Fuentes de voltaje

Hemos visto a lo largo de este tutoriales de electrónica básica que hay dos tipos de elementos dentro de un circuito eléctrico o electrónico: elementos pasivos y elementos activos. Un elemento activo es aquel que es capaz de suministrar energía continuamente a un circuito, como una batería, un generador, un amplificador operacional, etc. Un elemento pasivo por otro lado son elementos físicos como resistencias, condensadores, inductores, etc. que no pueden generar energía eléctrica por sí mismos, sino que solo la consumen.

Los tipos de elementos de circuito activo que más nos importan son los que suministran energía eléctrica a los circuitos o red conectados a ellos. Estas se denominan «fuentes eléctricas» y los dos tipos de fuentes eléctricas son la fuente de voltaje y la fuente de corriente. La fuente de corriente suele ser menos común en los circuitos que la fuente de voltaje, pero ambas se utilizan y pueden considerarse como complementos entre sí.

Un suministro eléctrico o simplemente, «una fuente», es un dispositivo que suministra energía eléctrica a un circuito en forma de fuente de voltaje o fuente de corriente. Ambos tipos de fuentes eléctricas se pueden clasificar como fuente directa (CC) o alterna (CA) en la que un voltaje constante se llama voltaje CC y uno que varía sinusoidalmente con el tiempo se llama voltaje CA. Así, por ejemplo, las baterías son fuentes de CC y el enchufe de pared de 230 V o la toma de corriente de su hogar es una fuente de CA.

Dijimos anteriormente que las fuentes eléctricas suministran energía, pero una de las características interesantes de una fuente eléctrica es que también son capaces de convertir energía no eléctrica en energía eléctrica y viceversa. Por ejemplo, una batería convierte la energía química en energía eléctrica, mientras que una máquina eléctrica, como un generador de CC o un alternador de CA, convierte la energía mecánica en energía eléctrica.

Las tecnologías renovables pueden convertir la energía del sol, el viento y las olas en energía eléctrica o térmica. Pero además de convertir energía de una fuente a otra, las fuentes eléctricas pueden entregar o absorber energía, lo que le permite fluir en ambas direcciones.

Otra característica importante de una fuente eléctrica y que define su funcionamiento son sus características IV. La característica IV de una fuente eléctrica puede darnos una descripción pictórica muy agradable de la fuente, ya sea como fuente de voltaje y como fuente de corriente, como se muestra:

Fuentes eléctricas

Las fuentes eléctricas, tanto como fuente de voltaje como fuente de corriente, pueden clasificarse como independientes (ideales) o dependientes (controladas), es decir, cuyo valor depende de un voltaje o corriente en otra parte del circuito, que a su vez puede ser constante o variable en el tiempo.

Cuando se trata de leyes y análisis de circuitos, las fuentes eléctricas a menudo se consideran «ideales», es decir, la fuente es ideal porque teóricamente podría entregar una cantidad infinita de energía sin pérdida, por lo que tiene características representadas por una línea recta. Sin embargo, en fuentes reales o prácticas siempre hay una resistencia conectada en paralelo para una fuente de corriente, o en serie para una fuente de voltaje asociada con la fuente que afecta su salida.

La fuente de voltaje 

Una fuente de voltaje, como una batería o un generador, proporciona una diferencia de potencial (voltaje) entre dos puntos dentro de un circuito eléctrico que permite que la corriente fluya a su alrededor. Recuerde que el voltaje puede existir sin corriente. Una batería es la fuente de voltaje más común para un circuito y el voltaje que aparece en los terminales positivo y negativo de la fuente se denomina voltaje terminal.

Fuente de voltaje ideal

Una fuente de voltaje ideal se define como un elemento activo de dos terminales que es capaz de suministrar y mantener el mismo voltaje, (v) a través de sus terminales independientemente de la corriente, (i) que fluye a través de él. En otras palabras, una fuente de voltaje ideal suministrará un voltaje constante en todo momento, independientemente del valor de la corriente que se esté suministrando, produciendo una característica IV representada por una línea recta.

Entonces, una fuente de voltaje ideal se conoce como fuente de voltaje independiente, ya que su voltaje no depende ni del valor de la corriente que fluye a través de la fuente ni de su dirección, sino que está determinado únicamente por el valor de la fuente. Entonces, por ejemplo, una batería de automóvil tiene un voltaje terminal de 12 V que permanece constante siempre que la corriente a través de ella no sea demasiado alta, entregando energía al automóvil en una dirección y absorbiendo energía en la otra dirección mientras se carga.

Por otro lado, una fuente de voltaje dependiente o una fuente de voltaje controlada, proporciona un suministro de voltaje cuya magnitud depende del voltaje o de la corriente que fluye a través de algún otro elemento del circuito. Una fuente de voltaje dependiente se indica con forma de diamante y se utiliza como fuentes eléctricas equivalentes para muchos dispositivos electrónicos, como transistores y amplificadores operacionales.

Conexión de fuentes de voltaje juntas 

Las fuentes de voltaje ideales se pueden conectar juntas en paralelo o en serie de la misma manera que para cualquier elemento del circuito. Los voltajes en serie se suman mientras que los voltajes en paralelo tienen el mismo valor. Tenga en cuenta que las fuentes de voltaje ideal desiguales no se pueden conectar directamente juntas en paralelo.

Fuente de voltaje en paralelo

Si bien no es la mejor práctica para el análisis de circuitos, las fuentes de voltaje ideales se pueden conectar en paralelo siempre que tengan el mismo valor de voltaje. En este ejemplo, dos fuentes de voltaje de 10 voltios se combinan para producir 10 voltios entre los terminales A y B. Idealmente, habría una sola fuente de voltaje de 10 voltios entre los terminales A y B.

Lo que no está permitido o no es mejor práctica, es conectar entre sí fuentes de voltaje ideales que tienen diferentes valores de voltaje como se muestra, o están en cortocircuito por un circuito cerrado externo o rama.

Fuentes de voltaje mal conectadas

Sin embargo, cuando se trata de análisis de circuitos, se pueden usar fuentes de voltaje de diferentes valores siempre que haya otros elementos de circuito entre ellos para cumplir con la Ley de voltaje de Kirchoff, KVL.

A diferencia de las fuentes de voltaje conectadas en paralelo, las fuentes de voltaje ideales de diferentes valores se pueden conectar juntas en serie para formar una sola fuente de voltaje cuya salida será la suma o resta algebraica de los voltajes utilizados. Su conexión puede ser como: voltajes de ayuda en serie o de oposición en serie, como se muestra:

Fuente de voltaje en serie

Las fuentes de voltaje auxiliar en serie son fuentes conectadas en serie con sus polaridades conectadas de modo que el terminal positivo de uno esté conectado al terminal negativo del siguiente permitiendo que la corriente fluya en la misma dirección. En el ejemplo anterior, se pueden sumar los dos voltajes de 10V y 5V del primer circuito, para un VS de 10 + 5 = 15V. Entonces, el voltaje entre los terminales A y B es de 15 voltios.

Las fuentes de voltaje opuestas en serie son fuentes conectadas en serie que tienen sus polaridades conectadas de modo que el terminal positivo o los terminales negativos estén conectados entre sí como se muestra en el segundo circuito anterior. El resultado neto es que los voltajes se restan entre sí. Luego, los dos voltajes de 10 V y 5 V del segundo circuito se restan y el voltaje más pequeño se resta del voltaje más grande. Dando como resultado un VS de 10 – 5 = 5V.

La polaridad entre los terminales A y B está determinada por la mayor polaridad de las fuentes de voltaje; en este ejemplo, el terminal A es positivo y el terminal B es negativo, lo que da como resultado +5 voltios. Si los voltajes opuestos en serie son iguales, el voltaje neto entre A y B será cero cuando un voltaje equilibre al otro. Además, cualquier corriente (I) también será cero, ya que sin ninguna fuente de voltaje, la corriente no puede fluir.

Ejemplo de fuente de voltaje No.1

Dos series que ayudan a fuentes de voltaje ideales de 6 voltios y 9 voltios respectivamente están conectadas juntas para suministrar una resistencia de carga de 100 ohmios. Calcule: el voltaje de la fuente, VS, la corriente de carga a través de la resistencia, IR y la potencia total, P disipada por la resistencia. Dibuja el circuito.

Por lo tanto, VS = 15V, IR = 150mA o 0.15A y PR = 2.25W.

Fuente de voltaje práctica

Hemos visto que una fuente de voltaje ideal puede proporcionar un suministro de voltaje que es independiente de la corriente que fluye a través de ella, es decir, mantiene siempre el mismo valor de voltaje. Esta idea puede funcionar bien para las técnicas de análisis de circuitos, pero en el mundo real, las fuentes de voltaje se comportan de manera un poco diferente como para una fuente de voltaje práctica, su voltaje terminal en realidad disminuirá con un aumento en la corriente de carga.

Como el voltaje terminal de una fuente de voltaje ideal no varía con los aumentos en la corriente de carga, esto implica que una fuente de voltaje ideal tiene una resistencia interna cero, RS = 0. En otras palabras, es una fuente de voltaje sin resistencia. En realidad, todas las fuentes de voltaje tienen una resistencia interna muy pequeña que reduce su voltaje terminal ya que suministran corrientes de carga más altas.

Para fuentes de voltaje no ideales o prácticas, como baterías, su resistencia interna (RS) produce el mismo efecto que una resistencia conectada en serie con una fuente de voltaje ideal, ya que estos dos elementos conectados en serie transportan la misma corriente que se muestra.

Fuente de voltaje ideal y práctica

Es posible que haya notado que una fuente de voltaje práctica se parece mucho a la del circuito equivalente de Thevenin, ya que el teorema de Thevenin establece que “cualquier red lineal que contenga resistencias y fuentes de fem y corriente puede ser reemplazada por una sola fuente de voltaje, VS en serie con un solo resistencia, RS”. Tenga en cuenta que si la resistencia de la fuente en serie es baja, la fuente de voltaje es ideal. Cuando la resistencia de la fuente es infinita, la fuente de voltaje está en circuito abierto.

En el caso de todas las fuentes de voltaje reales o prácticas, esta resistencia interna, RS, no importa cuán pequeña sea, tiene un efecto sobre la característica IV de la fuente, ya que el voltaje del terminal cae con un aumento en la corriente de carga. Esto se debe a que la misma corriente de carga fluye a través de RS.

La ley de Ohm nos dice que cuando una corriente, (i) fluye a través de una resistencia, se produce una caída de voltaje en la misma resistencia. El valor de esta caída de tensión se da como i * RS. Entonces VOUT será igual a la fuente de voltaje ideal VS,  i * RS menos la caída de voltaje a través de la resistencia. Recuerde que en el caso de una tensión de fuente ideal, RS es igual a cero ya que no hay resistencia interna, por lo tanto, la tensión del terminal es la misma que VS.

Entonces la suma de tensión alrededor del bucle dado por la ley de tensión de Kirchoff, KVL es: VOUT = VS – i * RS. Esta ecuación se puede trazar para obtener las características IV del voltaje de salida real. Dará una línea recta con una pendiente –RS que interseca el eje de voltaje vertical en el mismo punto que VS cuando la corriente i = 0 como se muestra:

Características prácticas de la fuente de voltaje

Por lo tanto, todas las fuentes de voltaje ideales tendrán una característica IV en línea recta, pero las fuentes de voltaje no ideales o prácticas reales no la tendrán, sino que tendrán una característica IV ligeramente inclinada hacia abajo en una cantidad igual a i * RS donde RS es la resistencia de la fuente interna (o impedancia). Las características IV de una batería real proporcionan una aproximación muy cercana a una fuente de voltaje ideal, ya que la resistencia de la fuente RS suele ser bastante pequeña.

La disminución del ángulo de la pendiente de las características IV a medida que aumenta la corriente se conoce como regulación. La regulación de voltaje es una medida importante de la calidad de una fuente de voltaje práctica, ya que mide la variación en el voltaje terminal entre sin carga, es decir, cuando IL = 0, (un circuito abierto) y carga completa, es decir, cuando IL es como máximo, (un cortocircuito).

Ejemplo de fuente de voltaje No.2

Un suministro de batería consta de una fuente de voltaje ideal en serie con una resistencia interna. Se encontró que el voltaje y la corriente medidos en los terminales de la batería eran VOUT1 = 130V a 10A y VOUT2 = 100V a 25A. Calcule el voltaje nominal de la fuente de voltaje ideal y el valor de su resistencia interna. Dibuja las características IV.

En primer lugar, definamos en “Una forma simple la ecuación simultánea«, las dos salidas de tensión y corriente de la alimentación de la batería dadas como: VOUT1 y VOUT2.

Al igual que con los voltajes y las corrientes en una forma de ecuación simultánea, para encontrar VS , primero multiplicaremos VOUT1 por cinco, (5) y VOUT2 por dos, (2) como se muestra para obtener el valor de las dos corrientes, ( i) lo mismo para ambas ecuaciones.

Habiendo hecho que los coeficientes para RS sean iguales al multiplicar por las constantes anteriores, ahora multiplicamos la segunda ecuación VOUT2 por menos uno, (-1) para permitir la resta de las dos ecuaciones para que podamos resolver para VS como se muestra:

Sabiendo que la fuente de tensión ideal, VS es igual a 150 voltios, podemos usar este valor para la ecuación VOUT1 (o VOUT2 si así lo desea) y resolver para encontrar la resistencia en serie, RS.

Luego, para nuestro ejemplo simple, la fuente de voltaje interno de las baterías se calcula como: VS = 150 voltios, y su resistencia interna como: RS = 2Ω. Las características IV de la batería se dan como:

Características de la batería IV

Fuente de voltaje dependiente

A diferencia de una fuente de voltaje ideal que produce un voltaje constante en sus terminales independientemente de lo que esté conectado, una fuente de voltaje controlada o dependiente cambia su voltaje terminal dependiendo de la voltaje o la corriente a través de algún otro elemento conectado al circuito y, como tal, a veces es difícil especificar el valor de una fuente de voltaje dependiente, a menos que sepa el valor real del voltaje o la corriente de la que depende.

Las fuentes de voltaje dependientes se comportan de manera similar a las fuentes eléctricas que hemos visto hasta ahora, tanto prácticas como ideales (independientes), la diferencia esta vez es que una fuente de voltaje dependiente puede ser controlada por una corriente o voltaje de entrada. Una fuente de voltaje que depende de una entrada de voltaje generalmente se conoce como fuente de voltaje controlado por voltaje o VCVS. Una fuente de voltaje que depende de una entrada de corriente también se conoce como fuente de voltaje controlada por corriente o CCVS.

Las fuentes dependientes ideales se utilizan comúnmente en el análisis de las características de entrada/salida o la ganancia de elementos de circuito como amplificadores operacionales, transistores y circuitos integrados. Generalmente, una fuente ideal dependiente del voltaje, ya sea controlada por voltaje o por corriente, se designa con un símbolo en forma de diamante como se muestra:

Símbolos de fuente de voltaje dependiente

Una fuente de voltaje controlada por voltaje dependiente ideal, VCVS, mantiene un voltaje de salida igual a una constante multiplicadora (básicamente un factor de amplificación) por el voltaje de control presente en otras partes del circuito. Como la constante multiplicadora es, bueno, una constante, el voltaje de control, VIN determinará la magnitud del voltaje de salida, VOUT. En otras palabras, el voltaje de salida «depende» del valor del voltaje de entrada, lo que lo convierte en una fuente de voltaje dependiente y, de muchas maneras, un transformador ideal puede considerarse como un dispositivo VCVS con el factor de amplificación como su relación de espiras.

Entonces, el voltaje de salida de VCVS se determina mediante la siguiente ecuación: VOUT = μVIN. Tenga en cuenta que la constante de multiplicación μ no tiene dimensiones, ya que es puramente un factor de escala porque μ = VOUT/ VIN, por lo que sus unidades serán voltios / voltios.

Una fuente de voltaje controlada por corriente dependiente ideal, CCVS, mantiene un voltaje de salida igual a una constante multiplicadora (rho) por una entrada de corriente de control generada en otra parte dentro del circuito conectado. Entonces, el voltaje de salida «depende» del valor de la corriente de entrada, lo que nuevamente lo convierte en una fuente de voltaje dependiente.

Como corriente de control, IIN determina la magnitud del voltaje de salida, VOUT multiplicado por la constante de aumento ρ (rho), esto nos permite modelar una fuente de voltaje controlada por corriente como un amplificador de resistencia trans como la constante de multiplicación, ρ de la siguiente ecuación: VOUT = ρIIN. Esta constante multiplicadora ρ (rho) tiene las unidades de Ohm porque ρ = VOUT/ IIN, y sus unidades serán, por lo tanto, voltios / amperios.

Resumen de la fuente de voltaje

Aquí hemos visto que una fuente de voltaje puede ser una fuente de voltaje independiente ideal o una fuente de voltaje dependiente controlada. Las fuentes de voltaje independientes suministran un voltaje constante que no depende de ninguna otra cantidad dentro del circuito. Las fuentes independientes ideales pueden ser baterías, generadores de CC o suministros de voltaje de CA que varían en el tiempo de los alternadores.

Las fuentes de voltaje independientes se pueden modelar como una fuente de voltaje ideal, (RS = 0) donde la salida es constante para todas las corrientes de carga, o como una no ideal o práctica, como una batería con una resistencia conectada en serie con el circuito, para representar la resistencia interna de la fuente. Las fuentes de voltaje ideales se pueden conectar juntas en paralelo solo si tienen el mismo valor de voltaje. Las conexiones de ayuda en serie o de oposición en serie afectarán el valor de salida.

También para resolver análisis de circuitos y teoremas complejos, las fuentes de voltaje se convierten en fuentes en cortocircuito haciendo que su voltaje sea igual a cero para ayudar a resolver la red. Tenga en cuenta también que las fuentes de voltaje son capaces de suministrar o absorber energía.

Las fuentes de voltaje dependientes ideales representadas por un símbolo en forma de diamante, dependen y son también proporcionales a un voltaje o corriente de control externo. La constante de multiplicación, μ para un VCVS no tiene unidades, mientras que la constante de multiplicación ρ para un CCVS tiene unidades de Ohm. Una fuente de voltaje dependiente es de gran interés para modelar dispositivos electrónicos o dispositivos activos como amplificadores operacionales y transistores que tienen ganancia.

En el siguiente tutorial sobre fuentes eléctricas, veremos el complemento de la fuente de voltaje, que es la fuente de corriente, y veremos que las fuentes de corriente también se pueden clasificar como fuentes eléctricas dependientes o independientes.