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Sensor actual: tipos, parámetros clave, comparación de rendimiento y aplicaciones comunes

¿Qué es un sensor actual?

Un sensor de corriente, también conocido como transductor de corriente o sonda de corriente, es un dispositivo utilizado para medir la corriente eléctrica que fluye a través de un conductor. Se usa comúnmente en sistemas eléctricos y electrónicos para fines de monitoreo, control y protección.

Hay varios tipos de sensores actuales disponibles, cada uno con su propio principio de trabajo y aplicación. Aquí hay algunas tecnologías de detección de corriente comúnmente utilizadas:

  • Sensores de efecto Hall
  • Bobinas de Rogowski
  • Transformadores actuales (CTS)
  • Resistencias de derivación
  • Circuitos integrados de detección de corriente (ICS)
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¿Cómo funciona un sensor actual?

Un sensor de corriente funciona midiendo la corriente que fluye a través de un conductor y la convierte en una cantidad medible, como voltaje o salida digital. El principio de trabajo específico depende del tipo de sensor de corriente utilizado. Aquí, proporcionaré una breve explicación de los principios de trabajo de tres tipos comunes: sensores de efecto de pasillo, transformadores actuales y resistencias de derivación.

Hall Effect Sensors

Sensores de efecto Hall

Los sensores de efectos del salón se utilizan ampliamente para la detección de corriente y otras aplicaciones que implican la medición de los campos magnéticos. Utilizan el efecto de la sala, que es la generación de una diferencia de voltaje en un conductor cuando está sujeto a un campo magnético perpendicular al flujo de corriente.

El principio de trabajo básico de un sensor de efecto Hall se puede resumir de la siguiente manera:

Efecto de la sala

Cuando un conductor lleva la corriente y está expuesto a un campo magnético en ángulo recto al flujo de corriente, se produce un fenómeno llamado efecto del salón. El campo magnético ejerce una fuerza sobre las cargas móviles (electrones o agujeros), lo que hace que se desvíen a un lado del conductor. Esto da como resultado una acumulación de carga en un lado y un agotamiento de carga en el otro lado, creando una diferencia de voltaje en el conductor.

Construcción del sensor de efecto Hall

Un sensor de efecto Hall generalmente consiste en los siguientes componentes:

Elemento Hall: El elemento salón es un material semiconductor delgado, generalmente hecho de arsenuro de galio (GAA) o arsenuro de indio (INAS). Se coloca perpendicular al flujo de corriente y se expone al campo magnético.

Imán de sesgo: Se coloca un imán permanente o un electromagno cerca del elemento salón para proporcionar un campo magnético perpendicular al flujo de corriente.

Amplificador de salida: Se utiliza un circuito de amplificador para amplificar el pequeño voltaje del salón generado por el elemento Hall.

Detección de campo magnético

Cuando la corriente fluye a través del conductor, se genera un campo magnético a su alrededor. El imán de sesgo crea un campo magnético perpendicular al flujo de corriente, que interactúa con el campo magnético generado por la corriente en el conductor. Esta interacción hace que el elemento de la sala experimente una fuerza de Lorentz, lo que resulta en la generación de un voltaje del salón.

Medición de voltaje del salón

El voltaje del salón producido por el elemento Hall está típicamente en el rango de milivoltios. El circuito amplificador de salida amplifica este voltaje a un rango más utilizable, lo que hace que sea más fácil medir o procesar. El voltaje del salón amplificado puede condicionarse, digitalizarse o convertirse a una medición de corriente.

Los sensores de efectos de la sala tienen varias aplicaciones, incluida la detección actual, la detección de posición, la detección de velocidad y la detección de proximidad. En las aplicaciones de detección de corriente, un sensor de efecto Hall se coloca muy cerca de un conductor que lleva la corriente a medir. El voltaje del salón generado es proporcional a la corriente que fluye a través del conductor, lo que permite mediciones de corriente precisas.

Current Transformers CTs

Transformadores actuales (CTS)

Los transformadores de corriente (CT) se utilizan ampliamente para medir y monitorear la corriente alterna (CA) en los sistemas de energía eléctrica. Trabajan en el principio de inducción electromagnética y se emplean comúnmente en aplicaciones donde las altas corrientes deben medirse con precisión mientras proporcionan aislamiento eléctrico.

Así es como funciona un transformador de corriente típico:

Construcción

Un transformador de corriente consiste en un devanado primario y un devanado secundario alrededor de un núcleo magnético. El devanado primario está conectado en serie con el conductor a través del cual fluye la corriente. El devanado secundario está conectado al circuito de medición o protección.

Generación de campo magnético

Cuando la corriente de CA fluye a través del devanado primario, genera un campo magnético alrededor del núcleo. La magnitud del campo magnético es directamente proporcional a la corriente que pasa a través del devanado primario.

Inducción de campo magnético

El campo magnético generado por el devanado primario induce un voltaje en el devanado secundario mediante inducción electromagnética. Según la ley de inducción electromagnética de Faraday, un campo magnético cambiante induce una tensión en un conductor cercano.

Relación de giros

La relación giros entre los devanados primarios y secundarios determina el voltaje de salida. Los CT generalmente se diseñan con una relación alta de giros, como 1000: 1 o 2000: 1. Esto significa que por cada 1000 o 2000 amperios de corriente que pasa a través del devanado primario, se obtiene 1 amperios en el devanado secundario.

Medición actual

El devanado secundario de la TC está conectado a un amperímetro, medidor de energía o relé de protección, donde el voltaje inducido se convierte en una medición de corriente utilizable. El devanado secundario de la TC generalmente está conectado a una resistencia de carga o una impedancia de carga, que convierte la corriente en un voltaje proporcional a la corriente que fluye a través del devanado primario.

Precisión y calibración

Los CT se calibran para proporcionar mediciones de corriente precisas dentro de un rango especificado. La precisión de una TC generalmente se expresa como un porcentaje de la corriente nominal y puede variar según los requisitos de la aplicación. Los CT también pueden tener múltiples grifos en el devanado secundario para permitir un ajuste fino de la corriente de salida.

Los transformadores de corriente ofrecen varias ventajas, incluido el aislamiento eléctrico entre los circuitos primarios y secundarios, la capacidad de manejar los altos niveles de corriente y la medición de corriente precisa. Se usan comúnmente en sistemas de energía para aplicaciones de medición, protección, monitoreo de carga y control.

Shunt Resistors

Resistencias de derivación

Las resistencias de derivación, también conocidas como derivaciones actuales, son resistencias de bajo valor colocadas en series con una carga o conductor para medir la corriente que fluye a través de ella. Trabajan en base a la ley de Ohm, que establece que el voltaje a través de una resistencia es directamente proporcional a la corriente que lo pasa.

Así es como operan las resistencias de derivación:

Colocación

Una resistencia de derivación está conectada en serie con el circuito o carga donde se debe medir la corriente. Por lo general, se coloca en una ruta de baja corriente para minimizar la disipación de potencia y la caída de voltaje.

Caída de voltaje

A medida que la corriente fluye a través de la resistencia en derivación, se crea una caída de voltaje a través de ella. Según la ley de Ohm (V = I × R), la caída de voltaje (V) a través de la resistencia en derivación es directamente proporcional a la corriente (I) que pasa a través de ella y la resistencia (R) de la resistencia en derivación.

Medición actual

La caída de voltaje a través de la resistencia en derivación se mide usando un voltímetro o un convertidor analógico a digital (ADC). Al conocer el valor de resistencia de la resistencia en derivación, la corriente se puede calcular utilizando la ley de Ohm reordenada como I = V / R.

Selección de valor de resistencia

El valor de resistencia de la resistencia de derivación se elige en función de la corriente máxima que se midará y la caída de voltaje deseada. Las resistencias de derivación generalmente tienen valores de resistencia muy bajos, a menudo en el rango de Milliohm o Microhm, para minimizar la disipación de potencia y evitar caídas de voltaje excesivas.

Disipación de potencia

Las resistencias de derivación disipan la potencia en forma de calor debido a que la corriente fluye a través de ellas. La disipación de potencia (P) se puede calcular usando la fórmula P = I^2 × R, donde I es la corriente que pasa a través de la resistencia de la derivación y R es el valor de resistencia. Se debe tener cuidado para seleccionar una resistencia de derivación que pueda manejar la disipación de potencia anticipada sin exceder su clasificación de temperatura.

Las resistencias de derivación se usan comúnmente para medir corriente en diversas aplicaciones, incluidas fuentes de alimentación, control de motores, monitoreo de baterías y pruebas de circuitos electrónicos. Ofrecen un método simple y rentable para medir la corriente, pero introducen una pequeña caída de voltaje y pérdida de potencia en el circuito. Es importante considerar la potencia nominal, la precisión y el coeficiente de temperatura de las resistencias en derivación para garantizar mediciones de corriente precisas y confiables.

Rogowski Coils

Bobinas de Rogowski

Las bobinas de Rogowski, que llevan el nombre del físico Walter Rogowski, son sensores de corriente flexibles utilizados para medir la corriente alterna (AC). Son particularmente adecuados para aplicaciones donde el espacio es limitado o donde el conductor que transporta la corriente no puede enhebrar fácilmente a través de un transformador actual tradicional (CT).

Así es como funcionan las bobinas de Rogowski:

Construcción

Una bobina Rogowski se construye utilizando una herida de alambre flexible en forma helicoidal. La bobina no tiene un núcleo magnético como los CT tradicionales. El cable generalmente está hecho de un material altamente conductor como el cobre.

Inducción de campo magnético

Cuando una corriente alterna fluye a través de un conductor cerca de la bobina de Rogowski, genera un campo magnético variable en el tiempo alrededor del conductor. Este campo magnético cambiante induce una tensión en la bobina de Rogowski según la ley de inducción electromagnética de Faraday.

Integración de voltaje

El voltaje inducido en la bobina Rogowski es proporcional a la tasa de cambio de la corriente que pasa a través del conductor. Para obtener el valor de corriente real, el voltaje inducido se integra con el tiempo. Este proceso de integración generalmente se realiza utilizando circuitos electrónicos o técnicas de procesamiento de señales digitales.

Medición actual

La forma de onda de voltaje integrada representa la forma de onda de corriente que pasa a través del conductor. Al calibrar la bobina de Rogowski y contabilizar factores como el número de giros de cable y la geometría de la bobina, el voltaje medido se puede convertir en una representación precisa de la corriente.

Acondicionamiento de salida y señal

La salida de una bobina Rogowski es típicamente en forma de forma de onda de voltaje. Esta forma de onda puede procesarse y condicionarse más para adaptarse a los requisitos del sistema de medición. Puede implicar amplificación, filtrado y conversión a una señal digital para una integración más fácil en los sistemas electrónicos.

Las bobinas de Rogowski ofrecen varias ventajas sobre los CT tradicionales, incluida su flexibilidad, construcción liviana y facilidad de instalación. Son particularmente útiles en aplicaciones donde hay limitaciones de espacio, como en aparamentas, paneles y monitoreo de motores eléctricos. Sin embargo, es importante tener en cuenta que las bobinas de Rogowski se utilizan principalmente para medir corrientes de CA y pueden no ser adecuadas para mediciones de corriente de CC sin circuitos o modificaciones adicionales.

Current Sensing Integrated Circuits ICs

Circuitos integrados de detección de corriente (ICS)

Los circuitos integrados (ICS) de detección de corriente son dispositivos electrónicos especializados diseñados para medir y monitorear la corriente en varias aplicaciones. Estos IC ofrecen una solución compacta y conveniente para detectar con precisión la corriente sin la necesidad de componentes externos o circuitos complejos. Se usan comúnmente en administración de energía, control del motor, monitoreo de la batería y otros sistemas donde el monitoreo actual es esencial.

Aquí hay algunas características clave y principios de trabajo de los IC de sensación de corriente:

Técnicas de medición actuales

Los IC de detección de corriente emplean varias técnicas para medir la corriente. Algunos métodos comunes incluyen:

a. Efecto de la sala: Estos IC utilizan el principio del efecto de la sala para medir la corriente. Incorporan un sensor de salón en chip que detecta el campo magnético generado por la corriente que pasa a través de un conductor. El voltaje del salón se convierte en un voltaje o corriente de salida proporcional, proporcionando la medición de corriente.

b. Resistencias de derivación: Los circuitos integrados con detección de corriente también pueden integrar una resistencia de derivación de precisión en el chip. Se mide la caída de voltaje a través de la resistencia en derivación y la corriente se calcula utilizando la ley de Ohm. Estos circuitos integrados suelen incluir circuitos de amplificación, filtrado y calibración para proporcionar mediciones de corriente precisas.

do. Detección inductiva: Algunos IC utilizan técnicas de detección inductiva para medir la corriente. Emplean una bobina o transformador en chip que detecta el campo magnético generado por la corriente. La variación en el campo magnético induce un voltaje en la bobina, que luego se convierte en una medición de corriente.

Acondicionamiento y procesamiento de la señal

Los IC de detección de corriente a menudo incluyen circuitos incorporados en acondicionamiento de señales y procesamiento para mejorar la precisión y confiabilidad de las mediciones actuales. Esto puede implicar amplificación, filtrado, calibración, compensación de temperatura y técnicas de linealización. Estas características ayudan a compensar las no linealidades, los efectos de la temperatura y otros factores que pueden afectar la precisión de la medición.

Formatos de salida

Los IC de detección de corriente proporcionan salida en varios formatos dependiendo de los requisitos de aplicación específicos. La salida puede ser un voltaje analógico o corriente proporcional a la corriente medida, lo que lo hace compatible con los sistemas analógicos. Alternativamente, puede ser una salida digital, como una señal de modulación de ancho de pulso (PWM) o una interfaz digital en serie (por ejemplo, I2C o SPI), lo que permite una fácil integración con microcontroladores o sistemas digitales.

Protección y detección de fallas

Muchos IC de sensación de corriente incorporan características de protección para proteger contra corrientes o fallas excesivas. Estos pueden incluir detección de sobrecorriente, protección de sobretemperatura, protección contra cortocircuitos y protección de polaridad inversa. Dichas características ayudan a garantizar un funcionamiento seguro y confiable del IC y el sistema en el que se utiliza.

Ventajas y desventajas de los cinco tipos de sensores actuales comunes

Tipo de sensor actualVentajasDesventajas
Sensores de efecto Hall-Medición no intrusiva- Se requiere alineación del campo magnético
- Aislamiento- Efectos de saturación a altas corrientes
- amplio rango dinámico- Sensibilidad a la temperatura
- ancho de banda alto
Transformadores actuales (CTS)- Capacidad de manejo de alta corriente- Rango de frecuencia limitada
- Seguridad (aislamiento galvánico)- Tamaño y peso
- Respuesta de frecuencia amplia- Rango dinámico limitado
Resistencias de derivación- Bajo costo- Disipación de poder
- Alta precisión- Sensibilidad a los cambios de resistencia
- amplio rango dinámico- Medición intrusiva
Bobinas de Rogowski- flexible y liviano- Se requieren integración y calibración
- ancho de banda ancho- menor precisión
-Medición no intrusiva- Sensibilidad a los campos magnéticos externos
ICS de sensación de corriente- Integración y compacidad- Rango actual limitado
- Precisión y linealidad- Efectos de la temperatura
- Versatilidad (corrientes de CA y DC, varios formatos de salida)- Costo
- Facilidad de uso

Casos de uso populares para el sensor actual

Los sensores de presión encuentran aplicaciones en diversas industrias y campos debido a su versatilidad e importancia para medir y monitorear la presión. Aquí hay algunos casos de uso populares para sensores de presión:

  1. Gestión de energía: Los sensores actuales se utilizan ampliamente en los sistemas de administración de energía para monitorear y controlar el flujo de corriente. Ayudan a detectar condiciones de sobrecorriente, asegurando el equilibrio de carga adecuado y la optimización de la distribución de energía.

  2. Control del motor: Los sensores actuales juegan un papel crucial en las aplicaciones de control de motor. Proporcionan retroalimentación sobre la corriente del motor, lo que permite un control y protección precisos contra las condiciones sobrecorrientes o estancadas. Los sistemas de control de motor, incluidos la robótica, la automatización industrial y los vehículos eléctricos, dependen de los sensores actuales para operar eficientes.

  3. Monitoreo de energía: Los sensores actuales se emplean en sistemas de monitoreo de energía para medir y analizar el consumo de electricidad. Permiten la medición de energía precisa, el perfil de carga y el análisis de eficiencia energética en entornos residenciales, comerciales e industriales.

  4. Gestión de batería: Los sensores actuales son esenciales en los sistemas de gestión de baterías para monitorear las corrientes de carga y descarga. Ayudan a garantizar la salud adecuada de la batería, evitan sobrecarga o exceso de descarga, y optimizan el rendimiento de la batería y la longevidad.

  5. Sistemas de energía renovable: Los sensores actuales se utilizan en sistemas solares fotovoltaicos (PV), turbinas eólicas y otras aplicaciones de energía renovable. Monitorean la corriente generada por las fuentes de energía renovables, lo que permite una conversión de energía eficiente, detección de fallas e integración de la red.

  6. Monitoreo de equipos industriales: Los sensores actuales se emplean en varios equipos industriales para fines de monitoreo y control. Ayudan a medir el dibujo de corriente en máquinas, bombas, compresores y otras cargas industriales, permitiendo el monitoreo de la condición, el mantenimiento preventivo y la optimización de la energía.

  7. Seguridad eléctrica: Los sensores de corriente se utilizan en sistemas de seguridad eléctrica, como dispositivos de corriente residual (RCD) o interruptores de circuito de falla a tierra (GFCIS). Detectan fugas o desequilibrio en el flujo de corriente, desencadenando la interrupción del circuito para proteger contra las descargas eléctricas y los riesgos de incendio.

  8. Sistemas HVAC: Los sensores actuales se utilizan en sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) para monitorear la corriente dibujada por compresores, ventiladores y motores. Estos datos ayudan a optimizar el consumo de energía, detectar fallas y mejorar la eficiencia del sistema.

  9. Suministros y convertidores: Los sensores actuales se emplean en fuentes de alimentación y convertidores para monitorear y regular la salida de corriente. Aseguran una entrega de corriente estable y precisa, lo que permite un funcionamiento adecuado de dispositivos y sistemas electrónicos.

  10. Aplicaciones automotrices: Los sensores actuales se encuentran comúnmente en los sistemas automotrices para monitorear y controlar el flujo de corriente en varios componentes, como dirección asistida eléctrica, gestión de baterías, sistemas de carga y aplicaciones de control de motor.

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