Medir uma tensão em qualquer sistema é uma atividade “passiva”, pois pode ser feita facilmente em qualquer ponto do sistema sem afetar o desempenho do sistema. No entanto, a medição de corrente é “intrusiva”, pois exige a inserção de algum tipo de sensor que apresenta o risco de afetar o desempenho do sistema.
A medição de corrente é de vital importância em muitos sistemas de energia e instrumentação. Tradicionalmente, a detecção de corrente servia principalmente para proteção e controle de circuitos. No entanto, com o avanço da tecnologia, a detecção atual surgiu como um método para monitorar e melhorar o desempenho.
Fig. 1: Uma imagem representativa de um sensor de corrente
Saber a quantidade de corrente fornecida à carga pode ser útil para uma ampla variedade de aplicações. A detecção de corrente é usada em uma ampla gama de sistemas eletrônicos, viz., Indicadores e carregadores de vida útil da bateria, sistemas de 4-20 mA, circuitos de supervisão e proteção contra sobrecorrente, reguladores de corrente e tensão, conversores CC/CC, detectores de falta à terra, fontes de corrente programáveis, fontes de alimentação lineares e comutadas, dispositivos de comunicação, eletrônica de potência automotiva, controles de velocidade do motor e proteção contra sobrecarga, etc.
PRINCÍPIOS DE DETECÇÃO ATUAIS
Um sensor de corrente é um dispositivo que detecta e converte corrente em uma tensão de saída facilmente medida, que é proporcional à corrente através do caminho medido.
Quando uma corrente flui através de um fio ou circuito, ocorre uma queda de tensão. Além disso, um campo magnético é gerado ao redor do condutor que transporta corrente. Ambos os fenômenos são utilizados no projeto de sensores de corrente. Assim, existem dois tipos de detecção de corrente: direta e indireta. A detecção direta é baseada na lei de Ohm, enquanto a detecção indireta é baseada nas leis de Faraday e Ampere.
A detecção direta envolve a medição da queda de tensão associada à corrente que passa através de componentes elétricos passivos.
Figura 2: Um diagrama que explica o princípio da detecção direta
A detecção indireta envolve a medição do campo magnético ao redor de um condutor através do qual a corrente passa.
Figura 3: Um diagrama que ilustra o princípio da detecção indireta
O campo magnético gerado é então usado para induzir tensão ou corrente proporcional que é então transformada em uma forma adequada para medição e/ou sistema de controle.
TÉCNICAS DE DETECÇÃO DE CORRENTE BASEADAS EM ELEMENTO PASSIVO
1. Resistores de detecção
A detecção de corrente significa desenvolver um sinal de tensão que seja representativo da corrente que flui no local específico de interesse do circuito. O A maneira tradicional de detecção de corrente introduz um resistor no caminho da corrente a ser detectada. O resistor sensor pode ser colocado em série com o indutor, as chaves e a carga. Assim, um resistor sensor de corrente deve ser considerado como um conversor de corrente para tensão.
Figura 4: Uma imagem de um resistor de detecção de corrente
O resistor de detecção de corrente deve ter os seguintes atributos
· Valor baixo para minimizar perdas de energia
O valor dos resistores de detecção de corrente depende principalmente do limite de tensão do circuito seguinte, que irá operar com base nas informações de corrente detectada. Em circuitos onde a amplificação está disponível, a ênfase é minimizar a queda de tensão no resistor.
Os valores de resistência típicos utilizados em vários CIs de controle são 20m? a 25m? .
· Baixa indutância devido ao alto di/dt.
Qualquer indutância no resistor, quando exposta a alta taxa de variação (di/dt), uma tensão de passo indutiva é sobreposta à tensão de detecção e pode ser motivo de preocupação em muitos circuitos. Conseqüentemente, os resistores de detecção devem ter indutância muito baixa.
· Tolerância apertada
Para maximizar o fornecimento de corrente dentro do limite de corrente aceitável, a tolerância do resistor de detecção deve ser de ±1% ou mais estreita.
· Coeficiente de baixa temperatura para precisão
Normalmente especificado em unidades de partes por milhão por grau centígrado (ppm/°C), o coeficiente de resistência de temperatura (TCR) é um parâmetro importante para a precisão. Devem ser utilizados resistores com TCRs mais próximos de zero, em toda a faixa de operação.
· Classificação de potência de pico alta para lidar com pulsos de alta corrente de curta duração.
A classificação de potência é um fator determinante para a seleção da tecnologia apropriada para resistores de detecção. Embora o dispositivo possa ser projetado para detectar corrente CC, muitas vezes ele pode apresentar transientes.
A curva de redução de potência fornece potência permitida em diferentes temperaturas. Mas a capacidade de potência máxima é uma função da energia; portanto, a curva de classificação energética deve ser levada em consideração.
· Classificação de alta temperatura para confiabilidade
Prós e contras dos resistores de detecção de corrente incluem:
Prós:
– Baixo custo
– Alta precisão de medição
– Faixa de corrente mensurável de muito baixa a média
– Capacidade de medir corrente DC ou AC
Contras:
– Introduz resistência adicional no caminho do circuito medido, o que pode aumentar a resistência de saída da fonte e resultar em efeito de carga indesejável.
– Perda de energia devido à dissipação de energia. Portanto, os resistores de detecção de corrente raramente são usados além das aplicações de detecção de corrente baixa e média.
Técnicas de detecção atuais
2. Detecção de corrente com resistor de cobre
Em vez de usar um resistor discreto separado para detecção de corrente, muitas vezes é útil usar traços de cobre em uma placa de circuito impresso como um resistor de baixo valor para fins de detecção de corrente. Este método terá menor perda de potência e também economizará esforços para comprar e instalar um resistor discreto. Mas, como a resistência do cobre é muito baixa, a tensão detectada também exigirá uma amplificação significativa ou um aumento no comprimento do resistor às custas da área da PCB. Outro fator significativo é o TCR do cobre (0,39% / °C), que equivale a aprox. Alteração de 20% para aumento de temperatura de 50%.
3. MOSFET-RDS
Os MOSFETs atuam como resistores quando estão “ligados” e são polarizados na região ôhmica (não saturada). A corrente é determinada pela detecção da tensão na fonte de drenagem do MOSFET, se RDS do MOSFET é conhecido. As principais desvantagens desta técnica são a baixa precisão e o ruído de comutação de correntes de porta diferentes de zero durante transientes, a não linearidade de RDSdo MOSFET, dependência de RDS em Cox, VT e temperatura.
4. Técnica Sense-FET
Este método é uma técnica prática usada para detecção de corrente em muitas novas aplicações de MOSFET de potência. É usado um FET de detecção de corrente em paralelo com o MOSFET de potência. A largura efetiva do MOSFET de detecção (FET de detecção) é significativamente menor (~ 10.000 vezes) do que o FET de potência. A precisão da técnica sense-FET é de cerca de ±20%.· Abordagem sem sensor (observador)
Este método usa a tensão do indutor para medir a corrente do indutor. Como a relação tensão-corrente do indutor é v=L*di/dt, a corrente do indutor pode ser estimada integrando a tensão ao longo do tempo. Para evitar a saturação no integrador, ele é zerado periodicamente e, portanto, apenas a corrente de ondulação CA é estimada. O valor de L também deve ser conhecido para esta técnica.
Figura 5: Um diagrama explicando a técnica Sense-FET
5. Corrente média
Esta técnica de detecção de corrente usa um filtro passa-baixa RC na junção das chaves do conversor. Portanto, a tensão no capacitor de saída do filtro é a tensão média do nó de fase. Conseqüentemente, a tensão diferencial na entrada do amplificador é a tensão CC no indutor. VI-Média é uma função de RVHS (Resistência do Indutor) eIL_DC (Corrente CC do indutor).
Figura 6: Um diagrama explicando o fluxo médio de corrente
6. Filtrar-Sentir o indutor
Esta técnica de detecção de corrente usa uma rede RC passa-baixa simples para filtrar a tensão através do indutor e detectar a corrente através da resistência em série equivalente (ESR) do indutor.
Figura 7: Um diagrama explicando o sentido do filtro do indutor
Magn. Tecnologia de detecção baseada em campo.
TÉCNICAS DE DETECÇÃO DE CORRENTE BASEADAS EM CAMPO MAGNÉTICO
Embora as técnicas de detecção de corrente resistiva sejam úteis em muitas aplicações, elas apresentam três desvantagens inerentes:
• Queda de tensão na linha de alimentação
• Perda de potência de inserção
• Erros de modo comum
A maioria desses problemas pode ser resolvida ao detectar quantidades baixas a moderadas de corrente em linhas de alimentação de baixa tensão, mas podem se tornar significativas à medida que as correntes ou as tensões aumentam. Ao tentar medir correntes em níveis mais elevados (>10A) ou onde a linha de alimentação está em uma tensão alta (por exemplo, 48V), a solução preferida é usar sensores de corrente magnética. Um dos benefícios significativos e óbvios do uso do acoplamento magnético para detectar corrente é o isolamento elétrico.
Nestes sensores é utilizado um núcleo magneticamente permeável que concentra o campo magnético do condutor gerado devido ao fluxo de corrente no condutor. O campo magnético é detectado usando diferentes métodos:
· Sensores de efeito Hall
O princípio do Efeito Hall afirma que quando um condutor condutor de corrente é colocado em um campo magnético, uma tensão será gerada perpendicularmente à direção do campo e ao fluxo da corrente.
Quando uma corrente constante passa através de uma fina folha de material semicondutor, não há diferença de potencial nos contatos de saída se o campo magnético for zero. No entanto, quando um campo magnético perpendicular está presente, o fluxo de corrente é distorcido. A distribuição desigual da densidade eletrônica cria uma diferença de potencial entre os terminais de saída. Essa tensão é chamada de tensão Hall. Se a corrente de entrada for mantida constante, a tensão Hall será diretamente proporcional à intensidade do campo magnético.
Figura 8: Um diagrama explicando o princípio do meio efeito
A tensão Hall é um sinal de baixo nível da ordem de 20 a 30 microvolts em um campo magnético de um gauss. Um sinal desta magnitude requer um amplificador de baixo ruído, alta impedância e ganho moderado.
Figura 9: Um diagrama que explica a meia tensão como um sinal de baixo nível em um campo magnético
Os sensores Hall são baseados nas seguintes tecnologias. Podem ser utilizados para medição de correntes CC, CA e de impulso, com isolação galvânica entre circuitos primário e secundário
¨ Tecnologia de efeito Open Loop Hall
Os sensores de corrente baseados nesta tecnologia são transformadores eletrônicos. Corrente primária Ip cria fluxo magnético e o corredor
Fig. 10: Uma figura explicando sensores de corrente baseados na tecnologia de efeito Hall de circuito aberto
sonda colocada no entreferro do circuito magnético fornece uma tensão proporcional ao fluxo magnético. Esta tensão em si é proporcional a Ip é amplificado e usado para processamento posterior.
A linearidade do sensor de malha aberta é determinada pelas características do núcleo magnético e do gerador Hall. O desvio de compensação em relação à temperatura é determinado principalmente pela sensibilidade à temperatura do gerador Hall.
¨ Tecnologia de efeito Hall de circuito fechado
Sensores de corrente baseados nesta tecnologia também são transformadores eletrônicos. Corrente primária Ip cria fluxo magnético e o
Figura 11: Uma figura explicando sensores de corrente baseados na tecnologia de efeito Hall de circuito fechado
A sonda Hall colocada no entreferro do circuito magnético fornece uma tensão proporcional ao fluxo magnético. Esta tensão é alimentada em um estágio de acionamento push-pull que aciona a bobina enrolada em oposição em série no núcleo magnético. Assim, cria um campo magnético igual e oposto ao campo da corrente detectada: mantendo o nível de fluxo central próximo de zero. A corrente secundária cancela o fluxo magnético primário que a criou (contra-reação). A saída do sensor de circuito fechado é proporcional à corrente de abertura e ao número de voltas da bobina.
A abordagem de circuito fechado permite melhorias significativas no desempenho do sensor, eliminando a influência de não linearidades no núcleo magnético e reduzindo os efeitos da sensibilidade à temperatura no elemento Hall
¨ Tecnologia Eletrônica
Figura 11: Uma figura explicando sensores de corrente baseados em tecnologia eletrônica
Em contraste com a tecnologia de circuito aberto e circuito fechado, eles não usam circuito magnético. Corrente primária Ip cria fluxo magnético e diferentes sondas Hall incluídas no sensor fornecem uma tensão proporcional ao fluxo magnético.
Sensores baseados em efeito Hall não sofrem perda de inserção (e aquecimento relacionado, etc.). No entanto, a faixa de frequência, o custo, o deslocamento CC e a alimentação externa representam as desvantagens potenciais da tecnologia IC de efeito Hall quando comparada aos métodos de detecção resistiva.
· Bobina Rogowski
Este dispositivo consiste em uma bobina de camada única, enrolada uniformemente em um núcleo não magnético que é flexível ou formado em um círculo que circunda o condutor da corrente a ser medida. Uma corrente CA através do fio muda de polaridade. A mudança de polaridade causa expansão e colapso do campo magnético que, por sua vez, induz corrente nos enrolamentos. A corrente é então processada para torná-la adequada para sistema de medição ou controle.
Figura 12: Um diagrama demonstrando a bobina de Rogowski
As implementações práticas desta técnica normalmente também incorporam um roll-off de baixa frequência para eliminar o ruído térmico e a deriva. O principal benefício de uma bobina Rogowski é que, como o núcleo é efetivamente ar, não há material magnético para saturar e a saída da bobina permanece linear para correntes extremamente altas. Este dispositivo é usado para medir pulsos de corrente de alta energia ou transientes com conteúdo harmônico de alta frequência, uma vez que a largura de banda superior pode se estender até a faixa de megahertz.
· Técnica do Transformador
A Técnica do Transformador é uma extensão da tecnologia da Bobina Rogowski em que o núcleo de ar é substituído por um material que concentra o fluxo magnético dentro da bobina. Com o fluxo contido na bobina em vez de passar por ela, obtém-se uma relação direta entre a corrente da bobina e a corrente no condutor que gera o campo.
Os transformadores de detecção de corrente oferecem benefícios importantes em relação à detecção resistiva simples. Oferecem isolamento elétrico, evitam perdas de inserção e não necessitam de alimentação externa. A menor dissipação de energia de um transformador de detecção de corrente permite um nível de sinal muito mais alto, melhorando significativamente o ambiente sinal-ruído do sistema de controle.
Transformadores de corrente (TC) são comumente usados em sistemas de alta potência para medir corrente. As principais desvantagens são o grande tamanho e custo e também a incapacidade de detectar corrente CC.
Figura 13: Um diagrama explicando o uso de transformadores de corrente em sistemas de alta potência
· Sensores de corrente de fibra óptica
O desenvolvimento de sensores magneto-ópticos demonstrou seu uso em aplicações de medição de corrente e campo magnético. O princípio dos efeitos magneto-ópticos baseia-se na interação entre o campo magnético e o fenômeno de refração e reflexão da luz em meio transparente e em sua superfície. Eles oferecem imunidade inerente contra EMI e bom isolamento contra altas tensões
Os sensores atuais empregam o efeito magneto-óptico de Faraday. O efeito Faraday causa a rotação da polarização da onda eletromagnética devido à intensidade do campo magnético no material transparente. O campo magnético induzido pela corrente leva a uma rotação angular no plano de polarização da luz polarizada linearmente que se propaga através do material ferromagnético. A rotação é detectada por polarizadores e analisadores na entrada e na saída. Ao monitorar a rotação da polarização incidente, o campo magnético e, portanto, a corrente podem ser estimados.
Figura 14: Um diagrama demonstrando sensores de corrente de fibra óptica
A magnitude do efeito depende ainda da constante do material magnetoóptico (constante de Verdet) e do comprimento de interação através do qual a onda viaja no material magnetizado.
Detecção do lado alto versus lado baixo
TÉCNICAS DE DETECÇÃO: SENSORIZAÇÃO DO LADO ALTO vs LADO BAIXO
Existem duas técnicas básicas para aplicações de detecção de corrente, a saber, detecção de corrente lateral baixa e detecção de corrente lateral alta, com base na colocação do resistor de detecção (entre a alimentação e a carga ou entre a carga e o terra).
· Detecção de corrente no lado inferior
A detecção de corrente no lado inferior conecta o resistor de detecção entre a carga e o terra. Normalmente, o sinal de tensão detectado (VSEN = euSEN ×RSEN) é tão pequeno que precisa ser amplificado por circuitos de amplificador operacional subsequentes para obter a tensão de saída mensurável (VFORA).
Fig. 15: Uma figura ilustrando a detecção de corrente no lado inferior
a) Vantagens:
¨ Tensão de modo comum de entrada baixa
¨ Entrada e saída referenciadas à terra
¨ Simplicidade e baixo custo
b) Desvantagens:
¨ Perturbação no caminho do solo
¨ A carga é levantada do terra do sistema desde RSEN adiciona resistência indesejável ao caminho do solo.
¨ Alta corrente de carga causada por curto acidental não é detectada
A detecção de corrente no lado baixo deve ser escolhida quando a detecção de curto-circuito não for necessária e distúrbios de aterramento puderem ser tolerados.
· Detecção de Corrente no Lado Alto
A detecção de corrente no lado alto conecta o resistor de detecção entre a fonte de alimentação e a carga. O sinal de tensão detectado é amplificado por circuitos amplificadores operacionais subsequentes para obter o V mensurávelFORA.
Figura 16: Uma figura ilustrando a detecção de corrente no lado alto
a) Vantagens:
¨ Elimina perturbações no solo
¨ A carga conecta o aterramento do sistema diretamente
¨ Detecta a alta corrente de carga causada por curtos acidentais
b) Desvantagens:
¨ Deve ser capaz de lidar com tensões de entrada de modo comum muito altas e dinâmicas
¨ Complexidade e custos mais elevados
A detecção de corrente no lado alto deve ser escolhida quando VCM a faixa do amplificador diferencial é ampla o suficiente para suportar altas tensões de entrada no modo comum
