Fuente dual simétrica con LM741
Muchos circuitos, sobre todo los que usan amplificadores operacionales, necesitan una fuente dual o simétrica (por ejemplo, +6 V, 0 V y −6 V). Pero a veces solo tenemos a mano una fuente simple de una sola polaridad. Con un LM741, dos transistores y unos pocos componentes podemos convertir una fuente simple en una fuente dual, creando lo que se llama una masa virtual. En este post te explico cómo funciona, un ejemplo con números, la lista de componentes, las precauciones y los errores más comunes.
El esquema
La idea: dividir la tensión en dos mitades
Si tenemos una fuente de 12 V, entre sus terminales hay 12 V. Si definimos como "0 V" un punto que esté justo a la mitad (6 V), entonces el terminal positivo queda a +6 V respecto de ese punto y el negativo a −6 V. Ese punto intermedio es la masa virtual. El reto es que ese punto se mantenga en la mitad aunque circule corriente por él, y para eso usamos el operacional y los transistores.
Cómo funciona, componente por componente
- R1 y R2 (2,2 kΩ cada una): forman un divisor de tensión que fija exactamente la mitad de Vin en la entrada no inversora (+) del LM741.
- LM741 como seguidor: su salida intenta mantener en la entrada inversora (−) la misma tensión que hay en la entrada +. Como la entrada − está conectada a la salida de 0 V (masa virtual), el operacional corrige continuamente esa tensión.
- Q1 (BD139, NPN) y Q2 (BD140, PNP): forman una etapa de salida complementaria. El 741 solo puede entregar unos pocos miliamperios; los transistores amplifican esa corriente. Si la carga del lado positivo consume más, Q2 absorbe la diferencia; si la del lado negativo consume más, Q1 entrega corriente.
- C1 y C2 (220 µF): estabilizan las dos mitades y absorben picos de corriente.
- D1 (1N4007) y F1 (fusible): protección en caso de conectar la tensión de entrada invertida. Si eso ocurre, el diodo conduce y el fusible se quema. Como bien decía el texto original, es más económico cambiar un fusible que un 741.
Ejemplo numérico
Con una fuente de entrada de 12 V:
- Tensión en la entrada + del operacional: 12 × 2,2 / (2,2 + 2,2) = 6 V respecto al negativo de la fuente.
- Salidas: +6 V y −6 V respecto a la masa virtual.
- Corriente por el divisor: 12 V / 4,4 kΩ ≈ 2,7 mA, una pérdida pequeña.
Si la carga del lado positivo consume 100 mA y la del negativo 60 mA, la diferencia (40 mA) circula por la masa virtual y la absorben los transistores. Esa diferencia, multiplicada por la tensión entre colector y emisor (unos 6 V), da la potencia que disipa el transistor: 0,04 × 6 ≈ 0,24 W. Para corrientes mayores, coloca disipadores en Q1 y Q2.
Limitaciones del LM741
El LM741 es un clásico, pero necesita una tensión total de alimentación relativamente alta para funcionar bien (su salida no llega hasta los extremos de la alimentación). Por eso este circuito trabaja mejor con fuentes de entrada de unos 10 V o más. Para fuentes bajas (5 V, por ejemplo), usa un operacional moderno rail-to-rail o el TLE2426, un integrado diseñado específicamente como divisor de masa virtual.
⚠ Precaución: no unir las masas
Como con este circuito estamos creando una tierra virtual, debemos tener cuidado de no conectar el negativo de la fuente primaria (simple) a la masa del circuito que estamos probando. Si lo hacemos, estaremos cortocircuitando la mitad negativa (−Vin/2). Esto es especialmente importante si alimentas el circuito con una fuente de laboratorio y además conectas un osciloscopio: la pinza de masa del osciloscopio suele estar unida a la tierra de la red, igual que el negativo de algunas fuentes. Revisa siempre dónde conectas la masa de los instrumentos.
Lista de componentes
| Ref. | Componente |
|---|---|
| IC1 | LM741 (con zócalo de 8 pines) |
| Q1 | BD139 (NPN) |
| Q2 | BD140 (PNP) |
| R1, R2 | 2,2 kΩ, 1/4 W (de 1 % si quieres mayor simetría) |
| C1, C2 | 220 µF, tensión mayor que Vin |
| D1 | 1N4007 |
| F1 | Fusible según la corriente de la carga |
Montaje y prueba
- Monta el circuito en una placa; el diseño original incluía un circuito impreso hecho con KiCad.
- Antes de insertar el 741, alimenta y comprueba con el multímetro que en la unión de R1 y R2 haya la mitad de la tensión de entrada.
- Inserta el integrado y mide las salidas: +Vin/2 y −Vin/2 respecto a la masa virtual.
- Conecta una carga en un solo lado (por ejemplo, una resistencia de 1 kΩ) y verifica que la masa virtual no se desplace.
Problemas comunes
- Las dos mitades no son iguales: R1 y R2 tienen tolerancias distintas. Usa resistencias de 1 % o agrega un pequeño preset.
- Los transistores se calientan: hay mucha diferencia de consumo entre las dos mitades. Agrega disipador o equilibra las cargas.
- Oscilaciones: agrega un condensador de 100 nF en paralelo con C1 y con C2, cerca de los transistores.
- El fusible se quema al conectar: la polaridad de entrada está invertida.
Preguntas frecuentes
¿Puedo usar dos baterías en lugar de este circuito?
Sí: dos baterías en serie con el punto medio como masa forman una fuente dual real. Este circuito es útil cuando solo tienes una fuente.
¿Cuánta corriente puede manejar?
La masa virtual maneja la diferencia de corriente entre las dos mitades, limitada por los transistores y su disipación. Las corrientes totales las limita la fuente de entrada.
¿Sirve para alimentar amplificadores de potencia?
No es lo recomendable. Para amplificadores de audio de varios vatios, usa un transformador con toma central y una fuente simétrica real.
Si necesitas una fuente variable, mira la fuente de 1,25 a 16 V con LM350K, y para repasar las mediciones, cómo usar un multímetro.
Conclusión
Con un LM741 como seguidor, un divisor de dos resistencias y un par de transistores complementarios, una fuente simple se convierte en una fuente dual de ±Vin/2. Es una solución práctica para el laboratorio, siempre que recuerdes no unir el negativo de la fuente original con la masa del circuito alimentado.
Comentarios