Nivel: Básico. Construye un circuito para amplificar una señal de audio débil utilizando un transistor NPN en configuración de emisor común.

Objetivo y caso de uso

En este caso, construirás un amplificador clásico de Clase A de una sola etapa utilizando un transistor NPN con polarización por divisor de voltaje. Introducirás una pequeña señal de CA (que representa audio) y observarás una oscilación de voltaje mayor en la salida.

• Por qué es útil:

  • Preamplificación: Aumenta las señales débiles de los micrófonos antes de que lleguen a un amplificador de potencia.
  • Acondicionamiento de señal: Eleva los niveles de salida de los sensores para que sean legibles por microcontroladores.
  • Procesamiento analógico: Bloque de construcción fundamental para filtros, osciladores y mezcladores.
  • Adaptación de impedancia: Amortigua fuentes de alta impedancia para manejar cargas de menor impedancia (dependiendo de la configuración específica).

• Resultado esperado:

  • Punto de operación de CC: VCE se estabiliza alrededor de la mitad del voltaje de alimentación (VCC / 2) para una máxima oscilación.
  • Amplificación: El voltaje de salida de CA (Vout) es significativamente mayor que la entrada (Vin), indicando Ganancia de Voltaje (Av > 1).
  • Inversión de fase: La forma de onda de la señal de salida está invertida (180^\circ) en relación con la entrada.
  • Flujo de corriente: IC es controlada por IB de acuerdo con la beta (\beta) del transistor.

• Público objetivo y nivel: Estudiantes con conocimientos básicos de la Ley de Ohm e identificación de componentes.

Materiales

• V1: Batería de 9 V CC o fuente de alimentación de banco, función: alimentación principal del circuito.
• V2: Generador de señales (Onda senoidal, 1 kHz, 20 mV pico a pico), función: simula una entrada de audio débil.
• Q1: BJT NPN 2N3904 (o 2N2222), función: elemento amplificador activo.
• R1: Resistencia de 22 kΩ, función: divisor de polarización de base superior.
• R2: Resistencia de 6.8 kΩ, función: divisor de polarización de base inferior.
• R3: Resistencia de 4.7 kΩ, función: carga del colector (establece la ganancia y la impedancia de salida).
• R4: Resistencia de 1 kΩ, función: degeneración del emisor (establece la estabilidad de CC).
• C1: Condensador electrolítico de 10 µF, función: bloqueo de CC de entrada.
• C2: Condensador electrolítico de 10 µF, función: bloqueo de CC de salida.
• C3: Condensador electrolítico de 100 µF, función: bypass del emisor (aumenta la ganancia de CA).

Guía de conexionado

Usa los siguientes nodos para conectar tu circuito: VCC (9 V), 0 (GND), BASE, COLL, EMIT, VIN, VOUT.

• V1: Terminal positivo conecta a VCC, terminal negativo conecta a 0.
• V2: Salida de señal conecta a VIN, Tierra conecta a 0.
• R1: Conecta entre VCC y BASE.
• R2: Conecta entre BASE y 0.
• R3: Conecta entre VCC y COLL.
• R4: Conecta entre EMIT y 0.
• Q1: Pin del colector a COLL, pin de la base a BASE, pin del emisor a EMIT.
• C1: Pata positiva a BASE, pata negativa a VIN.
• C2: Pata positiva a COLL, pata negativa a VOUT (Carga/Sonda del osciloscopio conecta aquí).
• C3: Pata positiva a EMIT, pata negativa a 0 (Colocar en paralelo con R4).

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Title: Practical case: Simple audio amplifier

      (BIAS & INPUT NETWORK)                               (POWER & OUTPUT NETWORK)
      ======================                               ========================

                                                           VCC (9 V)
      VCC (9 V)                                                |
         |                                                    |
         v                                                    v
    [ R1: 22k ]                                          [ R3: 4.7k ]
         |                                                    |
         v                                                    v
      (BASE) --------(Control Signal)----------------> [ Q1: Collector ] <--(COLL)--+
         ^                                                    |                     |
         |                                                    | (Amplified Current) |
    [ C1: 10uF ] <--(VIN)-- [ V2: Source ]                    v                     |
         |                                             [ Q1: Emitter ]              +--> [ C2: 10uF ] --> VOUT
         v                                                    |
    [ R2: 6.8k ]                                              v
         |                                                  (EMIT)
         v                                                    |
        GND                                       +-----------+-----------+
                                                  |                       |
                                                  v                       v
                                             [ R4: 1k ]             [ C3: 100uF ]
                                                  |                       |
                                                  v                       v
                                                 GND                     GND

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

Realiza estas pruebas utilizando un multímetro (DMM) y un osciloscopio (si está disponible).

1. Comprobación de polarización de CC (Punto de reposo):

   • Asegúrate de que V2 (fuente de CA) esté APAGADA o desconectada.
   • Mide el voltaje de COLL a 0. Debería ser aproximadamente de 4 V a 5 V (aproximadamente la mitad de VCC).
   • Mide el voltaje de EMIT a 0. Debería ser aproximadamente 1 V (VE).
   • Mide el voltaje de BASE a EMIT (VBE). Debe ser ~0.65 V a 0.7 V para que el transistor esté activo.

2. Cálculo de corriente:

   • Calcula la corriente de colector (IC): IC ≈ VEMIT / R4. Espera aprox. 1 mA.
   • Calcula la corriente de base (IB): IC / \beta (asumiendo \beta ≈ 100, IB ≈ 10 µ A).

3. Verificación de ganancia de CA:

   • Conecta V2 (VIN) con una onda senoidal de 20 mV pico a pico a 1 kHz.
   • Mide el voltaje pico a pico en VOUT.
   • Calcula la ganancia de voltaje (Av): Av = Voutpp / Vinpp.
   • Observación: Sin C3, la ganancia es baja (≈ R3 / R4). Con C3 conectado, la ganancia debería aumentar significativamente.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: Simple audio amplifier

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

* --- Input Signal ---
* V2: Signal Generator (Sine wave, 1 kHz, 20 mV peak-to-peak -> 10mV Amplitude)
V2 VIN 0 SIN(0 10m 1k)

* --- Components ---
* Q1: 2N3904 NPN BJT
Q1 COLL BASE EMIT 2N3904

* R1: Upper base bias divider
R1 VCC BASE 22k

* R2: Lower base bias divider
R2 BASE 0 6.8k

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

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* Practical case: Simple audio amplifier

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

* --- Input Signal ---
* V2: Signal Generator (Sine wave, 1 kHz, 20 mV peak-to-peak -> 10mV Amplitude)
V2 VIN 0 SIN(0 10m 1k)

* --- Components ---
* Q1: 2N3904 NPN BJT
Q1 COLL BASE EMIT 2N3904

* R1: Upper base bias divider
R1 VCC BASE 22k

* R2: Lower base bias divider
R2 BASE 0 6.8k

* R3: Collector load
R3 VCC COLL 4.7k

* R4: Emitter degeneration
R4 EMIT 0 1k

* C1: Input DC blocking (Positive leg to BASE, Negative leg to VIN)
C1 BASE VIN 10u

* C2: Output DC blocking (Positive leg to COLL, Negative leg to VOUT)
C2 COLL VOUT 10u

* C3: Emitter bypass (Positive leg to EMIT, Negative leg to 0)
C3 EMIT 0 100u

* --- Load Simulation ---
* High impedance load to simulate scope probe and prevent floating node error at VOUT
R_SCOPE VOUT 0 1Meg

* --- Models ---
.model 2N3904 NPN(IS=1E-14 VAF=100 BF=300 IKF=0.4 XTB=1.5 BR=4 CJC=4E-12 CJE=8E-12 RB=20 RC=0.1 RE=0.1 TR=250n TF=350p ITF=1 VTF=2 XTF=3)

* --- Analysis Directives ---
.op
.tran 10u 5ms

* --- Output ---
* Prints Input and Output voltages, plus internal transistor nodes
.print tran V(VIN) V(VOUT) V(BASE) V(COLL) V(EMIT)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (511 rows)

Index   time            v(vin)          v(vout)         v(base)         v(coll)         v(emit)
0	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	2.100182e+00	2.275541e+00	1.435514e+00
1	1.000000e-07	6.283185e-06	-1.11372e-03	2.100188e+00	2.274427e+00	1.435514e+00
2	2.000000e-07	1.256637e-05	-2.51792e-03	2.100195e+00	2.273023e+00	1.435514e+00
3	4.000000e-07	2.513271e-05	-5.47602e-03	2.100207e+00	2.270065e+00	1.435514e+00
4	8.000000e-07	5.026527e-05	-1.15278e-02	2.100232e+00	2.264013e+00	1.435514e+00
5	1.600000e-06	1.005293e-04	-2.35622e-02	2.100283e+00	2.251979e+00	1.435514e+00
6	3.200000e-06	2.010484e-04	-4.77358e-02	2.100383e+00	2.227805e+00	1.435514e+00
7	6.400000e-06	4.020155e-04	-9.61836e-02	2.100584e+00	2.179357e+00	1.435514e+00
8	1.280000e-05	8.033810e-04	-1.93689e-01	2.100985e+00	2.081852e+00	1.435516e+00
9	2.280000e-05	1.427671e-03	-3.47124e-01	2.101609e+00	1.928416e+00	1.435522e+00
10	3.280000e-05	2.046327e-03	-5.01331e-01	2.102227e+00	1.774210e+00	1.435531e+00
11	4.280000e-05	2.656907e-03	-6.48595e-01	2.102836e+00	1.626945e+00	1.435544e+00
12	5.280000e-05	3.257002e-03	-7.15494e-01	2.103433e+00	1.560045e+00	1.435558e+00
13	6.280000e-05	3.844242e-03	-7.38189e-01	2.104013e+00	1.537349e+00	1.435575e+00
14	7.280000e-05	4.416311e-03	-7.50146e-01	2.104572e+00	1.525391e+00	1.435592e+00
15	8.280000e-05	4.970951e-03	-7.58389e-01	2.105109e+00	1.517147e+00	1.435610e+00
16	9.280000e-05	5.505973e-03	-7.63991e-01	2.105621e+00	1.511545e+00	1.435628e+00
17	1.028000e-04	6.019265e-03	-7.68326e-01	2.106106e+00	1.507209e+00	1.435647e+00
18	1.128000e-04	6.508802e-03	-7.71816e-01	2.106563e+00	1.503719e+00	1.435667e+00
19	1.228000e-04	6.972652e-03	-7.74681e-01	2.106990e+00	1.500853e+00	1.435687e+00
20	1.328000e-04	7.408984e-03	-7.77018e-01	2.107384e+00	1.498515e+00	1.435707e+00
21	1.428000e-04	7.816076e-03	-7.78966e-01	2.107746e+00	1.496566e+00	1.435728e+00
22	1.528000e-04	8.192321e-03	-7.80567e-01	2.108073e+00	1.494964e+00	1.435750e+00
23	1.628000e-04	8.536235e-03	-7.81896e-01	2.108365e+00	1.493635e+00	1.435772e+00
... (487 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Inversión del pin-out del transistor: Intercambiar el Colector y el Emisor impide la amplificación y actúa como un diodo polarizado inversamente.
   • Solución: Verifica dos veces la hoja de datos del 2N3904 (E-B-C lado plano hacia ti) antes de insertar.
2. Polaridad del condensador: Los condensadores electrolíticos (C1, C2, C3) explotan o fallan si se polarizan al revés.
   • Solución: Asegúrate de que el terminal positivo (pata más larga) esté orientado hacia el potencial de CC más positivo (hacia la base/colector del transistor).
3. Saturación o corte: El uso de valores de resistencia incorrectos desplaza el punto Q, causando que la señal se recorte (aplane) inmediatamente.
   • Solución: Verifica los voltajes de CC en el Colector antes de aplicar una señal de CA. Si VC está cerca de 9 V o 0 V, revisa R1 y R2.

Solución de problemas

• Síntoma: No hay señal de salida.
  • Causa: Conexión suelta, transistor quemado o V1 está apagado.
  • Solución: Verifica la continuidad en los rieles de la protoboard; verifica que V1 sea de 9 V.
• Síntoma: La salida está recortada (Cimas o fondos planos).
  • Causa: El amplificador es llevado a saturación (fondo plano) o corte (cima plana), o la señal de entrada es demasiado grande.
  • Solución: Reduce la amplitud de entrada (V2); revisa las resistencias de polarización (R1, R2) para centrar el punto Q.
• Síntoma: Ganancia baja (Salida ≈ Entrada).
  • Causa: El condensador de bypass C3 falta, está suelto o es demasiado pequeño.
  • Solución: Asegúrate de que C3 esté conectado sólidamente en paralelo con R4. Esto cortocircuita la resistencia del emisor para señales de CA, maximizando la ganancia.

Posibles mejoras y extensiones

1. Control de volumen: Reemplaza R2 (o añade un potenciómetro antes de C1) con un potenciómetro de 10 kΩ para atenuar la señal de entrada.
2. Aumento de potencia: Añade una segunda etapa de transistor (Seguidor de emisor / Clase B push-pull) después de VOUT para manejar un pequeño altavoz de 8 Ω en lugar de solo observar el voltaje en un osciloscopio.

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: Básico. Objetivo: Comprender el corte y la saturación del BJT para controlar una carga (LED) con una pequeña señal de control.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un circuito utilizando un Transistor de Unión Bipolar (BJT) NPN para encender y apagar una carga de alta corriente (un LED) mediante una señal de control de baja corriente activada por un pulsador.

Por qué es útil:
* Interfaz con microcontroladores: Permite que pines de baja potencia (como los de un Arduino o ESP32) manejen cargas de mayor corriente.
* Actuación de sensores: Permite que señales débiles de sensores (como LDRs o termistores) activen luces o alarmas.
* Protección de componentes: Separa el circuito de control sensible del circuito de potencia.
* Conmutación lógica: Forma el bloque de construcción fundamental de las puertas lógicas digitales.

Resultado esperado:
* Estado de reposo (Botón soltado): El transistor está en Corte. IC ≈ 0 mA, el LED está APAGADO, y VCE ≈ Vsupply.
* Estado activo (Botón presionado): El transistor entra en Saturación. El LED está ENCENDIDO.
* Voltaje de saturación: VCE cae aproximadamente a $0.1$ V – $0.2$ V.
* Umbral de Base: VBE se estabiliza alrededor de $0.7$ V cuando el transistor está conduciendo.

Público objetivo: Estudiantes de electrónica de nivel básico.

Materiales

• V1: Batería de 9 V CC o fuente de alimentación, función: Alimentación principal del circuito.
• S1: Pulsador táctil (Normalmente Abierto), función: Disparador de entrada del usuario.
• R1: Resistencia de 10 kΩ, función: Limitación de corriente de Base (para asegurar la saturación sin dañar la Base).
• R2: Resistencia de 100 kΩ, función: Resistencia pull-down (mantiene la Base a 0 V cuando S1 está abierto).
• R3: Resistencia de 330 Ω, función: Protección limitadora de corriente del LED.
• Q1: Transistor NPN 2N2222 (o BC547), función: Interruptor electrónico.
• D1: LED rojo, función: Indicador visual de carga.

Guía de conexionado

Esta guía utiliza nombres de nodos específicos para ayudarte a visualizar las conexiones.
* Nodos de alimentación: Conecta el positivo de V1 al nodo VCC y el negativo al nodo 0 (GND).
* Etapa de entrada:
* Conecta un lado de S1 a VCC.
* Conecta el otro lado de S1 al nodo INPUT_SIG.
* Conecta R1 (10 kΩ) entre INPUT_SIG y el nodo BASE.
* Conecta R2 (100 kΩ) entre el nodo BASE y el nodo 0 (GND).
* Conexiones del transistor:
* Conecta la Base de Q1 al nodo BASE.
* Conecta el Emisor de Q1 directamente al nodo 0 (GND).
* Conecta el Colector de Q1 al nodo COLL.
* Carga de salida:
* Conecta R3 (330 Ω) entre VCC y el nodo LED_ANODE.
* Conecta el Ánodo (patilla larga) de D1 al nodo LED_ANODE.
* Conecta el Cátodo (patilla corta, lado plano) de D1 al nodo COLL.

Diagrama de bloques conceptual

Esquemático

Title: Practical case: The transistor as a light switch

1. CONTROL PATH (Input Stage)
   Flow: VCC triggers the Base when S1 is pressed. R2 ensures Base is 0 V when S1 is open.

   [ VCC ] --> [ S1: Button ] --(INPUT_SIG)--> [ R1: 10k ] --(BASE)--+--> [ Q1: Base ]
                                                                     |
                                                                     +--> [ R2: 100k ] --> [ GND ]

2. LOAD PATH (Output Stage)
   Flow: Current flows from VCC through the LED into the Transistor Collector.

   [ VCC ] --> [ R3: 330R ] --(LED_ANODE)--> [ D1: Red LED ] --(COLL)--> [ Q1: Collector ]

3. COMMON RETURN (Grounding)
   Flow: The transistor completes the circuit to Ground.

   [ Q1: Emitter ] --> [ GND ]

Diagrama eléctrico

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Mediciones y pruebas

Realiza estos pasos con un multímetro para verificar las regiones de operación del transistor.

1. Prueba de región de corte (Interruptor abierto):

   • Asegúrate de que S1 no esté presionado.
   • Mide el voltaje entre Base y Emisor (VBE). El resultado debe ser 0 V.
   • Mide el voltaje entre Colector y Emisor (VCE). El resultado debe ser cercano a 9 V (voltaje de la fuente), indicando que el interruptor está abierto.
   • Observa D1: Debe estar APAGADO.

2. Prueba de región de saturación (Interruptor cerrado):

   • Presiona y mantén S1.
   • Mide el voltaje entre Base y Emisor (VBE). El resultado debe ser aproximadamente de 0.65 V a 0.75 V.
   • Mide el voltaje entre Colector y Emisor (VCE). El resultado debe caer a < 0.2 V. Esta caída de voltaje demuestra que el transistor está actuando como un interruptor cerrado (Saturación).
   • Observa D1: Debe ENCENDERSE con brillo.

Netlist SPICE y simulación

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

* Practical case: The transistor as a light switch
* Improved Netlist with robust switch modelling

.width out=256

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC battery (Main circuit power)
V1 VCC 0 DC 9

* --- User Input Trigger (S1) ---
* S1: Tactile Push-button (Normally Open) connecting VCC to INPUT_SIG.
* Modeled using a Voltage-Controlled Switch (S1) driven by a control pulse (V_ACT).
* V_ACT simulates the user pressing the button (Logic 0 -> 1 -> 0).
V_ACT ACTUATE 0 PULSE(0 5 1ms 100u 100u 5ms 20ms)
S1 VCC INPUT_SIG ACTUATE 0 SW_TACTILE

* --- Input Stage ---
* R1: 10 kOhm, Base current limiting
R1 INPUT_SIG BASE 10k

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

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* Practical case: The transistor as a light switch
* Improved Netlist with robust switch modelling

.width out=256

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC battery (Main circuit power)
V1 VCC 0 DC 9

* --- User Input Trigger (S1) ---
* S1: Tactile Push-button (Normally Open) connecting VCC to INPUT_SIG.
* Modeled using a Voltage-Controlled Switch (S1) driven by a control pulse (V_ACT).
* V_ACT simulates the user pressing the button (Logic 0 -> 1 -> 0).
V_ACT ACTUATE 0 PULSE(0 5 1ms 100u 100u 5ms 20ms)
S1 VCC INPUT_SIG ACTUATE 0 SW_TACTILE

* --- Input Stage ---
* R1: 10 kOhm, Base current limiting
R1 INPUT_SIG BASE 10k

* R2: 100 kOhm, Pull-down resistor (keeps Base low when S1 is open)
R2 BASE 0 100k

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

* --- Output Load ---
* R3: 330 Ohm, LED current limiting resistor
R3 VCC LED_ANODE 330

* D1: Red LED
* Connections: Anode=LED_ANODE, Cathode=COLL
D1 LED_ANODE COLL RED_LED

* --- Component Models ---
* Switch Model: Added hysteresis (Vh) and relaxed Ron for better convergence
.model SW_TACTILE SW(Vt=2.5 Vh=0.1 Ron=1 Roff=100Meg)

* Transistor Model: Standard 2N2222 parameters
.model 2N2222 NPN(IS=1E-14 VAF=100 BF=200 IKF=0.3 XTB=1.5 BR=3 CJC=8p CJE=25p TR=46.9n TF=411p ITF=0.6 VTF=1.7 XTF=3 RB=10 RC=1 RE=0.1)

* LED Model: Generic Red LED parameters
.model RED_LED D(IS=93.2p RS=42m N=3.73 BV=5 IBV=10u CJO=2.97p VJ=0.75 M=0.33 TT=4.32u)

* --- Analysis Commands ---
.op
* Simulate for 10ms to capture the button press event
.tran 100u 10ms

* --- Output Directives ---
* Printing INPUT (Switch output) and OUTPUT (Collector voltage) first
.print tran V(INPUT_SIG) V(COLL) V(BASE) V(LED_ANODE) V(ACTUATE)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Show raw data table (170 rows)

Index   time            v(input_sig)    v(coll)         v(base)         v(led_anode)    v(actuate)
0	0.000000e+00	9.890018e-03	8.982941e+00	8.991007e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
1	1.000000e-06	9.890019e-03	8.982941e+00	8.991008e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
2	2.000000e-06	9.890019e-03	8.982941e+00	8.991008e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
3	4.000000e-06	9.890021e-03	8.982941e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
4	8.000000e-06	9.890021e-03	8.982941e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
5	1.600000e-05	9.890021e-03	8.982941e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
6	3.200000e-05	9.890021e-03	8.982941e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
7	6.400000e-05	9.890021e-03	8.982942e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
8	1.280000e-04	9.890021e-03	8.982942e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
9	2.280000e-04	9.890021e-03	8.982943e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
10	3.280000e-04	9.890021e-03	8.982944e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
11	4.280000e-04	9.890021e-03	8.982945e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
12	5.280000e-04	9.890021e-03	8.982946e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
13	6.280000e-04	9.890021e-03	8.982947e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
14	7.280000e-04	9.890021e-03	8.982948e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
15	8.280000e-04	9.890021e-03	8.982949e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
16	9.280000e-04	9.890021e-03	8.982950e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
17	1.000000e-03	9.890021e-03	8.982950e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
18	1.010000e-03	9.890021e-03	8.982951e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	5.000000e-01
19	1.027500e-03	9.890021e-03	8.982951e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	1.375000e+00
20	1.032344e-03	9.890021e-03	8.982951e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	1.617187e+00
21	1.040820e-03	9.890021e-03	8.982951e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	2.041016e+00
22	1.043167e-03	9.890021e-03	8.982951e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	2.158325e+00
23	1.047272e-03	9.890021e-03	8.982951e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	2.363617e+00
... (146 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

1. Intercambiar Colector y Emisor:
   • Error: El LED se enciende pero se ve tenue o no conmuta completamente. El transistor puede sobrecalentarse.
   • Solución: Verifica el pin-out del 2N2222 (E-B-C o C-B-E dependiendo del encapsulado/hoja de datos específica).
2. Omitir la resistencia de Base (R1):
   • Error: Conectar el interruptor directamente a la Base provoca un flujo masivo de corriente de Base a Emisor, destruyendo el transistor instantáneamente.
   • Solución: Incluye siempre una resistencia limitadora (R1) en serie con la Base.
3. Base flotante (Falta R2):
   • Error: El LED puede parpadear o brillar débilmente cuando el interruptor está abierto porque la Base capta ruido electromagnético.
   • Solución: Asegúrate de que R2 (Pull-down) esté conectada a tierra para descargar la capacitancia de la Base cuando el interruptor esté abierto.

Solución de problemas

• Síntoma: El LED está siempre ENCENDIDO, incluso cuando no se presiona el botón.
  • Causa: Cortocircuito interno C-E en el transistor o R2 falta/desconectada.
  • Solución: Reemplaza Q1 y verifica la conexión de R2 a Tierra.
• Síntoma: El LED no se ENCIENDE cuando se presiona el botón.
  • Causa: LED conectado al revés, valor de R1 demasiado alto (impidiendo la saturación) o R3 demasiado alta.
  • Solución: Comprueba la polaridad del LED. Verifica que R1 sea de 10 kΩ y R3 de 330 Ω.
• Síntoma: El LED es muy tenue cuando está ENCENDIDO.
  • Causa: El transistor está en la región «Activa», no en «Saturación».
  • Solución: Disminuye ligeramente R1 (p. ej., a 4.7 kΩ) para aumentar la corriente de Base (IB) y forzar la saturación completa.

Posibles mejoras y extensiones

1. Control de alta potencia: Reemplaza el LED y R3 con un relé de 9 V (recuerda añadir un diodo flyback en paralelo con la bobina del relé) para controlar una lámpara doméstica.
2. Luz nocturna automática: Reemplaza el pulsador táctil (S1) con una LDR (Fotorresistencia) y ajusta la posición de las resistencias para crear un sensor que encienda el LED en la oscuridad.

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: 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 ]

Diagrama eléctrico

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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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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. 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)

Diagrama eléctrico

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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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Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

Sígueme:

¿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)

Diagrama eléctrico

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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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* 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

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 – 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

Diagrama eléctrico

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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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* 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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