Nivel: Medio. Compare el rizado de tensión en una fuente de alimentación básica variando la capacitancia de filtrado bajo carga.
Objetivo y caso de uso
En este caso práctico, construirá un circuito Rectificador de Puente de Onda Completa acoplado a un banco de condensadores de filtro seleccionable y una carga resistiva. Analizará cómo afecta el valor del condensador de filtro a la calidad de la salida de CC midiendo el voltaje de «rizado» superpuesto a la señal de CC.
- Fuentes de alimentación de audio: Reducción del zumbido de 50/60 Hz en amplificadores y altavoces.
- Alimentación de lógica digital: Asegurar niveles de tensión estables para evitar reinicios del microcontrolador o comportamientos erráticos.
- Acondicionamiento de sensores: Suministro de energía CC limpia a sensores analógicos para lecturas precisas.
- Carga de baterías: Suavizado de la corriente de carga para prolongar la vida útil de la batería.
Resultado esperado:
* Transformación de forma de onda: Observación visual de la onda sinusoidal de CA convirtiéndose en CC pulsante, y luego en CC suave.
* Voltaje de rizado (Vripple): Un alto voltaje de rizado pico a pico (> 5 V) con un condensador pequeño (10 µF).
* Efecto de suavizado: Un voltaje de rizado significativamente reducido (< 0.5 V) al cambiar a un condensador grande (470 µF).
* Público objetivo: Estudiantes de electrónica de nivel intermedio y aficionados familiarizados con conceptos de CA/CC.
Materiales
- V1: Secundario de transformador de CA de 12 V (RMS) o generador de funciones de CA (60 Hz), función: Fuente de alimentación de CA.
- D1: Diodo 1N4007, función: Rectificador de puente arriba a la izquierda.
- D2: Diodo 1N4007, función: Rectificador de puente arriba a la derecha.
- D3: Diodo 1N4007, función: Rectificador de puente abajo a la izquierda.
- D4: Diodo 1N4007, función: Rectificador de puente abajo a la derecha.
- R1: Resistencia de 220 Ω (se recomienda una potencia nominal de 2 Watts), función: Carga estática.
- C1: Condensador electrolítico de 10 µF (25 V o superior), función: Filtro de bajo valor.
- C2: Condensador electrolítico de 470 µF (25 V o superior), función: Filtro de alto valor.
- S1: Interruptor SPDT o cable puente, función: Selecciona entre C1 y C2.
- Equipo de prueba: Osciloscopio (preferido) o Multímetro con capacidades de medición de CA/CC.
Guía de conexionado
Construya el circuito utilizando las siguientes conexiones de nodos. Asegúrese de que los condensadores electrolíticos estén conectados con la polaridad correcta (terminal Positivo a V_DC, terminal Negativo a 0 / GND).
- V1 (Fuente): Se conecta entre el nodo
AC_Ly el nodoAC_N. - D1: El ánodo se conecta a
AC_L, el cátodo se conecta aV_DC. - D2: El ánodo se conecta a
AC_N, el cátodo se conecta aV_DC. - D3: El ánodo se conecta a
0(GND), el cátodo se conecta aAC_L. - D4: El ánodo se conecta a
0(GND), el cátodo se conecta aAC_N. - R1 (Carga): Se conecta entre el nodo
V_DCy el nodo0(GND). - C1 (Caso de prueba A): Terminal positivo a
V_DC, terminal negativo a0(GND). - C2 (Caso de prueba B): Terminal positivo a
V_DC, terminal negativo a0(GND) (Reemplace C1 por C2 para la segunda prueba).
Diagrama de bloques conceptual
Esquemático
[ INPUT SOURCE ] [ RECTIFICATION ] [ FILTER STAGE ] [ OUTPUT LOAD ]
+-> [ Capacitor C1 ] -+
| (10 uF) |
[ AC Source V1 ] --(12 V AC)--> [ Bridge Rectifier ] --(Raw DC)-->+ +--(V_DC)--> [ Load Resistor R1 ]
(12 V RMS) [ D1, D2, D3, D4 ] | [ Switch S1 ] | (220 Ohm)
+-> [ Capacitor C2 ] -+ |
(470 uF) |
|
v
[ Oscilloscope ]
(Measure Ripple)
Mediciones y pruebas
Siga estos pasos para validar la eficiencia del suavizado:
- Línea base (Sin condensador): Retire temporalmente cualquier condensador. Mida
V_DCcon un osciloscopio. Debería ver una señal rectificada de onda completa (jorobas que van a 0 V) a 120 Hz (o 100 Hz). - Prueba de condensador pequeño (C1 = 10 µ F):
- Inserte $C1$.
- Mida el voltaje pico (Vpeak) y el voltaje de valle mínimo (Vmin).
- Calcule el Rizado: Vripple = Vpeak – Vmin.
- Expectativa: Rizado de diente de sierra significativo (descarga rápida).
- Prueba de condensador grande (C2 = 470 µ F):
- Reemplace $C1$ con $C2$.
- Mida Vpeak y Vmin nuevamente.
- Expectativa: La línea de CC es mucho más plana; Vmin se mantiene cerca de Vpeak.
- Promedio de CC: Cambie su multímetro a Voltios CC. Compare la lectura de $C1$ frente a $C2$. El voltaje promedio con $C2$ será mayor porque el condensador mantiene la carga por más tiempo.
Netlist SPICE y simulación
Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)
* Linear supply voltage smoothing
*
* Description:
* This netlist simulates a full-wave bridge rectifier power supply with a
* selectable smoothing capacitor.
* - 0ms to 100ms: C1 (10uF) is connected (High Ripple case).
* - 100ms to 200ms: C2 (470uF) is connected (Low Ripple case), simulating
* switch S1 toggling.
*
* Connections:
* V1 (AC Source) -> Nodes AC_L, AC_N
* D1-D4 (Bridge) -> Nodes AC_L, AC_N, V_DC, 0 (GND)
* R1 (Load) -> Nodes V_DC, 0
* S1 (Switch) -> Modeled via S_C1 and S_C2 connecting V_DC to C1/C2
*
* -----------------------------------------------------------------------------
* --- AC Power Source ---
* 12V RMS AC, 60Hz.
* Peak Voltage = 12 * sqrt(2) = 16.97 V
* ... (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.
* Linear supply voltage smoothing
*
* Description:
* This netlist simulates a full-wave bridge rectifier power supply with a
* selectable smoothing capacitor.
* - 0ms to 100ms: C1 (10uF) is connected (High Ripple case).
* - 100ms to 200ms: C2 (470uF) is connected (Low Ripple case), simulating
* switch S1 toggling.
*
* Connections:
* V1 (AC Source) -> Nodes AC_L, AC_N
* D1-D4 (Bridge) -> Nodes AC_L, AC_N, V_DC, 0 (GND)
* R1 (Load) -> Nodes V_DC, 0
* S1 (Switch) -> Modeled via S_C1 and S_C2 connecting V_DC to C1/C2
*
* -----------------------------------------------------------------------------
* --- AC Power Source ---
* 12V RMS AC, 60Hz.
* Peak Voltage = 12 * sqrt(2) = 16.97 V
V1 AC_L AC_N SIN(0 16.97 60)
* --- Bridge Rectifier (1N4007) ---
* D1: Anode=AC_L, Cathode=V_DC
D1 AC_L V_DC D1N4007
* D2: Anode=AC_N, Cathode=V_DC
D2 AC_N V_DC D1N4007
* D3: Anode=GND, Cathode=AC_L
D3 0 AC_L D1N4007
* D4: Anode=GND, Cathode=AC_N
D4 0 AC_N D1N4007
* --- Load Resistor ---
* 220 Ohm resistor across the DC output
R1 V_DC 0 220
* --- Filter Capacitors & Switching Logic ---
* We simulate the SPDT switch S1 by using two voltage-controlled switches.
* S_C1 connects V_DC to C1. S_C2 connects V_DC to C2.
* Control signals ensure only one is active at a time (break-before-make effectively).
* Capacitor C1 (10uF) path
S_C1 V_DC NET_C1 CTRL_C1 0 SW_MODEL
C1 NET_C1 0 10u
* Capacitor C2 (470uF) path
S_C2 V_DC NET_C2 CTRL_C2 0 SW_MODEL
C2 NET_C2 0 470u
* --- Control Signals (Dynamic Stimuli) ---
* CTRL_C1: Starts High (5V), goes Low (0V) at 100ms.
* Keeps C1 connected for the first 100ms.
V_CTRL_C1 CTRL_C1 0 PULSE(5 0 100m 1u 1u 1 2)
* CTRL_C2: Starts Low (0V), goes High (5V) at 100ms.
* Connects C2 for the remainder of the simulation.
V_CTRL_C2 CTRL_C2 0 PULSE(0 5 100m 1u 1u 1 2)
* --- Component Models ---
* Generic model for 1N4007 Power Diode
.model D1N4007 D(IS=7.03n RS=0.034 N=1.8 BV=1000 IBV=5u CJO=10p TT=100n)
* Ideal Switch Model (Threshold=2.5V, On-Res=10mOhm, Off-Res=100MegOhm)
.model SW_MODEL SW(Vt=2.5 Ron=0.01 Roff=100Meg)
* --- Analysis Directives ---
* Transient analysis: 200ms total time, 50us step size.
* This captures approx 6 cycles with C1 and 6 cycles with C2.
.tran 50u 200m
* Print directives for simulation log/plotting
.print tran V(V_DC) V(AC_L) V(AC_N)
.endResultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (4050 rows)
Index time v(v_dc) v(ac_l) v(ac_n) 0 0.000000e+00 6.658603e-23 4.156609e-18 4.156609e-18 1 5.000000e-07 1.885342e-19 1.599385e-03 -1.59938e-03 2 1.000000e-06 6.893339e-12 3.198770e-03 -3.19877e-03 3 2.000000e-06 3.416858e-11 6.397539e-03 -6.39754e-03 4 4.000000e-06 1.718574e-10 1.279507e-02 -1.27951e-02 5 8.000000e-06 9.966330e-10 2.559012e-02 -2.55901e-02 6 1.325366e-05 3.861142e-09 4.239524e-02 -4.23952e-02 7 2.095388e-05 1.446061e-08 6.702595e-02 -6.70259e-02 8 3.129676e-05 5.099200e-08 1.001088e-01 -1.00109e-01 9 4.482862e-05 1.835180e-07 1.433897e-01 -1.43390e-01 10 6.128867e-05 6.888081e-07 1.960312e-01 -1.96031e-01 11 8.042390e-05 2.827323e-06 2.572195e-01 -2.57217e-01 12 1.019046e-04 1.303092e-05 3.258956e-01 -3.25883e-01 13 1.254895e-04 6.815023e-05 4.012964e-01 -4.01228e-01 14 1.509795e-04 4.024321e-04 4.828893e-01 -4.82487e-01 15 1.782228e-04 2.626479e-03 5.709779e-01 -5.68351e-01 16 2.071492e-04 1.723315e-02 6.705660e-01 -6.53333e-01 17 2.380619e-04 8.388777e-02 8.024272e-01 -7.18539e-01 18 2.734880e-04 2.529945e-01 9.997734e-01 -7.46779e-01 19 3.097680e-04 4.785526e-01 1.227902e+00 -7.49349e-01 20 3.521718e-04 7.463483e-01 1.496384e+00 -7.50036e-01 21 3.938443e-04 1.008721e+00 1.759554e+00 -7.50833e-01 22 4.438443e-04 1.322891e+00 2.074586e+00 -7.51694e-01 23 4.938443e-04 1.636032e+00 2.388601e+00 -7.52568e-01 ... (4026 more rows) ...
Errores comunes y cómo evitarlos
- Polaridad del condensador invertida: Los condensadores electrolíticos explotarán si se conectan al revés. Solución: Asegúrese de que el lado marcado con una franja (negativo) se conecte al nodo
0(GND) y el otro lado a la salida positiva del rectificador. - Potencia de la resistencia subestimada: Una resistencia de 220 Ω a ~15 V CC disipa aproximadamente 1 Watt (P = V^2 / R). Usar una resistencia estándar de 1/4 W la quemará. Solución: Use una resistencia de potencia (2 W+) o aumente la resistencia a 1 kΩ (aunque esto reduce la visibilidad del rizado).
- Medición del rizado en configuración de CC: Un multímetro estándar en modo CC promedia el voltaje, ocultando el rizado. Solución: Use un osciloscopio para el análisis visual, o configure el multímetro en modo CA para medir solo el valor RMS del componente de rizado.
Solución de problemas
- Síntoma: No hay voltaje de salida en
V_DC.- Causa: La fuente de CA no está encendida o los diodos del puente están abiertos/conectados incorrectamente.
- Solución: Verifique la salida de V1 y compruebe la orientación de los diodos (marcas de anillo en los cátodos).
- Síntoma: El rizado no cambia al cambiar los condensadores.
- Causa: Falta la resistencia de carga $R1$ o está en circuito abierto. Sin una carga, el condensador no tiene camino para descargarse, por lo que el voltaje permanece en el pico independientemente de la capacitancia.
- Solución: Asegúrese de que $R1$ esté conectada firmemente en paralelo al condensador.
- Síntoma: El fusible se funde o el transformador zumba fuertemente.
- Causa: Cortocircuito en el puente (por ejemplo, D1 y D3 cortocircuitando la red de CA).
- Solución: Apague inmediatamente y verifique el cableado. Asegúrese de que
AC_LyAC_Nno estén conectados directamente a0o entre sí.
Posibles mejoras y extensiones
- Regulador de voltaje: Agregue un regulador lineal LM7812 o LM317 después del condensador para ver cómo la regulación activa elimina el rizado restante.
- Filtro Pi RC: Agregue una resistencia en serie y un segundo condensador ($C-R-C$) para crear un filtro de paso bajo pasivo, reduciendo aún más el rizado sin componentes activos (a costa de una caída de voltaje).
Más Casos Prácticos en Prometeo.blog
Encuentra este producto y/o libros sobre este tema en Amazon
Como afiliado de Amazon, gano con las compras que cumplan los requisitos. Si compras a través de este enlace, ayudas a mantener este proyecto.
Quiz rápido
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer
Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).
