Circuitos con diodos: rectificadores, Zener y LED

El cargador de una laptop, el adaptador del router y el bloque que alimenta el televisor del cuarto tienen algo en común: reciben la corriente alterna de la pared y entregan corriente continua. El primer paso de ese cambio lo dan unos pocos circuitos con diodos. Para las cuentas usamos un transformador de 120 V a 12 V (valor eficaz) como el que se arma en el taller, y rehacemos las cuentas con 0,7 V de caída por cada diodo de silicio.

Rectificador de media onda#

Un solo diodo en serie con la carga. Conduce en el semiciclo positivo y se bloquea en el negativo. La carga recibe pulsos de 60 Hz con pausas del mismo tamaño.

Ejemplo. Secundario de 12 V eficaces, un diodo 1N4007, carga de 100 Ω. Calcula el pico, el promedio, la corriente y la tensión inversa que soporta el diodo.

Solución.

• Pico del secundario: V_p = 12 · √2 = 16,97 ≈ 17 V.
• Pico en la carga: 17 − 0,7 = 16,3 V.
• Valor promedio (el que marca el multímetro en continua): V_dc = V_p,sal / π = 16,3 / 3,1416 ≈ 5,2 V.
• Corriente promedio: 5,2 V / 100 Ω = 52 mA.
• Tensión inversa pico (PIV) en el diodo: unos 17 V. El 1N4007 aguanta 1 000 V, así que sobra.

Se aprovecha apenas la mitad del tiempo y la frecuencia de rizado es la de la red, 60 Hz. Por eso casi no se usa en fuentes de potencia.

Rectificador de onda completa#

Hay dos formas de aprovechar los dos semiciclos.

Con transformador de toma central#

El transformador tiene un secundario de 12 V + 12 V con un punto medio que sirve de común. Cada mitad alimenta un diodo y los dos cátodos se unen a la carga. Cada diodo conduce en un semiciclo distinto. Con 12 V eficaces por mitad: pico de salida 16,3 V, V_dc = 2 · 16,3 / π ≈ 10,4 V. Cada diodo debe soportar un PIV de casi 2 · 17 = 34 V, porque cuando uno conduce, el otro ve las dos mitades en serie.

Con puente de cuatro diodos#

Funciona con un secundario sencillo de 12 V. En cada semiciclo conducen dos diodos en serie con la carga, así que se pierden 1,4 V: pico de salida 17 − 1,4 = 15,6 V y V_dc = 2 · 15,6 / π ≈ 9,9 V. El PIV por diodo baja a unos 17 V. Se consigue como cuatro 1N4007 o como puente integrado de cuatro patas (dos marcadas «~» para la entrada de alterna y dos con «+» y «−»).

	Media onda	Toma central (2 diodos)	Puente (4 diodos)
Frecuencia de rizado	60 Hz	120 Hz	120 Hz
Vdc con 12 V eficaces	5,2 V	10,4 V	9,9 V
PIV por diodo	≈ 17 V	≈ 34 V	≈ 17 V
Transformador	Sencillo	Con toma central	Sencillo

El capacitor de filtro#

Ejemplo. Al puente anterior se le pone un electrolítico de 1 000 µF y se conecta una carga de 100 mA. V_r = 0,1 / (120 · 0,001) = 0,83 V. La tensión media queda cerca de 15,6 − 0,42 ≈ 15,2 V. Con media onda y el mismo capacitor el rizado sería el doble.

El capacitor se escoge con una tensión nominal mayor que el pico: 25 V para este caso. Los electrolíticos son polarizados: la franja del cuerpo marca la pata negativa. Conectado al revés, se calienta, se hincha y puede reventar. Y después de apagar la fuente conserva carga: antes de tocar el circuito, descárgalo con una resistencia de 1 kΩ y 2 W entre sus patas y confirma con el voltímetro que bajó de 1 V.

Detección de fallas en un rectificador#

Síntoma	Causa probable	Comprobación
Fusible quemado al encender	Diodo del puente en corto: el secundario queda en corto en un semiciclo	Prueba de diodos, cada uno fuera del circuito
Salida casi a la mitad y zumbido de 60 Hz	Un diodo del puente abierto: trabaja como media onda	Osciloscopio: el rizado es de 60 Hz; prueba de diodos
Sin salida y fusible sano	Transformador abierto o diodos abiertos	Tensión alterna en el secundario; continuidad
Zumbido fuerte y tensión que se hunde con carga	Capacitor de filtro seco o con poca capacidad	Medir el rizado; cambiarlo por otro de igual valor
Transformador muy caliente	Diodo en corto o sobrecarga	Desconectar la carga y medir

Aplicación con Zener: regulación simple#

El Zener se pone en paralelo con la carga y una resistencia en serie con la entrada. La resistencia fija la corriente total; el Zener absorbe lo que la carga no usa y mantiene la tensión.

Ejemplo. Entrada de 12 V, Zener 1N4733A (5,1 V), carga de 510 Ω (10 mA). Queremos que el Zener conserve unos 10 mA aun con la carga conectada. Calcula la resistencia serie.

Solución. Corriente de carga: 5,1 / 510 = 10 mA. Corriente total: 10 mA de carga + 10 mA de Zener = 20 mA. R = (12 − 5,1) / 0,020 = 345 Ω. Se toma el valor normalizado de 330 Ω, que es el de abajo: deja pasar un poco más de corriente y así el Zener nunca se queda sin ella.

• Con 330 Ω: corriente total = 6,9 / 330 ≈ 20,9 mA y corriente en el Zener = 10,9 mA con la carga puesta.
• Potencia de la resistencia: 6,9² / 330 ≈ 0,14 W. Se usa una de ½ W.
• Potencia del Zener: sin carga conduce los 20,9 mA y disipa 5,1 · 0,0209 ≈ 107 mW. Está muy por debajo de 1 W.

El truco es que el Zener también aguanta que se desconecte la carga: toda la corriente pasa a él y la tensión sigue en 5,1 V. Esta regulación sirve para cargas de pocos miliamperios; para más corriente se agrega un transistor, que es lo que se hace en la fuente regulada.

Montaje básico del LED#

Ejemplo. LED rojo (2,0 V) para un indicador de 5 V del puerto USB, con 10 mA. R = (5 − 2) / 0,010 = 300 Ω. El valor comercial más cercano es 330 Ω, con el que circulan 3 / 330 ≈ 9,1 mA. En la fuente rectificada de 15,2 V un LED verde (2,1 V) con 10 mA pide (15,2 − 2,1) / 0,010 = 1 310 Ω; sirve una de 1,3 kΩ.

El ánodo (pata larga) va hacia el positivo y el cátodo hacia la resistencia y el negativo. La resistencia puede ir de cualquiera de los dos lados. Un LED conectado directo a la alterna se arruina en el semiciclo inverso, porque soporta unos 5 V en inversa; si hace falta, se le pone un diodo común en antiparalelo.

Medidas de seguridad en el banco#

• Probar primero con el transformador ya reducido. El tramo de 120 V se cablea y se aísla antes de enchufar, y la clavija lleva tierra.
• Fusible en el primario antes de energizar, siempre.
• Desconectar y descargar los capacitores antes de cambiar un componente.
• Verificar la polaridad de diodos y electrolíticos antes de encender.

Ponte a prueba#

Un secundario de 12 V eficaces alimenta un rectificador de puente. ¿Cuál es la tensión pico en la carga y su valor promedio? Considera 0,7 V por diodo.#

¿Por qué el rizado de un rectificador de onda completa es menor que el de media onda con el mismo capacitor?#

Una fuente con puente de diodos hace un zumbido de 60 Hz y entrega la mitad de lo normal. ¿Qué diodo suena sospechoso?#

Calcula la resistencia para un LED amarillo (2,1 V) con 15 mA desde una fuente de 9 V, y la potencia que disipa la resistencia.#

En el regulador con Zener 1N4733A y resistencia de 330 Ω, ¿qué pasa si se desconecta la carga?#

Fuentes#

• Ministerio de Educación Pública — Programa de estudio de Electrónica, Educación Diversificada (MEP, Costa Rica) (PDF)