Caso práctico: Rectificador de puente de onda completa

Nivel: Medio – Analiza un puente de Graetz para convertir CA en CC pulsante y medir la caída de tensión total.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un circuito de puente de Graetz estándar utilizando cuatro diodos y una fuente de tensión de CA para alimentar una carga resistiva. Este circuito convierte una entrada de corriente alterna (donde la polaridad de la tensión cambia) en una salida de corriente continua pulsante (donde la polaridad de la tensión permanece positiva).

Por qué es útil:
* Fuentes de alimentación: Es la primera etapa fundamental para convertir la red de CA a CC para cargar portátiles, teléfonos y alimentar electrodomésticos.
* Control de motores: Se utiliza en accionamientos de motores de CC para hacer funcionar motores desde un suministro de CA.
* Protección de polaridad: Asegura que un dispositivo funcione correctamente independientemente de cómo se conecten los cables de alimentación de entrada.
* Alta eficiencia: Utiliza tanto los semiciclos positivos como los negativos de la entrada de CA, a diferencia de un rectificador de media onda.

Resultado esperado:
* Señal de entrada: Una forma de onda sinusoidal (p. ej., 12 V RMS / ~17 V Pico) a 60Hz.
* Señal de salida: Una serie de «montículos» positivos (CC pulsante) a 120Hz (el doble de la frecuencia de entrada).
* Caída de tensión: La tensión pico de salida será aproximadamente 1.4 V menor que la tensión pico de entrada debido a la caída de tensión directa de dos diodos en serie (2 × 0.7 V).
* Flujo de corriente: La corriente fluye a través de la resistencia de carga en la misma dirección durante ambos semiciclos de CA.

Público objetivo y nivel: Estudiantes de electrónica y aficionados familiarizados con la polarización básica de diodos.

Materiales

• V1: Fuente de tensión de CA (Amplitud: 17 V [12Vrms], Frecuencia: 60Hz), función: Suministro de entrada
• D1: Diodo 1N4007, función: Rectificador (Brazo del puente 1)
• D2: Diodo 1N4007, función: Rectificador (Brazo del puente 2)
• D3: Diodo 1N4007, función: Rectificador (Brazo del puente 3)
• D4: Diodo 1N4007, función: Rectificador (Brazo del puente 4)
• R1: Resistencia de 1 kΩ, función: Carga de salida

Guía de conexionado

Esta guía utiliza nombres de nodo específicos para representar las conexiones. Asegúrate de que la fuente de CA esté flotante con respecto a la tierra de CC para simular el aislamiento proporcionado por un transformador.

• V1 (Terminal positivo) conecta al nodo AC1.
• V1 (Terminal negativo) conecta al nodo AC2.
• D1 (Ánodo) conecta al nodo AC1.
• D1 (Cátodo) conecta al nodo VOUT.
• D2 (Ánodo) conecta al nodo AC2.
• D2 (Cátodo) conecta al nodo VOUT.
• D3 (Ánodo) conecta al nodo 0 (GND).
• D3 (Cátodo) conecta al nodo AC1.
• D4 (Ánodo) conecta al nodo 0 (GND).
• D4 (Cátodo) conecta al nodo AC2.
• R1 conecta entre el nodo VOUT y el nodo 0 (GND).

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ INPUT SOURCE ]               [ PROCESSING / LOGIC ]               [ OUTPUT LOAD ]

[ AC Source V1 ]
(17 V Amp / 60Hz)
       |
  +----(Node AC1)----->+-----------------------------+
                            |    FULL-WAVE BRIDGE         |
                            |                             |
                            |  [ Diodes D1 & D2 ]         |
                            |  (Direct Positive Peaks)    |--(Node VOUT)--> [ Resistor R1 ]
                            |                             |                 (1 kOhm)
                            |                             |                     |
       +----(Node AC2)----->|  [ Diodes D3 & D4 ]         |                     |
       |                    |  (Direct Negative Peaks)    |                     v
       |                    |  (Create Return Path)       |                    GND
(Source Return)             |                             |
                            +-----------------------------+
                                          |
                                          v
                                     (Node 0/GND)

Mediciones y pruebas

Realiza los siguientes pasos para validar el funcionamiento del circuito utilizando un osciloscopio o un multímetro:

1. Verificación de entrada: Conecta el canal 1 del osciloscopio a través de AC1 y AC2. Verifica una onda sinusoidal completa con una frecuencia de 60Hz.
2. Visualización de salida: Conecta el canal 2 del osciloscopio a través de R1 (Sonda en VOUT, Pinza en 0). Observa que las porciones negativas de la onda sinusoidal se han «invertido» hacia arriba, creando una cadena continua de pulsos positivos.
3. Medición de frecuencia: Mide la frecuencia de la señal en VOUT. Debería ser exactamente 120Hz (el doble de la frecuencia de entrada).
4. Análisis de caída de tensión: Mide la tensión pico de la Entrada (Vpeakin) y la tensión pico de la Salida (Vpeakout).
   • Vpeakout debería ser aproximadamente Vpeakin – 1.4 V. Esto tiene en cuenta la caída de 0.7 V en D1 y la caída de 0.7 V en D4 (durante un ciclo) o D2 y D3 (durante el otro).

Netlist SPICE y simulación

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

* Title: Practical case: Full-wave bridge rectifier

* --- Component Instantiation ---

* V1: AC Voltage Source (Amplitude: 17 V, Frequency: 60Hz)
* Wiring: V1 (Positive) -> AC1, V1 (Negative) -> AC2
* Note: Source is floating relative to ground (Node 0), connected only to the bridge.
V1 AC1 AC2 SIN(0 17 60)

* D1: 1N4007 Diode (Bridge arm 1)
* Wiring: Anode -> AC1, Cathode -> VOUT
D1 AC1 VOUT 1N4007

* D2: 1N4007 Diode (Bridge arm 2)
* Wiring: Anode -> AC2, Cathode -> VOUT
D2 AC2 VOUT 1N4007

* D3: 1N4007 Diode (Bridge arm 3)
* Wiring: Anode -> 0 (GND), Cathode -> AC1
D3 0 AC1 1N4007
* ... (truncated in public view) ...

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* Title: Practical case: Full-wave bridge rectifier

* --- Component Instantiation ---

* V1: AC Voltage Source (Amplitude: 17 V, Frequency: 60Hz)
* Wiring: V1 (Positive) -> AC1, V1 (Negative) -> AC2
* Note: Source is floating relative to ground (Node 0), connected only to the bridge.
V1 AC1 AC2 SIN(0 17 60)

* D1: 1N4007 Diode (Bridge arm 1)
* Wiring: Anode -> AC1, Cathode -> VOUT
D1 AC1 VOUT 1N4007

* D2: 1N4007 Diode (Bridge arm 2)
* Wiring: Anode -> AC2, Cathode -> VOUT
D2 AC2 VOUT 1N4007

* D3: 1N4007 Diode (Bridge arm 3)
* Wiring: Anode -> 0 (GND), Cathode -> AC1
D3 0 AC1 1N4007

* D4: 1N4007 Diode (Bridge arm 4)
* Wiring: Anode -> 0 (GND), Cathode -> AC2
D4 0 AC2 1N4007

* R1: 1 kΩ Resistor (Output Load)
* Wiring: VOUT -> 0 (GND)
R1 VOUT 0 1k

* --- Models ---
* Standard model for 1N4007 Rectifier Diode
.model 1N4007 D (IS=7.03n RS=0.034 N=1.81 BV=1000 IBV=0.5u CJO=10p TT=0.1u)

* --- Analysis Commands ---
* Transient analysis: 60Hz period is ~16.6ms.
* Simulating 50ms to capture approximately 3 full cycles.
.tran 50u 50m

* --- Output Directives ---
* Print voltages at AC inputs (relative to GND) and the rectified Output
.print tran V(AC1) V(AC2) V(VOUT)

* Calculate DC operating point
.op

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (1016 rows)

Index   time            v(ac1)          v(ac2)          v(vout)
0	0.000000e+00	3.036573e-18	3.036573e-18	-7.53268e-22
1	5.000000e-07	1.602212e-03	-1.60221e-03	-9.54567e-15
2	1.000000e-06	3.204481e-03	-3.20437e-03	1.126318e-07
3	2.000000e-06	6.409036e-03	-6.40866e-03	3.747988e-07
4	4.000000e-06	1.281816e-02	-1.28172e-02	9.375665e-07
5	8.000000e-06	2.563689e-02	-2.56338e-02	3.056599e-06
6	1.600000e-05	5.127600e-02	-5.12650e-02	1.103556e-05
7	3.200000e-05	1.025657e-01	-1.02513e-01	5.319168e-05
8	6.400000e-05	2.053399e-01	-2.04787e-01	5.532611e-04
9	1.140000e-04	3.725509e-01	-3.57833e-01	1.471794e-02
10	1.640000e-04	5.903791e-01	-4.60003e-01	1.303764e-01
11	2.140000e-04	8.628382e-01	-5.07168e-01	3.556700e-01
12	2.640000e-04	1.155738e+00	-5.33407e-01	6.223310e-01
13	3.140000e-04	1.456815e+00	-5.50867e-01	9.059481e-01
14	3.640000e-04	1.761378e+00	-5.64128e-01	1.197250e+00
15	4.140000e-04	2.068103e+00	-5.74401e-01	1.493702e+00
16	4.640000e-04	2.375673e+00	-5.82891e-01	1.792782e+00
17	5.140000e-04	2.683430e+00	-5.90142e-01	2.093289e+00
18	5.640000e-04	2.990978e+00	-5.96439e-01	2.394538e+00
19	6.140000e-04	3.297988e+00	-6.02000e-01	2.695989e+00
20	6.640000e-04	3.604206e+00	-6.06966e-01	2.997240e+00
21	7.140000e-04	3.909408e+00	-6.11453e-01	3.297955e+00
22	7.640000e-04	4.213406e+00	-6.15537e-01	3.597869e+00
23	8.140000e-04	4.516026e+00	-6.19284e-01	3.896742e+00
... (992 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Bucles de masa (Osciloscopio): Conectar la pinza de tierra del osciloscopio a AC1 o AC2 mientras el circuito está referenciado a la red puede causar un cortocircuito. Solución: Conecta solo la tierra del osciloscopio a la tierra común del circuito (0) en la carga, o utiliza una sonda diferencial para la entrada.
2. Orientación del diodo: Insertar un diodo al revés en el puente. Solución: Asegúrate de que dos diodos apunten hacia el nodo de salida de CC positivo (VOUT) y dos diodos apunten hacia afuera del nodo de tierra (0).
3. Ignorar la potencia nominal: Usar una resistencia con bajo vataje para R1. Solución: Calcula la potencia P = V^2 / R. Para un pico de 17 V, P ≈ 0.3W. Usa una resistencia de 0.5W o mayor.

Solución de problemas

• Síntoma: La salida parece un rectificador de media onda (huecos entre pulsos).
  • Causa: Uno de los diodos está abierto (desconectado o quemado).
  • Solución: Comprueba la continuidad de los cuatro diodos; reemplaza el defectuoso.
• Síntoma: Tensión de salida cero.
  • Causa: Cortocircuito en la carga o circuito abierto en la fuente/cableado.
  • Solución: Comprueba las conexiones en AC1 y AC2; asegúrate de que R1 no esté en corto.
• Síntoma: El fusible de entrada se funde o la corriente de la fuente es excesiva.
  • Causa: Uno o más diodos están en corto, o un diodo está instalado al revés (creando un camino directo de CA a Tierra).
  • Solución: Prueba los diodos en busca de cortos usando el modo de comprobación de diodos en un multímetro.

Posibles mejoras y extensiones

1. Filtrado: Añade un condensador (p. ej., 470 µF) en paralelo con R1 para rellenar los huecos entre pulsos, creando una tensión de CC suave (Reducción de rizado).
2. Regulación: Conecta un regulador de tensión (como un LM7812 o un circuito con diodo Zener) después del condensador de filtro para producir una tensión de CC constante y estable independientemente de las fluctuaciones de entrada.

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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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