En ingeniería eléctrica , la detección de corriente es cualquiera de varias técnicas utilizadas para medir la corriente eléctrica . La medición de corriente varía desde picoamperios hasta decenas de miles de amperios. La selección de un método de detección de corriente depende de requisitos como magnitud, precisión , ancho de banda, robustez, costo, aislamiento o tamaño. El valor actual puede ser mostrado directamente por un instrumento o convertido a formato digital para su uso por un sistema de monitoreo o control.
Las técnicas de detección de corriente incluyen resistencias en derivación, transformadores de corriente y bobinas de Rogowski , transductores basados en campos magnéticos y otros.
Un sensor de corriente es un dispositivo que detecta la corriente eléctrica en un cable y genera una señal proporcional a esa corriente. La señal generada podría ser tensión o corriente analógica o una salida digital. La señal generada se puede usar luego para mostrar la corriente medida en un amperímetro , o se puede almacenar para un análisis posterior en un sistema de adquisición de datos, o se puede usar con fines de control.
La corriente detectada y la señal de salida pueden ser:
Las tecnologías de detección actuales deben cumplir diversos requisitos para diversas aplicaciones. Generalmente, los requisitos comunes son:
La medición de la corriente eléctrica se puede clasificar según los principios físicos fundamentales subyacentes, como,
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 relación simple son bien conocidos por sus costos más bajos y su confiabilidad debido a este principio simple.
El enfoque común y simple para la detección de corriente es el uso de una resistencia en derivación. El hecho de que la caída de voltaje a través de la derivación sea proporcional a su flujo de corriente, es decir, la ley de Ohm, hace que la derivación de corriente de baja resistencia sea una opción muy popular para el sistema de medición de corriente debido a su bajo costo y alta confiabilidad. Con la resistencia en derivación se pueden medir tanto corrientes alternas (CA) como corrientes continuas (CC). La derivación coaxial de alto rendimiento se ha utilizado ampliamente para muchas aplicaciones, corrientes transitorias de tiempo de subida rápido y amplitudes altas, pero los dispositivos electrónicos altamente integrados prefieren dispositivos montados en superficie (SMD) de bajo costo, [1] debido a sus tamaños pequeños y precios relativamente bajos. . La inductancia parásita presente en la derivación afecta la medición de corriente de alta precisión. Aunque esto afecta sólo la magnitud de la impedancia a una frecuencia relativamente alta, su efecto sobre la fase a la frecuencia de la línea también provoca un error notable con un factor de potencia bajo. 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 pasa a través de él y, en consecuencia, es una rareza entre las mediciones de alta corriente. El requisito común para las resistencias en derivación es una respuesta rápida para medir corrientes de alto impulso o sobretensiones intensas. En 1981, Malewski, [2] diseñó un circuito para eliminar el efecto piel y más tarde, en 1999, se introdujo la derivación tipo sándwich de correa plana (FSSS) [3] a partir de una resistencia tipo 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 en derivación, pero el costo es menor y la técnica de construcción es menos sofisticada, en comparación con Malewski y la derivación coaxial.
La resistencia intrínseca de un elemento conductor, como una traza de cobre en una placa de circuito impreso, se puede utilizar como resistencia sensora. [4] Esto ahorra espacio y costo de componentes. La caída de voltaje de una traza de cobre es muy baja debido a su bajísima resistencia, lo que hace obligatoria la presencia de un amplificador de alta ganancia para obtener una señal útil. La precisión está limitada por la tolerancia inicial de fabricación de la traza y el importante coeficiente de temperatura del cobre. Un controlador digital puede aplicar correcciones para mejorar la medición. [5]
Un inconveniente importante de un sensor de resistencia es la inevitable conexión eléctrica entre la corriente a medir y el circuito de medición. Un amplificador de aislamiento puede proporcionar aislamiento eléctrico entre la corriente medida y el resto del circuito de medición. Sin embargo, estos amplificadores son caros y también pueden limitar el ancho de banda, la precisión y la deriva térmica de la técnica de detección de corriente original. Otras técnicas de detección de corriente que proporcionan aislamiento eléctrico intrínseco pueden ofrecer un rendimiento suficiente a costos más bajos cuando se requiere aislamiento.
La ley de inducción de Faraday, que establece: la fuerza electromotriz total inducida en un circuito cerrado es proporcional a la tasa de cambio temporal del flujo magnético total que une el circuito, se ha utilizado ampliamente en técnicas de detección de corriente. Dos dispositivos sensores importantes basados en la ley de Faraday son los transformadores de corriente (CT) 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.
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 activación adicionales en su implementación. Otra ventaja importante es que puede medir corrientes muy altas consumiendo poca energía. La desventaja del CT es que una corriente primaria muy alta o un componente CC sustancial en la corriente pueden saturar el material de ferrita utilizado en el núcleo, corrompiendo en última instancia la señal. Otro problema es que una vez magnetizado el núcleo, contendrá histéresis y la precisión se degradará a menos que se desmagnetice nuevamente.
La bobina de Rogowski se basa en la ley de inducción de Faraday y el voltaje de salida V de la bobina de Rogowski se determina integrando la corriente I c que se va 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 el transformador de corriente pueda aprovechar. Sin embargo, esto se puede compensar agregando más vueltas a la bobina de Rogowski o usando un integrador con una ganancia k mayor. Más vueltas aumentan la autocapacitancia y la autoinductancia , y una mayor ganancia del integrador significa un amplificador con un producto de ganancia-ancho de banda grande. Como siempre en ingeniería, se deben hacer concesiones dependiendo de aplicaciones específicas.
Los sensores de efecto Hall son dispositivos basados en el efecto Hall, que fue descubierto por Edwin Hall en 1879 basándose en el principio físico de la fuerza de Lorentz. Son activados por 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 amplificadora y una 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 presente, 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. Luego, la interfaz de salida 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 un gauss. Esta salida de bajo nivel requiere un amplificador con bajo ruido, alta impedancia de entrada y ganancia moderada. Un amplificador diferencial con estas características se puede integrar fácilmente con el elemento Hall utilizando tecnología de transistor bipolar estándar. La compensación de temperatura también se integra fácilmente.
SENSORES DE CORRIENTE DE EFECTO HALL Esta gama de sensores de corriente se basa en el principio de que siempre que fluye una corriente en un conducto se produce un campo magnético alrededor del conductor con una fuerza directamente proporcional a la magnitud de esa corriente que fluye. Luego se utiliza un sensor de campo magnético de efecto Hall para medir la corriente inducida y su salida es directamente proporcional a la magnitud de la corriente que fluye. En la configuración más simple, se puede colocar un sensor de campo magnético de efecto Hall adyacente al conductor y medir su salida, pero existen limitaciones. Para niveles de corriente inferiores a unos 10 amperios, el campo magnético producido es muy débil y no mucho más fuerte que el campo magnético de la Tierra. Además, el voltaje de la sala producido será pequeño, por lo que se requeriría una amplificación muy alta con la inestabilidad térmica y los problemas de ruido asociados.
Archivo: Salón simple.jpg|pulgar|derecha|
Los sensores Fluxgate o sensores de corriente de inductor saturable funcionan según el mismo principio de medición que los sensores de corriente basados en el efecto Hall: el campo magnético creado por la corriente primaria a medir es detectado por un elemento sensor específico. El diseño del sensor de corriente del inductor saturable es similar al de un sensor de corriente de efecto Hall de circuito cerrado; la única diferencia es que este método utiliza 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 externa e interna 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 corrientes bajas (basado en la permeabilidad del núcleo) y bajo a corrientes altas (la la permeabilidad del núcleo se vuelve unidad cuando se satura). Al interpretar los detectores Fluxgate, es necesario considerar 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 utilizando dos núcleos sin espacios de aire. Uno de los dos núcleos principales se utiliza para crear un inductor saturable y el otro se utiliza para crear un efecto de transformador de alta frecuencia. En otro enfoque, se pueden utilizar 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 compensación y deriva de ganancia y un 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.
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 populares basados en resistencia magneto son: resistencia magneto anisotrópica (AMR), resistencia magneto gigante (GMR), impedancia magneto gigante (GMI) y resistencia magneto 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) son aún más caros que los dispositivos de efecto Hall, tienen serios inconvenientes relacionados con el comportamiento no lineal, una marcada deriva térmica 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 y ahora se encuentran en producción en volumen por parte de algunos fabricantes (TDK, Crocus, Sensitec, MDT) [8]
