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Los denominados generadores o fuentes son los elementos activos del circuito y son los encargados del suministro de energía eléctrica al circuito. Los dos modelos empleados son: generadores de corriente y generadores de tensión en circuitos. Los generadores de corriente y de tensión pueden ser tanto dependientes como independientes y también generadores ideales o reales. En este tema se estudiarán los generadores ideales y reales.
«Una fuente de voltaje proporciona energía eléctrica o fuerza electromotriz (fem), más comúnmente conocida como voltaje. El voltaje se produce por medio de energía química, energía luminosa y energía magnética combinadas con movimiento mecánico. Una fuente de corriente proporciona una corriente constante a una carga.»
Thomas Floyd
A continuación, se va a profundizar en la descripción de los generadores ideales y reales.
Generador de tensión ideal
Un generador o fuente de tensión ideal es elemento del circuito que proporciona energía eléctrica. Esta es distribuida con una tensión independiente de la corriente que pasa por él. De otro lado, “una fuente de voltaje ideal puede proporcionar un voltaje constante para cualquier corriente requerida por un circuito”. Esto puede observarse en la gráfica de tensión contra corriente en una fuente de tensión ideal.
El voltaje es constante para cualquier corriente generada por la fuente. En la práctica, con una fuente de voltaje conectada en un circuito, el voltaje sufre una pequeña disminución a medida que se incrementa la corriente. Si se conecta una carga al generador de tensión ideal, el generador suministra corriente al circuito. Esta corriente tiene un valor que depende de la magnitud de la impedancia de carga.
La tensión puede o no ser dependiente del tiempo. Cuando la tensión depende del tiempo, se representa con letra minúscula y cuando no depende del tiempo se representa con mayúscula. Cuando la tensión no es dependiente del tiempo, corresponde a un generador o fuente de corriente continua. Las pilas o acumuladores son ejemplos de generadores no dependientes del tiempo (corriente continua). Por otro lado, cuando la tensión es dependiente del tiempo, corresponde a un generador o fuente de corriente alterna.
Generador de corriente ideal
Un generador o fuente de corriente ideal, es un elemento activo del circuito. Dicho elemento proporciona energía con una corriente determinada, independientemente de la tensión presente en los terminales. En relación con ello, Thomas Floyd refiere que “una fuente de corriente ideal puede proporcionar una corriente constante para cualquier carga. Al igual que en el caso de una fuente de voltaje, la fuente de corriente ideal no existe, pero puede ser aproximada en la práctica”.
Se observa en vertical una recta que representa el valor de la corriente que ha sido suministrada por la fuente o generador. Esto debido a que el valor de la corriente no depende de la tensión en los terminales, es decir, la corriente es constante para cualquier voltaje de la fuente de corriente. Por otro lado, es importante destacar que, la tensión en los terminales de la fuente de corriente es dependiente de la carga externa a la que esté conectada.
Generador de tensión real
Para empezar, cabe traer a colación lo expuesto por Jesús Fraile Mora; “un generador de tensión real es aquel elemento activo del circuito que proporciona energía eléctrica con una determinada tensión que depende de la corriente que pasa por él.”. En un generador de tensión real, a diferencia del ideal, la tensión no se mantiene constante. A medida que aumenta la intensidad de corriente, sino que disminuye con la misma.
Esta disminución es debida a que el generador de tensión real tiene una determinada resistencia, en el caso de corriente continua una resistencia y en el caso de corriente alterna el generador presenta una cierta impedancia.
En esta resistencia o impedancia se produce una caída de potencial. La ecuación de u(t) mostrada en la figura se basa en la ley de las tensiones de Kirchhoff antes estudiada (Segunda ley de Kirchhoff). Se puede ver que se cumple que la diferencia de potencial en los terminales es equivalente a la tensión de la fuente menos la tensión en la impedancia Z.
Generador de corriente real
Fraile Mora menciona que “un generador de corriente real es un elemento activo que proporciona energía eléctrica con una determinada corriente que depende de la tensión en bornes”. El generador real de corriente presenta una admitancia en paralelo en el caso de corriente alterna. Por otro lado, en corriente directa el generador real de corriente presenta conectada en paralelo una conductancia.
Se muestra el circuito equivalente del generador real de corriente. Se deriva de aplicar la ley de las corrientes de Kirchhoff, antes estudiada. (Primera Ley de Kirchhoff). La relación tensión corriente en estos generadores es una línea recta de pendiente negativa, ya que en la admitancia conectada en paralelo a la fuente se produce una derivación de corriente i1.
Fuentes de voltaje en serie
Respecto a las fuentes de voltaje en serie, Robbins y Miller expresan que “si un circuito tiene más de una fuente de voltaje en serie, estas pueden ser reemplazadas por una sola fuente que tenga un valor que es la suma o la diferencia de cada una de las fuentes individuales”. [3 p.124]. La fuente resultante se determina mediante la suma de las fuentes individuales, si las polaridades de todas las fuentes de voltaje son iguales, por ejemplo, si las fuentes aparecen como elevaciones de voltaje en una misma dirección.
Puede ocurrir que las fuentes tengan diferente polaridad, lo que se debe tener en cuenta para determinar la polaridad y la magnitud de la fuente de voltaje equivalente. Por ejemplo, si las polaridades de las fuentes de voltaje no son todas elevaciones de voltaje en la misma dirección, la magnitud de la fuente equivalente será la suma de las elevaciones en una dirección restándole la suma de las elevaciones en la dirección opuesta.
En estos casos, la polaridad de la fuente de voltaje equivalente será la misma que la polaridad de aquella dirección que tiene la elevación más grande. Otro punto importante a destacar es que, para facilitar las operaciones en circuito en serie, incluso para visualizar mucho mejor el circuito y brindar más comodidad en las operaciones, se puede variar el orden de los componentes (ya sean fuentes de voltaje u otros elementos del circuito). Esta variación no afectará la operación del circuito.
Fuentes de voltaje en paralelo
Las fuentes de voltaje de diferentes potenciales nunca deben conectarse en paralelo, ya que cuando esto se hace se contradice la ley de voltaje de Kirchhoff. Esto no sucede cuando las fuentes conectadas en paralelo tienen igual potencial, en este caso se cumple que cada fuente suministra la mitad de la corriente que requiere el circuito.
Desde la perspectiva de Jesús Fraile Mora dijo “las fuentes ideales de tensión no pueden conectarse en paralelo, de no ser que tengan sus tensiones iguales…, lo contrario conduciría a una indeterminación en la red”. Además, Robbins y Miller señalan que “En la práctica, si las fuentes de voltaje de diferentes potenciales se colocan en paralelo, el lazo cerrado resultante puede tener una corriente muy grande, esto ocurrirá aun cuando no haya una carga conectada a las fuentes.”.
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