¿Por qué los sistemas electrónicos no pueden utilizar una fuente de alimentación de corriente constante y variar el voltaje según el consumo de energía?

Question

Hoy en día, los sistemas electrónicos utilizan una fuente de alimentación de tensión constante. El consumo de corriente varía en función del consumo de energía. ¿Por qué no se pueden diseñar los sistemas electrónicos al revés? Utilizando una fuente de alimentación de corriente constante y variando la tensión según varíe el consumo de energía. ¿Cuáles son los pros y los contras de cada enfoque? ¿Por qué los sistemas electrónicos actuales han evolucionado para utilizar una fuente de alimentación de tensión constante?

Answer 1

Aunque no hay ninguna razón por la que no se pueda diseñar la electrónica con fuentes de corriente constante, hay algunas buenas razones por las que no lo hacemos. Las baterías y la red eléctrica se suministran más como fuentes de tensión constante que como fuentes de corriente constante, así que simplemente es más conveniente utilizar lo que tenemos. La otra razón es que una fuente de corriente constante siempre está quemando energía. Para apagar un dispositivo, habría que cortocircuitar la fuente de alimentación. Como la mayoría de los cables tienen resistencia, estarías desperdiciando energía constantemente.

Answer 2

La mayoría de las fuentes de energía son de tensión constante, y no de corriente constante. Si tomamos las dos principales fuentes de energía eléctrica, que son las pilas y los generadores rotativos (independientemente de su tamaño), lo único que tienen en común es que su tensión está fijada teóricamente en un valor determinado y puede ser controlada. Por ejemplo, una pila seca AA estándar tiene una tensión de 1,5 V, que siempre producirá más o menos (sin tener en cuenta los errores de la vida real). La química interna de la mayoría de las pilas relaciona las reacciones químicas internas con la tensión de salida de la pila. Del mismo modo, el generador, para una determinada intensidad de campo magnético (llamada excitación), y una determinada velocidad, producirá una tensión fija en sus terminales (de nuevo, sólo aproximadamente debido a la vida real).

En casi todos los aparatos que utilizan electricidad, en la mayoría de los casos, una tensión es la causa y la corriente es el efecto. Sólo cuando se aplica un voltaje a un dispositivo, puede empezar a fluir la corriente a través de él (a pesar de los superconductores). Incluso los dispositivos de corriente constante controlan la corriente y regulan la tensión según la carga. Nunca se oye hablar de una batería de linterna de 3 V que controle la tensión en sus terminales. Esto se debe a la física básica, en la que el cambio en el movimiento de los electrones (es decir, la corriente) es posible cuando se aplica un campo eléctrico (es decir, la tensión).

Answer 3

El método de la tensión constante proporciona la clave para el diseño de la línea de carga de los amplificadores. Dada la gran necesidad de amplificadores, la capacidad de proporcionar una ganancia estable para aumentar la intensidad de las señales de las líneas telefónicas de larga distancia, la necesidad de un funcionamiento de baja distorsión de los tubos de vacío en esos circuitos de líneas telefónicas, podemos sentirnos coartados por los éxitos de BellLabs. Pero entonces Bell proporcionó el transistor. Aquí hay una línea de carga.

Answer 4

Estos sistemas se utilizan en aplicaciones de iluminación LED (los LED se comportan exactamente como sugiere tu pregunta de forma nativa), y también fueron muy relevantes en las últimas décadas de difusión de la tecnología de tubos de vacío (años 50, 60, 70) - los diseños de calentadores en serie de 300mA y 150mA (que, sin embargo, solían ajustarse manualmente con resistencias en lugar de utilizar una fuente de corriente regulada adecuada) eran muy comunes en los equipos de consumo.

Answer 5

Estás pensando en la tensión y la corriente como algo más relacionado de lo que realmente están. La tensión es un potencial "estático". La corriente, en cambio, es el movimiento de las cargas por efecto de la tensión. Para una carga determinada en un circuito están relacionados por la ley de ohm, pero son entidades físicamente diferentes.

Puede existir, y existe, una tensión cuando no hay corriente. Sin embargo, salvo en el cero absoluto, no puede existir una corriente sin una tensión.

Es decir, la tensión es el objeto primario, la corriente es el secundario.

Algunos circuitos ESTÁN diseñados para ser alimentados por una fuente de corriente constante. Muchos transductores, como los motores y los LED, se alimentan así porque sus características de conversión de energía dependen de la corriente, no del voltaje. Sin embargo, es importante tener en cuenta que las fuentes de corriente constante están controladas por efectos de la tensión.

Sin embargo, la mayoría de las piezas eléctricas tienen características que se ven afectadas fundamentalmente por la tensión, especialmente los condensadores y la conductancia de los semiconductores. Por ello, es mucho más fácil implementar circuitos complejos utilizando un suministro de tensión constante y dejar que la corriente consumida varíe como sea.

Si tratas de construir el mismo tipo de circuito utilizando una fuente de alimentación de corriente constante, cuando una parte del sistema demanda más energía, su resistencia cae, el voltaje tendría que caer en todo el sistema para mantener la misma salida de corriente del regulador. Esto cambiaría las referencias de todos los circuitos restantes y afectaría al comportamiento de las capacitancias y los semiconductores en ellos. Si cae demasiado, algunos semiconductores dejarían de funcionar.

Por lo tanto, la fuente de corriente constante tendría que estar diseñada para ser al menos la carga máxima del sistema.

Ahora tienes el problema contrario. Si esa carga se redujera a un nivel mucho más bajo porque apagaras algo, la resistencia de tu circuito sería mucho mayor, por lo que la tensión de tu sistema tendría que crecer hasta un valor mucho mayor. Todos tus componentes tendrían que estar diseñados para lidiar con esos voltajes más grandes. Si se eleva demasiado, tus semiconductores podrían dejar de funcionar de repente.

Además, si tuvieras una fuente de corriente constante ideal, a medida que la carga se acerca a una resistencia muy alta, la tensión empieza a acercarse al infinito. En ese momento la física se hace cargo, los aislantes fallan y todo se autodestruiría. En realidad, lo que ocurriría sería que el regulador ya no podría suministrar la corriente porque no tiene el voltaje necesario para conducir la salida tan alto.

La alternativa a esto sería no encender y apagar las cosas, sino redirigirla a otra parte, lo cual, además de ser un desperdicio de energía, es extremadamente difícil de hacer mientras se mantiene una corriente total constante. Además, todas las puertas lógicas y los amplificadores tendrían que hacer lo mismo.

En un sistema de tensión constante, cada circuito contenido en él es, en su mayor parte, inmune a lo que hacen otras partes del sistema. Si un circuito del lado derecho de la placa consume de repente más corriente, y el regulador puede suministrarla, y la placa está diseñada correctamente, el circuito del lado izquierdo lo ignora felizmente. (Bueno, casi.)

La conclusión es que, en casi todos los casos, la tensión, al ser el motor principal, es lo que tiene más sentido regular y es mucho más fácil de controlar.