Derivación (eléctrica)

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Un shunt es un dispositivo diseñado para proporcionar una ruta de baja resistencia para una corriente eléctrica en un circuito . Se utiliza normalmente para desviar la corriente de un sistema o componente con el fin de evitar una sobrecorriente . Los shunts eléctricos se utilizan habitualmente en una variedad de aplicaciones, incluidos los sistemas de distribución de energía, los sistemas de medición eléctrica y las aplicaciones automotrices y marinas.

Un ejemplo son las luces navideñas en miniatura que están conectadas en serie . Cuando se quema el filamento de una de las bombillas incandescentes , el voltaje de línea completo aparece a través de la bombilla fundida. Una resistencia de derivación , que se ha conectado en paralelo a través del filamento antes de que se quemara, se cortocircuitará para evitar el filamento quemado y permitir que el resto de la cadena se encienda. Sin embargo, si se queman demasiadas luces, también se quemará una derivación, lo que requerirá el uso de un multímetro para encontrar el punto de falla.

En energía fotovoltaica , el término se usa ampliamente para describir un cortocircuito no deseado entre los contactos superficiales frontal y posterior de una célula solar , generalmente causado por daños en la oblea .

Un tubo lleno de gas también se puede utilizar como derivación, en particular en un pararrayos . El neón , al igual que otros gases nobles , tiene un alto voltaje de ruptura , por lo que normalmente no fluirá corriente a través de él. Sin embargo, un rayo directo (como en una antena de una torre de radio ) hará que la derivación genere un arco y conduzca la enorme cantidad de electricidad a tierra , protegiendo los transmisores y otros equipos.

Otra forma más antigua de pararrayos emplea un simple y estrecho espacio entre chispas, sobre el cual saltará un arco cuando haya un alto voltaje. Si bien es una solución de bajo costo, su alto voltaje de activación prácticamente no ofrece protección para los dispositivos electrónicos de estado sólido modernos alimentados por el circuito protegido.

Los condensadores se utilizan como derivaciones para redirigir el ruido de alta frecuencia a tierra antes de que pueda propagarse a la carga u otros componentes del circuito.

El término shunt se utiliza en circuitos de filtro y similares con una topología en escalera para referirse a los componentes conectados entre la línea y el común. El término se utiliza en este contexto para distinguir los componentes shunt conectados entre las líneas de señal y retorno de los componentes conectados en serie a lo largo de la línea de señal. De manera más general, el término shunt se puede utilizar para un componente conectado en paralelo con otro. Por ejemplo, la sección media derivada m de shunt es una sección de filtro común del método de impedancia de imagen de diseño de filtros. ^[1]

Cuando los dispositivos son vulnerables a la polaridad inversa de una señal o fuente de alimentación, se puede utilizar un diodo para proteger el circuito. Si se conecta en serie con el circuito, simplemente evita la corriente inversa, pero si se conecta en paralelo puede desviar la fuente de alimentación invertida, lo que hace que se abra un fusible u otro circuito limitador de corriente.

Todos los diodos semiconductores tienen un voltaje umbral (normalmente entre 0,5 voltios y 1 voltio) que debe superarse para que fluya una corriente significativa a través del diodo en la dirección normalmente permitida. Se pueden utilizar dos diodos shunt antiparalelos (uno para conducir la corriente en cada dirección) para limitar la señal que fluye a través de ellos a no más que sus voltajes umbral, con el fin de proteger los componentes posteriores de sobrecargas.

Cuando se debe proteger un circuito contra sobretensiones y existen modos de falla en la fuente de alimentación que pueden producir dichas sobretensiones, el circuito puede protegerse con un dispositivo comúnmente llamado circuito de palanca . Cuando este dispositivo detecta una sobretensión, provoca un cortocircuito entre la fuente de alimentación y su retorno. Esto provocará tanto una caída inmediata de la tensión (que protege al dispositivo) como una corriente alta instantánea que se espera que abra un dispositivo sensible a la corriente (como un fusible o un disyuntor ). Este dispositivo se llama palanca , ya que se asemeja a dejar caer una palanca real sobre un conjunto de barras colectoras (conductores eléctricos expuestos).

En los buques de guerra, es habitual instalar derivaciones de cortocircuito en los fusibles de los equipos esenciales antes de entrar en combate. Esto evita la protección contra sobrecorriente en un momento en el que cortar la alimentación del equipo no es una reacción adecuada. ^{[ cita requerida ]}

Como introducción al próximo capítulo, esta figura muestra que el término "resistencia shunt" debe entenderse en el contexto de lo que deriva.

En este ejemplo, la resistencia R _L se entendería como "la resistencia shunt" (a la carga L), porque esta resistencia pasaría corriente alrededor de la carga L. R _L está conectada en paralelo con la carga L.

Sin embargo, las resistencias en serie R _M1 y R _M2 son resistencias de bajo valor óhmico (como en la foto) destinadas a pasar corriente alrededor de los instrumentos M1 y M2, y funcionan como resistencias de derivación para esos instrumentos. R _M1 y R _M2 están conectadas en paralelo con M1 y M2. Si se vieran sin los instrumentos, estas dos resistencias se considerarían resistencias en serie en este circuito.

Un shunt de amperímetro permite la medición de valores de corriente demasiado grandes para ser medidos directamente por un amperímetro en particular. En este caso, un shunt separado, una resistencia de resistencia muy baja pero conocida con precisión , se coloca en paralelo con un voltímetro , de modo que prácticamente toda la corriente a medir fluirá a través del shunt (siempre que la resistencia interna del voltímetro tome una porción tan baja de la corriente que sea insignificante). La resistencia se elige de modo que la caída de voltaje resultante sea medible pero lo suficientemente baja como para no interrumpir el circuito . El voltaje a través del shunt es proporcional a la corriente que fluye a través de él, y por lo tanto el voltaje medido se puede escalar para mostrar directamente el valor de la corriente. ^{[2] [3]}

Los shunts se clasifican según la corriente máxima y la caída de tensión a esa corriente. Por ejemplo, un shunt de 500 A y 75 mV tendría una resistencia de150 micro ohmios , una corriente máxima permitida de 500 amperios y con esa corriente la caída de tensión sería de 75 milivoltios . Por convención, la mayoría de los shunts están diseñados para caer 50 mV, 75 mV o 100 mV cuando funcionan a su corriente nominal completa y la mayoría de los amperímetros constan de un shunt y un voltímetro con deflexiones de escala completa de 50, 75 o 100 mV. Todos los shunts tienen un factor de reducción para uso continuo (más de 2 minutos), siendo el 66% el más común, por lo que el shunt de ejemplo no debe funcionar por encima de 330 A (y 50 mV de caída) durante más tiempo.

Esta limitación se debe a los límites térmicos en los que un shunt ya no funcionará correctamente. En el caso de la manganina , un material común para shunts, a 80 °C comienza a producirse una derivación térmica; a 120 °C, la deriva térmica es un problema importante en el que el error, según el diseño del shunt, puede ser de varios porcentajes; y a 140 °C, la aleación de manganina se daña permanentemente debido al recocido, lo que hace que el valor de la resistencia suba o baje. ^{[ cita requerida ]}

Si la corriente que se mide también tiene un potencial de alto voltaje, este voltaje también estará presente en los cables de conexión y en el propio instrumento de lectura. ^[2] A veces, el shunt se inserta en la pata de retorno ( lado conectado a tierra ) para evitar este problema. Algunas alternativas a los shunts pueden proporcionar aislamiento del alto voltaje al no conectar directamente el medidor al circuito de alto voltaje. Ejemplos de dispositivos que pueden proporcionar este aislamiento son los sensores de corriente de efecto Hall y los transformadores de corriente (ver pinzas amperimétricas ). Los shunts de corriente se consideran más precisos y económicos que los dispositivos de efecto Hall. Las especificaciones de precisión comunes de dichos dispositivos son ±0,1%, ±0,25% o ±0,5%.

El shunt de pared doble de manganina tipo Thomas y el tipo MI (diseño mejorado tipo Thomas) fueron utilizados por el NIST y otros laboratorios de normalización como referencia legal de un ohmio hasta que fueron reemplazados en 1990 por el efecto Hall cuántico . Los shunts tipo Thomas todavía se utilizan como estándares secundarios para tomar mediciones de corriente muy precisas, ya que el uso del efecto Hall cuántico es un proceso que requiere mucho tiempo. La precisión de estos tipos de shunts se mide en la escala de ppm y sub-ppm de deriva por año de resistencia establecida. ^[4]

Cuando el circuito está conectado a tierra en un lado, se puede insertar un shunt de medición de corriente en el conductor no conectado a tierra o en el conductor conectado a tierra. Un shunt en el conductor no conectado a tierra debe estar aislado para la tensión total del circuito a tierra; el instrumento de medición debe estar inherentemente aislado de tierra o debe incluir un divisor de tensión resistivo o un amplificador de aislamiento entre la tensión de modo común relativamente alta y las tensiones más bajas dentro del instrumento. Es posible que un shunt en el conductor conectado a tierra no detecte la corriente de fuga que lo desvíe, pero no experimentará una tensión de modo común alta a tierra. La carga se retira de una ruta directa a tierra, lo que puede crear problemas para los circuitos de control, dar como resultado emisiones no deseadas o ambas cosas.

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  La inserción del lado bajo puede eliminar el voltaje de modo común, pero no sin inconvenientes.
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  La inserción del lado alto resuelve los inconvenientes del lado bajo pero garantiza el voltaje de modo común.
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  Los amplificadores aislados resuelven todas las dificultades y limitaciones en las mediciones de derivación de corriente del lado alto o bajo.

• Voltaje de carga
• Generador de derivación
• Motor con bobinado en derivación
• Puente de derivación
• Enlace de cero ohmios
• Fusible (eléctrico)
• Perla (eléctrica)

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