Fuente de voltaje: qué es, características, tipos, ejercicios

¿Qué es una fuente de voltaje?

Las fuentes de voltaje son uno de los tipos de generadores de fuerza electromotriz(f.e.m.), las cuales suministran energía a los portadores de carga de un circuito eléctrico a una tensión o voltaje fijo y regulado por la fuente misma, independientemente de la impedancia circuital.

El otro tipo de fuente de fuerza electromotriz (f.e.m.) son las fuentes de corriente, las cuales entregan energía al circuito de modo tal que, sin importar la resistencia circuital, el amperaje se mantiene estable.

Una fuente de voltaje real siempre está limitada a un rango de operación, es decir que opera entre un rango mínimo y máximo de voltaje y entre un mínimo y máximo de corriente.

La potencia de una fuente es básicamente el producto del voltaje máximo y la corriente máxima que pueda suministrar. Por tanto, las fuentes de voltaje que operen al mismo voltaje máximo, pueden ser más o menos potentes, dependiendo de la máxima corriente que suministren al circuito que alimentan.

Tipos de fuentes de voltaje

Las fuentes de voltaje pueden ser de dos tipos:

• Corriente directa
• Corriente alterna. 

Pilas y baterías

Entre las fuentes de voltaje de corriente continua están las pilas voltaicas o baterías.

En las pilas y baterías la energía se genera a partir de reacciones químicas que producen intercambio de carga eléctrica entre las sustancias reaccionantes. 

Generadores y alternadores

Entre las fuentes de voltaje alterno están los alternadores y generadores.

La fuente de energía de los mismos es de origen mecánico, por ejemplo: 

• La fuerza que se aplica a una manivela o polea conectada al generador es convertida en corriente alterna. 
• En las presas hidroeléctricas la energía potencial de la caída de agua mueve las turbinas. 
• En las ruedas de paletas movida por la corriente de un río la energía cinética de la rueda es transferida al generador.

Circuitos rectificadores e inversores

Las baterías no son exclusivamente las únicas fuentes de voltaje de corriente directa, ya que puede obtenerse una fuente de alimentación dc a partir de la rectificación de la corriente alterna proveniente de la red eléctrica doméstica o industrial. Este es el caso de las fuentes de voltaje internas en los ordenadores de escritorio y los transformadores o reguladores externos en las computadoras portátiles.

También es posible tener una fuente de voltaje alterno a partir de baterías mediante los llamados circuitos inversores en los que se tranforma la corriente directa de las baterías a corriente alterna mediante circuitos osciladores.

Resistencia interna

Una fuente de tensión o voltaje idealizada es aquella cuya resistencia al paso de la corriente es nula, sin embargo las fuentes de voltaje reales tienen una resistencia interna muy pequeña pero no nula.

Debido a esto en las fuentes de voltaje reales la tensión en sus bornes depende ligeramente de la corriente total circulante por la misma, la cual produce una caída o baja de la tensión nominal o tensión a circuito abierto de la fuente como consecuencia directa de la ley de Ohm.

En la medida en que se deterioran las baterías, aumenta su resistencia interna. Por esta razón, una batería desgastada mantiene el mismo voltaje nominal que una nueva, siempre que se mida a circuito abierto.

Pero al colocar una carga, la circulación de corriente produce una caída de tensión significativa en una batería dañada, mientras que una batería en buen estado, esta caída de tensión es muy pequeña en relación con su voltaje nominal.

Fuerza electromotriz

Es el voltaje medido en los bornes de una fuente de voltaje a circuito abierto. Se mide en voltios y representa la energía empleada por la fuente para mover un coulomb de carga desde el borne negativo al positivo, es decir, a contracorriente, en el interior de la fuente.

En cambio, por el circuito externo la corriente circula normalmente de positivo a negativo. Es claro entonces que para mover las cargas en contracorriente, se requiere de una fuente de energía externa.

En el caso de las pilas, la energía liberada en las reacciones químicas otorga a las cargas la energía cinética necesaria para moverse contra la diferencia de potencial de los bornes.

Pero en los generadores eléctricos, la energía los portadores de carga se debe a la fuerza magnética ejercida cuando el conductor del generador se mueve respecto al campo magnético externo, produciendo lo que se conoce como corriente inducida.

Para mover los conductores del bobinado de un generador, en presencia de un campo magnético, se requiere de una fuerza mecánica exterior, la cual es la fuente de energía electromotriz.

Tanto en el caso de las pilas como de los generadores, los portadores de carga que se mueven contra corriente sufren colisiones que les hacen perder energía, y este es el origen de la resistencia interna en todas las fuentes de voltaje.

Ejercicio resuelto

En la fuente de voltaje de la figura anterior, al medir el voltaje entre los puntos A y B con el interruptor S abierto, se obtiene una medida de 13,5 voltios. Si se coloca una carga externa de resistencia R=100 ohmios, por el circuito circula una corriente y la diferencia de potencial entre los bornes de la fuente pasa a ser 12 voltios.

Se pide determinar:

a) La fuerza electromotriz (f.e.m.) de la fuente

b) La corriente total que circula por el circuito

c) La resistencia interna de la fuente de voltaje.

Solución a

El valor de la f.e.m. es la diferencia de potencial entre los bornes de la fuente cuando la misma se mide a circuito abierto, por tanto para la fuente de este ejercicio su f.e.m tiene un valor ε= 13,5 V.

Solución b

Se sabe que cuando se coloca una resistencia externa R= 100Ω el voltaje entre los bornes A y B desciende a Vab= 12,0 V, por tanto de acuerdo a la ley de Ohm:

V_ab = I⋅R

de donde se deduce que

I = V_ab / R = 12,0V / 100Ω = 0,12A

Es decir que la corriente total que circula por la fuente es de 0,12A.

Solución c

La caída de tensión de la fuente cuando se coloca la carga externa es:

13,5V – 12,0V = 1,5V

Esta caída de tensión es debida a la resistencia interna de la fuente, por tanto:

ε – Vab = I⋅R_i

Es decir:

1,5V = 0,12A ⋅R_i

De lo cual se deduce que, mediante un simple despeje, la resistencia interna tiene un valor de:

R_i = 1,5V / 0,12A = 12,5Ω.