Derivación (eléctrica)

Una derivación es un dispositivo diseñado para proporcionar un camino de baja resistencia para una corriente eléctrica en un circuito. Por lo general, se utiliza para desviar la corriente de un sistema o componente para evitar sobrecorriente. Las derivaciones eléctricas se utilizan comúnmente en una variedad de aplicaciones que incluyen sistemas de distribución de energía, sistemas de medición eléctrica, aplicaciones automotrices y marinas.

Derivación de dispositivo defectuosa

Un ejemplo son las luces navideñas en miniatura que están conectadas en serie. Cuando el filamento de una de las bombillas incandescentes se quema, el voltaje de línea completo aparece a través de la bombilla quemada. Una resistencia en derivación, que se ha conectado en paralelo a través del filamento antes de que se queme, provocará un cortocircuito para evitar el filamento quemado y permitir que el resto de la cuerda 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.

Fotovoltaica

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

Pararrayos

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

Otra forma más antigua de pararrayos emplea una vía de chispa simple y estrecha, sobre la cual saltará un arco cuando haya alto voltaje presente. Si bien se trata de una solución de bajo costo, su alto voltaje de activación casi no ofrece protección para los dispositivos electrónicos modernos de estado sólido alimentados por el circuito protegido.

Bypass de ruido eléctrico

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.

Uso en circuitos de filtrado electrónico

El término derivación se utiliza en circuitos de filtro y similares con 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 en derivación conectados entre las líneas de señal y de retorno de los componentes conectados en serie a lo largo de la línea de señal. De manera más general, el término derivación puede usarse para un componente conectado en paralelo con otro. Por ejemplo, la media sección derivada de m en derivación es una sección de filtro común del método de impedancia de imagen de diseño de filtros.

Diodos como derivaciones

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 el suministro invertido, provocando que se abra un fusible u otro circuito limitador de corriente.

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

Derivaciones como protección de circuitos

Cuando un circuito debe protegerse contra sobretensiones y hay modos de falla en la fuente de alimentación que pueden producir tales sobretensiones, el circuito puede protegerse mediante 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 una caída inmediata de voltaje (protegiendo el dispositivo) y 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).

Batalla corta

En los buques de guerra, es común instalar derivaciones cortas de batalla a través de las espoletas para el equipo esencial antes de entrar en combate. Esto evita la protección contra sobrecorriente en un momento en el que desconectar la alimentación del equipo no es una reacción adecuada.

Desviando un instrumento pero conectado en serie en el circuito

Como introducción al siguiente capítulo, esta figura muestra que el término "resistencia en derivación" debe entenderse en el contexto de lo que desvía.

En este ejemplo, la resistencia R_L se entendería como "la resistencia en derivación" (a la carga L), porque esta resistencia pasaría corriente alrededor de la carga L. R_L está conectado en paralelo con la carga L.

Sin embargo, las resistencias en serie R_M1 y R_M2 son resistencias óhmicas bajas (como en la foto) destinadas a pasar corriente alrededor de los instrumentos M1 y M2, y funcionan como resistencias de derivación a esos instrumentos. R_M1 y R_M2 están conectados en paralelo con M1 y M2. Si se ven sin los instrumentos, estas dos resistencias se considerarían resistencias en serie en este circuito.

Uso en medición de corriente

Una derivación de amperímetro permite la medición de valores de corriente demasiado grandes para ser medidos directamente por un amperímetro en particular. En este caso, se coloca en paralelo con un voltímetro una derivación separada, una resistencia de resistencia muy baja pero conocida con precisión, de modo que prácticamente toda la corriente a medir fluirá a través de la derivación (siempre que la resistencia interna del voltímetro tome una porción tan baja de la corriente que es insignificante). La resistencia se elige de modo que la caída de voltaje resultante sea mensurable pero lo suficientemente baja como para no interrumpir el circuito. El voltaje a través de la derivación es proporcional a la corriente que fluye a través de ella, por lo que el voltaje medido se puede escalar para mostrar directamente el valor actual.

Las derivaciones se clasifican según la corriente máxima y la caída de voltaje en esa corriente. Por ejemplo, una derivación de 500 A y 75 mV tendría una resistencia de 150 microohmios, un máximo permitido corriente de 500 amperios y a esa corriente la caída de voltaje sería de 75 milivoltios. Por convención, la mayoría de las derivaciones están diseñadas para caer 50 mV, 75 mV o 100 mV cuando funcionan a su corriente nominal máxima y la mayoría de los amperímetros constan de una derivación y un voltímetro con deflexiones de escala completa de 50, 75 o 100 mV. Todas las derivaciones tienen un factor de reducción para uso continuo (más de 2 minutos), siendo el 66% el más común, por lo que la derivación de ejemplo no debe operarse por encima de 330 A (y una caída de 50 mV) por más tiempo.

Esta limitación se debe a límites térmicos en los que una derivación ya no funcionará correctamente. Para la manganina, un material de derivación común, a 80 °C comienza a ocurrir deriva térmica, a 120 °C la deriva térmica es un problema importante donde el error, dependiendo del diseño de la derivación, puede ser de varios por ciento y a 140 °C la manganina La aleación se daña permanentemente debido al recocido, lo que hace que el valor de resistencia suba o baje.

Si la corriente que se está midiendo también tiene un potencial de alto voltaje, este voltaje también estará presente en los cables de conexión y en el propio instrumento de lectura. A veces, la derivación se inserta en el tramo de retorno (lado conectado a tierra) para evitar este problema. Algunas alternativas a las derivaciones 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). Las derivaciones actuales se consideran más precisas y económicas que los dispositivos de efecto Hall. Las especificaciones de precisión comunes de dichos dispositivos son ±0,1%, ±0,25% o ±0,5%.

El NIST y otros laboratorios de estándares utilizaron la derivación de doble pared de manganina tipo Thomas y el tipo MI (diseño tipo Thomas mejorado) como referencia legal de un ohmio hasta que fueron reemplazados en 1990 por el efecto Hall cuántico. Las derivaciones de tipo Thomas todavía se utilizan como estándares secundarios para tomar mediciones de corriente muy precisas, ya que utilizar el efecto Hall cuántico es un proceso que requiere mucho tiempo. La precisión de este tipo de derivaciones se mide en la escala de deriva de ppm y subppm por año de resistencia establecida.

Cuando el circuito está conectado a tierra en un lado, se puede insertar una derivación de medición de corriente en el conductor no puesto a tierra o en el conductor puesto a tierra. Una derivación en el conductor sin conexión a tierra debe estar aislada para que toda la tensión del circuito llegue a tierra; el instrumento de medición debe estar inherentemente aislado de tierra o debe incluir un divisor de voltaje resistivo o un amplificador de aislamiento entre el voltaje de modo común relativamente alto y los voltajes más bajos dentro del instrumento. Es posible que una derivación en el conductor puesto a tierra no detecte la corriente de fuga que pasa por alto la derivación, pero no experimentará un alto voltaje de modo común a tierra. La carga se retira de un camino directo a tierra, lo que puede crear problemas para los circuitos de control, generar emisiones no deseadas o ambas cosas.

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  La inserción de bajo lado puede eliminar el voltaje de movimiento común, pero no sin inconvenientes.
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  La inserción de alta costura resuelve los inconvenientes de baja cara pero garantiza el voltaje de movimiento común.
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  Los amplificadores aislados resuelven todas las dificultades y limitaciones con mediciones de alta o baja frecuencia.