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

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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.

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).

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¿Quiénes somos?

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

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

Mediciones y pruebas

1. 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.
2. 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).
3. 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).
4. 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).
5. 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.

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?

Nivel: Medio. Diseñar y verificar un circuito estabilizador de voltaje utilizando un diodo Zener bajo variaciones de carga.

Objetivo y caso de uso

En esta sesión, construirás un regulador de voltaje en paralelo (shunt) utilizando un diodo Zener y una resistencia limitadora en serie para mantener una salida fija de 5.1 V desde una fuente de 9 V.

• Por qué es útil:
  • Proporciona un voltaje de referencia estable para Convertidores Analógico-Digitales (ADCs).
  • Protege componentes sensibles aguas abajo (como microcontroladores) de picos de sobrevoltaje.
  • Regula el voltaje para circuitos de baja potencia sin la complejidad de un CI regulador.
• Resultado esperado:
  • El voltaje de salida (VOUT) permanece fijado aproximadamente a 5.1 V a pesar de que la entrada sea de 9 V.
  • Conectar una carga moderada (470 Ω) disminuye la corriente del Zener pero mantiene VOUT en 5.1 V.
  • Si la resistencia de carga se vuelve demasiado baja, la regulación falla y VOUT cae por debajo de 5.1 V.
• Público objetivo: Estudiantes de electrónica, Nivel: Medio.

Materiales

• V1: Fuente de voltaje de 9 V DC, función: alimentación principal.
• R1: Resistencia de 220 Ω, función: limitación de corriente en serie (RS).
• D1: Diodo Zener 1N4733 A (5.1 V, 1 W), función: regulador de voltaje en paralelo (shunt).
• R2: Resistencia de 470 Ω, función: simulación de carga (RL).
• M1: Multímetro (modo Voltímetro), función: medir voltaje de salida.
• M2: Multímetro (modo Amperímetro), función: medir corriente del Zener (IZ).

Guía de conexionado

Construye el circuito utilizando las siguientes conexiones y nombres de nodo SPICE (VIN, VOUT, 0):

• V1 (Fuente 9 V): Conecta el terminal Positivo al nodo VIN y el terminal Negativo al nodo 0 (GND).
• R1 (Resistencia en Serie): Conecta un terminal a VIN y el otro terminal al nodo VOUT.
• D1 (Diodo Zener): Conecta el Cátodo (extremo con la banda) al nodo VOUT y el Ánodo al nodo 0.
• R2 (Resistencia de Carga): Conecta un terminal a VOUT y el otro terminal al nodo 0.
• Mediciones:
  • Para medir VOUT: Conecta la sonda Positiva del Voltímetro a VOUT y la sonda Negativa a 0.
  • Para medir IZ: Interrumpe la conexión entre el Cátodo de D1 y VOUT, e inserta el Amperímetro en serie (Positivo a VOUT, Negativo al Cátodo de D1).

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ SOURCE ]                 [ LIMITING ]                     [ REGULATION, LOAD & MEASUREMENT ]

                                                                           (Branch 1: Regulation)
                                        +---> [ Ammeter M2 ] --> [ D1: Zener 5.1 V ] --> GND
                                                                 |     (Measure Iz)       (Shunt Regulator)
                                                                 |
    [ V1: 9 V DC ] --(VIN)--> [ R1: 220 Ohm ] --(Node VOUT)--> ---+
    (Main Power)             (Series Resistor)                   |         (Branch 2: Load)
                                        +---> [ R2: 470 Ohm ] ------------------------> GND
                                                                 |     (Load Simulation)
                                                                 |
                                                                 |         (Branch 3: Monitoring)
                                                                 +---> [ Voltmeter M1 ] -----------------------> GND
                                                                       (Measure Vout)

Mediciones y pruebas

Sigue estos pasos para validar el diseño del regulador:

1. Prueba de circuito abierto (sin carga):

   • Desconecta temporalmente R2.
   • Mide el voltaje en VOUT. Debería leer aproximadamente 5.1 V.
   • Calcula la corriente que fluye a través del Zener: IZ = (VIN – VZ) / R1. Espera ≈ 17.7 mA.

2. Prueba de regulación de carga:

   • Vuelve a conectar R2 (470 Ω) entre VOUT y 0.
   • Mide VOUT nuevamente. Debería permanecer estable en 5.1 V.
   • Observa la corriente del Zener. Debería disminuir porque parte de la corriente ahora se desvía a través de la carga RL.
   • Corriente de carga esperada (IL): 5.1 V / 470 Ω ≈ 10.8 mA.
   • Corriente restante del Zener: ≈ 17.7 mA – 10.8 mA = 6.9 mA. Dado que IZ > 0, la regulación se mantiene.

3. Prueba de sobrecarga (Simulación):

   • Reemplaza R2 con una resistencia de 100 Ω (si está disponible) o simula un corto.
   • Mide VOUT. El voltaje caerá significativamente por debajo de 5.1 V porque la carga demanda más corriente de la que R1 puede suministrar manteniendo el voltaje de ruptura del Zener.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Zener Diode as a Voltage Regulator

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC voltage source (Main Supply)
V1 VIN 0 DC 9

* --- Components ---
* R1: 220 Ohm Resistor (Series Current Limiting)
* Wiring: Connect one terminal to VIN and the other to VOUT
R1 VIN VOUT 220

* R2: 470 Ohm Resistor (Load Simulation)
* Wiring: Connect one terminal to VOUT and the other to 0 (GND)
R2 VOUT 0 470

* M1: Multimeter (Voltmeter mode)
* Wiring: Positive probe to VOUT, Negative probe to 0
* Implementation: High impedance resistor to simulate voltmeter load
R_M1_Voltmeter VOUT 0 10Meg

* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Zener Diode as a Voltage Regulator

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC voltage source (Main Supply)
V1 VIN 0 DC 9

* --- Components ---
* R1: 220 Ohm Resistor (Series Current Limiting)
* Wiring: Connect one terminal to VIN and the other to VOUT
R1 VIN VOUT 220

* R2: 470 Ohm Resistor (Load Simulation)
* Wiring: Connect one terminal to VOUT and the other to 0 (GND)
R2 VOUT 0 470

* M1: Multimeter (Voltmeter mode)
* Wiring: Positive probe to VOUT, Negative probe to 0
* Implementation: High impedance resistor to simulate voltmeter load
R_M1_Voltmeter VOUT 0 10Meg

* M2: Multimeter (Ammeter mode)
* Wiring: Inserted in series between VOUT and D1 Cathode
* Positive to VOUT, Negative to D1 Cathode (Node: VZ_CATHODE)
* Implementation: 0V DC source to measure current
V_M2_Ammeter VOUT VZ_CATHODE DC 0

* D1: 1N4733A Zener Diode (5.1 V, 1 W)
* Wiring: Cathode to VZ_CATHODE, Anode to 0
* Note: Cathode is connected to VOUT through the Ammeter
D1 0 VZ_CATHODE D1N4733A

* --- Models ---
* Model for 1N4733A Zener Diode
* BV=5.1V (Breakdown Voltage), IBV=49mA (Test Current)
.model D1N4733A D(IS=2.5n RS=1 N=1.2 BV=5.1 IBV=49m)

* --- Analysis ---
* Transient analysis (1ms simulation time)
.tran 1u 1ms

* --- Output Directives ---
* Print voltages and Zener current (Iz)
.print tran V(VIN) V(VOUT) I(V_M2_Ammeter)

* Operating Point for initial check
.op

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (1008 rows)

Index   time            v(vin)          v(vout)         v_m2_ammeter#br
0	0.000000e+00	9.000000e+00	5.047821e+00	7.223902e-03
1	1.000000e-08	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
2	2.000000e-08	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
3	4.000000e-08	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
4	8.000000e-08	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
5	1.600000e-07	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
6	3.200000e-07	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
7	6.400000e-07	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
8	1.280000e-06	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
9	2.280000e-06	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
10	3.280000e-06	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
11	4.280000e-06	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
12	5.280000e-06	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
13	6.280000e-06	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
14	7.280000e-06	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
15	8.280000e-06	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
16	9.280000e-06	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
17	1.028000e-05	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
18	1.128000e-05	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
19	1.228000e-05	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
20	1.328000e-05	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
21	1.428000e-05	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
22	1.528000e-05	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
23	1.628000e-05	9.000000e+00	5.047805e+00	7.224007e-03
... (984 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Invertir el diodo Zener:
   • Error: Conectar el Ánodo a VOUT y el Cátodo a GND.
   • Resultado: El circuito se comporta como un diodo estándar, fijando la salida a ≈ 0.7 V en lugar de 5.1 V.
   • Solución: Asegúrate de que el extremo con la banda (Cátodo) esté conectado al potencial positivo (VOUT).
2. Usar una resistencia en serie (R1) con una resistencia demasiado alta:
   • Error: Usar 10 kΩ en lugar de 220 Ω para R1.
   • Resultado: Cuando se conecta la carga (R2), el voltaje cae inmediatamente; el Zener se apaga porque no hay suficiente corriente para mantenerlo en ruptura.
   • Solución: Calcula R1 de tal manera que fluya suficiente corriente para satisfacer tanto la carga como la corriente de polarización mínima del Zener (IZK).
3. Exceder la potencia nominal del Zener:
   • Error: Quitar la carga mientras se usa una R1 muy pequeña.
   • Resultado: Toda la corriente fluye a través del Zener, causando que se sobrecaliente y potencialmente se queme.
   • Solución: Asegúrate de que PZ = VZ × Izmax sea menor que la potencia nominal del diodo (por ejemplo, 1 W).

Solución de problemas

• Síntoma: El voltaje de salida es igual al voltaje de entrada (9 V).
  • Causa: El diodo Zener está abierto (roto) o no conectado.
  • Arreglo: Verifica las conexiones a D1 o reemplaza el diodo.
• Síntoma: El voltaje de salida es ≈ 0.7 V.
  • Causa: El diodo Zener está conectado en polarización directa (al revés).
  • Arreglo: Invierte la orientación del diodo.
• Síntoma: La salida es 5.1 V sin carga, pero cae a 3 V (o menos) cuando se conecta la carga.
  • Causa: La resistencia de carga es demasiado baja (demanda demasiada corriente) o R1 es demasiado alta.
  • Arreglo: Aumenta la resistencia de carga o recalcula R1 para una mayor entrega de corriente (vigilando los límites de potencia).

Posibles mejoras y extensiones

1. Transistor de paso en serie: Añade un transistor NPN (como un 2N2222) con el Zener controlando la base. Esto crea un Regulador de Voltaje en Serie capaz de manejar corrientes de carga mucho más altas.
2. Filtrado: Añade un condensador (por ejemplo, 10 µF) en paralelo con el diodo Zener para filtrar el ruido y mejorar la estabilidad de la referencia de voltaje.

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?

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
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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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