2.4.3. Medida de la intensidad de corriente [amperímetro]

graph TD A["Medida de Intensidad de Corriente"] --> B["Amperímetro Directo"] A --> C["Ampliación de Escala"] A --> D["Medida Indirecta"] B --> B1["Conexión en SERIE obligatoria"] B --> B2["Resistencia Interna casi nula (r -> 0)"] C --> C1["Resistencia Shunt en CC (Paralelo)"] D --> D1["Transformador de Intensidad (TI) en CA"] D --> D2["Pinza Amperimétrica (Efecto Hall / Inducción)"] style A fill:#2c3e50,color:#fff style B fill:#2980b9,color:#fff style C fill:#27ae60,color:#fff style D fill:#8e44ad,color:#fff

Principio del amperímetro y método de conexión en serie

La intensidad de corriente eléctrica representa el caudal neto de carga eléctrica que fluye a través de un conductor por unidad de tiempo. Para medir esta magnitud física en un circuito eléctrico activo, el instrumento patrón empleado es el amperímetro. El principio fundamental de la medición exige que toda la corriente que deseamos medir debe fluir por el interior del instrumento. Por tanto, el amperímetro debe conectarse siempre estrictamente en serie con el receptor o carga del circuito objeto de ensayo, interrumpiendo el conductor activo (habitualmente la fase) y puenteando los bornes con el aparato de medida.

Conectar un amperímetro en paralelo con una fuente de alimentación o receptor constituye uno de los errores técnicos más graves y destructivos en el taller eléctrico. Debido a que el circuito interno del amperímetro posee una resistencia interna extremadamente baja ($R_i \a≈ 0$) para evitar alterar las condiciones de funcionamiento de la carga (caída de tensión adicional despreciable), la conexión en paralelo equivale a provocar de forma instantánea un cortocircuito franco. Este fallo derivará en una violenta corriente de cortocircuito que destruirá la etapa fusible interna de protección del instrumento o provocará la fusión física de las puntas de prueba y pistas de circuito impreso por efecto Joule extremo.

Ampliación de la escala mediante derivación (Shunt)

Los mecanismos físicos de bobina móvil e imán permanente de los instrumentos analógicos son delicados y solo toleran de forma directa corrientes del orden de los microamperios o miliamperios. Para posibilitar la medición de corrientes industriales de gran magnitud (de decenas o centenares de amperios en corriente continua), es imprescindible derivar la mayor parte de la intensidad a través de un componente exterior de precisión de muy bajo valor óhmico denominado resistencia shunt o derivador.

La resistencia shunt se acopla en paralelo con los bornes del amperímetro. Así, la corriente total ($I$) se bifurca: la gran mayoría circula por el shunt ($I_s$), mientras que una porción muy pequeña y proporcional viaja a través del mecanismo medidor del amperímetro ($I_m$). La ecuación para calcular el valor exacto de la resistencia shunt ($R_{shunt}$) necesaria para ampliar la escala del instrumento se deriva aplicando las leyes de Kirchhoff:

$$R_{shunt} = \frac{R_m \cdot I_m}{I - I_m} = \frac{R_m}{m - 1}$$

Donde $R_m$ es la resistencia interna de la bobina del amperímetro, $I_m$ es la corriente de deflexión a fondo de escala del galvanómetro y $m = I / I_m$ es el factor de multiplicación de escala deseado. La caída de tensión normalizada en los shunts industriales suele estar estandarizada en valores de $60\ \text{mV}$ o $150\ \text{mV}$ a su corriente nominal de diseño.

Medida de corriente en CA: Transformadores de Intensidad (TI)

En sistemas industriales de corriente alterna trifásica y monofásica, medir directamente intensidades elevadas interrumpiendo el circuito no es viable ni seguro por cuestiones de aislamiento dieléctrico frente a altas tensiones. En su lugar, se emplean Transformadores de Intensidad (TI). Estos transformadores disponen de un devanado primario por el que pasa el cable de potencia (actuando como una sola espira) y un devanado secundario con un elevado número de espiras que se conecta a los bornes del amperímetro analógico o digital empotrado en la puerta del cuadro.

El estándar industrial define que la salida secundaria del transformador de intensidad debe entregar una corriente proporcional normalizada de $5\ \text{A}$ o $1\ \text{A}$ a fondo de escala (por ejemplo, transformadores marcados como $100/5\ \text{A}$ o $400/5\ \text{A}$). Un aspecto crítico de seguridad en la manipulación de TIs es que el secundario de un transformador de intensidad nunca debe dejarse en circuito abierto mientras el primario esté energizado. Si se abre el circuito del secundario, la corriente primaria magnetizará el núcleo ferromagnético hasta la saturación extrema, induciendo tensiones destructivas de miles de voltios en los bornes abiertos, lo cual provocará un arco eléctrico destructivo y un peligro mortal de electrocución por contacto directo.

Figura: Técnicas de conexión y medida de la intensidad eléctrica. Fuente: Generada para fines educativos / Licencia: CC BY-NC-SA

Pinzas amperimétricas y categorías de sobretensión

Para mediciones de mantenimiento rápido y diagnóstico de fallos sin necesidad de interrumpir físicamente los cables del cuadro, se utiliza la pinza amperimétrica. Este instrumento portátil rodea magnéticamente el conductor del circuito. En corriente alterna, el cabezal de la pinza actúa como el núcleo ferromagnético de un transformador de corriente que detecta el flujo de campo magnético alterno variable por inducción electromagnética. Para poder medir en corriente continua (donde el flujo magnético es estático y no induce corriente por Faraday), la pinza incorpora un sensor de efecto Hall en el entrehierro de las mordazas que traduce la intensidad del campo magnético estático en una señal de tensión proporcional.

Al seleccionar y utilizar un amperímetro o pinza, se debe verificar su Categoría de Sobretensión (CAT) según UNE-EN 61010-1. Para realizar mediciones directamente en las barras de distribución del cuadro general de entrada o aguas arriba de las protecciones del armario eléctrico, se exige emplear instrumentos con clasificación de seguridad mínima CAT III 600V o CAT IV 600V, garantizando que el instrumento pueda soportar transitorios de tensión extremos sin explotar ni originar arcos de cortocircuito.

Figura: Monitorización de consumos energéticos activos en planta de distribución. Fuente: Generada para fines educativos / Licencia: CC BY-NC-SA

🐍 Código Python: Calculador de Resistencia Shunt para Escalas



# Script en Python para dimensionar y calcular el valor óhmico de una

# resistencia shunt para ampliación de escala de amperímetros analógicos.



def calcular_resistencia_shunt(r_galvanometro, i_galvanometro_fondo, i_deseada_escala):

    print("💡 DIMENSIONADO DE RESISTENCIA SHUNT PARA AMPERÍMETRO CC:")

    print("=" * 60)

    

    # Validar que la escala deseada sea mayor que la de fondo directa

    if i_deseada_escala <= i_galvanometro_fondo:

        print("💡 Error: La corriente de escala debe ser superior a la del galvanómetro.")

        return

        

    # Factor de escala m = I / Im

    factor_escala = i_deseada_escala / i_galvanometro_fondo

    

    # Calcular resistencia del Shunt (Rs = Rm / (m - 1))

    r_shunt = r_galvanometro / (factor_escala - 1)

    

    # Tensión del shunt a fondo de escala (Vs = Rs * Is)

    i_shunt = i_deseada_escala - i_galvanometro_fondo

    v_shunt_mv = (r_shunt * i_shunt) * 1000 # en mV

    

    # Disipación térmica en el Shunt (P = I^2 * R)

    potencia_disipada_w = (i_shunt ** 2) * r_shunt

    

    print(f"💡 Resistencia interna del instrumento (Rm): {r_galvanometro} Ohm")

    print(f"💡 Corriente de fondo directa (Im): {i_galvanometro_fondo * 1000:.2f} mA")

    print(f"💡 Escala total ampliada requerida (I): {i_deseada_escala} A")

    print(f"💡 Factor de ampliación de escala (m): {factor_escala:.1f} veces")

    print("-" * 60)

    print(f"? VALOR DE LA RESISTENCIA SHUNT (Rs): {r_shunt:.6f} Ohm")

    print(f"💡 Caída de tensión a fondo de escala: {v_shunt_mv:.1f} mV")

    print(f"💡 Potencia disipada por el Shunt: {potencia_disipada_w:.2f} W")

    print("=" * 60)



# Simulación: Galvanómetro de 50 Ohm / 1 mA para escala de 50 A

calcular_resistencia_shunt(r_galvanometro=50.0, i_galvanometro_fondo=0.001, i_deseada_escala=50.0)

Este código en Python permite calcular shunts de derivación de escala basándose en parámetros galvánicos de diseño.

🔧 Laboratorio Práctico: Medida de Corriente y Dimensionamiento de la Línea

En las fases de control de un armario de maniobra, disponemos de un receptor de potencia monofásico que consume 4600 W a una tensión nominal de 230 V y posee un factor de potencia ($\cos\varphi$) de 0,8. Para intercalar un amperímetro de cuadro de conexión directa o estimar el amperaje que soportarán los conductores activos, debemos calcular la corriente Ib mediante el asistente de cálculo de líneas:

Abre el módulo de Sección de Cables (o pulsa en Dimensionado del Conductor) en el asistente REBT Calc.
Introduce los siguientes valores correspondientes al circuito del receptor:
- Tensión del Sistema: 230 V (Monofásico)
- Potencia Activa: 4600 W
- Factor de Potencia (cos phi): 0.8
Haz clic en calcular y observa el valor de la corriente Ib de cálculo ($I_b$) que registrará el amperímetro.

📂 Abrir Módulo de Sizing en REBT Calc

Pregunta de Laboratorio:

Si tenemos un receptor monofásico que consume 4600 W a 230 V con un cos phi de 0,8, ¿qué corriente de diseño Ib registrará el amperímetro conectado en serie según la calculadora?

📋 Caso Práctico: Conexión física del amperímetro

Contexto: Durante las pruebas en fábrica de un cuadro eléctrico, un operario en prácticas conecta de forma accidental los bornes de un amperímetro en paralelo con la barra de fase y neutro.

Pregunta: ¿Qué fenómeno físico destructivo se desencadena en esta conexión errónea y cuál es el motivo metrológico subyacente?

📋 Caso Práctico: Medida de alterna con transformadores

Contexto: En un cuadro trifásico que alimenta una máquina de climatización de 150 A, se instalan transformadores de corriente con relación comercial de 200/5 A.

Pregunta: ¿Qué grave peligro de seguridad eléctrica se presenta si desconectamos el amperímetro del secundario mientras circula corriente activa por la línea principal?

📋 Caso Práctico: Medición sin contacto en CC

Contexto: Debes medir la corriente continua de salida del puente rectificador de una fuente que alimenta relés auxiliares sin desatornillar ningún terminal activo.

Pregunta: ¿Qué tipo de pinza amperimétrica portátil debes seleccionar para efectuar este diagnóstico de forma segura y precisa?