Fuentes de corriente

Como su nombre lo indica, una fuente de corriente es un elemento de circuito que mantiene un flujo de corriente constante independientemente del voltaje desarrollado en sus terminales, ya que este voltaje está determinado por otros elementos del circuito. Es decir, una fuente de corriente constante ideal proporciona continuamente una cantidad específica de corriente independientemente de la impedancia que está impulsando y, como tal, una fuente de corriente ideal podría, en teoría, suministrar una cantidad infinita de energía. Así, así como una fuente de voltaje puede tener un valor nominal, por ejemplo, de 5 voltios o 10 voltios, etc, una fuente de corriente también tendrá un valor nominal de corriente, por ejemplo, 3 amperios o 15 amperios, etc. 

Las fuentes de corriente constante ideales se representan de manera similar a las fuentes de voltaje, pero esta vez el símbolo de la fuente de corriente es el de un círculo con una flecha adentro para indicar la dirección del flujo de la corriente. La dirección de la corriente corresponderá a la polaridad del voltaje correspondiente, que fluye desde el terminal positivo. La letra «i» se utiliza para indicar que es una fuente actual como se muestra:

Fuente de corriente ideal

Entonces, una fuente de corriente ideal se denomina «fuente de corriente constante», ya que proporciona una corriente de estado estable constante independiente de la carga conectada a ella, lo que produce una característica IV representada por una línea recta. Al igual que con las fuentes de voltaje, la fuente de corriente puede ser independiente (ideal) o dependiente (controlada) por un voltaje o corriente en otra parte del circuito, que a su vez puede ser constante o variable en el tiempo.

Las fuentes de corriente independientes ideales se utilizan normalmente para resolver teoremas de circuitos y para técnicas de análisis de circuitos para circuitos que contienen elementos activos reales. La forma más simple de una fuente de corriente es una resistencia en serie con una fuente de voltaje que crea corrientes que van desde unos pocos miliamperios hasta muchos cientos de amperios. Recuerde que una fuente de corriente de valor cero es un circuito abierto como R = 0.

El concepto de una fuente de corriente es el de un elemento de dos terminales que permite el flujo de corriente indicado por la dirección de la flecha. Entonces, una fuente de corriente tiene un valor, i, en unidades de amperios, (A) que normalmente se abrevian como amperios. La relación física entre una fuente de corriente y las variables de voltaje alrededor de una red viene dada por la ley de Ohm, ya que estas variables de voltaje y corriente tendrán valores específicos.

Puede resultar difícil especificar la magnitud y la polaridad del voltaje de una fuente de corriente ideal en función de la corriente, especialmente si hay otras fuentes de voltaje o corriente en el circuito conectado. Entonces, podemos conocer la corriente suministrada por la fuente de corriente, pero no el voltaje a través de ella, a menos que se dé la potencia suministrada por la fuente de corriente, como P = V * I.

Sin embargo, si la fuente de corriente es la única fuente dentro del circuito, entonces será más fácil establecer la polaridad del voltaje a través de la fuente. Sin embargo, si hay más de una fuente, entonces el voltaje del terminal dependerá de la red a la que esté conectada la fuente.

Conexión de fuentes de corriente juntas

Al igual que las fuentes de voltaje, las fuentes de corriente ideales también se pueden conectar juntas para aumentar (o disminuir) la corriente disponible. Pero existen reglas sobre cómo se pueden conectar dos o más fuentes de corriente independientes con diferentes valores, ya sea en serie o en paralelo.

Fuente de corriente en paralelo

Conectar dos o más fuentes de corriente en paralelo es equivalente a una fuente de corriente cuya salida de corriente total se da como la suma algebraica de las corrientes de fuente individuales. En este ejemplo, dos fuentes de corriente de 5 amperios se combinan para producir 10 amperios como IT = I1 + I2.

Las fuentes de corriente de diferentes valores pueden conectarse juntas en paralelo. Por ejemplo, uno de 5 amperios y uno de 3 amperios se combinarán para dar una única fuente de corriente de 8 amperios, ya que las flechas que representan la fuente de corriente apuntan en la misma dirección. Luego, a medida que las dos corrientes se suman, se dice que su conexión es: en paralelo.

Si bien no es la mejor práctica para el análisis de circuitos, las conexiones opuestas en paralelo usan fuentes de corriente que están conectadas en direcciones opuestas para formar una sola fuente de corriente cuyo valor es la resta algebraica de las fuentes individuales.

Fuentes de corriente opuestas paralelas

Aquí, como las dos fuentes de corriente están conectadas en direcciones opuestas (indicadas por sus flechas), las dos corrientes se restan entre sí, ya que las dos proporcionan una ruta de bucle cerrado para una corriente circulante que cumple con la Ley de Corrientes de Kirchoff, KCL. Entonces, por ejemplo, dos fuentes de corriente de 5 amperios cada una darían como resultado una salida cero como 5A -5A = 0A. Así mismo, si las dos corrientes son de valores diferentes, 5A y 3A, entonces la salida será el valor restado con la corriente más pequeña restada de la corriente más grande. Dando como resultado una IT de 5 – 3 = 2A.

Hemos visto que las fuentes de corriente ideales se pueden conectar juntas en paralelo para formar fuentes de corriente de ayuda en paralelo o de oposición en paralelo. Lo que no está permitido o no es la mejor práctica para el análisis de circuitos es conectar fuentes de corriente ideales en combinaciones en serie.

Fuentes de corriente en serie

No se permite conectar en serie fuentes de corriente, ya sea del mismo valor o con valores diferentes. En este ejemplo, dos fuentes de corriente de 5 amperios cada una están conectadas en serie, pero ¿cuál es el valor de corriente resultante? ¿Es igual a una fuente de 5 amperios, o es igual a la suma de las dos fuentes, es decir, 10 amperios? Luego, las fuentes de corriente conectadas en serie agregan un factor desconocido al análisis del circuito, lo cual no es bueno.

Además, otra razón por la que las fuentes conectadas en serie no están permitidas para las técnicas de análisis de circuitos es que no pueden suministrar la misma corriente en la misma dirección. No existen corrientes auxiliares o de oposición en serie para las fuentes de corriente ideales.

Ejemplo de fuentes de corriente No.1

Dos fuentes de corriente de 250 miliamperios y 150 miliamperios respectivamente están conectadas juntas en una configuración de ayuda en paralelo para suministrar una carga conectada de 20 ohmios. Calcule la caída de voltaje en la carga y la potencia disipada. Dibuja el circuito.

Entonces, IT = 0.4A o 400mA, VR = 8V y PR = 3.2W

Fuente de corriente práctica

Hemos visto que una fuente de corriente constante ideal puede suministrar la misma cantidad de corriente indefinidamente independientemente del voltaje en sus terminales, por lo tanto convirtiéndola en una fuente independiente. Por lo tanto, esto implica que la fuente de corriente tiene una resistencia interna infinita, (R = ∞). Esta idea funciona bien para las técnicas de análisis de circuitos, pero en el mundo real, las fuentes de corriente se comportan de manera un poco diferente, ya que las fuentes de corriente prácticas siempre tienen una resistencia interna, sin importar cuán grande sea (generalmente en el rango de megaohmios), lo que hace que la fuente generada varíe algo la carga.

Una fuente de corriente práctica o no ideal se puede representar como una fuente ideal con una resistencia interna conectada a través de ella. La resistencia interna (RP) produce el mismo efecto que una resistencia conectada en paralelo (derivación) con la fuente de corriente como se muestra. Recuerde que los elementos del circuito en paralelo tienen exactamente la misma caída de voltaje a través de ellos.

Fuente de corriente ideal y práctica

Es posible que haya notado que una fuente de corriente práctica se parece mucho a la del circuito equivalente de Norton, ya que el teorema de Norton establece que “cualquier red de cc lineal puede ser reemplazada por un circuito equivalente que consta de una fuente de corriente constante, IS en paralelo con una resistencia, RP“. Tenga en cuenta que si esta resistencia en paralelo es muy baja, RP = 0, la fuente de corriente está en cortocircuito. Cuando la resistencia en paralelo es muy alta o infinita, RP ≈ ∞, la fuente de corriente se puede modelar como ideal.

Una fuente de corriente ideal traza una línea horizontal en la característica IV como se mostró anteriormente. Sin embargo, como las fuentes de corriente prácticas tienen una resistencia de fuente interna, esto toma parte de la corriente, por lo que la característica de esta fuente práctica no es plana y horizontal, sino que se reducirá ya que la corriente ahora se divide en dos partes, con una parte de la corriente fluyendo hacia la resistencia en paralelo, RP y la otra parte de la corriente que fluye directamente a los terminales de salida.

La ley de Ohm nos dice que cuando una corriente, (i) fluye a través de una resistencia, (R) se produce una caída de voltaje en la misma resistencia. El valor de esta caída de tensión será dado como i * RP. Entonces VOUT será igual a la caída de voltaje a través de la resistencia sin carga adjunta. Recordamos que para una fuente de corriente ideal, RP es infinito ya que no hay resistencia interna, por lo tanto, el voltaje terminal será cero ya que no hay caída de voltaje.

La suma de la corriente alrededor del bucle dado por la ley actual de Kirchoff, KCL es: IOUT = IS – VS/RP. Esta ecuación se puede trazar para obtener las características IV de la corriente de salida. Se da como una línea recta con una pendiente –RP que interseca el eje de voltaje vertical en el mismo punto que IS, cuando la fuente es ideal como se muestra:

Características prácticas de la fuente de corriente

Por lo tanto, todas las fuentes de corriente ideales tendrán una característica IV en línea recta, pero las fuentes de corriente no ideales o prácticas reales tendrán una característica IV que se inclinará ligeramente hacia abajo en una cantidad igual a VOUT/ RP donde RP es la resistencia de la fuente interna. 

Ejemplo de fuente de corriente No.2

Una fuente de corriente práctica consiste en una fuente de corriente ideal de 3 A que tiene una resistencia interna de 500 ohmios. Sin carga conectada, calcule la tensión de terminal de circuito abierto de las fuentes de corriente y la potencia sin carga absorbida por la resistencia interna.

1. Valores sin carga:

Luego, el voltaje de circuito abierto a través de la resistencia de la fuente interna y los terminales A y B (VAB) se calcula a 1500 voltios.

Parte 2: Si una resistencia de carga de 250 ohmios está conectada a los terminales de la misma fuente de corriente práctica, calcule la corriente a través de cada resistencia, la potencia absorbida por cada resistencia y la caída de voltaje a través de la resistencia de carga. Dibuja el circuito.

2. Datos proporcionados con la carga conectada: IS = 3A, RP = 500Ω y RL = 250Ω

2a. Para encontrar las corrientes en cada rama resistiva, podemos usar la regla de división de corrientes.

2b. La potencia absorbida por cada resistencia se da como:

2c. Entonces, la caída de voltaje a través de la resistencia de carga, RL se da como:

Podemos ver que el voltaje terminal de una fuente de corriente práctica en circuito abierto puede ser muy alto y producirá el voltaje necesario, 1500 voltios en este ejemplo, para suministrar la corriente especificada. En teoría, este voltaje terminal puede ser infinito cuando la fuente intenta entregar la corriente nominal.

Conectar una carga a través de sus terminales reducirá el voltaje, 500 voltios en este ejemplo, ya que ahora la corriente tiene que ir a algún lugar y para una fuente de corriente constante, el voltaje del terminal es directamente proporcional a la resistencia de carga.

En el caso de fuentes de corriente no ideales que tengan cada una una resistencia interna, la resistencia interna total (o impedancia) será el resultado de combinarlas juntas en paralelo, exactamente igual que para las resistencias en paralelo.

Fuente de corriente dependiente

Ahora sabemos que una fuente de corriente ideal proporciona una cantidad específica de corriente completamente independiente del voltaje a través de ella y, como tal, producirá cualquier voltaje que sea necesario para mantener la corriente requerida. Esto lo hace completamente independiente del circuito al que está conectado, lo que hace que se le llame una fuente de corriente independiente ideal.

Por otro lado, una fuente de corriente controlada o dependiente cambia su corriente disponible dependiendo del voltaje o la corriente a través de algún otro elemento conectado al circuito. En otras palabras, la salida de una fuente de corriente dependiente está controlada por otro voltaje o corriente.

Las fuentes de corriente dependientes se comportan de manera similar a las fuentes de corriente que hemos analizado hasta ahora, tanto ideales (independientes) como prácticas. La diferencia esta vez es que una fuente de corriente dependiente se puede controlar mediante un voltaje o corriente de entrada. Una fuente de corriente que depende de una entrada de voltaje generalmente se conoce como fuente de corriente controlada por voltaje o VCCS. Una fuente de corriente que depende de una entrada de corriente generalmente también se conoce como Fuente de corriente controlada por corriente o CCCS.

Generalmente, una fuente dependiente de la corriente ideal, ya sea controlada por voltaje o por corriente, se designa mediante un símbolo en forma de diamante donde una flecha indica la dirección de la corriente, i como se muestra:

Símbolos de la fuente de corriente dependiente

Una fuente de corriente controlada por voltaje dependiente ideal, VCCS, mantiene una corriente de salida, IOUT, que es proporcional al voltaje de entrada de control, VIN. En otras palabras, la corriente de salida «depende» del valor del voltaje de entrada, lo que la convierte en una fuente de corriente dependiente.

Entonces, la corriente de salida de VCCS se define mediante la siguiente ecuación: IOUT = αVIN. Esta constante de multiplicación α (alfa) tiene las unidades «SI» de mhos, ℧ (un signo de Ohmios invertido) porque α = IOUT/ VIN, y sus unidades serán, por lo tanto, amperios/voltio.

Una fuente de corriente controlada por corriente dependiente ideal, CCCS, mantiene una corriente de salida que es proporcional a una corriente de entrada de control. Entonces, la corriente de salida “depende” del valor de la corriente de entrada, lo que la convierte nuevamente en una fuente de corriente dependiente.

Como corriente de control, IIN determina la magnitud de la corriente de salida, IOUT multiplicado por la constante de aumento β (beta), la corriente de salida para un elemento CCCS se determina mediante la siguiente ecuación: IOUT = βIIN. Tenga en cuenta que la constante de multiplicación β es un factor de escala adimensional como β = IOUT/ IIN, por lo que sus unidades serían amperios/amperios.

Resumen de fuentes de corriente

Hemos visto en este tutorial sobre las fuentes de corriente, que una fuente de corriente ideal, (R = is) es un elemento activo que proporciona una corriente constante que es totalmente independiente del voltaje a través de ella como resultado de la carga conectada a que produce una característica IV representada por una línea recta.

Las fuentes de corriente independientes ideales se pueden conectar juntas en paralelo para técnicas de análisis de circuitos como configuraciones de ayuda en paralelo o de oposición en paralelo, pero no se pueden conectar juntas en serie. También para resolver teoremas y análisis de circuitos, las fuentes de corriente se convierten en fuentes de circuito abierto para hacer que su corriente sea igual a cero. Tenga en cuenta también que las fuentes de corriente son capaces de suministrar o absorber energía.

En el caso de fuentes de corriente no ideales o prácticas, pueden modelarse como una fuente de corriente ideal equivalente y una resistencia interna conectada en paralelo (derivación) que no es infinita pero de un valor que es muy alto como R ≈ ∞ produciendo un IV característica que no es recta sino que desciende a medida que la carga disminuye.

También hemos visto aquí que las fuentes actuales pueden ser dependientes o independientes. Una fuente dependiente es aquella cuyo valor depende de alguna otra variable del circuito. La fuente de corriente controlada por voltaje, VCCS, y la fuente de corriente controlada por corriente, CCCS, son tipos de fuentes de corriente dependientes.

Las fuentes de corriente constante con resistencias internas muy altas encuentran numerosas aplicaciones en circuitos electrónicos y análisis, y se pueden construir utilizando transistores bipolares, diodos, zeners y FET, así como una combinación de estos dispositivos de estado sólido.