Caso práctico: Filtrado básico de rectificador

Nivel: Básico. Demostrar cómo un condensador suaviza el rizado en una señal rectificada de media onda.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirá un circuito rectificador de media onda y observará el efecto de añadir un condensador de filtro en paralelo con la carga.
* Por qué es útil:
* Esencial para convertir Corriente Alterna (CA) de la red en Corriente Continua (CC) para alimentar electrónica.
* Utilizado en cargadores de baterías sencillos.
* Concepto fundamental para la demodulación de señales de audio (detectores de envolvente).
* Demuestra las propiedades de almacenamiento de energía de los condensadores en fuentes de alimentación.
* Resultado esperado:
* Entrada: Una onda sinusoidal de CA pura (oscilando positiva y negativamente).
* Salida Paso 1: Una señal pulsante solo positiva (rectificación de media onda).
* Salida Paso 2: Un voltaje de CC estable con una ligera variación (rizado) después de conectar el condensador.
* Público objetivo y nivel: Estudiantes y aficionados que comprendan la conversión básica de CA/CC.

Materiales

• V1: Fuente de onda sinusoidal de 10 V (pico), 50 Hz, función: entrada de alimentación de CA.
• D1: Diodo 1N4007, función: rectifica CA a CC pulsante.
• R1: Resistencia de 1 kΩ, función: actúa como la carga eléctrica.
• C1: Condensador electrolítico de 100 µF, función: filtra el rizado de voltaje (almacena energía).
• GND: Referencia de tierra (0 V).

Guía de conexionado

Construya el circuito siguiendo estas conexiones de nodos:

• V1 (Fuente): Conecte el terminal positivo al nodo VAC y el terminal negativo al nodo 0 (GND).
• D1 (Rectificador): Conecte el Ánodo al nodo VAC y el Cátodo al nodo VOUT.
• R1 (Carga): Conecte entre el nodo VOUT y el nodo 0 (GND).
• C1 (Filtro): Conecte el terminal positivo al nodo VOUT y el terminal negativo al nodo 0 (GND). Nota: Inicialmente deje C1 desconectado para observar la señal sin filtrar, luego conéctelo.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ AC SOURCE ]            [ RECTIFICATION ]             [ OUTPUT STAGE ]

                                             +--> [ C1 Filter ] --> GND
                                                          |    (100 uF)
    [ V1 Source ] --(VAC)--> [ D1 Diode ] --(VOUT Node)-->+
    (10 V, 50Hz)              (1N4007)                     |
                                                          +--> [ R1 Load ]   --> GND
                                                               (1 kOhm)

Mediciones y pruebas

Realice los siguientes pasos utilizando un osciloscopio o un multímetro:

1. Verificación de entrada:
   • Conecte la sonda a VAC.
   • Verifique una onda sinusoidal oscilando entre +10 V y -10 V.
2. Rectificación sin filtrar (C1 desconectado):
   • Retire C1 temporalmente.
   • Mida VOUT. Debería ver solo los semiciclos positivos de la onda sinusoidal (aprox. 0 V a 9.3 V debido a la caída del diodo). El voltaje cae a cero entre picos.
3. Rectificación filtrada (C1 conectado):
   • Conecte C1 en paralelo con R1.
   • Mida VOUT. La señal ahora debería ser un voltaje de CC cerca del valor pico (aprox. 9 V) que no cae a cero.
   • Medición de Vripple (Rizado): Configure el osciloscopio en acoplamiento de CA para hacer zoom en la pequeña fluctuación de voltaje (forma de «diente de sierra») sobre la línea de CC.

Netlist SPICE y simulación

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

* Basic rectifier filtering

* --- Components ---

* V1: 10 V (peak), 50 Hz sine wave source
* Connected: Positive -> VAC, Negative -> 0 (GND)
V1 VAC 0 SIN(0 10 50)

* D1: 1N4007 diode (Rectifier)
* Connected: Anode -> VAC, Cathode -> VOUT
D1 VAC VOUT 1N4007

* R1: 1 kΩ resistor (Load)
* Connected: Between VOUT and 0 (GND)
R1 VOUT 0 1k

* C1: 100 µF electrolytic capacitor (Filter)
* Connected: Positive -> VOUT, Negative -> 0 (GND)
* Note: Included to demonstrate the filtering effect described in the case.
C1 VOUT 0 100u
* ... (truncated in public view) ...

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* Basic rectifier filtering

* --- Components ---

* V1: 10 V (peak), 50 Hz sine wave source
* Connected: Positive -> VAC, Negative -> 0 (GND)
V1 VAC 0 SIN(0 10 50)

* D1: 1N4007 diode (Rectifier)
* Connected: Anode -> VAC, Cathode -> VOUT
D1 VAC VOUT 1N4007

* R1: 1 kΩ resistor (Load)
* Connected: Between VOUT and 0 (GND)
R1 VOUT 0 1k

* C1: 100 µF electrolytic capacitor (Filter)
* Connected: Positive -> VOUT, Negative -> 0 (GND)
* Note: Included to demonstrate the filtering effect described in the case.
C1 VOUT 0 100u

* --- Models ---

* Standard silicon rectifier diode model approximation for 1N4007
.model 1N4007 D(IS=7.03n RS=0.04 N=1.85 CJO=10p VJ=1 M=0.5 BV=1000 IBV=10u TT=5u)

* --- Analysis Directives ---

* Transient analysis: 100ms duration (5 cycles of 50Hz) with 0.1ms step
.tran 0.1ms 100ms

* Operating point analysis
.op

* Print directives for simulation logging
.print tran V(VAC) V(VOUT)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (1017 rows)

Index   time            v(vac)          v(vout)
0	0.000000e+00	0.000000e+00	-2.77024e-22
1	1.000000e-06	3.141593e-03	3.430255e-10
2	2.000000e-06	6.283185e-03	6.932562e-10
3	4.000000e-06	1.256637e-02	1.411758e-09
4	8.000000e-06	2.513271e-02	2.956960e-09
5	1.600000e-05	5.026527e-02	6.646271e-09
6	3.200000e-05	1.005293e-01	1.882015e-08
7	5.304087e-05	1.666251e-01	6.310202e-08
8	7.565486e-05	2.376544e-01	2.484107e-07
9	1.009625e-04	3.171298e-01	1.270798e-06
10	1.280850e-04	4.022822e-01	7.576310e-06
11	1.570209e-04	4.930958e-01	5.140208e-05
12	1.876236e-04	5.890955e-01	3.869871e-04
13	2.197798e-04	6.899101e-01	3.065854e-03
14	2.535671e-04	7.957622e-01	2.015809e-02
15	2.900907e-04	9.100857e-01	7.787813e-02
16	3.269176e-04	1.025237e+00	1.740794e-01
17	3.659101e-04	1.147010e+00	2.922342e-01
18	4.156771e-04	1.302180e+00	4.470469e-01
19	4.731074e-04	1.480844e+00	6.257990e-01
20	5.731074e-04	1.790758e+00	9.360689e-01
21	6.731074e-04	2.098905e+00	1.244455e+00
22	7.731074e-04	2.404980e+00	1.550935e+00
23	8.731074e-04	2.708681e+00	1.855020e+00
... (993 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Invertir la polaridad del condensador:
   • Error: Conectar la pata negativa de un condensador electrolítico al nodo de voltaje positivo.
   • Solución: Asegúrese siempre de que la franja (lado negativo) del condensador se conecte a Tierra (0). La polaridad inversa puede hacer que el condensador explote.
2. Resistencia de carga demasiado baja:
   • Error: Usar una resistencia muy pequeña (ej. 10 Ω) con un condensador pequeño.
   • Solución: Si la carga consume demasiada corriente, el condensador se descarga demasiado rápido, causando un rizado masivo. Aumente C1 o R1.
3. Ignorar la caída de voltaje del diodo:
   • Error: Esperar exactamente 10 V de CC de una fuente de 10 V de CA pico.
   • Solución: Tenga en cuenta la caída de ~0.7 V a través del diodo de silicio. Espere alrededor de 9.3 V pico.

Solución de problemas

• Síntoma: La salida es idéntica a la Entrada (onda sinusoidal de CA).
  • Causa: El diodo está en cortocircuito internamente.
  • Solución: Reemplace D1.
• Síntoma: La salida es 0 V.
  • Causa: El diodo está abierto o conectado al revés (bloqueando el ciclo positivo).
  • Solución: Verifique la orientación del diodo (ánodo a la fuente).
• Síntoma: El rizado es muy alto (el voltaje cae profundamente entre picos).
  • Causa: El valor del condensador es demasiado bajo para la frecuencia o la carga.
  • Solución: Aumente C1 a 470 µF o 1000 µF.

Posibles mejoras y extensiones

1. Rectificación de onda completa: Reemplace el diodo único con un puente rectificador (4 diodos) para utilizar el semiciclo negativo, duplicando la frecuencia de rizado y mejorando la eficiencia.
2. Regulador de voltaje: Añada un diodo Zener o un regulador lineal (como un LM7805) después del condensador para crear una salida de CC fija y estable independientemente del rizado.

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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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