Tècniques de detecció de corrent mitjançant diferents sensors de corrent

El corrent és un factor molt crític en electrònica o enginyeria elèctrica. En electrònica, el corrent pot tenir una amplada de banda des de pocs nanoamperes fins a centenars d’amperes. Aquest rang pot ser molt més ampli en el domini elèctric normalment a diversos milers d'amperes, especialment a les xarxes elèctriques. Hi ha diferents mètodes per detectar i mesurar el corrent dins d’un circuit o un conductor. En aquest article, analitzarem com mesurar el corrent mitjançant diverses tècniques de detecció de corrent amb els seus avantatges, desavantatges i aplicacions.

Mètode de detecció de corrent del sensor d’efecte Hall

L'efecte Hall és descobert pel físic nord-americà Edwin Herbert Hall i es pot utilitzar per detectar el corrent. Generalment s’utilitza per detectar camp magnètic i pot ser útil en moltes aplicacions com ara velocímetre, alarma de porta, bricolatge BLDC.

El sensor d'efecte Hall produeix una tensió de sortida en funció del camp magnètic. La proporció de la tensió de sortida és proporcional al camp magnètic. Durant el procés de detecció del corrent, el corrent es mesura mesurant el camp magnètic. El voltatge de sortida és molt baix i s’ha d’amplificar fins a obtenir un valor útil mitjançant un amplificador d’alt guany amb un soroll molt baix. A part del circuit d'amplificador, el sensor d'efecte Hall requereix circuits addicionals, ja que és un transductor lineal.

Pros:

1. Es pot utilitzar en freqüències més altes.
2. Es pot utilitzar tant en corrent altern com en corrent continu.
3. Mètode basat en no contacte.
4. Es pot utilitzar en un entorn difícil.
5. És fiable.

Contres:

1. El sensor deriva i requereix una compensació.
2. Es necessita un circuit addicional per a una sortida útil.
3. Costosa que la tècnica basada en derivació.

Els sensors d'efecte Hall s'utilitzen en mesuradors de pinça, així com en moltes aplicacions de detecció de corrent industrials i automobilístiques. Molts tipus de sensor d’efecte Hall lineal poden detectar el corrent de diversos mili-amperes a milers d’amperes. A causa d’això, l’aplicació de control de xarxa intel·ligent també utilitza un tipus diferent de sensor d’efecte Hall per controlar el corrent del conductor.

Mètode de detecció de corrent del sensor de porta de flux

Un inductor saturable és el component principal de la tècnica de detecció de Fluxgate. A causa d'això, el sensor Fluxgate s'anomena sensor de corrent d'inductor saturable. El nucli inductor que s’utilitza per al sensor de fluxgate funciona a la regió de saturació. El nivell de saturació d’aquest inductor és altament sensible i qualsevol densitat de flux interna o externa canvia el nivell de saturació de l’inductor. La permeabilitat del nucli és directament proporcional al nivell de saturació, de manera que la inductància també canvia. El sensor de la porta de flux analitza aquest canvi en el valor de l’inductor per detectar el corrent. Si el corrent és alt, la inductància es fa més baixa, si el corrent és baix, la inductància és més alta.

El sensor d’efecte Hall funciona de manera similar al sensor de fluxgate, però hi ha una diferència entre ells. La diferència està en el material bàsic. El sensor Flux Gate utilitza un inductor saturable, però el sensor Efecte Hall utilitza nucli d’aire.

A la imatge anterior es mostra la construcció bàsica d’un sensor de porta de flux. Hi ha dues bobines primàries i secundàries embolicades al voltant d’un nucli d’inductor saturable. Els canvis en el flux actual poden alterar la permeabilitat del nucli, resultant en el canvi d’inductància a l’altra bobina.

Pros:

1. Pot mesurar en una àmplia gamma de freqüències.
2. Té una gran precisió.
3. Baix desplaçament i derives.

Contres:

1. Alt consum d’energia secundària
2. S’incrementa un factor de risc de soroll de tensió o corrent al conductor principal.
3. Només adequat per a corrent continu o baixa freqüència.

Els sensors Fluxgate s’utilitzen als inversors solars per detectar el corrent. A part d'això, es pot fer fàcilment la mesura de corrent de corrent altern i de corrent continu mitjançant sensors Flux Gate. El mètode de detecció de corrent Flux Gate també es pot utilitzar en la mesura de corrent de fuites, detecció de sobrecorrent, etc.

Mètode de detecció de corrent de bobina Rogowski

La bobina Rogowski porta el nom del físic alemany Walter Rogowski. La bobina Rogowski es fabrica amb una bobina de nucli d’aire de forma helicoïdal i s’enrotlla al voltant del conductor objectiu per a la mesura de corrent.

A la imatge anterior, la bobina de Rogowski es mostra amb circuits addicionals. El circuit addicional és un circuit integrador. La bobina Rogowski proporciona tensió de sortida en funció de la velocitat de canvi de corrent del conductor. Es necessita un circuit integrador addicional per obtenir una tensió de sortida proporcional al corrent.

Pros:

1. És un bon mètode per detectar canvis ràpids de corrent d'alta freqüència.
2. Funcionament segur pel que fa al maneig del bobinat secundari.
3. Solució de baix cost.
4. Flexibilitat en la manipulació a causa de la construcció de bucle obert.
5. La compensació de la temperatura no és complexa.

Contres:

1. Només apte per a corrent altern
2. Té una sensibilitat baixa que el transformador de corrent.

La bobina Rogowski té una àmplia gamma d'aplicacions. Per exemple, mesurament de corrent en mòduls de gran potència, especialment a través dels MOSFET o transistors d’alta potència o a través de la IGBT. La bobina Rogowski proporciona una opció de mesura flexible. Com que la resposta de la bobina de Rogowski és molt ràpida sobre ones transitòries o ones sinusoïdals d'alta freqüència, és una bona opció per mesurar transitoris de corrent d'alta freqüència a les línies elèctriques. En distribució d’energia o en xarxa intel·ligent, la bobina Rogowski proporciona una flexibilitat excel·lent per a les mesures de corrent.

Mètode de detecció de corrent del transformador de corrent

El transformador de corrent o CT s’utilitza per detectar el corrent per tensió secundària que és proporcional al corrent de la bobina secundària. És un transformador industrial que converteix el gran valor de la tensió o el corrent en un valor molt menor a la seva bobina secundària. La mesura es realitza a través de la sortida secundària.

A la imatge anterior es mostra la construcció. És un transformador CT ideal amb una relació primària i secundària com a 1: N. La N depèn de les especificacions del transformador. Obteniu més informació sobre els transformadors aquí.

Pros:

1. Gran capacitat de maneig actual, més que la resta de mètodes que es mostren en aquest article.
2. No necessiteu circuits addicionals.

Contres:

1. Requereix manteniment.
2. La histèresi es produeix a causa de la magnetització.
3. Un alt corrent primari satura els materials del nucli de ferrita.

El principal ús de la tècnica de detecció de corrent basada en transformadors CT és a la xarxa elèctrica a causa de la capacitat de mesura de corrent molt elevada. Pocs comptadors de pinça també utilitzen un transformador de corrent per mesurar el corrent altern.

Mètode de detecció de corrent de resistència de derivació

Aquest és el mètode més utilitzat en les tècniques de detecció actuals. Aquesta tècnica es basa en la llei d'Ohms.

S’utilitza una resistència de baix valor en sèrie per detectar el corrent. Quan el corrent circula per una resistència de baix valor, produeix una diferència de voltatge a través de la resistència.

Posem un exemple.

Suposem que 1A de corrent flueix a través d’una resistència d’1 ohm. Segons la llei d'ohm, el voltatge és equivalent a la resistència del corrent x. Per tant, quan 1A de corrent flueix a través d’una resistència d’1 ohm, produirà 1V a través de la resistència. La potència de la resistència és un factor crític a tenir en compte. Tot i això, també hi ha disponibles resistències de valor molt reduïdes al mercat, on la resistència es troba en un rang de mili-ohms. En aquest cas, la diferència de tensió a través de la resistència també és molt petita. Es necessita un amplificador d’alt guany per augmentar l’amplitud de la tensió i, finalment, es mesura el corrent mitjançant la base de càlcul invers.

Un enfocament alternatiu per a aquest tipus de tècnica de detecció de corrent és utilitzar el traçat de PCB com a resistència de derivació. Atès que la traça de coure d’un PCB ofereix una resistència molt petita, es pot utilitzar la traça per mesurar el corrent. No obstant això, en aquest enfocament alternatiu, diverses dependències també són una preocupació enorme per obtenir un resultat precís. El principal factor que canvia el joc és la deriva de la temperatura. Depenent de la temperatura, la resistència del traç canvia donant lloc a un resultat d'error. Cal compensar aquest error a l'aplicació.

Pros:

1. Solució molt rendible
2. Pot treballar en corrent altern i corrent continu.
3. No es requereix equipament addicional.

Contres:

1. No és adequat per a un funcionament de corrent superior a causa de la dissipació de calor.
2. La mesura de derivació proporciona una disminució innecessària de l’eficiència del sistema a causa del malbaratament d’energia a la resistència.
3. La deriva tèrmica proporciona un resultat d'error en una aplicació a alta temperatura.

L’aplicació de la resistència Shunt inclou un amplímetre digital. Aquest és un mètode precís i més econòmic que el sensor Hall Effect. La resistència de derivació també pot proporcionar un recorregut de baixa resistència i permet que un corrent elèctric passi un punt a l’altre punt d’un circuit.

Com seleccionar el mètode de detecció de corrent adequat?

No és difícil seleccionar el mètode adequat per a la detecció actual. Hi ha pocs factors a tenir en compte per triar el mètode adequat, com ara:

1. Quina precisió es necessita?
2. Mesurament de CC o CA o tots dos?
3. Quant consum d'energia es requereix?
4. Quin és el rang i l'amplada de banda actuals a mesurar?
5. Despeses.

A part d’aquests, també cal tenir en compte la sensibilitat acceptable i el rebuig d’interferències. Com que no es pot satisfer tots els factors, es fan algunes compensacions per comprometre una característica amb l'altra en funció de la prioritat del requisit de l'aplicació.