Al estudiar circuitos eléctricos, es fundamental comprender las características y diferencias entre las fuentes de voltaje,
fuentes de corriente y fuentes dependientes. La fuente de voltaje, también conocida como generador de voltaje, mantiene una diferencia
de potencial constante entre sus terminales, independientemente de la corriente que circula por el circuito. Por otro lado,
una fuente de corriente proporciona una corriente constante independientemente del voltaje presente en el circuito.
Las fuentes dependientes, que pueden controlarse mediante voltaje o corriente, varían su salida en función de otra
parámetro eléctrico del circuito. La diferencia entre la diferencia de potencial (ddp) y la fuerza electromotriz (fem)
es sutil, pero importante. La ddp es la energía por unidad de carga disponible para convertirse en otra forma de
energía, como calor o luz, mientras que fem es la energía suministrada por unidad de carga debido a la conversión de energía
no eléctrico en eléctrico. En otras palabras, fem es la causa de ddp en un circuito cerrado. Análisis de un circuito
específicos pueden ayudar a ilustrar estos conceptos más claramente, permitiendo una comprensión más profunda del
comportamiento de fuentes en sistemas eléctricos.
Figura 01-01
Observe la Figura 01-01 donde representamos esquemáticamente una fuente de voltaje
y su estructura interna representada por el área resaltada por el rectángulo naranja discontinuo. Básicamente,
toda fuente de voltaje tiene una resistencia interna Ri. Por lo tanto,
cuando colocamos una carga RL en los terminales A-B tendremos una corriente
iL circulando por el circuito.
Entonces surge una caída de voltaje sobre Ri.
Por lo tanto, la diferencia de potencial que aparece en los terminales A-B, es decir, la voltaje
VRL sobre la carga, será la fuerza electromotriz (fem) de la fuente a menos de la caída de
voltaje sobre Ri. Entonces, Ri
y RL forman un divisor de voltaje resistiva.
Asi, podemos escribir la ecuación que define el valor de VRL o
VAB, cómo:
VAB = VRL = V - Ri iL
Tenga en cuenta que los terminales A-B representan los dos terminales de salida de la fuente. En el caso de ser una
pila o batería, tenemos acceso a los terminales A-B, donde el terminal A sería el llamado polo positivo
de la pila o de la batería y el terminal B, sería el polo negativo. Por lo tanto, lo que aparece en amarillo
es la parte interna de la pila o la batería, en la que no tenemos acceso. Entonces, podemos calcular la voltaje que aparece
en estas terminales. Esta voltaje será la diferencia de potencial (ddp)
sobre la resistencia RL. Si no tenemos ninguna carga
(RL = ∞) conectada a la pila o la batería, la curriente
que circula por el circuito será nula. Así, no tendremos caída de voltaje sobre Ri. A continuación,
a DDP coincidirá con la fem (aquí representada por la letra V) de la pila o la batería.
En la práctica, podemos usar un multímetro digital para medir este valor, pues en general,
los multímetros digitales poseen una resistencia interna del orden de 10 megaohms,
representando una carga despreciable.
En este tema estudiaremos cómo se comportan las fuentes de voltage y las fuentes de corriente independientes, analizando
sus principales características como proveedores de energía eléctrica para circuitos eléctricos. Vamos a empezar
estudiando fuentes de voltage y, posteriormente, fuentes de corriente.
Las fuentes de tensión son fuentes que, idealmente, proporcionan una tensión constante
en sus terminales de salida, independientemente de la carga. En la práctica, sin embargo, su tensión de salida
es una función de la carga, es decir, cuanto mayor sea la carga, menor es la tensión de salida. Esto se debe
su resistencia interna, como ya se explicó en el punto anterior. Como ejemplos,
podemos citar las pilas comunes, alcalinas y recargables, comúnmente utilizadas en
linterna, radios portátiles, MP3, MP4, etc...
En el lenguaje popular, cuando las pilas o baterías están desgastadas,
decimos que las mismas se encuentran "descargadas". Esto ocurre debido al desgaste
interno de la pila o batería, y esto hace que haya un aumento considerable de su
resistencia interna. Entonces, cuando queremos que ella alimente una carga, la corriente que
circula por el circuito es suficiente para que prácticamente toda la fem
(fuerza electromotriz) de la pila o batería, se reduzca en la salida debido a la caída
de tensión que ocurre en la resistencia interna de la misma.
Si es pilas comunes, debemos deshacerlas de ellas, pues no hay como recuperarlas.
Sin embargo, si es pilas o baterías recargables, hay cómo recuperarlas,
basta usar un "cargador". Este aparato hace que circule corriente por la
parte interna de la piña o batería, en sentido contrario, haciendo que haya una reducción en la
resistencia interna y con esto decimos, después de un cierto tiempo de recarga,
que la pila o la batería está cargada. Esto permitirá que las mismas sean
utilizadas normalmente, como si fueran nuevas. En general, podemos repetir este proceso de
500 a 1000 veces, dependiendo del tipo de pila o batería y de su fabricante.
Además de pilas o baterías, hoy tenemos como fuentes de tensión, aparatos electro / electrónicos,
desde los más simples, como los cargadores de teléfonos móviles, hasta otros tipos bastante complejos y
específicos.
En nuestro sitio web representaremos una fuente de voltaje independiente como se muestra en la Figura 01-02. Tenga en cuenta que la fuente está representada en naranja.
Las fuentes de corriente son fuentes que, idealmente, proporcionan una corriente constante,
independientemente de la carga. En la práctica, estas fuentes son posibles usando circuitos activos,
es decir, dispositivos electrónicos, tales como transistores, circuitos integrados, etc ....
Se pueden utilizar circuitos pasivos, siempre que el valor de la carga sea mucho menor que la
resistencia interna de la fuente. Así, podemos construir una fuente de corriente, por ejemplo,
se coloca una resistencia, de digamos 1000 ohmios en serie con una fuente de
tensión de 12V.
Si la carga es de aproximadamente 1% del valor de la resistencia de 1000 ohmios,
es decir, 10 ohmios,
entonces tenemos una fuente de corriente de aproximadamente 1,2 mA, corriente
que circulará por la carga de10 ohmios.
Figura 01-03
En la Figura 01-03 vemos un ejemplo de fuente de corriente y el símbolo utilizado para representarla en un circuito básico.
Observe que la corriente I circulará por la resistencia R y sobre esta
tendremos una caída de tensión igual a VR = R. I.
Las Fuentes Dependientes, que pueden ser de tensión o corriente, son aquellas que su valor depende
de otros factores ligados al circuito, como por ejemplo, una tensión o una corriente
sobre algún componente perteneciente al circuito. El modelo eléctrico de un transistor
tiene fuentes dependientes.
Figura 01-04
En la Figura 01-04 vemos un ejemplo de fuente de corriente y de tensión dependiente en un
circuito básico.
La fuente de corriente depende del valor de la corriente de salida I2 y de la constante
g12, donde esta es una característica del dispositivo y su valor puede ser tabulado,
calculado, etc ....
La fuente de tensión depende de la tensión de entrada V1 del circuito,
así como de la constante g21.
Este es sólo un ejemplo.
En este sitio, las fuentes dependientes estarán representadas por el color azul claro.
Vemos en la Figura 01-05 la combinación de fuentes de voltaje y fuentes de corriente. Cuando tenemos dos fuentes de voltaje en serie podemos reemplazarlas con una sola fuente de voltaje y su
valor es igual a la suma de los dos.
Esto es válido cuando la polaridad de las fuentes apunta a
mismo lado. Esto es extenso para cualquier cantidad de fuentes de voltaje.
En el caso de fuentes de corriente paralelas, el mismo principio es válido. Si las flechas están orientadas en la misma dirección, podemos reemplazarlas con una sola fuente con valor igual a la suma de todas las fuentes que conforma el circuito.
Figura 01-06
En Figura 01-06 vemos la combinación de fuentes de voltaje y fuentes de corriente cuando tenemos
polaridades opuestas En este caso, debemos reemplazar las fuentes con una cuyo valor será el
resta de sus valores. Para más de dos fuentes debemos agregarlas algebraicamente.
Preste atención al hecho de que la orientación (dirección) de la fuente única, vista en el circuito anterior, supone que
V1 > V2 y I1 > I2.
En muchos circuitos, las asociaciones de fuentes son muy complejas de resolver. Una de las técnicas más utilizadas en estas situaciones es el uso de
llamado "explosión de fuentes" .
¿En qué consiste esta técnica? Vea el circuito a continuación.
Figura 01-07
Vemos en la Figura 01-07 que tenemos dos fuentes de corriente y una fuente de voltaje.
Tenga en cuenta que la resistencia de 2 ohmios es paralela a la fuente de voltaje V , y
puede eliminarse sin perjuicio de la solución del problema. Esto en virtud de
conocer el valor de la fuente de voltaje y el valor de la resistencia. Entonces sabemos el
corriente eléctrica que atraviesa esta resistencia.
Lo mismo sucede con la resistencia de
8 ohmios en serie con la fuente de corriente 2 A. Retirarlo del circuito
no habrá cambios en el valor de la fuente de corriente, permanecerá 2 A. Entonces el nuevo circuito
se puede ver en la Figura 01-08.
Figura 01-08
Con la eliminación de la resistencia de 8 ohmios obtenemos una fuente
de 2 A que deja el "tierra" y llega al nodo e1.
Entonces, si convertimos esta fuente en dos fuentes de corriente de 2 A,
uno que llega al nodo e2 y otro que sale del nodo e2, no
cambiamos las ecuaciones de los nodos. En el nodo e3 el voltaje es V.
Entonces, si ponemos dos fuentes de voltaje, una en serie con la resistencia de 4 ohmios y
otro en serie con la resistencia de 3 ohmios , tampoco cambiamos las ecuaciones de malla.
Figura 01-09
Vea en la Figura 01-09 cómo fue el circuito.
Por supuesto, las fuentes de que se encuentran entre los nodos e1 y
e2 se pueden agregar algebraicamente.
Con esto obtenemos una única fuente de corriente de 1 A salindo del nodo e2 y
llegando al nodo e1.
Figura 01-10
Vemos en la Figura 01-10 el circuito simplificado y lo fácil que fue su solución.
Al aplicar técnicas que estudiaremos más adelante, encontraremos fácilmente la solución al problema.
En el siguiente enlace, presentamos una de las técnicas utilizadas para resolver este tipo de circuito.
El Teorema de Millman nos permite reducir cualquier número de fuentes de voltaje en paralelo a una sola fuente.
Vea como ejemplo el circuito que se muestra en Figura 01-11.
Figura 01-11
Esta transformación nos permitirá calcular la corriente eléctrica que circula por la carga RL o el voltaje entre sus terminales sin aplicar métodos como el de Kirchhoff , ley de los Nudos, teorema de Norton y otros. Por tanto, debemos entender cómo aplicar este teorema. Resumámoslo en tres pasos.
Paso 1
Debemos convertir todas las fuentes de voltaje en fuentes de corriente usando la transformación de fuente (acceso
Método de transformación de fuentehaciendo clic aquí! ). Vea cómo se ve el circuito resultante en Figura 01-12.
Figura 01-12
Paso 2
Luego de ejecutar la transformación de fuentes, debemos sumar los valores de las fuentes de corrientes que resultaron
de la transformación. Observe atentamente la polaridad de las fuentes y el cálculo.
de la resistencia equivalente resultante. Vea cómo se ve el circuito resultante en la Figura 01-13.
Figura 01-13
Paso 3
Después de realizar los dos pasos anteriores, se creó una fuente de corriente equivalente en paralelo con la resistencia
equivalente del circuito. Ahora, aplicamos la transformación de fuente nuevamente para obtener una fuente de voltaje
equivalente en serie con la resistencia equivalente. Bien, tenemos el circuito transformado. Vea el resultado en la Figura 01-14.
Figura 01-14
Ahora bien, simplemente aplicando la ley de Ohm al circuito es posible calcular la corriente eléctrica en la
carga RL, así como el potencial diferencia a través de él, Vab .
