¿Alguna vez armaste un proyecto con varias fuentes de alimentación (un riel de 3.3V para el ESP32, otro de 5V para los sensores, quizás 12V para un motor) y te quedaste con la duda de si todos los rieles realmente están en su voltaje correcto? A medida que un circuito mezcla microcontroladores con electrónica analógica, la cantidad de rieles crece, y vigilar cada uno se vuelve un problema. En este tutorial vas a armar un monitor de voltaje aislado: un circuito mínimo, con apenas un puñado de componentes, que enciende una señal limpia y galvánicamente aislada cuando un riel supera el umbral que tú definas.

Al terminar vas a entender cómo funciona el TL431 como referencia ajustable, por qué el optoacoplador PC817 te da un aislamiento real entre la parte que mide y la parte que recibe la señal, y cómo modificar el divisor de tensión para vigilar cualquier voltaje, no solo los 3.3V del ejemplo.

Qué vas a lograr

La gracia de este diseño es que la salida es de colector abierto y está aislada. Eso significa dos cosas concretas:

  • Aislamiento galvánico: el lado que mide el riel y el lado que lee la alarma no comparten masa. Si el riel monitoreado tiene ruido o referencias distintas, eso no contamina tu microcontrolador.
  • Salida de colector abierto: puedes conectar varias de estas salidas juntas (wired OR) para que un solo pin de tu placa te diga si CUALQUIERA de los rieles se salió de rango.

Es un monitor pasivo de hardware: no necesita firmware, no consume un pin analógico, y reacciona en hardware puro. Ideal como red de seguridad para fuentes de laboratorio caseras, supervisión de baterías o validación de un riel antes de habilitar una etapa de potencia.

Cómo funciona: el corazón es el TL431

El protagonista del primer diseño es el TL431, un regulador shunt programable que la mayoría conoce por su uso en fuentes conmutadas. Su pin de referencia (R) tiene un umbral interno cercano a 2.5V. La regla de oro es simple: cuando el voltaje en la referencia (R) supera ~2.5V, el TL431 empieza a conducir y drena corriente desde su cátodo (K).

Esa propiedad es justo lo que necesitamos para detectar un sobre voltaje. Las resistencias R1 y R2 forman un divisor de tensión que toma una fracción del riel a vigilar. Los valores se eligen de modo que, cuando el riel llega a 3.3V, la referencia del TL431 quede justo por encima de 2.5V. En ese instante el TL431 conduce, enciende el LED interno del optoacoplador PC817 y la salida cambia de estado.

Esquema del monitor de voltaje aislado de 3.3V con TL431 y optoacoplador PC817

En el esquema de arriba puedes seguir la ruta de la señal: el riel de +3.3V alimenta el LED del PC817 a través de R3 (39Ω) y, en paralelo, el divisor R1 (3.3kΩ) y R2 (10kΩ) lleva la muestra a la referencia del TL431. El cátodo del TL431 está en serie con el LED del opto, así que cuando el TL431 abre paso, la corriente circula por el LED y el fototransistor de salida se activa.

Por qué el optoacoplador y qué es colector abierto

La salida del PC817 es, en esencia, un transistor bipolar NPN cuya base la controla la luz del LED interno. Operado en configuración de colector abierto, ese transistor trabaja como un interruptor de estado sólido: o está totalmente encendido, o totalmente apagado. No hay zona gris.

Lo poderoso de una salida de colector abierto es que no impone un voltaje propio: tú decides a qué nivel sube cuando está inactiva. Para eso se usa una resistencia de pull up del lado del receptor (los terminales C y E que ves en el esquema), que lleva la línea a VCC cuando la salida no está activa. La alternativa es un pull down, que la lleva a GND. La elección de pull up o pull down depende de tu lógica: lo importante es que el pin nunca quede flotando, porque un pin flotante lee valores aleatorios.

Como el transistor de salida está ópticamente aislado del lado de medición, puedes referenciar ese pull up a la masa de tu microcontrolador sin mezclar tierras. Ese es el verdadero valor del PC817 acá.

Variante simple: un zener en lugar del TL431

Si no necesitas precisión fina ni un umbral ajustable, hay una versión todavía más austera que reemplaza el TL431 por un diodo zener estándar 1N4741A (un zener de 12V). En el ejemplo se vigila un riel de 12V, pero igual que antes, puedes adaptar el circuito a otros voltajes cambiando el zener.

Esquema de la variante simple con diodo zener 1N4741A y PC817 para vigilar un riel de 12V

Acá la idea es directa: el zener no conduce hasta que el riel supera su voltaje de ruptura (12V). Cuando lo supera, deja pasar corriente, enciende el LED del PC817 a través de R3 (470Ω) y la salida se activa. Es menos preciso que el TL431 y el umbral lo fija el zener (no es ajustable con resistencias), pero usa un componente menos y es perfecto para una alarma de "este riel se pasó de los 12V" sin pretensiones.

Detalles del TL431 que conviene tener a mano

El TL431 es fácil de usar, pero su comportamiento real es un poco más sutil de lo que sugiere un ejemplo de aplicación rápido. Estos puntos te van a ahorrar dolores de cabeza:

  • No baja del umbral: en la versión estándar, el TL431 no puede llevar su cátodo (K) por debajo de la tensión de referencia (~2.495V). Algunas variantes más nuevas sí pueden, pero no lo des por sentado.
  • Versiones de 1.2V: existen variantes excelentes con referencia de 1.2V, ideales si necesitas vigilar rieles por debajo de 2.5V.
  • Corriente mínima de operación: el circuito del LED del optoacoplador debe entregar suficiente corriente de reposo para que el TL431 trabaje bien. En la versión estándar el mínimo absoluto es 400µA, pero un diseñador con experiencia suele apuntar a cerca de 1mA para quedar holgado.
  • Resistencia sobre el LED del opto: está bien agregar una resistencia en paralelo al LED del optoacoplador. Mejora un poco la gestión de la corriente de reposo y acelera el apagado del LED.

Si tu lectura se comporta raro (la salida no conmuta, o conmuta antes de tiempo), revisa primero estos cuatro puntos: casi siempre el problema es corriente de reposo insuficiente o un divisor mal calculado.

Dónde vive el TL431 en el mundo real

Si abriste alguna vez un cargador de celular o una fuente conmutada barata, ya viste un TL431 sin saberlo. En estas fuentes, el TL431 cierra el lazo de regulación a través de un optoacoplador, exactamente la misma dupla TL431 más opto que usamos acá, pero del lado de control de la fuente.

Foto de un módulo de fuente conmutada SMPS donde se ve el TL431 trabajando junto a un optoacoplador

En la placa de la foto, la zona secundaria (la verde, aislada de la primaria) lleva el TL431 sensando el voltaje de salida y mandando la corrección al primario a través del opto. Ver ese patrón en una fuente comercial ayuda a entender por qué el TL431 y el PC817 son una pareja tan común: el TL431 da una referencia precisa y el opto cruza la barrera de aislamiento.

Variantes y mejoras

Estas extensiones no están en el diseño original y te sirven para llevar el monitor más lejos:

  • Histéresis para evitar parpadeo: si el riel oscila justo en el umbral, la salida puede titilar. Agrega una resistencia de realimentación entre el cátodo del TL431 y el pin de referencia para crear una pequeña histéresis (efecto Schmitt). Así la salida se engancha y no rebota.
  • Vigilar varios rieles con un solo pin: arma tres copias del circuito (una por riel) y une todas las salidas de colector abierto a una misma línea con un único pull up. Con un solo GPIO de tu ESP32 o Arduino te enteras si CUALQUIERA de los rieles se salió de rango. Eso es el wired OR que mencionamos al inicio.
  • Umbral ajustable en vivo: reemplaza R1 por un trimpot multivuelta. Puedes calibrar el punto exacto de disparo con un destornillador, sin recalcular ni cambiar resistencias.
  • Señal hacia un microcontrolador con interrupción: conecta la salida del opto a un pin con interrupción por flanco. En lugar de hacer polling, tu firmware reacciona al instante cuando un riel se cae o se sobrepasa.

Personalización para Chile

En Chile puedes armar este monitor con componentes en stock en MechatronicStore. Estas son las piezas centrales del circuito:

  • Regulador de voltaje de precisión ajustable TL431 (SKU GI2-8): $490. Es el corazón del primer diseño, la referencia ajustable que define el umbral de disparo.
  • Optoacoplador con Salida a Transistor PC817 DIP-4 (SKU GB3-15): $400. La versión de inserción (through hole) DIP-4, justo la que usa el esquema. Da el aislamiento galvánico y la salida de colector abierto.
  • Resistencias 1/4W variedad de valores (SKU N/D): $100 cada una. Para el divisor R1, R2 y la resistencia limitadora R3. En el ejemplo de 3.3V se usan 3.3kΩ, 10kΩ y 39Ω; puedes combinarlas según el riel que quieras vigilar.

Para la variante simple necesitas un diodo zener 1N4741A de 12V. Si no lo encuentras suelto, cualquier zener del voltaje del riel que quieras monitorear cumple la misma función (la clave es que el voltaje de ruptura coincida con tu umbral). El costo total del circuito principal ronda los $1.000 a $2.000, dependiendo de cuántas resistencias y repuestos lleves.

Recursos

  • Tutorial original (inglés): Isolated Voltage Monitors, por T.K. Hareendran en Codrey Electronics.
  • Datasheet TL431: busca la hoja de datos del fabricante (Texas Instruments u ON Semiconductor) para las curvas de referencia y las versiones de 1.2V.
  • Datasheet PC817: la hoja de datos de Sharp detalla el CTR (current transfer ratio) y las corrientes máximas del LED.

Versión chilena con componentes en stock local en MechatronicStore, inspirada en el diseño de T.K. Hareendran para Codrey Electronics.