En ingeniería eléctrica , la detección de corriente es una de las diversas técnicas que se utilizan para medir la corriente eléctrica. La medición de la corriente varía desde picoamperios hasta decenas de miles de amperios. La selección de un método de detección de corriente depende de requisitos como la magnitud, la precisión , el ancho de banda, la solidez, el costo, el aislamiento o el tamaño. El valor actual puede ser mostrado directamente por un instrumento o convertido a formato digital para su uso por un sistema de control o monitoreo.
Las técnicas de detección de corriente incluyen resistencias en derivación, transformadores de corriente y bobinas Rogowski , transductores basados en campos magnéticos y otros.
Sensor actual
Un sensor de corriente es un dispositivo que detecta corriente eléctrica en un cable y genera una señal proporcional a esa corriente. La señal generada podría ser voltaje o corriente analógica o una salida digital. La señal generada se puede utilizar para mostrar la corriente medida en un amperímetro, o se puede almacenar para un análisis adicional en un sistema de adquisición de datos, o se puede utilizar con fines de control.
La corriente detectada y la señal de salida pueden ser:
- Entrada de corriente alterna ,
- salida analógica, que duplica la forma de onda de la corriente detectada.
- salida bipolar, que duplica la forma de onda de la corriente detectada.
- salida unipolar, que es proporcional al valor promedio o RMS de la corriente detectada.
- Entrada de corriente continua ,
- unipolar, con una salida unipolar, que duplica la forma de onda de la corriente detectada
- salida digital, que cambia cuando la corriente detectada supera un cierto umbral
Requisitos en la medición de corriente
Las tecnologías de detección actuales deben cumplir varios requisitos para diversas aplicaciones. Generalmente, los requisitos comunes son:
- Alta sensibilidad
- Alta precisión y linealidad.
- Ancho de banda amplio
- Medición de CC y CA
- Deriva de baja temperatura
- Rechazo de interferencias
- Embalaje IC
- Bajo consumo de energía
- Precio bajo
Técnicas
La medición de la corriente eléctrica se puede clasificar según los principios físicos fundamentales subyacentes, tales como,
- Ley de inducción de Faraday
- Sensores de campo magnético
- Efecto Faraday
- Sensor de efecto Hall .
- Transformador o pinza amperimétrica (apto solo para corriente CA).
- Sensor Fluxgate , (apto para corriente alterna o continua).
- Resistencia de derivación , cuyo voltaje es directamente proporcional a la corriente que lo atraviesa.
- Sensor de corriente de fibra óptica , que utiliza un interferómetro para medir el cambio de fase en la luz producida por un campo magnético.
- Bobina de Rogowski , dispositivo eléctrico para medir pulsos de corriente alterna (CA) o de corriente de alta velocidad.
- Magnetorresistencia gigante (GMR): sensor de campo magnético adecuado para corriente CA y CC con mayor precisión que el efecto Hall. Colocado paralelo al campo magnético.
El sensor de corriente de efecto Hall es un tipo de sensor de corriente que se basa en el fenómeno de efecto Hall descubierto por Edwin Hall en 1879. Los sensores de corriente de efecto Hall pueden medir corriente alterna, continua o pulsante.
Resistencias de derivación
La ley de Ohm es la observación de que la caída de voltaje a través de una resistencia es proporcional a la corriente que la atraviesa.
Esta relación se puede utilizar para detectar corrientes. Los sensores basados en esta simple relación son bien conocidos por sus menores costos y confiabilidad debido a este simple principio.
El enfoque común y simple para la detección de corriente es el uso de una resistencia en derivación. La caída de voltaje a través de la derivación es proporcional a su flujo de corriente. Tanto las corrientes alternas (CA) como las corrientes continuas (CC) se pueden medir con la resistencia de derivación. La derivación coaxial de alto rendimiento se ha utilizado ampliamente para muchas aplicaciones, corrientes transitorias de tiempo de aumento rápido y altas amplitudes, pero los dispositivos electrónicos altamente integrados prefieren dispositivos de montaje en superficie (SMD) de bajo costo, [1] debido a sus pequeños tamaños y precios relativamente bajos. . La inductancia parásita presente en la derivación afecta la medición de corriente de alta precisión. Aunque esto afecta solo a la magnitud de la impedancia a una frecuencia relativamente alta, su efecto sobre la fase a la frecuencia de línea provoca un error notable en un factor de potencia bajo. El bajo costo y la alta confiabilidad hacen que la derivación de corriente de baja resistencia sea una opción muy popular para el sistema de medición de corriente. La principal desventaja de utilizar la derivación es que fundamentalmente una derivación es un elemento resistivo, por lo que la pérdida de potencia es proporcional al cuadrado de la corriente que la atraviesa y, en consecuencia, es una rareza entre las mediciones de alta corriente. La respuesta rápida para medir corrientes de alto impulso o sobretensión es el requisito común para las resistencias en derivación. En 1981 Malewski, [2] diseñó un circuito para eliminar el efecto piel y más tarde en 1999 se introdujo la derivación sándwich de correa plana (FSSS) [3] a partir de una resistencia sándwich de correa plana. Las propiedades del FSSS en términos de tiempo de respuesta, pérdida de potencia y características de frecuencia son las mismas que las de la resistencia de derivación, pero el costo es menor y la técnica de construcción es menos sofisticada, en comparación con Malewski y la derivación coaxial.
Detección de trazas de resistencia
La resistencia intrínseca de un elemento conductor, generalmente una traza de cobre en una placa de circuito impreso ( PCB ) se puede utilizar como elemento sensor en lugar de una resistencia en derivación. [4] Dado que no se requiere una resistencia adicional, este enfoque promete una configuración de bajo costo y ahorro de espacio sin pérdidas de energía adicionales. Naturalmente, la caída de voltaje de una traza de cobre es muy baja debido a su muy baja resistencia, lo que hace que la presencia de un amplificador de alta ganancia sea obligatoria para obtener una señal útil. Hay varios efectos físicos que pueden alterar el proceso de medición actual: deriva térmica de la traza de cobre, condiciones iniciales de la resistencia de la traza, etc. Por lo tanto, este enfoque no es adecuado para aplicaciones que requieren una precisión razonable debido a la gran deriva térmica. Para superar los problemas asociados con la desviación de temperatura, se puede utilizar un controlador digital para la compensación de la desviación térmica y la calibración de la traza de cobre. [5] Un inconveniente importante de este tipo de sensor de corriente es la inevitable conexión eléctrica entre la corriente a medir y el circuito de detección. Empleando un llamado amplificador de aislamiento , se puede agregar aislamiento eléctrico. Sin embargo, estos amplificadores son costosos y también pueden deteriorar el ancho de banda, la precisión y la deriva térmica de la técnica de detección de corriente original. Por estas razones, las técnicas de detección de corriente basadas en principios físicos que proporcionan aislamiento eléctrico intrínseco ofrecen un mejor rendimiento a menores costos en aplicaciones donde se requiere aislamiento.
Sensor de corriente basado en la ley de Faraday
La ley de inducción de Faraday, que establece que la fuerza electromotriz total inducida en un circuito cerrado es proporcional a la tasa de cambio en el tiempo del flujo magnético total que une el circuito, se ha empleado en gran medida en técnicas de detección de corriente. Los dos principales dispositivos de detección basados en la ley de Faraday son los transformadores de corriente (TC) y las bobinas de Rogowski. Estos sensores proporcionan un aislamiento eléctrico intrínseco entre la corriente a medir y la señal de salida, lo que hace que estos dispositivos de detección de corriente sean obligatorios, donde las normas de seguridad exigen aislamiento eléctrico.
Transformador de corriente
El CT se basa en el principio de un transformador y convierte una corriente primaria alta en una corriente secundaria más pequeña y es común entre los sistemas de medición de corriente alterna alta. Como este dispositivo es un dispositivo pasivo, no se necesitan circuitos de conducción adicionales en su implementación. Otra gran ventaja es que puede medir una corriente muy alta consumiendo poca energía. La desventaja del TC es que una corriente primaria muy alta o un componente de CC sustancial en la corriente pueden saturar el material de ferrita utilizado en el núcleo y, en última instancia, corromper la señal. Otro problema es que una vez que se magnetiza el núcleo, contendrá histéresis y la precisión se degradará a menos que se vuelva a desmagnetizar.
Bobina de Rogowski
Bobina de Rogowski se basa en el principio de la ley de la inducción y la tensión de salida V de Faraday fuera de la bobina de Rogowski se determina mediante la integración de la corriente I c a medir. Está dado por,
donde A es el área de la sección transversal de la bobina y N es el número de vueltas. La bobina de Rogowski tiene una baja sensibilidad debido a la ausencia de un núcleo magnético de alta permeabilidad que pueda aprovechar el transformador de corriente. Sin embargo, esto se puede compensar agregando más vueltas en la bobina de Rogowski o usando un integrador con una ganancia k más alta. Más vueltas aumentan la autocapacidad y autoinductancia , y una mayor ganancia del integrador significa un amplificador con un producto de gran ganancia de ancho de banda. Como siempre en la ingeniería, se deben hacer concesiones en función de las aplicaciones específicas.
Sensores de campo magnético
efecto Hall
Los sensores de efecto Hall son dispositivos basados en el efecto Hall, que fue descubierto por Edwin Hall en 1879 basado en el principio físico de la fuerza de Lorentz. Se activan mediante un campo magnético externo. En este dispositivo generalizado, el sensor Hall detecta el campo magnético producido por el sistema magnético. Este sistema responde a la cantidad a detectar (corriente, temperatura, posición, velocidad, etc.) a través de la interfaz de entrada. El elemento Hall es el sensor de campo magnético básico. Requiere acondicionamiento de señal para que la salida sea utilizable para la mayoría de las aplicaciones. La electrónica de acondicionamiento de señal necesaria es una etapa de amplificación y compensación de temperatura. Se necesita regulación de voltaje cuando se opera con un suministro no regulado. Si el voltaje Hall se mide cuando no hay campo magnético, la salida debe ser cero. Sin embargo, si el voltaje en cada terminal de salida se mide con respecto a tierra, aparecerá un voltaje distinto de cero. Este es el voltaje de modo común (CMV) y es el mismo en cada terminal de salida. La interfaz de salida luego convierte la señal eléctrica del sensor Hall; el voltaje Hall: una señal que es importante para el contexto de la aplicación. El voltaje Hall es una señal de bajo nivel del orden de 30 μvoltios en presencia de un campo magnético de gauss. Esta salida de bajo nivel requiere un amplificador con poco ruido, alta impedancia de entrada y ganancia moderada. Un amplificador diferencial con estas características puede integrarse fácilmente con el elemento Hall utilizando tecnología de transistor bipolar estándar. La compensación de temperatura también se integra fácilmente.
Sensores fluxgate
Los sensores Fluxgate o los sensores de corriente de inductor saturable funcionan con el mismo principio de medición que los sensores de corriente basados en el efecto Hall: el campo magnético creado por la corriente primaria que se va a medir es detectado por un elemento sensor específico. El diseño del sensor de corriente de inductor saturable es similar al de un sensor de corriente de efecto Hall de circuito cerrado; la única diferencia es que este método usa el inductor saturable en lugar del sensor de efecto Hall en el entrehierro.
El sensor de corriente de inductor saturable se basa en la detección de un cambio de inductancia . El inductor saturable está hecho de un núcleo magnético pequeño y delgado enrollado con una bobina alrededor. El inductor saturable opera en su región de saturación. Está diseñado de tal manera que la densidad de flujo externo e interno afectará su nivel de saturación. El cambio en el nivel de saturación de un inductor saturable alterará la permeabilidad del núcleo y, en consecuencia, su inductancia L. El valor de la inductancia saturable (L) es alto a bajas corrientes (basado en la permeabilidad del núcleo) y bajo a altas corrientes (la la permeabilidad del núcleo se convierte en unidad cuando se satura). Los detectores Fluxgate se basan en la propiedad de muchos materiales magnéticos de exhibir una relación no lineal entre la intensidad del campo magnético H y la densidad de flujo B. [6]
En esta técnica, el rendimiento de alta frecuencia se logra mediante el uso de dos núcleos sin espacios de aire. Uno de los dos núcleos principales se usa para crear un inductor saturable y el otro se usa para crear un efecto de transformador de alta frecuencia. En otro enfoque, se pueden usar tres núcleos sin espacio de aire. Dos de los tres núcleos se utilizan para crear un inductor saturable y el tercer núcleo se utiliza para crear un efecto de transformador de alta frecuencia. Las ventajas de los sensores inductores saturables incluyen alta resolución, alta precisión, baja desviación y deriva de ganancia y gran ancho de banda (hasta 500 kHz). Los inconvenientes de las tecnologías de inductores saturables incluyen un ancho de banda limitado para un diseño más simple, un consumo de energía secundaria relativamente alto y el riesgo de inyección de ruido de corriente o voltaje en el conductor primario.
Sensor de corriente magnetorresistivo
Una magnetorresistencia (MR) es un dispositivo de dos terminales que cambia su resistencia de forma parabólica con el campo magnético aplicado. Esta variación de la resistencia de la RM debido al campo magnético se conoce como efecto magnetorresistivo . Es posible construir estructuras en las que la resistencia eléctrica varía en función del campo magnético aplicado. Estas estructuras se pueden utilizar como sensores magnéticos. Normalmente, estas resistencias se ensamblan en una configuración de puente para compensar la deriva térmica. [7] Los sensores basados en la resistencia magnética más populares son: Resistencia magnética anisotrópica (AMR), Resistencia magnética gigante (GMR), Impedencia magnética gigante (GMI) y Resistencia magnética de túnel (TMR). Todos estos sensores basados en RM tienen una mayor sensibilidad en comparación con los sensores de efecto Hall. A pesar de esto, estos sensores (GMR, CMR y TMR) siguen siendo más caros que los dispositivos de efecto Hall, tienen serios inconvenientes relacionados con el comportamiento no lineal, una diferencia térmica distinta y un campo externo muy fuerte puede alterar permanentemente el comportamiento del sensor (GMR). . Los sensores GMI y TMR son incluso más sensibles que los sensores basados en GMR, pero aún se encuentran en la fase de prueba y no hay productos comerciales disponibles a partir de 2016-06.
Ver también
Referencias
- ^ Costa, F .; Poulichet, P .; Mazaleyrat, F .; Labouré, E. (1 de febrero de 2001). "Los sensores de corriente en electrónica de potencia, una revisión". Revista EPE . 11 (1): 7–18. doi : 10.1080 / 09398368.2001.11463473 . ISSN 0939-8368 .
- ^ Malewski, R .; Nguyen, CT; Feser, K .; Hylten-Cavallius, N. (1 de marzo de 1981). "Eliminación del error de efecto de piel en derivaciones de corriente pesada". Transacciones IEEE sobre aparatos y sistemas de potencia . PAS-100 (3): 1333-1340. Código Bibliográfico : 1981ITPAS.100.1333M . doi : 10.1109 / tpas.1981.316606 . ISSN 0018-9510 .
- ^ Castelli, F. (1 de octubre de 1999). "La derivación sándwich de correa plana". Transacciones IEEE sobre instrumentación y medición . 48 (5): 894–898. doi : 10.1109 / 19.799642 . ISSN 0018-9456 .
- ^ Spaziani, Larry (1997). "Uso de grabado de PCB de cobre para resistencia de bajo valor". Texas Instruments . DN-71.
- ^ Ziegler, S .; Iu, HHC; Woodward, RC; Borle, LJ (1 de junio de 2008). "Análisis teórico y práctico de un principio de detección de corriente que aprovecha la resistencia de la traza de cobre". Conferencia de especialistas en electrónica de potencia de IEEE 2008 : 4790–4796.
- ^ LEM International SA (junio de 2011). "Catálogo de transductores de corriente de alta precisión" (versión 1). Cite journal requiere
|journal=
( ayuda ) - ^ Ziegler, S .; Woodward, RC; Iu, HHC; Borle, LJ (1 de abril de 2009). "Técnicas de detección actuales: una revisión". Revista de sensores IEEE . 9 (4): 354–376. Código Bibliográfico : 2009ISenJ ... 9..354Z . doi : 10.1109 / jsen.2009.2013914 . ISSN 1530-437X .