Aprenda electrónica con el simulador de circuitos LTspice XVII

Descripción

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