Medir un voltaje en cualquier sistema es una actividad "pasiva", ya que se puede realizar fácilmente en cualquier punto del sistema sin afectar el rendimiento del sistema. Sin embargo, la medición actual es “intrusiva” ya que requiere la inserción de algún tipo de sensor que corre el riesgo de afectar el rendimiento del sistema.
La medición de corriente es de vital importancia en muchos sistemas de energía e instrumentación. Tradicionalmente, la detección de corriente se utilizaba principalmente para la protección y el control de circuitos. Sin embargo, con el avance de la tecnología, la detección de corriente ha surgido como un método para monitorear y mejorar el desempeño.
Fig. 1: Imagen representativa de un sensor de corriente
Conocer la cantidad de corriente suministrada a la carga puede resultar útil para una amplia variedad de aplicaciones. La detección de corriente se utiliza en una amplia gama de sistemas electrónicos, a saber, indicadores de duración de baterías y cargadores, sistemas de 4-20 mA, circuitos de protección y supervisión de sobrecorriente, reguladores de corriente y voltaje, convertidores CC/CC, detectores de falla a tierra, programables. fuentes de corriente, fuentes de alimentación lineales y conmutadas , dispositivos de comunicación, electrónica de potencia para automóviles, controles de velocidad de motores y protección contra sobrecargas, etc.
PRINCIPIOS DE DETECCIÓN ACTUALES
Un sensor de corriente es un dispositivo que detecta y convierte la corriente en un voltaje de salida fácilmente medido, que es proporcional a la corriente a través del camino medido.
Cuando una corriente fluye a través de un cable o circuito, se produce una caída de voltaje. Además, alrededor del conductor por el que circula corriente se genera un campo magnético. Ambos fenómenos se utilizan en el diseño de sensores de corriente. Así, existen dos tipos de detección de corriente: directa e indirecta. La detección directa se basa en la ley de Ohm, mientras que la detección indirecta se basa en las leyes de Faraday y Ampere.
La detección directa implica medir la caída de voltaje asociada con la corriente que pasa a través de componentes eléctricos pasivos.
Figura 2: Un diagrama que explica el principio de detección directa.
La detección indirecta implica medir el campo magnético alrededor de un conductor a través del cual pasa la corriente.
Figura 3: Un diagrama que ilustra el principio de detección indirecta
El campo magnético generado se utiliza luego para inducir voltaje o corriente proporcional que luego se transforma en una forma adecuada para el sistema de medición y/o control.
TÉCNICAS DE DETECCIÓN DE CORRIENTE BASADAS EN ELEMENTOS PASIVOS
1. Resistencias de detección
La detección de corriente significa desarrollar una señal de voltaje que sea representativa de la corriente que fluye en la ubicación específica de interés en el circuito. La forma tradicional de detectar corriente introduce una resistencia en el camino de la corriente a detectar. La resistencia sensora se puede colocar en serie con el inductor, los interruptores y la carga. Por lo tanto, una resistencia sensora de corriente debe considerarse como un convertidor de corriente a voltaje. 
Figura 4: Una imagen de una resistencia de detección de corriente
La resistencia de detección de corriente debe tener los siguientes atributos
· Valor bajo para minimizar las pérdidas de energía.
El valor de las resistencias de detección de corriente depende principalmente del límite de voltaje del siguiente circuito, que funcionará en función de la información de corriente detectada. En circuitos donde hay amplificación disponible, el énfasis está en minimizar la caída de voltaje a través de la resistencia.
Los valores de resistencia típicos utilizados en muchos circuitos integrados de control son 20 m . a 25m ? .
· Baja inductancia debido al alto di/dt.
Cualquier inductancia en la resistencia, cuando se expone a una alta velocidad de respuesta (di/dt), se superpone un voltaje de paso inductivo al voltaje de detección y puede ser motivo de preocupación en muchos circuitos. En consecuencia, las resistencias de detección deben tener una inductancia muy baja.
· Tolerancia estricta
Para maximizar la entrega de corriente dentro del límite de corriente aceptable, la tolerancia de la resistencia de detección debe ser ±1% o más estricta.
· Coeficiente de temperatura bajo para mayor precisión.
Normalmente especificado en unidades de partes por millón por grado centígrado (ppm/°C), el coeficiente de resistencia a la temperatura (TCR) es un parámetro importante para la precisión. Se deben utilizar resistencias con TCR más cercanos a cero en todo el rango operativo.
· Clasificación de potencia máxima alta para manejar pulsos de alta corriente de corta duración.
La potencia nominal es un factor determinante a la hora de seleccionar la tecnología de resistencia de detección adecuada. Aunque el dispositivo puede estar diseñado para detectar corriente CC, a menudo puede experimentar transitorios.
La curva de reducción de potencia proporciona potencia permitida a diferentes temperaturas. Pero la capacidad de potencia máxima es función de la energía; por lo que se debe tener en cuenta la curva de calificación energética.
· Clasificación de alta temperatura para confiabilidad
Los pros y los contras de las resistencias de detección de corriente incluyen:
Ventajas:
- Bajo costo
– Alta precisión de medición
– Rango de corriente medible de muy bajo a medio
– Capacidad para medir corriente CC o CA
Contras:
– Introduce resistencia adicional en la ruta del circuito medido, lo que puede aumentar la resistencia de salida de la fuente y provocar efectos de carga no deseados.
– Pérdida de energía por disipación de energía. Por lo tanto, las resistencias de detección de corriente rara vez se utilizan más allá de aplicaciones de detección de corriente baja y media.
Técnicas de detección actuales
dos. Detección de corriente con resistencia de cobre.
En lugar de utilizar una resistencia discreta independiente para la detección de corriente, suele ser útil utilizar trazas de cobre en una placa de circuito impreso como resistencia de bajo valor para la detección de corriente. Este método tendrá una menor pérdida de energía y también ahorrará esfuerzos para comprar e instalar una resistencia discreta. Pero debido a que la resistencia del cobre es muy baja, el voltaje detectado también requerirá una amplificación significativa o un aumento en la longitud de la resistencia a expensas del área de la PCB. Otro factor importante es el TCR del cobre (0,39 %/°C), que equivale a aprox. Cambio del 20% por aumento de temperatura del 50%.
3. MOSFET-R DS
Los MOSFET actúan como resistencias cuando están "encendidos" y están polarizados en la región óhmica (no saturada). La corriente se determina detectando el voltaje en la fuente-drenaje del MOSFET, si se conoce el R DS del MOSFET. Las principales desventajas de esta técnica son la baja precisión y el ruido de conmutación de las corrientes de puerta distintas de cero durante los transitorios, la no linealidad de R D S del MOSFET, la dependencia de R D S de Cox, VT y la temperatura.
4. Técnica Sense-FET
Este método es una técnica práctica utilizada para la detección de corriente en muchas aplicaciones nuevas de MOSFET de potencia. Se utiliza un FET de detección de corriente en paralelo con el MOSFET de potencia. El ancho efectivo del MOSFET de detección (FET de detección) es significativamente menor (~10.000 veces) que el FET de potencia. La precisión de la técnica Sense-FET es de aproximadamente ±20%. · Enfoque sin sensores (observador)
Este método utiliza el voltaje del inductor para medir la corriente del inductor. Dado que la relación voltaje-corriente del inductor es v=L*di/dt, la corriente del inductor se puede estimar integrando el voltaje en el tiempo. Para evitar la saturación en el integrador, este se reinicia periódicamente y por lo tanto solo se estima la corriente de rizado CA. También se debe conocer el valor de L para esta técnica.
Figura 5: Un diagrama que explica la técnica Sense-FET
5. Corriente promedio
Esta técnica de detección de corriente utiliza un filtro de paso bajo RC en la unión de los interruptores del convertidor. Por lo tanto, el voltaje en el capacitor de salida del filtro es el voltaje promedio del nodo de fase. En consecuencia, el voltaje diferencial en la entrada del amplificador es el voltaje de CC a través del inductor. V I-Average es una función de R VHS (resistencia del inductor) y I L_DC (corriente CC del inductor).
Figura 6: Un diagrama que explica el flujo de corriente promedio
6. Filtro-detección del inductor
Esta técnica de detección de corriente utiliza una red RC de paso bajo simple para filtrar el voltaje a través del inductor y detectar la corriente a través de la resistencia en serie equivalente (ESR) del inductor.
Figura 7: Un diagrama que explica la dirección del filtro inductor
Magn. Tecnología de detección basada en campo.
TÉCNICAS ACTUALES DE DETECCIÓN BASADAS EN CAMPO MAGNÉTICO
Aunque las técnicas de detección de corriente resistiva son útiles en muchas aplicaciones, tienen tres desventajas inherentes:
• Caída de tensión en la línea de alimentación.
• Pérdida de potencia de inserción
• Errores de modo común
La mayoría de estos problemas se pueden resolver detectando cantidades bajas a moderadas de corriente en líneas eléctricas de bajo voltaje, pero pueden volverse importantes a medida que aumentan las corrientes o los voltajes. Cuando se intenta medir corrientes a niveles más altos (>10 A) o donde la línea de suministro tiene un alto voltaje (por ejemplo, 48 V), la solución preferida es utilizar sensores de corriente magnéticos. Uno de los beneficios importantes y obvios de utilizar el acoplamiento magnético para detectar corriente es el aislamiento eléctrico.
En estos sensores se utiliza un núcleo magnéticamente permeable que concentra el campo magnético del conductor generado debido al flujo de corriente en el conductor. El campo magnético se detecta mediante diferentes métodos:
· Sensores de efecto Hall
El principio del efecto Hall establece que cuando un conductor portador de corriente se coloca en un campo magnético, se generará un voltaje perpendicular a la dirección del campo y al flujo de corriente.
Cuando una corriente constante pasa a través de una lámina delgada de material semiconductor, no hay diferencia de potencial entre los contactos de salida si el campo magnético es cero. Sin embargo, cuando hay presente un campo magnético perpendicular, el flujo de corriente se distorsiona. La distribución desigual de la densidad de electrones crea una diferencia de potencial entre los terminales de salida. Este voltaje se llama voltaje Hall. Si la corriente de entrada se mantiene constante, el voltaje Hall será directamente proporcional a la intensidad del campo magnético.
Figura 8: Un diagrama que explica el principio del semiefecto
El voltaje Hall es una señal de bajo nivel del orden de 20 a 30 microvoltios en un campo magnético de un gauss. Una señal de esta magnitud requiere un amplificador de ganancia moderada, alta impedancia y bajo ruido.
Figura 9: Un diagrama que explica el medio voltaje como una señal de bajo nivel en un campo magnético
Los sensores Hall se basan en las siguientes tecnologías. Se puede utilizar para medir corrientes CC, CA y de impulso, con aislamiento galvánico entre circuitos primarios y secundarios.
¨ Tecnología de efecto Hall de bucle abierto
Los sensores de corriente basados en esta tecnología son transformadores electrónicos. La corriente primaria I p crea un flujo magnético y el corredor.
Fig. 10: Figura que explica los sensores de corriente basados en la tecnología de efecto Hall de bucle abierto
La sonda colocada en el entrehierro del circuito magnético proporciona un voltaje proporcional al flujo magnético. Este voltaje en sí es proporcional a I p, se amplifica y se utiliza para su posterior procesamiento.
La linealidad del sensor de bucle abierto está determinada por las características del núcleo magnético y del generador Hall. La desviación de compensación con respecto a la temperatura está determinada principalmente por la sensibilidad a la temperatura del generador Hall.
¨ Tecnología de efecto Hall de circuito cerrado
Los sensores de corriente basados en esta tecnología también son transformadores electrónicos. La corriente primaria I p crea un flujo magnético y la
Figura 11: Una figura que explica los sensores de corriente basados en la tecnología de efecto Hall de circuito cerrado
La sonda Hall colocada en el entrehierro del circuito magnético proporciona un voltaje proporcional al flujo magnético. Este voltaje se alimenta a una etapa de accionamiento push-pull que impulsa la bobina devanada de manera opuesta en serie sobre el núcleo magnético. Así, crea un campo magnético igual y opuesto al campo de corriente detectado: manteniendo el nivel de flujo central cercano a cero. La corriente secundaria anula el flujo magnético primario que la creó (contrarreacción). La salida del sensor de circuito cerrado es proporcional a la corriente de apertura y al número de vueltas de la bobina.
El enfoque de bucle cerrado permite mejoras significativas en el rendimiento del sensor al eliminar la influencia de las no linealidades en el núcleo magnético y reducir los efectos de la sensibilidad a la temperatura en el elemento Hall.
¨ Tecnología electrónica
Figura 11: Una figura que explica los sensores de corriente basados en tecnología electrónica.
A diferencia de la tecnología de circuito abierto y de circuito cerrado, no utilizan circuitos magnéticos. La corriente primaria I p crea un flujo magnético y las diferentes sondas Hall incluidas en el sensor proporcionan un voltaje proporcional al flujo magnético.
Los sensores basados en efecto Hall no sufren pérdida de inserción (ni calentamiento relacionado, etc.). Sin embargo, el rango de frecuencia, el costo, la compensación de CC y la alimentación externa representan las posibles desventajas de la tecnología IC de efecto Hall en comparación con los métodos de detección resistivos.
· bobina de rogowski
Este dispositivo consta de una bobina de una sola capa, enrollada uniformemente sobre un núcleo no magnético que es flexible o tiene forma de círculo y rodea al conductor de la corriente a medir. Una corriente alterna a través del cable cambia de polaridad. El cambio de polaridad provoca la expansión y el colapso del campo magnético que a su vez induce corriente en los devanados. Luego, la corriente se procesa para hacerla adecuada para el sistema de medición o control.
Figura 12: Un diagrama que muestra la bobina de Rogowski
Las implementaciones prácticas de esta técnica normalmente también incorporan una reducción de baja frecuencia para eliminar el ruido térmico y la deriva. El principal beneficio de una bobina de Rogowski es que debido a que el núcleo es efectivamente aire, no hay material magnético que saturar y la salida de la bobina permanece lineal para corrientes extremadamente altas. Este dispositivo se utiliza para medir pulsos de corriente de alta energía o transitorios con contenido armónico de alta frecuencia, ya que el ancho de banda superior puede extenderse hasta el rango de megahercios.
· Técnica del transformador
La técnica del transformador es una extensión de la tecnología de la bobina de Rogowski en la que el núcleo de aire se reemplaza con un material que concentra el flujo magnético dentro de la bobina. Con el flujo contenido en la bobina en lugar de pasar a través de ella, se obtiene una relación directa entre la corriente en la bobina y la corriente en el conductor que genera el campo.
Los transformadores de detección de corriente ofrecen importantes beneficios sobre la detección resistiva simple. Ofrecen aislamiento eléctrico, evitan pérdidas de inserción y no requieren alimentación externa. La menor disipación de potencia de un transformador de detección de corriente permite un nivel de señal mucho más alto, lo que mejora significativamente el entorno de relación señal-ruido del sistema de control.
Los transformadores de corriente (CT) se utilizan comúnmente en sistemas de alta potencia para medir la corriente. Las principales desventajas son el gran tamaño y el coste, así como la incapacidad de detectar corriente continua.
Figura 13: Un diagrama que explica el uso de transformadores de corriente en sistemas de alta potencia.
· Sensores de corriente de fibra óptica
El desarrollo de sensores magnetoópticos ha demostrado su uso en aplicaciones de medición de corriente y campos magnéticos. El principio de los efectos magnetoópticos se basa en la interacción entre el campo magnético y el fenómeno de refracción y reflexión de la luz en un medio transparente y en su superficie. Ofrecen inmunidad inherente contra EMI y buen aislamiento contra altos voltajes.
Los sensores de corriente emplean el efecto magnetoóptico de Faraday. El efecto Faraday provoca la rotación de la polarización de la onda electromagnética debido a la intensidad del campo magnético en el material transparente. El campo magnético inducido por la corriente provoca una rotación angular en el plano de polarización de la luz linealmente polarizada que se propaga a través del material ferromagnético. La rotación es detectada por polarizadores y analizadores en la entrada y salida. Controlando la rotación de la polarización incidente se puede estimar el campo magnético y, por tanto, la corriente.
Figura 14: Un diagrama que muestra los sensores de corriente de fibra óptica
La magnitud del efecto también depende de la constante del material magnetoóptico (constante de Verdet) y de la longitud de interacción que recorre la onda en el material magnetizado.
Detección del lado alto versus lado bajo
TÉCNICAS DE DETECCIÓN: DETECCIÓN DEL LADO ALTO versus DETECCIÓN DEL LADO BAJO
Existen dos técnicas básicas para aplicaciones de detección de corriente, a saber, detección de corriente del lado bajo y detección de corriente del lado alto, basadas en la ubicación de la resistencia de detección (ya sea entre el suministro y la carga o entre la carga y tierra).
· Detección de corriente del lado bajo
La detección de corriente del lado bajo conecta la resistencia de detección entre la carga y tierra. Normalmente, la señal de voltaje detectada (V SEN = I SEN × R SEN ) es tan pequeña que necesita ser amplificada por circuitos de amplificador operacional posteriores para obtener el voltaje de salida medible (V OUT ).
Fig. 15: Figura que ilustra la detección de corriente del lado bajo
a) Ventajas:
¨ Voltaje de modo común de entrada bajo
¨ Entrada y salida con referencia a tierra.
¨ Simplicidad y bajo coste.
b) Desventajas:
¨ Perturbación en el camino del suelo.
¨ La carga se levanta de la tierra del sistema ya que R SEN agrega una resistencia indeseable a la ruta de tierra.
¨ No se detecta la corriente de carga alta causada por un cortocircuito accidental
Se debe elegir la detección de corriente del lado bajo cuando no se requiere la detección de cortocircuitos y se pueden tolerar perturbaciones de tierra.
· Detección de corriente del lado alto
La detección de corriente del lado alto conecta la resistencia de detección entre la fuente de alimentación y la carga. La señal de voltaje detectada se amplifica mediante circuitos amplificadores operacionales posteriores para obtener el V OFF medible.
Figura 16: Una figura que ilustra la detección de corriente del lado alto
a) Ventajas:
¨ Elimina las perturbaciones del suelo.
¨ La carga conecta la tierra del sistema directamente.
¨ Detecta corriente de carga alta causada por cortocircuitos accidentales
b) Desventajas:
¨ Debe poder manejar voltajes de entrada de modo común muy altos y dinámicos.
¨ Complejidad y mayores costos
Se debe elegir la detección de corriente del lado alto cuando V CM el rango del amplificador diferencial es lo suficientemente amplio como para soportar voltajes de entrada altos en modo común.