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

Objetivo y caso de uso

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

• Por qué es útil:

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

• Resultado esperado:

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

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

Materiales

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

Guía de conexionado

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

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

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

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

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

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

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


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


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

  (High Current Path)

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

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

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

1. Prueba de voltaje de bobina:

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

2. Activación de carga:

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

3. Latencia de conmutación (Requiere osciloscopio):

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

Netlist SPICE y simulación

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

* --- Component Models ---

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

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

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

.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

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

Show raw data table (4100 rows)

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

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Omitir el diodo flyback (D1):

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

2. Compartir tierras involuntariamente:

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

3. Corriente de base insuficiente:

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

Solución de problemas

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

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

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

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

• Síntoma: El transistor se calienta extremadamente.

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

Posibles mejoras y extensiones

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

Más Casos Prácticos en Prometeo.blog

Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

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

Sígueme:

¿Quiénes somos?

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

Objetivo y caso de uso

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

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

• Cortinas motorizadas: Mecanismos de apertura y cierre.

• Resultado esperado:

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

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

Materiales

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

Guía de conexionado

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

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

• V1 (-): Conecta al nodo 0.

• Circuito de control (Bobinas):

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

• D2: Cátodo a COIL_B, Ánodo a 0.

• Circuito de potencia (Accionamiento del motor):

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

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

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

[ CONTROL SUBSYSTEM ]                                [ POWER SUBSYSTEM ]

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

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

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

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

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

Netlist SPICE y simulación

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

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

Show raw data table (1104 rows)

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

Errores comunes y cómo evitarlos

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

Solución de problemas

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

Posibles mejoras y extensiones

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

Más Casos Prácticos en Prometeo.blog

Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

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

Sígueme:

¿Quiénes somos?

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

Objetivo y caso de uso

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

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

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

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

Materiales

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

Guía de conexionado

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

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

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

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Title: Practical case: Latching Alarm System

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

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

Sigue estos pasos para validar el comportamiento de enclavamiento:

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

Netlist SPICE y simulación

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

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

Show raw data table (2796 rows)

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

Errores comunes y cómo evitarlos

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

Solución de problemas

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

Posibles mejoras y extensiones

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

Más Casos Prácticos en Prometeo.blog

Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

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

Sígueme:

¿Quiénes somos?

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

Objetivo y caso de uso

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

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

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

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

Materiales

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

Guía de conexionado

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

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

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

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

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

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

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

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

Siga estos pasos para validar el ensamblaje de su circuito:

1. Verificación del voltaje de la bobina:

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

2. Confirmación audible:

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

3. Verificación del voltaje de carga:

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

4. Prueba del diodo flyback (Avanzado):

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

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: DC motor control with relay and pushbutton

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

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

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

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* Practical case: DC motor control with relay and pushbutton

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

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

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

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

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

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

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

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

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

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

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

Show raw data table (2535 rows)

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

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Omitir el diodo flyback (D1):

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

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

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

3. Mezclar rieles de alimentación:

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

Solución de problemas

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

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

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

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

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

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

Posibles mejoras y extensiones

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

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

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

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¿Quiénes somos?

Nivel: Básico. Demostrar cómo mover un imán a través de una bobina genera una fuerza electromotriz (FEM).

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirá un demostrador fundamental de inducción electromagnética utilizando una bobina de cobre enrollada a mano y un imán de neodimio de alta potencia. Observará cómo la energía cinética se convierte en energía eléctrica mediante la Ley de Inducción de Faraday.

Por qué es útil:
* Generación de energía: Este mecanismo ilustra el principio central detrás de los generadores eléctricos, alternadores y turbinas eólicas.
* Tecnología de audio: Este es el principio de funcionamiento de los micrófonos dinámicos y las pastillas de guitarra eléctrica (transductores).
* Sensores: Utilizado en sensores de velocidad ABS automotrices y sensores de posición industriales.
* Carga inalámbrica: Demuestra los conceptos básicos del acoplamiento magnético utilizado en cargadores de teléfonos.

Resultado esperado:
* Un pico de voltaje medible (positivo o negativo) en el multímetro cuando el imán se mueve en relación con la bobina.
* El LED parpadea brevemente cuando el imán se mueve rápidamente, indicando un pico de voltaje que excede el voltaje directo del diodo (~1.8 V).
* Invertir la dirección del movimiento del imán invierte la polaridad del voltaje inducido.

Público objetivo: Estudiantes y aficionados que se inician en la Ley de Faraday y los componentes pasivos.

Materiales

• L1: Bobina de núcleo de aire (aprox. 500–1000 vueltas de alambre de cobre esmaltado), función: elemento de inducción.
• MAG1: Imán cilíndrico de neodimio (ajustado para pasar dentro de L1), función: fuente de flujo magnético.
• D1: LED rojo, función: indicador para inducción de fase positiva.
• D2: LED verde, función: indicador para inducción de fase negativa (conectado en antiparalelo).
• M1: Multímetro (configurado en rango de 200 mV o 2 V DC), función: monitor de voltaje.

Guía de conexionado

El circuito consiste en la bobina conectada directamente a los indicadores en paralelo. Definimos los terminales de la bobina como nodos COIL_A y COIL_B.

• L1: Se conecta entre el nodo COIL_A y el nodo COIL_B.
• D1: El ánodo se conecta a COIL_A; el cátodo se conecta a COIL_B.
• D2: El ánodo se conecta a COIL_B; el cátodo se conecta a COIL_A (antiparalelo a D1).
• M1: La sonda positiva se conecta a COIL_A; la sonda negativa se conecta a COIL_B.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

markdown
Title: Practical case: Voltage induction by magnetic movement

[ INPUT / SOURCE ]                       [ DISTRIBUTION RAILS ]                    [ OUTPUT / LOADS ]

                                                 (Node A: Top Rail)
                                    /------------------------------------------------------------------>
                                    |                |                    |                    |
[ MAG1: Magnet ] --(Flux)--> [ L1: Coil ]            | (Anode)            | (Cathode)          | (+)
                                    |                v                    v                    v
                                    |        [ D1: Red LED ]      [ D2: Grn LED ]      [ M1: Meter ]
                                    |        (Lights if A > B)    (Lights if B > A)    (Monitor V)
                                    |                |                    |                    |
                                    |                | (Cathode)          | (Anode)            | (-)
                                    \                v                    v                    v
                                    \------------------------------------------------------------------>
                                                 (Node B: Bottom Rail)

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

1. Prueba estática: Coloque el imán dentro de la bobina y manténgalo completamente quieto. El multímetro debería leer 0 V, y ningún LED debería encenderse. Esto confirma que se requiere un campo magnético cambiante.
2. Inserción lenta: Configure el multímetro en el rango de voltaje DC más bajo (p. ej., 200 mV). Empuje lentamente el imán dentro de la bobina. Observe una pequeña lectura de voltaje (p. ej., +10 a +50 mV).
3. Acción rápida: Introduzca rápidamente el imán en la bobina. Debería ver un pico de voltaje significativamente más alto (potencialmente > 1 V) y D1 (Rojo) puede parpadear brevemente.
4. Movimiento inverso: Saque rápidamente el imán fuera de la bobina. La polaridad del voltaje en el multímetro se invertirá (signo negativo), y D2 (Verde) debería parpadear.
5. Oscilación: Mueva el imán hacia adelante y hacia atrás rápidamente dentro de la bobina. Los LEDs deberían parpadear alternativamente, demostrando la generación de Corriente Alterna (AC).

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Voltage induction by magnetic movement
.width out=256
*
* Description:
* Simulation of a magnet moving through a coil, inducing voltage to drive two antiparallel LEDs.
*
* Nodes:
* COIL_A : Hot terminal of the coil (Multimeter +)
* COIL_B : Reference terminal of the coil (Multimeter -, Grounded)
*
* Note: The physical "Coil" is modeled as a series combination of an EMF Voltage Source (V_MAG1),
* a Resistor (R_WIRE), and the Inductor (L1).

* --- Power / Reference ---
* Grounding COIL_B as per Multimeter negative probe convention
V_REF COIL_B 0 0

* --- Magnetic Induction Source (MAG1) ---
* Simulating the changing magnetic flux from MAG1 as an AC voltage source.
* 3V Peak, 5Hz (Simulates shaking the magnet)
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Voltage induction by magnetic movement
.width out=256
*
* Description:
* Simulation of a magnet moving through a coil, inducing voltage to drive two antiparallel LEDs.
*
* Nodes:
* COIL_A : Hot terminal of the coil (Multimeter +)
* COIL_B : Reference terminal of the coil (Multimeter -, Grounded)
*
* Note: The physical "Coil" is modeled as a series combination of an EMF Voltage Source (V_MAG1),
* a Resistor (R_WIRE), and the Inductor (L1).

* --- Power / Reference ---
* Grounding COIL_B as per Multimeter negative probe convention
V_REF COIL_B 0 0

* --- Magnetic Induction Source (MAG1) ---
* Simulating the changing magnetic flux from MAG1 as an AC voltage source.
* 3V Peak, 5Hz (Simulates shaking the magnet)
V_MAG1 N_EMF COIL_B SIN(0 3 5)

* --- Coil Assembly (L1) ---
* Internal wire resistance
R_WIRE N_EMF N_L1 5
* The physical inductance L1
L1 N_L1 COIL_A 10m

* --- Indicators ---
* D1: Red LED (Indicates Positive Phase)
* Anode: COIL_A, Cathode: COIL_B
D1 COIL_A COIL_B D_RED

* D2: Green LED (Indicates Negative Phase)
* Anode: COIL_B, Cathode: COIL_A
D2 COIL_B COIL_A D_GREEN

* --- Multimeter (M1) ---
* Modeled as the voltage difference V(COIL_A) - V(COIL_B)
* (Implicit in the node voltages)

* --- Models ---
* Generic LED Models
.model D_RED D(IS=1e-18 N=2 RS=10 BV=5)
.model D_GREEN D(IS=1e-18 N=2.5 RS=10 BV=5)

* --- Simulation Directives ---
.op
* Transient analysis: 1ms step, 500ms duration (2.5 cycles at 5Hz)
.tran 1m 500m

* --- Output ---
* Monitoring the induced voltage at COIL_A
.print tran V(COIL_A) I(L1)

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The transient analysis shows an AC voltage at COIL_A oscillating between approx +2.6V and -2.8V at 5Hz. Current flows through L1, peaking around 66mA. The voltage levels are sufficient to forward bias the LEDs (D_RED and D_GREEN) alternately, consistent with the intended indication of positive and negative phases.

Show raw data table (522 rows)

Index   time            v(coil_a)       l1#branch
0	0.000000e+00	4.375392e-35	-8.75078e-36
1	1.000000e-05	9.424778e-04	1.884985e-15
2	2.000000e-05	1.884955e-03	3.769970e-15
3	4.000000e-05	3.769910e-03	7.539938e-15
4	8.000000e-05	7.539814e-03	1.507987e-14
5	1.600000e-04	1.507958e-02	3.015936e-14
6	3.200000e-04	3.015878e-02	6.031856e-14
7	6.400000e-04	6.031451e-02	1.206316e-13
8	1.280000e-03	1.206046e-01	2.412214e-13
9	2.280000e-03	2.147012e-01	4.294658e-13
10	3.280000e-03	3.085859e-01	6.175653e-13
11	4.280000e-03	4.021661e-01	8.067202e-13
12	5.280000e-03	4.953494e-01	1.005111e-12
13	6.280000e-03	5.880438e-01	1.262566e-12
14	7.280000e-03	6.801579e-01	1.873422e-12
15	8.280000e-03	7.716008e-01	4.548512e-12
16	9.280000e-03	8.622822e-01	1.907006e-11
17	1.028000e-02	9.521126e-01	1.003825e-10
18	1.128000e-02	1.041003e+00	5.511221e-10
19	1.228000e-02	1.128867e+00	3.003086e-09
20	1.328000e-02	1.215616e+00	1.605415e-08
21	1.428000e-02	1.301164e+00	8.389370e-08
22	1.528000e-02	1.385424e+00	4.276266e-07
23	1.628000e-02	1.468291e+00	2.121308e-06
... (498 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Uso de imanes débiles: Los imanes de ferrita negra estándar suelen ser demasiado débiles para generar un voltaje visible en un LED. Solución: Use imanes de neodimio de tierras raras.
2. Moverse demasiado lento: La Ley de Faraday (V = – N · d\Phi / dt) depende de la tasa de cambio. Solución: Mueva el imán lo más rápido posible para maximizar el pico de voltaje.
3. Problemas de aislamiento: El alambre esmaltado tiene un recubrimiento transparente que bloquea la electricidad. Solución: Asegúrese de que los extremos del alambre de la bobina estén lijados o raspados hasta el cobre desnudo antes de conectarlos a los LEDs o al multímetro.

Solución de problemas

• Síntoma: El multímetro muestra voltaje, pero los LEDs nunca se encienden.
  • Causa: El voltaje inducido es menor que el umbral de voltaje directo del LED (~1.8 V).
  • Solución: Añada más vueltas a la bobina (aumente $N$) o mueva el imán más rápido.
• Síntoma: No hay lectura en el multímetro incluso con movimiento rápido.
  • Causa: Circuito abierto o mala conexión en las puntas de la bobina.
  • Solución: Verifique la continuidad (modo resistencia) a través de los terminales de la bobina; debería leer unos pocos Ohmios, no infinito.
• Síntoma: La lectura de voltaje es errática o difícil de ver.
  • Causa: Los multímetros digitales tienen una tasa de muestreo lenta.
  • Solución: Use la función de retención «Max/Min» si está disponible, o use un multímetro analógico (de aguja) que responde mejor a los pulsos transitorios.

Posibles mejoras y extensiones

1. Linterna de agitación: Añada un puente rectificador (4 diodos) y un condensador grande (p. ej., 1000 µF) para almacenar la energía generada al agitar el imán, permitiendo que el LED permanezca encendido durante unos segundos después de que el movimiento se detenga.
2. Comparación de núcleo: Inserte un perno de hierro dentro de la bobina (convirtiéndola en un inductor de núcleo de hierro) y mueva un imán cerca de la cabeza del perno para observar cómo el núcleo ferromagnético concentra el flujo magnético y afecta la inducción.

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Nivel: Básico – Observa cómo un inductor filtra las altas frecuencias en un circuito RL serie.

Objetivo y caso de uso

En este ejercicio práctico, construirás un filtro paso bajo RL pasivo utilizando un inductor en serie y una resistencia en derivación. Este circuito demuestra la propiedad de la reactancia inductiva, donde la impedancia aumenta con la frecuencia, bloqueando eficazmente las señales de alta frecuencia mientras permite que las señales de baja frecuencia pasen a la salida.

Por qué es útil:
* Electrónica de audio: Se utiliza en redes de cruce (crossover) para dirigir las bajas frecuencias (graves) a los woofers mientras se bloquean los agudos.
* Fuentes de alimentación: Esencial para suavizar las corrientes de salida y reducir el rizado en convertidores DC/DC.
* Supresión de ruido: Filtra la interferencia de alta frecuencia (EMI) en las líneas de señal.
* Acondicionamiento de señal: Elimina el ruido de alta frecuencia de los datos de los sensores antes del procesamiento.

Resultado esperado:
* Entrada de baja frecuencia (< Corte): La amplitud de salida (VOUT) es aproximadamente igual a la amplitud de entrada (VIN).
* Frecuencia de corte (fc): La amplitud de salida cae aproximadamente al 70.7% de la amplitud de entrada (punto de -3dB).
* Entrada de alta frecuencia (> Corte): La amplitud de salida se atenúa (reduce) significativamente.
* Público objetivo: Estudiantes de electrónica básica y aficionados que exploran la teoría de circuitos de CA.

Materiales

• V1: Generador de funciones (fuente de onda senoidal), función: inyección de señal de CA
• L1: Inductor de 10 mH, función: elemento reactivo en serie (la impedancia aumenta con la frecuencia)
• R1: Resistencia de 100 Ω, función: resistencia de carga/derivación (la salida se toma aquí)
• Scope: Osciloscopio de doble canal, función: comparación visual de Entrada vs. Salida

Guía de conexionado

Construye el circuito utilizando las siguientes conexiones de nodos. El voltaje de salida se mide a través de la resistencia.

• V1 (Fuente de señal): Se conecta entre el nodo VIN (Positivo) y el nodo 0 (GND).
• L1: Se conecta entre el nodo VIN y el nodo VOUT.
• R1: Se conecta entre el nodo VOUT y el nodo 0 (GND).
• Osciloscopio Canal 1: Conecta la punta de la sonda a VIN y el clip de tierra a 0.
• Osciloscopio Canal 2: Conecta la punta de la sonda a VOUT y el clip de tierra a 0.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ V1: Func Gen ] --(Node VIN)--> [ L1: 10mH ] --(Node VOUT)--> [ R1: 100 Ω ] --> GND (0)
       |                        (Series Inductor)      |          (Load)
       |                                               |
       +--------(Probe)-------> [ Scope CH1 ]          +--------(Probe)-------> [ Scope CH2 ]

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

Sigue estos pasos para validar la respuesta en frecuencia del filtro.

1. Configuración: Configura el Generador de funciones (V1) para emitir una Onda senoidal con una amplitud de 5 Vpp.
2. Prueba de baja frecuencia (Banda pasante):
   • Establece la frecuencia de V1 a 100 Hz.
   • Observa el Canal 1 (Entrada) y el Canal 2 (Salida) en el osciloscopio.
   • Resultado: La onda de salida (VOUT) debe ser casi idéntica en amplitud a la entrada (VIN).
3. Prueba de frecuencia de corte (fc):
   • Calcula el corte teórico: fc = (R / (2\pi L)) ≈ (100 / (2\pi × 0.01)) ≈ 1.59 kHz.
   • Establece la frecuencia de V1 a 1.6 kHz.
   • Resultado: VOUT debe ser de aproximadamente 3.5 Vpp (aproximadamente 0.707 × 5 Vpp). También notarás un desfase de -45°.
4. Prueba de alta frecuencia (Banda de parada):
   • Establece la frecuencia de V1 a 50 kHz.
   • Resultado: La onda de salida (VOUT) debe ser muy pequeña (altamente atenuada) en comparación con la entrada.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Simple RL Low-Pass Filter
.width out=256

* --- Component Definitions ---

* V1: Function Generator (Sine wave source)
* Wiring: Connects between node VIN (Positive) and node 0 (GND)
* Configuration: Sine wave, 0V offset, 5V amplitude, 2kHz frequency
* (Note: Cutoff frequency fc = R/(2*pi*L) approx 1.6kHz. 2kHz chosen to show attenuation)
V1 VIN 0 SIN(0 5 2k)

* L1: 10 mH inductor
* Wiring: Connects between node VIN and node VOUT
L1 VIN VOUT 10m

* R1: 100 Ohm resistor
* Wiring: Connects between node VOUT and node 0 (GND)
R1 VOUT 0 100

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

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* Practical case: Simple RL Low-Pass Filter
.width out=256

* --- Component Definitions ---

* V1: Function Generator (Sine wave source)
* Wiring: Connects between node VIN (Positive) and node 0 (GND)
* Configuration: Sine wave, 0V offset, 5V amplitude, 2kHz frequency
* (Note: Cutoff frequency fc = R/(2*pi*L) approx 1.6kHz. 2kHz chosen to show attenuation)
V1 VIN 0 SIN(0 5 2k)

* L1: 10 mH inductor
* Wiring: Connects between node VIN and node VOUT
L1 VIN VOUT 10m

* R1: 100 Ohm resistor
* Wiring: Connects between node VOUT and node 0 (GND)
R1 VOUT 0 100

* --- Analysis Commands ---

* Transient Analysis
* Step size: 1us
* Stop time: 2ms (sufficient to capture several cycles at 2kHz)
.tran 1u 2m

* Operating Point Analysis (DC check)
.op

* --- Output Directives ---

* Print Input (VIN) and Output (VOUT) voltages for simulation logging
* Scope Channel 1: VIN
* Scope Channel 2: VOUT
.print tran V(VIN) V(VOUT) I(L1)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation shows a sinusoidal input (VIN) and a sinusoidal output (VOUT). At 2kHz, the output amplitude (approx 3V peak) is attenuated relative to the input (5V peak) and phase-shifted, consistent with RL low-pass filter behavior near its cutoff frequency.

Show raw data table (2012 rows)

Index   time            v(vin)          v(vout)         l1#branch
0	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00
1	1.000000e-08	6.283185e-04	6.282557e-08	6.282557e-10
2	1.084006e-08	6.811008e-04	6.854662e-08	6.854662e-10
3	1.252017e-08	7.866654e-04	8.087543e-08	8.087543e-10
4	1.588039e-08	9.977945e-04	1.108531e-07	1.108531e-09
5	2.260084e-08	1.420053e-03	1.920880e-07	1.920880e-09
6	3.604174e-08	2.264569e-03	4.396687e-07	4.396687e-09
7	6.292353e-08	3.953601e-03	1.275216e-06	1.275216e-08
8	1.166871e-07	7.331665e-03	4.307397e-06	4.307397e-08
9	2.242143e-07	1.408778e-02	1.581244e-05	1.581244e-07
10	4.392686e-07	2.759992e-02	6.055593e-05	6.055593e-07
11	8.693773e-07	5.462350e-02	2.367416e-04	2.367416e-06
12	1.729595e-06	1.086651e-01	9.340244e-04	9.340244e-06
13	2.729595e-06	1.714719e-01	2.318447e-03	2.318447e-05
14	3.729595e-06	2.342516e-01	4.313902e-03	4.313902e-05
15	4.729595e-06	2.969943e-01	6.913992e-03	6.913992e-05
16	5.729595e-06	3.596901e-01	1.011228e-02	1.011228e-04
17	6.729595e-06	4.223291e-01	1.390231e-02	1.390231e-04
18	7.729595e-06	4.849014e-01	1.827756e-02	1.827756e-04
19	8.729595e-06	5.473972e-01	2.323151e-02	2.323151e-04
20	9.729595e-06	6.098065e-01	2.875758e-02	2.875758e-04
21	1.072959e-05	6.721195e-01	3.484918e-02	3.484918e-04
22	1.172959e-05	7.343264e-01	4.149966e-02	4.149966e-04
23	1.272959e-05	7.964173e-01	4.870237e-02	4.870237e-04
... (1988 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Medir a través del inductor: Si mides el voltaje a través de L1 en lugar de R1, creas un filtro paso alto (que deja pasar las frecuencias altas). Solución: Asegúrate de que la sonda del osciloscopio monitoree el nodo entre L1 y R1 con respecto a Tierra.
2. Usar entrada de CC: Un inductor actúa como un cortocircuito en CC (después del transitorio). Solución: Asegúrate de que el generador de funciones esté configurado en CA (Onda senoidal) para observar los efectos de la reactancia.
3. Saturación del inductor: El uso de un núcleo de inductor muy pequeño con alta corriente puede saturar el campo magnético, distorsionando la forma de onda. Solución: Usa un inductor apropiado o mantén la corriente de la señal dentro de la clasificación del componente.

Solución de problemas

• Síntoma: VOUT es cero en todas las frecuencias.
  • Causa: Circuito abierto en el cableado o cable del inductor roto.
  • Solución: Verifica la continuidad de L1 y las conexiones en VIN y VOUT.
• Síntoma: VOUT es igual a VIN en todas las frecuencias.
  • Causa: El inductor L1 está en cortocircuito o R1 está desconectada (abierta).
  • Solución: Mide la resistencia de L1 (debe ser distinta de cero pero baja) y asegúrate de que R1 esté correctamente conectada a tierra.
• Síntoma: No se observa atenuación a 50 kHz.
  • Causa: El valor del inductor es demasiado pequeño o el valor de la resistencia es demasiado grande (la frecuencia de corte es demasiado alta).
  • Solución: Verifica los valores de los componentes. Intenta aumentar L1 o disminuir R1 para reducir la frecuencia de corte.

Posibles mejoras y extensiones

1. Diagrama de Bode: Registra manualmente la amplitud de VOUT en 10 frecuencias diferentes de 100 Hz a 100 kHz y traza los resultados en papel semilogarítmico para visualizar la caída de -20dB/década.
2. Filtro de segundo orden: Agrega un condensador en paralelo con R1 para crear un filtro paso bajo RLC, creando una caída más pronunciada (-40dB/década) y potencialmente introduciendo resonancia.

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Carlos Núñez Zorrilla

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

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¿Quiénes somos?

Nivel: Básico. Observe el retardo en la activación de la lámpara debido a la autoinducción.

Objetivo y caso de uso

En esta sesión, construirá un circuito que demuestra cómo un inductor se opone a los cambios rápidos en el flujo de corriente. Al colocar un inductor grande en serie con una lámpara (con una resistencia de derivación en paralelo), creará un efecto visual de «arranque suave» donde la luz comienza tenue y gradualmente aumenta su brillo.

Por qué es útil:
* Limitación de corriente de irrupción: Utilizado en fuentes de alimentación y motores grandes para evitar que se fundan los fusibles cuando se encienden los dispositivos por primera vez.
* Circuitos de arranque suave: Protege filamentos y componentes delicados del choque térmico.
* Filtrado: Suaviza el ruido y las ondulaciones en las líneas de alimentación de CC.

Resultado esperado:
* Cuando se cierra el interruptor, la lámpara se encenderá inmediatamente pero tenuemente.
* Durante un período corto (0,5 a 2 segundos, dependiendo de la inductancia), la lámpara alcanzará su brillo máximo.
* Esto visualiza al inductor actuando inicialmente como un «circuito abierto» (bloqueando la corriente) y haciendo la transición a un «cortocircuito» (permitiendo el flujo total).
* Público objetivo: Estudiantes de electrónica básica y aficionados.

Materiales

• V1: Fuente de alimentación de 12 V CC o batería.
• S1: Interruptor mecánico SPST (de palanca o pulsador).
• L1: Inductor de núcleo de hierro de 1 H a 2 H, función: crea oposición al cambio de corriente (p. ej., un devanado primario de transformador usado como choque).
• R1: Resistencia de 220 Ω (1 Watt o superior), función: camino de derivación para contraste visual.
• X1: Lámpara incandescente de 12 V / 100 mA (bombilla pequeña), función: carga de salida visual.

Guía de conexionado

Construya el circuito utilizando las siguientes conexiones. Los nombres de los nodos (p. ej., VCC, SW_OUT) ayudan a identificar los puntos eléctricos.

• V1 (Fuente CC): Conecte el terminal positivo a VCC y el terminal negativo a 0 (GND).
• S1 (Interruptor): Conecte entre VCC y el nodo SW_OUT.
• L1 (Inductor): Conecte entre el nodo SW_OUT y el nodo LAMP_IN.
• R1 (Resistencia): Conecte entre el nodo SW_OUT y el nodo LAMP_IN (esto coloca R1 en paralelo con L1).
• X1 (Lámpara): Conecte entre el nodo LAMP_IN y 0 (GND).

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

(Node: SW_OUT)          (Node: LAMP_IN)
                                              /--> [ L1: Inductor ] --\
[ V1: 12 V Source ] --(VCC)--> [ S1: Switch ] --                        --> [ X1: Lamp ] --> GND
                                              \--> [ R1: Resistor ] --/

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

Siga estos pasos para validar el fenómeno:

1. Estado inicial: Asegúrese de que el interruptor S1 esté abierto. La lámpara X1 debería estar apagada.
2. Observación: Mantenga la vista en la lámpara X1.
3. Acción: Cierre el interruptor S1.
4. Validación visual:
   • Fase 1 (Instantánea): La lámpara se enciende aproximadamente al 30–50% de brillo. (La corriente fluye a través de R1, ya que L1 se opone al cambio repentino).
   • Fase 2 (Retardo): El brillo de la lámpara aumenta suavemente hasta el 100%. (A medida que el campo magnético en L1 se estabiliza, permite el paso total de corriente, evitando R1).
5. Medición de voltaje (Opcional): Si tiene un multímetro, coloque las sondas a través del Inductor (SW_OUT a LAMP_IN).
   • En el momento del contacto, el voltaje es alto (aprox. 6–8 V).
   • Después de 1–2 segundos, el voltaje cae a cerca de 0 V.

Netlist SPICE y simulación

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

* Title: Practical case: Opposition to DC current change
.width out=256
* Description: Demonstrates inductive opposition to current change (dim-to-bright lamp effect)

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

* --- User Interface (Switch Control) ---
* Generates a control pulse to simulate pressing the button.
* Button Press: Starts at 10ms, Duration 300ms.
V_BTN_CTRL CTRL 0 PULSE(0 5 10m 1u 1u 300m 600m)

* --- Components ---

* S1: SPST Mechanical Switch
* Connected between VCC and SW_OUT.
* Modeled as a voltage-controlled switch driven by the control pulse.
S1 VCC SW_OUT CTRL 0 SW_IDEAL

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

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* Title: Practical case: Opposition to DC current change
.width out=256
* Description: Demonstrates inductive opposition to current change (dim-to-bright lamp effect)

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

* --- User Interface (Switch Control) ---
* Generates a control pulse to simulate pressing the button.
* Button Press: Starts at 10ms, Duration 300ms.
V_BTN_CTRL CTRL 0 PULSE(0 5 10m 1u 1u 300m 600m)

* --- Components ---

* S1: SPST Mechanical Switch
* Connected between VCC and SW_OUT.
* Modeled as a voltage-controlled switch driven by the control pulse.
S1 VCC SW_OUT CTRL 0 SW_IDEAL

* L1: 1.5H Iron-core Inductor
* Creates opposition to current change.
* Connected between SW_OUT and LAMP_IN.
L1 SW_OUT LAMP_IN 1.5

* R1: 220 Ohm Resistor
* Bypass path for visual contrast (parallel to L1).
* Connected between SW_OUT and LAMP_IN.
R1 SW_OUT LAMP_IN 220

* X1: 12V / 100mA Incandescent Lamp
* Modeled as a resistor: R = V / I = 12 / 0.1 = 120 Ohms.
* Connected between LAMP_IN and 0 (GND).
R_X1 LAMP_IN 0 120

* --- Models ---
* Ideal switch model: Low resistance when ON, High when OFF.
.model SW_IDEAL sw(vt=2.5 ron=0.01 roff=100Meg)

* --- Simulation Setup ---
* Transient analysis to capture the inductive time constant (approx 20ms).
* Simulation time: 500ms to allow full settling.
.op
.tran 1m 500m

* --- Output Directives ---
* V(SW_OUT): Input voltage to the LR network (Switch Output).
* V(LAMP_IN): Voltage across the Lamp (Visual Output).
.print tran V(SW_OUT) V(LAMP_IN) I(L1)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation shows the switch closing at 10ms (Index 26), causing V(SW_OUT) to jump to ~12V. V(LAMP_IN) rises to ~4.2V initially due to the inductive kick/impedance, then settles. The current I(L1) is initially very low and rises, demonstrating the inductive opposition to current change.

Show raw data table (564 rows)

Index   time            v(sw_out)       v(lamp_in)      l1#branch
0	0.000000e+00	1.439998e-05	1.439998e-05	1.199999e-07
1	1.000000e-05	1.439998e-05	1.439998e-05	1.199999e-07
2	2.000000e-05	1.439998e-05	1.439998e-05	1.199999e-07
3	4.000000e-05	1.439998e-05	1.439998e-05	1.199999e-07
4	8.000000e-05	1.439998e-05	1.439998e-05	1.199999e-07
5	1.600000e-04	1.439998e-05	1.439998e-05	1.199999e-07
6	3.200000e-04	1.439998e-05	1.439998e-05	1.199999e-07
7	6.400000e-04	1.439998e-05	1.439998e-05	1.199999e-07
8	1.280000e-03	1.439998e-05	1.439998e-05	1.199999e-07
9	2.280000e-03	1.439998e-05	1.439998e-05	1.199999e-07
10	3.280000e-03	1.439998e-05	1.439998e-05	1.199999e-07
11	4.280000e-03	1.439998e-05	1.439998e-05	1.199999e-07
12	5.280000e-03	1.439998e-05	1.439998e-05	1.199999e-07
13	6.280000e-03	1.439998e-05	1.439998e-05	1.199999e-07
14	7.280000e-03	1.439998e-05	1.439998e-05	1.199999e-07
15	8.280000e-03	1.439998e-05	1.439998e-05	1.199999e-07
16	9.280000e-03	1.439998e-05	1.439998e-05	1.199999e-07
17	1.000000e-02	1.439998e-05	1.439998e-05	1.199999e-07
18	1.000010e-02	1.439998e-05	1.439998e-05	1.199999e-07
19	1.000026e-02	1.439998e-05	1.439998e-05	1.199999e-07
20	1.000031e-02	1.439998e-05	1.439998e-05	1.199999e-07
21	1.000039e-02	1.439998e-05	1.439998e-05	1.199999e-07
22	1.000041e-02	1.439998e-05	1.439998e-05	1.199999e-07
23	1.000045e-02	1.439998e-05	1.439998e-05	1.199999e-07
... (540 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Usar un LED en lugar de una lámpara incandescente: Los LED responden demasiado rápido y tienen una resistencia no lineal, haciendo que el efecto de «aumento gradual» sea muy difícil de ver. Solución: Use siempre una bombilla incandescente o un relé basado en bobina para esta demostración.
2. Valor del inductor demasiado pequeño: Si usa un inductor pequeño de núcleo de aire (p. ej., 100 µH), el retardo será de microsegundos, invisible para el ojo. Solución: Use un inductor grande de núcleo de hierro, como la bobina primaria de un transformador de red (asegúrese de que esté clasificado para la corriente continua).
3. Omitir la resistencia en paralelo: Sin R1, la lámpara podría simplemente permanecer apagada por una fracción de segundo y luego encenderse de golpe, lo cual puede parecer un rebote del interruptor en lugar de una transición suave. Solución: R1 proporciona un estado de referencia inmediato «tenue», haciendo que la transición a «brillante» sea mucho más obvia.

Solución de problemas

• La lámpara se enciende con brillo máximo al instante: El valor del inductor es demasiado bajo o el inductor está en cortocircuito. Verifique si está usando una bobina de núcleo de aire; cambie a una de núcleo de hierro.
• La lámpara nunca alcanza el brillo máximo: El inductor podría tener una resistencia interna de CC muy alta (cable fino). Mida la resistencia de la bobina del inductor; si es comparable a la resistencia R1, la corriente nunca evitará completamente la resistencia.
• Chispas en el interruptor al apagar: Los inductores generan voltaje de fuerza contraelectromotriz (back-EMF) cuando el circuito se interrumpe. R1 actúa como un amortiguador (snubber) aquí, pero si las chispas persisten, asegúrese de que su interruptor esté clasificado para cargas inductivas.

Posibles mejoras y extensiones

1. Visualización con osciloscopio: Conecte el canal 1 de un osciloscopio a través de la Lámpara. Verá una curva exponencial ascendente, permitiéndole calcular la Constante de Tiempo (\tau = L / R).
2. Retardo variable: Reemplace R1 con un potenciómetro y experimente cómo el cambio de la resistencia en paralelo afecta el brillo inicial «tenue» y la velocidad de transición percibida.

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Nivel: Básico – Demostrar la relación entre la corriente y el campo magnético utilizando un núcleo de hierro.

Objetivo y caso de uso

En este experimento, construirás un electroimán funcional enrollando alambre de cobre aislado alrededor de un núcleo ferromagnético (clavo o perno de hierro) y alimentándolo con una fuente de CC.

• Por qué es útil:
  • Relés electromecánicos: Utilizados para conmutar circuitos de alto voltaje usando señales de bajo voltaje.
  • Motores eléctricos: Principio fundamental para convertir energía eléctrica en movimiento mecánico.
  • Solenoides: Utilizados en cerraduras electrónicas de puertas, válvulas y arranques de automóviles.
  • Elevación industrial: Grandes electroimanes utilizados para levantar chatarra metálica en desguaces.
• Resultado esperado:
  • Cuando el interruptor está abierto, el núcleo no exhibe propiedades magnéticas; las limaduras de hierro o los clips permanecen en la mesa.
  • Cuando el interruptor está cerrado, la corriente fluye a través de la bobina, generando un campo magnético.
  • El núcleo de hierro concentra el flujo magnético, permitiendo que el dispositivo levante pequeños objetos metálicos (clips, arandelas).
  • Soltar el interruptor detiene la corriente, causando que los objetos caigan inmediatamente.
• Público objetivo: Estudiantes y aficionados aprendiendo electromagnetismo básico.

Materiales

• V1: Paquete de baterías de 4.5 V CC (3x baterías AA), función: fuente de energía.
• S1: Interruptor pulsador momentáneo (NO), función: control de corriente.
• L1: Bobina solenoide (aprox. 50-100 vueltas de alambre de cobre esmaltado), función: genera campo magnético.
• CORE: Clavo grande o perno de hierro (hierro dulce), función: núcleo magnético para L1.
• R1: Resistencia de potencia de 1 Ω (5W) o similar, función: limitación de corriente (opcional pero recomendado para proteger la batería).
• X1: Limaduras de hierro o pequeños clips de acero, función: carga de prueba para visualizar la atracción.

Guía de conexionado

• V1 (Positivo): Se conecta al nodo VCC.
• V1 (Negativo): Se conecta al nodo 0 (GND).
• S1: Se conecta entre el nodo VCC y el nodo SW_OUT.
• R1: Se conecta entre el nodo SW_OUT y el nodo COIL_IN.
• L1: Se conecta entre el nodo COIL_IN y el nodo 0 (GND).
  • Nota: El alambre para L1 debe estar físicamente enrollado firmemente alrededor del CORE.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ V1: 4.5 V Battery ] --(VCC)--> [ S1: Push Button ] --(SW_OUT)--> [ R1: 1 Ω Resistor ] --(COIL_IN)--> [ L1: Coil + Iron Core ] --> GND
                                                                                                                |
                                                                                                         (Magnetic Field)
                                                                                                                |
                                                                                                                V
                                                                                                       [ X1: Paperclips ]

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

1. Comprobación inicial: Antes de conectar la batería, coloque el CORE (con el alambre enrollado alrededor) cerca de las limaduras de hierro (X1). Confirme que no hay atracción.
2. Activación: Mantenga presionado S1 para cerrar el circuito.
3. Observación: Mientras sostiene S1, mueva la punta del CORE cerca de las limaduras de hierro o clips.
4. Verificación: Observe que los objetos metálicos se adhieren al CORE.
5. Desactivación: Suelte S1. La corriente deja de fluir, el campo magnético colapsa y los objetos deberían caerse.
6. Comprobación de corriente (Opcional): Conecte un multímetro en serie entre S1 y R1 para medir el flujo de corriente (Amperios) durante la activación.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: The coil as a simple electromagnet
.width out=256

* --- Power Source ---
* V1: 4.5 V DC Battery pack (3x AA batteries)
V1 VCC 0 DC 4.5

* --- Control Signal for Switch S1 ---
* Simulates the user pressing the button (S1).
* Logic: 0V (Released) -> 5V (Pressed).
* Timing: Press at 1ms, hold for 50ms, release.
V_S1_CTRL S1_GATE 0 PULSE(0 5 1m 1u 1u 50m 100m)

* --- Circuit Components ---

* S1: Momentary Push-button Switch (NO)
* Function: Connects VCC to SW_OUT when S1_GATE is High.
S1 VCC SW_OUT S1_GATE 0 SW_MODEL

* R1: 1 Ohm Power Resistor
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: The coil as a simple electromagnet
.width out=256

* --- Power Source ---
* V1: 4.5 V DC Battery pack (3x AA batteries)
V1 VCC 0 DC 4.5

* --- Control Signal for Switch S1 ---
* Simulates the user pressing the button (S1).
* Logic: 0V (Released) -> 5V (Pressed).
* Timing: Press at 1ms, hold for 50ms, release.
V_S1_CTRL S1_GATE 0 PULSE(0 5 1m 1u 1u 50m 100m)

* --- Circuit Components ---

* S1: Momentary Push-button Switch (NO)
* Function: Connects VCC to SW_OUT when S1_GATE is High.
S1 VCC SW_OUT S1_GATE 0 SW_MODEL

* R1: 1 Ohm Power Resistor
* Function: Current limiting between Switch and Coil.
R1 SW_OUT COIL_IN 1

* L1: Solenoid Coil (approx 50-100 turns on Soft Iron Core)
* Function: Generates magnetic field.
* Value: 5mH (Estimated for described coil).
L1 COIL_IN 0 5m

* D1: Flyback Diode (Added per review)
* Function: Protects S1 by clamping inductive kickback when switch opens.
* Connection: Anode to GND (0), Cathode to COIL_IN.
D1 0 COIL_IN D_1N4007

* --- Models ---
* Switch Model: Low resistance ON, High resistance OFF.
.model SW_MODEL sw (vt=2.5 vh=0.2 ron=0.05 roff=100Meg)

* Diode Model: Standard Silicon Rectifier (1N4007).
.model D_1N4007 D (IS=2.5n RS=0.04 N=1.7 BV=1000 IBV=5u)

* --- Analysis ---
* Transient analysis for 100ms to capture energizing and de-energizing.
.tran 10u 100m
.op

* --- Output Directives ---
* V(S1_GATE): Input Control
* V(COIL_IN): Output Voltage at Coil
* V(SW_OUT): Voltage after Switch
* I(L1): Current through Coil (Magnetic Field Strength)
.print tran V(S1_GATE) V(COIL_IN) V(SW_OUT) I(L1)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The provided log data only covers the initial OFF state (0s) and the final OFF state (100ms). The signals are effectively zero (nano-amps range), confirming the circuit returns to rest, although there is some negligible numerical ringing (+/- 80mV) at the coil input in the final steps.

Show raw data table (10053 rows)

Index   time            v(s1_gate)      v(coil_in)      v(sw_out)       l1#branch
0	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	4.500000e-08	4.500000e-08
1	1.000000e-07	0.000000e+00	-1.58289e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
2	2.000000e-07	0.000000e+00	-1.58289e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
3	4.000000e-07	0.000000e+00	-1.58289e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
4	8.000000e-07	0.000000e+00	-2.44581e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
5	1.600000e-06	0.000000e+00	3.684064e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
6	3.200000e-06	0.000000e+00	-3.03688e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
7	6.400000e-06	0.000000e+00	2.882625e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
8	1.280000e-05	0.000000e+00	-3.16655e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
9	2.280000e-05	0.000000e+00	2.975540e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
10	3.280000e-05	0.000000e+00	-3.05533e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
11	4.280000e-05	0.000000e+00	2.975540e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
12	5.280000e-05	0.000000e+00	-3.05533e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
13	6.280000e-05	0.000000e+00	2.975540e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
14	7.280000e-05	0.000000e+00	-3.05533e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
15	8.280000e-05	0.000000e+00	2.975540e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
16	9.280000e-05	0.000000e+00	-3.05533e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
17	1.028000e-04	0.000000e+00	2.975540e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
18	1.128000e-04	0.000000e+00	-3.05533e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
19	1.228000e-04	0.000000e+00	2.975540e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
20	1.328000e-04	0.000000e+00	-3.05533e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
21	1.428000e-04	0.000000e+00	2.975540e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
22	1.528000e-04	0.000000e+00	-3.05533e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
23	1.628000e-04	0.000000e+00	2.975540e-19	4.500000e-08	4.500000e-08
... (10029 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Sobrecalentamiento de la batería/alambre: Crear una bobina con muy baja resistencia (alambre corto) consume una corriente excesiva. Solución: Use un alambre más largo (más vueltas) o incluya la resistencia limitadora R1.
2. Usar un núcleo no magnético: Enrollar alambre alrededor de aluminio, plástico o madera. Solución: Asegúrese de que el núcleo sea ferromagnético (hierro o acero) para concentrar las líneas de campo magnético.
3. Dejar el interruptor cerrado demasiado tiempo: Esto agota la batería rápidamente y calienta la bobina. Solución: Use un pulsador momentáneo y solo pulse la energía para pruebas cortas.

Solución de problemas

• Síntoma: No hay atracción magnética cuando se presiona el interruptor.
  • Causa: Batería muerta o conexión del circuito rota (el aislamiento de esmalte no se peló en los puntos de conexión).
  • Solución: Verifique el voltaje de la batería; asegúrese de que los extremos del alambre magnético estén lijados hasta el cobre desnudo antes de conectarlos al circuito.
• Síntoma: Atracción magnética muy débil.
  • Causa: Muy pocas vueltas en la bobina o corriente baja.
  • Solución: Añada más vueltas de alambre alrededor del clavo; asegúrese de que los devanados estén apretados y ordenados.
• Síntoma: El alambre se calienta extremadamente de inmediato.
  • Causa: Condición de cortocircuito (resistencia demasiado baja).
  • Solución: Añada la resistencia en serie R1 o aumente la longitud del alambre utilizado para L1.

Posibles mejoras y extensiones

1. Fuerza variable: Añada un potenciómetro (reóstato) en serie para variar la corriente y observar cómo cambia la capacidad de levantamiento (número de clips levantados).
2. Comparación de núcleos: Reemplace el clavo de hierro con un núcleo de aire (retire el clavo) o una varilla de latón para demostrar la importancia de la permeabilidad en los electroimanes.

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

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

Sígueme:

¿Quiénes somos?

Nivel: Básico. Compare la eficiencia de conmutación y los requisitos de excitación de los transistores BJT y MOSFET.

Objetivo y caso de uso

Usted construirá dos circuitos de conmutación en paralelo utilizando un BJT (Transistor de Unión Bipolar) y un MOSFET (Transistor de Efecto de Campo Metal-Óxido-Semiconductor) para alimentar cargas LED idénticas. Al medir las corrientes de entrada y las caídas de voltaje de salida, observará las diferencias fundamentales en cómo estos dispositivos controlan la potencia.

Por qué es útil:
* Eficiencia: Entender qué transistor disipa menos potencia (calor) en una aplicación específica.
* Interfaz con microcontroladores: Aprender qué dispositivo se conecta directamente a pines lógicos sin cargar el procesador.
* Requisitos de excitación: Distinguir entre dispositivos controlados por corriente (BJT) y dispositivos controlados por voltaje (MOSFET).
* Selección de componentes: Tomar decisiones informadas para controladores de motores, controles de relés y conmutación de alta potencia.

Resultado esperado:
* Corriente de entrada: El BJT consumirá una corriente medible en su Base, mientras que la corriente de Puerta (Gate) del MOSFET será cercana a cero.
* Caída de voltaje: Medirá diferentes caídas de voltaje (VCE vs VDS) a través de los transistores cuando estén encendidos (ON).
* Acción del LED: Ambos LEDs se encenderán, confirmando visualmente la acción de conmutación.

Público objetivo y nivel:
Estudiantes y aficionados que aprenden las características de los componentes.

Materiales

• V1: Fuente de alimentación de 5 V DC, función: Fuente de alimentación principal.
• S1: Interruptor de palanca SPST, función: Señal de control de entrada.
• Q1: Transistor NPN 2N2222, función: Interruptor controlado por corriente.
• M1: MOSFET de Canal N 2N7000, función: Interruptor controlado por voltaje.
• R1: Resistencia de 1 kΩ, función: Limitación de corriente para la Base del BJT.
• R2: Resistencia de 10 kΩ, función: Pull-down para la señal del interruptor.
• R3: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente para la carga del BJT (LED).
• R4: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente para la carga del MOSFET (LED).
• D1: LED Rojo, función: Indicador de carga para el BJT.
• D2: LED Verde, función: Indicador de carga para el MOSFET.

Guía de conexionado

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

Sección de señal de control:
* S1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo CTRL.
* R2 se conecta entre el nodo CTRL y el nodo 0 (GND).

Circuito BJT (Controlado por corriente):
* R1 se conecta entre el nodo CTRL y el nodo B_BASE.
* La Base de Q1 se conecta al nodo B_BASE.
* El Emisor de Q1 se conecta al nodo 0.
* El Colector de Q1 se conecta al nodo B_COLL.
* El Ánodo de D1 se conecta al nodo VCC.
* El Cátodo de D1 se conecta al nodo D1_K.
* R3 se conecta entre el nodo D1_K y el nodo B_COLL.

Circuito MOSFET (Controlado por voltaje):
* La Puerta (Gate) de M1 se conecta directamente al nodo CTRL.
* La Fuente (Source) de M1 se conecta al nodo 0.
* El Drenador (Drain) de M1 se conecta al nodo M_DRAIN.
* El Ánodo de D2 se conecta al nodo VCC.
* El Cátodo de D2 se conecta al nodo D2_K.
* R4 se conecta entre el nodo D2_K y el nodo M_DRAIN.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

+-------------------------------------------------------------------------+
|               PRACTICAL CASE: COMPARING BJT AND MOSFET SWITCHES         |
+-------------------------------------------------------------------------+

1. CONTROL SIGNAL GENERATION
   (Creates the "CTRL" signal used by both circuits below)

   VCC (5 V) --> [ S1: Switch ] --+--(Node: CTRL)
                                 |
                                            +--> [ R2: 10k Pull-Down ] --> GND


2. BJT CIRCUIT (Current Controlled)
   (Requires Base Resistor R1 for current limiting)

   [ Node: CTRL ] --(Signal)--> [ R1: 1k ] --(I_Base)--> [ Q1: Base ]
                                                             |
                                                         (Controls)
                                                             |
                                                             v
   VCC --> [ D1: Red LED ] --> [ R3: 330 ] --> [ Q1: Collector ]
                                                             |
                                                         (Switch)
                                                             |
                                               +--> [ Q1: Emitter ] --> GND


3. MOSFET CIRCUIT (Voltage Controlled)
   (Gate connects directly; controlled by Voltage Field)

   [ Node: CTRL ] --(Voltage)--------------------------> [ M1: Gate ]
                                                             |
                                                         (Controls)
                                                             |
                                                             v
   VCC --> [ D2: Grn LED ] --> [ R4: 330 ] --> [ M1: Drain ]
                                                             |
                                                         (Switch)
                                                             |
                                                             +--> [ M1: Source ] --> GND

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

Realice los siguientes pasos para validar las diferencias entre los transistores.

1. Encendido (Switch ON): Cierre el interruptor S1 para aplicar 5 V al nodo de control. Asegúrese de que tanto D1 (Rojo) como D2 (Verde) se enciendan.
2. Prueba 1: Corriente de entrada (Ganancia de corriente vs. Efecto de campo):
   • Mida el voltaje a través de R1 (1 kΩ). Use la Ley de Ohm ($I = V/R$) para calcular la corriente de Base (IB) que fluye hacia Q1.
   • Resultado: Debería calcular aproximadamente 4.3 mA.
   • Intente medir la corriente que fluye hacia la Puerta (Gate) de M1.
   • Resultado: Debería ser efectivamente 0 mA (típicamente nano-amperios), demostrando que el MOSFET es controlado por voltaje.
3. Prueba 2: Eficiencia de conmutación (Caída de voltaje):
   • Mida el voltaje desde el Colector al Emisor de Q1 (VCE).
   • Resultado: Espere una caída de aproximadamente 0.1 V a 0.2 V (Voltaje de saturación).
   • Mida el voltaje desde el Drenador (Drain) a la Fuente (Source) de M1 (VDS).
   • Resultado: Para corrientes pequeñas con un 2N7000, esta caída es a menudo muy baja (milivoltios), dependiente de Iload × Rdson.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Comparing BJT and MOSFET Switches
.width out=256

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

* --- Control Signal Section ---
* S1: SPST toggle switch connecting VCC to CTRL.
* Modeled as a voltage-controlled switch (S1) driven by a behavioral pulse source (V_SW_ACT)
* to simulate the user pressing the button periodically.
V_SW_ACT SW_CTRL 0 PULSE(0 5 10u 1u 1u 100u 200u)
S1 VCC CTRL SW_CTRL 0 SWITCH_MOD

* R2: Pull-down resistor (10k) ensures CTRL goes to 0V when switch is open
R2 CTRL 0 10k

* --- BJT Circuit (Current Controlled) ---
* R1: Current limiting resistor for Base (1k)
R1 CTRL B_BASE 1k
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Comparing BJT and MOSFET Switches
.width out=256

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

* --- Control Signal Section ---
* S1: SPST toggle switch connecting VCC to CTRL.
* Modeled as a voltage-controlled switch (S1) driven by a behavioral pulse source (V_SW_ACT)
* to simulate the user pressing the button periodically.
V_SW_ACT SW_CTRL 0 PULSE(0 5 10u 1u 1u 100u 200u)
S1 VCC CTRL SW_CTRL 0 SWITCH_MOD

* R2: Pull-down resistor (10k) ensures CTRL goes to 0V when switch is open
R2 CTRL 0 10k

* --- BJT Circuit (Current Controlled) ---
* R1: Current limiting resistor for Base (1k)
R1 CTRL B_BASE 1k

* Q1: 2N2222 NPN Transistor
* Syntax: Qname Collector Base Emitter Model
Q1 B_COLL B_BASE 0 2N2222

* BJT Load Indicator: Red LED (D1) and Resistor (R3)
* D1 Anode connects to VCC, Cathode to D1_K
D1 VCC D1_K LED_RED
* R3 connects between D1_K and BJT Collector
R3 D1_K B_COLL 330

* --- MOSFET Circuit (Voltage Controlled) ---
* M1: 2N7000 N-Channel MOSFET
* Syntax: Mname Drain Gate Source Bulk Model
M1 M_DRAIN CTRL 0 0 2N7000

* MOSFET Load Indicator: Green LED (D2) and Resistor (R4)
* D2 Anode connects to VCC, Cathode to D2_K
D2 VCC D2_K LED_GREEN
* R4 connects between D2_K and MOSFET Drain
R4 D2_K M_DRAIN 330

* --- Component Models ---

* Switch Model (Threshold 2.5V, Low On-Resistance)
.model SWITCH_MOD SW(Vt=2.5 Ron=0.1 Roff=10Meg)

* BJT Model (Standard 2N2222 parameters)
.model 2N2222 NPN(IS=1E-14 BF=200 VAF=100 IKF=0.3 XTB=1.5 BR=3 CJC=8p CJE=25p TR=46n TF=411p RC=0.3 RE=0.2)

* MOSFET Model (2N7000 approximation Level 1)
.model 2N7000 NMOS(Level=1 VTO=2.1 KP=0.12 LAMBDA=0.01 RD=1 RS=1 CGSO=10p CGDO=10p CGBO=10p)

* LED Models (Generic Red and Green)
* Red LED approx 1.8V drop
.model LED_RED D(IS=1e-20 N=2.0 RS=5 BV=5 IBV=10u CJO=10p)
* Green LED approx 2.1V drop
.model LED_GREEN D(IS=1e-22 N=1.5 RS=5 BV=5 IBV=10u CJO=10p)

* --- Analysis Directives ---
.op
* Transient analysis: 1us step, 500us duration (captures 2.5 cycles of 200us pulse)
.tran 1u 500u

* Output Print Directives
* Order: Input (CTRL), BJT Output (Collector), MOSFET Output (Drain)
.print tran V(CTRL) V(B_COLL) V(M_DRAIN)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation confirms correct switching behavior. Initially (Time=0 to ~10us), CTRL is low (~5mV), BJT Collector is high (~3.95V, LED OFF), and MOSFET Drain is high (~4.06V, LED OFF). When the pulse activates (Time > 10us), CTRL goes high (~5V), BJT Collector drops to saturation (~24mV, LED ON), and MOSFET Drain drops to low resistance state (~46mV, LED ON).

Show raw data table (638 rows)

Index   time            v(ctrl)         v(b_coll)       v(m_drain)
0	0.000000e+00	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
1	1.000000e-08	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
2	2.000000e-08	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
3	4.000000e-08	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
4	8.000000e-08	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
5	1.600000e-07	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
6	3.200000e-07	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
7	6.400000e-07	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
8	1.280000e-06	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
9	2.280000e-06	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
10	3.280000e-06	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
11	4.280000e-06	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
12	5.280000e-06	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
13	6.280000e-06	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
14	7.280000e-06	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
15	8.280000e-06	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
16	9.280000e-06	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
17	1.000000e-05	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
18	1.010000e-05	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
19	1.026000e-05	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
20	1.030750e-05	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
21	1.039062e-05	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
22	1.041363e-05	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
23	1.045390e-05	4.995044e-03	3.947532e+00	4.062211e+00
... (614 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Omitir la resistencia de Base (R1): Conectar 5 V directamente a la Base del BJT destruirá el transistor inmediatamente debido a una corriente excesiva. Siempre use una resistencia limitadora.
2. Dejar la Puerta (Gate) del MOSFET flotante: Si se quita R2 (pull-down) y S1 está abierto, el MOSFET puede encenderse/apagarse aleatoriamente debido a la carga estática. Siempre conecte la Puerta a un nivel conocido.
3. Confusión en el pinout: Confundir el Drenador/Fuente en el MOSFET o el Colector/Emisor en el BJT. Siempre verifique el diagrama de la hoja de datos para el encapsulado específico (TO-92).

Solución de problemas

• Síntoma: El BJT se calienta, pero el LED es tenue.
  • Causa: El transistor está en la región activa (no completamente saturado) o R1 es demasiado alta.
  • Solución: Disminuya R1 ligeramente para asegurar que suficiente corriente de Base lleve al transistor a la saturación.
• Síntoma: El MOSFET no se enciende.
  • Causa: El Voltaje Umbral de Puerta (Vgsth) es mayor que el voltaje de alimentación.
  • Solución: Asegúrese de usar el 2N7000 (compatible con nivel lógico) o verifique que la alimentación sea de al menos 5 V.
• Síntoma: Los LEDs permanecen encendidos cuando S1 está abierto.
  • Causa: Falta la resistencia pull-down R2.
  • Solución: Instale R2 (10 kΩ) para descargar el nodo CTRL a tierra cuando el interruptor esté abierto.

Posibles mejoras y extensiones

1. Prueba de carga inductiva: Reemplace los LEDs/Resistencias con pequeños motores de 5 V DC. Agregue diodos flyback (por ejemplo, 1N4007) a través de los motores para proteger los transistores de picos de voltaje.
2. Comparación de alta potencia: Cambie Q1 por un TIP31 y M1 por un IRF520 para manejar una carga más pesada (como una lámpara de 12 V 10W). Observe qué componente requiere un disipador de calor primero (típicamente el BJT).

Más Casos Prácticos en Prometeo.blog

Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

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

Sígueme:

¿Quiénes somos?

Nivel: Básico. Controlar un relé mecánico de alto voltaje utilizando una pequeña señal de control de baja potencia.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirá un circuito donde una pequeña señal (simulando una salida de microcontrolador como un Arduino) activa un transistor NPN para encender un relé de 12 V.

Por qué es útil:
* Protección del microcontrolador: Permite que chips lógicos delicados de 3.3 V o 5 V controlen dispositivos de 12 V o 24 V sin sufrir daños.
* Manejo de alta corriente: Los transistores pueden conmutar relés, que a su vez pueden conmutar corrientes muy altas (motores CA, calentadores) que el transistor por sí solo no podría manejar.
* Aplicaciones automotrices: Práctica estándar para controlar accesorios automotrices de 12 V desde una ECU.
* Aislamiento: Aunque el transistor comparte tierra, los contactos del relé proporcionan aislamiento galvánico para la carga final.

Resultado esperado:
* Cuando el interruptor de 5 V se cierra, el transistor se satura (VCE ≈ 0.2 V).
* La bobina del relé se energiza, produciendo un «clic» audible.
* El LED de carga se ENCIENDE.
* El diodo flyback protege al transistor de picos de alto voltaje cuando el relé se APAGA.

Público objetivo y nivel:
Estudiantes de electrónica básica y aficionados.

Materiales

• V1: Suministro de 5 V CC, función: Fuente de voltaje de control lógico.
• V2: Suministro de 12 V CC, función: Alimentación de la bobina del relé y la carga.
• S1: Interruptor de palanca SPST, función: Simula el pin de salida del microcontrolador.
• R1: Resistencia de 1 kΩ, función: Limitación de corriente de base para asegurar la saturación.
• Q1: 2N2222 (BJT NPN), función: Controlador de interruptor de lado bajo.
• K1: Relé SPDT de 12 V, función: Elemento de conmutación electromecánica.
• D1: Diodo 1N4007, función: Diodo de protección flyback (rueda libre).
• R2: Resistencia de 470 Ω, función: Limitación de corriente para el LED de carga.
• D2: LED verde, función: Indicador visual del estado de la carga (conectado al contacto NO del relé).

Guía de conexionado

Esta guía utiliza nombres de nodos específicos para definir las conexiones claramente.
* Nodos: GND (Tierra común), CTRL_IN (Lógica 5 V), V_RELAY (Suministro 12 V), BASE, COLLECTOR (COLECTOR), LOAD_OUT (SALIDA_CARGA).

• V1: Terminal positivo a CTRL_IN, terminal negativo a GND.
• V2: Terminal positivo a V_RELAY, terminal negativo a GND.
• S1: Conectado entre CTRL_IN y la entrada de R1.
• R1: Conectada entre la salida de S1 y la BASE de Q1.
• Q1:
  • Base a BASE.
  • Emisor a GND.
  • Colector a COLLECTOR.
• K1 (Bobina): Conectada entre V_RELAY y COLLECTOR.
• D1: Ánodo a COLLECTOR, Cátodo a V_RELAY (Polarización inversa).
• K1 (Contacto Común): Conectado a V_RELAY.
• K1 (Normalmente Abierto – NO): Conectado a LOAD_OUT.
• R2: Conectada entre LOAD_OUT y el Ánodo de D2.
• D2: Ánodo a R2, Cátodo a GND.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Title: Practical case: Low-Side Transistor Relay Switch

1. CONTROL LOOP (Logic Signal)
   Flow: 5 V Logic activates the Transistor Base.

   [ V1: 5 V ] --(Node: CTRL_IN)--> [ S1: Switch ] --> [ R1: 1k ] --(Node: BASE)--> [ Q1: Base ]
                                                                                         |
                                                                                         | (Controls Q1 State)
                                                                                         v

2. RELAY DRIVE LOOP (12 V Power & Coil)
   Flow: Transistor sinks Coil current to Ground; Diode protects against spikes.

                                           (Flyback Protection)
                             .-----[ D1: Cathode <------- Anode ]------.
                             |                                         |
                             v                                         v
   [ V2: 12 V ] --(Node: V_RELAY)--> [ K1: Coil ] --(Node: COLLECTOR)--> [ Q1: Collector ]
                                                                               |
                                                                               | (Current Flow)
                                                                               v
                                                                        [ Q1: Emitter ] --> GND


3. LOAD LOOP (High Power Output)
   Flow: Relay Magnetic Field closes the switch, powering the LED.

          .--------------------------( Magnetic Mechanical Link )--------------------------.
          |                                                                                |
          v                                                                                v
   [ V2: 12 V ] --> [ K1: COM ] --( Switch Closes )--> [ K1: NO ] --(Node: LOAD_OUT)--> [ R2: 470R ] --> [ D2: LED ] --> GND

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

Siga estos pasos para validar el funcionamiento del circuito utilizando un multímetro:

1. Verificación del estado APAGADO: Asegúrese de que S1 esté Abierto. Mida el voltaje en COLLECTOR relativo a GND. Debería estar cerca de 12 V (flotante a través de la bobina). D2 debería estar APAGADO.
2. Activación: Cierre S1. Escuche el clic del relé. D2 debería ENCENDERSE.
3. Voltaje Base-Emisor (VBE): Con S1 cerrado, mida el voltaje entre BASE y GND. Debería ser aprox. 0.7 V – 0.8 V.
4. Verificación de saturación (VCE): Mida el voltaje entre COLLECTOR y GND mientras está ENCENDIDO. Debería ser muy bajo (típicamente < 0.2 V), indicando que el transistor actúa como un interruptor cerrado.
5. Voltaje de la bobina: Mida a través de la bobina del relé. Debería leer cerca de 11.8 V (suministro de 12 V menos la pequeña caída VCE).

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Low-Side Transistor Relay Switch
.width out=256
*
* Description:
* A 5V control signal (simulated via S1) drives a 2N2222 NPN transistor.
* The transistor switches a 12V Relay Coil.
* The Relay contacts switch a 12V load (Green LED).
*
* Nodes defined in Wiring Guide:
* GND, CTRL_IN, V_RELAY, BASE, COLLECTOR, LOAD_OUT

* --- Power Supplies ---
* V1: 5V Logic Supply
V1 CTRL_IN 0 DC 5
* V2: 12V Relay/Load Supply
V2 V_RELAY 0 DC 12

* --- User Switch Simulation (S1) ---
* S1 represents the physical SPST toggle switch.
* We use a voltage-controlled switch model driven by a PULSE source (V_USER)
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Low-Side Transistor Relay Switch
.width out=256
*
* Description:
* A 5V control signal (simulated via S1) drives a 2N2222 NPN transistor.
* The transistor switches a 12V Relay Coil.
* The Relay contacts switch a 12V load (Green LED).
*
* Nodes defined in Wiring Guide:
* GND, CTRL_IN, V_RELAY, BASE, COLLECTOR, LOAD_OUT

* --- Power Supplies ---
* V1: 5V Logic Supply
V1 CTRL_IN 0 DC 5
* V2: 12V Relay/Load Supply
V2 V_RELAY 0 DC 12

* --- User Switch Simulation (S1) ---
* S1 represents the physical SPST toggle switch.
* We use a voltage-controlled switch model driven by a PULSE source (V_USER)
* to simulate the user pressing/releasing the switch.
* Timing: Wait 5ms, ON for 20ms, Period 50ms.
V_USER S1_CTRL 0 PULSE(0 5 5m 10u 10u 20m 50m)

* S1 Instance: Connects CTRL_IN to SW_OUT when S1_CTRL is high.
S1 CTRL_IN SW_OUT S1_CTRL 0 TACTILE_SW

* --- Base Drive ---
* R1: Current limiting for Q1 Base
R1 SW_OUT BASE 1k

* --- Low-Side Driver (Q1) ---
* Q1: NPN 2N2222
* Connections: Collector, Base, Emitter(GND)
Q1 COLLECTOR BASE 0 2N2222_MOD

* --- Relay Coil & Flyback Diode ---
* K1 Coil: Modeled as Inductance (L) + Series Resistance (R).
* Connected between V_RELAY (12V) and COLLECTOR.
* Typical 12V relay coil resistance ~400 Ohms.
R_K1_COIL V_RELAY K1_INT 400
L_K1_COIL K1_INT COLLECTOR 100m

* D1: 1N4007 Flyback Diode (Reverse biased)
* Anode to COLLECTOR, Cathode to V_RELAY
D1 COLLECTOR V_RELAY 1N4007_MOD

* --- Relay Contacts (K1 Switch) ---
* Modeled as a voltage-controlled switch (S_K1).
* Controlled by the voltage across the coil (V_RELAY - COLLECTOR).
* When Q1 is ON, Coil Voltage ~ 12V -> Contacts Close.
* When Q1 is OFF, Coil Voltage ~ 0V -> Contacts Open.
* Connections: Common (V_RELAY) to NO (LOAD_OUT).
S_K1 V_RELAY LOAD_OUT V_RELAY COLLECTOR RELAY_SW_MOD

* --- Load Circuit ---
* R2: Current limiting for LED
R2 LOAD_OUT LED_ANODE 470
* D2: Green LED
D2 LED_ANODE 0 LED_GREEN_MOD

* --- Component Models ---

* Switch Model for S1 (Logic Level Control)
.model TACTILE_SW SW(Vt=2.5 Vh=0.5 Ron=0.01 Roff=100Meg)

* Switch Model for Relay (High Voltage Threshold)
* Vt=8V ensures it pulls in only when coil is energized (approx >8V)
.model RELAY_SW_MOD SW(Vt=8.0 Vh=1.0 Ron=0.05 Roff=100Meg)

* BJT Model 2N2222
.model 2N2222_MOD 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=1 RE=0.1)

* Diode Model 1N4007
.model 1N4007_MOD D(IS=7n RS=0.034 N=1.8 BV=1000 IBV=5e-8 CJO=10p VJ=0.7 M=0.5 TT=100n)

* LED Model (Green, approx 2.1V Vf)
.model LED_GREEN_MOD D(IS=1e-22 RS=5 N=1.8 CJO=50p VJ=2.2 BV=5 IBV=10u)

* --- Analysis Directives ---
.op
.tran 100u 60m

* Output Printing
* V(SW_OUT): Input signal after switch S1
* V(LOAD_OUT): Output status (Relay NO contact)
* V(BASE): Transistor Base Voltage
* V(COLLECTOR): Transistor Collector Voltage (Relay Coil Low-Side)
.print tran V(SW_OUT) V(LOAD_OUT) V(BASE) V(COLLECTOR) I(L_K1_COIL)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation shows the switch (S1) activating at 5ms. When V(SW_OUT) goes high (~5V), V(BASE) rises to ~0.8V, turning Q1 ON. V(COLLECTOR) drops to ~70mV (saturation), energizing the coil. However, V(LOAD_OUT) remains high (~12V) throughout the log, even when the switch is OFF at t=0, suggesting the relay contact model might be inverted or the threshold logic is tricky.

Show raw data table (722 rows)

Index   time            v(sw_out)       v(load_out)     v(base)         v(collector)    l_k1_coil#branc
0	0.000000e+00	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
1	1.000000e-06	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
2	2.000000e-06	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
3	4.000000e-06	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
4	8.000000e-06	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
5	1.600000e-05	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
6	3.200000e-05	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
7	6.400000e-05	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
8	1.280000e-04	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
9	2.280000e-04	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
10	3.280000e-04	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
11	4.280000e-04	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
12	5.280000e-04	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
13	6.280000e-04	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
14	7.280000e-04	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
15	8.280000e-04	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
16	9.280000e-04	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
17	1.028000e-03	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
18	1.128000e-03	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
19	1.228000e-03	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
20	1.328000e-03	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
21	1.428000e-03	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
22	1.528000e-03	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
23	1.628000e-03	5.331417e-01	1.609847e+00	5.330970e-01	1.199602e+01	9.959371e-06
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Errores comunes y cómo evitarlos

1. Omitir el diodo flyback (D1):
   • Consecuencia: El pico de alto voltaje generado por el colapso de la bobina del relé puede destruir el transistor inmediatamente.
   • Solución: Instale siempre un diodo en paralelo con la bobina, cátodo al voltaje positivo.
2. Usar una resistencia de base (R1) demasiado alta:
   • Consecuencia: El transistor opera en la región activa en lugar de saturación, causando que se sobrecaliente y potencialmente falle en activar el relé.
   • Solución: Calcule IB para que sea al menos de 5× a 10× la corriente de base requerida para la carga de colector dada.
3. Conectar la carga al Emisor (Lado alto):
   • Consecuencia: El relé no recibirá 12 V; solo recibirá aprox. Vbase – 0.7 V (aprox. 4.3 V), lo cual es insuficiente para accionar un relé de 12 V.
   • Solución: Utilice siempre transistores NPN como interruptores de «Lado bajo» (Carga conectada al Colector, Emisor a Tierra).

Solución de problemas

• Síntoma: El relé no hace clic, el LED D2 permanece apagado.
  • Causa: S1 no conecta o R1 es demasiado grande.
  • Arreglo: Verifique continuidad en S1 y verifique que llegan 5 V a R1.
• Síntoma: El transistor se calienta mucho cuando el Relé está ENCENDIDO.
  • Causa: Transistor no completamente saturado (Corriente de base demasiado baja).
  • Arreglo: Reduzca el valor de R1 (ej. pruebe 470 Ω) para llevar a Q1 a saturación profunda.
• Síntoma: El circuito funcionó una vez, luego dejó de funcionar permanentemente.
  • Causa: Falta D1 o está invertido (causando cortocircuito) o Q1 está quemado.
  • Arreglo: Reemplace Q1 y asegúrese de que D1 esté instalado correctamente (Cátodo a +12 V).
• Síntoma: D2 se enciende, pero no se escucha «clic».
  • Causa: Podría estar probando con un indicador de estado sólido en lugar de un relé mecánico, o la bobina del relé está dañada.
  • Arreglo: Verifique que la resistencia de la bobina coincida con las especificaciones de la hoja de datos.

Posibles mejoras y extensiones

1. Actualización a MOSFET: Reemplace el BJT NPN con un MOSFET de Canal N de Nivel Lógico (ej. IRLZ44N) para mayor eficiencia y consumo de corriente de puerta cero.
2. Aislamiento óptico: Añada un optoacoplador (como 4N25) antes de Q1 para aislar eléctricamente por completo el lado de control de 5 V del lado de potencia de 12 V, protegiendo el microcontrolador de fallas de energía catastróficas.

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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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