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

La mayoría de las fuentes de alimentación son de voltaje constante y no de corriente constante. Si toma las dos fuentes principales de energía eléctrica, que son baterías y generadores giratorios (independientemente del tamaño), lo único en común es que su voltaje se fija teóricamente a un cierto valor y se puede controlar. Por ejemplo, una batería estándar de celda seca AA tiene un voltaje 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 baterías relaciona las reacciones químicas internas con el voltaje de salida de la batería. De manera similar, el generador, para una intensidad de campo magnético dada (llamada excitación), y una velocidad dada, producirá un voltaje fijo en sus terminales (de nuevo, solo aproximadamente debido a la vida real).

En casi todos los dispositivos que usan electricidad, en la mayoría de los casos, la causa es la tensión y el efecto es la corriente. Solo cuando aplica un voltaje a un dispositivo, la corriente puede comenzar a fluir a través de él (los superconductores no se soportan). Incluso los dispositivos de corriente constante monitorean la corriente y regulan el voltaje según la carga. Nunca se oye de una batería de linterna de 3 V que controle el voltaje en sus terminales. Esto se debe a la física básica, en la que es posible un cambio en el movimiento de los electrones (es decir, la corriente) cuando se aplica un campo eléctrico (es decir, voltaje).

Si bien no hay ninguna razón por la que no pueda diseñar electrónica con fuentes de corriente constantes, hay algunas buenas razones por las que no lo hacemos. Las baterías y la alimentación eléctrica se suministran más como fuentes de voltaje constante que como fuentes de corriente constante, por lo que es simplemente más conveniente usar lo que tenemos. La otra razón es que una fuente de corriente constante es siempre la potencia de combustión. Para apagar un dispositivo, tendría que cortocircuitar la fuente de alimentación. Como la mayoría de los cables tienen resistencia, estarías perdiendo energía constantemente.

El método de voltaje constante proporciona la clave para el diseño de amplificadores en la línea de carga. Dada la gran necesidad de amplificadores, la capacidad de proporcionar una ganancia estable para aumentar las intensidades de la señal de la línea telefónica de larga distancia, la necesidad de una operación de baja distorsión de los tubos de vacío en esos circuitos de la línea telefónica, podemos sentirnos trabados por los éxitos de BellLabs. Pero entonces Bell proporcionó el transistor. Aquí hay una línea de carga.

Tales sistemas se utilizan en aplicaciones de iluminación LED (los LED se comportan exactamente como lo sugiere su pregunta de forma nativa), y también fueron muy relevantes en las últimas décadas de la tecnología generalizada de tubos de vacío (50, 60, 70): series de 300 mA y 150 mA los diseños de calentadores (que, sin embargo, generalmente se ajustaban manualmente con resistencias en lugar de utilizar una fuente de corriente regulada adecuada) eran muy comunes en los equipos de consumo.

Estás pensando en el voltaje y la corriente como algo más estrechamente relacionado de lo que realmente son. El voltaje es un potencial "estático". Por otro lado, la corriente es el movimiento de cargas debido al efecto de un voltaje. Para una carga dada en un circuito, están relacionadas por la ley de ohm, pero son entidades físicamente diferentes.

Un voltaje puede existir, y existe, cuando no hay corriente presente. Sin embargo, aparte del cero absoluto, una corriente no puede existir sin un voltaje.

Es decir, el voltaje es el objeto principal, 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, funcionan de esa manera 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 voltaje.

Sin embargo, la mayoría de las partes eléctricas tienen características que están fundamentalmente afectadas por el voltaje, especialmente los capacitores y la conductancia de los semiconductores. Como tal, es mucho más fácil implementar circuitos complejos con un suministro de voltaje constante y permitir que la corriente consumida varíe en la medida de lo posible.

Si intentara construir el mismo tipo de circuitos utilizando una fuente de alimentación de corriente constante, cuando una parte del sistema exige más potencia, la resistencia disminuye, la tensión debería caer en todo el sistema para mantener la misma salida de corriente. El regulador. Esto cambiaría las referencias de todos los circuitos restantes y afectaría el comportamiento de las capacitancias y los semiconductores. Si cae demasiado bajo, algunos semiconductores dejarían de funcionar.

Como tal, su fuente de corriente constante debería diseñarse para que sea al menos la carga máxima del sistema.

Ahora tienes el problema opuesto. Si esa carga se redujera a un nivel mucho más bajo porque desactivó algo, la resistencia de su circuito sería mucho mayor y, por lo tanto, el voltaje del sistema tendría que aumentar a un valor mucho mayor. Todos sus componentes deberían estar diseñados para lidiar con esos voltajes más grandes. Si sube demasiado, sus semiconductores pueden dejar de funcionar repentinamente.

Además, si tenía una fuente de corriente constante ideal, a medida que su carga se acerca a una resistencia muy alta, el voltaje comienza a acercarse infinitamente. En ese momento, la física se hace cargo, los aisladores fallan y todo se autodestruye. En realidad, lo que realmente sucedería sería que el regulador ya no podría suministrar la corriente porque no tiene la tensión de la que se puede extraer para impulsar la salida a ese nivel.

La alternativa a eso sería no encender y apagar las cosas, sino redirigirlas a otra parte, lo que, además de ser un desperdicio de energía, también es extremadamente difícil de hacer mientras se mantiene una corriente total constante. Además, cada pequeña compuerta lógica y amplificador necesitaría hacer lo mismo.

En un sistema de voltaje constante, cada circuito que contiene es, en su mayor parte, inmune a lo que están haciendo otras partes del sistema. Si un circuito en el lado derecho de la placa de repente toma más corriente, y el regulador puede suministrarlo, y la placa está diseñada correctamente, el circuito en el lado izquierdo no es consciente de ello. (Bueno, casi.)

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

Imaginemos dos salidas en un enchufe común, alimentado por una fuente de corriente constante en algún lugar más arriba de la línea, asumamos que es una fuente de corriente constante de 10A. Cuando no esté en uso, el tomacorriente debe cortocircuitarse de manera que el voltaje sea cero (supongamos que los cables ideales por ahora). Cuando enchufa algo en una toma de corriente, ahora necesita desajustarlo y permitir que el voltaje aumente. Supongamos que tiene un 10V 10A - > La bombilla de 100W está enchufada y el hecho de enchufarla saca el sistema de cortocircuito de la toma de corriente. Ahora, ¿qué sucede cuando conectas una segunda bombilla de 100W (10A, 10V)? La bombilla ahora necesita funcionar a 5A 20V - necesita reducir su propia resistencia, y la otra también, pero ¿cuánto cuesta? Bueno, depende del otro dispositivo que se enchufó. Básicamente, ambos necesitan estabilizarse, lo que, si bien es posible, es un sistema muy complicado para un dispositivo tan básico como una bombilla, por no mencionar el zócalo especial que se necesitaría para cerrar en corto. cuando se eliminan todos los dispositivos. Este tipo de sistema de balanceo de voltaje de corriente debería hacerse para cada divisor, lo que lleva a algunos sistemas complicados que necesitan equilibrarse a sí mismos.

Ahora, estaba ignorando la resistencia del cable, pero vamos a recuperarlo, siempre estarás usando tus cables al máximo (ya que los cables están clasificados por amperios que los atraviesan en su mayor parte). Esto no es lo ideal, ya que usas Por lo general, algo de 24x7 a su máximo máximo no es bueno para su vida útil, por lo que tendrá que aumentar el tamaño de todo el cableado para admitir esto. Además del cableado, también necesitarás poder cambiar de forma rápida y confiable a corrientes de 10A. 10A es una buena cantidad de corriente, que termina provocando chispas / arcos, desgastando los interruptores con bastante rapidez, lo que me lleva a otro punto.

En este momento, la mayor parte de la alimentación principal es CA, ya que tiene un cruce por cero, pero no podrá cambiar instantáneamente 10A de corriente a -10A debido a la inductancia del cable (y del dispositivo). Los aparatos grandes pueden ajustar su tiempo de "encendido" a la frecuencia de la red eléctrica, de modo que sus interruptores (o relés / mosfets / lo que sea) se enciendan cuando la tensión esté en o cerca de 0, para evitar aumentos repentinos en, por ejemplo, un condensador. Banco que alimenta el sistema durante el siguiente ciclo de 0V. Si bien no diré que esto es imposible, en el mejor de los casos sería bastante difícil.