Aprenda electrónica con el simulador de circuitos LTspice XVII

Si este libro le ha llamado la atención, es probable que de pequeño desarmara sus juguetes electrónicos para verlos por dentro e investigar su funcionamiento. Una vez abiertos, le parecería milagroso que el amasijo de cables y piezas colocado sobre un circuito impreso pudiera hacer aquello para lo que fue diseñado. Pero ni es un milagro ni es tan complicado como parece. Basta con unos conocimientos básicos de electrónica.

Este libro comienza con la explicación de los principios de funcionamiento de los componentes más elementales: las resistencias, los condensadores y las bobinas. Después, avanza por el mundo de los semiconductores, empezando por los diodos, y continúa con los transistores hasta llegar a algunos de los circuitos integrados más populares.

Sin embargo, a la hora de construir un circuito, no es suficiente con disponer de los conocimientos teóricos. También se necesitan tener buenos instrumentos de laboratorio, como una fuente de alimentación, un generador de ondas, un osciloscopio, etc. De no contar con ellos, tras realizar un diseño, comprar los componentes y montarlos en una placa de pruebas, si el circuito no funcionara, no sabría el motivo. Esto le provocaría una sensación de impotencia que seguramente desembocaría en el abandono de lo que podría haber sido una bonita afición.

No todo el mundo tiene un laboratorio bien equipado, ya sea porque considera que los aparatos son caros, porque no tiene espacio donde ponerlos o porque todavía no tiene claro si les va a sacar provecho. No obstante, hay una forma de solventar esta cuestión: el uso de un simulador de circuitos. Y ahí es donde este libro le proporciona ayuda de nuevo, pues le enseña a utilizar uno de los más conocidos, el LTSpice® XVII.

LTSpice® es de uso libre y se ejecuta tanto en Windows como en MacOs. Con él, será capaz de desarrollar circuitos con todo tipo de componentes. Los resultados de su comportamiento se podrán ver en visores que muestran las formas de onda de la tensión en cualquier punto del circuito, la intensidad que recorre cada componente o la potencia que disipa. Adicionalmente, le facilitará la realización de análisis que determinen su desempeño según la frecuencia de la señal con la que se trabaje, en función de la temperatura, etc.

Aunque todos los capítulos utilizan circuitos de ejemplo con los que se demuestra el funcionamiento de los componentes electrónicos descritos, hay un capítulo final dedicado al desarrollo de aplicaciones prácticas que le permitirá aprovechar los conocimientos adquiridos. Con este libro será capaz de crear juegos de luces o sonidos, saber cuándo debe regar las plantas, desarrollar una alarma de incendios o hasta un detector de mentiras.

Tomás Domínguez es ingeniero de telecomunicación y doctorado en inteligencia artificial. Su labor profesional se ha desarrollado en una multinacional de telecomunicaciones, donde ha ocupado diversos cargos relacionados con la tecnología. Asimismo, ha ejercido como profesor universitario de Ingeniería Informática en la Universidad Alfonso X el Sabio de Madrid. En los últimos años, ha publicado diversos libros relacionados con la electrónica.

TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN 1

2. MAGNITUDES ELÉCTRICAS BÁSICAS 3

2.1 Intensidad ………………………………………………………………………………….3

2.2 Voltaje ………………………………………………………………………………………..6

2.3 Resistencia …………………………………………………………………………………7

2.4 Potencia ……………………………………………………………………………………..8

3. CORRIENTE CONTINUA Y CORRIENTE ALTERNA 11

4. COMPONENTES ELEMENTALES DE UN CIRCUITO 17

4.1 Resistencias ………………………………………………………………………………17

4.1.1 Asociación de resistencias ………………………………………………….23

4.2 Condensadores …………………………………………………………………………25

4.2.1 Asociación de condensadores ……………………………………………..32

4.3 Bobinas …………………………………………………………………………………….34

4.3.1 Asociación de bobinas ………………………………………………………..38

5. LEYES FUNDAMENTALES DE LA ELECTRÓNICA 41

5.1 Ley de Ohm ………………………………………………………………………………41

5.2 Leyes de Kirchhoff …………………………………………………………………….43

6. LTSPICE XVII 49

6.1 Principios de funcionamiento de LTspice XVII …………………………..51

6.2 Instalación ………………………………………………………………………………..57

6.3 Estructura de la interfaz ……………………………………………………………60

6.4 Barra de menús …………………………………………………………………………62

6.5 Barra de herramientas ………………………………………………………………70

6.5.1 Carga y almacenamiento de archivos …………………………………71

6.5.2 Organización de ventanas …………………………………………………..73

6.5.3 Otras herramientas …………………………………………………………….75

7. EL EDITOR DE CIRCUITOS 79

7.1 Inserción de componentes en un esquema ……………………………….81

7.1.1 Resistencias ……………………………………………………………………….84

7.1.2 Condensadores …………………………………………………………………..87

7.1.3 Bobinas ………………………………………………………………………………90

7.1.4 Otros componentes …………………………………………………………….93

7.2 Conexionado de componentes ………………………………………………….95

7.3 Reposicionamiento de componentes …………………………………………98

7.4 Copiado, pegado y eliminación de componentes ……………………. 100

7.5 Otros elementos de un esquema ……………………………………………. 102

7.5.1 Tomas de tierra ……………………………………………………………….. 102

7.5.2 Etiquetas de red ………………………………………………………………. 104

7.5.3 Comentarios …………………………………………………………………… 106

7.5.4 Directivas Spice ………………………………………………………………. 108

8. FUENTES DE VOLTAJE Y DE CORRIENTE 109

8.1 Fuentes de voltaje………………………………………………………………….. 109

8.1.1 Fuente de voltaje constante …………………………………………….. 110

8.1.2 Fuente de voltaje senoidal ………………………………………………. 116

8.1.3 Fuente de voltaje pulsante ………………………………………………. 123

8.1.4 Otras fuentes de voltaje …………………………………………………… 127

8.2 Fuentes de corriente ……………………………………………………………… 132

9. SUS PRIMEROS CIRCUITOS CON LTSPICE 135

9.1 Resistencia conectada a una fuente de voltaje constante ……….. 135

9.2 Resistencia conectada a una fuente del voltaje senoidal …………. 140

9.3 Condensador conectado a una fuente de voltaje senoidal ………. 146

9.4 Bobina conectada a una fuente de voltaje senoidal ………………… 148

10. ANÁLISIS TEMPORAL 151

10.1 Establecimiento del intervalo de análisis……………………………… 151

10.2 Condiciones iniciales …………………………………………………………… 154

10.3 Otras opciones de configuración ………………………………………….. 162

11. ANÁLISIS DEL PUNTO DE OPERACIÓN EN CONTINUA 165

12. ANÁLISIS DE BARRIDO DE FRECUENCIAS 171

13. TIPOS DE FILTROS 177

13.1 Filtro paso bajo ……………………………………………………………………. 179

13.2 Filtro paso alto …………………………………………………………………….. 186

13.3 Filtro paso banda …………………………………………………………………. 188

14. ANÁLISIS PARAMÉTRICO 199

15. EL VISOR DE FORMAS DE ONDA 205

15.1 Barra de herramientas …………………………………………………………. 205

15.2 Barra de menús ……………………………………………………………………. 211

15.2.1 Trazas ……………………………………………………………………………. 211

15.2.2 Paneles …………………………………………………………………………. 216

15.2.3 Escalas de los ejes …………………………………………………………. 217

15.2.4 Otros grupos de opciones ………………………………………………. 220

15.3 Títulos de las gráficas …………………………………………………………… 223

16. DIODOS 229

16.1 Fundamentos físicos de funcionamiento …………………………….. 232

16.2 Curva característica ……………………………………………………………… 235

16.3 Parámetros característicos …………………………………………………… 236

16.4 Tipos de diodos en LTspice…………………………………………………… 238

16.4.1 Diodos rectificadores …………………………………………………….. 240

16.4.2 Diodos led …………………………………………………………………….. 244

16.4.3 Diodos Zener ………………………………………………………………… 247

17. FUENTES DE ALIMENTACIÓN 253

17.1 Transformadores ………………………………………………………………….. 254

17.2 Circuito rectificador de onda completa ………………………………… 260

17.3 Circuito rectificador de onda completa con filtrado ……………… 266

17.4 Circuito rectificador de onda completa

con filtrado y estabilizado ……………………………………………………. 269

18. ANÁLISIS DE BARRIDO EN CONTINUA 273

19. ANÁLISIS DE TEMPERATURA 277

20. IMPORTACIÓN DE MODELOS DE TERCEROS 279

21. TRANSISTORES BIPOLARES 285

21.1 Fundamentos físicos de funcionamiento ……………………………… 287

21.2 Parámetros característicos …………………………………………………… 291

21.2.1 Características eléctricas ……………………………………………….. 293

21.2.2 Valores máximos …………………………………………………………… 295

21.3 Curvas características ………………………………………………………….. 297

21.4 Regiones de operación …………………………………………………………. 303

21.5 Aplicaciones de un transistor bipolar …………………………………… 304

21.5.1 El transistor como interruptor ………………………………………. 305

21.5.2 El transistor como amplificador …………………………………….. 309

21.5.2.1 Recta de carga de un transistor ……………………………. 312

21.5.2.2 Teorema de Thévenin ………………………………………….. 316

21.5.2.3 Estabilización del punto de trabajo ………………………. 319

21.5.2.4 Amplificadores de varias etapas …………………………… 324

22. TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO 327

22.1 JFET …………………………………………………………………………………….. 328

22.1.1 Fundamentos físicos de funcionamiento ………………………. 329

22.1.2 Parámetros característicos …………………………………………….. 331

22.1.3 Curvas características ……………………………………………………. 334

22.2 MOSFET ………………………………………………………………………………. 336

22.2.1 MOSFET de enriquecimiento …………………………………………. 337

22.2.2 MOSFET de empobrecimiento ……………………………………….. 344

22.3 Aplicaciones de un transistor FET………………………………………… 347

22.3.1 El transistor como amplificador …………………………………….. 353

23. EL ESTÁNDAR SPICE 359

24. AMPLIFICADORES OPERACIONALES 365

24.1 Realimentación ……………………………………………………………………. 367

24.2 Características de un amplificador operacional …………………….. 368

24.3 Importación de subcircuitos de terceros ………………………………. 372

24.4 Aplicaciones de un amplificador operacional ……………………….. 379

24.4.1 Amplificador inversor ……………………………………………………. 379

24.4.2 Amplificador no inversor ………………………………………………. 382

24.4.3 Comparador ………………………………………………………………….. 383

24.4.4 Mezclador ……………………………………………………………………… 385

24.4.5 Filtros activos ……………………………………………………………….. 387

24.4.5.1 Filtro paso bajo ……………………………………………………. 388

24.4.5.2 Filtro paso alto …………………………………………………….. 391

24.4.5.3 Filtro paso banda …………………………………………………. 393

25. ANÁLISIS DE LA FUNCIÓN DE TRANSFERENCIA EN CONTINUA 395

26. OSCILADORES 401

26.1 Osciladores de realimentación …………………………………………….. 402

26.1.1 Oscilador de Colpitts …………………………………………………….. 403

26.1.2 Oscilador RC …………………………………………………………………. 407

26.2 Osciladores de relajación ……………………………………………………… 411

26.2.1 Multivibrador astable ……………………………………………………. 412

27. TEMPORIZADORES 419

27.1 Características del NE555…………………………………………………….. 422

27.2 Modo de funcionamiento monoestable ……………………………….. 423

27.3 Modo de funcionamiento astable …………………………………………. 426

28. EJERCICIOS PRÁCTICOS 431

28.1 Componentes básicos ………………………………………………………….. 431

28.2 Circuitos …………………………………………………………………………….. 440

28.2.1 Luces intermitentes ………………………………………………………. 442

28.2.2 Luces de encendido secuencial ……………………………………… 446

28.2.3 Detector de mentiras …………………………………………………….. 449

28.2.4 Control de humedad ……………………………………………………… 453

28.2.5 Encendido automático de luces …………………………………….. 456

28.2.6 Sensor táctil ………………………………………………………………….. 466

28.2.7 Encendido temporizado de luces ………………………………….. 471

28.2.8 Interruptor electrónico………………………………………………….. 475

28.2.9 Piano digital ………………………………………………………………….. 479

28.2.10 Generador de efectos sonoros ……………………………………… 481

28.2.11 Alarma de incendios ……………………………………………………. 486