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.

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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: Básico. Construye un circuito de retardo al apagado utilizando la descarga lenta de un condensador para controlar un transistor.

Objetivo y caso de uso

En esta sesión, construirás un circuito temporizador analógico que mantiene un LED iluminado durante una duración específica después de soltar un pulsador. Esto demuestra cómo un condensador almacena energía y la descarga a lo largo del tiempo para controlar un elemento de conmutación (el transistor).

Por qué es útil:
* Iluminación interior de coches: Luces que se apagan lentamente después de cerrar la puerta.
* Temporizadores de escalera: Iluminación que permanece encendida el tiempo suficiente para que alguien suba las escaleras.
* Ventiladores de baño: Ventiladores que continúan funcionando durante unos minutos después de apagarlos para eliminar la humedad.
* Eliminación de rebotes (Debouncing): Suavizado de interrupciones de señal cortas y no deseadas.

Resultado esperado:
* Pulsación del botón: El LED se ENCIENDE inmediatamente con brillo máximo.
* Liberación del botón: El LED permanece ENCENDIDO inicialmente.
* Fase de retardo: El LED se atenúa gradualmente y se APAGA después de unos segundos a medida que cae el voltaje del condensador.
* Público objetivo: Estudiantes y aficionados que aprenden sobre constantes de tiempo RC y conmutación con transistores.

Materiales

• V1: Fuente de alimentación de 9 V CC, función: fuente de alimentación principal.
• S1: Pulsador (Normalmente Abierto), función: disparador de carga.
• C1: Condensador electrolítico de 470 µF, función: temporización y almacenamiento de energía.
• R1: Resistencia de 10 kΩ, función: resistencia de temporización de descarga.
• R2: Resistencia de 470 Ω, función: limitación de corriente del LED.
• Q1: Transistor NPN 2N2222, función: interruptor de corriente.
• D1: LED rojo, función: indicador visual de salida.

Guía de conexionado

Construye el circuito siguiendo estas conexiones utilizando los nombres de nodo específicos proporcionados.

• Fuente de alimentación:

  • Conecta el terminal positivo de V1 al nodo VCC.
  • Conecta el terminal negativo de V1 al nodo 0 (GND).

• Red de entrada y temporización:

  • Conecta S1 entre el nodo VCC y el nodo VCAP.
  • Conecta el terminal positivo de C1 al nodo VCAP.
  • Conecta el terminal negativo de C1 al nodo 0.
  • Conecta R1 entre el nodo VCAP y el nodo BASE.

• Interruptor de transistor:

  • Conecta la Base de Q1 al nodo BASE.
  • Conecta el Emisor de Q1 al nodo 0.
  • Conecta el Colector de Q1 al nodo COL.

• Carga de salida (LED):

  • Conecta R2 entre el nodo VCC y el nodo LED_A.
  • Conecta el Ánodo de D1 al nodo LED_A.
  • Conecta el Cátodo de D1 al nodo COL.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ INPUT & TIMING ]                  [ LOGIC / SWITCH ]                 [ OUTPUT LOAD ]

(VCC 9 V) --+--(Power Path)--------------------------------------------------> [ Resistor R2 ]
           |                                                                        |
           |                                                                        v
     [ Button S1 ]                                                             [ LED D1 ]
           |                                                                        |
           v (Trigger)                                                              |
     [ Node VCAP ] --(Slow Discharge)--> [ Resistor R1 ] --(Base Sig)-->+           |
           |                                                            |           |
           + <--(Stores Charge)-- [ Capacitor C1 ]                      |           |
                                       |                                v           v
                                       v                        +-----------------------+
                                    [ GND ]                     |     TRANSISTOR Q1     |
                                                                | (Base)    (Collector) |
                                                                +-----------------------+
                                                                            |
                                                                            v (Emitter)
                                                                         [ GND ]

Mediciones y pruebas

Sigue estos pasos para validar el comportamiento del circuito usando un multímetro.

1. Estado inicial: Asegúrate de que S1 no esté presionado. El LED debe estar APAGADO.
   • Mide el voltaje en VCAP. Debería estar cerca de 0 V.
2. Fase de carga: Mantén presionado S1.
   • Comprobación: El LED se ENCIENDE inmediatamente.
   • Medición: El voltaje en VCAP debería subir instantáneamente a aproximadamente 9 V (VCC).
3. Fase de descarga: Suelta S1 e inicia un cronómetro.
   • Observación: El LED permanece encendido.
   • Medición: Monitorea el voltaje en VCAP. Disminuirá lentamente.
   • Umbral: Cuando VCAP cae por debajo de aproximadamente 1.4 V (V_BE + caída en R1), el LED se atenuará significativamente y se APAGARÁ.
4. Constante de tiempo: Registra el tiempo desde la liberación hasta que el LED se apague por completo.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Simple Transistor Timer

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC supply
V1 VCC 0 DC 9

* --- Input and Timing Network ---
* S1: Push-button (Normally Open)
* Modeled as a Voltage Controlled Switch (S1) driven by a control pulse (V_S1_ACT)
* Connects VCC to VCAP when activated
S1 VCC VCAP CTRL 0 SW_MODEL

* Control signal for the button press simulation
* Press button at T=0.5s, hold for 0.5s, then release to allow discharge
V_S1_ACT CTRL 0 PULSE(0 5 0.5 1m 1m 0.5 20)

* C1: 470 µF electrolytic capacitor
C1 VCAP 0 470u

* R1: 10 kΩ resistor (Discharge path to Base)
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Simple Transistor Timer

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC supply
V1 VCC 0 DC 9

* --- Input and Timing Network ---
* S1: Push-button (Normally Open)
* Modeled as a Voltage Controlled Switch (S1) driven by a control pulse (V_S1_ACT)
* Connects VCC to VCAP when activated
S1 VCC VCAP CTRL 0 SW_MODEL

* Control signal for the button press simulation
* Press button at T=0.5s, hold for 0.5s, then release to allow discharge
V_S1_ACT CTRL 0 PULSE(0 5 0.5 1m 1m 0.5 20)

* C1: 470 µF electrolytic capacitor
C1 VCAP 0 470u

* R1: 10 kΩ resistor (Discharge path to Base)
R1 VCAP BASE 10k

* --- Transistor Switch ---
* Q1: 2N2222 NPN transistor
* Connections: Collector=COL, Base=BASE, Emitter=0(GND)
Q1 COL BASE 0 2N2222MOD

* --- Output Load (LED) ---
* R2: 470 Ω resistor
R2 VCC LED_A 470

* D1: Red LED
* Connections: Anode=LED_A, Cathode=COL
D1 LED_A COL DLED

* --- Models ---
* Switch Model: Threshold 2.5V, Low On-Resistance
.model SW_MODEL SW(Vt=2.5 Ron=0.1 Roff=100Meg)

* NPN Transistor Model (Generic 2N2222)
.model 2N2222MOD NPN(IS=1E-14 VAF=100 BF=200 IKF=0.3 XTB=1.5 BR=3 CJC=8E-12 CJE=25E-12 TR=46.91E-9 TF=411.1E-12 ITF=0.6 VTF=1.7 XTF=3 RB=10 RC=0.3 RE=0.2)

* LED Model (Red LED approx)
.model DLED D(IS=1u N=2 RS=10 BV=5 IBV=10u)

* --- Analysis Commands ---
* Transient analysis for 10 seconds to observe the long RC discharge (Tau ~ 4.7s)
.tran 10m 10s

* Output voltage of Capacitor, Base, Collector, and LED Anode
.print tran V(VCAP) V(BASE) V(COL) V(LED_A)

.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (2110 rows)

Index   time            v(vcap)         v(base)         v(col)
0	0.000000e+00	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838023e+00
1	1.000000e-04	5.504285e-01	5.495836e-01	8.838088e+00
2	2.000000e-04	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
3	4.000000e-04	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
4	8.000000e-04	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
5	1.600000e-03	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
6	3.200000e-03	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
7	6.400000e-03	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
8	1.280000e-02	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
9	2.280000e-02	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
10	3.280000e-02	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
11	4.280000e-02	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
12	5.280000e-02	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
13	6.280000e-02	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
14	7.280000e-02	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
15	8.280000e-02	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
16	9.280000e-02	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
17	1.028000e-01	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
18	1.128000e-01	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
19	1.228000e-01	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
20	1.328000e-01	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
21	1.428000e-01	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
22	1.528000e-01	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
23	1.628000e-01	5.504285e-01	5.495835e-01	8.838088e+00
... (2086 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Polaridad del condensador invertida: Los condensadores electrolíticos pueden explotar o fallar si se conectan al revés. Asegúrate de que la franja negativa en C1 se conecte a 0 (GND).
2. Pin-out del transistor incorrecto: Confundir el Colector y el Emisor impide la conmutación. Verifica la hoja de datos del 2N2222; generalmente, la pestaña o el lado plano indica la orientación de los pines.
3. Valor del condensador demasiado pequeño: Usar un condensador pequeño (por ejemplo, 100 nF) resulta en un retardo demasiado corto para que el ojo humano lo perciba. Usa al menos 100 µF para resultados visibles.

Solución de problemas

• Síntoma: El LED nunca se ENCIENDE.
  • Causa: LED instalado al revés o transistor roto.
  • Solución: Verifica la orientación de D1 (Ánodo a resistencia, Cátodo a Colector) y verifica las conexiones de Q1.
• Síntoma: El LED se APAGA inmediatamente al soltar el botón.
  • Causa: Falta el condensador, está desconectado o el valor es demasiado bajo.
  • Solución: Asegúrate de que C1 esté firmemente conectado entre VCAP y 0. Intenta aumentar C1 a 1000 µF.
• Síntoma: El transistor se calienta mucho.
  • Causa: Falta la resistencia de base o hay un cortocircuito en la salida.
  • Solución: Asegúrate de que R1 (10 kΩ) esté instalada correctamente entre el condensador y la base para limitar la corriente de base.

Posibles mejoras y extensiones

1. Temporizador variable: Reemplaza R1 con un potenciómetro de 50 kΩ en serie con una resistencia de 1 kΩ para permitir al usuario ajustar la duración del retardo.
2. Par Darlington: Reemplaza Q1 con un transistor Darlington (o dos NPN conectados como un par Darlington) para aumentar significativamente la impedancia de entrada, permitiendo retardos mucho más largos con el mismo valor de condensador.

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¿Quiénes somos?

Nivel: Básico. Verifique que un condensador permite el paso de señales de CA mientras bloquea los componentes de CC.

Objetivo y caso de uso

Construirá un circuito pasivo que conecta una fuente de señal con un offset de CC a una carga a través de un condensador en serie. La configuración demuestra cómo el condensador filtra el componente de corriente continua (CC) mientras permite que la señal de corriente alterna (CA) llegue a la carga.

Por qué es útil:
* Acoplamiento de audio: Esencial para conectar etapas de amplificación donde existen diferentes voltajes de polarización de CC, pero la señal de audio debe pasar sin cambios.
* Acondicionamiento de sensores: Elimina los offsets de voltaje constante de los sensores (como los elementos piezoeléctricos) para centrarse solo en los cambios dinámicos.
* Protección: Evita que corrientes peligrosas de CC fluyan hacia cargas sensibles como auriculares o altavoces.

Resultado esperado:
* Señal de entrada: Una onda sinusoidal que oscila estrictamente por encima de 0 V (por ejemplo, entre +2 V y +4 V).
* Señal de salida: La misma onda sinusoidal centrada alrededor de 0 V (oscilando entre -1 V y +1 V).
* Medición de CC: El nodo de entrada mide un voltaje de CC constante (por ejemplo, +3 V), mientras que el nodo de salida mide 0 V CC.

Público objetivo y nivel:
Estudiantes y aficionados que aprenden sobre filtros pasivos y acoplamiento de CA.

Materiales

• V1: Generador de funciones, función: proporciona una onda sinusoidal de 1 kHz (2 Vpp) con un offset de CC de +3 V.
• C1: Condensador electrolítico de 10 µF, función: condensador de acoplamiento para bloqueo de CC.
• R1: Resistencia de 10 kΩ, función: carga de salida a tierra.
• Herramientas de medición: Osciloscopio (modo de acoplamiento DC) y multímetro.

Guía de conexionado

Este circuito utiliza tres nodos específicos: VIN (fuente), VOUT (carga) y 0 (GND).

• V1 (Fuente): Conecte el terminal positivo al nodo VIN y el terminal negativo/tierra al nodo 0.
• C1 (Condensador): Conecte el terminal positivo (ánodo) al nodo VIN y el terminal negativo (cátodo) al nodo VOUT.
• R1 (Resistencia): Conecte una pata al nodo VOUT y la otra pata al nodo 0.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ INPUT SOURCE ]                 [ PROCESSING ]                   [ OUTPUT LOAD ]

    [ V1: Function Gen ]             [ C1: Capacitor ]                 [ R1: Resistor ]
    ( 1kHz Sine, 2Vpp  ) --(VIN)--> +[     10 µF     ]- --(VOUT)--> [     10 kΩ      ] --> GND
    (   +3 V DC Offset  )      |      ( Electrolytic  )       |
                              |                              |
                              v                              v
                       [ Measurement ]                [ Measurement ]
                       (Scope/Multi)                  (Scope/Multi)

Mediciones y pruebas

Para validar el circuito, asegúrese de que su osciloscopio esté configurado en DC Coupling (Acoplamiento DC) en el canal de entrada. Si se configura en AC Coupling, el propio osciloscopio bloqueará la CC, ocultando el efecto del condensador externo.

1. Configurar fuente (V1): Configure el generador de funciones en onda sinusoidal, Frecuencia = 1 kHz, Amplitud = 2 V pico a pico, Offset = +3 V.
2. Medir entrada (VIN):
   • Conecte la sonda del osciloscopio a VIN.
   • Observación: La señal debe oscilar entre +2 V y +4 V. La línea central está en +3 V.
   • Medidor de CC: Debe leer aproximadamente +3 V.
3. Medir salida (VOUT):
   • Conecte la sonda del osciloscopio a VOUT.
   • Observación: La señal debe oscilar entre -1 V y +1 V. La línea central está en 0 V.
   • Medidor de CC: Debe leer aproximadamente 0 V.
4. Verificación: Confirme que la forma y la amplitud (2 Vpp) de la onda de CA permanecen en gran medida inalteradas, pero la posición vertical se ha desplazado hacia abajo 3 voltios.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: DC blocking

* --- Components ---

* V1: Function Generator
* Specs: 1 kHz sine wave, 2 Vpp (Amplitude = 1V), +3 V DC offset
* Connection: Positive to VIN, Negative to 0 (GND)
V1 VIN 0 SIN(3 1 1k)

* C1: 10 uF electrolytic capacitor
* Function: DC blocking coupling capacitor
* Connection: Positive (VIN) to Negative (VOUT)
C1 VIN VOUT 10u

* R1: 10 kOhm resistor
* Function: Output load to ground
* Connection: VOUT to 0 (GND)
R1 VOUT 0 10k

* --- Simulation Commands ---
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: DC blocking

* --- Components ---

* V1: Function Generator
* Specs: 1 kHz sine wave, 2 Vpp (Amplitude = 1V), +3 V DC offset
* Connection: Positive to VIN, Negative to 0 (GND)
V1 VIN 0 SIN(3 1 1k)

* C1: 10 uF electrolytic capacitor
* Function: DC blocking coupling capacitor
* Connection: Positive (VIN) to Negative (VOUT)
C1 VIN VOUT 10u

* R1: 10 kOhm resistor
* Function: Output load to ground
* Connection: VOUT to 0 (GND)
R1 VOUT 0 10k

* --- Simulation Commands ---

* Operating point analysis
.op

* Transient analysis
* Frequency is 1kHz (Period = 1ms). Simulate 5ms to see 5 cycles.
.tran 10u 5m

* --- Output Directives ---
* Print input and output voltages for logging
.print tran V(VIN) V(VOUT)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (508 rows)

Index   time            v(vin)          v(vout)
0	0.000000e+00	3.000000e+00	0.000000e+00
1	1.000000e-07	3.000628e+00	6.283179e-04
2	2.000000e-07	3.001257e+00	1.256635e-03
3	4.000000e-07	3.002513e+00	2.513266e-03
4	8.000000e-07	3.005027e+00	5.026506e-03
5	1.600000e-06	3.010053e+00	1.005285e-02
6	3.200000e-06	3.020105e+00	2.010452e-02
7	6.400000e-06	3.040202e+00	4.020026e-02
8	1.280000e-05	3.080338e+00	8.033296e-02
9	2.280000e-05	3.142767e+00	1.427508e-01
10	3.280000e-05	3.204633e+00	2.045991e-01
11	4.280000e-05	3.265691e+00	2.656336e-01
12	5.280000e-05	3.325700e+00	3.256134e-01
13	6.280000e-05	3.384424e+00	3.843020e-01
14	7.280000e-05	3.441631e+00	4.414676e-01
15	8.280000e-05	3.497095e+00	4.968847e-01
16	9.280000e-05	3.550597e+00	5.503345e-01
17	1.028000e-04	3.601927e+00	6.016061e-01
18	1.128000e-04	3.650880e+00	6.504972e-01
19	1.228000e-04	3.697265e+00	6.968148e-01
20	1.328000e-04	3.740898e+00	7.403761e-01
21	1.428000e-04	3.781608e+00	7.810093e-01
22	1.528000e-04	3.819232e+00	8.185538e-01
23	1.628000e-04	3.853624e+00	8.528617e-01
... (484 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Usar acoplamiento de CA en el osciloscopio: Este es el error más frecuente. Hace que la entrada se vea exactamente igual que la salida porque el osciloscopio bloquea la CC internamente. Solución: Verifique siempre que el canal del osciloscopio esté configurado en «DC Coupling».
2. Invertir la polaridad del condensador: Usar un condensador electrolítico polarizado al revés puede hacer que tenga fugas de corriente o falle. Solución: Asegúrese de que el lado positivo de C1 esté orientado hacia el potencial de CC más alto (la fuente VIN en este caso).
3. Resistencia de carga (R1) demasiado baja: Si R1 es muy pequeña, crea un filtro paso alto con una frecuencia de corte superior a 1 kHz, atenuando la señal de CA. Solución: Asegúrese de que R1 × C1 sea lo suficientemente grande para que fcutoff = (1 / (2\pi R C)) esté muy por debajo de la frecuencia de la señal.

Solución de problemas

• Síntoma: VOUT muestra un voltaje de CC significativamente mayor que 0 V.
  • Causa: El condensador C1 tiene fugas o está dañado (actuando como una resistencia).
  • Solución: Reemplace C1 con un condensador nuevo.
• Síntoma: No hay señal en VOUT (0 V CA y 0 V CC).
  • Causa: Conexión de circuito abierto o pista de protoboard defectuosa.
  • Solución: Verifique la continuidad entre el cátodo de C1 y R1.
• Síntoma: La señal de CA en VOUT es mucho más pequeña que en VIN.
  • Causa: La frecuencia de la fuente es demasiado baja para la combinación seleccionada de C1/R1 (efecto de filtrado paso alto).
  • Solución: Aumente la frecuencia de V1 o aumente el valor de C1.

Posibles mejoras y extensiones

1. Barrido de frecuencia: Baje la frecuencia de V1 de 1 kHz a 1 Hz para observar cómo el condensador eventualmente bloquea también la señal de CA (demostración de filtro paso alto).
2. Carga variable: Reemplace R1 con un potenciómetro para ver cómo el cambio de la impedancia de carga afecta el punto de corte de baja frecuencia.

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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: Básico. Demostrar cómo un condensador suaviza el rizado en una señal rectificada de media onda.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirá un circuito rectificador de media onda y observará el efecto de añadir un condensador de filtro en paralelo con la carga.
* Por qué es útil:
* Esencial para convertir Corriente Alterna (CA) de la red en Corriente Continua (CC) para alimentar electrónica.
* Utilizado en cargadores de baterías sencillos.
* Concepto fundamental para la demodulación de señales de audio (detectores de envolvente).
* Demuestra las propiedades de almacenamiento de energía de los condensadores en fuentes de alimentación.
* Resultado esperado:
* Entrada: Una onda sinusoidal de CA pura (oscilando positiva y negativamente).
* Salida Paso 1: Una señal pulsante solo positiva (rectificación de media onda).
* Salida Paso 2: Un voltaje de CC estable con una ligera variación (rizado) después de conectar el condensador.
* Público objetivo y nivel: Estudiantes y aficionados que comprendan la conversión básica de CA/CC.

Materiales

• V1: Fuente de onda sinusoidal de 10 V (pico), 50 Hz, función: entrada de alimentación de CA.
• D1: Diodo 1N4007, función: rectifica CA a CC pulsante.
• R1: Resistencia de 1 kΩ, función: actúa como la carga eléctrica.
• C1: Condensador electrolítico de 100 µF, función: filtra el rizado de voltaje (almacena energía).
• GND: Referencia de tierra (0 V).

Guía de conexionado

Construya el circuito siguiendo estas conexiones de nodos:

• V1 (Fuente): Conecte el terminal positivo al nodo VAC y el terminal negativo al nodo 0 (GND).
• D1 (Rectificador): Conecte el Ánodo al nodo VAC y el Cátodo al nodo VOUT.
• R1 (Carga): Conecte entre el nodo VOUT y el nodo 0 (GND).
• C1 (Filtro): Conecte el terminal positivo al nodo VOUT y el terminal negativo al nodo 0 (GND). Nota: Inicialmente deje C1 desconectado para observar la señal sin filtrar, luego conéctelo.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

[ AC SOURCE ]            [ RECTIFICATION ]             [ OUTPUT STAGE ]

                                             +--> [ C1 Filter ] --> GND
                                                          |    (100 uF)
    [ V1 Source ] --(VAC)--> [ D1 Diode ] --(VOUT Node)-->+
    (10 V, 50Hz)              (1N4007)                     |
                                                          +--> [ R1 Load ]   --> GND
                                                               (1 kOhm)

Mediciones y pruebas

Realice los siguientes pasos utilizando un osciloscopio o un multímetro:

1. Verificación de entrada:
   • Conecte la sonda a VAC.
   • Verifique una onda sinusoidal oscilando entre +10 V y -10 V.
2. Rectificación sin filtrar (C1 desconectado):
   • Retire C1 temporalmente.
   • Mida VOUT. Debería ver solo los semiciclos positivos de la onda sinusoidal (aprox. 0 V a 9.3 V debido a la caída del diodo). El voltaje cae a cero entre picos.
3. Rectificación filtrada (C1 conectado):
   • Conecte C1 en paralelo con R1.
   • Mida VOUT. La señal ahora debería ser un voltaje de CC cerca del valor pico (aprox. 9 V) que no cae a cero.
   • Medición de Vripple (Rizado): Configure el osciloscopio en acoplamiento de CA para hacer zoom en la pequeña fluctuación de voltaje (forma de «diente de sierra») sobre la línea de CC.

Netlist SPICE y simulación

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

* Basic rectifier filtering

* --- Components ---

* V1: 10 V (peak), 50 Hz sine wave source
* Connected: Positive -> VAC, Negative -> 0 (GND)
V1 VAC 0 SIN(0 10 50)

* D1: 1N4007 diode (Rectifier)
* Connected: Anode -> VAC, Cathode -> VOUT
D1 VAC VOUT 1N4007

* R1: 1 kΩ resistor (Load)
* Connected: Between VOUT and 0 (GND)
R1 VOUT 0 1k

* C1: 100 µF electrolytic capacitor (Filter)
* Connected: Positive -> VOUT, Negative -> 0 (GND)
* Note: Included to demonstrate the filtering effect described in the case.
C1 VOUT 0 100u
* ... (truncated in public view) ...

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🔓 Ver planes de acceso premium

* Basic rectifier filtering

* --- Components ---

* V1: 10 V (peak), 50 Hz sine wave source
* Connected: Positive -> VAC, Negative -> 0 (GND)
V1 VAC 0 SIN(0 10 50)

* D1: 1N4007 diode (Rectifier)
* Connected: Anode -> VAC, Cathode -> VOUT
D1 VAC VOUT 1N4007

* R1: 1 kΩ resistor (Load)
* Connected: Between VOUT and 0 (GND)
R1 VOUT 0 1k

* C1: 100 µF electrolytic capacitor (Filter)
* Connected: Positive -> VOUT, Negative -> 0 (GND)
* Note: Included to demonstrate the filtering effect described in the case.
C1 VOUT 0 100u

* --- Models ---

* Standard silicon rectifier diode model approximation for 1N4007
.model 1N4007 D(IS=7.03n RS=0.04 N=1.85 CJO=10p VJ=1 M=0.5 BV=1000 IBV=10u TT=5u)

* --- Analysis Directives ---

* Transient analysis: 100ms duration (5 cycles of 50Hz) with 0.1ms step
.tran 0.1ms 100ms

* Operating point analysis
.op

* Print directives for simulation logging
.print tran V(VAC) V(VOUT)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (1017 rows)

Index   time            v(vac)          v(vout)
0	0.000000e+00	0.000000e+00	-2.77024e-22
1	1.000000e-06	3.141593e-03	3.430255e-10
2	2.000000e-06	6.283185e-03	6.932562e-10
3	4.000000e-06	1.256637e-02	1.411758e-09
4	8.000000e-06	2.513271e-02	2.956960e-09
5	1.600000e-05	5.026527e-02	6.646271e-09
6	3.200000e-05	1.005293e-01	1.882015e-08
7	5.304087e-05	1.666251e-01	6.310202e-08
8	7.565486e-05	2.376544e-01	2.484107e-07
9	1.009625e-04	3.171298e-01	1.270798e-06
10	1.280850e-04	4.022822e-01	7.576310e-06
11	1.570209e-04	4.930958e-01	5.140208e-05
12	1.876236e-04	5.890955e-01	3.869871e-04
13	2.197798e-04	6.899101e-01	3.065854e-03
14	2.535671e-04	7.957622e-01	2.015809e-02
15	2.900907e-04	9.100857e-01	7.787813e-02
16	3.269176e-04	1.025237e+00	1.740794e-01
17	3.659101e-04	1.147010e+00	2.922342e-01
18	4.156771e-04	1.302180e+00	4.470469e-01
19	4.731074e-04	1.480844e+00	6.257990e-01
20	5.731074e-04	1.790758e+00	9.360689e-01
21	6.731074e-04	2.098905e+00	1.244455e+00
22	7.731074e-04	2.404980e+00	1.550935e+00
23	8.731074e-04	2.708681e+00	1.855020e+00
... (993 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Invertir la polaridad del condensador:
   • Error: Conectar la pata negativa de un condensador electrolítico al nodo de voltaje positivo.
   • Solución: Asegúrese siempre de que la franja (lado negativo) del condensador se conecte a Tierra (0). La polaridad inversa puede hacer que el condensador explote.
2. Resistencia de carga demasiado baja:
   • Error: Usar una resistencia muy pequeña (ej. 10 Ω) con un condensador pequeño.
   • Solución: Si la carga consume demasiada corriente, el condensador se descarga demasiado rápido, causando un rizado masivo. Aumente C1 o R1.
3. Ignorar la caída de voltaje del diodo:
   • Error: Esperar exactamente 10 V de CC de una fuente de 10 V de CA pico.
   • Solución: Tenga en cuenta la caída de ~0.7 V a través del diodo de silicio. Espere alrededor de 9.3 V pico.

Solución de problemas

• Síntoma: La salida es idéntica a la Entrada (onda sinusoidal de CA).
  • Causa: El diodo está en cortocircuito internamente.
  • Solución: Reemplace D1.
• Síntoma: La salida es 0 V.
  • Causa: El diodo está abierto o conectado al revés (bloqueando el ciclo positivo).
  • Solución: Verifique la orientación del diodo (ánodo a la fuente).
• Síntoma: El rizado es muy alto (el voltaje cae profundamente entre picos).
  • Causa: El valor del condensador es demasiado bajo para la frecuencia o la carga.
  • Solución: Aumente C1 a 470 µF o 1000 µF.

Posibles mejoras y extensiones

1. Rectificación de onda completa: Reemplace el diodo único con un puente rectificador (4 diodos) para utilizar el semiciclo negativo, duplicando la frecuencia de rizado y mejorando la eficiencia.
2. Regulador de voltaje: Añada un diodo Zener o un regulador lineal (como un LM7805) después del condensador para crear una salida de CC fija y estable independientemente del rizado.

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Carlos Núñez Zorrilla

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¿Quiénes somos?

Nivel: Básico – Observar el almacenamiento de energía en un condensador electrolítico mediante el desvanecimiento de un LED.

Objetivo y caso de uso

Construirás un circuito simple donde un condensador actúa como un depósito temporal de energía, manteniendo un LED iluminado brevemente después de desconectar la fuente de alimentación.

• Por qué es útil:

  • Demuestra cómo los condensadores almacenan y liberan energía eléctrica.
  • Simula el efecto de «suavizado» utilizado en adaptadores de corriente para mantener un voltaje constante.
  • Visualiza la constante de tiempo RC (la relación entre resistencia, capacitancia y tiempo).
  • Introduce el concepto de «tiempo de mantenimiento» (hold-up time) en fallos de alimentación.

• Resultado esperado:

  • Interruptor ENCENDIDO: El LED se enciende inmediatamente.
  • Interruptor APAGADO: El LED no se apaga instantáneamente; en cambio, se desvanece lentamente durante varios segundos.
  • Visual: Una transición suave de luz brillante a oscuridad.
  • Audiencia: Estudiantes y aficionados interesados en el comportamiento de componentes básicos.

Materiales

• V1: Batería de 9 V CC o fuente de alimentación, función: fuente de energía principal.
• S1: Interruptor de palanca SPST o pulsador, función: controla la conexión a la fuente de alimentación.
• C1: Condensador electrolítico de 2200 µF (16 V o superior), función: depósito de almacenamiento de energía.
• R1: Resistencia de 470 Ω, función: limitación de corriente del LED y control del tiempo de descarga.
• D1: LED rojo, función: indicador visual del flujo de corriente y carga almacenada.

Guía de conexionado

Utiliza las siguientes conexiones de nodos explícitas para construir el circuito. La referencia de tierra estándar es el nodo 0.

• Alimentación e Interruptor:

  • Conecta el terminal Positivo de V1 al nodo VCC.
  • Conecta el terminal Negativo de V1 al nodo 0 (GND).
  • Conecta un lado del interruptor S1 al nodo VCC.
  • Conecta el otro lado del interruptor S1 al nodo V_CAP.

• Condensador (El Tanque):

  • Conecta el Positivo (patilla larga) de C1 al nodo V_CAP.
  • Conecta el Negativo (patilla corta/franja) de C1 al nodo 0.

• LED y Resistencia (La Carga):

  • Conecta la resistencia R1 entre el nodo V_CAP y el nodo V_LED.
  • Conecta el Ánodo (patilla larga) de D1 al nodo V_LED.
  • Conecta el Cátodo (patilla corta/lado plano) de D1 al nodo 0.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Title: Practical case: Visual Charge and Discharge with LED

      [ INPUT / CONTROL ]               [ STORAGE / BUFFER ]               [ OUTPUT / LOAD ]

                                            (Node V_CAP)
    [ 9 V Battery ] --(+)--> [ Switch S1 ] -------+-------> [ Resistor R1 ] --> [ LED D1 ] --> GND
                                                 |
                                                 |
                                                 v
                                          [ Capacitor C1 ]
                                          (   2200 uF    )
                                                 |
                                                GND

Mediciones y pruebas

1. Estado inicial: Asegúrate de que S1 esté Abierto (Apagado). El LED debe estar oscuro.
2. Fase de carga: Cierra S1. Observa que el LED se enciende al instante. El condensador C1 se carga a aproximadamente 9 V casi inmediatamente.
3. Fase de descarga: Abre S1.
   • Observa que el LED permanece encendido pero comienza a atenuarse.
   • Usa un cronómetro para medir el tiempo desde que se abre el interruptor hasta que el LED esté completamente oscuro.
4. Repetir: Cambia C1 por un valor más pequeño (ej. 100 µF) y observa cómo el tiempo de desvanecimiento se vuelve mucho más corto (casi instantáneo).

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Visual Charge and Discharge with LED

* --- Power Supply (V1) ---
* 9V DC Battery connected to VCC and GND (0)
V1 VCC 0 DC 9

* --- Switch (S1) ---
* Modeled as a Voltage-Controlled Switch to simulate a physical push-button.
* Connections: VCC to V_CAP
* The switch is controlled by the voltage at node 'CTRL'.
S1 VCC V_CAP CTRL 0 SW_PUSH

* Switch Control Source (Simulates User Interaction)
* Simulates pressing the button at T=0.1s, holding for 1s, then releasing.
* PULSE(V1 V2 TD TR TF PW PER)
V_USER_S1 CTRL 0 PULSE(0 5 0.1 1m 1m 1 5)

* Switch Model Definition
* Ron=1 ohm represents wiring/contact resistance.
.model SW_PUSH SW(Vt=2.5 Ron=1 Roff=100Meg)
* ... (truncated in public view) ...

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🔓 Ver planes de acceso premium

* Practical case: Visual Charge and Discharge with LED

* --- Power Supply (V1) ---
* 9V DC Battery connected to VCC and GND (0)
V1 VCC 0 DC 9

* --- Switch (S1) ---
* Modeled as a Voltage-Controlled Switch to simulate a physical push-button.
* Connections: VCC to V_CAP
* The switch is controlled by the voltage at node 'CTRL'.
S1 VCC V_CAP CTRL 0 SW_PUSH

* Switch Control Source (Simulates User Interaction)
* Simulates pressing the button at T=0.1s, holding for 1s, then releasing.
* PULSE(V1 V2 TD TR TF PW PER)
V_USER_S1 CTRL 0 PULSE(0 5 0.1 1m 1m 1 5)

* Switch Model Definition
* Ron=1 ohm represents wiring/contact resistance.
.model SW_PUSH SW(Vt=2.5 Ron=1 Roff=100Meg)

* --- Capacitor (C1) ---
* 2200uF Energy Storage
* Connections: V_CAP to GND (0)
C1 V_CAP 0 2200u

* --- Resistor (R1) ---
* 470 Ohm Current Limiting Resistor
* Connections: V_CAP to V_LED
R1 V_CAP V_LED 470

* --- LED (D1) ---
* Red LED Indicator
* Connections: Anode (V_LED) to Cathode (0)
D1 V_LED 0 D_LED_RED

* LED Model Definition
* Generic Red LED parameters
.model D_LED_RED D(IS=1e-14 N=2 RS=10 BV=5 IBV=10u)

* --- Analysis Commands ---
* The discharge time constant (Tau) = R * C = 470 * 2200e-6 approx 1.03 seconds.
* Simulation runs for 3 seconds to visualize the charge and discharge cycle.
.tran 10m 3s

* --- Output Directives ---
* Prints the capacitor voltage, LED anode voltage, and switch control signal.
.print tran V(V_CAP) V(V_LED) V(CTRL)

.op
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (352 rows)

Index   time            v(v_cap)        v(v_led)        v(ctrl)
0	0.000000e+00	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
1	1.000000e-04	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
2	2.000000e-04	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
3	4.000000e-04	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
4	8.000000e-04	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
5	1.600000e-03	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
6	3.200000e-03	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
7	6.400000e-03	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
8	1.280000e-02	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
9	2.280000e-02	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
10	3.280000e-02	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
11	4.280000e-02	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
12	5.280000e-02	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
13	6.280000e-02	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
14	7.280000e-02	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
15	8.280000e-02	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
16	9.280000e-02	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
17	1.000000e-01	8.234122e-01	8.233738e-01	0.000000e+00
18	1.001000e-01	8.234122e-01	8.233738e-01	5.000000e-01
19	1.002600e-01	8.234122e-01	8.233738e-01	1.300000e+00
20	1.003075e-01	8.234122e-01	8.233738e-01	1.537500e+00
21	1.003906e-01	8.234122e-01	8.233738e-01	1.953125e+00
22	1.004136e-01	8.234122e-01	8.233738e-01	2.068164e+00
23	1.004539e-01	8.234122e-01	8.233738e-01	2.269482e+00
... (328 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Polaridad del condensador invertida: Los condensadores electrolíticos están polarizados. Conectar la patilla negativa al voltaje positivo puede causar que el componente se sobrecaliente o estalle. Solución: Revisa siempre la franja en el lado del condensador; marca el pin negativo.
2. Omitir la resistencia: Conectar el LED directamente a la fuente de 9 V (o condensador cargado) sin R1 quemará el LED instantáneamente. Solución: Asegúrate de que R1 esté en serie con D1.
3. Usar un condensador muy pequeño: Si C1 es demasiado pequeño (ej. 100 nF), la descarga ocurrirá tan rápido que el ojo humano no podrá ver el desvanecimiento. Solución: Usa valores ≥ 1000 µF para pruebas visuales.

Solución de problemas

• El LED nunca se enciende:
  • Comprueba si D1 está insertado al revés (Ánodo/Cátodo intercambiados).
  • Verifica que S1 esté cerrando realmente el circuito.
  • Comprueba el voltaje de la batería.
• El LED se apaga instantáneamente (sin desvanecimiento):
  • C1 podría estar desconectado o en circuito abierto.
  • El valor de C1 es demasiado bajo.
  • El valor de R1 es demasiado alto, haciendo que el LED sea demasiado tenue para ver el final del desvanecimiento.
• El condensador se calienta:
  • ¡Desconecta la energía inmediatamente! La polaridad de C1 probablemente esté invertida.

Posibles mejoras y extensiones

1. Temporización variable: Reemplaza R1 con un potenciómetro de 1 kΩ en serie con una resistencia fija de 100 Ω. Ajustar el potenciómetro cambiará el tiempo de descarga y el brillo del LED.
2. Lógica de interruptor dual: Usa un interruptor SPDT (un polo, doble tiro). Conecta el Nodo VCC a la Posición 1, el Nodo 0 a la Posición 2, y el pin Común a la red Condensador/Resistencia. Esto te permite «descargar» activamente la energía a tierra o dejar que se desvanezca naturalmente.

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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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