Nivel: Medio – Utilice una resistencia de muy bajo valor para medir indirectamente la corriente de una carga de CC a través de la caída de tensión.

Objetivo y caso de uso

Construirá un circuito de corriente continua (CC) que cuenta con una carga ficticia (dummy load) principal y una resistencia en serie de bajo valor, conocida como shunt. Al medir la pequeña caída de tensión a través de este shunt, calculará indirectamente la corriente total que fluye por el circuito utilizando la Ley de Ohm.

Por qué es útil:
* Medición segura de alta corriente: Evita hacer pasar corrientes masivas directamente a través de los circuitos internos, potencialmente frágiles, de su multímetro.
* Monitorización continua: Permite que los microcontroladores o paneles analógicos realicen un seguimiento constante del consumo de energía sin abrir el circuito.
* Protección contra sobrecorriente: Proporciona una señal de tensión proporcional que puede activar un mecanismo de apagado si la corriente excede los límites seguros.
* Reducción de la tensión de carga (burden voltage): Personalizar el tamaño del shunt minimiza la interferencia que el instrumento de medición impone sobre el circuito en funcionamiento.

Resultado esperado:
* Generará una caída de tensión medible en el rango de los milivoltios a través de la resistencia shunt de lado bajo (low-side).
* Calculará correctamente la corriente de la carga ($I = V/R$) a partir de la tensión observada.
* Verificará la disipación de potencia (P = I^2 × R) del shunt para asegurar que opera dentro de límites térmicos seguros.

Público objetivo y nivel: Estudiantes de electrónica de nivel intermedio que aprenden técnicas de medición indirecta y cálculos de potencia.

Materiales

• V1: fuente de alimentación de 12 V CC, función: fuente de energía principal
• R_LOAD: resistencia de 24 Ω (10 W), función: carga principal de CC
• R_SHUNT: resistencia de 1 Ω (1 W), función: shunt detector de corriente
• VM1: Multímetro digital, función: medir la caída de tensión a través del shunt

Guía de conexionado

• V1: conecta el terminal positivo al nodo VCC y el terminal negativo al nodo 0 (GND).
• R_LOAD: se conecta entre el nodo VCC y el nodo SENSE.
• R_SHUNT: se conecta entre el nodo SENSE y el nodo 0 (GND).
• VM1: conecta la sonda positiva al nodo SENSE y la sonda negativa al nodo 0 (GND) para medir la caída de tensión a través del shunt.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ V1: 12 V VCC ] --> [ R_LOAD: 24 Ω ] --(Node SENSE)--> [ R_SHUNT: 1 Ω ] --> GND
                                           |
                                           +--(+ probe)--> [ VM1: Multimeter ] --(- probe)--> GND

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

1. Verificar la fuente de alimentación: Encienda V1 y mida la tensión en el nodo VCC con respecto al nodo 0. Debería leer exactamente 12 V.
2. Medir la tensión del shunt (Vshunt): Configure su multímetro en el rango de milivoltios o voltios de CC. Mida la tensión en el nodo SENSE con respecto al nodo 0. Con una carga de 24 Ω y un shunt de 1 Ω (25 Ω en total), debería medir aproximadamente 480 mV (0.48 V).
3. Calcular la corriente: Utilice la ley de Ohm (I = Vshunt / Rshunt). Divida la medición de 0.48 V por 1 Ω. La corriente total que fluye por el circuito es de 480 mA (0.48 A).
4. Calcular la disipación de potencia: Calcule la potencia disipada por el shunt usando P = Vshunt × I. En este caso, 0.48 V × 0.48 A = 0.23 W. Debido a que seleccionamos una resistencia de 1 W, está operando de manera segura dentro de sus límites.
5. Medir la caída de tensión de la carga: Mida la tensión entre el nodo VCC y el nodo SENSE. Debería ser aproximadamente 11.52 V, confirmando que el shunt «roba» muy poca tensión de la carga principal.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice)

* Practical case: Current measurement with shunt
.width out=256

* Main power source
V1 VCC 0 DC 12

* Primary DC load
R_LOAD VCC SENSE 24

* Current sensing shunt
R_SHUNT SENSE 0 1

* Simulation commands
.op
.tran 1u 100u

* Print the input voltage and the voltage drop across the shunt (VM1)
.print tran V(VCC) V(SENSE)

.end

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

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation shows a constant 12V supply at VCC and a constant 0.48V at the SENSE node. This perfectly matches the theoretical voltage divider calculation (12V * 1Ω / 25Ω = 0.48V), indicating a current of 0.48A.

Show raw data table (108 rows)

Index   time            v(vcc)          v(sense)
0	0.000000e+00	1.200000e+01	4.800000e-01
1	1.000000e-08	1.200000e+01	4.800000e-01
2	2.000000e-08	1.200000e+01	4.800000e-01
3	4.000000e-08	1.200000e+01	4.800000e-01
4	8.000000e-08	1.200000e+01	4.800000e-01
5	1.600000e-07	1.200000e+01	4.800000e-01
6	3.200000e-07	1.200000e+01	4.800000e-01
7	6.400000e-07	1.200000e+01	4.800000e-01
8	1.280000e-06	1.200000e+01	4.800000e-01
9	2.280000e-06	1.200000e+01	4.800000e-01
10	3.280000e-06	1.200000e+01	4.800000e-01
11	4.280000e-06	1.200000e+01	4.800000e-01
12	5.280000e-06	1.200000e+01	4.800000e-01
13	6.280000e-06	1.200000e+01	4.800000e-01
14	7.280000e-06	1.200000e+01	4.800000e-01
15	8.280000e-06	1.200000e+01	4.800000e-01
16	9.280000e-06	1.200000e+01	4.800000e-01
17	1.028000e-05	1.200000e+01	4.800000e-01
18	1.128000e-05	1.200000e+01	4.800000e-01
19	1.228000e-05	1.200000e+01	4.800000e-01
20	1.328000e-05	1.200000e+01	4.800000e-01
21	1.428000e-05	1.200000e+01	4.800000e-01
22	1.528000e-05	1.200000e+01	4.800000e-01
23	1.628000e-05	1.200000e+01	4.800000e-01
... (84 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

• Usar un shunt con demasiada resistencia: Si el valor del shunt es demasiado alto (ej. 100 Ω), crea una «tensión de carga» (burden voltage) masiva, privando a la carga real de energía y alterando el comportamiento del circuito. Utilice siempre valores bajos (típicamente 1 Ω, 0.1 Ω, o incluso miliohmios).
• Ignorar la potencia nominal del shunt: Una resistencia que reduce incluso una fracción de voltio puede disipar un calor sustancial si la corriente es alta. Calcule siempre P = I^2 × R y seleccione una resistencia con el doble de la potencia calculada.
• Medir la corriente directamente a través del shunt: Configurar el multímetro en modo «Amperios» y ponerlo en paralelo con el shunt provocará un cortocircuito en el shunt, lo que podría fundir el fusible interno del multímetro. Utilice siempre el modo «Voltaje» para medir la caída de tensión a través del shunt.

Solución de problemas

• Síntoma: El multímetro lee 0 V a través del shunt.
  • Causa: El circuito está abierto; la energía no llega a la carga o R_SHUNT está en cortocircuito.
  • Solución: Compruebe la continuidad de todos los cables, asegúrese de que la fuente de alimentación esté encendida y confirme que la carga esté conectada correctamente.
• Síntoma: La resistencia shunt humea o se calienta peligrosamente.
  • Causa: La corriente excede la potencia nominal del shunt, o R_LOAD ha sido puenteada (creando un cortocircuito directo a través del shunt).
  • Solución: Apague la alimentación inmediatamente. Verifique que R_LOAD no esté puenteada y reemplace el shunt por uno de mayor potencia nominal si es necesario.
• Síntoma: La corriente calculada parece mucho menor que el consumo esperado de la carga.
  • Causa: La resistencia de los cables de conexión o los contactos de la protoboard actúan como un shunt secundario no medido, sumándose a la resistencia total del circuito.
  • Solución: Asegúrese de utilizar cables cortos y gruesos para las conexiones de alimentación. Considere cambiar a una configuración de medición de 4 hilos (Kelvin) para obtener una precisión extrema.

Posibles mejoras y extensiones

• Añadir un amplificador detector de corriente: Conecte un amplificador operacional (Op-Amp) a través de R_SHUNT en una configuración no inversora para amplificar la pequeña señal de milivoltios y convertirla en una señal robusta de 0-5 V fácilmente legible por el ADC de un microcontrolador.
• Implementar medición de lado alto (high-side): Mueva R_SHUNT al «lado alto» (entre VCC y R_LOAD). Utilice un CI dedicado a la detección de corriente de lado alto (como el INA219) para medir la tensión diferencial, demostrando que la corriente se puede medir antes de que llegue a la carga mientras se mantiene la carga estrictamente conectada a tierra.

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).

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¿Quiénes somos?

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

Objetivo y caso de uso

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

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

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

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

Materiales

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

Guía de conexionado

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

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

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

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

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

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Practical case: Base Biasing with Resistor

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

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

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

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

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

1. Comprobación con alimentación apagada
2. Verifica todas las conexiones antes de aplicar alimentación.
3. Confirma que el emisor de Q1 va a 0.

4. Confirma que R1 está en serie entre VIN y VB.

5. Prueba en estado OFF

6. Ajusta VSIG = 0 V.
7. Mide Vb desde VB hasta 0: se espera cerca de 0 V.
8. Mide Vce desde VC hasta 0: se espera cerca de 5 V.
9. Observa D1: debe estar en OFF.
10. Mide Ib: se espera aproximadamente 0 mA.

11. Mide Ic: se espera aproximadamente 0 mA.

12. Prueba en estado ON

13. Ajusta VSIG = 5 V.
14. Mide Vb: se espera aproximadamente 0.7 V.
15. Mide Vbe: se espera aproximadamente entre 0.65 V y 0.8 V.
16. Mide Ib colocando el medidor en serie con R1: se espera aproximadamente 4.3 mA.
17. Mide Vc: se espera bajo, típicamente por debajo de 0.2 V a 0.3 V.
18. Mide Vce: se espera por debajo de 0.2 V si se alcanza la saturación.
19. Mide Ic en serie con la trayectoria del colector: se espera aproximadamente entre 18 mA y 20 mA.

20. Observa D1: debe estar claramente en ON.

21. Comprobación de seguridad de la salida lógica

22. Compara la Ib medida con la corriente máxima de salida permitida por la salida lógica.

23. Si la especificación de la salida lógica es menor que la corriente de base medida, aumenta R1.

24. Cálculo de verificación

25. Calcula la ganancia medida en modo de conmutación: Ic / Ib.
26. Ejemplo con valores medidos: 19 mA / 4.3 mA ≈ 4.4

27. Esto es consistente con conmutación en saturación, donde el transistor es sobreactivado intencionalmente.

28. Criterios de aprobación

29. Ib no excede el límite de la salida lógica.
30. D1 se enciende completamente con lógica HIGH y se apaga completamente con lógica LOW.
31. Vce en estado ON es lo bastante bajo como para confirmar saturación.

Netlist SPICE y simulación

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (2528 rows)

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

Errores comunes y cómo evitarlos

1. No usar resistor de base
2. Error: conectar la salida lógica directamente a la base del transistor.
3. Resultado: corriente de base excesiva y posible daño a la salida lógica.

4. Solución: coloca siempre R1 entre VIN y VB.

5. Elegir un resistor de base demasiado grande

6. Error: usar R1 = 10 kΩ sin comprobar la corriente.
7. Resultado: la corriente de base puede ser demasiado baja, por lo que el transistor puede no saturarse.

8. Solución: calcula Ib a partir de la corriente de carga y usa una ganancia forzada de aproximadamente 10 para conmutación.

9. Invertir los terminales del transistor

10. Error: intercambiar colector y emisor.
11. Resultado: voltajes anómalos, corriente de carga débil o ausencia de conmutación.
12. Solución: confirma el pinout del 2N2222 en su hoja de datos antes de cablear.

Solución de problemas

• Síntoma: el LED nunca se enciende
• Causa: VSIG no está llegando a 5 V, o la base de Q1 no está conectada a través de R1.

• Solución: mide VIN y VB; verifica la continuidad de R1 y el pinout del transistor.

• Síntoma: el LED está tenue

• Causa: el transistor no está saturado porque R1 es demasiado grande.

• Solución: reduce R1 después de comprobar el límite de corriente de la salida lógica.

• Síntoma: el voltaje de salida lógica cae cuando está en ON

• Causa: la demanda de corriente de base es demasiado alta para la fuente lógica.

• Solución: aumenta R1 o usa una etapa driver con transistor.

• Síntoma: el LED permanece encendido todo el tiempo

• Causa: conexionado incorrecto en el nodo del colector o polarización de base no intencionada.

• Solución: comprueba que el emisor de Q1 está en 0 y que VIN realmente baja a 0 V en el estado LOW.

• Síntoma: la Vce medida es alta cuando está en ON

• Causa: corriente de base insuficiente o cableado incorrecto de la carga del colector.
• Solución: verifica Ib, recalcula R1 y comprueba R2 y la orientación de D1.

Posibles mejoras y extensiones

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

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

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

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¿Quiénes somos?

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

Objetivo y caso de uso

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

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

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

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

Materiales

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

Guía de conexionado

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

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

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

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

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

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

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

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

Solución de problemas

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

Posibles mejoras y extensiones

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

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Netlist SPICE y simulación

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (1384 rows)

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

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

Objetivo y caso de uso

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

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

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

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

Materiales

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

Guía de conexionado

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

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

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ SOURCE ]                     [ BRIDGE PROCESSING ]                     [ OUTPUT ]

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

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

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

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

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Unbalanced Wheatstone Bridge

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

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

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

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

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

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* Practical case: Unbalanced Wheatstone Bridge

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

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

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

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

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

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

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

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

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (108 rows)

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

Errores comunes y cómo evitarlos

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

Solución de problemas

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

Posibles mejoras y extensiones

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

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. Objetivo: Entender cómo varía el voltaje de salida al modificar la resistencia en un potenciómetro conectado como divisor de voltaje.

Objetivo y caso de uso

Construirás un circuito divisor de voltaje variable utilizando un potenciómetro lineal para generar una señal de voltaje analógica ajustable que oscila entre 0 V y el voltaje de alimentación.

• Por qué es útil:

  • Se utiliza en perillas de volumen para equipos de audio.
  • Proporciona voltajes de referencia para comparadores y amplificadores operacionales.
  • Simula datos de sensores analógicos (como temperatura o luz) durante las pruebas.
  • Actúa como señal de control para reguladores de intensidad (dimmers) y controladores de velocidad de motores.
  • Esencial para calibrar la sensibilidad en circuitos de sensores.

• Resultado esperado:

  • El voltaje de salida (VOUT) varía suavemente de 0 V a 5 V.
  • En el punto medio mecánico de un potenciómetro lineal, VOUT marca aproximadamente 2.5 V.
  • La suma del voltaje a través de la sección superior y el voltaje a través de la sección inferior es igual al voltaje de la fuente (VIN).

• Público objetivo y nivel: Estudiantes y aficionados a la electrónica (Nivel: Básico).

Materiales

• V1: Fuente de 5 V DC, función: fuente de alimentación principal.
• R1: Potenciómetro lineal de 10 kΩ, función: divisor de voltaje variable.
• M1: Multímetro digital (configurado en Voltios DC), función: medir V_OUT.
• W1: Cables puente (jumpers), función: interconexiones.

Guía de conexionado

Este circuito utiliza las convenciones estándar de nomenclatura de nodos SPICE (VCC, 0 para GND, VOUT).

• V1 (Terminal Positivo): Se conecta al nodo VCC.
• V1 (Terminal Negativo): Se conecta al nodo 0 (GND).
• R1 (Pin 1 – Superior/Fijo): Se conecta al nodo VCC.
• R1 (Pin 3 – Inferior/Fijo): Se conecta al nodo 0 (GND).
• R1 (Pin 2 – Cursor/Variable): Se conecta al nodo VOUT.
• M1 (Sonda Positiva): Se conecta al nodo VOUT.
• M1 (Sonda Negativa): Se conecta al nodo 0 (GND).

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ SOURCE ]                       [ COMPONENT ]                     [ MEASUREMENT ]

[ V1: 5 V Supply (+) ] --(Node VCC)--> [ R1: Pin 1 (Top)    ]
                                      |                    |
                                      |  Potentiometer     |
                                      |  (Voltage Divider) |
                                      |                    |
                                      |  R1: Pin 2 (Wiper) ] --(Node VOUT)--> [ M1: Multimeter (+) ]
                                      |                    |
[ V1: 5 V Supply (-) ] --(Node 0)----> [ R1: Pin 3 (Bottom) ] --(Node 0)-----> [ M1: Multimeter (-) ]

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

Sigue estos pasos para validar el comportamiento del divisor de voltaje:

1. Configuración: Configura el multímetro para medir voltaje DC (rango de 20 V). Conecta la sonda negra a Tierra (0) y la sonda roja al cursor (wiper) del potenciómetro (VOUT).
2. Verificación de Mínimo: Gira la perilla del potenciómetro completamente en sentido antihorario.
   • Observación: El multímetro debería leer aproximadamente 0 V.
3. Verificación de Máximo: Gira la perilla del potenciómetro completamente en sentido horario.
   • Observación: El multímetro debería leer aproximadamente 5 V (o igual al voltaje específico de tu V1).
4. Verificación del Punto Medio: Gira la perilla al centro físico aproximado.
   • Observación: El multímetro debería leer aproximadamente 2.5 V.
5. Prueba de Linealidad: Gira la perilla lentamente de un extremo al otro.
   • Observación: La lectura de voltaje debería cambiar suavemente sin saltos.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Potentiometer as a variable divider

* --- Power Supply ---
* V1: 5V Main power source
* Connected to VCC (+) and 0 (GND)
V1 VCC 0 DC 5

* --- Simulation Control Source ---
* Vknob simulates the mechanical action of the potentiometer.
* Sweeps from 0 (0%) to 1 (100%) over 500us.
Vknob knob 0 PWL(0 0 500u 1)

* --- R1: 10k Potentiometer ---
* Implemented as two behavioral voltage sources (B-sources) acting as variable resistors.
* This allows the "Variable Divider" behavior to be simulated in Transient analysis.
* Total Resistance ~ 10k.

* R1 Top Part (Pin 1 to Pin 2): Connects VCC to VOUT
* Resistance = 10k * (1 - Knob) + 1 ohm (offset to avoid divide-by-zero/shorts)
B_R1_top VCC VOUT V = I(B_R1_top) * (10000 * (1 - V(knob)) + 1)
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Potentiometer as a variable divider

* --- Power Supply ---
* V1: 5V Main power source
* Connected to VCC (+) and 0 (GND)
V1 VCC 0 DC 5

* --- Simulation Control Source ---
* Vknob simulates the mechanical action of the potentiometer.
* Sweeps from 0 (0%) to 1 (100%) over 500us.
Vknob knob 0 PWL(0 0 500u 1)

* --- R1: 10k Potentiometer ---
* Implemented as two behavioral voltage sources (B-sources) acting as variable resistors.
* This allows the "Variable Divider" behavior to be simulated in Transient analysis.
* Total Resistance ~ 10k.

* R1 Top Part (Pin 1 to Pin 2): Connects VCC to VOUT
* Resistance = 10k * (1 - Knob) + 1 ohm (offset to avoid divide-by-zero/shorts)
B_R1_top VCC VOUT V = I(B_R1_top) * (10000 * (1 - V(knob)) + 1)

* R1 Bottom Part (Pin 2 to Pin 3): Connects VOUT to GND
* Resistance = 10k * Knob + 1 ohm
B_R1_bot VOUT 0 V = I(B_R1_bot) * (10000 * V(knob) + 1)

* --- M1: Digital Multimeter ---
* Function: Measure V_OUT.
* Modeled as a high input impedance load (10 Megohm) connected to VOUT and GND.
R_M1 VOUT 0 10Meg

* --- Analysis Commands ---
* Transient analysis to capture the full sweep of the potentiometer (500us)
.tran 1u 500u

* Print the Output Voltage and the Control Signal (Knob position)
.print tran V(VOUT) V(knob)

* Calculate DC operating point
.op

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (508 rows)

Index   time            v(vout)         v(knob)
0	0.000000e+00	4.999000e-04	0.000000e+00
1	1.000000e-08	5.998800e-04	2.000000e-05
2	2.000000e-08	6.998599e-04	4.000000e-05
3	4.000000e-08	8.998199e-04	8.000000e-05
4	8.000000e-08	1.299740e-03	1.600000e-04
5	1.600000e-07	2.099579e-03	3.200000e-04
6	3.200000e-07	3.699258e-03	6.400000e-04
7	6.400000e-07	6.898613e-03	1.280000e-03
8	1.280000e-06	1.329731e-02	2.560000e-03
9	2.280000e-06	2.329525e-02	4.560000e-03
10	3.280000e-06	3.329314e-02	6.560000e-03
11	4.280000e-06	4.329099e-02	8.560000e-03
12	5.280000e-06	5.328880e-02	1.056000e-02
13	6.280000e-06	6.328657e-02	1.256000e-02
14	7.280000e-06	7.328430e-02	1.456000e-02
15	8.280000e-06	8.328200e-02	1.656000e-02
16	9.280000e-06	9.327965e-02	1.856000e-02
17	1.028000e-05	1.032773e-01	2.056000e-02
18	1.128000e-05	1.132749e-01	2.256000e-02
19	1.228000e-05	1.232724e-01	2.456000e-02
20	1.328000e-05	1.332699e-01	2.656000e-02
21	1.428000e-05	1.432674e-01	2.856000e-02
22	1.528000e-05	1.532648e-01	3.056000e-02
23	1.628000e-05	1.632622e-01	3.256000e-02
... (484 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Dejar el cursor (wiper) flotando: Conectar solo las dos patas fijas del potenciómetro hace que actúe como una resistencia fija. Conecta siempre el pin central (cursor) a tu nodo de salida.
2. Cortocircuitar la fuente: Conectar el cursor a VCC y una pata fija a 0, y luego girar la perilla completamente hacia el lado conectado a tierra crea un cortocircuito. Asegúrate de que las patas fijas vayan a Alimentación y Tierra, y que el Cursor sea la Salida.
3. Usar un potenciómetro logarítmico: Los potenciómetros de audio (Log) cambian la resistencia de forma no lineal. Para una prueba de divisor de voltaje predecible, asegúrate de usar uno lineal (generalmente marcado como ‘B’).

Solución de problemas

• Síntoma: El voltaje es constante en 2.5 V independientemente de la posición de la perilla.
  • Causa: El cursor está desconectado, o estás midiendo a través de los terminales fijos.
  • Solución: Verifica que la sonda del multímetro esté conectada específicamente al pin central (cursor).
• Síntoma: Humo o calor proveniente del potenciómetro.
  • Causa: Cortocircuito creado al conectar el cursor a un riel y girarlo hacia el riel opuesto.
  • Solución: Desconecta inmediatamente la alimentación. Vuelve a conectar de modo que los pines exteriores fijos se conecten a VCC y GND, y el cursor se conecte solo al medidor de alta impedancia.
• Síntoma: El voltaje salta erráticamente (por ejemplo, 1 V -> 4 V -> 2 V).
  • Causa: Pista interna sucia o defectuosa (el cursor pierde contacto).
  • Solución: Reemplaza el potenciómetro o límpialo con limpiador de contactos.

Posibles mejoras y extensiones

1. Efecto de carga: Conecta una resistencia fija de 1 kΩ entre VOUT y 0. Observa cómo el voltaje de salida cae significativamente en comparación con el estado sin carga, demostrando el desajuste de impedancia.
2. Límites seguros: Agrega una resistencia fija de 330 Ω en serie con la pata superior y otra con la pata inferior. Esto restringe el rango de salida (por ejemplo, 0.5 V a 4.5 V) y protege el potenciómetro de cortocircuitos si la salida se conecta accidentalmente a tierra.

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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 – Verificar fórmulas de resistencia equivalente mediante medición.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un circuito pasivo utilizando dos resistencias para analizar cómo cambian los valores de resistencia cuando los componentes se conectan en serie frente a paralelo. Medirás la resistencia equivalente total (Req) usando un multímetro en modo óhmetro.

• Útil para:
  • Diseñar divisores de voltaje para sensores o fuentes de alimentación.
  • Calcular la resistencia de carga total en redes de distribución de energía.
  • Ajustar valores de resistencia específicos cuando no hay componentes estándar disponibles.
  • Comprender las rutas de limitación de corriente en circuitos controladores de LED.
• Resultado esperado:
  • Modo serie: El valor medido debe ser igual a la suma de ambas resistencias (Req ≈ 2 kΩ).
  • Modo paralelo: El valor medido debe ser la mitad de la resistencia individual (si R1=R2) o seguir la fórmula de paralelo (Req ≈ 500 Ω).
  • Verificación: Los valores medidos deben caer dentro del rango de tolerancia (p. ej., ±5%) del cálculo teórico.
• Público objetivo: Estudiantes y aficionados que aprenden las leyes fundamentales del análisis de circuitos (Ley de Ohm).

Materiales

• R1: Resistencia de 1 kΩ, función: Carga de prueba A
• R2: Resistencia de 1 kΩ, función: Carga de prueba B
• M1: Multímetro digital, función: Medición de resistencia (Óhmetro)
• W1: Cables puente (jumpers), función: Interconexión del circuito

Guía de conexionado

Esta guía utiliza nombres de nodos específicos. Asegúrate de que el circuito no esté conectado a una fuente de voltaje (batería) durante las mediciones de resistencia.

Parte A: Configuración en serie
* R1: Se conecta entre el nodo Node_A y el nodo Node_B.
* R2: Se conecta entre el nodo Node_B y el nodo Node_C.
* M1 (Sonda positiva): Se conecta al Node_A.
* M1 (Sonda negativa): Se conecta al Node_C.

Parte B: Configuración en paralelo (Requiere recableado)
* R1: Se conecta entre el nodo Node_A y el nodo Node_B.
* R2: Se conecta entre el nodo Node_A y el nodo Node_B (físicamente en paralelo a R1).
* M1 (Sonda positiva): Se conecta al Node_A.
* M1 (Sonda negativa): Se conecta al Node_B.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

PART A: SERIES CONFIGURATION (Current flows through R1 then R2)

      [ INPUT / SOURCE ]             [ CIRCUIT TOPOLOGY ]             [ RETURN / MEASURE ]

    [ M1 Probe (+) ] --(Node A)--> [ R1: 1kΩ ] --(Node B)--> [ R2: 1kΩ ] --(Node C)--> [ M1 Probe (-) ]



PART B: PARALLEL CONFIGURATION (Current splits between R1 and R2)

      [ INPUT / SOURCE ]             [ CIRCUIT TOPOLOGY ]             [ RETURN / MEASURE ]

                                         +--> [ R1: 1kΩ ] --+
    [ M1 Probe (+) ] --(Node A)--> [ SPLIT ]                [ JOIN ] --(Node B)--> [ M1 Probe (-) ]
                                         +--> [ R2: 1kΩ ] --+

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

Realiza estos pasos con el multímetro configurado en el ajuste de Ohmios (Ω) (comienza con el rango de 20k si es manual).

1. Verificación de componentes:
   • Mide R1 y R2 individualmente antes de conectarlas. Confirma que sean de aproximadamente 1 kΩ cada una.
2. Medición en serie:
   • Construye el circuito descrito en la Parte A de la Guía de conexionado.
   • Conecta las sondas al Node_A y Node_C.
   • Validación: La pantalla debe indicar aproximadamente 2.0 kΩ ($R1 + R2$).
3. Medición en paralelo:
   • Modifica el circuito para que coincida con la Parte B de la Guía de conexionado (conecta ambos extremos de la resistencia al mismo par de filas).
   • Conecta las sondas a través del par paralelo.
   • Validación: La pantalla debe indicar aproximadamente 0.5 kΩ (500 Ω).
4. Comparación:
   • Observa que la combinación en serie aumenta la resistencia total, mientras que la combinación en paralelo disminuye la resistencia total.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Series and parallel resistors
*
* This netlist implements both Part A (Series) and Part B (Parallel) 
* configurations as separate sub-circuits to allow simultaneous simulation.
*
* BOM:
* R1, R2: 1 kΩ resistors
* M1: Digital Multimeter (Simulated as 1mA Current Source for Resistance Measurement)
* W1: Jumper wires (Implicit in netlist connectivity)

* ==============================================================================
* GLOBAL SETTINGS
* ==============================================================================
* Global Ground is Node 0.
* Unused System Supply (Required by prompt constraints)
VCC_Supply VCC 0 DC 5

* ==============================================================================
* PART A: SERIES CONFIGURATION
* ==============================================================================
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Series and parallel resistors
*
* This netlist implements both Part A (Series) and Part B (Parallel) 
* configurations as separate sub-circuits to allow simultaneous simulation.
*
* BOM:
* R1, R2: 1 kΩ resistors
* M1: Digital Multimeter (Simulated as 1mA Current Source for Resistance Measurement)
* W1: Jumper wires (Implicit in netlist connectivity)

* ==============================================================================
* GLOBAL SETTINGS
* ==============================================================================
* Global Ground is Node 0.
* Unused System Supply (Required by prompt constraints)
VCC_Supply VCC 0 DC 5

* ==============================================================================
* PART A: SERIES CONFIGURATION
* ==============================================================================
* Wiring Guide Mapping:
* Node_A -> Node_A_Ser
* Node_B -> Node_B_Ser
* Node_C -> Node_C_Ser
*
* Connections:
* R1 connects between Node_A and Node_B
* R2 connects between Node_B and Node_C
* M1 (Ohmmeter) connects to Node_A (+) and Node_C (-)
*
* Simulation Logic:
* Ohmmeter is modeled as a 1mA Current Source (I_M1_Ser) injecting into the 
* positive probe node, with the negative probe node grounded.
* V(Node_A_Ser) = Resistance * 1mA => 1V = 1kΩ.

I_M1_Ser     0            Node_A_Ser   DC 1m
R1_Ser       Node_A_Ser   Node_B_Ser   1k
R2_Ser       Node_B_Ser   Node_C_Ser   1k
V_M1_Ret_Ser Node_C_Ser   0            DC 0   ; Ground return for M1 (-)

* ==============================================================================
* PART B: PARALLEL CONFIGURATION
* ==============================================================================
* Wiring Guide Mapping:
* Node_A -> Node_A_Par
* Node_B -> Node_B_Par
*
* Connections:
* R1 connects between Node_A and Node_B
* R2 connects between Node_A and Node_B (Physically parallel)
* M1 (Ohmmeter) connects to Node_A (+) and Node_B (-)

I_M1_Par     0            Node_A_Par   DC 1m
R1_Par       Node_A_Par   Node_B_Par   1k
R2_Par       Node_A_Par   Node_B_Par   1k
V_M1_Ret_Par Node_B_Par   0            DC 0   ; Ground return for M1 (-)

* ==============================================================================
* ANALYSIS DIRECTIVES
* ==============================================================================
* Transient analysis to satisfy prompt requirements for logging
.tran 100u 5ms

* Print voltages representing resistance values
* V(Node_A_Ser) should be ~2.0V (2kΩ)
* V(Node_A_Par) should be ~0.5V (500Ω)
.print tran V(Node_A_Ser) V(Node_B_Ser) V(Node_A_Par)

* DC Operating Point for quick verification
.op

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (59 rows)

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

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Medir resistencia con la alimentación encendida: Nunca midas resistencia en un circuito vivo. Esto dará lecturas falsas y puede fundir el fusible de tu multímetro. Solución: Desconecta todas las baterías o fuentes de alimentación antes de usar el óhmetro.
2. Tocar las sondas metálicas: Si sostienes las puntas metálicas de las sondas con ambas manos mientras mides, la resistencia de tu cuerpo (en paralelo al circuito) afectará la lectura, especialmente con resistencias de alto valor. Solución: Usa pinzas de cocodrilo o presiona las sondas contra la protoboard sin tocar las puntas metálicas.
3. Asumir valores perfectos: Una resistencia de 1 kΩ con 5% de tolerancia puede medir físicamente entre 950 Ω y 1050 Ω. Solución: Siempre mide los componentes individuales primero para conocer sus valores reales antes de calcular el total esperado.

Solución de problemas

• Síntoma: El multímetro lee «1» u «OL» (Over Limit/Fuera de límite).
  • Causa: La resistencia es mayor que el rango seleccionado en el multímetro.
  • Solución: Cambia el selector a un rango más alto (p. ej., de 200 Ω a 2 kΩ o 20 kΩ).
• Síntoma: La lectura es 0 Ω.
  • Causa: Cortocircuito; las sondas podrían estar tocándose entre sí o un cable está puenteando las resistencias.
  • Solución: Revisa las filas de la protoboard para asegurarte de que las resistencias no estén en cortocircuito por un cable mal colocado.
• Síntoma: La lectura fluctúa o es inestable.
  • Causa: Mal contacto entre las patas de la resistencia y los clips de la protoboard.
  • Solución: Retira la resistencia, endereza las patas y vuelve a insertarla firmemente en orificios diferentes del mismo nodo.

Posibles mejoras y extensiones

1. Topología mixta: Añade una tercera resistencia (R3 = 1 kΩ) en serie con el par paralelo de R1 y R2 para crear una combinación Serie-Paralelo. Calcula y verifica el nuevo total (1.5 kΩ).
2. Resistencia variable: Reemplaza R2 con un potenciómetro de 10 kΩ. Mide cómo cambia la resistencia total en ambas configuraciones (serie y paralelo) mientras giras la perilla.

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