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 magnitud, precisión , ancho de banda, robustez, costo, aislamiento o tamaño. El valor de la corriente puede mostrarse directamente mediante un instrumento o convertirse a formato digital para su uso en un sistema de monitoreo o control.
Las técnicas de detección de corriente incluyen resistencias de 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 puede ser una tensión 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 su posterior análisis 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:
Las tecnologías de detección actuales deben cumplir diversos requisitos para diversas aplicaciones. En general, los requisitos más comunes son:
La medición de la corriente eléctrica se puede clasificar dependiendo de los principios físicos fundamentales subyacentes, tales 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 pasa por ella.
Esta relación se puede utilizar para detectar corrientes. Los sensores basados en esta sencilla relación son conocidos por su bajo coste y su fiabilidad gracias a este principio simple.
El método más común y sencillo para detectar la corriente es el uso de una resistencia en derivación. El hecho de que la caída de tensión en 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 los sistemas de medición de corriente por su bajo coste y alta fiabilidad. 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 de corrientes transitorias de tiempo de subida rápido y amplitudes elevadas, pero los dispositivos electrónicos altamente integrados prefieren dispositivos montados en superficie (SMD) de bajo coste [1] debido a sus pequeños tamaños y precios relativamente bajos. La inductancia parásita presente en la derivación afecta a la medición de corriente de alta precisión. Aunque esto afecta solo a la magnitud de la impedancia a una frecuencia relativamente alta, también su efecto sobre la fase a la frecuencia de línea provoca un error notable a un factor de potencia bajo. La principal desventaja de utilizar el shunt es que, fundamentalmente, un shunt 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. La respuesta rápida para medir corrientes de impulso alto o de sobretensión pesada es el requisito común para las resistencias shunt. En 1981, Malewski, [2] diseñó un circuito para eliminar el efecto pelicular y más tarde, en 1999, se introdujo el shunt 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 shunt, pero el costo es menor y la técnica de construcción es menos sofisticada, en comparación con Malewski y el shunt coaxial.
La resistencia intrínseca de un elemento conductor, como una pista de cobre en una placa de circuito impreso, se puede utilizar como resistencia de detección. [4] Esto ahorra espacio y costos de componentes. La caída de voltaje de una pista de cobre es muy baja debido a su resistencia muy baja, lo que hace que la presencia de un amplificador de alta ganancia sea obligatoria para obtener una señal útil. La precisión está limitada por la tolerancia inicial de fabricación de la pista y el coeficiente de temperatura significativo del cobre. Un controlador digital puede aplicar correcciones para mejorar la medición. [5]
Una desventaja importante de un sensor de resistencia es la conexión eléctrica inevitable entre la corriente que se va 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 un menor costo cuando se requiere aislamiento.
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 temporal del flujo magnético total que une el circuito) se ha empleado ampliamente en técnicas de detección de corriente. Dos de los 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 que se va a medir y la señal de salida, lo que hace que estos dispositivos de detección de corriente sean obligatorios cuando las normas de seguridad exigen aislamiento eléctrico.
El TC 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 control adicionales en su implementación. Otra ventaja importante es que puede medir corrientes muy altas mientras consume poca energía. La desventaja del TC es que una corriente primaria muy alta o un componente de CC sustancial en la corriente puede saturar el material de ferrita utilizado en el núcleo, lo que en última instancia corrompe la señal. Otro problema es que una vez que se magnetiza 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. Viene 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 añadiendo más vueltas a la bobina de Rogowski o utilizando un integrador con una ganancia k más alta. Más vueltas aumentan la autocapacitancia y la autoinductancia , y una mayor ganancia del integrador significa un amplificador con un gran producto de ancho de banda de ganancia. Como siempre en ingeniería, se deben hacer concesiones según las 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. 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 que se debe 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 compensación de temperatura. Se necesita regulación de voltaje cuando se opera con una fuente de alimentación no regulada. Si se mide el voltaje Hall cuando no hay campo magnético presente, la salida debe ser cero. Sin embargo, si se mide el voltaje en cada terminal de salida 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 significativa 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 nivel de ruido, alta impedancia de entrada y ganancia moderada. Un amplificador diferencial con estas características se puede integrar fácilmente con el elemento Hall utilizando la tecnología estándar de transistores bipolares. 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 intensidad directamente proporcional a la magnitud de esa corriente que fluye. A continuación, se utiliza un sensor de campo magnético de efecto Hall para medir la corriente inducida, siendo su salida directamente proporcional a la magnitud de la corriente que fluye. En la configuración más sencilla, 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 Hall producido será minúsculo, por lo que se requeriría una amplificación muy alta con su inestabilidad térmica asociada y problemas de ruido.
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Los sensores de corriente de inductor saturable o de compuerta de flujo 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 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 bucle 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 a su 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 en corrientes bajas (según la permeabilidad del núcleo) y bajo en corrientes altas (la permeabilidad del núcleo se vuelve uno cuando está saturado). 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 de inductor saturable incluyen alta resolución, alta precisión, baja desviación de ganancia y compensación, y gran ancho de banda (hasta 500 kHz). Las desventajas de las tecnologías de inductor saturable incluyen ancho de banda limitado para un diseño más simple, consumo de energía secundaria relativamente alto y riesgo de inyección de ruido de corriente o voltaje en el conductor primario.
Un magnetorresistor (MR) es un dispositivo de dos terminales que cambia su resistencia parabólicamente con el campo magnético aplicado. Esta variación de la resistencia del MR 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 magnetorresistencia son: magnetorresistencia anisotrópica (AMR), magnetorresistencia gigante ( GMR ), magnetorresistencia gigante (GMI) y magnetorresistencia de túnel (TMR). Todos estos sensores basados en MR 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, la deriva térmica distintiva 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 producen en volumen en algunos fabricantes (TDK, Crocus, Sensitec, MDT) [8] .
