Esta serie proporcionará una mirada a cada una de estas fuentes eléctricas de energía: luz, presión, fricción, químicos, calor y magnetismo.
Las baterías se pueden representar por un ideal voltaje fuente en serie con la resistencia interna de la batería. Debido a que se supone que una fuente de voltaje ideal tiene un voltaje que no cambia, se denomina fuente de voltaje constante.
Una fuente de voltaje ideal mantiene un voltaje de salida constante independientemente de su resistencia de carga. Por ejemplo, digamos que la fuente de voltaje de la Figura 1a es una fuente de voltaje ideal. Como se muestra en la figura, el voltaje en los terminales abiertos de la fuente es de 10 V. Este voltaje de “terminal abierto” se conoce como voltaje de salida sin carga (VNL). Cuando las diversas resistencias de carga que se muestran en la Figura 1b están conectadas a la fuente, mantiene la misma salida de 10 V. Por lo tanto, para una fuente de voltaje ideal, independientemente del valor de la resistencia de carga, tenemos:
VNL=VRL
donde VRL denota el voltaje a través de la resistencia de carga.
Figura 1. El voltaje de salida de una fuente de voltaje ideal no cambia bajo (a) condiciones sin carga y (b) cargadas.
Para cualquier fuente de voltaje práctica, una disminución en la resistencia de carga da como resultado una disminución en el voltaje de salida de la fuente. Esto radica en el hecho de que cada fuente de voltaje tiene cierta cantidad de resistencia de fuente interna, como lo representa el Resistencia (RS) en la Figura 2a. Cuando se conecta una carga a la fuente, como se muestra en la Figura 2b, forma un divisor de voltaje con la resistencia interna de la fuente. Esto causa que VRL ser menor que el voltaje de salida sin carga (VPaíses Bajos), como se demuestra en el Ejemplo 1.
Figura 2. Una fuente de voltaje práctica
Ejemplo 1: Cálculo de VRL
El voltaje de salida sin carga de la fuente en la Figura 3 es 12V. Calcular los valores de VRL para RL= 100Ω y RL= 20Ω
Figura 3. Fuente de voltaje (E) con la resistencia de carga (RL)
Solución
La resistencia de carga forma un divisor de voltaje con la resistencia interna de la fuente (RS). Cuando RL= 100 Ω, VRL se encuentra como:
Cuando RL = 20 Ω, VRL se encuentra como:
Como puede ver, la disminución de la resistencia a la carga provocó una disminución drástica en VRL.
La resistencia interna de la mayoría de las fuentes de voltaje de CC es de 50 Ω o menos. Como tal, no presenta un problema importante para cargas en el rango de kΩ o superior. Sin embargo, puede causar una caída significativa en el voltaje de salida cuando está presente una carga de baja resistencia. Esta es la razón por la que se considera deseable una baja resistencia interna para una fuente de voltaje de CC.
Operación en paralelo y en serie
Las fuentes de voltaje se pueden operar en serie sin dificultad. La Figura 4a muestra dos fuentes de voltaje conectadas en serie y la Figura 4b muestra el circuito equivalente. El voltaje sin carga del circuito equivalente es la suma de los voltajes sin carga de las fuentes individuales, y la resistencia del circuito equivalente es la suma de las resistencias de las fuentes individuales.
Figura 4. (a) Las fuentes de voltaje se pueden operar en serie sin dificultad, (b) el voltaje de salida equivalente es la suma de los voltajes sin carga de los voltajes sin carga de las fuentes individuales, y la resistencia de la fuente equivalente es la suma de las resistencias de las fuentes individuales.
Las fuentes de voltaje se pueden operar en paralelo solo si los voltajes de la fuente son iguales. Como se ilustra en la Figura 5a y 5b, la resistencia de la resistencia del circuito equivalente es la combinación en paralelo de las resistencias de la fuente individual, y el voltaje sin carga del circuito equivalente, por supuesto, es igual al del paralelo original. fuentes de voltaje conectadas. La Figura 5c muestra que cuando se conectan en paralelo fuentes con voltajes desiguales, la fuente de voltaje más bajo tenderá a descargar la fuente de voltaje más alto.
Figura 5. (a) Las fuentes de voltaje con voltajes iguales se pueden operar en paralelo, (b) el circuito equivalente de fuentes de voltaje conectadas en paralelo, (c) las fuentes de voltaje con voltajes desiguales no deben conectarse en paralelo.
Fuente de voltaje independiente
Una fuente que no depende de ninguna otra cantidad (como voltaje o corriente) en el circuito se denomina fuente independiente. La siguiente figura muestra algunos símbolos comunes para representar fuentes de voltaje independientes:
Figura 6. (a) Fuente de voltaje CC; (b) símbolo de la batería; (c) Símbolo de fuente de voltaje CA
Si conecta una fuente de voltaje independiente ideal a un circuito resistivo o un circuito que contiene una combinación arbitraria de resistencias, inductores y condensadores, el voltaje de salida de la fuente no cambiará. Incluso si duplica el valor de estos componentes, el valor de la fuente de voltaje independiente seguirá siendo constante.
Figura 7. Una fuente de voltaje ideal independiente exhibe un voltaje de salida constante cuando se conecta a una combinación arbitraria de diferentes elementos del circuito.
Fuentes de voltaje dependientes
Como sugiere el nombre, las fuentes de voltaje dependientes (o controladas) son aquellas cuyo voltaje de salida depende de algún otro voltaje o corriente en el circuito. El siguiente símbolo se utiliza para representar la fuente de voltaje dependiente:
Figura 8. Símbolo de fuente de voltaje dependiente
Ahora, trabajemos para comprender las fuentes de voltaje dependientes a través de un ejemplo.
Figura 9. Ejemplo de fuente de voltaje dependiente
En el circuito anterior, tenemos una fuente de voltaje dependiente. El valor de esta fuente viene dado por la expresión 2Ix; donde Ix es la corriente que fluye a través del 2 ohmios resistor. Entonces, a medida que cambia la corriente que fluye a través de esta resistencia de 2 ohmios, el valor de la fuente de voltaje también cambia. Por tanto, podemos concluir que la corriente Ix controla el voltaje de esta fuente de voltaje.
Hay dos tipos de fuentes de voltaje dependientes. La primera es una fuente de tensión controlada por corriente (CCVS) y la segunda es una fuente de tensión controlada por tensión (VCVS).
Fuente de voltaje controlado por corriente (CCVS)
El siguiente diagrama representa la fuente de voltaje controlada por corriente:
Figura 10. Representación de la fuente de voltaje controlada por corriente
Aquí, puede ver que la corriente Iin está controlando el voltaje de salida de la fuente de voltaje dependiente. El voltaje de salida se puede escribir como:
Donde Iin es la corriente que controla el valor de la fuente de voltaje dependiente yr es un coeficiente que tiene la unidad de resistencia. A veces, esta r también se conoce como resistencia trans.
Ejemplo 2: CCVS
Un amplificador operacional configurado en modo de transconductancia (Figura 11 a continuación) actúa como CCVS. El voltaje de salida del amplificador operacional depende de la corriente de entrada. A medida que cambia la corriente de entrada Ii, el voltaje de salida cambia con la siguiente expresión:
Vo = Li RL
Figura 11. Un amplificador operacional en modo de transconductancia; un ejemplo de CCVS.
Fuente de voltaje controlada por voltaje (VCVS)
El siguiente diagrama representa la fuente de voltaje controlada por voltaje:
Figura 12. Representación de la fuente de voltaje controlada por voltaje.
Aquí, una cantidad de voltaje, Vin, controla el valor de la fuente de voltaje dependiente. El voltaje de salida Vout se puede escribir como:
Donde Vin es el voltaje de entrada que controla el voltaje de esta fuente de voltaje y µ es un coeficiente sin unidades. El coeficiente µ también se conoce como relación de transferencia de voltaje.
Ejemplo 3: VCVS
Cuando configuramos un amplificador operacional en una configuración inversora o no inversora, actúa como un VCVS. Una vez que ajustamos la ganancia, el voltaje de salida Vo depende del voltaje de entrada Vi. A medida que cambiamos Vi, el voltaje de salida cambia en consecuencia mediante la siguiente expresión:
Figura 13. Un amplificador operacional en configuración inversora; un ejemplo de VCVS.
Lo más importante es...
Una fuente de voltaje ideal proporciona una salida constante, independientemente del valor de su resistencia de carga RL. Una fuente de voltaje práctica, por otro lado, tiene un voltaje de salida que varía con RL. Esto significa que un cambio en la resistencia de carga provocará un cambio en el voltaje de carga. Las características de las fuentes de voltaje ideales y prácticas se resumen en la Figura 14.
