Caso práctico: Polarización de base con resistor

Prototipo de Polarización de base con resistor (Maker Style)

Nivel: Medio — Calcular y verificar un resistor de base para conmutar de forma segura un transistor NPN desde una salida lógica.

Objetivo y caso de uso

Construirás un interruptor simple con transistor donde una salida lógica de 5 V controla un transistor NPN a través de un resistor de base. El objetivo es elegir el resistor para que el transistor encienda la carga de forma fiable sin exceder la corriente permitida de la salida lógica.

Por qué es útil:
– Para accionar un módulo de relé, zumbador o lámpara pequeña desde un pin de microcontrolador.
– Para controlar cargas que requieren más corriente de la que una salida lógica puede suministrar directamente.
– Para proteger una salida lógica de una corriente de base excesiva.
– Para aprender a verificar la saturación del transistor con mediciones reales de voltaje y corriente.

Resultado esperado:
– Cuando la salida lógica está en LOW, el transistor permanece en OFF y la carga queda desenergizada.
– Cuando la salida lógica está en HIGH, el transistor pasa a ON y la corriente de carga es de aproximadamente 20 mA.
– La corriente de base se mantiene por debajo del límite de la salida lógica, con un objetivo de aproximadamente 4.3 mA.
– El voltaje base-emisor medido es de aproximadamente 0.7 V cuando está en ON.
– El voltaje colector-emisor medido es bajo en saturación, típicamente por debajo de 0.2 V.

Público objetivo y nivel: Estudiantes con conocimientos básicos de circuitos de CC y transistores.

Materiales

V1: fuente de CC de 5 V
VSIG: fuente lógica de 0 V / 5 V, función: señal de control para la base del transistor
R1: resistor de 1 kΩ, función: limitación de corriente de base
R2: resistor de 150 Ω, función: limitación de corriente de carga para la rama del LED
D1: LED rojo, función: indicador visible de carga en el colector
Q1: transistor NPN 2N2222, función: interruptor low-side
M1: multímetro digital, función: mediciones de voltaje y corriente
M2: segundo multímetro opcional, función: comprobación simultánea de corriente

Guía de conexionado

Usa estos nombres de nodo: VCC, 0, VIN, VB, VC.

V1 se conecta entre VCC y 0.
VSIG se conecta entre VIN y 0.
R1 se conecta entre VIN y VB.
El colector de Q1 se conecta a VC.
La base de Q1 se conecta a VB.
El emisor de Q1 se conecta a 0.
R2 se conecta entre VCC y el nodo del ánodo de D1.
El ánodo de D1 se conecta a R2; el cátodo de D1 se conecta a VC.

Valores prácticos de diseño:
– Objetivo de corriente de carga: aproximadamente Ic = (5 V - 2.0 V - 0.2 V) / 150 Ω ≈ 18.7 mA
– Ganancia forzada para saturación: usar β_forced ≈ 10
– Corriente de base requerida: Ib ≈ Ic / 10 ≈ 1.9 mA
– Estimación del resistor de base: R1 ≈ (5 V - 0.7 V) / 1.9 mA ≈ 2.26 kΩ

Para hacer la conmutación más robusta, elige un valor estándar más bajo:
– R1 seleccionado = 1 kΩ
– Corriente de base esperada: Ib ≈ (5 V - 0.7 V) / 1 kΩ ≈ 4.3 mA

Este valor solo es adecuado si la salida lógica puede suministrar con seguridad al menos 4.3 mA.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — Base-biased NPN switch — Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

Practical case: Base Biasing with Resistor

Power / load path:
[ V1: 5 V DC Supply ] --(VCC)--> [ R2: 150 ohm ] --(LED current limit)--> [ D1: Red LED ] --(cathode at VC)--> [ Q1:C 2N2222 ]
[ Q1:C 2N2222 ] --(collector-emitter path)--> [ Q1:E 2N2222 ] --(0 / GND)--> [ V1: 0 V ]

Control / base path:
[ VSIG: 0/5 V Logic Source ] --(VIN)--> [ R1: 1 kohm ] --(VB)--> [ Q1:B 2N2222 ]
[ Q1:B 2N2222 ] --(base-emitter junction)--> [ Q1:E 2N2222 ] --(0 / GND)--> [ VSIG: 0 V ]

Node labels:
[ VIN ] --> [ R1 ] --> [ VB ] --> [ Q1:B ]
[ VCC ] --> [ R2 ] --> [ D1 Anode ]
[ D1 Cathode ] --> [ VC ] --> [ Q1:C ]
[ Q1:E ] --> [ 0 / GND ]

Optional measurements:
[ M1 DMM ] --(measure V_B or V_C vs 0)--> [ VB / VC ] --> [ 0 / GND ]
[ M2 DMM ] --(current mode, inserted in series where needed)--> [ Base path or Load path ]

Esquema Eléctrico

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

Comprobación con alimentación apagada
Verifica todas las conexiones antes de aplicar alimentación.
Confirma que el emisor de Q1 va a 0.
Confirma que R1 está en serie entre VIN y VB.
Prueba en estado OFF
Ajusta VSIG = 0 V.
Mide Vb desde VB hasta 0: se espera cerca de 0 V.
Mide Vce desde VC hasta 0: se espera cerca de 5 V.
Observa D1: debe estar en OFF.
Mide Ib: se espera aproximadamente 0 mA.
Mide Ic: se espera aproximadamente 0 mA.
Prueba en estado ON
Ajusta VSIG = 5 V.
Mide Vb: se espera aproximadamente 0.7 V.
Mide Vbe: se espera aproximadamente entre 0.65 V y 0.8 V.
Mide Ib colocando el medidor en serie con R1: se espera aproximadamente 4.3 mA.
Mide Vc: se espera bajo, típicamente por debajo de 0.2 V a 0.3 V.
Mide Vce: se espera por debajo de 0.2 V si se alcanza la saturación.
Mide Ic en serie con la trayectoria del colector: se espera aproximadamente entre 18 mA y 20 mA.
Observa D1: debe estar claramente en ON.
Comprobación de seguridad de la salida lógica
Compara la Ib medida con la corriente máxima de salida permitida por la salida lógica.
Si la especificación de la salida lógica es menor que la corriente de base medida, aumenta R1.
Cálculo de verificación
Calcula la ganancia medida en modo de conmutación: Ic / Ib.
Ejemplo con valores medidos: 19 mA / 4.3 mA ≈ 4.4
Esto es consistente con conmutación en saturación, donde el transistor es sobreactivado intencionalmente.
Criterios de aprobación
Ib no excede el límite de la salida lógica.
D1 se enciende completamente con lógica HIGH y se apaga completamente con lógica LOW.
Vce en estado ON es lo bastante bajo como para confirmar saturación.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Base Biasing with Resistor
.width out=256

V1 VCC 0 DC 5
VSIG VIN 0 PULSE(0 5 10m 1u 1u 245m 1s)

R1 VIN VB 1k
R2 VCC VLED 150
D1 VLED VC DRED
Q1 VC VB 0 Q2N2222

* Optional multimeter loading approximations (high impedance voltmeters)
RM1 VC 0 10Meg
RM2 VB 0 10Meg

* Alias nodes for guaranteed logging
VALIASIN IN VIN 0
VALIASOUT OUT VC 0

.model DRED D(IS=1e-18 N=2.0 RS=10 CJO=20p VJ=0.75 M=0.5 TT=50n BV=5 IBV=10u)
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Base Biasing with Resistor
.width out=256

V1 VCC 0 DC 5
VSIG VIN 0 PULSE(0 5 10m 1u 1u 245m 1s)

R1 VIN VB 1k
R2 VCC VLED 150
D1 VLED VC DRED
Q1 VC VB 0 Q2N2222

* Optional multimeter loading approximations (high impedance voltmeters)
RM1 VC 0 10Meg
RM2 VB 0 10Meg

* Alias nodes for guaranteed logging
VALIASIN IN VIN 0
VALIASOUT OUT VC 0

.model DRED D(IS=1e-18 N=2.0 RS=10 CJO=20p VJ=0.75 M=0.5 TT=50n BV=5 IBV=10u)
.model Q2N2222 NPN(IS=1e-14 BF=200 VAF=100 IKF=0.1 ISE=1e-13 NE=1.5 BR=5 NR=1.0 VAR=25 IKR=0.05
+ RC=0.5 RE=0.2 RB=10 CJE=25p VJE=0.75 MJE=0.33 TF=0.4n XTF=2 CJC=8p VJC=0.55 MJC=0.33 TR=50n)

.save V(IN) V(OUT) V(VIN) V(VC) V(VB) V(VLED) I(V1) I(VSIG)

.op
.print op V(IN) V(OUT) V(VIN) V(VC) V(VB) V(VLED) I(V1) I(VSIG)

.tran 0.1m 250m
.print tran V(IN) V(OUT) V(VIN) V(VC) V(VB) V(VLED) I(V1) I(VSIG)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (2528 rows)

Index   time            v(in)           v(out)          v(vin)          v(vc)           v(vb)           v(vled)         v1#branch       vsig#branch
0	0.000000e+00	0.000000e+00	3.623103e+00	0.000000e+00	3.623103e+00	3.624741e-09	4.999946e+00	-3.62318e-07	3.624741e-12
1	1.000000e-06	0.000000e+00	3.623104e+00	0.000000e+00	3.623104e+00	6.699379e-09	4.999946e+00	-3.62321e-07	6.699379e-12
2	2.000000e-06	0.000000e+00	3.623105e+00	0.000000e+00	3.623105e+00	6.506970e-09	4.999946e+00	-3.62321e-07	6.506970e-12
3	4.000000e-06	0.000000e+00	3.623106e+00	0.000000e+00	3.623106e+00	5.984372e-09	4.999946e+00	-3.62320e-07	5.984372e-12
4	8.000000e-06	0.000000e+00	3.623108e+00	0.000000e+00	3.623108e+00	5.188535e-09	4.999946e+00	-3.62320e-07	5.188535e-12
5	1.600000e-05	0.000000e+00	3.623110e+00	0.000000e+00	3.623110e+00	4.293865e-09	4.999946e+00	-3.62319e-07	4.293865e-12
6	3.200000e-05	0.000000e+00	3.623112e+00	0.000000e+00	3.623112e+00	3.693772e-09	4.999946e+00	-3.62318e-07	3.693772e-12
7	6.400000e-05	0.000000e+00	3.623112e+00	0.000000e+00	3.623112e+00	3.610539e-09	4.999946e+00	-3.62318e-07	3.610539e-12
8	1.280000e-04	0.000000e+00	3.623112e+00	0.000000e+00	3.623112e+00	3.631021e-09	4.999946e+00	-3.62318e-07	3.631021e-12
9	2.280000e-04	0.000000e+00	3.623112e+00	0.000000e+00	3.623112e+00	3.621414e-09	4.999946e+00	-3.62318e-07	3.621414e-12
10	3.280000e-04	0.000000e+00	3.623112e+00	0.000000e+00	3.623112e+00	3.626121e-09	4.999946e+00	-3.62318e-07	3.626121e-12
11	4.280000e-04	0.000000e+00	3.623112e+00	0.000000e+00	3.623112e+00	3.624676e-09	4.999946e+00	-3.62318e-07	3.624676e-12
12	5.280000e-04	0.000000e+00	3.623112e+00	0.000000e+00	3.623112e+00	3.623957e-09	4.999946e+00	-3.62318e-07	3.623957e-12
13	6.280000e-04	0.000000e+00	3.623112e+00	0.000000e+00	3.623112e+00	3.626113e-09	4.999946e+00	-3.62318e-07	3.626113e-12
14	7.280000e-04	0.000000e+00	3.623112e+00	0.000000e+00	3.623112e+00	3.623011e-09	4.999946e+00	-3.62318e-07	3.623011e-12
15	8.280000e-04	0.000000e+00	3.623112e+00	0.000000e+00	3.623112e+00	3.626745e-09	4.999946e+00	-3.62318e-07	3.626745e-12
16	9.280000e-04	0.000000e+00	3.623112e+00	0.000000e+00	3.623112e+00	3.622584e-09	4.999946e+00	-3.62318e-07	3.622584e-12
17	1.028000e-03	0.000000e+00	3.623112e+00	0.000000e+00	3.623112e+00	3.627045e-09	4.999946e+00	-3.62318e-07	3.627045e-12
18	1.128000e-03	0.000000e+00	3.623112e+00	0.000000e+00	3.623112e+00	3.622367e-09	4.999946e+00	-3.62318e-07	3.622367e-12
19	1.228000e-03	0.000000e+00	3.623112e+00	0.000000e+00	3.623112e+00	3.627168e-09	4.999946e+00	-3.62318e-07	3.627168e-12
20	1.328000e-03	0.000000e+00	3.623112e+00	0.000000e+00	3.623112e+00	3.622305e-09	4.999946e+00	-3.62318e-07	3.622305e-12
21	1.428000e-03	0.000000e+00	3.623112e+00	0.000000e+00	3.623112e+00	3.627229e-09	4.999946e+00	-3.62318e-07	3.627229e-12
22	1.528000e-03	0.000000e+00	3.623112e+00	0.000000e+00	3.623112e+00	3.622257e-09	4.999946e+00	-3.62318e-07	3.622257e-12
23	1.628000e-03	0.000000e+00	3.623112e+00	0.000000e+00	3.623112e+00	3.627228e-09	4.999946e+00	-3.62318e-07	3.627228e-12
... (2504 more rows) ...

Netlist SPICE de referencia (ngspice)

* Practical case: Base Biasing with Resistor
.width out=256

V1 VCC 0 DC 5
VSIG VIN 0 PULSE(0 5 10m 1u 1u 245m 1s)

R1 VIN VB 1k
R2 VCC VLED 150
D1 VLED VC DRED
Q1 VC VB 0 Q2N2222

* Optional multimeter loading approximations (high impedance voltmeters)
RM1 VC 0 10Meg
RM2 VB 0 10Meg

* Alias nodes for guaranteed logging
VALIASIN IN VIN 0
VALIASOUT OUT VC 0

.model DRED D(IS=1e-18 N=2.0 RS=10 CJO=20p VJ=0.75 M=0.5 TT=50n BV=5 IBV=10u)
.model Q2N2222 NPN(IS=1e-14 BF=200 VAF=100 IKF=0.1 ISE=1e-13 NE=1.5 BR=5 NR=1.0 VAR=25 IKR=0.05
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.op
.print op V(IN) V(OUT) V(VIN) V(VC) V(VB) V(VLED) I(V1) I(VSIG)

.tran 0.1m 250m
.print tran V(IN) V(OUT) V(VIN) V(VC) V(VB) V(VLED) I(V1) I(VSIG)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Errores comunes y cómo evitarlos

No usar resistor de base
Error: conectar la salida lógica directamente a la base del transistor.
Resultado: corriente de base excesiva y posible daño a la salida lógica.
Solución: coloca siempre R1 entre VIN y VB.
Elegir un resistor de base demasiado grande
Error: usar R1 = 10 kΩ sin comprobar la corriente.
Resultado: la corriente de base puede ser demasiado baja, por lo que el transistor puede no saturarse.
Solución: calcula Ib a partir de la corriente de carga y usa una ganancia forzada de aproximadamente 10 para conmutación.
Invertir los terminales del transistor
Error: intercambiar colector y emisor.
Resultado: voltajes anómalos, corriente de carga débil o ausencia de conmutación.
Solución: confirma el pinout del 2N2222 en su hoja de datos antes de cablear.

Solución de problemas

Síntoma: el LED nunca se enciende
Causa: VSIG no está llegando a 5 V, o la base de Q1 no está conectada a través de R1.
Solución: mide VIN y VB; verifica la continuidad de R1 y el pinout del transistor.
Síntoma: el LED está tenue
Causa: el transistor no está saturado porque R1 es demasiado grande.
Solución: reduce R1 después de comprobar el límite de corriente de la salida lógica.
Síntoma: el voltaje de salida lógica cae cuando está en ON
Causa: la demanda de corriente de base es demasiado alta para la fuente lógica.
Solución: aumenta R1 o usa una etapa driver con transistor.
Síntoma: el LED permanece encendido todo el tiempo
Causa: conexionado incorrecto en el nodo del colector o polarización de base no intencionada.
Solución: comprueba que el emisor de Q1 está en 0 y que VIN realmente baja a 0 V en el estado LOW.
Síntoma: la Vce medida es alta cuando está en ON
Causa: corriente de base insuficiente o cableado incorrecto de la carga del colector.
Solución: verifica Ib, recalcula R1 y comprueba R2 y la orientación de D1.

Posibles mejoras y extensiones

Añade un resistor pull-down de 10 kΩ desde VB hasta 0 para que el transistor permanezca en OFF si la fuente lógica se desconecta o queda en alta impedancia.
Sustituye la carga LED por una bobina de relé y añade un diodo flyback en paralelo con la bobina para estudiar la conmutación de transistores con cargas inductivas.

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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?

Caso práctico: Cerradura de bóveda con retardo y etapa de potencia

Prototipo de Cerradura de bóveda con retardo y etapa de potencia (Maker Style)

Nivel: Básico. Construya una cerradura electrónica segura que mantenga un solenoide activo durante unos segundos después de que se giren dos llaves simultáneamente.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirá un circuito de seguridad que requiere dos entradas distintas (llaves/botones) activadas simultáneamente para disparar un mecanismo de alta potencia. Una vez disparado, el sistema incluye una memoria analógica (red RC) para mantener la cerradura abierta por una corta duración, permitiendo al usuario abrir la puerta.

Escenarios del mundo real:
- Bóvedas bancarias: Requiere que dos gerentes de banco giren las llaves al mismo tiempo para prevenir robos.
- Prensas industriales: Requiere que un operador presione botones con ambas manos para garantizar la seguridad antes de que la máquina se active.
- Entradas seguras: Permite que el pestillo de una puerta permanezca desbloqueado durante 5 segundos después de la autorización.
Resultado esperado:
- Lógica: La carga (Solenoide/LED) permanece APAGADA (OFF) si solo se presiona un botón.
- Activación: La carga se ENCIENDE (ON) completamente solo cuando ambos SW1 y SW2 se mantienen presionados.
- Temporización: Al soltar los botones, la carga permanece ENCENDIDA (ON) durante aproximadamente 2 a 5 segundos antes de desvanecerse.
- Público objetivo: Estudiantes de electrónica básica enfocados en la conmutación con transistores y constantes de tiempo RC.

Materiales

V1: Fuente de alimentación de 12 V DC, función: Fuente de energía principal.
SW1: Pulsador (Normalmente Abierto), función: Llave de seguridad 1.
SW2: Pulsador (Normalmente Abierto), función: Llave de seguridad 2.
R1: Resistencia de 1 kΩ, función: Limitador de corriente para la carga del condensador (protección).
R2: Resistencia de 47 kΩ, función: Resistencia de temporización de descarga (Bleeder).
C1: Condensador electrolítico de 100 µF, función: Almacenamiento de energía para el retardo de tiempo.
Q1: MOSFET de Canal N IRF540, función: Interruptor de potencia para la carga.
L1: Inductor de 10 mH, función: Simulación de bobina de solenoide.
R3: Resistencia de 10 Ω, función: Resistencia interna del solenoide.
D1: Diodo 1N4007, función: Protección Flyback contra picos de voltaje inductivos.

Guía de conexionado

Esta guía utiliza los nombres de nodo 12 V, 0 (Tierra), Mid_Switch, Gate_Node y Drain_Node.

Etapa lógica (AND en serie):
- V1 (Positivo) se conecta a SW1 (Entrada).
- SW1 (Salida) se conecta a Mid_Switch.
- SW2 (Entrada) se conecta a Mid_Switch.
- SW2 (Salida) se conecta a R1 (Entrada).
Etapa de temporización (Retención RC):
- R1 (Salida) se conecta a Gate_Node.
- C1 (Positivo) se conecta a Gate_Node.
- C1 (Negativo) se conecta a 0.
- R2 se conecta entre Gate_Node y 0 (En paralelo a C1).
- Q1 (Gate) se conecta a Gate_Node.
Etapa de potencia:
- Q1 (Source) se conecta a 0.
- Q1 (Drain) se conecta a Drain_Node.
- L1 y R3 (representando el Solenoide) se conectan en serie entre 12 V y Drain_Node.
- D1 (Cátodo) se conecta a 12 V.
- D1 (Ánodo) se conecta a Drain_Node (a través de la carga).

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — CD40106 Transistor — Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

Title: Practical case: Vault Lock with Delay and Power Drive

(1) LOGIC & TIMING STAGE
------------------------
                                                                    (Gate_Node)
[ 12 V ] --(Logic)--> [ SW1 ] --> [ SW2 ] --> [ R1: 1k ] --+------------+----------> [ Q1:Gate ]
                                                          |            |                |
                                                          |            |                |
                                                          v            v                |
                                                    [ C1: 100uF ]  [ R2: 47k ]          |
                                                          |            |                |
                                                          v            v                |
                                                         GND          GND               |
                                                                                        |
(2) POWER DRIVE STAGE                                                                   |
---------------------                                                                   |
                                                                                        |
[ 12 V ] --(Power)-----------------------------------------+                             |
   |                                                      |                             |
   |                                                      v                             |
   |                                              [ Solenoid (L1+R3) ]                  |
   |                                                      |                             |
   |                                                      v                             |
   +----(Cathode)-- [ D1: Flyback ] --(Anode)----> (Drain_Node) ----> [ Q1:Drain ]      |
                                                                            |           |
                                                                            +-----------+
                                                                            |
                                                                      (Internal FET)
                                                                            |
                                                                            v
                                                                      [ Q1:Source ]
                                                                            |
                                                                            v
                                                                           GND

Esquema Eléctrico

Diagrama eléctrico

Mediciones y pruebas

Valide el funcionamiento del circuito utilizando un multímetro u osciloscopio:

Verificación lógica: Presione solo SW1. Mida el voltaje en Gate_Node. Debería ser 0 V. Repita solo para SW2. La carga debería permanecer APAGADA (OFF).
Activación: Presione SW1 y SW2 simultáneamente. Mida el voltaje en Gate_Node. Debería subir inmediatamente a aprox. 12 V. El Solenoide (Carga) debería activarse.
Tiempo de retención (Retardo): Suelte ambos botones simultáneamente. Observe la carga.
- El voltaje en Gate_Node comenzará a caer.
- El Solenoide debería permanecer activo.
- Mida el tiempo que tarda la carga en apagarse (típicamente cuando el voltaje de Gate cae por debajo del umbral del MOSFET, ~3-4 V). Con 47 kΩ y 100µF, esto debería ser aproximadamente de 3 a 5 segundos.
Comprobación de Flyback: (Solo osciloscopio) Monitoree Drain_Node cuando el transistor se apague. No debería ver un pico de voltaje masivo por encima de 12 V, confirmando que D1 está limitando el contragolpe inductivo.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Vault Lock with Delay and Power Drive
.width out=256

* --- Models ---
* Generic Switch Model for Push Buttons
.model SW_push SW(Vt=2.5 Ron=0.01 Roff=100Meg)

* Power MOSFET Model (Approximation of IRF540)
* N-Channel, Threshold ~4V, Low Rds(on)
.model IRF540 NMOS(Level=1 Vto=4.0 Kp=20 Lambda=0.001 Rd=0.05 Rs=0.05)

* Diode Model (1N4007)
.model D1N4007 D(Is=14.11n N=1.984 Rs=33.89m Ikf=100m Cjo=20p M=0.3333 Vj=0.75 Bv=1000 Ibv=10u)

* --- Main Power Supply ---
V1 12V 0 DC 12

* --- User Interface (Push Buttons) ---
* We simulate physical button presses using Pulse Voltage Sources controlling switches.
* Logic: To unlock, SW1 and SW2 must be pressed simultaneously (AND logic).
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Vault Lock with Delay and Power Drive
.width out=256

* --- Models ---
* Generic Switch Model for Push Buttons
.model SW_push SW(Vt=2.5 Ron=0.01 Roff=100Meg)

* Power MOSFET Model (Approximation of IRF540)
* N-Channel, Threshold ~4V, Low Rds(on)
.model IRF540 NMOS(Level=1 Vto=4.0 Kp=20 Lambda=0.001 Rd=0.05 Rs=0.05)

* Diode Model (1N4007)
.model D1N4007 D(Is=14.11n N=1.984 Rs=33.89m Ikf=100m Cjo=20p M=0.3333 Vj=0.75 Bv=1000 Ibv=10u)

* --- Main Power Supply ---
V1 12V 0 DC 12

* --- User Interface (Push Buttons) ---
* We simulate physical button presses using Pulse Voltage Sources controlling switches.
* Logic: To unlock, SW1 and SW2 must be pressed simultaneously (AND logic).
V_act1 Ctrl1 0 PULSE(0 5 1 1m 1m 3 10)
V_act2 Ctrl2 0 PULSE(0 5 2.5 1m 1m 3 10)

* --- Logic Stage (Series AND) ---
* SW1 connects 12V to Mid_Switch
S1 12V Mid_Switch Ctrl1 0 SW_push

* SW2 connects Mid_Switch to R1 Input
S2 Mid_Switch Pre_R1 Ctrl2 0 SW_push

* --- Timing Stage (RC Hold) ---
* R1: Current limiter for charging
R1 Pre_R1 Gate_Node 1k

* C1: Energy storage (Timing capacitor)
C1 Gate_Node 0 100u

* R2: Discharge timing resistor (Bleeder)
* Time Constant (Discharge) = 47k * 100u = 4.7 seconds
R2 Gate_Node 0 47k

* --- Power Stage ---
* Q1 renamed to M1 to match SPICE MOSFET syntax (requires M prefix for NMOS model).
* Pin order: Drain Gate Source Bulk. Bulk connected to Source (0).
M1 Drain_Node Gate_Node 0 0 IRF540

* --- Load (Solenoid Simulation) ---
* Modeled as Inductor L1 and Resistor R3 in series
L1 12V Solenoid_Mid 10mH
R3 Solenoid_Mid Drain_Node 10

* --- Protection ---
* D1: Flyback diode to suppress inductive spikes from L1 upon turn-off
* Connected Cathode to 12V, Anode to Drain
D1 Drain_Node 12V D1N4007

* --- Simulation Commands ---
.op
* Transient analysis: 10ms step for 10 seconds to capture full charge/discharge cycle
.tran 10m 10s

* --- Output ---
* Monitoring Control signals, Gate voltage (Timing), and Drain voltage (Output state)
.print tran V(Ctrl1) V(Ctrl2) V(Gate_Node) V(Drain_Node) I(L1)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation confirms the intended operation. When the control signals activate the series switches (AND logic), the gate node charges to ~11.7V, turning the MOSFET ON (Drain drops to ~0.13V, Current ~1.18A). After the input pulses cease, the gate voltage decays slowly via R2. Around 9 seconds into the simulation, the gate voltage drops near the threshold (4V), and the MOSFET turns off, returning the Drain voltage to 12V.

Show raw data table (1095 rows)

Index   time            v(ctrl1)        v(ctrl2)        v(gate_node)    v(drain_node)   l1#branch
0	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	2.819323e-03	1.200000e+01	1.199844e-11
1	1.000000e-04	0.000000e+00	0.000000e+00	2.819323e-03	1.200000e+01	1.204503e-11
2	2.000000e-04	0.000000e+00	0.000000e+00	2.819323e-03	1.200000e+01	1.196043e-11
3	4.000000e-04	0.000000e+00	0.000000e+00	2.819323e-03	1.200000e+01	1.204260e-11
4	8.000000e-04	0.000000e+00	0.000000e+00	2.819323e-03	1.200000e+01	1.204346e-11
5	1.600000e-03	0.000000e+00	0.000000e+00	2.819323e-03	1.200000e+01	1.201220e-11
6	3.200000e-03	0.000000e+00	0.000000e+00	2.819323e-03	1.200000e+01	1.199165e-11
7	6.400000e-03	0.000000e+00	0.000000e+00	2.819323e-03	1.200000e+01	1.202979e-11
8	1.280000e-02	0.000000e+00	0.000000e+00	2.819323e-03	1.200000e+01	1.202182e-11
9	2.280000e-02	0.000000e+00	0.000000e+00	2.819323e-03	1.200000e+01	1.199840e-11
10	3.280000e-02	0.000000e+00	0.000000e+00	2.819323e-03	1.200000e+01	1.200551e-11
11	4.280000e-02	0.000000e+00	0.000000e+00	2.819323e-03	1.200000e+01	1.199929e-11
12	5.280000e-02	0.000000e+00	0.000000e+00	2.819323e-03	1.200000e+01	1.200551e-11
13	6.280000e-02	0.000000e+00	0.000000e+00	2.819323e-03	1.200000e+01	1.199929e-11
14	7.280000e-02	0.000000e+00	0.000000e+00	2.819323e-03	1.200000e+01	1.200551e-11
15	8.280000e-02	0.000000e+00	0.000000e+00	2.819323e-03	1.200000e+01	1.199929e-11
16	9.280000e-02	0.000000e+00	0.000000e+00	2.819323e-03	1.200000e+01	1.200551e-11
17	1.028000e-01	0.000000e+00	0.000000e+00	2.819323e-03	1.200000e+01	1.199929e-11
18	1.128000e-01	0.000000e+00	0.000000e+00	2.819323e-03	1.200000e+01	1.200551e-11
19	1.228000e-01	0.000000e+00	0.000000e+00	2.819323e-03	1.200000e+01	1.199929e-11
20	1.328000e-01	0.000000e+00	0.000000e+00	2.819323e-03	1.200000e+01	1.200551e-11
21	1.428000e-01	0.000000e+00	0.000000e+00	2.819323e-03	1.200000e+01	1.199929e-11
22	1.528000e-01	0.000000e+00	0.000000e+00	2.819323e-03	1.200000e+01	1.200551e-11
23	1.628000e-01	0.000000e+00	0.000000e+00	2.819323e-03	1.200000e+01	1.199929e-11
... (1071 more rows) ...

Netlist SPICE de referencia (ngspice)

* Practical case: Vault Lock with Delay and Power Drive
.width out=256

* --- Models ---
* Generic Switch Model for Push Buttons
.model SW_push SW(Vt=2.5 Ron=0.01 Roff=100Meg)

* Power MOSFET Model (Approximation of IRF540)
* N-Channel, Threshold ~4V, Low Rds(on)
.model IRF540 NMOS(Level=1 Vto=4.0 Kp=20 Lambda=0.001 Rd=0.05 Rs=0.05)

* Diode Model (1N4007)
.model D1N4007 D(Is=14.11n N=1.984 Rs=33.89m Ikf=100m Cjo=20p M=0.3333 Vj=0.75 Bv=1000 Ibv=10u)

* --- Main Power Supply ---
V1 12V 0 DC 12

* --- User Interface (Push Buttons) ---
* We simulate physical button presses using Pulse Voltage Sources controlling switches.
* Logic: To unlock, SW1 and SW2 must be pressed simultaneously (AND logic).
V_act1 Ctrl1 0 PULSE(0 5 1 1m 1m 3 10)
V_act2 Ctrl2 0 PULSE(0 5 2.5 1m 1m 3 10)

* --- Logic Stage (Series AND) ---
* SW1 connects 12V to Mid_Switch
S1 12V Mid_Switch Ctrl1 0 SW_push

* SW2 connects Mid_Switch to R1 Input
S2 Mid_Switch Pre_R1 Ctrl2 0 SW_push

* --- Timing Stage (RC Hold) ---
* R1: Current limiter for charging
R1 Pre_R1 Gate_Node 1k

* C1: Energy storage (Timing capacitor)
C1 Gate_Node 0 100u

* R2: Discharge timing resistor (Bleeder)
* Time Constant (Discharge) = 47k * 100u = 4.7 seconds
R2 Gate_Node 0 47k

* --- Power Stage ---
* Q1 renamed to M1 to match SPICE MOSFET syntax (requires M prefix for NMOS model).
* Pin order: Drain Gate Source Bulk. Bulk connected to Source (0).
M1 Drain_Node Gate_Node 0 0 IRF540

* --- Load (Solenoid Simulation) ---
* Modeled as Inductor L1 and Resistor R3 in series
L1 12V Solenoid_Mid 10mH
R3 Solenoid_Mid Drain_Node 10

* --- Protection ---
* D1: Flyback diode to suppress inductive spikes from L1 upon turn-off
* Connected Cathode to 12V, Anode to Drain
D1 Drain_Node 12V D1N4007

* --- Simulation Commands ---
.op
* Transient analysis: 10ms step for 10 seconds to capture full charge/discharge cycle
.tran 10m 10s

* --- Output ---
* Monitoring Control signals, Gate voltage (Timing), and Drain voltage (Output state)
.print tran V(Ctrl1) V(Ctrl2) V(Gate_Node) V(Drain_Node) I(L1)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Errores comunes y cómo evitarlos

Omitir el diodo Flyback (D1):
- Error: El MOSFET falla después de unos pocos ciclos debido a los altos picos de voltaje del solenoide.
- Solución: Coloque siempre un diodo en paralelo con cargas inductivas, cátodo al suministro positivo.
Polaridad incorrecta del condensador:
- Error: C1 explota o se calienta; el circuito actúa como un cortocircuito.
- Solución: Asegúrese de que la franja negativa del condensador electrolítico se conecte a Tierra (0).
Gate flotante:
- Error: Si se quita R2, la cerradura se queda atascada en «ON» indefinidamente porque la carga de la puerta (gate) no tiene a dónde ir.
- Solución: Asegúrese de que R2 esté conectado entre Gate y Tierra para proporcionar una ruta de descarga.

Solución de problemas

El solenoide se apaga instantáneamente (Sin retardo):
- Causa: C1 es demasiado pequeño, está dañado, o R2 es demasiado bajo (ej. 1 kΩ en lugar de 47 kΩ).
- Solución: Verifique el valor de R2 o aumente la capacitancia de C1.
El MOSFET se calienta mucho durante la transición de «APAGADO»:
- Causa: La descarga lenta hace que el MOSFET permanezca en la «región lineal» (actuando como una resistencia) durante demasiado tiempo.
- Solución: Esto es esperado en circuitos de retardo RC simples. Asegúrese de que el MOSFET tenga un disipador de calor o cambie a un retardo basado en lógica (Schmitt Trigger) para un corte más nítido.
El circuito nunca se activa:
- Causa: SW1 y SW2 no están cableados en serie, o el pin-out del MOSFET (G-D-S) es incorrecto.
- Solución: Verifique la continuidad a través de los interruptores hasta el pin Gate.

Posibles mejoras y extensiones

Acción rápida con Schmitt Trigger: Inserte un inversor Schmitt Trigger (como CD40106) entre la red RC y el MOSFET. Esto crea una transición de ENCENDIDO/APAGADO digital limpia, evitando que el MOSFET se caliente durante la fase de descarga.
Reinicio de emergencia: Agregue un interruptor de «Pánico» (Normalmente Cerrado) en paralelo con el condensador C1. Presionarlo cortocircuita instantáneamente el condensador, bloqueando la bóveda inmediatamente independientemente del tiempo restante.

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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?

Caso práctico: El peligro del nivel lógico indefinido

Prototipo de El peligro del nivel lógico indefinido (Maker Style)

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)

Pin	Nombre	Función lógica	Conexión en este caso
1	1 A	Entrada	Conectado al divisor de tensión (2.5 V)
2	1Y	Salida	Conectado a la resistencia del LED
7	GND	Tierra	Conectado a Tierra de la fuente de alimentación
14	VCC	Alimentación (+5 V)	Conectado a +5 V de la fuente de alimentación

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

Conceptual block diagram — 74HC04 Transistor — Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

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)

Esquema Eléctrico

Diagrama eléctrico

Tabla de verdad

Puerta: NOT (Inversor)

Entrada (A)	Salida (Y)
L (0 V)	H (5 V)
H (5 V)	L (0 V)
2.5 V	Indefinido / Inestable

Mediciones y pruebas

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.
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.
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).
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) ...

Netlist SPICE de referencia (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)

* 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)

Errores comunes y cómo evitarlos

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).
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.
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.

🕵️ Ver Diagnóstico y Solución (Clic para revelar)

### Diagnóstico y Solución

**1. El Problema (Síntoma):** «El LED parpadea, está tenue o el chip se calienta. La entrada mide 2.5 V. ¿Es eso un 1 o un 0?»

**2. La Investigación:** Mides Vin y confirmas que es 2.5 V. Consultas la hoja de datos del 74HC04:
* VIL (Entrada Baja Máx) = 1.35 V
* VIH (Entrada Alta Mín) = 3.15 V
* **Resultado:** ¡Estás en «Tierra de Nadie»! La tensión es mayor que un Bajo, pero menor que un Alto.

**3. La Revelación:** Esto demuestra los **Márgenes de Ruido** y la Física de Transistores. A 2.5 V, tanto los transistores internos de entrada PMOS como NMOS están parcialmente encendidos (ON). Esto crea un camino directo para que fluya corriente desde VCC a GND (Shoot-through), causando calor. La salida se vuelve impredecible y sensible incluso a milivoltios de ruido.

**4. La Solución:** Modifica el divisor para entregar un nivel lógico seguro.
* **Para enviar un ‘1’:** Cambia **R1 a 1 kΩ** (y mantén R2 en 10k). Vout ≈ 4.5 V (Alto Lógico Sólido).
* **Para enviar un ‘0’:** Cambia **R2 a 1 kΩ** (y mantén R1 en 10k). Vout ≈ 0.45 V (Bajo Lógico Sólido).

Posibles mejoras y extensiones

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.
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.

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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?

Caso práctico: Solución de problemas de saturación en interruptor NPN

Prototipo de Solución de problemas de saturación en interruptor NPN (Maker Style)

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

Conceptual block diagram — NPN Switch (Saturation Test) — Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

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

Esquema Eléctrico

Diagrama eléctrico

Mediciones y pruebas

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

Inspección visual: Cierra el interruptor S1. Observa el brillo de D1. Debería ser notablemente tenue para un LED de alto brillo.
Comprobación de voltaje de base: Mide el voltaje en el nodo BASE con respecto a GND. Debería ser aproximadamente 0.7 V.
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).
Corriente calculada: Calcula la corriente entrando a la base: IB = (5 V – 0.7 V) / 100 kΩ.

Netlist SPICE y simulación

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

* 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) ...

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Netlist SPICE de referencia (ngspice)

* 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.

Errores comunes y cómo evitarlos

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).
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.
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).

🕵️ Ver diagnóstico y solución (Clic para revelar)

**3. La revelación**
El transistor no tiene suficiente corriente de base para abrir completamente la «válvula».
* Para actuar como un interruptor, el transistor debe estar en **Saturación**.
* Actualmente, está en la **Región activa (lineal)**.
* Se está produciendo la condición IB × hFE < Icload. El transistor está limitando la corriente y actuando como una resistencia variable, dejando caer voltaje y desperdiciando energía. **4. La solución** Debes forzar el transistor a saturación. 1. **Recalcular RB:** Generalmente usamos un «Beta forzado» de 10 para conmutación. Objetivo IB = Iload / 10. 2. **El arreglo:** Retira la resistencia de 100 kΩ (R2) y reemplázala con la **resistencia de 1 kΩ (R3)**. 3. **Verificar:** Enciende el interruptor. El LED debería brillar intensamente. Mide VCE de nuevo; ahora debería ser **< 0.2 V** (Voltaje de saturación).

Posibles mejoras y extensiones

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).
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?

Caso práctico: Aislamiento de circuito de alta potencia

Prototipo de Aislamiento de circuito de alta potencia (Maker Style)

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

Conceptual block diagram — Galvanic Isolation Control — Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

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)    ]

Esquema Eléctrico

Diagrama eléctrico

Diagrama electrico del caso: Aislamiento de circuito de alta potencia — Generado desde la netlist SPICE validada del caso.

Mediciones y pruebas

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

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).
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.
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) ...

Netlist SPICE de referencia (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)

* 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)

Errores comunes y cómo evitarlos

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.
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.
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

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.
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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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

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

Sígueme:

¿Quiénes somos?

Caso práctico: Inversión de giro de motor DC

Prototipo de Inversión de giro de motor DC (Maker Style)

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

Conceptual block diagram — Relay H-Bridge Motor Control — Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

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.  |
+-------------------------------------------------------------------------+

Esquema Eléctrico

Diagrama eléctrico

Diagrama electrico del caso: Inversion de giro de motor DC — Generado desde la netlist SPICE validada del caso.

Mediciones y pruebas

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

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).
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.
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.
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) ...

Netlist SPICE de referencia (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

* -----------------------------------------------------------------------------
* 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  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)

Errores comunes y cómo evitarlos

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.
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.
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

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.
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).

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