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
VACy el terminal negativo al nodo0(GND). - D1 (Rectificador): Conecte el Ánodo al nodo
VACy el Cátodo al nodoVOUT. - R1 (Carga): Conecte entre el nodo
VOUTy el nodo0(GND). - C1 (Filtro): Conecte el terminal positivo al nodo
VOUTy el terminal negativo al nodo0(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
Mediciones y pruebas
Realice los siguientes pasos utilizando un osciloscopio o un multímetro:
- Verificación de entrada:
- Conecte la sonda a
VAC. - Verifique una onda sinusoidal oscilando entre +10 V y -10 V.
- Conecte la sonda a
- Rectificación sin filtrar (C1 desconectado):
- Retire
C1temporalmente. - 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.
- Retire
- Rectificación filtrada (C1 conectado):
- Conecte
C1en paralelo conR1. - 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.
- Conecte
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) ...Copia este contenido en un archivo .cir y ejecútalo con 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
* --- 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)
.endResultados 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
- 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.
- 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.
- 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
- 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.
- 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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