Técnicas de detección de corriente que utilizan diferentes sensores de corriente.

La corriente es un factor muy crítico en Electrónica o Ingeniería Eléctrica. En electrónica, la corriente puede tener un ancho de banda desde unos pocos nanoamperios hasta cientos de amperios. Este rango puede ser mucho más amplio en el dominio eléctrico, típicamente hasta varios miles de amperios, especialmente en las redes eléctricas. Existen diferentes métodos para detectar y medir la corriente dentro de un circuito o conductor. En este artículo, discutiremos cómo medir la corriente usando varias técnicas de detección de corriente con sus ventajas, desventajas y aplicaciones.

Método de detección de corriente del sensor de efecto Hall

El efecto Hall es descubierto por el físico estadounidense Edwin Herbert Hall y se puede utilizar para detectar la corriente. Generalmente se usa para detectar campos magnéticos y puede ser útil en muchas aplicaciones como velocímetro, alarma de puerta, bricolaje BLDC.

El sensor de efecto Hall produce un voltaje de salida que depende del campo magnético. La relación de la tensión de salida es proporcional al campo magnético. Durante el proceso de detección de corriente, la corriente se mide midiendo el campo magnético. El voltaje de salida es muy bajo y debe amplificarse a un valor útil usando un amplificador de alta ganancia con muy bajo ruido. Además del circuito amplificador, el sensor de efecto Hall requiere circuitos adicionales, ya que es un transductor lineal.

Pros:

1. Puede usarse en frecuencias más altas.
2. Se puede utilizar tanto en CA como en CC con precisión.
3. Método sin contacto.
4. Se puede utilizar en un entorno difícil.
5. Es confiable.

Contras:

1. El sensor se desvía y requiere compensación.
2. Se requiere un circuito adicional para una salida útil.
3. Más costosa que la técnica basada en derivación.

Los sensores de efecto Hall se utilizan en pinzas amperimétricas, así como en muchas aplicaciones de detección de corriente industriales y automotrices. Muchos tipos de sensores de efecto Hall lineal pueden detectar corrientes desde varios mili amperios hasta miles de amperios. Debido a esto, la aplicación Smart Grid Monitoring también utiliza un tipo diferente de sensor de efecto Hall para monitorear la corriente del conductor.

Método de detección de corriente del sensor de puerta de flujo

Un inductor saturable es el componente principal de la técnica de detección Fluxgate. Debido a esto, el sensor Fluxgate se denomina sensor de corriente de inductor saturable. El núcleo del inductor que se utiliza para el sensor fluxgate funciona en la región de saturación. El nivel de saturación de este inductor es muy sensible y cualquier densidad de flujo interno o externo cambia el nivel de saturación del inductor. La permeabilidad del núcleo es directamente proporcional al nivel de saturación, por lo que la inductancia también cambia. Este cambio en el valor del inductor es analizado por el sensor de la puerta de flujo para detectar la corriente. Si la corriente es alta, la inductancia se reduce, si la corriente es baja, la inductancia se vuelve alta.

El sensor de efecto Hall funciona de manera similar al sensor fluxgate, pero hay una diferencia entre ellos. La diferencia está en el material del núcleo. El sensor Flux Gate usa un inductor saturable pero el sensor de efecto Hall usa un núcleo de aire.

En la imagen de arriba, se muestra la construcción básica de un sensor de puerta de flujo. Hay dos bobinas primaria y secundaria envueltas alrededor de un núcleo inductor saturable. Los cambios en el flujo de corriente pueden alterar la permeabilidad del núcleo dando como resultado el cambio de inductancia a través de la otra bobina.

Pros:

1. Puede medir en una amplia gama de frecuencias.
2. Tiene gran precisión.
3. Desviaciones y desviaciones bajas.

Contras:

1. Alto consumo de energía secundaria
2. Un factor de riesgo aumenta por ruido de voltaje o corriente en el conductor primario.
3. Solo apto para CC o CA de baja frecuencia.

Los sensores Fluxgate se utilizan en inversores solares para detectar la corriente. Aparte de esto, la medición de corriente CA y CC en bucle cerrado se puede realizar fácilmente utilizando sensores Flux Gate. El método de detección de corriente de Flux Gate también se puede utilizar en la medición de corriente de fuga, detección de sobrecorriente, etc.

Método de detección de corriente de bobina Rogowski

La bobina de Rogowski lleva el nombre del físico alemán Walter Rogowski. La bobina de Rogowski se fabrica con una bobina de núcleo de aire de forma helicoidal y se envuelve alrededor del conductor objetivo para medir la corriente.

En la imagen de arriba, la bobina de Rogowski se muestra con circuitos adicionales. El circuito adicional es un circuito integrador. La bobina Rogowski proporciona voltaje de salida dependiendo de la tasa de cambio de corriente en el conductor. Se requiere un circuito integrador adicional para generar un voltaje de salida que sea proporcional a la corriente.

Pros:

1. Es un buen método para detectar cambios rápidos de corriente de alta frecuencia.
2. Operación segura en términos de manipulación del devanado secundario.
3. Solución de bajo costo.
4. Flexibilidad en el manejo debido a la construcción de bucle abierto.
5. La compensación de temperatura no es compleja.

Contras:

1. Solo apto para AC
2. Tiene baja sensibilidad que el transformador de corriente.

La bobina de Rogowski tiene una amplia gama de aplicaciones. Por ejemplo, medición de corriente en módulos de potencia grandes, especialmente en los MOSFET o transistores de alta potencia o en el IGBT. La bobina Rogowski proporciona una opción de medición flexible. Como la respuesta de la bobina de Rogowski es muy rápida sobre transitorios u ondas sinusoidales de alta frecuencia, es una buena opción para medir transitorios de corriente de alta frecuencia en las líneas eléctricas. En distribución de energía o en redes inteligentes, la bobina Rogowski proporciona una excelente flexibilidad para las mediciones de corriente.

Método de detección de corriente del transformador de corriente

El transformador de corriente o CT se usa para detectar la corriente por voltaje secundario que es proporcional a la corriente en la bobina secundaria. Es un transformador industrial que convierte el gran valor de voltaje o corriente en un valor mucho menor en su bobina secundaria. La medición se realiza a través de la salida secundaria.

En la imagen de arriba, se muestra la construcción. Es un transformador CT ideal con una relación primaria y secundaria de 1: N. La N depende de las especificaciones del transformador. Obtenga más información sobre transformadores aquí.

Pros:

1. Gran capacidad de manejo de corriente, más que los otros métodos mostrados en este artículo.
2. No requiere circuitos adicionales.

Contras:

1. Requiere mantenimiento.
2. La histéresis ocurre debido a la magnetización.
3. La alta corriente primaria satura los materiales del núcleo de ferrita.

El uso principal de la técnica de detección de corriente basada en transformadores de TC es en la red eléctrica debido a su capacidad de medición de corriente muy alta. Pocas pinzas amperimétricas también utilizan un transformador de corriente para la medición de corriente alterna.

Método de detección de corriente de resistencia de derivación

Este es el método más utilizado en las técnicas de detección actuales. Esta técnica se basa en la ley de Ohm.

Se utiliza una resistencia de bajo valor en serie para detectar la corriente. Cuando la corriente fluye a través de una resistencia de bajo valor, produce una diferencia de voltaje a través de la resistencia.

Pongamos un ejemplo.

Suponga que 1 A de corriente fluye a través de una resistencia de 1 ohmio. Según la ley de ohmios, el voltaje es equivalente a la corriente x la resistencia. Por lo tanto, cuando 1 A de corriente fluye a través de una resistencia de 1 ohmio, producirá 1 V a través de la resistencia. La potencia de la resistencia es un factor crítico a considerar. Sin embargo, también hay resistencias de valor muy pequeño disponibles en el mercado, donde la resistencia está en el rango de mili-ohmios. En tal caso, la diferencia de voltaje a través de la resistencia también es muy pequeña. Se requiere un amplificador de alta ganancia para aumentar la amplitud del voltaje y, finalmente, la corriente se mide utilizando la base de cálculo inverso.

Un enfoque alternativo para este tipo de técnica de detección de corriente es utilizar la traza de la PCB como resistencia de derivación. Dado que la traza de cobre de una PCB ofrece una resistencia muy pequeña, se puede usar la traza para medir la corriente. Sin embargo, en este enfoque alternativo, varias dependencias también son una gran preocupación para obtener un resultado preciso. El principal factor que cambia el juego es la variación de la temperatura. Dependiendo de la temperatura, la resistencia de la traza cambia dando como resultado un resultado de error. Es necesario compensar este error en la aplicación.

Pros:

1. Solución muy rentable
2. Puede trabajar en AC y DC.
3. No se requiere equipo adicional.

Contras:

1. No apto para un funcionamiento con corriente más alta debido a la disipación de calor.
2. La medición de derivación proporciona una disminución innecesaria en la eficiencia del sistema debido al desperdicio de energía a través de la resistencia.
3. La deriva térmica proporciona un resultado de error en una aplicación de alta temperatura.

La aplicación de la resistencia Shunt incluye amperímetro digital. Este es un método preciso y más económico que no sea el sensor de efecto Hall. La resistencia en derivación también puede proporcionar una ruta de baja resistencia y permite que una corriente eléctrica pase de un punto al otro en un circuito.

¿Cómo seleccionar el método de detección de corriente adecuado?

Seleccionar el método adecuado para la detección de corriente no es una tarea difícil. Hay pocos factores que se deben considerar para elegir el método correcto, como:

1. ¿Cuánta precisión se necesita?
2. ¿Medición de CC o CA o ambas?
3. ¿Cuánto consumo de energía se requiere?
4. ¿Cuál es el rango actual y el ancho de banda que se va a medir?
5. Costeo.

Aparte de estos, también se deben considerar la sensibilidad aceptable y el rechazo de interferencias. Como no se pueden satisfacer todos los factores, se realizan algunas concesiones para comprometer una característica con la otra, según la prioridad de los requisitos de la aplicación.