Caso práctico: Circuito fijador de nivel DC

Nivel: Medio | Comprender el desplazamiento del nivel DC de una señal AC utilizando un diodo y un condensador.

Objetivo y caso de uso

Construirás un circuito fijador de nivel positivo con diodo que toma una señal AC entrante centrada en cero y desplaza todo su nivel DC hacia arriba, estableciendo una nueva línea base de referencia.

Este circuito es muy útil en diversas aplicaciones prácticas:
* Restaurar niveles DC en señales de video analógicas para una correcta representación en pantalla.
* Proteger las etapas de entrada analógica de microcontroladores que no pueden manejar voltajes negativos.
* Crear los bloques de construcción fundamentales para circuitos multiplicadores de voltaje (como las bombas de carga).
* Polarizar señales AC para que puedan ser procesadas por amplificadores operacionales de fuente simple.

Resultado esperado:
* La forma de onda AC de entrada (V_in_waveform) seguirá siendo una onda senoidal estándar centrada en 0 V.
* La forma de onda AC de salida (V_out_waveform) tendrá la misma amplitud pico a pico, pero estará desplazada por encima de 0 V.
* Se establecerá un DC_offset medible en la salida, aproximadamente igual al voltaje pico de entrada menos la caída de voltaje directo del diodo.

Público objetivo y nivel: Estudiantes de electrónica de nivel intermedio que aprenden sobre conformación de ondas y circuitos no lineales.

Materiales

• V1: fuente de onda senoidal AC de 5 V pico (10 Vpp) a 1 kHz, función: señal de entrada
• C1: condensador de 1 µF, función: acoplamiento AC y almacenamiento del desplazamiento DC
• D1: diodo de pequeña señal 1N4148, función: fija el nivel de voltaje mínimo
• R1: resistencia de 100 kΩ, función: proporciona una ruta de descarga y define la carga

Guía de conexionado

• V1: se conecta entre el nodo VIN (positivo) y el nodo 0 (GND).
• C1: se conecta entre el nodo VIN y el nodo VOUT.
• D1: se conecta entre el nodo 0 (ánodo) y el nodo VOUT (cátodo).
• R1: se conecta entre el nodo VOUT y el nodo 0 (GND).

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ V1: 10Vpp AC ] --(VIN)--> [ C1: 1µF ] --(VOUT)--+--> [ R1: 100 kΩ ] --> GND
                                                  |
                                                  +--> [ D1: 1N4148 Cathode ] --(Anode)--> GND

Mediciones y pruebas

1. Generación de señal: Conecta tu generador de funciones o fuente AC para proporcionar una onda senoidal de 10 Vpp a 1 kHz al nodo VIN.
2. Verificación de entrada: Mide el nodo VIN con un canal del osciloscopio (acoplamiento DC). Verifica que la V_in_waveform oscile simétricamente de -5 V a +5 V.
3. Forma de onda de salida: Mide el nodo VOUT con un segundo canal del osciloscopio (acoplamiento DC). Observa la V_out_waveform. Debería oscilar aproximadamente de -0.7 V a +9.3 V.
4. Medición del desplazamiento DC: Cambia tu multímetro digital (DMM) al modo de voltaje DC y mide el nodo VOUT con respecto al nodo 0. Deberías leer un DC_offset positivo de aproximadamente +4.3 V.
5. Comprobación de la constante de tiempo: Nota cómo la forma de onda de salida mantiene su forma. El alto valor de R1 asegura que el condensador no se descargue significativamente entre ciclos.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice)

* Practical case: DC level clamper circuit
.width out=256

* Input Signal: 5V peak (10Vpp), 1kHz sine wave
V1 VIN 0 SINE(0 5 1k)

* AC coupling and DC offset storage capacitor
C1 VIN VOUT 1u

* Clamping diode (Anode to GND, Cathode to VOUT)
D1 0 VOUT 1N4148

* Load resistor and discharge path
R1 VOUT 0 100k

* Standard 1N4148 diode model
.model 1N4148 D(IS=4.35E-9 N=1.906 BV=110 IBV=0.0001 RS=0.6458 CJO=1.20E-11 M=0.3333 VJ=0.75 TT=3.48E-9)

* Transient analysis for 5 milliseconds to capture 5 full cycles of the 1kHz signal
.tran 10u 5m

* Output directives (Input and Output nodes first)
.print tran V(VIN) V(VOUT)
.op
.end

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

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The input signal v(vin) is a 10Vpp sine wave centered at 0V. The output signal v(vout) is shifted upwards, with its minimum clamped to approximately -0.8V (the forward voltage drop of the 1N4148 diode) and its maximum reaching about 9.38V.

Show raw data table (509 rows)

Index   time            v(vin)          v(vout)
0	0.000000e+00	0.000000e+00	-2.62072e-15
1	1.000000e-07	3.141592e-03	3.141552e-03
2	1.768596e-07	5.556208e-03	5.556134e-03
3	3.305789e-07	1.038543e-02	1.038529e-02
4	6.380174e-07	2.004385e-02	2.004355e-02
5	1.252894e-06	3.936043e-02	3.935972e-02
6	2.482649e-06	7.799154e-02	7.798965e-02
7	4.942157e-06	1.552375e-01	1.552318e-01
8	9.861173e-06	3.095997e-01	3.095809e-01
9	1.969921e-05	6.172898e-01	6.172223e-01
10	2.969921e-05	9.276226e-01	9.274748e-01
11	3.969921e-05	1.234294e+00	1.234036e+00
12	4.969921e-05	1.536095e+00	1.535695e+00
13	5.969921e-05	1.831833e+00	1.831263e+00
14	6.969921e-05	2.120342e+00	2.119572e+00
15	7.969921e-05	2.400483e+00	2.399485e+00
16	8.969921e-05	2.671151e+00	2.669897e+00
17	9.969921e-05	2.931276e+00	2.929740e+00
18	1.096992e-04	3.179833e+00	3.177990e+00
19	1.196992e-04	3.415841e+00	3.413667e+00
20	1.296992e-04	3.638368e+00	3.635840e+00
21	1.396992e-04	3.846536e+00	3.843632e+00
22	1.496992e-04	4.039523e+00	4.036224e+00
23	1.596992e-04	4.216569e+00	4.212856e+00
... (485 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

• Invertir la polaridad del diodo: Colocar el diodo con el cátodo hacia GND creará un fijador negativo en lugar de uno positivo. Verifica siempre la orientación de la banda negra (cátodo) en el diodo físico.
• Usar una resistencia de carga (R1) demasiado pequeña: Si R1 es demasiado pequeña, la constante de tiempo RC será más corta que el período de la señal, lo que hará que el condensador se descargue demasiado rápido y distorsione la forma de onda de salida hasta darle forma de «aleta de tiburón».
• Usar un condensador polarizado incorrectamente: Si usas un condensador electrolítico para C1, la pata positiva debe mirar hacia el lado con el voltaje DC promedio más alto (en este caso de fijador positivo, mirando hacia el nodo VOUT).

Solución de problemas

• Síntoma: La forma de onda de salida es idéntica a la forma de onda de entrada (centrada en 0 V).
  • Causa: El diodo D1 está abierto, desconectado, o el condensador C1 está en cortocircuito.
  • Solución: Comprueba la continuidad del diodo con un multímetro y asegúrate de que el condensador esté conectado en serie con la señal.
• Síntoma: La forma de onda de salida es plana en 0 V o -0.7 V.
  • Causa: El diodo D1 está en cortocircuito a tierra, o VOUT está conectado accidentalmente de forma directa a GND.
  • Solución: Inspecciona el cableado de la protoboard en el nodo VOUT y reemplaza el diodo si falla en una prueba en modo diodo.
• Síntoma: El nivel DC es correcto, pero la forma de onda tiene una caída o inclinación severa en los bordes planos.
  • Causa: La constante de tiempo RC es demasiado baja para la frecuencia de 1 kHz.
  • Solución: Aumenta el valor de R1 (por ejemplo, de 10 kΩ a 100 kΩ) o aumenta C1 para evitar una descarga prematura.

Posibles mejoras y extensiones

• Fijador polarizado: Agrega una pequeña fuente de voltaje DC (por ejemplo, una batería de 1.5 V) en serie con el diodo D1 (entre el ánodo y GND) para fijar la señal a un nivel de referencia arbitrario distinto de -0.7 V.
• Conversión a fijador negativo: Invierte la dirección de D1 (ánodo a VOUT, cátodo a 0) y observa cómo toda la forma de onda AC se desplaza hacia abajo, situándose completamente por debajo de +0.7 V.

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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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