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_L y el nodo AC_N.
• D1: El ánodo se conecta a AC_L, el cátodo se conecta a V_DC.
• D2: El ánodo se conecta a AC_N, el cátodo se conecta a V_DC.
• D3: El ánodo se conecta a 0 (GND), el cátodo se conecta a AC_L.
• D4: El ánodo se conecta a 0 (GND), el cátodo se conecta a AC_N.
• R1 (Carga): Se conecta entre el nodo V_DC y el nodo 0 (GND).
• C1 (Caso de prueba A): Terminal positivo a V_DC, terminal negativo a 0 (GND).
• C2 (Caso de prueba B): Terminal positivo a V_DC, terminal negativo a 0 (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:

1. Línea base (Sin condensador): Retire temporalmente cualquier condensador. Mida V_DC con un osciloscopio. Debería ver una señal rectificada de onda completa (jorobas que van a 0 V) a 120 Hz (o 100 Hz).
2. 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).
3. 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.
4. 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) ...

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* 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)

.end

Resultados 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_L y AC_N no estén conectados directamente a 0 o entre sí.

Posibles mejoras y extensiones

1. Regulador de voltaje: Agregue un regulador lineal LM7812 o LM317 después del condensador para ver cómo la regulación activa elimina el rizado restante.
2. 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

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 analizar un circuito que atenúa las frecuencias altas utilizando un condensador y una resistencia para verificar la frecuencia de corte.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirá un Filtro Paso Bajo (LPF) pasivo de primer orden utilizando una resistencia y un condensador conectados en serie. Analizará cómo cambia la reactancia del condensador con la frecuencia, permitiendo el paso de frecuencias bajas mientras atenúa las señales por encima de un punto de corte calculado.

Por qué es útil:
* Reducción de ruido de audio: Elimina el siseo de alta frecuencia o la estática de las grabaciones de audio.
* Crossovers para subwoofers: Dirige solo las notas graves de baja frecuencia al controlador (driver) del subwoofer.
* Acondicionamiento de señal: Actúa como filtro anti-aliasing antes de la Conversión Analógico-Digital (ADC) para prevenir artefactos digitales.
* Suavizado de fuente de alimentación: Filtra el ruido de rizado de alta frecuencia de las líneas de alimentación de CC.

Resultado esperado:
* Banda de paso: Las frecuencias por debajo de ~1 kHz conservan aproximadamente su amplitud original (Vin ≈ Vout).
* Punto de corte: En la frecuencia de corte calculada (fc), el voltaje de salida cae a aproximadamente el 70,7% del voltaje de entrada (-3 dB).
* Banda de rechazo: Las frecuencias significativamente superiores a 1 kHz son fuertemente atenuadas.
* Desfase: Observar un retraso de fase de -45° en la frecuencia de corte.

Público objetivo y nivel: Estudiantes de electrónica y entusiastas del audio; Nivel: Medio.

Materiales

• V1: Fuente de voltaje CA (Onda senoidal, 5 Vpk, frecuencia ajustable), función: Simulación de señal de audio de entrada.
• R1: Resistencia de 1.6 kΩ, función: Limitación de corriente y parte del divisor de voltaje.
• C1: Condensador de 100 nF (cerámico o de película), función: Derivación a tierra dependiente de la frecuencia.
• Herramienta de medición: Osciloscopio (doble canal) o Trazador de Bode.

Guía de conexionado

Construya el circuito utilizando las siguientes conexiones. Observe los nombres de nodo explícitos para el análisis.

• V1 (Fuente): Conecte el terminal positivo al nodo VIN y el terminal negativo al nodo 0 (GND).
• R1: Conecte una patilla al nodo VIN y la otra patilla al nodo VOUT.
• C1: Conecte una patilla al nodo VOUT y la otra patilla al nodo 0 (GND).
• Osciloscopio Ch1: Conecte la punta de la sonda a VIN y la pinza de tierra a 0.
• Osciloscopio Ch2: Conecte la punta de la sonda a VOUT y la pinza de tierra a 0.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ SIGNAL SOURCE ]               [ RC FILTER STAGE ]                 [ MEASUREMENT ]

                                       +--------------------------------------> [ Scope Ch1 (Input) ]
                              |
[ V1: AC Source ] --(VIN)-->--+--> [ R1: 1.6k Resistor ] --(VOUT)-->--+--> [ Scope Ch2 (Output) ]
      (5 Vpk)                                                         |
                                                                      +--> [ C1: 100nF Cap ] --> GND

Mediciones y pruebas

Siga estos pasos para validar el diseño del filtro (fc ≈ 1 kHz):

1. Prueba de baja frecuencia (Banda de paso):

   • Ajuste V1 a 100 Hz.
   • Mida el valor pico a pico de Vout. Debería ser casi idéntico a Vin (aprox. 5 V).

2. Verificación de frecuencia de corte (fc):

   • Aumente la frecuencia de V1 a 1 kHz.
   • Mida Vout. Debería caer a aproximadamente 0.707 × Vin (aprox. 3.53 V).
   • Mida la diferencia de fase entre Ch1 y Ch2. Vout debería retrasarse respecto a Vin aproximadamente 45°.

3. Prueba de alta frecuencia (Banda de rechazo):

   • Ajuste V1 a 10 kHz (una década por encima del corte).
   • Mida Vout. La amplitud debería estar significativamente atenuada (aprox. 0.5 V o -20 dB en relación con la entrada).

4. Análisis de diagrama de Bode (Opcional):

   • Si utiliza una simulación o un trazador de Bode, realice un barrido de 10 Hz a 100 kHz. Observe la pendiente de «caída» de -20 dB/década después del punto de corte.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: RC audio low-pass filter

* --- Components per BOM and Wiring Guide ---
* V1: AC Voltage Source (Sine Wave, 5 Vpk, 1kHz, AC 1V for Bode)
* Connected: Positive -> VIN, Negative -> 0 (GND)
V1 VIN 0 DC 0 AC 1 SIN(0 5 1000)

* R1: 1.6 kOhm resistor
* Connected: VIN -> VOUT
R1 VIN VOUT 1.6k

* C1: 100 nF capacitor
* Connected: VOUT -> 0 (GND)
C1 VOUT 0 100n

* --- Simulation Commands ---
* Using .control block to sequence analyses and printing correctly in ngspice
.control
    * Transient Analysis: 1kHz signal, run for 5ms
    tran 10u 5ms
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: RC audio low-pass filter

* --- Components per BOM and Wiring Guide ---
* V1: AC Voltage Source (Sine Wave, 5 Vpk, 1kHz, AC 1V for Bode)
* Connected: Positive -> VIN, Negative -> 0 (GND)
V1 VIN 0 DC 0 AC 1 SIN(0 5 1000)

* R1: 1.6 kOhm resistor
* Connected: VIN -> VOUT
R1 VIN VOUT 1.6k

* C1: 100 nF capacitor
* Connected: VOUT -> 0 (GND)
C1 VOUT 0 100n

* --- Simulation Commands ---
* Using .control block to sequence analyses and printing correctly in ngspice
.control
    * Transient Analysis: 1kHz signal, run for 5ms
    tran 10u 5ms
    * Print transient results (Oscilloscope)
    print V(VIN) V(VOUT)

    * AC Analysis: Bode Plot, 10 Hz to 100 kHz
    ac dec 10 10 100k
    * Print AC results (Bode Plotter)
    print V(VOUT)

    * Operating Point
    op
.endc

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (512 rows)

Index   time            v(vin)          v(vout)
0	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00
1	1.000000e-07	3.141592e-03	1.962269e-06
2	1.084035e-07	3.405596e-03	2.141025e-06
3	1.252105e-07	3.933604e-03	2.526248e-06
4	1.588245e-07	4.989618e-03	3.462948e-06
5	2.260525e-07	7.101647e-03	6.001184e-06
6	3.605086e-07	1.132570e-02	1.373560e-05
7	6.294206e-07	1.977378e-02	3.982505e-05
8	1.167245e-06	3.666975e-02	1.343969e-04
9	2.242893e-06	7.046023e-02	4.923968e-04
10	4.394190e-06	1.380300e-01	1.878099e-03
11	8.696783e-06	2.730815e-01	7.282571e-03
12	1.730197e-05	5.424874e-01	2.825846e-02
13	2.730197e-05	8.535162e-01	6.884897e-02
14	3.730197e-05	1.161176e+00	1.257276e-01
15	4.730197e-05	1.464254e+00	1.976662e-01
16	5.730197e-05	1.761553e+00	2.834382e-01
17	6.730197e-05	2.051900e+00	3.818193e-01
18	7.730197e-05	2.334149e+00	4.915893e-01
19	8.730197e-05	2.607186e+00	6.115335e-01
20	9.730197e-05	2.869934e+00	7.404442e-01
21	1.073020e-04	3.121356e+00	8.771230e-01
22	1.173020e-04	3.360458e+00	1.020383e+00
23	1.273020e-04	3.586299e+00	1.169049e+00
... (488 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Intercambiar componentes (Paso alto vs. Paso bajo):
   • Error: Conectar C1 en serie y R1 a tierra crea un filtro Paso Alto.
   • Solución: Asegúrese de que el Condensador sea el componente conectado entre el nodo de salida y Tierra.
2. Ignorar la impedancia de carga:
   • Error: Conectar una carga de baja impedancia (como un altavoz de 8 Ω) directamente a VOUT.
   • Solución: Este filtro pasivo tiene una alta impedancia de salida. Utilice un búfer con amplificador operacional si maneja una carga pesada.
3. Usar condensadores polarizados incorrectamente:
   • Error: Usar un condensador electrolítico con polaridad inversa en un circuito de CA sin una polarización de CC.
   • Solución: Para señales de audio de CA pura, utilice condensadores no polarizados (cerámicos, de película o electrolíticos bipolares).

Solución de problemas

• Síntoma: Vout es cero en todas las frecuencias.
  • Causa: Cortocircuito en C1 o circuito abierto en R1.
  • Solución: Verifique la continuidad en C1; si pita, el condensador está en corto o el nodo está conectado a tierra accidentalmente.
• Síntoma: No se produce atenuación en frecuencias altas.
  • Causa: C1 está abierto (roto) o R1 está en corto.
  • Solución: Reemplace C1. Verifique que R1 mida 1.6 kΩ.
• Síntoma: La frecuencia de corte es totalmente incorrecta.
  • Causa: Valores de componentes incorrectos (por ejemplo, usar 100 pF en lugar de 100 nF).
  • Solución: Verifique los códigos de colores en las resistencias y las marcas en los condensadores (código 104 = 100 nF).

Posibles mejoras y extensiones

1. Filtro de segundo orden: Conecte en cascada dos etapas RC en serie para lograr una caída más pronunciada (-40 dB/década) para un mejor rechazo del ruido.
2. Filtro paso bajo activo: Añada un Amplificador Operacional (Op-Amp) para crear un filtro activo, permitiendo ganancia de señal y evitando que la carga afecte la respuesta de frecuencia del filtro.

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 – Construye un receptor capaz de demodular una señal de audio transmitida a través de un haz de luz LED utilizando un fotodiodo.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un receptor óptico analógico utilizando un fotodiodo de alta velocidad configurado en modo fotoconductivo, seguido de un Amplificador de Transimpedancia (TIA) y un amplificador de potencia de audio. Este circuito detecta cambios en la intensidad de la luz modulados por una fuente de audio y los convierte de nuevo en señales eléctricas para excitar un altavoz.

Por qué es útil:
* Comunicaciones Ópticas Inalámbricas (OWC): Demuestra la física fundamental detrás del Li-Fi y los controles remotos infrarrojos.
* Aislamiento galvánico: Permite la transmisión de audio entre dispositivos sin una conexión física a tierra, evitando bucles de tierra.
* Seguridad: A diferencia de la radiofrecuencia (RF), las señales ópticas se confinan en la habitación y no pueden atravesar paredes opacas.
* Inmunidad a interferencias: Inmune a la interferencia electromagnética (EMI) que típicamente afecta la transmisión por cable de cobre.

Resultado esperado:
* Salida de señal: Una forma de onda de voltaje medible en la salida del TIA (V_PRE) que refleja la forma de onda de audio transmitida.
* Salida de audio: Reproducción de sonido clara a través del altavoz (LS1) cuando el fotodiodo recibe luz modulada.
* Niveles de voltaje: La salida del TIA debe oscilar sobre una polarización de CC (aprox. VCC/2) con una oscilación de señal de CA que depende de la intensidad de la luz.
* Control de volumen: Ajuste del nivel de audio mediante el potenciómetro (R_VOL).

Público objetivo: Estudiantes de electrónica y aficionados interesados en el acondicionamiento de señales analógicas.

Materiales

• V1: Fuente de voltaje de 9 V CC, función: Fuente de alimentación principal del circuito.
• D1: Fotodiodo BPW34, función: Sensor óptico (convertidor de luz a corriente).
• U1: Amplificador Operacional TL071, función: Amplificador de Transimpedancia (TIA).
• U2: CI Amplificador de Audio LM386N-1, función: Amplificación de potencia para altavoz.
• R_F: Resistencia de 100 kΩ, función: Resistencia de retroalimentación del TIA (ajusta la ganancia).
• R_B1: Resistencia de 10 kΩ, función: Parte superior del divisor de voltaje para polarización VCC/2.
• R_B2: Resistencia de 10 kΩ, función: Parte inferior del divisor de voltaje para polarización VCC/2.
• R_VOL: Potenciómetro de 10 kΩ, función: Control de volumen de audio.
• C_DEC: Condensador cerámico de 100 nF, función: Desacoplo de la fuente de alimentación.
• C_BIAS: Condensador electrolítico de 10 µF, función: Estabilizar el punto de polarización VCC/2.
• C_COUP: Condensador electrolítico de 4.7 µF, función: Bloqueo de CC entre el TIA y el amplificador de audio.
• C_OUT: Condensador electrolítico de 220 µF, función: Acoplamiento de salida para el altavoz.
• C_GAIN: Condensador electrolítico de 10 µF, función: Ajuste de ganancia del LM386 (Pines 1-8).
• LS1: Altavoz de 8 Ω / 0.5W, función: Transductor de audio.

Guía de conexionado

Esta guía define las conexiones utilizando nombres de nodo SPICE específicos: VCC, 0 (GND), V_BIAS, N_INV (Entrada inversora), V_PRE (Salida preamplificador), V_WIPER (Salida potenciómetro) y V_SPK (Salida amplificador).

Potencia y Polarización:
* V1: Terminal positivo a VCC, terminal negativo a 0.
* R_B1: Conecta entre VCC y V_BIAS.
* R_B2: Conecta entre V_BIAS y 0.
* C_BIAS: Terminal positivo a V_BIAS, terminal negativo a 0.
* C_DEC: Conecta entre VCC y 0 (cerca de U1).

Amplificador de Transimpedancia (Etapa 1):
* U1 (Op-Amp): Pin V+ a VCC, pin V- a 0. Entrada no inversora (+) a V_BIAS. Entrada inversora (-) a N_INV. Pin de salida a V_PRE.
* D1 (Fotodiodo): Cátodo a VCC, Ánodo a N_INV (Polarización inversa).
* R_F: Conecta entre N_INV y V_PRE.

Acoplamiento de señal:
* C_COUP: Terminal positivo a V_PRE, terminal negativo a NODE_POT_TOP.
* R_VOL: Terminal superior a NODE_POT_TOP, terminal inferior a 0, Cursor (Wiper) a V_WIPER.

Amplificador de Potencia (Etapa 2):
* U2 (LM386): Vs (Pin 6) a VCC, GND (Pin 4) a 0. Entrada no inversora (Pin 3) a V_WIPER. Entrada inversora (Pin 2) a 0.
* C_GAIN: Conecta entre el Pin 1 y el Pin 8 de U2 (Positivo al Pin 1).
* C_OUT: Terminal positivo a la Salida de U2 (Pin 5), terminal negativo a V_SPK.
* LS1: Conecta entre V_SPK y 0.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Title: Practical case: Modulated light audio receiver

      [ INPUT / SENSOR ]               [ STAGE 1: TIA PRE-AMP ]                  [ INTERSTAGE ]                [ STAGE 2: POWER AMP ]              [ OUTPUT ]

                                   +-----------[ R_F: 100k ]-----------+
                                     |           (Feedback)              |
                                     v                                   |
(Light) ~~~> [ D1: BPW34 ] --(I)--> [ (-) N_INV      U1: TL071      OUT ] --(V_PRE)--> [ C_COUP ] --> [ R_VOL: 10k ] --(V_WIPER)-->+
             (Photodiode)           |                                    |             (4.7uF)        (Volume Pot)                 |
                                    | (+) V_BIAS                         |                                                         |
                                    +----------------^-------------------+                                                         |
                                                     |                                                                             |
      [ POWER & BIAS ]                               |                                                                             v
                                                     |                                                                     [ IN+  U2: LM386  OUT ] --(V_SPK)--> [ C_OUT ] --> [ LS1: Speaker ]
    [ V1: 9 V DC Source ] --(VCC)--> (Powers U1, U2)  |                                                                     |                 |                (220uF)        (8 Ohm)
             |                                       |                                                                     |  Gain Pins 1-8  |                                  |
                                                  +---> [ Bias Divider ] --(VCC/2 Ref)----+                                                                     +--------+--------+                                 GND
                   (R_B1, R_B2,                                                                                                     |
                    C_BIAS)                                                                                                    [ C_GAIN ]
                                                                                                                                (10uF)

Mediciones y pruebas

1. Verificación del punto de polarización: Usa un multímetro para medir el voltaje en el nodo V_BIAS. Debería ser aproximadamente 4.5 V (la mitad de VCC). Si no, revisa R_B1 y R_B2.
2. Nivel de luz ambiental: Mide el voltaje de CC en V_PRE sin ninguna señal modulada (solo luz ambiental). Debería ser ligeramente inferior a V_BIAS dependiendo del brillo ambiental que incide en D1.
3. Adquisición de señal:
   • Apunta una fuente de luz modulada (por ejemplo, un LED conectado a una salida de audio o un generador de señales) hacia D1.
   • Usa un osciloscopio en V_PRE. Deberías ver una forma de onda de CA superpuesta al nivel de CC.
   • Mide el Vpp (Voltaje pico a pico). Debería estar en el rango de 100 mV a 1 V dependiendo de la distancia y la intensidad de la luz.
4. Prueba de audio: Sube R_VOL lentamente. Deberías escuchar el audio transmitido claramente desde LS1.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Modulated light audio receiver

* --- Component Models ---
* Generic Photodiode Model
.model D_BPW34 D(Is=1n Rs=5 Cjo=10p)

* --- Subcircuits ---

* TL071 Operational Amplifier Macro Model
* Pinout: 1=NonInv 2=Inv 3=V+ 4=V- 5=Out
.SUBCKT TL071 P_NI P_INV P_VCC P_VEE P_OUT
  * Input Impedance
  Rin P_NI P_INV 1T
  * Output Stage (Behavioral with Rail Limiting)
  * Models high open-loop gain and saturation at Rails +/- 1.5V
  B1 P_OUT 0 V=V(P_VEE) + 1.5 + (V(P_VCC)-V(P_VEE)-3) * (1 / (1 + exp(-100000 * (V(P_NI)-V(P_INV)))))
.ENDS TL071

* LM386 Audio Amplifier Macro Model
* Pinout: 1=Gain 2=Inv 3=NonInv 4=GND 5=Out 6=Vs 8=Gain
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Modulated light audio receiver

* --- Component Models ---
* Generic Photodiode Model
.model D_BPW34 D(Is=1n Rs=5 Cjo=10p)

* --- Subcircuits ---

* TL071 Operational Amplifier Macro Model
* Pinout: 1=NonInv 2=Inv 3=V+ 4=V- 5=Out
.SUBCKT TL071 P_NI P_INV P_VCC P_VEE P_OUT
  * Input Impedance
  Rin P_NI P_INV 1T
  * Output Stage (Behavioral with Rail Limiting)
  * Models high open-loop gain and saturation at Rails +/- 1.5V
  B1 P_OUT 0 V=V(P_VEE) + 1.5 + (V(P_VCC)-V(P_VEE)-3) * (1 / (1 + exp(-100000 * (V(P_NI)-V(P_INV)))))
.ENDS TL071

* LM386 Audio Amplifier Macro Model
* Pinout: 1=Gain 2=Inv 3=NonInv 4=GND 5=Out 6=Vs 8=Gain
.SUBCKT LM386 P_G1 P_INV P_NI P_GND P_OUT P_VS P_G8
  * Internal Gain Resistor (1.35k) connecting Pins 1 and 8
  R_GAIN_INT P_G1 P_G8 1.35k
  * High resistance to GND to prevent floating node errors for the Gain capacitor
  R_C1 P_G1 0 100Meg
  R_C8 P_G8 0 100Meg
  
  * Audio Amplifier Behavioral Source
  * Self-biasing output to Vs/2
  * Fixed Gain approx 200 (Assuming C_GAIN is present externally)
  B_OUT P_OUT P_GND V=V(P_VS)/2 + 200*(V(P_NI)-V(P_INV))
.ENDS LM386

* --- Main Circuit ---

* Power Supply (9V)
V1 VCC 0 DC 9

* Power Supply Decoupling
C_DEC VCC 0 100n

* Bias Voltage Generator (VCC/2)
R_B1 VCC V_BIAS 10k
R_B2 V_BIAS 0 10k
C_BIAS V_BIAS 0 10u

* --- Stage 1: Transimpedance Amplifier (TIA) ---
* U1 TL071 Op-Amp
* Connections: NI=V_BIAS, INV=N_INV, V+=VCC, V-=0, OUT=V_PRE
XU1 V_BIAS N_INV VCC 0 V_PRE TL071

* Photodiode Sensor (Reverse Biased)
* Cathode to VCC, Anode to N_INV
D1 N_INV VCC D_BPW34

* Optical Signal Simulation
* Current source representing modulated light (1kHz square wave)
* Connected parallel to photodiode (Anode to Cathode current flow)
I_LIGHT N_INV VCC PULSE(0 2u 0 1u 1u 500u 1000u)

* Feedback Resistor
R_F N_INV V_PRE 100k

* --- Signal Coupling ---
* DC Blocking Capacitor
C_COUP V_PRE NODE_POT_TOP 4.7u

* Volume Potentiometer (10k)
* Modeled as voltage divider. Wiper set to 20% to manage gain.
* Top Resistor (8k)
R_VOL_TOP NODE_POT_TOP V_WIPER 8k
* Bottom Resistor (2k)
R_VOL_BOT V_WIPER 0 2k

* --- Stage 2: Power Amplifier ---
* U2 LM386 Audio Amp
* Connections: 1=GAIN_P, 2=0, 3=V_WIPER, 4=0, 5=V_AMP_OUT, 6=VCC, 8=GAIN_N
XU2 GAIN_P 0 V_WIPER 0 V_AMP_OUT VCC GAIN_N LM386

* Gain Setting Capacitor (Pins 1-8)
C_GAIN GAIN_P GAIN_N 10u

* Output Coupling Capacitor
C_OUT V_AMP_OUT V_SPK 220u

* Speaker Load (8 Ohm)
LS1 V_SPK 0 8

* --- Simulation Directives ---
* Transient analysis for 5ms to see 5 cycles of 1kHz audio
.tran 10u 5ms

* Output data for plotting
.print tran V(V_PRE) V(V_WIPER) V(V_SPK)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (623 rows)

Index   time            v(v_pre)        v(v_wiper)      v(v_spk)
0	0.000000e+00	4.499900e+00	0.000000e+00	0.000000e+00
1	1.000000e-08	4.501899e+00	3.998838e-04	7.997676e-02
2	1.083984e-08	4.502067e+00	4.334770e-04	8.669540e-02
3	1.251953e-08	4.502403e+00	5.006638e-04	1.001328e-01
4	1.587889e-08	4.503075e+00	6.350376e-04	1.270075e-01
5	2.259763e-08	4.504418e+00	9.037850e-04	1.807570e-01
6	3.603509e-08	4.507106e+00	1.441280e-03	2.882560e-01
7	6.291003e-08	4.512481e+00	2.516269e-03	5.032538e-01
8	1.166599e-07	4.523231e+00	4.666245e-03	9.332491e-01
9	2.241596e-07	4.544731e+00	8.966191e-03	1.793238e+00
10	4.391591e-07	4.587730e+00	1.756605e-02	3.513210e+00
11	8.691581e-07	4.673729e+00	3.476566e-02	6.953131e+00
12	1.000000e-06	4.699898e+00	3.999919e-02	7.999838e+00
13	1.086000e-06	4.699898e+00	3.999923e-02	7.999847e+00
14	1.257999e-06	4.699898e+00	3.999909e-02	7.999818e+00
15	1.601999e-06	4.699898e+00	3.999879e-02	7.999759e+00
16	2.289997e-06	4.699898e+00	3.999821e-02	7.999642e+00
17	3.665994e-06	4.699898e+00	3.999704e-02	7.999408e+00
18	6.417987e-06	4.699898e+00	3.999470e-02	7.998939e+00
19	1.192197e-05	4.699898e+00	3.999001e-02	7.998002e+00
20	2.192197e-05	4.699898e+00	3.998151e-02	7.996300e+00
21	3.192197e-05	4.699898e+00	3.997300e-02	7.994598e+00
22	4.192197e-05	4.699898e+00	3.996450e-02	7.992895e+00
23	5.192197e-05	4.699898e+00	3.995599e-02	7.991193e+00
... (599 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Polaridad invertida del fotodiodo: Conectar el ánodo a VCC polarizará el diodo en directa, haciendo que conduzca completamente y sature el amplificador. Solución: Asegúrate de que el Cátodo (generalmente marcado con un lado plano o una pata más corta) vaya a VCC.
2. Omitir condensadores de bloqueo de CC: Conectar la salida del TIA directamente al potenciómetro de volumen del LM386 puede alterar la polarización del amplificador de audio. Solución: Usa siempre C_COUP para pasar solo la señal de audio y bloquear el desplazamiento de CC.
3. Saturación óptica: Probar bajo luz solar directa o luz artificial muy fuerte satura el fotodiodo, aplanando la señal. Solución: Usa un escudo óptico (un tubo negro) alrededor de D1 para limitar el campo de visión solo al transmisor.

Solución de problemas

• Síntoma: Zumbido fuerte y constante.
  • Causa: Captación de ruido de 50Hz/60Hz de la iluminación ambiental de la habitación (fluorescente/red eléctrica).
  • Solución: Apaga las luces de la habitación o usa un filtro óptico (plástico rojo/IR) sobre D1.
• Síntoma: No hay audio, pero V_PRE muestra señal.
  • Causa: R_VOL está al mínimo o el cableado del LM386 es incorrecto.
  • Solución: Verifica la conexión del cursor del potenciómetro y asegúrate de que los pines de alimentación de U2 sean correctos.
• Síntoma: La señal está recortada (cuadrada) en el TIA.
  • Causa: La resistencia de ganancia R_F es demasiado alta para la intensidad de luz recibida.
  • Solución: Reduce R_F a 47 kΩ o aleja más el transmisor.

Posibles mejoras y extensiones

1. Filtro paso banda: Reemplaza R_F con una red en T o añade un condensador en paralelo para crear un filtro paso bajo, y añade una etapa de filtro paso alto para eliminar el zumbido de la red de 50/60Hz.
2. Salida Schmitt Trigger: Alimenta la salida de V_PRE a un comparador o Schmitt trigger (como un 74HC14) para convertir el receptor de audio analógico en un receptor de datos digital para transmisión UART.

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 – Diseña un sistema de medición de RPM utilizando un fotodiodo en modo fotoconductivo para detectar interrupciones de luz.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un circuito sensor óptico sin contacto que convierte las interrupciones de luz causadas por una hélice giratoria en un tren de pulsos digitales limpios. El sistema utiliza un fotodiodo en polarización inversa (modo fotoconductivo) para detectar cambios en la intensidad de la luz, un comparador para digitalizar la señal analógica y un inversor lógico para hacer de buffer de la salida.

Por qué es útil:
* Sistemas de control de velocidad: Proporciona retroalimentación para controladores PID para mantener una velocidad constante del motor bajo cargas variables.
* Monitoreo de cintas transportadoras: Detecta atascos o paradas monitoreando la rotación de los rodillos de transmisión.
* Detección de fallos en ventiladores: Se utiliza en servidores y equipos industriales para activar alarmas si los ventiladores de refrigeración dejan de girar.
* Medición sin contacto: Permite medir piezas mecánicas de alta velocidad sin añadir fricción ni desgaste físico.

Resultado esperado:
* Generación de señal: Una salida de onda cuadrada (VOUT) donde la frecuencia es proporcional a la velocidad del motor.
* Indicación visual: Un LED indicador parpadea en sincronía con el paso de la aspa de la hélice (visible a bajas velocidades).
* Niveles de voltaje: El voltaje analógico del sensor oscila entre ≈ 0 V (oscuridad) y $>2 V$ (luz), convertido a niveles lógicos TTL de 5 V válidos en la salida.
* Público objetivo: Estudiantes de electrónica y aficionados familiarizados con amplificadores operacionales básicos y semiconductores discretos.

Materiales

Lista de materiales:
* V1: Fuente de 5 V DC, función: Alimentación principal del circuito.
* V2: Fuente de 5 V DC, función: Alimentación para la fuente de luz externa (o compartida con V1).
* D1: Fotodiodo BPW34 (o genérico), función: Sensor de luz (Polarización inversa).
* R1: Resistencia de 100 kΩ, función: Conversión de corriente a voltaje (Resistencia de ganancia).
* RV1: Potenciómetro de 10 kΩ, función: Voltaje de referencia ajustable (VREF) para el comparador.
* U1: Op-Amp LM358, función: Comparador de voltaje.
* U2: Inversor Hexagonal 74HC04, función: Buffer e inversión de señal.
* R2: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente del LED de salida.
* D2: LED rojo, función: Indicador de pulso.
* L1: LED blanco o linterna, función: Fuente de luz externa apuntando a D1.
* M1: Motor DC con una hélice/ventilador, función: Objeto a medir (corta el haz de luz).

Pin-out del CI utilizado

Chip seleccionado: 74HC04 (Inversor Hexagonal)

Nota: El pinout del Op-Amp LM358 es estándar (Pin 8: VCC, Pin 4: GND, Pin 3: Entrada no inversora, Pin 2: Entrada inversora, Pin 1: Salida).

Guía de conexionado

Construye el circuito siguiendo estas conexiones de nodos. Asegúrate de que el fotodiodo esté protegido de la luz ambiental para obtener mejores resultados.

• Nodos de Alimentación:

  • VCC: Conecta el terminal positivo de V1, el Pin 8 de U1 (LM358), el Pin 14 de U2 (74HC04) y un lado de RV1.
  • 0 (GND): Conecta el terminal negativo de V1, el Pin 4 de U1, el Pin 7 de U2, el otro lado de RV1, el Ánodo de D1 y el Cátodo de D2.

• Etapa del Sensor (Modo Fotoconductivo):

  • VSENS: Conecta el Cátodo de D1 (Fotodiodo), un extremo de R1 y el Pin 3 (Entrada no inversora) de U1.
  • Conecta el otro extremo de R1 a VCC.
  • Nota: Esta configuración crea un divisor de voltaje. Cuando la luz golpea a D1, fluye corriente inversa, bajando el voltaje en VSENS. Oscuridad = Voltaje Alto (cerca de VCC); Luz = Voltaje Bajo.

• Etapa del Comparador:

  • VREF: Conecta el cursor (pin central) de RV1 al Pin 2 (Entrada inversora) de U1.
  • VCOMP: Conecta el Pin 1 (Salida) de U1 al Pin 1 (Entrada 1 A) de U2.

• Etapa de Salida:

  • VOUT: Conecta el Pin 2 (Salida 1Y) de U2 a un extremo de R2. Este es tu punto de medición para el osciloscopio.
  • Conecta el otro extremo de R2 al Ánodo de D2 (LED).

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Title: Practical case: Optical tachometer for DC motor

      [ INPUTS / SENSORS ]                     [ LOGIC / PROCESSING ]                  [ OUTPUTS ]

[ Light Source L1 ]
        |
   (Light Beam)
        |
        v
[ Motor M1 (Propeller) ]
        |
 (Interrupted Beam)
        |
        v
[ Photodiode D1 ] --(VSENS: Pin 3)-->+----------------+
(Rev-Biased w/ R1)                   |                |
                                     |   U1: LM358    |
                                     |   Comparator   | --(VCOMP: Pin 1)-->+
                                     |                |                    |
[ Potentiometer RV1 ] --(VREF: Pin 2)-->+----------------+                    |
(Adjust Sensitivity)                                                       |
                                                                           v
                                                                   +----------------+
                                                                   |                |
                                                                   |   U2: 74HC04   |
                                                                   |  Hex Inverter  |
                                                                   |                |
                                                                   +-------+--------+
                                                                           |
                                                                     (VOUT: Pin 2)
                                                                           |
                                                               +--------(Scope Probe)-->
                                                                           |
                                                                           v
                                                                    [ Resistor R2 ]
                                                                           |
                                                                           v
                                                                      [ LED D2 ]
                                                                           |
                                                                           v
                                                                         (GND)

Tabla de verdad (Etapa lógica)

Esta tabla describe el flujo lógico desde el estado físico hasta la salida eléctrica final.

Nota: Dado que la configuración del sensor lleva VSENS a nivel bajo cuando está iluminado, la salida del Comparador pasa a Bajo cuando hay luz. El 74HC04 invierte esto, por lo que el LED se ENCIENDE cuando la luz pasa a través.

Mediciones y pruebas

1. Calibración (Prueba Estática):

   • Enciende el sistema (V1 = 5 V).
   • Asegúrate de que la fuente de luz L1 brille directamente sobre D1.
   • Mide VSENS con un multímetro. Debería ser bajo (ej. 1 V – 2 V) debido a la fotocorriente.
   • Bloquea la luz con tu mano. VSENS debería subir cerca de VCC (ej. 4.5 V).
   • Ajusta el potenciómetro RV1 para que VREF esté exactamente en el medio de estos dos valores (ej. si Oscuro=4.5 V y Luz=1.5 V, ajusta VREF a 3.0 V).

2. Prueba Dinámica:

   • Coloca el motor M1 de manera que su hélice corte el haz entre L1 y D1.
   • Conecta el Canal 1 de tu osciloscopio a VOUT.
   • Haz funcionar el motor. Deberías ver un tren de ondas cuadradas.

3. Cálculo:

   • Mide la frecuencia ($f$) de la señal en VOUT en Hertz.
   • Cuenta el número de aspas ($N$) en tu hélice.
   • Calcula las RPM: RPM = ≤ft( (f / N) \right) × 60.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Optical tachometer for DC motor

* ==========================================
* Models and Definitions
* ==========================================

* Photodiode Model (Generic BPW34)
.model D_BPW34 D(IS=10n N=1.1 RS=5 CJO=20p)

* Output LED Model (Red)
.model LED_Red D(IS=1u N=1.8 RS=5 BV=5 IBV=10u)

* External Light Source LED Model (White)
.model LED_White D(IS=1n N=2.5 RS=10 BV=5 IBV=10u)

* Subcircuit: LM358 Op-Amp (Comparator Mode)
* Pins: OUT INM INP GND VCC
.subckt LM358 OUT INM INP GND VCC
* Dummy resistors to ensure DC path for all pins (avoids floating node warnings)
R_supply VCC GND 100Meg
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Optical tachometer for DC motor

* ==========================================
* Models and Definitions
* ==========================================

* Photodiode Model (Generic BPW34)
.model D_BPW34 D(IS=10n N=1.1 RS=5 CJO=20p)

* Output LED Model (Red)
.model LED_Red D(IS=1u N=1.8 RS=5 BV=5 IBV=10u)

* External Light Source LED Model (White)
.model LED_White D(IS=1n N=2.5 RS=10 BV=5 IBV=10u)

* Subcircuit: LM358 Op-Amp (Comparator Mode)
* Pins: OUT INM INP GND VCC
.subckt LM358 OUT INM INP GND VCC
* Dummy resistors to ensure DC path for all pins (avoids floating node warnings)
R_supply VCC GND 100Meg
R_inM    INM GND 100Meg
R_inP    INP GND 100Meg
* Behavioral Output: High (VCC) if INP > INM, Low (GND) otherwise
B_Out OUT GND V = (V(VCC)-V(GND)) * (1 / (1 + exp(-100 * (V(INP)-V(INM)))))
.ends LM358

* Subcircuit: 74HC04 Hex Inverter (Single Gate)
* Pins: IN OUT GND VCC
.subckt 74HC04_Gate IN OUT GND VCC
* Dummy resistors
R_supply VCC GND 100Meg
R_in     IN  GND 100Meg
* Inverter Logic: High if IN < 2.5V
B_Out OUT GND V = (V(VCC)-V(GND)) * (1 / (1 + exp(100 * (V(IN) - 2.5))))
.ends 74HC04_Gate

* ==========================================
* Circuit Instantiation
* ==========================================

* --- Power Supply Section ---
* V1: 5V DC Supply for the main circuit (VCC)
V1 VCC 0 DC 5

* V2: 5V DC Supply for external components (Motor/Light)
V2 VCC_EXT 0 DC 5

* --- Environment (Physical BOM Components) ---
* L1: White LED (External Light Source)
* Modeled as electrical load on V2. Light emission is implicit.
R_L1 VCC_EXT N_L1 220
D_L1 N_L1 0 LED_White

* M1: DC Motor (Propeller)
* Modeled as electrical load on V2. Rotation is simulated by the chopper signal.
R_M1 VCC_EXT N_M1 20
L_M1 N_M1 0 10m

* Optical Interaction Simulation:
* V_Chopper simulates the propeller cutting the light beam from L1 to D1.
* 1V = Light Passing (Gap), 0V = Light Blocked (Blade).
* Frequency approx 500Hz (2ms period).
V_Chopper V_OPT_LINK 0 PULSE(0 1 0 100u 100u 800u 2000u)

* --- Sensor Stage ---
* R1: 100k Resistor (Pull-up) connecting VCC to VSENS
R1 VCC VSENS 100k

* D1: BPW34 Photodiode
* Wiring: Cathode to VSENS, Anode to GND (Reverse Biased)
D1 0 VSENS D_BPW34

* Photocurrent Injection (Behavioral):
* Represents light hitting D1 when V_OPT_LINK is High.
* Current flows Cathode to Anode (VSENS to GND). I_photo = 50uA.
B_Photo VSENS 0 I = V(V_OPT_LINK) * 50u

* --- Comparator Stage ---
* RV1: 10k Potentiometer (Reference Voltage)
* Configured as 50% divider (5k + 5k) setting VREF to ~2.5V.
R_RV1_Top VCC VREF 5k
R_RV1_Bot VREF 0 5k

* U1: LM358 Op-Amp configured as Comparator
* Pin 8=VCC, Pin 4=GND, Pin 3=VSENS (Non-Inv), Pin 2=VREF (Inv), Pin 1=VCOMP
XU1 VCOMP VREF VSENS 0 VCC LM358

* --- Buffer/Inverter Stage ---
* U2: 74HC04 Hex Inverter (Gate 1)
* Pin 14=VCC, Pin 7=GND, Pin 1=VCOMP (Input), Pin 2=VOUT (Output)
XU2 VCOMP VOUT 0 VCC 74HC04_Gate

* --- Output Stage ---
* R2: 330 Ohm Current Limiting Resistor
R2 VOUT LED_A 330

* D2: Red LED (Signal Indicator)
* Wiring: Anode to R2, Cathode to GND
D2 LED_A 0 LED_Red

* ==========================================
* Analysis Commands
* ==========================================

* Transient analysis: 10ms to capture 5 pulses
.tran 100u 10ms

* Monitor signals
.print tran V(VSENS) V(VREF) V(VCOMP) V(VOUT) V(LED_A) V(V_OPT_LINK)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (526 rows)

Index   time            v(vsens)        v(vref)         v(vcomp)
0	0.000000e+00	4.994005e+00	2.499938e+00	5.000000e+00
1	1.000000e-06	4.966501e+00	2.499938e+00	5.000000e+00
2	2.000000e-06	4.926705e+00	2.499938e+00	5.000000e+00
3	4.000000e-06	4.836178e+00	2.499938e+00	5.000000e+00
4	8.000000e-06	4.635945e+00	2.499938e+00	5.000000e+00
5	1.600000e-05	4.238426e+00	2.499938e+00	5.000000e+00
6	3.200000e-05	3.442420e+00	2.499938e+00	5.000000e+00
7	6.400000e-05	1.854804e+00	2.499938e+00	4.799431e-28
8	1.000000e-04	8.527235e-02	2.499938e+00	5.000000e-99
9	1.009874e-04	5.613111e-02	2.499938e+00	5.038370e-99
10	1.029622e-04	1.810390e-02	2.499938e+00	5.069277e-99
11	1.055177e-04	3.702381e-03	2.499938e+00	5.376972e-99
12	1.063053e-04	2.444841e-03	2.499938e+00	6.193694e-99
13	1.072769e-04	1.458053e-03	2.499938e+00	5.050362e-99
14	1.083003e-04	8.469348e-04	2.499938e+00	4.694441e-99
15	1.095417e-04	4.347045e-04	2.499938e+00	5.049162e-99
16	1.109578e-04	2.013374e-04	2.499938e+00	4.883316e-99
17	1.123791e-04	9.296145e-05	2.499938e+00	4.945812e-99
18	1.143288e-04	3.056502e-05	2.499938e+00	4.968802e-99
19	1.167173e-04	7.196143e-06	2.499938e+00	4.988316e-99
20	1.202744e-04	2.927790e-07	2.499938e+00	4.996548e-99
21	1.252257e-04	-3.66547e-08	2.499938e+00	4.999835e-99
22	1.343972e-04	1.488928e-08	2.499938e+00	5.000026e-99
23	1.527400e-04	-9.71180e-09	2.499938e+00	4.999988e-99
... (502 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Polaridad del fotodiodo invertida: En modo fotoconductivo, el fotodiodo DEBE estar polarizado inversamente (Cátodo a potencial positivo relativo al Ánodo). Si se conecta en directa, actúa como un diodo normal y no detectará la luz eficazmente.
   • Solución: Verifica el lado plano o el terminal más corto del fotodiodo y asegúrate de que se conecta al nodo VSENS (que está conectado a VCC vía R1).
2. Voltaje de Referencia (VREF) incorrecto: Si VREF se ajusta demasiado alto (por encima del voltaje en oscuridad) o demasiado bajo (por debajo del voltaje en luz), el comparador nunca conmutará.
   • Solución: Siempre mide VSENS en ambos estados (oscuro y luz) antes de ajustar RV1.
3. Interferencia de Luz Ambiental: La iluminación de la habitación (especialmente luces fluorescentes parpadeando a 50/60Hz) puede activar el sensor falsamente.
   • Solución: Usa un tubo opaco (termorretráctil o la carcasa de un bolígrafo) alrededor del fotodiodo para estrechar su campo de visión estrictamente a la fuente de luz.

Solución de problemas

• Síntoma: El LED está siempre ENCENDIDO o siempre APAGADO.
  • Causa: VREF no está ajustado correctamente o la fuente de luz es demasiado débil.
  • Solución: Reajusta RV1. Asegúrate de que L1 sea brillante y esté alineada.
• Síntoma: La señal de salida es inestable o tiene múltiples picos por pulso.
  • Causa: Transiciones ruidosas cuando el voltaje cruza el umbral lentamente.
  • Solución: Añade una pequeña resistencia de histéresis (ej. 1 MΩ) entre VCOMP y el Pin 3 de U1, o asegúrate de que la transición óptica sea nítida (haz enfocado).
• Síntoma: VSENS no cambia significativamente con la luz.
  • Causa: El valor de R1 es demasiado bajo para la sensibilidad de D1.
  • Solución: Aumenta R1 a 220 kΩ o 470 kΩ para aumentar la ganancia de voltaje (V = Ifoto × R1).

Posibles mejoras y extensiones

1. Histéresis (Trigger Schmitt): Modifica el circuito del Op-Amp para incluir retroalimentación positiva. Esto crea dos voltajes de umbral distintos, haciendo al sistema inmune al ruido alrededor del punto de conmutación.
2. Modo Sensor Reflectivo: En lugar de colocar la fuente de luz opuesta al sensor (transmisivo), colócalos lado a lado. Pinta las aspas de la hélice de negro (no reflectante) y blanco (reflectante). Esto permite medir RPM en motores donde no puedes acceder a ambos lados de las aspas.

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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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¿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.

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¿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
... (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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