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

Objetivo y caso de uso

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

• Escenarios del mundo real:

  • Bóvedas bancarias: Requiere que dos gerentes de banco giren las llaves al mismo tiempo para prevenir robos.
  • Prensas industriales: Requiere que un operador presione botones con ambas manos para garantizar la seguridad antes de que la máquina se active.
  • Entradas seguras: Permite que el pestillo de una puerta permanezca desbloqueado durante 5 segundos después de la autorización.

• Resultado esperado:

  • Lógica: La carga (Solenoide/LED) permanece APAGADA (OFF) si solo se presiona un botón.
  • Activación: La carga se ENCIENDE (ON) completamente solo cuando ambos SW1 y SW2 se mantienen presionados.
  • Temporización: Al soltar los botones, la carga permanece ENCENDIDA (ON) durante aproximadamente 2 a 5 segundos antes de desvanecerse.
  • Público objetivo: Estudiantes de electrónica básica enfocados en la conmutación con transistores y constantes de tiempo RC.

Materiales

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

Guía de conexionado

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

• Etapa lógica (AND en serie):

  • V1 (Positivo) se conecta a SW1 (Entrada).
  • SW1 (Salida) se conecta a Mid_Switch.
  • SW2 (Entrada) se conecta a Mid_Switch.
  • SW2 (Salida) se conecta a R1 (Entrada).

• Etapa de temporización (Retención RC):

  • R1 (Salida) se conecta a Gate_Node.
  • C1 (Positivo) se conecta a Gate_Node.
  • C1 (Negativo) se conecta a 0.
  • R2 se conecta entre Gate_Node y 0 (En paralelo a C1).
  • Q1 (Gate) se conecta a Gate_Node.

• Etapa de potencia:

  • Q1 (Source) se conecta a 0.
  • Q1 (Drain) se conecta a Drain_Node.
  • L1 y R3 (representando el Solenoide) se conectan en serie entre 12 V y Drain_Node.
  • D1 (Cátodo) se conecta a 12 V.
  • D1 (Ánodo) se conecta a Drain_Node (a través de la carga).

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

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

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

Mediciones y pruebas

Valide el funcionamiento del circuito utilizando un multímetro u osciloscopio:

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

Netlist SPICE y simulación

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

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

Show raw data table (1095 rows)

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

Errores comunes y cómo evitarlos

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

Solución de problemas

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

Posibles mejoras y extensiones

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

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

Objetivo y caso de uso

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

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

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

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

Materiales

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

Pin-out del CI utilizado

Chip: 74HC04 (Hex Inverter)

Guía de conexionado

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

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

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

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

Tabla de verdad

Puerta: NOT (Inversor)

Mediciones y pruebas

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

Netlist SPICE y simulación

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

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

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

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

* --- Components ---

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

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

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

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

* --- Components ---

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

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

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

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

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

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

* D1: Red LED
D1 LED_NODE 0 LED_RED

* --- Analysis ---

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

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

* Operating point calculation
.op

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

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

Show raw data table (519 rows)

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

Errores comunes y cómo evitarlos

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

Solución de problemas

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

Posibles mejoras y extensiones

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

Más Casos Prácticos en Prometeo.blog

Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

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

Sígueme:

¿Quiénes somos?

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

Objetivo y caso de uso

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

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

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

Materiales

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

Guía de conexionado

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

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

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Title: Practical case: NPN Switch Saturation Troubleshooting

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

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

Mediciones y pruebas

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

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

Netlist SPICE y simulación

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

* R1: LED Current Limiting Resistor
R1 LED_CATHODE COLLECTOR 33

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

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

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

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

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

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

Show raw data table (271 rows)

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

Errores comunes y cómo evitarlos

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

Solución de problemas

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

Diagnóstico y solución

Sigue esta secuencia pedagógica para entender y resolver el problema.

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

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

Posibles mejoras y extensiones

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

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

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

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¿Quiénes somos?

Nivel: Básico. 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

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

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
... (698 more rows) ...

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.

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. Diseñe un circuito de seguridad donde cortar un cable active una alarma utilizando lógica de saturación de transistor.

Objetivo y caso de uso

En este proyecto, construirá un sistema de seguridad de lazo cerrado utilizando un transistor BJT. Cuando un cable específico (el «lazo sensor») está intacto, el sistema permanece en silencio; si el cable se corta o desconecta, un LED se enciende inmediatamente.

• Seguridad perimetral: Monitorizar ventanas o cercas donde se instala una cinta conductora o cable.
• Mecanismos anti-manipulación: Detectar si la carcasa de un dispositivo ha sido abierta al romperse una conexión.
• Prueba de continuidad: Verificar la integridad del cable en la fabricación de arneses.

Resultado esperado:
* Lazo intacto (Seguro): El LED permanece APAGADO. VBE ≈ 0 V.
* Lazo cortado (Alarma): El LED se ENCIENDE. VBE ≈ 0.7 V y el transistor entra en saturación (VCE < 0.2 V).

Público objetivo: Estudiantes y aficionados que aprenden aplicaciones básicas de conmutación con transistores.

Materiales

• V1: Fuente de alimentación de 9 V CC o batería.
• Q1: 2N2222 o BC547 (NPN BJT), función: interruptor electrónico.
• R1: Resistencia de 10 kΩ, función: resistencia pull-up de base.
• R2: Resistencia de 470 Ω, función: limitación de corriente del LED.
• D1: LED rojo, función: indicador visual de alarma.
• W1: Cable de cobre o puente, función: lazo sensor (el cable del «intruso»).

Guía de conexionado

Construya el circuito asegurando que todas las conexiones correspondan a los siguientes nodos: VCC, GND (0), BASE, y COLLECTOR.

• V1: Terminal positivo a VCC, terminal negativo a GND.
• R1 (Pull-up): Se conecta entre VCC y BASE.
• W1 (Lazo sensor): Se conecta entre BASE y GND.
• Q1 (Transistor):
  • Pin de Base a BASE.
  • Pin de Emisor a GND.
  • Pin de Colector a COLLECTOR.
• D1 (LED): Ánodo a VCC, Cátodo al nodo LED_CATHODE.
• R2 (Limitadora): Se conecta entre LED_CATHODE y COLLECTOR.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Title: Practical case: Intrusion alarm by wire break

[ A. CONTROL / SENSING LOOP ]
(Logic: W1 keeps Base LOW. If W1 breaks, R1 pulls Base HIGH)

VCC (9 V) --> [ R1: 10k Pull-Up ] --(Node: BASE)--> [ Q1: Base ]
                                         |
                                        +-------> [ W1: Sense Wire ] --> GND


[ B. ALARM / POWER LOOP ]
(Logic: Current flows through LED only when Q1 is ON)

VCC (9 V) --> [ D1: Red LED ] --> [ R2: 470R ] --> [ Q1: Collector ]
                                                          |
                                                      (Switch)
                                                          |
                                                          v
                                                   [ Q1: Emitter ] --> GND

Mediciones y pruebas

Verifique los estados lógicos utilizando un multímetro.

1. Estado 1: Lazo intacto (Seguro)

   • Asegúrese de que el cable W1 conecte BASE a GND.
   • Mida el voltaje Base-Emisor (VBE): Debe ser 0 V.
   • Mida el voltaje Colector-Emisor (VCE): Debe estar cerca de 9 V (Región de corte).
   • Resultado: El LED está APAGADO.

2. Estado 2: Lazo roto (Alarma)

   • Desconecte o corte el cable W1.
   • Mida el voltaje Base-Emisor (VBE): Debe ser aproximadamente 0.7 V.
   • Mida el voltaje Colector-Emisor (VCE): Debe ser aproximadamente 0.1 V a 0.2 V (Región de saturación).
   • Resultado: El LED está ENCENDIDO.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Intrusion alarm by wire break
.width out=256

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC power supply
V1 VCC 0 DC 9

* --- Input / Sense Loop ---
* W1: Sense Loop (Copper wire). 
* Modeled as a Voltage Controlled Switch (S_W1) to simulate the wire breaking.
* Logic: High Control (5V) = Wire Intact (Closed). Low Control (0V) = Wire Broken (Open).
S_W1 BASE 0 CTRL 0 SW_WIRE
.model SW_WIRE SW(Vt=2.5 Vh=0.1 Ron=0.01 Roff=100Meg)

* Control Signal for W1:
* Starts at 5V (Intact), breaks at 2ms (0V), stays broken for duration.
V_W1_CTRL CTRL 0 PULSE(5 0 2ms 1u 1u 5ms 10ms)

* --- Pull-up Network ---
* R1: Base pull-up resistor
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Intrusion alarm by wire break
.width out=256

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC power supply
V1 VCC 0 DC 9

* --- Input / Sense Loop ---
* W1: Sense Loop (Copper wire). 
* Modeled as a Voltage Controlled Switch (S_W1) to simulate the wire breaking.
* Logic: High Control (5V) = Wire Intact (Closed). Low Control (0V) = Wire Broken (Open).
S_W1 BASE 0 CTRL 0 SW_WIRE
.model SW_WIRE SW(Vt=2.5 Vh=0.1 Ron=0.01 Roff=100Meg)

* Control Signal for W1:
* Starts at 5V (Intact), breaks at 2ms (0V), stays broken for duration.
V_W1_CTRL CTRL 0 PULSE(5 0 2ms 1u 1u 5ms 10ms)

* --- Pull-up Network ---
* R1: Base pull-up resistor
R1 VCC BASE 10k

* --- Switching Element ---
* Q1: NPN Transistor (2N2222)
* Connections: Collector, Base, Emitter(GND)
Q1 COLLECTOR BASE 0 2N2222
.model 2N2222 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)

* --- Output / Alarm Indicator ---
* D1: Red LED
* Anode to VCC, Cathode to LED_CATHODE
D1 VCC LED_CATHODE LED_RED
.model LED_RED D(IS=93.2P RS=42M N=3.73 BV=4 IBV=10U CJO=2.97P VJ=0.75 M=0.33 TT=4.32U)

* R2: LED current limiting resistor
* Between LED_CATHODE and COLLECTOR
R2 LED_CATHODE COLLECTOR 470

* --- Simulation Commands ---
.op
* Simulate for 5ms to capture the wire break event at 2ms
.tran 10u 5ms

* --- Output Printing ---
* V(BASE): Trigger voltage (Low=Intact, High=Alarm)
* V(COLLECTOR): Output node (Pulled Low when Alarm is Active)
.print tran V(BASE) V(COLLECTOR) V(LED_CATHODE)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (536 rows)

Index   time            v(base)         v(collector)    v(led_cathode)
0	0.000000e+00	8.999991e-06	8.979590e+00	8.979590e+00
1	1.000000e-07	8.999991e-06	8.979590e+00	8.979590e+00
2	2.000000e-07	8.999991e-06	8.979590e+00	8.979590e+00
3	4.000000e-07	8.999991e-06	8.979590e+00	8.979590e+00
4	8.000000e-07	8.999991e-06	8.979590e+00	8.979590e+00
5	1.600000e-06	8.999991e-06	8.979591e+00	8.979591e+00
6	3.200000e-06	8.999991e-06	8.979592e+00	8.979592e+00
7	6.400000e-06	8.999991e-06	8.979594e+00	8.979594e+00
8	1.280000e-05	8.999991e-06	8.979598e+00	8.979598e+00
9	2.280000e-05	8.999991e-06	8.979604e+00	8.979604e+00
10	3.280000e-05	8.999991e-06	8.979610e+00	8.979610e+00
11	4.280000e-05	8.999991e-06	8.979616e+00	8.979616e+00
12	5.280000e-05	8.999991e-06	8.979622e+00	8.979623e+00
13	6.280000e-05	8.999991e-06	8.979629e+00	8.979629e+00
14	7.280000e-05	8.999991e-06	8.979635e+00	8.979635e+00
15	8.280000e-05	8.999991e-06	8.979641e+00	8.979641e+00
16	9.280000e-05	8.999991e-06	8.979647e+00	8.979647e+00
17	1.028000e-04	8.999991e-06	8.979653e+00	8.979653e+00
18	1.128000e-04	8.999991e-06	8.979659e+00	8.979659e+00
19	1.228000e-04	8.999991e-06	8.979665e+00	8.979665e+00
20	1.328000e-04	8.999991e-06	8.979671e+00	8.979671e+00
21	1.428000e-04	8.999991e-06	8.979677e+00	8.979677e+00
22	1.528000e-04	8.999991e-06	8.979684e+00	8.979684e+00
23	1.628000e-04	8.999991e-06	8.979690e+00	8.979690e+00
... (512 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Conectar el lazo al Colector: Colocar el cable sensor en el lado de salida probablemente cortocircuitará la fuente de alimentación o el LED, en lugar de controlar el transistor. Asegúrese de que el lazo controle la Base.
2. Omitir la resistencia de Base (R1): Si falta R1, la Base queda flotante cuando se corta el cable, y es posible que el transistor no se encienda de manera fiable. R1 proporciona la corriente de encendido necesaria.
3. Sin limitación de corriente para el LED: Olvidar R2 permite que fluya corriente ilimitada a través del LED y Q1 al activarse la alarma, quemando instantáneamente el LED.

Solución de problemas

• El LED nunca se ENCIENDE: Verifique si R1 está conectada a VCC. Si la base nunca recibe voltaje cuando se corta el cable, el transistor permanece APAGADO.
• El LED permanece ENCENDIDO (incluso con el lazo intacto): Verifique la conexión de W1. Si la resistencia del cable sensor es demasiado alta (mal contacto), podría no bajar el voltaje de la base lo suficiente para apagar el transistor.
• El transistor se calienta: Verifique si R2 es demasiado baja (corriente de colector excesiva) o si el LED está en cortocircuito.

Posibles mejoras y extensiones

1. Alarma sonora: Conecte un zumbador activo de 9 V en paralelo con el LED (y su resistencia) para proporcionar sonido.
2. Circuito de enclavamiento: Utilice un tiristor (SCR) en lugar de un transistor NPN para que, una vez cortado el cable, la alarma permanezca ENCENDIDA incluso si el intruso intenta volver a conectar el cable.

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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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