Sensores de Corrente: Tipos, Principais Parâmetros, Comparações de Desempenho e Aplicações Comuns

Introducción

Os sensores de corrente son componentes críticos em diversos sistemas eléctricos e electrónicos, garantindo a operación segura e eficiente de equipamentos e instalações. Neste artículo, exploraremos los sensores de corrente, incluyendo seus tipos, variáveis a considerar al seleccionar um sensor de corrente, comparações de desempenho e aplicações.

Tipos deSensores de Corrente e Suas Vantagens e Desvantagens

Podemos classificar os sensores de corrente com base nos conceitos físicos fundamentales que os constituem. Esses conceitos abrangem a Lei de Ohm, a Lei da Indução de Faraday, campos magnéticos e sensoriamento óptico. Usando essa estrutura, apresentaremos agora varios tipos comuns de sensores de corrente.

Sensoriamento de CorrenteBaseado na Lei da Indução de Faraday

A Lei da Indução de Faraday afirma que a força eletromotriz (fem) total gerada em um circuito fechado é proporcional à taxa de variação do fluxo magnético total através do circuito ao longo do tempo. Esse princípio é amplamente aplicado em dispositivos de sensoriamento de corrente. Dois dispositivos de sensoriamento comuns baseados na lei de Faraday são ostransformadores de corrente (TCs)e comobobinas de Rogowski. Cuando o isolamento elétrico é necessário por motivos de segurança, esses sensores fornecem automáticamente a separação necessária entre a corrente medida e o sinal de salida. Isso os torna altamente valiosos para equipamentos de detecção existentes.

Transformadores de Corrente (TC):

Un TC consta de un devanado primario (generalmente una sola espira), un núcleo y un devanado secundario. Sirve como un sensor eficaz para medir corrientes alternas altas. Así, las grandes corrientes primarias pueden convertirse en corrientes secundarias más pequeñas. Este dispositivo no requiere circuitos de excitación adicionales, ya que es inherentemente pasivo. Otra característica clave es su capacidad para monitorear corrientes extremadamente altas consumiendo una potencia mínima. Sin embargo, el material de ferrita utilizado en el núcleo puede saturarse bajo corrientes primarias extremadamente altas o corrientes con componentes sustanciales de CC, lo que provoca 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 detectar cambios en el flujo magnético, que es proporcional a los cambios de corriente, no pueden detectar corrientes continuas de manera estándar.

Figura 1: Estrutura básica de um TC

A Figura 1 ilustra o princípio de funcionamiento de umTC. Com base na relação de espiras, as alterações na corrente primária Ip são refletidas como Is no lado secundário, o que pode ser usado para sensoriamento. Um resistor shunt que gera uma tensão de saída proporcional à corrente primária pode ser empleado para monitorar a corrente de salida. Isso proporciona isolamento, perdas mínimas, um princípio operacional simples e uma saída de tensão adequada para sensores de corrente sem exigir amplificação adicional. Um conversor analógico-digital (ADC) puede ser capaz de amostrar directamente a tensão de salida.

A relação de redução da corrente primária é expressa pela relação do TC. A precisión de um transformador de corrente é medida por sua clase de exatidão do TC (às vezes chamada de classificação do TC ou grau do TC). Com base em sua clase de exatidão, os TCs se dividem em duas categorias:TCs de exatidão para mediçãolaTCs de exatidão para protección. Os TCs de exatidão para medição son projetados para serem altamente precisos em todas as correntes nominais, mesmo em correntes muito baixas. Ellos son avaliados para cargas comuns específicas. Debido à sua alta precisão, as concessionárias normalmente usam esses TCs para evaluar o consumo para fins de faturamento. OsTCsde exatidão para protección têm menor precisão do que os TCs de exatidão para medição. Ellos son projetados para operar no nivel mínimo de precisión exigido para a protección de equipamentos.

Os transformadores de corrente son frecuentemente usados em aplicações de conversão de energía debido ao seu baixo custo e à capacidade de gerar sinais de salida diretamente compatíveis com conversores analógico-digitais. También desempenham um papel vital em redes de distribución de energía que operam em frequências de linha de 50/60 Hz.

Bobinas de Rogowski:

Estas bobinas huecas son flexibles y se enrollan alrededor de 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 la corriente. Las bobinas de Rogowski se utilizan principalmente para medir corriente alterna, especialmente en aplicaciones de alta frecuencia.

Figura 2: Diagrama esquemático do princípio da bobina de Rogowski

A Figura 2 muestra um diagrama esquemático do princípio da bobina de Rogowski. A derivada da corrente primária determina a tensão gerada. Para obtener o sensoriamento de corrente desejado, é necessário umintegradorna salida.

A sensibilidad de uma bobina de Rogowski é reduzida porque los transformadores de corrente no pueden usar núcleos com alta permeabilidade magnética. A principal vantagem de uma bobina de Rogowski é sua linearidade inerente e a ausência de saturação. As bobinas de Rogowski podem ser usadas para detectar correntes em sistemas de distribución de energía, sistemas de teste de curto-circuito, emissores electromagnéticos, motores de indução com anéis coletores e instalações de teste de descargas atmosféricas. O preço é comparável ao dos transformadores de corrente.

Sensores de Corrente Baseados em Campo Magnético

A corrente que gera campos magnéticos estáticos é difícil de detectar usando a lei da indução de Faraday. Por otro lado, sensores de campo magnético podem identificar campos magnéticos estáticos e em movimiento. Eles servem como una alternativa ideal para o sensoriamento de corrente.

Sensores de Corrente de Malha Aberta por Efeito Hall:

Esses sensores operam com base no princípio do efeito Hall, que afirma que uma diferença de potencial se forma através de um condutor cuando um campo magnético é aplicado perpendicularmente à sua sección transversal. A dirección da força eletromotriz (FEM) induzida, perpendicular tanto à corrente quanto ao campo magnético, pode ser determinada usando a regra da mão direita. A magnitude dessa FEM e o ângulo relativo entre a corrente e o campo magnético determinam a tensão vetorial composta, que é proporcional à constante de Hall. O campo magnético é gerado pela corrente que está siendo medida, producindo uma tensão analizável.

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

Figura 3: Aplicações típicas deSensores de Corrente Hall de Malha Aberta

Os sensores de efeito Hall são ampliamente usados em diversas aplicações, incluyendo sistemas de conversão de energía, equipamentos de soldagem, acionamentos de motores, equipamentos de radar e a indústria de eletrólise.

Sensores de Corrente de Malha Fechada por Efeito Hall:

Estos sensores de corriente basados en campo magnético se utilizan extensamente en aplicaciones tanto de lazo cerrado como de lazo abierto.

Figura 4: Aplicación típica deSensor de Corrente Hall de Malha Fechada

O flujo magnético gerado pela corrente primária IP é equilibrado por um fluxo magnético complementar producido pela corrente de acionamento no enrolamento secundário. O elemento Hall e os circuitos electrónicos asociados geram uma corrente secundária (de compensação) que corresponde perfeitamente à corrente primária.

Sensor de Corrente Fluxgate:

Un sensor fluxgate 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 de sensor de corrente fluxgate

A Figura 5 ilustra um proyecto simples de um sensor fluxgate usado para detectar a corrente Ip. Dois enrolamentos son montados no núcleo magnético: um enrolamento de excitação e um enrolamento de captação. O enrolamento de excitação é acoplado a uma fonte de corrente senoidal que gera o campo magnético de excitação. Consequentemente, uma tensão é induzida no enrolamento de captação, que pode entonces ser utilizada para sensoriamento. Como o campo magnético externo é pequeno em relação ao campo de excitação, o pico da tensão de salida é proporcional ao campo externo e pode ser usado para quantificá-lo.

Debido al seu alto custo e área limitada, sensores fluxgate isolados tienen valor comercial principalmente en aplicaciones de alta precisão. Por causa de sua alta exatidão, sensores fluxgate são usados em sistemas de calibração, sistemas de diagnóstico, equipamentos de laboratorio e sistemas médicos.

Critérios de Seleção para Sensores de Corrente

Ao seleccionar um sensor de corrente para una aplicación ou proyecto específico, vários fatores devem ser considerados para garantir desempenho e compatibilidade ideais. As principais variáveis a evaluar incluem:

• • Tipo de Corrente: Determine se você precisa medir corrente alternada (CA), corrente contínua (CC) ou ambas. Certos sensores (por ejemplo, transformadores de corrente e bobinas de Rogowski) son especializados na medição de corrente CA, mientras outros (por ejemplo, sensores de efecto Hall e resistores shunt) podem medir correntes CA e CC.
  • • Faixa de Corrente: Considere os niveles mínimo e máximo de corrente a serem medidos. Seleccione um sensor com uma faixa de medição adequada para atender aos seus requisitos. Evitar a saturação do sensor e garantir lecturas precisas em toda a faixa é fundamental.
    • • Precisión: Examine os requisitos de precisión da sua aplicação. Diferentes sensores ofrecen niveles variados de precisão. Resistores shunt de precisão, sensores de corrente ópticos e sensores fluxgate ofrecen excelente precisão, mientras outros sensores (como sensores de efeito Hall) pueden ofrecer menor precisión en cenários específicos.
      • • Sensibilidade: Considere as menores variações de corrente que exigem atenção. Algunos sensores ofrecen mayor sensibilidad para detectar flutuações mínimas de corrente, mientras otros podem ser inadequados para aplicaciones que exigem alta precisão.
        • • Largura de Banda: Dependiendo da sua aplicación, puedes precisar medir corrente em toda a faixa de frequência ou em frequências específicas. Em especial ao lidar com correntes de alta frequência, seleccione um sensor com resposta em frequência que atenda aos seus requisitos.
          • • Fatores Ambientais: Considere a faixa de temperatura de operación do sensor, a umidade e otros factores externos que possam afetar seu desempenho. Seleccionar um sensor que opere de forma confiável bajo los requisitos específicos da sua aplicación é crucial, pois algunos sensores son más resistentes a influências externas do que outros.
            • • Tamanho e Fator de Forma: Leve em conta as restrições físicas do proyecto, como opciones de montagem e espaço disponível. Resistores shunt são um bom ejemplo de sensores compactos e fáceis de instalar. Por otro lado, transformadores de corrente podem ser maiores e ocupar más espaço.
              • • Isolamento: Se for necessário isolamento elétrico entre a corrente medida e a salida do sensor, considere sensores como transformadores de corrente, sensores de corrente ópticos ou sensores de efeito Hall com isolamento de corrente. También é importante considerar se a tensão de isolamento fornecida pelo sensor atende aos requisitos da aplicação.
                • • Requisitos de Alimentación: Certifique-se de que sua aplicación pueda atender às demandas de energía do sensor. Considerar a tensão máxima de operación do sensor é crucial. Avaliar a disipação de potência gerada pelo sensor devido à sua resistencia de carga é vital, pois algunas aplicaciones podem ter requisitos específicos de potência.
                  • • Grau: Sensores de grado profesional podem ser necessários para determinadas aplicações, como automotivas.
                    • • Custo e Disponibilidade: Considere o precio do sensor e donde ele pode ser comprado. Aunque algunos sensores puedan ofrecer rendimiento superior, ellos también pueden ser más caros ou más difíceis de obter.

                      Comparación de Desempenho de Diferentes Sensores

                      A Tabela 1 muestra as principais métricas de desempenho para vários sensores.

                      Tipo	Largura de banda	Compatível com CC	Precisión	Deriva térmica [ppm/K]	Isolado	Faixa	Perda de potência	Custo relativo
                      Transformador de corrente	kHz-MHz	Non	0,1%-1%	<100	Sim	A-kA	mW	Baixo
                      Bobina de Rogowski	kHz-MHz	Non	0,2%-5%	50-300	Sim	A-MA	mW	Moderado
                      Efeito Hall de malha abierta	kHz	Sim	0,5%-5%	50-1000	Sim	A-kA	mW	Moderado
                      Efeito Hall de malha fechada	kHz	Sim	0,2%-1%	50-500	Sim	A-kA	mW	Moderado
                      Fluxgate	kHz	Sim	0,001%-0,5%	<50	Sim	mA-kA	mW-W	Alto

                      Aplicações dos Sensores de Corrente

                      Os principais campos de aplicación dos sensores de corrente

                      • • • Sistema de Energía e Monitoramento da Rede:Em redes de transmisión e distribución de energía, sensores de corrente são usados para monitorar em tempo real o estado da corrente de equipamentos essenciais, como líneas de transmissão, transformadores e disjuntores, garantindo a estabilidade, a segurança e a eficiência energética da operación da rede elétrica.
                          • • Protección contra sobrecorrente e detecção de falhas:Sensores de corrente são integrados a disjuntores, fusíveis e dispositivos de protección por relé para detectar rápidamente correntes anormais, como sobrecargas e curtos-circuitos, acionando prontamente mecanismos de protección para evitar danos aos equipamentos e garantir a segurança das pessoas.
                            • • Gestión de Energía e Medição Inteligente:Em cenários residenciais, comerciais e industriais, medidores inteligentes e sistemas de monitoramento de energía dependem de sensores de corrente para medir com precisión o consumo de eletricidade, apoiando a gestión pelo lado da demanda, a análise de eficiência energética e a optimização da economia de energía.
                              • • Controle de motor e sistema de acionamento:Em conversores de frequência, servossistemas e acionadores de motores, sensores de corrente são usados para proporcionar feedback em tempo real sobre a corrente de fase do motor, alcançando controle de malha fechada de alta precisão de velocidade, torque e posición.
                                • • Sistema de energía renovável:Em equipamentos de novas energías, como sistemas solares fotovoltaicos e geradores de turbinas eólicas, sensores de corrente são usados para monitorar a corrente de generación de energía, otimizar a eficiência da conversão de energía e prevenir danos ao sistema causados por sobrecorrente ou curto-circuito.
                                  • • Sistema de Gerenciamento de Batería (BMS):Em veículos elétricos, sistemas de almacenamiento de energía e dispositivos portáteis, sensores de corrente medem com precisão as correntes de carga e descarga das baterias, usadas para estimativa de carga (SOC), monitoramento do estado de saúde (SOH) e gerenciamento térmico, prolongando a vida útil da batería e aumentando a segurança.
                                    • • Monitoramento e gerenciamento de fontes de alimentação:En equipamentos de fonte de alimentação, como fontes chaveadas, UPS e conversores CC-CC, sensores de corrente são usados para regular a corrente de salida, garantindo operación estável e eficiente da fonte de alimentação e proporcionando protección contra sobrecorrente e gerenciamento de carga.
                                      • • Automação Industrial e Controle de Procesos:Em robôs, linhas de producción automatizadas e sistemas de control industrial, sensores de corrente são usados para monitorar a corrente de operación de equipamentos como motores e atuadores, permitindo diagnóstico de falhas, análise de carga e optimização do sistema.
                                        • • Instrumentos de teste e medição:Osciloscópios, multímetros digitais, analisadores de potência e outros equipamentos de teste usam ampliamente sensores de corrente (como pontas de prova de corrente) para medição de corrente e análise de sinais sem intrusão ou de alta precisão.
                                          • • Electrónicos de consumo:En productos como carregadores de smartphones, adaptadores de energía para notebooks e dispositivos de casa inteligente, sensores de corrente são usados para monitoramento do consumo de energía, gestión de carga e protección contra sobrecarga, aumentando a eficiência energética e a segurança de uso.

                                             

                                          Estas son apenas algunas aplicaciones dos sensores de corrente. Debido à sua adaptabilidade e importância no controle da corrente, ellos son componentes essenciais em diversas aplicaciones em muitos setores.

                                          Conclusión

                                          Os sensores de corrente desempenham um papel crucial em diversos sistemas eléctricos e electrónicos e, por lo tanto, são um componente importante de inúmeras aplicações em muitos setores. Esta página apresenta los aspectos úteis e relevantes dos sensores de corrente, como tipos, critérios de seleção, comparações de desempenho e aplicações comuns.