Caso práctico: Doblador de tensión de media onda

Nivel: Medio | Objetivo: Analizar y ensamblar un circuito doblador de tensión para aumentar la tensión pico de una señal de CA.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un doblador de tensión de media onda (una cascada básica de Villard/Greinacher) utilizando dos diodos y dos condensadores. Este circuito rectifica una entrada de CA mientras eleva simultáneamente la tensión, produciendo una salida de CC aproximadamente igual al doble de la tensión pico de la fuente de CA.

Por qué este circuito es útil en el mundo real:
* Generación de fuentes de polarización de alta tensión para componentes como válvulas de vacío, tubos de rayos catódicos o tubos fotomultiplicadores.
* Proporcionar rieles de tensión más altos para etapas específicas de amplificadores operacionales sin requerir un transformador elevador voluminoso y personalizado.
* Alimentación de dispositivos electrostáticos de baja corriente, ionizadores o tubos Geiger-Müller.

Resultado esperado:
* La señal de entrada (V_in_AC) funciona como una onda sinusoidal estándar.
* La tensión de salida (V_out_DC) mide aproximadamente 2 × Vpeak de la señal de entrada, menos las caídas de tensión directa de los dos diodos.
* Habrá tensión de rizado presente en la salida de CC y aumentará notablemente cuando se conecte una carga mayor (menor resistencia).

Público objetivo: Estudiantes de electrónica de nivel intermedio que aprenden sobre la conversión de CA a CC y las topologías fundamentales de multiplicadores.

Materiales

V1: Fuente de CA de 12 Vrms (aprox. 17 Vpeak), 50/60 Hz, función: señal de entrada de CA principal
D1: Diodo rectificador 1N4007, función: primera etapa de fijación (clamping)
D2: Diodo rectificador 1N4007, función: segunda etapa rectificadora de pico
C1: Condensador electrolítico de 100 µF / 50 V, función: acoplamiento de CA y almacenamiento de carga intermedio
C2: Condensador electrolítico de 100 µF / 50 V, función: suavizado de salida y almacenamiento de carga final
R1: Resistencia de 10 kΩ, función: carga de salida ligera para descargar los condensadores de forma segura después de apagar

Guía de conexionado

V1: se conecta entre el nodo NODE_AC y el nodo 0 (GND).
C1: se conecta entre el nodo NODE_AC (terminal negativo) y el nodo NODE_MID (terminal positivo).
D1: se conecta entre el nodo 0 (ánodo) y el nodo NODE_MID (cátodo).
D2: se conecta entre el nodo NODE_MID (ánodo) y el nodo VOUT (cátodo).
C2: se conecta entre el nodo VOUT (terminal positivo) y el nodo 0 (terminal negativo).
R1: se conecta entre el nodo VOUT y el nodo 0.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — Half-Wave Voltage Doubler — Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

GND
                                                        |
                                                  [ D1: 1N4007 ]
                                                        |
                                                        v
GND --> [ V1: 12Vrms AC ] --(NODE_AC)--> [ C1: 100µF ] --(NODE_MID)--> [ D2: 1N4007 ] --(VOUT)--> [ R1: 10 kΩ ] --> GND
                                                                                            |
                                                                                            +---> [ C2: 100µF ] --> GND

Esquema Eléctrico

Mediciones y pruebas

Medir el pico de entrada de CA: Conecta un osciloscopio o un multímetro (en modo CA) entre el nodo NODE_AC y el nodo 0. Una entrada de 12 Vrms debería medir aproximadamente 17 V pico.
Medir la tensión de CC intermedia: Coloca un multímetro (en modo CC) a través de C1. Deberías leer aproximadamente Vpeak – 0.7 V (alrededor de 16.3 VDC).
Medir la salida doblada (V_out_DC): Mide entre VOUT y 0 en modo CC. La tensión debería ser aproximadamente 2 × Vpeak – 1.4 V (alrededor de 32.6 VDC).
Observar el rizado de salida: Cambia el osciloscopio a acoplamiento de CA y mide en VOUT. Observarás una onda de rizado que coincide con la frecuencia de la fuente de entrada (rectificación de media onda).
Probar la dependencia de la carga: Cambia R1 por una resistencia de 1 kΩ. Observa cómo la tensión de CC de salida cae y la amplitud del rizado aumenta significativamente, lo que demuestra que esta topología es más adecuada para aplicaciones de baja corriente.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Half-wave voltage doubler
.width out=256

* Main AC Input Signal (12 Vrms -> ~16.97 Vpeak, 50 Hz)
V1 NODE_AC 0 SIN(0 16.97056 50)

* AC coupling and intermediate charge storage
* Connected with NODE_MID as positive and NODE_AC as negative terminal
C1 NODE_MID NODE_AC 100u

* First clamping stage rectifier diode
D1 0 NODE_MID 1N4007

* Second peak rectifier stage diode
D2 NODE_MID VOUT 1N4007

* Output smoothing and final charge storage
C2 VOUT 0 100u

* Light output load to safely discharge capacitors
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Half-wave voltage doubler
.width out=256

* Main AC Input Signal (12 Vrms -> ~16.97 Vpeak, 50 Hz)
V1 NODE_AC 0 SIN(0 16.97056 50)

* AC coupling and intermediate charge storage
* Connected with NODE_MID as positive and NODE_AC as negative terminal
C1 NODE_MID NODE_AC 100u

* First clamping stage rectifier diode
D1 0 NODE_MID 1N4007

* Second peak rectifier stage diode
D2 NODE_MID VOUT 1N4007

* Output smoothing and final charge storage
C2 VOUT 0 100u

* Light output load to safely discharge capacitors
R1 VOUT 0 10k

* Diode Model for 1N4007
.model 1N4007 D(IS=7.02767n RS=0.0341512 N=1.80803 EG=1.05743 XTI=5 BV=1000 IBV=5e-08 CJO=1e-11 VJ=0.7 M=0.5 FC=0.5 TT=1e-07)

* Simulation Directives
.print tran V(NODE_AC) V(VOUT) V(NODE_MID)
.tran 100u 500m
.op
.end
* --- GPT review (BOM/Wiring/SPICE) ---
* circuit_ok=true
* simulation_summary: The simulation shows the input AC voltage swinging between approximately -17V and +17V. The intermediate node (NODE_MID) is clamped and shifted, reaching a peak of about 32.6V. The output voltage (VOUT) successfully charges up to approximately 32V, which is nearly double the peak input voltage, confirming the voltage doubler operation.
* overall_comment: The SPICE netlist perfectly matches the BOM and wiring guide. The simulation results clearly demonstrate the expected behavior of a half-wave voltage doubler, with the output voltage reaching approximately twice the peak input voltage. This is an excellent didactic example.
* --------------------------------------

Resultados de Simulación (Transitorio)

Análisis: The simulation shows the input AC voltage swinging between approximately -17V and +17V. The intermediate node (NODE_MID) is clamped and shifted, reaching a peak of about 32.6V. The output voltage (VOUT) successfully charges up to approximately 32V, which is nearly double the peak input voltage, confirming the voltage doubler operation.

Show raw data table (5027 rows)

Index   time            v(node_ac)      v(vout)         v(node_mid)
0	0.000000e+00	0.000000e+00	2.565925e-21	-1.89144e-18
1	1.000000e-06	5.331459e-03	5.419582e-10	5.331457e-03
2	2.000000e-06	1.066292e-02	1.097125e-09	1.066291e-02
3	4.000000e-06	2.132583e-02	2.236679e-09	2.132582e-02
4	8.000000e-06	4.265162e-02	4.716739e-09	4.265162e-02
5	1.600000e-05	8.530298e-02	1.109752e-08	8.530296e-02
6	2.994581e-05	1.596525e-01	3.640348e-08	1.596524e-01
7	4.360349e-05	2.324629e-01	1.285942e-07	2.324628e-01
8	5.923389e-05	3.157848e-01	6.926674e-07	3.157841e-01
9	7.569182e-05	4.035098e-01	4.463881e-06	4.035053e-01
10	9.313209e-05	4.964590e-01	3.310357e-05	4.964259e-01
11	1.114841e-04	5.942514e-01	2.714571e-04	5.939798e-01
12	1.306697e-04	6.964642e-01	2.279240e-03	6.941849e-01
13	1.507869e-04	8.036134e-01	1.447578e-02	7.891374e-01
14	1.727320e-04	9.204617e-01	5.134539e-02	8.691153e-01
15	1.929217e-04	1.027924e+00	1.015818e-01	9.263400e-01
16	2.144482e-04	1.142457e+00	1.586780e-01	9.837739e-01
17	2.454175e-04	1.307137e+00	2.410344e-01	1.066092e+00
18	2.845422e-04	1.515006e+00	3.449894e-01	1.169993e+00
19	3.627917e-04	1.930024e+00	5.525467e-01	1.377419e+00
20	4.627917e-04	2.458671e+00	8.169450e-01	1.641599e+00
21	5.627917e-04	2.984892e+00	1.080147e+00	1.904524e+00
22	6.627917e-04	3.508167e+00	1.341889e+00	2.165935e+00
23	7.627917e-04	4.027980e+00	1.601917e+00	2.425574e+00
... (5003 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

Invertir la polaridad del diodo: Instalar D1 o D2 al revés fijará la tensión a un potencial negativo en lugar de positivo, o bloqueará por completo que la carga llegue a la salida. Comprueba siempre la banda plateada que indica el cátodo.
Polaridad incorrecta del condensador: Los condensadores electrolíticos fallarán o se reventarán si se polarizan en inversa. Asegúrate de que el terminal positivo de C1 mire hacia la unión de los diodos (NODE_MID) y el terminal positivo de C2 mire hacia VOUT.
Usar condensadores con una clasificación de tensión baja: C2 debe soportar la tensión completamente doblada (2 × Vpeak). Usar un condensador de 25 V para una salida de 34 V causará un fallo inmediato. Selecciona siempre condensadores clasificados para al menos 2.5 × Vpeak de la fuente de CA.

Solución de problemas

Síntoma: La tensión de salida es solo igual a Vpeak (no doblada).
- Causa: C1 está en cortocircuito, o D1 está abierto/dañado.
- Solución: Verifica la continuidad de D1 usando la prueba de diodos de un multímetro y revisa C1 en busca de cortocircuitos internos.
Síntoma: La tensión de salida (VOUT) es cero o cercana a cero.
- Causa: D2 está instalado al revés (bloqueando el flujo de CC), o la resistencia de carga R1 está completamente en cortocircuito/es demasiado pequeña, colapsando la carga del multiplicador.
- Solución: Verifica la orientación de D2 y asegúrate de que R1 sea de al menos 10 kΩ para las pruebas.
Síntoma: Fuerte estallido o condensador abultado al encender.
- Causa: Se excedió la clasificación de tensión de C2 o se conectó con polaridad invertida.
- Solución: Desconecta la alimentación inmediatamente. Reemplaza el condensador dañado, verificando dos veces la polaridad correcta y una clasificación de tensión segura (por ejemplo, ≥ 50 V).

Posibles mejoras y extensiones

Añadir etapas multiplicadoras: Conecta en cascada diodos y condensadores adicionales para convertir este circuito en un triplicador o cuadruplicador de tensión de Cockcroft-Walton para potenciales de CC aún mayores.
Construir un doblador de tensión de onda completa: Reconfigura el circuito a una topología de doblador de onda completa para duplicar la frecuencia de rizado, lo que reduce el tamaño requerido de los condensadores de filtro para mantener una salida estable bajo carga.

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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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