Como su nombre indica, una fuente de corriente es un elemento del circuito que mantiene un flujo de corriente constante independientemente de la tensión desarrollada a través de sus terminales ya que esta tensión está determinada 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 esté manejando y como tal, una fuente de corriente ideal podría, en teoría, suministrar una cantidad infinita de energía. Así que, al igual que una fuente de tensión 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 tensión, pero esta vez el símbolo de la fuente de corriente es el de un círculo con una flecha en su interior para indicar la dirección del flujo de la corriente. La dirección de la corriente corresponderá a la polaridad de la tensión correspondiente, que sale del terminal positivo. La letra «i» se utiliza para indicar que se trata de una fuente de corriente, como se muestra.
Fuente de corriente ideal
Entonces, una fuente de corriente ideal se denomina «fuente de corriente constante», ya que proporciona una corriente constante en estado estacionario independiente de la carga conectada a ella, produciendo una característica I-V representada por una línea recta. Al igual que con las fuentes de tensión, la fuente de corriente puede ser independiente (ideal) o dependiente (controlada) por una tensión 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 las técnicas de análisis de circuitos que contienen elementos activos reales. La forma más sencilla de una fuente de corriente es una resistencia en serie con una fuente de tensión 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 ya que R = 0.
El concepto de 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 se suelen abreviar como amperios. La relación física entre una fuente de corriente y las variables de tensión en torno a una red viene dada por la ley de Ohm, ya que estas variables de tensión y corriente tendrán valores especificados.
Puede ser difícil especificar la magnitud y la polaridad de la tensión de una fuente de corriente ideal en función de la corriente, especialmente si hay otras fuentes de tensión o corriente en el circuito conectado. Entonces podemos conocer la corriente suministrada por la fuente de corriente pero no la tensión a través de ella, a menos que se dé la potencia suministrada por la fuente de corriente, ya que P = V*I.
Sin embargo, si la fuente de corriente es la única fuente dentro del circuito, entonces la polaridad de la tensión a través de la fuente será más fácil de establecer. Sin embargo, si hay más de una fuente, entonces la tensión en los terminales dependerá de la red en la que esté conectada la fuente.
Conexión de fuentes de corriente
Al igual que las fuentes de tensión, las fuentes de corriente ideales también pueden conectarse entre sí para aumentar (o disminuir) la corriente disponible. Pero hay 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 las fuentes individuales. En este ejemplo, dos fuentes de corriente de 5 amperios se combinan para producir 10 amperios como IT = I1 + I2.
Se pueden conectar en paralelo fuentes de corriente de diferentes valores. Por ejemplo, una de 5 amperios y otra de 3 amperios se combinarían para dar una única fuente de corriente de 8 amperios ya que las flechas que representan la fuente de corriente apuntan ambas en la misma dirección. Entonces, como las dos corrientes se suman, se dice que su conexión es: paralela-opuesta.
Aunque no es la mejor práctica para el análisis de circuitos, las conexiones paralelas-opuestas utilizan fuentes de corriente que se conectan en direcciones opuestas para formar una única fuente de corriente cuyo valor es la resta algebraica de las fuentes individuales.
Fuentes de corriente opuestas en paralelo
Aquí, como las dos fuentes de corriente están conectadas en direcciones opuestas (indicadas por sus flechas), las dos corrientes se sustraen la una de la otra ya que las dos proporcionan un camino de bucle cerrado para una corriente circulante que cumple con la Ley de la Corriente de Kirchoff, KCL. Así, por ejemplo, dos fuentes de corriente de 5 amperios cada una darían como resultado una salida cero, ya que 5A -5A = 0A. Igualmente, si las dos corrientes son de valores diferentes, 5A y 3A, entonces la salida será el valor restado con la corriente menor restada de la corriente mayor. Resultando una TI de 5 – 3 = 2A.
Hemos visto que las fuentes de corriente ideales pueden conectarse en paralelo para formar fuentes de corriente de ayuda o de oposición en paralelo. Lo que no está permitido o no es la mejor práctica para el análisis de circuitos, es conectar juntas fuentes de corriente ideales en combinaciones en serie.
Fuentes de corriente en serie
No se permite la conexión en serie de fuentes de corriente, ya sean del mismo valor o de valores diferentes. Aquí, en este ejemplo, se conectan en serie dos fuentes de corriente de 5 amperios cada una, pero cuál es el valor de la corriente resultante. ¿Es igual a una fuente de 5 amperios, o es igual a la suma de las dos fuentes, es decir, 10 amperios? Entonces las fuentes de corriente conectadas en serie añaden un factor desconocido en el 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 pueden no suministrar la misma corriente en la misma dirección. Las corrientes de ayuda en serie o de oposición en serie no existen para las fuentes de corriente ideales.
Ejemplo de fuente de corriente nº1
Dos fuentes de corriente de 250 miliamperios y 150 miliamperios respectivamente están conectadas juntas en una configuración de ayuda en paralelo para alimentar una carga conectada de 20 ohmios. Calcule la caída de tensión a través de la carga y la potencia disipada. Dibuje 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 de forma indefinida independientemente de la tensión en sus terminales, lo que la convierte en una fuente independiente. Esto implica, por tanto, 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 forma un poco diferente, ya que las fuentes de corriente prácticas siempre tienen una resistencia interna, por muy grande que sea (normalmente en el rango de los mega-ohmios), lo que hace que la fuente generada varíe un poco con la carga.
Una fuente de corriente práctica o no ideal puede representarse 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 (shunt) con la fuente de corriente como se muestra. Recuerde que los elementos del circuito en paralelo tienen exactamente la misma caída de tensión a través de ellos.
Fuente de corriente ideal y práctica
Habrás observado que una fuente de corriente práctica se asemeja mucho a la de un circuito equivalente de Norton, ya que el teorema de Norton establece que «cualquier red lineal de corriente continua puede ser sustituida por un circuito equivalente formado por una fuente de corriente constante».constante, IS en paralelo con una resistencia, RP». Obsérvese 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 puede modelarse como ideal.
Una fuente de corriente ideal traza una línea horizontal en la característica I-V como se ha mostrado anteriormente. Sin embargo, como las fuentes de corriente prácticas tienen una resistencia de fuente interna, esta 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 se está dividiendo en dos partes, con una parte de la corriente que fluye en la resistencia paralela, RP y la otra parte de la corriente que fluye directamente a los terminales de salida.
La ley de Ohms nos dice que cuando una corriente, (i) fluye a través de una resistencia, (R) se produce una caída de tensión a través de la misma resistencia. El valor de esta caída de tensión vendrá dado por i*RP. Entonces VOUT será igual a la caída de tensión a través de la resistencia sin carga. Recordamos que para una fuente de corriente ideal, RP es infinito ya que no hay resistencia interna, por lo tanto la tensión en bornes será cero ya que no hay caída de tensión.
La suma de la corriente alrededor de la espira dada por la ley de corriente de Kirchoff, KCL es: IOUT = IS – VS/RP. Esta ecuación se puede trazar para obtener las características I-V de la corriente de salida. Se da como una línea recta con una pendiente -RP que intercepta el eje de tensión 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 I-V en línea recta, pero las fuentes de corriente prácticas no ideales o reales tendrán una característica I-V ligeramente inclinada hacia abajo en una cantidad igual a VOUT/RP, donde RP es la resistencia interna de la fuente.
Ejemplo de fuente de corriente nº2
Una fuente de corriente práctica consiste en una fuente de corriente ideal de 3A que tiene una resistencia interna de 500 Ohms. En vacío, calcule la tensión en bornes en vacío de la fuente de corriente y la potencia en vacío absorbida por la resistencia interna.
1. Valores en vacío:
A continuación se calcula la tensión en circuito abierto entre la resistencia interna de la fuente y los terminales A y B (VAB) a 1500 voltios.
Parte 2: Si se conecta una resistencia de carga de 250 ohmios 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 tensión a través de la resistencia de carga. Dibuje el circuito.
2. Datos dados con la carga conectada: IS = 3A, RP = 500Ω y RL = 250Ω
2a. Para encontrar las corrientes en cada rama resistiva, podemos utilizar la regla de división de la corriente.
2b. La potencia absorbida por cada resistencia viene dada por:
2c. Entonces la caída de tensión a través de la resistencia de carga, RL viene dada como:
Podemos ver que la tensión en bornes de una fuente de corriente práctica en circuito abierto puede ser muy alta, producirá la tensión que sea necesaria, 1500 voltios en este ejemplo, para suministrar la corriente especificada. En teoría, esta tensión en bornes puede ser infinita ya que la fuente intenta suministrar la corriente nominal.
Conectando una carga a través de sus bornes se reducirá la tensión, 500 voltios en este ejemplo, ya que ahora la corriente tiene un lugar al que ir y para una fuente de corriente constante, la tensión en bornes es directamente proporcional a la resistencia de la carga.
En el caso de las fuentes de corriente no ideales que tienen cada una una resistencia interna, la resistencia interna total (o impedancia) será el resultado de combinarlas 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 de la tensión a través de ella y como tal producirá cualquier tensión que sea necesaria para mantener la corriente requerida. Esto la hace completamente independiente del circuito al que está conectada, por lo que se denomina fuente de corriente ideal independiente.
Una fuente de corriente controlada o dependiente, por otro lado, cambia su corriente disponible dependiendo de la tensión a través de, 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 otra tensión o corriente.
Las fuentes de corriente dependientes se comportan de forma similar a las fuentes de corriente que hemos visto hasta ahora, tanto ideales (independientes) como prácticas. La diferencia esta vez es que una fuente de corriente dependiente puede ser controlada por una tensión o corriente de entrada. Una fuente de corriente que depende de una entrada de tensión se denomina generalmente Fuente de Corriente Controlada por Tensión o VCCS. Una fuente de corriente que depende de una entrada de corriente se conoce generalmente como una fuente de corriente controlada por corriente o CCCS.
Generalmente, una fuente dependiente de corriente ideal, ya sea controlada por tensión o por corriente se designa con un símbolo en forma de diamante donde una flecha indica la dirección de la corriente, i como se muestra.
Símbolos de fuente de corriente dependiente
Una fuente de corriente dependiente ideal controlada por tensión, VCCS, mantiene una corriente de salida, IOUT que es proporcional a la tensión de entrada de control, VIN. En otras palabras, la corriente de salida «depende» del valor de la tensión de entrada, lo que la convierte en una fuente de corriente dependiente.
Entonces la corriente de salida VCCS se define mediante la siguiente ecuación: IOUT = αVIN. Esta constante multiplicadora α (alfa) tiene las unidades del SI de mhos, ℧ (un signo de Ohms invertido) porque α = IOUT/VIN, y sus unidades serán, por tanto, amperios/voltios.
Una fuente de corriente dependiente ideal, CCCS, mantiene una corriente de salida que es proporcional a una corriente de entrada controladora. Entonces la corriente de salida «depende» del valor de la corriente de entrada, lo que la convierte de nuevo en una fuente de corriente dependiente.
Como una corriente controladora, IIN determina la magnitud de la corriente de salida, IOUT veces la constante de aumento β (beta), la corriente de salida para un elemento CCCS se determina mediante la siguiente ecuación: IOUT = βIIN. Nótese que la constante multiplicadora β es un factor de escala adimensional ya que β = IOUT/IIN, por lo que sus unidades serían amperios/amperios.
Resumen de la fuente de corriente
Hemos visto en este tutorial sobre Fuentes de Corriente, que una fuente de corriente ideal, (R = ∞) es un elemento activo que proporciona una corriente constante y totalmente independiente de la tensión a través de ella como consecuencia de que la carga conectada a la misma produce una característica I-V representada por una línea recta.
Las fuentes de corriente independientes pueden conectarse juntas en paralelo para las técnicas de análisis de circuitos como configuraciones de ayuda en paralelo o de oposición en paralelo, pero no pueden conectarse juntas en serie. También para resolver análisis de circuitos y teoremas, las fuentes de corriente se convierten en fuentes con circuito abierto para que su corriente sea igual a cero. Observe también que las fuentes de corriente son capaces de entregar o absorber potencia.
En el caso de las fuentes de corriente no ideales o prácticas, se pueden modelar como una fuente de corriente ideal equivalente y una resistencia interna conectada en paralelo (shunt) que no es infinita, sino de un valor que es muy alto como R ≈ ∞ produciendo una característica I-V que no es recta sino que tiene una pendiente hacia abajo a medida que la carga disminuye.
También hemos visto aquí que las fuentes de corriente 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 tensión, VCCS, y la fuente de corriente controlada por corriente, CCCS, son tipos de fuentes de corriente dependientes.