Robert Piqué López - Electrónica de potencia

La definición clásica de fuentes de tensión y de corriente es la siguiente:

Una fuente de tensión es un elemento circuital capaz de imponer, de forma permanente, una tensión entre dos puntos de un circuito, independientemente de la carga existente entre estos dos puntos. Ello implica una impedancia en serie interna nula y la prohibición absoluta de cortocircuitar la fuente de tensión.

Una fuente de corriente es un elemento circuital capaz de imponer, de forma permanente, la circulación de corriente en una malla de un circuito, independientemente de su carga. Ello implica una impedancia en paralelo interna infinita y la prohibición absoluta de dejar la fuente de corriente en circuito abierto.

Sin embargo, debido a la presencia de interruptores, en un convertidor estático se producen variaciones instantáneas de determinadas magnitudes, resultando de interés la generalización de la definición de las fuentes de tensión y de corriente para que no sólo sea válida de forma permanente sino también de forma instantánea o transitoria.

Para ello se adoptará la definición siguiente:

Un subcircuito tiene el comportamiento de una fuente de tensión cuando la tensión en sus bornes no puede sufrir discontinuidad alguna al producirse una variación brusca de la carga.

Un subcircuito tiene el comportamiento de una fuente de corriente cuando la corriente que lo atraviesa no puede sufrir discontinuidad alguna al producirse una variación brusca de la carga.

Para precisar matemáticamente esta definición de fuente de tensión y de corriente, se define el concepto de impedancia1 instantánea, Z∞, como el límite, cuando s → ∞, de la impedancia operacional, Z(s), del subcircuito en cuestión, es decir:

siendo s la variable de Laplace.

Esta definición está relacionada con el denominado teorema del valor inicialde la transformada de Laplace de una función temporal, según el cual si F ( s ) es la transformada de Laplace de f ( t )

Como quiera que el concepto de impedancia es una generalización de la relación entre tensión y corriente en un subcircuito dipolar determinado, el concepto de impedancia instantánea no es más que una evaluación de dicha relación, según

Por ello,

Si Z∞ = 0, el subcircuito presentará un comportamiento de fuente de tensión.

Si Z∞ = ∞, el subcircuito presentará un comportamiento de fuente de corriente.

Fuentes independientes y fuentes controladas

Existen dos categorías de fuentes: las independientesy las dependientes o controladas.

Una fuente de tensión (corriente) independientees aquella que impone una determinada tensión (corriente), independientemente de cuales sean las demás tensiones y corrientes presentes en el circuito.

Una fuente de tensión (corriente) dependiente o controladaes aquella que impone una determinada tensión (corriente), que depende de otra tensión o corriente presente en el circuito. Así son posibles cuatro fuentes controladas: de tensión controlada por tensión (FTCT), de tensión controlada por corriente (FTCC), de corriente controlada por tensión (FCCT) y de corriente controlada por corriente (FCCC). En la tabla 2.1, se presentan las diferentes fuentes.

Tabla 2.1. Fuentes.

Reversibilidad de las fuentes

Se definió, en el apartado 1.3, un convertidor estático como un sistema formado, básicamente, por interruptores que permite, mediante el control de los mismos, regular la transferencia de energía entre una fuente de entrada y una fuente de salida.

Efectivamente, tanto la entrada como la salida del convertidor podrán ser caracterizadas como fuentes de tensión o de corriente de acuerdo con la definición dada en ese apartado, pudiendo además actuar cada una de estas fuentes como generadoro receptorde energía, según la entreguen o la consuman.

Una fuente, generadora o receptora, es reversible en tensión,si la tensión en sus bornes puede cambiar de signo (polaridad). Asimismo un generador o un receptor es reversible en corrientesi la corriente que por él circula admite dos sentidos de circulación.

Considerando dichas reversibilidades, existen únicamente 8 tipos de fuentes, de acuerdo a la tabla 2.2. Tener conocimiento preciso relativo a la reversibilidad de las fuentes será, como se verá en el capítulo 3, punto clave en la determinación de la característica estática de los interruptores necesarios para constituir el convertidor.

Tabla 2.2. Reversibilidad de fuentes.

Reglas básicas de interconexión de las fuentes

Como ya se ha indicado, a lo largo del funcionamiento de un convertidor estático, sus interruptores provocan conexiones entre fuentes. En el instante de actuar un interruptor es absolutamente necesario respetar un cierto número de reglas básicas.

Una fuente de tensión no puede quedar nunca en cortocircuito. Por el contrario, no hay ningún inconveniente en que quede en un circuito abierto.

Una fuente de corriente no puede quedar nunca en un circuito abierto. Por el contrario, no hay ningún inconveniente en que quede en cortocircuito.

Como consecuencia de las reglas anteriores, nunca deberán conectarse dos fuentes de la misma naturaleza (Véase el ejercicio E2.2). Por el contrario, no hay ningún inconveniente en conectar dos fuentes de distinta naturaleza, es decir, una fuente de tensión con una de corriente.

En la tabla 2.3 se visualizan estas reglas básicas de interconexión de fuentes.

Tabla 2.3. Interconexión de fuentes.

Un componente dipolar, colocado en un circuito, introduce una determinada relación funcional, analítica o no, entre la tensión aplicada a dicho componente, u ( t ), y la corriente que circula por el mismo, i ( t ). En el caso general, esta relación depende del tiempo, como por ejemplo en los inductores y en los condensadores, y en caso de considerar como excitación a la tensión, responde a

En otros casos, la relación u – i introducida por dicho componente no depende del tiempo, esto es

Cuando esto sucede a dicho componente se le denomina resistor,y dicha característica admite una representación gráfica en unos ejes tensión-corriente. Esta representación recibe el nombre de característica estática.