Caso práctico: Limitador de tensión con diodos en serie

Nivel: Básico – Construye un circuito para limitar la tensión de carga usando las caídas de tensión directa de los diodos.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un circuito limitador de tensión pasivo (recortador). Al colocar múltiples diodos de silicio en serie en paralelo con la carga, crearás un «techo» duro para la tensión de salida, evitando que exceda la suma de las caídas de tensión directa de los diodos.

• Protección de entrada: Evita que picos de alta tensión dañen las entradas sensibles del microcontrolador (ADCs).
• Regulación simple: Proporciona una referencia de tensión constante cruda pero efectiva sin un diodo Zener.
• Acondicionamiento de señal: Utilizado en circuitos de audio para crear distorsión o efectos «fuzz» recortando los picos de la señal.
• Referencia lógica: Se puede utilizar para establecer niveles de umbral lógico específicos en computación analógica.

Resultado esperado:
* Cuando la Tensión de Entrada < ~2.1 V: La tensión de salida sigue a la entrada (menos pérdidas resistivas menores).
* Cuando la Tensión de Entrada > ~2.1 V: La tensión de salida se limita y permanece estable en aproximadamente 2.1 V.
* La corriente a través de los diodos aumenta significativamente una vez que se alcanza el umbral.
* Público objetivo: Estudiantes y aficionados que aprenden sobre las características I-V de los diodos.

Materiales

• V1: Fuente de Alimentación CC Variable de 0 V a 9 V, función: Fuente de señal de entrada.
• R1: Resistencia de 1 kΩ, función: Limitación de corriente para los diodos y protección de la fuente.
• R2: Resistencia de 10 kΩ, función: Resistencia de carga (simulando un circuito aguas abajo).
• D1: Diodo de Silicio 1N4148, función: Primer elemento de caída de tensión (~0.7 V).
• D2: Diodo de Silicio 1N4148, función: Segundo elemento de caída de tensión (~0.7 V).
• D3: Diodo de Silicio 1N4148, función: Tercer elemento de caída de tensión (~0.7 V).

Guía de conexionado

Construye el circuito siguiendo estas conexiones. Los nombres de los nodos (por ejemplo, VIN, VOUT, 0) se refieren a puntos eléctricos específicos en el circuito. El nodo 0 representa la Tierra (GND).

• V1 (Fuente): Conecta el terminal positivo al nodo VIN y el terminal negativo al nodo 0.
• R1 (Limitador): Conecta un pin al nodo VIN y el otro pin al nodo VOUT.
• R2 (Carga): Conecta un pin al nodo VOUT y el otro pin al nodo 0.
• D1: Conecta el Ánodo al nodo VOUT y el Cátodo al nodo intermedio N1.
• D2: Conecta el Ánodo al nodo intermedio N1 y el Cátodo al nodo intermedio N2.
• D3: Conecta el Ánodo al nodo intermedio N2 y el Cátodo al nodo 0.

Nota: Esto crea una cadena donde D1, D2 y D3 están en serie entre sí, y toda esa cadena está en paralelo con R2.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ INPUT SOURCE ]              [ SERIES LIMITER ]                  [ OUTPUT NODE & BRANCHES ]

                                                                 /------> [ R2: 10 kΩ Load ] ---------> GND (0)
                                                                 |
[ V1: 0-9 V Variable ] --(VIN)--> [ R1: 1 kΩ Resistor ] --(VOUT)-->+
                                                                 |
                                                                 |        [ VOLTAGE CLAMP CHAIN ]
                                                                 |
                                                                 \------> [ D1: 1N4148 ] --(N1)-->+
                                                                                                  |
                                                                          [ D2: 1N4148 ] <--------+
                                                                          |
                                                                          +--(N2)--> [ D3: 1N4148 ] --> GND (0)

Mediciones y pruebas

Sigue estos pasos para validar el comportamiento de limitación.

1. Prueba de Baja Tensión (Por debajo del umbral):

   • Ajusta V1 a 1.0 V.
   • Mide la tensión en VOUT respecto a GND.
   • Resultado Esperado: VOUT debería ser aproximadamente 0.9 V – 1.0 V (los diodos están apagados/alta impedancia; R1 y R2 forman un divisor de tensión).

2. Prueba de Transición (Cerca del umbral):

   • Ajusta V1 a 2.5 V.
   • Mide la tensión en VOUT.
   • Resultado Esperado: VOUT comienza a rezagarse respecto a VIN. Los diodos comienzan a conducir. VOUT probablemente estará alrededor de 1.8 V a 2.0 V.

3. Prueba de Limitación (Por encima del umbral):

   • Ajusta V1 a 9.0 V.
   • Mide la tensión en VOUT.
   • Resultado Esperado: VOUT debería estar limitada aproximadamente a 2.1 V a 2.2 V (3 diodos × ~0.7 V cada uno). NO alcanzará los 9 V.

4. Barrido de Curva de Transferencia:

   • Aumenta lentamente V1 de 0 V a 9 V mientras monitoreas VOUT.
   • Observa que VOUT aumenta linealmente al principio, luego se «dobla» (hace una rodilla) y se aplana alrededor de 2.1 V.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Voltage limiter with series diodes

* --- Power Supply / Input Signal ---
* V1: 0 V to 9 V Variable DC Power Supply
* Modeled as a linear ramp (PWL) from 0V to 9V over 10ms
* This allows the transient analysis to show the voltage limiting characteristic.
V1 VIN 0 PWL(0 0 10m 9)

* --- Resistors ---
* R1: 1 kΩ resistor (Current limiting)
* Connects VIN to VOUT
R1 VIN VOUT 1k

* R2: 10 kΩ resistor (Load)
* Connects VOUT to Ground (0)
R2 VOUT 0 10k

* --- Diodes ---
* Chain of 3 diodes in series, connected in parallel with the load (R2).
* This clamps VOUT to approximately 3 * 0.7V = 2.1V.
* ... (truncated in public view) ...

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

🔒 Parte del contenido de esta sección es premium. Con el pase de 7 días o la suscripción mensual tendrás acceso al contenido completo (materiales, conexionado, compilación detallada, validación paso a paso, troubleshooting, mejoras/variantes y checklist) y podrás descargar el pack PDF listo para imprimir.

🔓 Ver planes de acceso premium

* Practical case: Voltage limiter with series diodes

* --- Power Supply / Input Signal ---
* V1: 0 V to 9 V Variable DC Power Supply
* Modeled as a linear ramp (PWL) from 0V to 9V over 10ms
* This allows the transient analysis to show the voltage limiting characteristic.
V1 VIN 0 PWL(0 0 10m 9)

* --- Resistors ---
* R1: 1 kΩ resistor (Current limiting)
* Connects VIN to VOUT
R1 VIN VOUT 1k

* R2: 10 kΩ resistor (Load)
* Connects VOUT to Ground (0)
R2 VOUT 0 10k

* --- Diodes ---
* Chain of 3 diodes in series, connected in parallel with the load (R2).
* This clamps VOUT to approximately 3 * 0.7V = 2.1V.

* D1: 1N4148 Silicon Diode
* Anode -> VOUT, Cathode -> N1
D1 VOUT N1 1N4148

* D2: 1N4148 Silicon Diode
* Anode -> N1, Cathode -> N2
D2 N1 N2 1N4148

* D3: 1N4148 Silicon Diode
* Anode -> N2, Cathode -> Ground (0)
D3 N2 0 1N4148

* --- Models ---
* Standard model for 1N4148 small signal diode
.model 1N4148 D (IS=2.682n N=1.836 RS=0.5664 BV=100 IBV=20n CJO=4p TT=11.54n)

* --- Simulation Directives ---
* Perform a transient analysis for 10ms (matching the input ramp duration)
* Step size 10us
.tran 10u 10m

* Calculate DC operating point
.op

* Output data for plotting/logging
.print tran V(VIN) V(VOUT) V(N1) V(N2)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (2016 rows)

Index   time            v(vin)          v(vout)         v(n1)
0	0.000000e+00	0.000000e+00	-9.87864e-23	2.810146e-18
1	1.000000e-07	9.000000e-05	8.083682e-05	5.389121e-05
2	2.000000e-07	1.800000e-04	1.626418e-04	1.084279e-04
3	4.000000e-07	3.600000e-04	3.262751e-04	2.175167e-04
4	8.000000e-07	7.200000e-04	6.535424e-04	4.356949e-04
5	1.600000e-06	1.440000e-03	1.308076e-03	8.720508e-04
6	3.200000e-06	2.880000e-03	2.617144e-03	1.744763e-03
7	6.400000e-06	5.760000e-03	5.235279e-03	3.490186e-03
8	1.280000e-05	1.152000e-02	1.047155e-02	6.981032e-03
9	2.280000e-05	2.052000e-02	1.865321e-02	1.243547e-02
10	3.280000e-05	2.952000e-02	2.683486e-02	1.788991e-02
11	4.280000e-05	3.852000e-02	3.501650e-02	2.334434e-02
12	5.280000e-05	4.752000e-02	4.319814e-02	2.879876e-02
13	6.280000e-05	5.652000e-02	5.137976e-02	3.425317e-02
14	7.280000e-05	6.552000e-02	5.956137e-02	3.970758e-02
15	8.280000e-05	7.452000e-02	6.774297e-02	4.516198e-02
16	9.280000e-05	8.352000e-02	7.592455e-02	5.061637e-02
17	1.028000e-04	9.252000e-02	8.410612e-02	5.607075e-02
18	1.128000e-04	1.015200e-01	9.228768e-02	6.152512e-02
19	1.228000e-04	1.105200e-01	1.004692e-01	6.697948e-02
20	1.328000e-04	1.195200e-01	1.086507e-01	7.243383e-02
21	1.428000e-04	1.285200e-01	1.168323e-01	7.788817e-02
22	1.528000e-04	1.375200e-01	1.250137e-01	8.334250e-02
23	1.628000e-04	1.465200e-01	1.331952e-01	8.879681e-02
... (1992 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Invertir la polaridad del diodo: Si los diodos se conectan Cátodo-a-Ánodo (mirando hacia arriba hacia el positivo), no conducirán en polarización directa. Solución: Asegúrate de que la banda (Cátodo) de D3 se conecte a Tierra, y las flechas apunten de VOUT a Tierra.
2. Omitir R1: Conectar la fuente directamente a la cadena de diodos sin R1 causa un cortocircuito cuando V1 > 2.1 V, probablemente destruyendo los diodos. Solución: Siempre incluye una resistencia en serie (R1) para que caiga el exceso de tensión.
3. Usar una carga de baja resistencia (R2): Si R2 es muy pequeña (ej. 100 Ω), dominará el circuito y reducirá VOUT por debajo del umbral de limitación puramente por división de tensión. Solución: Asegúrate de que la carga R2 sea significativamente mayor que R1 (al menos 10x mayor) para una acción de limitación nítida.

Solución de problemas

• Síntoma: VOUT es igual a VIN para todo el rango de 0-9 V.
  • Causa: El camino de los diodos está abierto.
  • Solución: Revisa si hay conexiones sueltas en la cadena D1-D2-D3 o un diodo al revés bloqueando la corriente.
• Síntoma: VOUT se mantiene cerca de 0 V incluso cuando se aumenta VIN.
  • Causa: Los diodos están en cortocircuito o un diodo está invertido y conectado en paralelo con la fuente incorrectamente (aunque R1 generalmente protege esto).
  • Solución: Revisa la orientación de los diodos. Si un diodo está invertido en paralelo a la carga, limita a -0.7 V (esencialmente 0 V en esta configuración).
• Síntoma: La tensión de limitación es ~0.7 V o ~1.4 V en lugar de ~2.1 V.
  • Causa: Uno o dos diodos están en cortocircuito o puenteados.
  • Solución: Verifica que haya exactamente tres diodos sanos en la cadena en serie.

Posibles mejoras y extensiones

1. Limitador Ajustable: Reemplaza la cadena fija D1-D3 con un diodo Zener (ej. 3.3 V o 5.1 V) para establecer una tensión de protección específica con un solo componente.
2. Indicación Visual: Reemplaza uno de los diodos estándar con un LED rojo. La tensión de limitación aumentará (los LEDs caen ~1.8 V – 2.0 V), y el LED se encenderá cuando la tensión de entrada exceda el límite, actuando como una «Advertencia de Sobretensión».

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?