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La ciencia es el gran antídoto contra el veneno del entusiasmo y la superstición.

Adam Smith(1723-1790).
Economista y filósofo escocés.
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 FUENTES DE TENSIÓN Y DE CORRIENTE

Los objetivos de este primer tema serán los siguientes:

  • Conocimiento de las leyes básicas de la electrónica.
  • Que el usuario sea capaz de definir una fuente ideal de tensión y una fuente ideal de corriente.
  • Ser capaz de reconocer una fuente de tensión constante y una fuente de corriente constante.
  • Aplicación de los teoremas Thévenin y Norton para sustituirlos frente a una carga resistiva.
  • Ser capaz de explicar dos características sobre los dispositivos en circuito abierto y en cortocircuito.
  • Conocimiento general de las averías posibles en circuitos electrónicos.
  • Saber la aproximación necesaria a utilizar en los diferentes análisis.

Conceptos básicos

Ley de Ohm

Leyes de Kirchhoff

Ley de Kirchhoff de tensiónes

Ley de Kirchhoff de corrientes Resistencias

Resistencias en serie

Resistencias en paralelo Generadores

Generadores de Continua

Generadores de Alterna Aparatos de medición

Voltímetro

Amperímetro

Óhmetro

Para el correcto conocimiento de la electrónica es necesario saber algunas leyes y teoremas fundamentales como la Ley de Ohm, las Leyes de Kirchhoff, y otros teoremas de circuitos.

Ley de Ohm

Cuando una resistencia es atravesada por una corriente se cumple que:

  • Donde V es la tensión que se mide en voltios (V).
  • Donde I es la intensidad de la corriente que atraviesa la resistencia, y que se mide en Amperios (A).
  • Donde R es la resistencia que se mide en Ohmios (W).

Leyes de Kirchhoff

Ley de Kirchhoff de tensiones

La suma de las caídas de tensiones de todos los componentes de una malla cerrada debe ser igual a cero. 


V2 + V3 + V4 - V1 = 0

Ley de Kirchhoff de corrientes

La suma de corrientes entrantes en un nodo es igual a la suma de corrientes salientes del nodo.


I1 = I2 + I3 + I4

Resistencias

Resistencias en serie

Dos o más resistencias en serie (que les atraviesa la misma intensidad) es equivalente a una única resistencia cuyo valor es igual a la suma de las resistencias.

RT = R1 + R2

Resistencias en paralelo

Cuando tenemos dos o más resistencias en paralelo (que soportan la misma tensión), pueden ser sustituidas por una resistencia equivalente, como se ve en el dibujo:

 el valor de esa resistencia equivalente (RT) lo conseguimos mediante esta expresión:

Generadores

Generadores de Continua

Pueden ser tanto fuentes de corriente como de tensión, y su utilidad es suministrar corriente o tensión, respectivamente de forma continua.

Generador de corriente continua
Generador de tensión continua

Generadores de Alterna

Pueden ser tanto fuentes de corriente como de tensión, y su utilidad es suministrar corrientes o tensiones, respectivamente de forma alterna (por ejemplo: de forma senoidal, de forma triangular, de forma cuadrada., etc....).

Generador de corriente alterna
Generador de tensión alterna

Aparatos de medición.

Voltímetro.

Aparato que mide tensiones eficaces tanto en continua como en alterna, y su colocación es de forma obligatoria en "paralelo" al componente sobre el cual se quiere medir su tensión.

Voltímetro de continua

dc = direct current (corriente directa, corriente de continua)

Voltímetro de alterna

ac = altern current (corriente alterna)

Errores al medir con voltímetros

Al medir con un voltímetro se comete un pequeño error porque dentro del voltímetro hay un resistencia interna (Rint.), que tiene un valor muy grande (se suele aproximar a infinito).

Amperímetro.

Aparato que mide el valor medio de la corriente, y su colocación es de forma obligatoria en "serie" con el componente del cual se quiere saber la corriente que le atraviesa.

Amperímetro de continua

Amperímetro de alterna

Errores al medir con amperímetros

Como ocurre con el voltímetro, al medir con le amperímetro se comete un error debido a una resistencia interna (Rint.) de valor muy pequeño (se suele aproximar a cero).

Óhmetro

Aparato que mide el valor de las resistencias, y que de forma obligatoria hay que colocar en paralelo al componente estando éste separado del circuito (sin que le atraviese ninguna intensidad). Mide resistencias en Ohmios (W).

Errores al medir con óhmetros

Como se ha visto anteriormente, todo aparato de medición comete un error que a veces se suele despreciar, con los óhmetros ocurre lo mismo, aunque se desprecie ese error hay que tener en cuenta que se suele hacer una pequeña aproximación.

Fuentes de tensión

Fuente de tensión ideal

Fuente de tensión real

Fuente de tensión (aproximadamente) constante

Los circuitos electrónicos deben poseer para su funcionamiento adecuado de al menos una fuente de energía eléctrica, que  debe ser una fuente de tensión o de corriente.

Fuente de tensión ideal

Es una fuente de tensión que produce una tensión de salida constante, es una Fuente de Tensión con Resistencia interna cero. Toda la tensión va a la carga RL.

Fuente de tensión real

Algunos ejemplos de fuentes de tensión reales son:

Son las fuentes de tensión que tenemos en la realidad, como ya hemos dicho no existe una fuente ideal de tensión, ninguna fuente real de tensión puede producir una corriente infinita, ya que en toda fuente real  tiene cierta resistencia interna.

Veamos que ocurre en 2 casos, cuando RL vale 10 W y cuando vale 5 W.

Ahora la tensión en la carga no es horizontal, esto es, no es ideal como en el caso anterior.

Fuente de tensión (aproximadamente) constante

Para que una fuente de tensión sea considerada como una "Fuente de tensión constante", se tiene que cumplir que la resistencia interna de la fuente (Rint) no este, esto es que sea despreciable. Para que despreciemos la Rint se tiene que cumplir:

Solo se pierde el 1 % en el peor caso, por lo tanto se está aproximando a la fuente de tensión ideal.

Veamos que ocurre en 2 valores diferentes de RL.

Resumen

  • Fuente de tensión ideal es la que tiene una Rint. = 0 y produce en la salida una VL = cte.
  • Fuente de tensión real es la que tiene una determinada Rint. En esta Rint. hay una pérdida de tensión. El resto de tensión va a la carga que es la que se aprovecha.
  • Fuente de tensión constante es la que tiene una Rint. <= RL/100. La caída en la Rint. es como mucho el 1 %, aproximadamente a la ideal, que es el 0 %.

Si tenemos que comparar dos fuentes de tensión, la mejor será la que tenga una Rint. más pequeña (o sea la que más parecida a la ideal, que tiene una Rint. = 0 W).

Fuentes de corriente

Fuente de corriente ideal

Fuente de corriente real

Fuente de corriente (aproximadamente) constante

En el caso anterior de la fuente de tensión había una resistencia interna muy pequeña, pero una fuente de corriente es diferente, tiene una resistencia interna muy grande, así una fuente de corriente produce una corriente de salida que no depende del valor de la resistencia de carga.

Fuente de corriente ideal

No existe, es ideal como en el anterior caso de la fuente de tensión ideal..

Fuente de corriente real

Son las fuentes que existen en la realidad.

Veamos que ocurre con los diferentes valores de RL.

Con esto vemos que una fuente de corriente funciona mejor cuando su resistencia interna es muy alta, mientras que una fuente de tensión funciona mejor cuando su resistencia interna es muy baja. La intensidad de carga tiene esta forma:

Fuente de corriente (aproximadamente) constante

Solo se pierde el 1 % en el peor caso. Con esto nos aproximamos a la fuente de corriente ideal. Veamos 2 valores diferentes de RL.

Resumen

  • Fuente de corriente ideal es la que tiene una Rint = 8 y produce en la salida una IL = cte.
  • Fuente de corriente real es la que tiene una determinada Rint. En esta hay pérdida de corriente. El resto de la corriente va a la carga que es la que se aprovecha.
  • Fuente de corriente constante es la que tiene una Rint >= 100RL. La corriente que se pierde por la Rint es como mucho el 1 %, aproximadamente a la ideal, que es el 0 %.

Si tenemos que comparar 2 fuentes de corriente, la mejor será la que tenga una Rint más grande (o sea la más parecida a la ideal, que tiene una Rint = 8).

Teorema de Thévenin

Vamos a dar dos teoremas (Thévenin y Norton) que nos van a servir para hacer más fácil (simplificar) la resolución de los circuitos.

a) Calcular la IL cuando RL = 1,5 kW.
b) Calcular la IL cuando RL = 3 kW.
c) Calcular la IL cuando RL = 4,5 kW.

  • Ley de Kirchhoff de tensiones.
  • a)
    b)
    c)
  • Thévenin.
  • Quitar la carga RL.
  • Hacemos mallas y calculamos Vth:
  •  Cortocircuitar las fuentes de tensión independientes y abrir las fuentes de corriente independientes.
  • Unir la carga al circuito equivalente conseguido.

Ahora aplicando Thévenin es mucho más fácil resolver el problema que teníamos.

a)
b)
c)

Ejemplo: Calcular el equivalente de Thévenin del siguiente circuito:





Teorema de Norton

Este teorema esta muy relacionado con el Teorema de Thévenin. Resolveremos el problema anterior usando el teorema de Norton.

a) Calcular la IL cuando RL = 1,5 kW.
b) Calcular la IL cuando RL = 3 kW.
c) Calcular la IL cuando RL = 4,5 kW.

  • Norton.
  • Quitar la carga RL y poner un cortocircuito (RL = 0).
  • Hacemos mallas y calculamos Vth:
  •  Cortocircuitar las fuentes de tensión independientes y abrir las fuentes de corriente independientes.
  • Unir la carga al circuito equivalente conseguido.

Ahora aplicando Thévenin es mucho más fácil resolver el problema que teníamos.

a)
b)
c)

Paso de circuito Thévenin a circuito Norton y de circuito Norton a circuito Thévenin

Paso de circuito Thévenin a circuito Norton

Paso de circuito Norton a circuito Thévenin

Como se ha dicho anteriormente los teoremas de Thévenin y Norton están relacionados, así se puede pasar de uno a otro.

Paso de circuito Thévenin a circuito Norton

Tenemos el circuito siguiente:

Cortocircuitamos la carga (RL) y obtenemos el valor de la intensidad Norton, la RN es la misma que la RTh.

Paso de circuito Norton a circuito Thévenin

Tenemos este circuito:

Abrimos la carga (RL) y calculamos la VTh, la RTh es la misma que la RN.

Detección de averías

Cortocircuito

Circuito abierto

se trata de descubrir porque el circuito no funciona como debería. Los 2 tipos de averías más comunes son: dispositivo en cortocircuito y dispositivo en circuito abierto.

Cortocircuito

Sus características son:

  • La tensión es cero en el dispositivo.
  • La corriente es desconocida.

Una resistencia puede estar en cortocircuito si, por ejemplo, durante durante el horneado y soldadura de una tarjeta de circuito impreso, se cae una gota de soldadura y conecta 2 pistas cercanas, es un "Puente de Soldadura", esto es, cortocircuitar un dispositivo entre 2 pistas.

Hay que mirar en el resto del circuito para calcular la I.

Circuito abierto

Se dan estas 2 características.

  • La corriente es cero a través del dispositivo.
  • La tensión es desconocida.

En circuitos impresos una mala soldadura significa la no conexión normalmente, esto es una "Unión de Soldadura Fría" y significa que el dispositivo está en circuito abierto.

Las resistencias se convierten en circuitos abiertos cuando la potencia que disipan es excesiva.
Ejemplo:

Primeramente no hay ninguna avería, hacemos el equivalente.

De esa tensión VA la mitad se disipa en la resistencia entre B y D de 100 kW y la otra mitad en la resistencia  entre A y B de 100 kW.

Para detectar averías no hace falta hacer unos cálculos tan exactos, entonces tendríamos de forma aproximada VA = 6 V y VB = 3 V.

R1 en Cortocircuito:

R1 en Circuito Abierto:

R2 en Circuito Abierto:

Aproximaciones

Para facilitar los cálculos se hacen aproximaciones, ya que hay ciertos valores que se pueden despreciar respecto a otros y que no influyen en gran medida en el resultado final, variándolo en un porcentaje muy pequeño respecto al resultado real. Las aproximaciones vistas hasta ahora son:

Mas adelante estudiaremos el diodo y el transistor y veremos que en estos 2 dispositivos también se usan 3 aproximaciones.

Problemas

Problema 1.1

Problema 1.2

Problema 1.3

Problema 1.4

En este último apartado de este tema se resolverán algunos problemas relacionados con lo visto anteriormente.

Problema 1.1

En la figura se muestra una fuente de corriente de 2 mA con una resistencia de carga ajustable. Para que la fuente de corriente sea constante, ¿cuál el el máximo valor aceptable para la resistencia de carga?

Solución:

La fuente de corriente es constante cuando la resistencia de carga máxima permisible vale:

La corriente por la carga será aproximadamente de 3 mA para cualquier resistencia de carga entre 0 y 150 kW. Mientras la resistencia de carga sea menor que 150 kW, podemos ignorar la resistencia interna de 15 MW y considerar que la fuente de corriente es ideal.

Problema 1.2

En la figura se muestra un circuito Thévenin. Convertirlo en un circuito Norton.

Solución:

En primer lugar, se cortocircuitarán los terminales de carga, como se muestra en la figura:

Con esto se calculará la corriente por la carga en este circuito, que es:

Esta corriente de carga en cortocircuito es igual a la corriente de Norton. La resistencia Norton es igual a la resistencia Thévenin:

Ahora se dibuja el circuito Norton.

La corriente Norton es igual a la corriente con la carga en cortocircuito (5 mA) y la resistencia Norton es igual a la resistencia Thévenin (3 kW).

Problema 1.3

Diseñar un divisor de tensión para el circuito de la figura que genere una tensión fija de 10 V para todas las resistencias de carga mayores que 1 MW.

Solución:

Se estudian los casos extremos para determinar los valores de las resistencias R1 y R2.

Problema 1.4

Sólo con una pila D, un polímetro y una caja con varias resistencias, describa un método mediante el cual, empleando una resistencia, halle la resistencia Thévenin  de la pila.

Solución:

Con estos 2 valores obtenemos el valor de la resistencia Thévenin.

Esta fórmula se suele utilizar para calcular Zi, Zo y Z vista desde dos puntos. Es una fórmula muy importante.

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