Sensores de corriente: tipos, parámetros clave, comparaciones de rendimiento y aplicaciones comunes

Introducción

Los sensores de corriente son componentes críticos en varios sistemas eléctricos y electrónicos, lo que garantiza el funcionamiento seguro y eficiente de los equipos e instalaciones. En este artículo, exploraremos los sensores actuales, incluidos sus tipos, las variables a considerar al seleccionar un sensor actual, las comparaciones de rendimiento y las aplicaciones.

Tipos deSensores de corriente y sus ventajas y desventajas

Podemos clasificar los sensores de corriente en función de los conceptos físicos fundamentales que los constituyen. Estos conceptos abarcan la Ley de Ohm, la Ley de Inducción de Faraday, los campos magnéticos y la detección óptica. Usando este marco, ahora presentaremos varios tipos comunes de sensores de corriente.

Detección de corrienteBasado en la ley de inducción de Faraday

La Ley de Inducción de Faraday establece que la fuerza electromotriz total (fem) generada en un circuito cerrado es proporcional a la tasa de cambio del flujo magnético total a través del circuito a lo largo del tiempo. Este principio se aplica ampliamente en dispositivos de detección de corriente. Dos dispositivos de detección comunes basados en la ley de Faraday sontransformadores de corriente (TC)yBobinas Rogowski. Cuando se requiere aislamiento eléctrico por razones de seguridad, estos sensores proporcionan automáticamente la separación necesaria entre la corriente medida y la señal de salida. Esto los hace muy valiosos para los equipos de detección existentes.

Transformadores de corriente (TC):

Un TC consta de un devanado primario (generalmente un solo bucle), un núcleo y un devanado secundario. Sirve como un sensor eficaz para medir altas corrientes alternas. Por lo tanto, las grandes corrientes primarias se pueden convertir en corrientes secundarias más pequeñas. Este dispositivo no requiere circuitos de accionamiento adicionales, ya que es inherentemente pasivo. Otra característica clave es su capacidad para monitorear corrientes extremadamente altas mientras consume una energía mínima. Sin embargo, el material de ferrita utilizado en el núcleo puede saturarse bajo corrientes primarias extremadamente altas o corrientes con componentes de CC sustanciales, lo que lleva a la distorsión de la señal. Otro problema es que una vez magnetizado, el núcleo desarrolla histéresis, lo que degrada la precisión a menos que se desmagnetice nuevamente. Además, dado que su principio fundamental se basa en la detección de cambios en el flujo magnético, que es proporcional a los cambios de corriente, no pueden detectar corrientes continuas de manera estándar.

Figura 1: Estructura básica de una TC

La Figura 1 ilustra el principio de funcionamiento de unCT. Según la relación de vueltas, los cambios en la corriente primaria Ip se reflejan como Is en el lado secundario, que se puede usar para la detección. Se puede emplear una resistencia de derivación que genere un voltaje de salida proporcional a la corriente primaria para monitorear la corriente de salida. Esto proporciona aislamiento, pérdidas mínimas, un principio de funcionamiento simple y una salida de voltaje adecuada para sensores de corriente sin necesidad de amplificación adicional. Un convertidor analógico a digital (ADC) puede ser capaz de muestrear directamente el voltaje de salida.

La relación de reducción de corriente primaria se expresa mediante la relación CT. La precisión de un transformador de corriente se mide por su clase de precisión de TC (a veces llamada clasificación de TC o grado de TC). Según su clase de precisión, los TC se dividen en dos categorías:TC de precisión de mediciónyTC de precisión de protección. Los TC de precisión de medición están diseñados para ser altamente precisos en todas las clasificaciones de corriente, incluso a corrientes muy bajas. Se evalúan para cargas comunes específicas. Debido a su alta precisión, las empresas de servicios públicos suelen utilizar estos TC para evaluar el uso con fines de facturación. Precisión de protecciónCtstienen una precisión menor que los TC de precisión de medición. Están diseñados para funcionar con el nivel de precisión mínimo requerido para la protección del equipo.

Los transformadores de corriente se utilizan con frecuencia en aplicaciones de conversión de energía debido a su bajo costo y capacidad para generar señales de salida directamente compatibles con convertidores analógicos a digitales. También desempeñan un papel vital en las redes de distribución de energía que funcionan a frecuencias de línea de 50/60 Hz.

Bobinas Rogowski:

Estas bobinas huecas son flexibles y se envuelven alrededor de los conductores. Los cambios en el campo magnético inducidos por la corriente Ip que fluye a través del conductor generan un voltaje proporcional a la tasa de cambio de corriente. Las bobinas Rogowski se utilizan principalmente para medir corriente alterna, particularmente en aplicaciones de alta frecuencia.

Figura 2: Diagrama esquemático del principio de la bobina de Rogowski

La Figura 2 muestra un diagrama esquemático del principio de la bobina de Rogowski. La derivada de la corriente primaria determina el voltaje generado. Para lograr la detección de corriente deseada, se debe realizar unIntegradoren la salida.

La sensibilidad de una bobina de Rogowski se reduce porque los transformadores de corriente no pueden usar núcleos con alta permeabilidad magnética. La ventaja clave de una bobina Rogowski es su linealidad inherente y la ausencia de saturación. Las bobinas Rogowski se pueden utilizar para detectar corrientes en sistemas de distribución de energía, sistemas de prueba de cortocircuito, emisores electromagnéticos, motores de inducción de anillo deslizante e instalaciones de prueba de rayos. El precio es comparable al de los transformadores de corriente.

Sensores de corriente basados en campos magnéticos

La corriente que genera campos magnéticos estáticos es difícil de detectar utilizando la ley de inducción de Faraday. Por el contrario, los sensores de campo magnético pueden identificar campos magnéticos estáticos y en movimiento. Sirven como una alternativa ideal para la detección de corriente.

Sensores de corriente de bucle abierto de efecto Hall:

Estos sensores funcionan según el principio del efecto Hall, que establece que se forma una diferencia de potencial a través de un conductor cuando se aplica un campo magnético perpendicular a su sección transversal. La dirección de la fuerza electromotriz inducida (EMF) perpendicular tanto a la corriente como al campo magnético se puede determinar utilizando la regla de la mano derecha. La magnitud de este campo electromagnético y el ángulo relativo entre la corriente y el campo magnético determinan el voltaje vectorial compuesto, que es proporcional a la constante Hall. El campo magnético es generado por la corriente que se mide, produciendo un voltaje analizable.

Se requiere acondicionamiento de señal para que la salida sea utilizable en la mayoría de las aplicaciones. La electrónica de acondicionamiento de señales generalmente requiere etapas de amplificador y compensación de temperatura. Los amplificadores diferenciales con estas características se pueden combinar fácilmente con elementos Hall utilizando tecnología de transistores bipolares estándar. La compensación de temperatura también se puede lograr fácilmente. La Figura 3 muestra un diseño típico para un sensor de corriente de efecto Hall.

Figura 3: Aplicaciones típicas deSensores de corriente Hall de bucle abierto

Los sensores de efecto Hall se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones, incluidos sistemas de conversión de energía, equipos de soldadura, accionamientos de motores, equipos de radar y la industria de la electrólisis.

Sensores de corriente de efecto Hall de circuito cerrado:

Estos sensores de corriente basados en campos magnéticos se utilizan ampliamente en aplicaciones de circuito cerrado y de circuito abierto.

Figura 4: Aplicación típica deSensor de corriente Hall de circuito cerrado

El flujo magnético generado por la corriente primaria IP se equilibra con un flujo magnético complementario producido por la corriente de accionamiento en el devanado secundario. El elemento Hall y los circuitos electrónicos asociados generan una corriente secundaria (de compensación) que se corresponde perfectamente con la corriente primaria.

Sensor de corriente Fluxgate:

Un sensor de flujo básico utiliza la relación no lineal entre el campo magnético H y la densidad de flujo magnético B en materiales magnéticos, lo que provoca un cambio en la permeabilidad magnética del material.

Figura 5: Esquema básico del sensor de corriente de flujo

La Figura 5 ilustra un diseño simple para un sensor de flujo utilizado para detectar Ip de corriente. En el núcleo magnético se montan dos devanados: un devanado de excitación y un devanado de pastilla. El devanado de excitación está acoplado a una fuente de corriente sinusoidal que genera el campo magnético de excitación. En consecuencia, se induce un voltaje en el devanado de la pastilla, que luego se puede utilizar para la detección. Dado que el campo magnético externo es pequeño en relación con el campo de excitación, el pico del voltaje de salida es proporcional al campo externo y se puede usar para cuantificarlo.

Debido a su alto costo y área limitada, los sensores de flujo aislados tienen principalmente valor comercial en aplicaciones de alta precisión. Debido a su alta precisión, los sensores de flujo se utilizan en sistemas de calibración, sistemas de diagnóstico, equipos de laboratorio y sistemas médicos.

Criterios de selección para sensores de corriente

Al seleccionar un sensor de corriente para una aplicación o proyecto específico, se deben considerar varios factores para garantizar un rendimiento y una compatibilidad óptimos. Las variables clave a evaluar incluyen:

• • Tipo de corriente: Determine si necesita medir corriente alterna (CA), corriente continua (CC) o ambas. Ciertos sensores (por ejemplo, transformadores de corriente y bobinas Rogowski) están especializados para la medición de corriente alterna, mientras que otros (por ejemplo, sensores de efecto Hall y resistencias de derivación) pueden medir corrientes CA y CC.

• • Rango de corriente: Considere los niveles de corriente mínimos y máximos que se van a medir. Seleccione un sensor con un rango de medición adecuado para satisfacer sus necesidades. Es fundamental evitar la saturación del sensor y garantizar lecturas precisas en todo el rango.

• • Exactitud: Examine los requisitos de precisión de su aplicación. Los diferentes sensores ofrecen diferentes niveles de precisión. Las resistencias de derivación de precisión, los sensores de corriente óptica y los sensores de flujo proporcionan una excelente precisión, mientras que otros sensores (como los sensores de efecto Hall) pueden ofrecer una menor precisión en escenarios específicos.

• • Sensibilidad: Considere los cambios actuales más pequeños que requieren atención. Algunos sensores ofrecen una mayor sensibilidad para detectar fluctuaciones de corriente diminutas, mientras que otros pueden no ser adecuados para aplicaciones que exigen alta precisión.

• • Ancho de banda: Dependiendo de su aplicación, es posible que deba medir la corriente en todo el rango de frecuencia o en frecuencias específicas. Si maneja corrientes de alta frecuencia, en particular, seleccione un sensor con respuesta de frecuencia que cumpla con sus requisitos.

• • Factores ambientales: Considere el rango de temperatura de funcionamiento del sensor, la humedad y otros factores externos que pueden afectar su rendimiento. Seleccionar un sensor que funcione de manera confiable según los requisitos específicos de su aplicación es crucial, ya que algunos sensores son más resistentes a las influencias externas que otros.

• • Tamaño y factor de forma: Tenga en cuenta las limitaciones físicas del proyecto, como las opciones de montaje y el espacio disponible. Las resistencias de derivación son un buen ejemplo de sensores compactos y fáciles de instalar. Por el contrario, los transformadores de corriente pueden ser más grandes y ocupar más espacio.

• • Aislamiento: Si se requiere aislamiento eléctrico entre la corriente medida y la salida del sensor, considere sensores como transformadores de corriente, sensores de corriente óptica o sensores de efecto Hall aislados de corriente. También es importante considerar si el voltaje de aislamiento proporcionado por el sensor cumple con los requisitos de la aplicación.

• • Requisitos de energía: Asegúrese de que su aplicación pueda satisfacer las demandas de energía del sensor. Considerar el voltaje de funcionamiento máximo del sensor es crucial. Evaluar la disipación de potencia generada por el sensor debido a su resistencia a la carga es vital, ya que algunas aplicaciones pueden tener requisitos de energía específicos.

• • Grado: Es posible que se requieran sensores de nivel profesional para ciertas aplicaciones, como la automotriz.

• • Costo y disponibilidad: Considere el precio del sensor y dónde se puede comprar. Si bien algunos sensores pueden ofrecer un rendimiento superior, también pueden ser más caros o más difíciles de obtener.

Comparación de rendimiento de diferentes sensores

La Tabla 1 muestra métricas clave de rendimiento para varios sensores.

Aplicaciones de los sensores de corriente

Los principales campos de aplicación de los sensores de corriente

• • • Monitoreo del sistema de energía y la redEn las redes de transmisión y distribución de energía, los sensores de corriente se utilizan para monitorear el estado actual de equipos clave como líneas de transmisión, transformadores y disyuntores en tiempo real, lo que garantiza la estabilidad, seguridad y eficiencia energética de la operación de la red eléctrica.

   

  • • Protección contra sobrecorriente y detección de fallas: Los sensores de corriente están integrados en disyuntores, fusibles y dispositivos de protección de relés para detectar rápidamente corrientes anormales como sobrecargas y cortocircuitos, activar rápidamente los mecanismos de protección para evitar daños en el equipo y garantizar la seguridad del personal.

   

  • • Gestión de la energía y medición inteligenteEn escenarios residenciales, comerciales e industriales, los medidores inteligentes y los sistemas de monitoreo de energía se basan en sensores de corriente para medir con precisión el consumo de electricidad, lo que respalda la gestión del lado de la demanda, el análisis de eficiencia energética y la optimización del ahorro de energía.

   

  • • Control del motor y sistema de accionamiento:En convertidores de frecuencia, servosistemas y controladores de motor, los sensores de corriente se utilizan para proporcionar retroalimentación en tiempo real sobre la corriente de fase del motor, logrando un control de circuito cerrado de alta precisión de velocidad, par y posición.

   

  • • Sistema de energía renovableEn equipos de nueva energía, como sistemas solares fotovoltaicos y generadores de turbinas eólicas, los sensores de corriente se utilizan para monitorear la corriente de generación de energía, optimizar la eficiencia de conversión de energía y evitar daños en el sistema causados por sobrecorriente o cortocircuito.

   

  • • Sistema de gestión de baterías (BMS)En vehículos eléctricos, sistemas de almacenamiento de energía y dispositivos portátiles, los sensores de corriente miden con precisión las corrientes de carga y descarga de las baterías, que se utilizan para la estimación de energía (SOC), el monitoreo del estado de salud (SOH) y la gestión térmica, extendiendo la vida útil de la batería y mejorando la seguridad.

   

  • • Monitoreo y gestión de la fuente de alimentación:En equipos de suministro de energía, como fuentes de alimentación conmutadas, UPS y convertidores CC-CC, los sensores de corriente se utilizan para regular la corriente de salida, lo que garantiza un funcionamiento estable y eficiente de la fuente de alimentación y logra la protección contra sobrecorriente y la gestión de la carga.

   

  • • Automatización industrial y control de procesosEn robots, líneas de producción automatizadas y sistemas de control industrial, los sensores de corriente se utilizan para monitorear la corriente de funcionamiento de equipos como motores y actuadores, logrando el diagnóstico de fallas, el análisis de carga y la optimización del sistema.

   

  • • Instrumentos de prueba y mediciónLos osciloscopios, multímetros digitales, analizadores de potencia y otros equipos de prueba utilizan ampliamente sensores de corriente (como sondas de corriente) para medición de corriente y análisis de señales no intrusivos o de alta precisión.

   

  • • Electrónica de consumo:En productos como cargadores de teléfonos inteligentes, adaptadores de corriente para computadoras portátiles y dispositivos domésticos inteligentes, los sensores de corriente se utilizan para monitorear el consumo de energía, administrar la carga y la protección contra sobrecargas, mejorando la eficiencia energética y la seguridad del uso.

   

Estas son solo algunas aplicaciones de los sensores de corriente. Debido a su adaptabilidad e importancia en el control de la corriente, son componentes clave en diversas aplicaciones en muchas industrias.

Conclusión

Los sensores de corriente desempeñan un papel crucial en diversos sistemas eléctricos y electrónicos y, por lo tanto, son un componente importante de numerosas aplicaciones en muchas industrias. Esta página presenta los aspectos útiles y destacados de los sensores actuales, como tipos, criterios de selección, comparaciones de rendimiento y aplicaciones comunes.