vt. So Roff=0.01, Ron=10Meg.
.model SW_NC_RELAY SW(Vt=2.5 Vh=0.1 Ron=10Meg Roff=0.01)

* -----------------------------------------------------------------------------
* Output Directives
* -----------------------------------------------------------------------------
* Outputs: Motor Terminals (MOT_A, MOT_B)
* Inputs: Coil Control Voltages (COIL_A, COIL_B)
.print tran V(MOT_A) V(MOT_B) V(COIL_A) V(COIL_B) I(L_K1)

.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: At 1ms, S1 activates, energizing Coil A (approx 5V). Consequently, MOT_A goes to 5V while MOT_B stays near 0V (Forward). At 3ms, S1 releases and the motor stops. At 5ms, S2 activates, energizing Coil B. MOT_B goes to 5V while MOT_A stays near 0V (Reverse). Inductive kickback is visible on coil nodes when switches open.

Show raw data table (1104 rows)

Index   time            v(mot_a)        v(mot_b)        v(coil_a)       v(coil_b)       l_k1#branch
0	0.000000e+00	5.000000e-09	5.000000e-09	4.999931e-05	4.999931e-05	4.999931e-07
1	1.000000e-07	5.000000e-09	5.000000e-09	4.999931e-05	4.999931e-05	4.999931e-07
2	2.000000e-07	5.000000e-09	5.000000e-09	4.999931e-05	4.999931e-05	4.999931e-07
3	4.000000e-07	5.000000e-09	5.000000e-09	4.999931e-05	4.999931e-05	4.999931e-07
4	8.000000e-07	5.000000e-09	5.000000e-09	4.999931e-05	4.999931e-05	4.999931e-07
5	1.600000e-06	5.000000e-09	5.000000e-09	4.999931e-05	4.999931e-05	4.999931e-07
6	3.200000e-06	5.000000e-09	5.000000e-09	4.999931e-05	4.999931e-05	4.999931e-07
7	6.400000e-06	5.000000e-09	5.000000e-09	4.999931e-05	4.999931e-05	4.999931e-07
8	1.280000e-05	5.000000e-09	5.000000e-09	4.999931e-05	4.999931e-05	4.999931e-07
9	2.280000e-05	5.000000e-09	5.000000e-09	4.999931e-05	4.999931e-05	4.999931e-07
10	3.280000e-05	5.000000e-09	5.000000e-09	4.999931e-05	4.999931e-05	4.999931e-07
11	4.280000e-05	5.000000e-09	5.000000e-09	4.999931e-05	4.999931e-05	4.999931e-07
12	5.280000e-05	5.000000e-09	5.000000e-09	4.999931e-05	4.999931e-05	4.999931e-07
13	6.280000e-05	5.000000e-09	5.000000e-09	4.999931e-05	4.999931e-05	4.999931e-07
14	7.280000e-05	5.000000e-09	5.000000e-09	4.999931e-05	4.999931e-05	4.999931e-07
15	8.280000e-05	5.000000e-09	5.000000e-09	4.999931e-05	4.999931e-05	4.999931e-07
16	9.280000e-05	5.000000e-09	5.000000e-09	4.999931e-05	4.999931e-05	4.999931e-07
17	1.028000e-04	5.000000e-09	5.000000e-09	4.999931e-05	4.999931e-05	4.999931e-07
18	1.128000e-04	5.000000e-09	5.000000e-09	4.999931e-05	4.999931e-05	4.999931e-07
19	1.228000e-04	5.000000e-09	5.000000e-09	4.999931e-05	4.999931e-05	4.999931e-07
20	1.328000e-04	5.000000e-09	5.000000e-09	4.999931e-05	4.999931e-05	4.999931e-07
21	1.428000e-04	5.000000e-09	5.000000e-09	4.999931e-05	4.999931e-05	4.999931e-07
22	1.528000e-04	5.000000e-09	5.000000e-09	4.999931e-05	4.999931e-05	4.999931e-07
23	1.628000e-04	5.000000e-09	5.000000e-09	4.999931e-05	4.999931e-05	4.999931e-07
... (1080 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Cablear el motor a NO/NC en lugar de COM:
   • Error: Conectar el motor a los pines Normalmente Abierto o Cerrado, y la alimentación al pin Común.
   • Solución: Conecte siempre la Carga (Motor) al pin Común (COM) del relé SPDT para configuraciones de puente en H. La alimentación y la Tierra van a NO y NC.
2. Omitir diodos flyback:
   • Error: Olvidar D1 y D2 en paralelo con las bobinas de los relés.
   • Solución: Instale siempre diodos en polarización inversa a través de las bobinas para evitar que picos de alto voltaje dañen los interruptores o fuentes de alimentación cuando el relé se apaga.
3. Usar relés SPST:
   • Error: Intentar esta topología con relés de 4 pines que carecen de un contacto Normalmente Cerrado.
   • Solución: Asegúrese de usar relés SPDT de 5 pines para que el motor pueda conectarse a tierra cuando el relé está apagado.

Solución de problemas

• El motor vibra pero no gira:
  • Causa: La corriente de la fuente de alimentación es insuficiente.
  • Solución: Verifique la clasificación de corriente de su fuente de alimentación; los motores consumen alta corriente al arrancar.
• El relé hace clic pero el motor no se mueve:
  • Causa: Contactos internos quemados o cableado suelto en los terminales COM/NO/NC.
  • Solución: Verifique la continuidad entre COM y NO cuando el relé esté activo usando un multímetro.
• Chispas visibles dentro del relé:
  • Causa: Retroceso de carga inductiva del motor.
  • Solución: Aunque no siempre es fatal, agregar un pequeño condensador (por ejemplo, 100 nF) a través de los terminales del motor puede reducir el arco y el ruido.

Posibles mejoras y extensiones

1. Interruptores de límite (finales de carrera): Agregue interruptores de límite Normalmente Cerrados en serie con las bobinas de los relés (COIL_A y COIL_B) para detener automáticamente el motor cuando un mecanismo alcanza su final de recorrido.
2. Control de velocidad: Inserte un reóstato de alto vataje o un controlador de transistor PWM en serie con el suministro principal VCC a los contactos del relé (no a las bobinas) para variar la velocidad del motor.

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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: Básico. Construye un circuito de relé con autoenclavamiento para mantener un estado de alarma tras un disparo momentáneo.

Objetivo y caso de uso

Construirás un circuito de «memoria» básico utilizando un relé electromecánico, a menudo llamado circuito de enclavamiento o retención. Una pulsación momentánea de un botón de disparo activará una alarma (LED), que permanecerá activa incluso después de soltar el botón, hasta que se presione un botón de reinicio separado.

• Sistemas de seguridad: Utilizado en alarmas antirrobo simples donde un sensor activado mantiene la sirena encendida hasta que un usuario la reinicia.
• Seguridad industrial: Comúnmente utilizado en estaciones de control de motores «Marcha/Paro» (Start/Stop).
• Indicadores de fallos: Captura señales de error transitorias para que los operadores puedan ver que ocurrió un fallo incluso si la condición desaparece.

Resultado esperado:
* Estado inicial: LED apagado (OFF).
* Acción 1: Presionar momentáneamente el botón «Trigger» (Disparo) → El LED se enciende (ON) y el relé hace clic.
* Acción 2: Soltar el botón «Trigger» → El LED permanece encendido (Enclavado).
* Acción 3: Presionar el botón «Reset» (Reinicio) → El LED se apaga y el relé se libera.

Público objetivo: Principiantes familiarizados con circuitos básicos y el funcionamiento de relés.

Materiales

• V1: Fuente de alimentación de 12 V DC, función: Fuente de alimentación principal
• K1: Relé SPDT (Bobina de 12 V), función: Interruptor electromecánico y elemento de memoria
• S1: Pulsador (Normalmente Abierto – NO), función: Señal de disparo
• S2: Pulsador (Normalmente Cerrado – NC), función: Señal de reinicio
• R1: Resistencia de 1 kΩ, función: Limitación de corriente para el LED
• D1: LED rojo, función: Indicador visual de alarma
• D2: Diodo 1N4007, función: Protección flyback para la bobina

Guía de conexionado

Conecta los componentes utilizando las siguientes definiciones de nodos: VCC (12 V), 0 (Tierra), feed_line, latch_node.

• V1 (Fuente DC): Conecta el Positivo a VCC y el Negativo a 0.
• S2 (Botón de Reinicio – NC): Conecta entre VCC y feed_line.
• S1 (Botón de Disparo – NO): Conecta entre feed_line y latch_node.
• K1 (Bobina del Relé): Conecta un lado a latch_node y el otro lado a 0.
• K1 (Contacto Común del Relé – COM): Conecta a feed_line.
• K1 (Contacto Normalmente Abierto del Relé – NO): Conecta a latch_node.
• D2 (Diodo de Protección): Conecta el Cátodo (franja) a latch_node y el Ánodo a 0.
• R1 (Resistencia): Conecta entre latch_node y el nodo led_anode.
• D1 (LED): Conecta el Ánodo a led_anode y el Cátodo a 0.

Nota: S2 permite que la corriente fluya hacia el circuito. S1 energiza inicialmente la bobina. Una vez que K1 se energiza, la conexión interna COM-NO puentea a S1, manteniendo la bobina alimentada desde la feed_line.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Title: Practical case: Latching Alarm System

      (Main Power)
        VCC 12 V
           |
           V
  [ S2: Reset (NC) ]
           |
      (feed_line)
           |
           |    (Path A: Manual Trigger)
+--> [ S1: Trigger (NO) ] ------------------+
           |                                           |
           |                                           V
           |                                     (latch_node)
           |                                           |
           |    (Path B: Self-Latching)                +----------> [ R1: 1k ] --> [ D1: LED ] --> GND
+--> [ K1: Contact (NO) ] ------------------+           (Visual Alarm)
                         ^                             |
                         |                             |
                         |                             +----------> [ K1: Coil || D2(Rev) ] --> GND
                         |                                         (Relay Magnet & Protection)
                         |                                                  |
                         +----------------(Magnetic Link)-------------------+

Mediciones y pruebas

Sigue estos pasos para validar el comportamiento de enclavamiento:

1. Comprobación de continuidad de la bobina: Antes de aplicar energía, usa un multímetro en modo Ohmios para medir los pines de la bobina del relé. Deberías leer un valor de resistencia (típicamente 100 Ω a 400 Ω dependiendo del relé).
2. Comprobación en reposo: Enciende el circuito. Mide el voltaje entre latch_node y 0. Debería ser 0 V. El LED debería estar apagado (OFF).
3. Prueba de disparo: Mantén presionado S1. Mide el voltaje en latch_node. Debería subir a aprox. 12 V. El LED debería encenderse (ON).
4. Prueba de enclavamiento: Suelta S1. El voltaje en latch_node debe permanecer en 12 V, y el LED debe seguir encendido (ON). Escucha el relé; no debería hacer clic de apagado.
5. Prueba de reinicio: Presiona S2 (Reset). El voltaje en latch_node debería caer a 0 V instantáneamente. El LED se apaga (OFF). Suelta S2; el LED permanece apagado.

Netlist SPICE y simulación

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

* Latching Alarm System
.width out=256
* Based on Practical Breadboard Case

* ==========================================
* Power Supply
* ==========================================
* V1: 12V Main Supply
V1 VCC 0 DC 12

* ==========================================
* Control Inputs (User Stimuli)
* ==========================================
* S1 (Trigger Button - NO): 
* Simulating a press (Close) at 10ms for 5ms duration.
* Pulse: 0V (Open) -> 5V (Closed) -> 0V (Open)
V_S1_ctrl ctrl_s1 0 PULSE(0 5 10m 100u 100u 5m 100m)

* S2 (Reset Button - NC):
* Simulating a press (Open) at 40ms for 5ms duration.
* ... (truncated in public view) ...

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* Latching Alarm System
.width out=256
* Based on Practical Breadboard Case

* ==========================================
* Power Supply
* ==========================================
* V1: 12V Main Supply
V1 VCC 0 DC 12

* ==========================================
* Control Inputs (User Stimuli)
* ==========================================
* S1 (Trigger Button - NO): 
* Simulating a press (Close) at 10ms for 5ms duration.
* Pulse: 0V (Open) -> 5V (Closed) -> 0V (Open)
V_S1_ctrl ctrl_s1 0 PULSE(0 5 10m 100u 100u 5m 100m)

* S2 (Reset Button - NC):
* Simulating a press (Open) at 40ms for 5ms duration.
* Pulse: 5V (Closed/Idle) -> 0V (Open/Pressed) -> 5V (Closed/Idle)
* Note: This voltage represents the connectivity state (High = Conducting).
V_S2_ctrl ctrl_s2 0 PULSE(5 0 40m 100u 100u 5m 100m)

* ==========================================
* Circuit Components
* ==========================================

* S2: Reset Switch (NC)
* Connects VCC to feed_line.
* Controlled by ctrl_s2 (Active High logic for NC behavior).
S2 VCC feed_line ctrl_s2 0 SW_IDEAL

* S1: Trigger Switch (NO)
* Connects feed_line to latch_node.
* Controlled by ctrl_s1 (Active High logic for NO behavior).
S1 feed_line latch_node ctrl_s1 0 SW_IDEAL

* K1: Relay Implementation
* 1. Coil: Modeled as Inductance + Series Resistance
*    Connects latch_node to Ground (0).
*    100 Ohm resistance is typical for a 12V relay coil.
R_coil latch_node k1_internal 100
L_coil k1_internal 0 10m

* 2. Relay Contact (Switch):
*    Connects feed_line (COM) to latch_node (NO).
*    Controlled by the voltage across the coil (latch_node).
*    Threshold set to 6V (Pull-in) with hysteresis.
S_relay feed_line latch_node latch_node 0 SW_RELAY

* D2: Flyback Protection Diode
* Cathode to latch_node, Anode to 0.
D2 0 latch_node 1N4007

* Alarm Indicator (LED + Resistor)
* R1: Current limiting
R1 latch_node led_anode 1k
* D1: Red LED
D1 led_anode 0 LED_RED

* Floating Node Prevention
* High impedance pull-down for feed_line when S2 opens
R_float feed_line 0 100Meg

* ==========================================
* Models
* ==========================================
* Ideal switch for buttons (Vt=2.5V logic threshold)
.model SW_IDEAL SW(Vt=2.5 Ron=0.01 Roff=100Meg)

* Relay switch model (Picks up at 6V, drops out at 4V)
.model SW_RELAY SW(Vt=6 Vh=2 Ron=0.01 Roff=100Meg)

* 1N4007 Diode Model
.model 1N4007 D(Is=7n Rs=0.04 N=1.5 Cjo=20p BV=1000 IBV=5u)

* Generic Red LED Model
.model LED_RED D(Is=1a N=4 Rs=4)

* ==========================================
* Simulation Directives
* ==========================================
* Transient analysis: 100us step, 60ms total time
* Covers Trigger (10ms) and Reset (40ms) events
.tran 100u 60m

* Output variables
* V(latch_node) is the ALARM STATE (Output)
* V(feed_line) shows power delivery
.print tran V(latch_node) V(feed_line) V(ctrl_s1) V(ctrl_s2) I(L_COIL)

.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation accurately demonstrates the latching logic. At 10ms, the trigger pulse (S1) energizes the coil, causing ‘latch_node’ to rise to ~12V. The circuit successfully latches, maintaining 12V output after S1 opens. At 40ms, the reset pulse (S2) cuts power, dropping ‘latch_node’ to ~0V, where it remains even after S2 closes again.

Show raw data table (2796 rows)

Index   time            v(latch_node)   v(feed_line)    v(ctrl_s1)      v(ctrl_s2)      l_coil#branch
0	0.000000e+00	2.399952e-05	1.200000e+01	0.000000e+00	5.000000e+00	2.399952e-07
1	1.000000e-06	2.399953e-05	1.200000e+01	0.000000e+00	5.000000e+00	2.399952e-07
2	2.000000e-06	2.399952e-05	1.200000e+01	0.000000e+00	5.000000e+00	2.399952e-07
3	4.000000e-06	2.399952e-05	1.200000e+01	0.000000e+00	5.000000e+00	2.399952e-07
4	8.000000e-06	2.399952e-05	1.200000e+01	0.000000e+00	5.000000e+00	2.399952e-07
5	1.600000e-05	2.399952e-05	1.200000e+01	0.000000e+00	5.000000e+00	2.399952e-07
6	3.200000e-05	2.399952e-05	1.200000e+01	0.000000e+00	5.000000e+00	2.399952e-07
7	6.400000e-05	2.399952e-05	1.200000e+01	0.000000e+00	5.000000e+00	2.399952e-07
8	1.280000e-04	2.399952e-05	1.200000e+01	0.000000e+00	5.000000e+00	2.399952e-07
9	2.280000e-04	2.399952e-05	1.200000e+01	0.000000e+00	5.000000e+00	2.399952e-07
10	3.280000e-04	2.399952e-05	1.200000e+01	0.000000e+00	5.000000e+00	2.399952e-07
11	4.280000e-04	2.399952e-05	1.200000e+01	0.000000e+00	5.000000e+00	2.399952e-07
12	5.280000e-04	2.399952e-05	1.200000e+01	0.000000e+00	5.000000e+00	2.399952e-07
13	6.280000e-04	2.399952e-05	1.200000e+01	0.000000e+00	5.000000e+00	2.399952e-07
14	7.280000e-04	2.399952e-05	1.200000e+01	0.000000e+00	5.000000e+00	2.399952e-07
15	8.280000e-04	2.399952e-05	1.200000e+01	0.000000e+00	5.000000e+00	2.399952e-07
16	9.280000e-04	2.399952e-05	1.200000e+01	0.000000e+00	5.000000e+00	2.399952e-07
17	1.028000e-03	2.399952e-05	1.200000e+01	0.000000e+00	5.000000e+00	2.399952e-07
18	1.128000e-03	2.399952e-05	1.200000e+01	0.000000e+00	5.000000e+00	2.399952e-07
19	1.228000e-03	2.399952e-05	1.200000e+01	0.000000e+00	5.000000e+00	2.399952e-07
20	1.328000e-03	2.399952e-05	1.200000e+01	0.000000e+00	5.000000e+00	2.399952e-07
21	1.428000e-03	2.399952e-05	1.200000e+01	0.000000e+00	5.000000e+00	2.399952e-07
22	1.528000e-03	2.399952e-05	1.200000e+01	0.000000e+00	5.000000e+00	2.399952e-07
23	1.628000e-03	2.399952e-05	1.200000e+01	0.000000e+00	5.000000e+00	2.399952e-07
... (2772 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Usar un botón Normalmente Abierto para Reinicio: Si S2 es NO en lugar de NC, el circuito nunca recibirá energía para arrancar. Asegúrate de que S2 conduzca corriente por defecto.
2. Conectar el enclavamiento al contacto NC: Si conectas el latch_node al pin NC del relé en lugar del NO, el relé se encenderá inmediatamente al conectar la alimentación y oscilará o zumbará (efecto timbre). Usa siempre el pin NO para el autoenclavamiento.
3. El LED se quema inmediatamente: Olvidar R1 permite una corriente excesiva a través del LED. Verifica siempre el valor de la resistencia antes de encender.

Solución de problemas

• Síntoma: El LED se enciende cuando se presiona S1 pero se apaga inmediatamente al soltarlo.
  • Causa: La ruta de enclavamiento está rota.
  • Solución: Comprueba la conexión entre K1 (COM), K1 (NO) y el latch_node. Asegúrate de que los contactos del relé estén en paralelo con S1.
• Síntoma: El relé zumba ruidosamente o vibra (chatter).
  • Causa: El voltaje de la fuente de alimentación es demasiado bajo o inestable.
  • Solución: Asegúrate de que V1 proporcione 12 V estables y pueda suministrar suficiente corriente para la bobina.
• Síntoma: El circuito no se puede reiniciar.
  • Causa: S2 está puenteado o defectuoso (en cortocircuito).
  • Solución: Comprueba S2 con un multímetro; debe interrumpir la conexión (Abrirse) al ser presionado.

Posibles mejoras y extensiones

1. Alarma sonora: Conecta un zumbador activo de 12 V en paralelo con el LED (entre latch_node y 0) para añadir sonido a la alarma.
2. Control de alta potencia: Usa un relé DPDT. Utiliza el primer conjunto de contactos para el enclavamiento lógico de 12 V (como se describe arriba) y el segundo conjunto de contactos para conmutar una carga de alto voltaje completamente separada, como una lámpara de 120 V/230 V.

Más Casos Prácticos en Prometeo.blog

Carlos Núñez Zorrilla

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

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¿Quiénes somos?

Nivel: Básico. Aprenda a aislar una señal de control de baja potencia de un circuito de motor de alta potencia utilizando un relé electromagnético.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirá un circuito que utiliza un pequeño pulsador y un relé para controlar un motor de corriente continua (DC) de alta corriente. El relé actúa como un interruptor electromagnético, permitiendo que el lado de control de baja potencia active el lado de carga de alta potencia sin una conexión eléctrica directa entre los distintos rieles de alimentación (si se utilizan tierras separadas) o simplemente para manejar corrientes que exceden la capacidad nominal del interruptor.

Por qué es útil:
* Sistemas automotrices: Se utiliza en motores de arranque donde un pequeño interruptor de llave de encendido activa un solenoide masivo (relé) para arrancar el motor.
* Automatización industrial: Permite que los PLC de bajo voltaje (24 V) conmuten motores de CA o CC de alto voltaje (110 V/220 V) de forma segura.
* Aislamiento de seguridad: Mantiene los altos voltajes alejados de la interfaz de usuario (botones e interruptores).
* Protección de componentes: Evita quemar interruptores delicados al transferir la conmutación de alta corriente a los contactos del relé.

Resultado esperado:
* Cuando se presiona el pulsador, el relé emite un «clic» audible.
* El motor DC comienza a girar inmediatamente después del clic.
* El voltaje a través de la bobina del relé mide 5 V (o el voltaje de control nominal).
* El diodo flyback protege el interruptor de los picos de alto voltaje cuando se suelta el botón.

Público objetivo y nivel: Estudiantes y aficionados que entiendan la conmutación electromecánica básica (Básico).

Materiales

• V1: Fuente de voltaje de 5 V DC, función: Fuente de alimentación del circuito de control.
• V2: Fuente de voltaje de 12 V DC, función: Fuente del circuito del motor (Potencia).
• S1: Pulsador momentáneo (Normalmente Abierto/NO), función: Interruptor de control.
• K1: Relé SPDT (Bobina de 5 V), función: Aislamiento electromecánico y conmutación.
• D1: Diodo 1N4007, función: Diodo flyback/de rueda libre para protección de la bobina.
• M1: Motor de 12 V DC, función: Carga de alta potencia.

Guía de conexionado

Esta guía utiliza nombres de nodos compatibles con SPICE para definir las conexiones. Los nodos son: V_CTRL (5 V), V_PWR (12 V), COIL_IN, MOTOR_IN, y 0 (Tierra).

• V1 (Positivo): Se conecta al nodo V_CTRL.
• V1 (Negativo): Se conecta al nodo 0.
• V2 (Positivo): Se conecta al nodo V_PWR.
• V2 (Negativo): Se conecta al nodo 0.
• S1: Se conecta entre el nodo V_CTRL y el nodo COIL_IN.
• K1 (Terminal de bobina A): Se conecta al nodo COIL_IN.
• K1 (Terminal de bobina B): Se conecta al nodo 0.
• D1 (Cátodo/Lado con franja): Se conecta al nodo COIL_IN.
• D1 (Ánodo): Se conecta al nodo 0.
• K1 (Contacto Común/COM): Se conecta al nodo V_PWR.
• K1 (Contacto Normalmente Abierto/NO): Se conecta al nodo MOTOR_IN.
• M1 (Positivo): Se conecta al nodo MOTOR_IN.
• M1 (Negativo): Se conecta al nodo 0.

Nota: En una aplicación física que requiera aislamiento galvánico, la tierra 0 para el lado de control (V1) y el lado de potencia (V2) se mantendrían separadas. Para este modelo de simulación básico, comparten una referencia común.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

+---------------------------------------------------------------------------------------------------------+
|                          DC MOTOR CONTROL WITH RELAY (UNIFIED DIAGRAM)                                  |
+---------------------------------------------------------------------------------------------------------+

      (High Power Loop: 12 V)
      [ V2: 12 V Source ] --(Node: V_PWR)--> [ K1: Relay Switch (COM->NO) ] --(Node: MOTOR_IN)--> [ M1: 12 V Motor ] --> [ GND ]
                                                        ^
                                                        |
                                                 (Magnetic Link)
                                                        |
      (Control Loop: 5 V)                                |
      [ V1: 5 V Source ] --(Node: V_CTRL)--> [ S1: Pushbutton ] --(Node: COIL_IN)--> [ Parallel: K1 Coil || D1 (Rev) ] --> [ GND ]

+---------------------------------------------------------------------------------------------------------+
|  LEGEND & NOTES:                                                                                        |
|  -->  : Signal/Power Flow                                                                               |
|  ||   : Components in Parallel (Coil and Diode share Node COIL_IN and GND)                              |
|  Rev  : Diode D1 is Reverse Biased (Cathode to COIL_IN, Anode to GND) to suppress flyback voltage.      |
|  Link : The current in the Control Loop generates the magnetic field to close the Switch in the Power Loop. |
+---------------------------------------------------------------------------------------------------------+

Mediciones y pruebas

Siga estos pasos para validar el ensamblaje de su circuito:

1. Verificación del voltaje de la bobina:

   • Configure su multímetro en Voltaje DC (rango de 20 V).
   • Conecte las sondas a través de los terminales de la bobina del relé (COIL_IN y 0).
   • Presione S1. La lectura debería saltar de 0 V a aprox. 5 V.

2. Confirmación audible:

   • Presione y suelte S1. Escuche el «clic» mecánico del movimiento de la armadura del relé. Si no lo escucha, la bobina no se está energizando.

3. Verificación del voltaje de carga:

   • Conecte el multímetro a través de los terminales del motor.
   • Presione S1. El multímetro debería leer aprox. 12 V (voltaje de V2) y el motor debería girar.
   • Suelte S1. El voltaje debería caer a 0 V y el motor debería detenerse por inercia.

4. Prueba del diodo flyback (Avanzado):

   • Sin D1, monitorear COIL_IN con un osciloscopio revelaría un gran pico de voltaje negativo cuando se suelta S1. Con D1 instalado, este pico se limita a aprox. -0.7 V, protegiendo a S1.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: DC motor control with relay and pushbutton

* --- Models ---
* Generic Pushbutton Switch Model (Voltage Controlled)
.model SW_PB SW(Vt=2.5 Vh=0.1 Ron=0.01 Roff=10Meg)
* Relay Contact Switch Model (Controlled by Coil Voltage)
.model SW_RELAY SW(Vt=3.5 Vh=0.2 Ron=0.05 Roff=10Meg)
* 1N4007 Diode Model
.model D1N4007 D(IS=7.07e-9 RS=0.034 N=1.7 BV=1000 IBV=5e-6 CJO=1e-11 TT=1e-7)

* --- Power Supplies ---
* V1: Control Circuit Power (5V)
V1 V_CTRL 0 DC 5
* V2: Motor Circuit Power (12V)
V2 V_PWR 0 DC 12

* --- Control Circuit (Input) ---
* S1: Pushbutton.
* Modeled as a voltage-controlled switch driven by a PULSE source (V_ACT)
* to simulate the physical act of pressing the button.
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: DC motor control with relay and pushbutton

* --- Models ---
* Generic Pushbutton Switch Model (Voltage Controlled)
.model SW_PB SW(Vt=2.5 Vh=0.1 Ron=0.01 Roff=10Meg)
* Relay Contact Switch Model (Controlled by Coil Voltage)
.model SW_RELAY SW(Vt=3.5 Vh=0.2 Ron=0.05 Roff=10Meg)
* 1N4007 Diode Model
.model D1N4007 D(IS=7.07e-9 RS=0.034 N=1.7 BV=1000 IBV=5e-6 CJO=1e-11 TT=1e-7)

* --- Power Supplies ---
* V1: Control Circuit Power (5V)
V1 V_CTRL 0 DC 5
* V2: Motor Circuit Power (12V)
V2 V_PWR 0 DC 12

* --- Control Circuit (Input) ---
* S1: Pushbutton.
* Modeled as a voltage-controlled switch driven by a PULSE source (V_ACT)
* to simulate the physical act of pressing the button.
* Wiring: Connects V_CTRL to COIL_IN.
V_ACT ACT_NODE 0 PULSE(0 5 10m 1u 1u 245m 1s)
S1 V_CTRL COIL_IN ACT_NODE 0 SW_PB

* K1: Relay Coil
* Wiring: Coil Terminal A to COIL_IN, Coil Terminal B to 0.
* Modeled as Inductor + Resistor in series.
R_K1_COIL COIL_IN K1_INT 60
L_K1_COIL K1_INT 0 100m

* D1: Flyback Diode
* Wiring: Cathode to COIL_IN, Anode to 0.
* SPICE Syntax: D   
D1 0 COIL_IN D1N4007

* --- Power Circuit (Output) ---
* K1: Relay Contact (Switch)
* Wiring: Common (COM) to V_PWR, Normally Open (NO) to MOTOR_IN.
* Controlled by the voltage at node COIL_IN.
S_K1_SW V_PWR MOTOR_IN COIL_IN 0 SW_RELAY

* M1: DC Motor
* Wiring: Positive to MOTOR_IN, Negative to 0.
* Modeled as an RL load (Resistance + Inductance).
R_M1 MOTOR_IN M1_INT 20
L_M1 M1_INT 0 10m

* --- Analysis Directives ---
.op
.tran 0.1m 250m

* --- Output Printing ---
* Must define INPUT (COIL_IN) and OUTPUT (MOTOR_IN)
.print tran V(COIL_IN) V(MOTOR_IN) V(ACT_NODE) I(L_M1)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation shows the control signal (V_ACT) going high at 10ms. Consequently, the coil voltage (V(COIL_IN)) rises to ~5V. This triggers the relay switch, causing the motor input voltage (V(MOTOR_IN)) to jump from near 0V to ~12V, and current flows through the motor load.

Show raw data table (2535 rows)

Index   time            v(coil_in)      v(motor_in)     v(act_node)     l_m1#branch
0	0.000000e+00	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
1	1.000000e-06	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
2	2.000000e-06	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
3	4.000000e-06	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
4	8.000000e-06	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
5	1.600000e-05	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
6	3.200000e-05	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
7	6.400000e-05	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
8	1.280000e-04	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
9	2.280000e-04	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
10	3.280000e-04	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
11	4.280000e-04	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
12	5.280000e-04	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
13	6.280000e-04	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
14	7.280000e-04	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
15	8.280000e-04	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
16	9.280000e-04	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
17	1.028000e-03	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
18	1.128000e-03	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
19	1.228000e-03	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
20	1.328000e-03	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
21	1.428000e-03	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
22	1.528000e-03	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
23	1.628000e-03	2.999953e-05	2.399995e-05	0.000000e+00	1.199998e-06
... (2511 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Omitir el diodo flyback (D1):

   • Error: Dejar fuera el diodo a través de la bobina del relé.
   • Consecuencia: El campo magnético colapsante genera un pico de alto voltaje (fuerza contraelectromotriz) que puede formar un arco a través de los contactos del interruptor o destruir los controladores de transistores en circuitos futuros.
   • Solución: Instale siempre un diodo en polarización inversa (Cátodo al positivo) a través de cargas inductivas.

2. Usar los contactos de relé incorrectos (NC vs NO):

   • Error: Conectar el motor al pin Normalmente Cerrado (NC) en lugar del Normalmente Abierto (NO).
   • Consecuencia: El motor funciona continuamente cuando el botón no está presionado y se detiene cuando se presiona.
   • Solución: Identifique el pin NO utilizando la hoja de datos o una prueba de continuidad antes de soldar.

3. Mezclar rieles de alimentación:

   • Error: Conectar la alimentación del motor de 12 V directamente a la bobina de 5 V.
   • Consecuencia: La bobina del relé se sobrecalentará y probablemente se quemará debido al sobrevoltaje.
   • Solución: Asegúrese de que el voltaje de la bobina coincida con la alimentación de control (V1) y que la clasificación del contacto coincida con la alimentación del motor (V2).

Solución de problemas

• Síntoma: El relé hace clic, pero el motor no funciona.

  • Causa: Contactos del relé quemados o cable suelto entre COM/NO y el motor.
  • Solución: Verifique la continuidad entre COM y NO mientras el relé se mantiene activo.

• Síntoma: El relé no hace clic cuando se presiona S1.

  • Causa: Error de cableado de la bobina o S1 está defectuoso.
  • Solución: Mida el voltaje en los terminales de la bobina mientras presiona S1. Si es 0 V, verifique S1.

• Síntoma: El circuito se reinicia o se producen chispas en S1.

  • Causa: Falta del diodo flyback causando arcos.
  • Solución: Instale D1 inmediatamente a través de los terminales de la bobina.

Posibles mejoras y extensiones

1. Controlador de transistor: Reemplace la conexión directa del pulsador con un transistor NPN (por ejemplo, 2N2222) para controlar el relé utilizando una señal débil de un Arduino o microcontrolador.
2. Circuito de auto-enclavamiento: Agregue un segundo contacto de relé o cablee el relé en una configuración de «enclavamiento» con un botón de «Parada» separado (NC), para que no tenga que mantener presionado S1 para mantener el motor en marcha.

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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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