Clase 007 – Fuentes de alimentación

Contenido teórico

Resumen

Las fuentes de alimentación son dispositivos capaces de proporcionar potencia a un sistema electrónico.

Encontramos dos tipos de fuente de alimentación, las de voltaje y las de intensidad:

Fuentes de alimentación - Fuente de voltaje y fuente de intensidad

Introducción

Las fuentes de alimentación son necesarias para todos dispositivos electrónicos. Sin ellas, seriamos incapaces de suministrar la energía necesaria para que los circuitos funcionen.

Mires por donde mires encontrarás una fuente de alimentación: el cargador de tu móvil, la batería de tu portátil, la pila de tu reloj…

¿Qué es una fuente de alimentación?

Una fuente de alimentación es un elemento eléctrico cuyo propósito es proporcionar la potencia necesaria para que nuestro circuito eléctrico funcione correctamente.

Como sabemos de entradas anteriores, la potencia es igual a P=V·I. Y, como las fuentes de alimentación tienen la función de proporcionar potencia al circuito, estas pueden ser de dos tipos: fuentes de voltaje y fuentes de intensidad.

Fuente de voltaje ideal

Una fuente de voltaje es, como su nombre indica, el elemento responsable de proporcionar el voltaje que necesita nuestro circuito electrónico para funcionar. Este componente fija un voltaje constante y proporciona la intensidad que el circuito demanda, sin importar cuál sea.

En esta gráfica podemos ver representados la intensidad y el voltaje de una fuente de voltaje ideal (el voltaje de la fuente ha sido representado como Vcc).

Fuentes de alimentación - Curva V-I de una fuente de voltaje

Las fuentes de voltaje son representadas con el siguiente símbolo en nuestros circuitos eléctricos:

Fuentes de alimentación - Símbolo eléctrico de una fuente de voltaje

Si tenemos un circuito compuesto por una fuente de voltaje de 5V y una resistencia de 10Ω:

Fuentes de alimentación - Circuito eléctrico con una fuente de voltaje

Podemos calcular la intensidad que la fuente de voltaje proporcionará al circuito gracias a la Ley de Ohm:

\[I= \frac{V}{R}= \frac{5V}{10Ω}=0.5A=500mA \]

Fuente de intensidad ideal

Una fuente de intensidad es, como su nombre indica, el componente responsable de proporcionar la intensidad que necesita nuestro circuito electrónico para funcionar. Este componente fija una intensidad constante y proporciona la voltaje que el circuito necesite, sin importar cuál sea.

En esta gráfica podemos ver representados la intensidad y el voltaje de una fuente de intensidad ideal (observar que los ejes están cambiados respecto a la gráfica anterior).

Fuentes de alimentación - Curva V-I de una fuente de intensidad

Las fuentes de intensidad son representadas con el siguiente símbolo en nuestros circuitos eléctrico:

Fuentes de alimentación - Símbolo eléctrico de una fuente de intensidad

Si tenemos un circuito compuesto por una fuente de intensidad de 100mA y una resistencia de 220Ω:

Fuentes de alimentación - Circuito eléctrico con una fuente de intensidad

Podemos calcular el voltaje que la fuente de intensidad proporcionará al circuito gracias a la Ley de Ohm:

V=IR=0,1A220Ω=22V

Fuentes reales

Las fuentes explicadas anteriormente son fuentes ideales pues, si fueran tal y como se han explicado (y siguiendo las curvas V-I), si a una fuente de tensión ideal le pones una resistencia de 0Ω, la intensidad sería infinita (según la Ley de Ohm) y, obviamente, no hay ninguna fuente capaz de proporcionar fuente infinita:

\[I=\frac{V}{R}=\frac{V}{0Ω}=\infty \]

Lo mismo pasa con una fuente de intensidad ideal. Si ponemos una resistencia muy grande (como por ejemplo el aire) a una fuente de intensidad ideal, la fuente tendría que ser capaz de proporcionar ciento de miles de voltios. Por ejemplo, conectamos una fuente de intensidad de 1A al aire (es decir, no la conectamos a nada). Si suponemos que el aire tiene una resistencia de 10MΩ, la fuente de intensidad tendrá que proporcionar un total de 10MV:

\[V=I \cdot R= 1A \cdot 10MΩ = 10MV\]

Debido a esto, vamos a hablar ahora de las fuente de alimentación reales.

Casi todas las fuentes de alimentación del mundo real actúan como fuente de voltaje. Esto se debe a que casi todos los circuitos necesitan un voltaje constante para funcionar. Por ejemplo, un microcontrolador suele consumir 3.3V y, dependiendo de lo que esté llevando a cabo el circuito eléctrico, consumirá mas o menos intensidad, pero el voltaje siempre tendrá que ser constante.

Sin embargo, las fuentes reales de voltaje no son capaces de fijar un voltaje constante sin importa la intensidad que necesite el circuito. Las fuentes son capaces de suministrar una potencia máxima y, según el voltaje para el que esté diseñado, será capaz de proporcionar mas o menos intensidad. Por ejemplo, una fuente de alimentación de 10W y que está diseñada para alimentar un circuito electrónico de 5V, podrá suministrar una corriente máxima de 2A:

\[I_{max}=\frac{P}{V}=\frac{10W}{5V}=2A\]

Esto significa que, si nuestro circuito electrónica consta sólo de esta fuente de alimentación y de una resistencia, la resistencia mínima del circuito será de 2,5Ω:

\[R_{min}=\frac{V}{I}=\frac{5V}{2A}=2,5Ω\]

Los 10W de la fuente se refiere a la potencia máxima que la fuente es capaz de suministrar al circuito. Si por ejemplo, la resistencia es de 5Ω, la fuente estaría proporcionando solo 5W.

Resistencia interna

Las fuentes de voltaje reales no pueden entregar toda intensidad que demande la carga del circuito. Por ejemplo, si a una fuente de potencia máxima infinita y de 5V se le conecta una carga de 0Ω, podríamos calcular, de nuevo gracias a la Ley de Ohm, que la intensidad que tendría que suministrar la fuente es infinita, sin embargo, esto no ocurre. Esto se debe a que las fuentes reales tienen una resistencia interna que limita la intensidad máxima que estas fuentes son capaces de suministrar al circuito al que están conectados. Esta resistencia se debe a que los componentes con los que están fabricados las baterías (o la fuente de alimentación que queramos utilizar) no son perfectos y tienen una pequeña resistencia eléctrica. Esta resistencia tiene un valor muy pequeño (varios miliohmios). Si la fuente de 5V tiene una resistencia interna de 10mΩ, ¿cuál sería la intensidad teórica de un cortocircuito?

Fuentes de alimentación - Resistencia interna

\[ I = \frac{V}{R} = \frac{5V}{0.01Ω} = 500A \]

Sin embargo, esto también es un valor teórico, pues esa fuente estaría suministrando un total de 2.5kW, lo cual en términos electrónicos es impensable.

En este caso lo más probable que ocurra es que, si se trata de una pila o de una batería, esta comience a arder. Pues si recordamos de la clase de La Potencia la potencia eléctrica se traduce en temperatura, y 2500W es mucha potencia (para tener una referencia, las tostadoras consumen unos 1000W).

La capacidad de las baterías (Amperios-hora)

Un tipo de fuentes de alimentación son las baterías, que  son las encargadas de suministrar la potencia necesaria a un circuito portátil.  Sin embargo, ¿es posible saber durante cuanto tiempo una batería será capaz de suministrar la potencia que el circuito necesita? La respuesta es sí.

La forma más común de saber cuánto tiempo dura una batería es con los “Amperios-hora” (Ah). Esto significa que, si el fabricante de una batería asegura que la batería tiene 8Ah, durará una hora suministrando 8 amperios. Si esa misma batería está conectada a un circuito que requiere de 4A para funcionar correctamente, esa batería tardará 2 horas en descargarse.

Esto se conoce como la carga de la batería. Si recordamos, en la entrada de la intensidad eléctrica, explicábamos que la intensidad es la carga que cruza una cierta sección del conductor durante un periodo de tiempo:

\[I=\frac{Q}{t}\]

Si pasamos despejamos la carga, obtenemos que:

\[Q=I \cdot t \Rightarrow  Q[C] = I[A] \cdot t[s] \]

Esta expresión es a lo que nos referimos cuanto decimos “Amperios-hora” (Ah)Esto quiere decir que la batería será capaz de almacenar Q Culombios. O lo que es lo mismo, para saber la capacidad, o la carga, de la batería, podemos ver la intensidad que suministra al circuito y durante cuanto tiempo es capaz de suministrarla. Al multiplicar estos dos valores, lo que estamos calculando es la cantidad de Culombios que hay dentro de nuestra batería.

Contador de culombios

Esto de aquí es conocido como contador de Culombios, y muchos sistemas comerciales lo utilizan para saber si, por ejemplo, un móvil o un ordenador está cargado. Lo que hacen es ir midiendo periódicamente la intensidad que sale de la batería (cuando el dispositivo está consumiendo) y la intensidad que entra en la batería (cuando la batería se está cargando). Sabiendo la intensidad que entra y sale, si la multiplicamos por el periodo con el que estamos midiendo la intensidad, seremos capaces que saber la carga total de la batería en cada momento.

Velocidad de descarga de las baterías

Cuando utilizamos una batería, nos interesa saber cuánto tiempo va a tardar en cargarse o en descargarse. Como hemos explicado antes, si tenemos una batería de 8Ah y nuestro circuito está consumiendo una media de 4A, sabemos que tardará en descargarse 2h. Lo mismo ocurrirá con la carga: si estamos cargando la batería a 4A constantes, tardará 2h en cargarse. Pues bien, si nuestra batería de 8Ah se está cargando (o descargando) a 4A, se dice que la batería se está cargando (o descargando) a 0.5C. Por otra parte, si la misma batería se está cargando o descargando a 8Ah, decimos que se está cargando o descargando a 1C. 

Para dejarlo claro, si esa batería se carga o descarga a 16Ah, se está cargando o descargando a 2C.

La capacidad en Watios-hora

Por último, igual que podemos medir la capacidad de la batería en Amperios-hora (Ah), podemos medirla en Watios-hora (Wh). 

Como hemos comentado, las baterías (y las fuentes de alimentación en general), actúan como fuentes de voltaje, por lo que proporcionarán un voltaje constante al circuito. Si utilizamos una batería que proporciona 5V y sabemos que tiene una capacidad de 4Ah, podemos calcular cuánto es capacidad en Watios-hora:

\[Capacidad(Wh)=V \cdot Capacidad (Ah) = 5V \cdot 4Ah = 20Wh\]

Por lo tanto, esta batería podrá suministrar 20W durante una hora al circuito al que se conecte.

Conclusión

En esta entrada has podido aprender todo lo necesario para poder comprender que es una fuente de alimentación. Esto es una primera introducción pues, a lo largo de siguientes cursos, iremos profundizando cada vez más en todos los detalles.

Nuestra idea con esta entrada es que el lector se quede con los conceptos básicos de las fuentes de alimentación:

  • Fuentes de voltaje.
  • Fuentes de intensidad.
  • Fuentes reales.
  • La capacidad de la batería. 

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Curso I: Conceptos básicos