Características del transductor de corriente de circuito cerrado

Un transductor de corriente seleccionado correctamente para una aplicación puede brindar fácilmente más de 25 años de servicio. Al reconocer los detalles detrás de la hoja de datos, es posible aplicar aplicaciones de mejor rendimiento y diseños más robustos.

Erik Lange, ingeniero de marketing y aplicaciones | LEM EE.UU., Inc.

La medición de corriente es una parte integral de la electrónica de potencia. Los transductores de corriente suministran esta medida con diferentes tecnologías disponibles. La tecnología más común utilizada es el efecto Hall de bucle cerrado o puerta de flujo de bucle cerrado. La tecnología de circuito cerrado ofrece muchos beneficios específicos que necesitan los diseñadores de electrónica de potencia. Sin embargo, hay algunos detalles que no se conocen con frecuencia y que pueden hacer que una aplicación sea excepcional o resultar en un fracaso. A continuación se detallan algunas de las características que deben considerarse.

Los transductores de corriente son dispositivos pasivos en el sentido de que no influyen activamente en la corriente que se mide, pero sí requieren energía para funcionar. Los requisitos de suministro típicos están en el rango inferior a 30 mA, independientemente del voltaje de suministro. La mayoría de los transductores requieren un suministro bipolar (lo típico es +/-15 V). Los transductores de suministro unipolares están cada vez más disponibles. Los dispositivos de circuito cerrado tienen requisitos de consumo de corriente adicionales para sus corrientes secundarias.

Los transductores de corriente (que no deben confundirse con los transformadores de corriente) pueden medir corrientes CC y CA. La medición de CC requiere transductores de corriente. Esta es una de las dos características que distinguen a los transductores de otras formas de medición de corriente. Una corriente alterna pura podría medirse mediante un transformador de corriente común. Pero si la corriente que se está midiendo tiene períodos de tiempo sin di/dt, se necesita un transductor de corriente.

El aislamiento galvánico es la segunda característica que impulsa la selección de un transductor de corriente como solución para una aplicación de medición de corriente. El circuito primario y el circuito secundario del transductor de corriente están aislados eléctricamente entre sí. Esto permite un potencial primario alto (480 V), mientras que el secundario tiene un voltaje de control más bajo (+/-15 V o +5 V). El Aislamiento Galvánico se consigue mediante magnetismo. La corriente primaria genera un campo magnético que se concentra mediante un circuito magnético. Un dispositivo de medición magnético mide el campo B y genera la intensidad de alguna forma (voltaje o corriente umbral). La información de intensidad se convierte en una salida de voltaje o corriente que es proporcional a la corriente primaria.

El transductor de corriente original desarrollado es el efecto Hall de bucle abierto. Este transductor consta de tres partes: un circuito magnético, una celda Hall y un amplificador. La salida es un voltaje proporcional a la corriente primaria.

El próximo avance en la tecnología de transductores es el efecto Hall de circuito cerrado. El circuito cerrado toma el concepto de circuito abierto y agrega un devanado secundario a la salida. Este devanado secundario está enrollado alrededor del circuito magnético de manera que la corriente secundaria crea un campo magnético opuesto al creado por la corriente primaria. Esto crea un núcleo relativamente sin flujo. Los beneficios del circuito cerrado son la virtual falta de corrientes parásitas y un mayor ancho de banda. La salida se puede modelar como una fuente de corriente con una corriente proporcional a la corriente primaria en una relación determinada por el recuento del devanado secundario. El hecho de que la ganancia esté determinada por el número de devanados secundarios lo hace prácticamente inmune a los cambios de ganancia con la temperatura. Una hoja de datos de un transductor de circuito cerrado no indicará un efecto de la temperatura en la característica de ganancia. No hay ningún efecto sobre la ganancia de temperatura en un dispositivo de circuito cerrado. La salida actual es una ventaja ya que es menos susceptible a las fuentes de ruido dentro de la aplicación. La corriente de salida de un circuito cerrado normalmente se conduce a través de una resistencia de "carga". La corriente que pasa a través de la resistencia crea una caída de voltaje que se puede medir mediante un IC analógico a digital o un IC comparador.

Fig 1. Bucle cerrado

La puerta de flujo de circuito cerrado reemplaza la celda Hall con un detector de puerta de flujo. La Flux Gate es una pieza de material magnético insertada en un espacio en el circuito magnético. El núcleo de Flux Gate tiene un devanado a su alrededor que es estimulado por un voltaje de onda cuadrada. Se mide la corriente inducida y cuando alcanza un cierto umbral, el ciclo de onda cuadrada cambia. El ciclo de trabajo de la onda cuadrada es proporcional a la corriente primaria. La tecnología Flux Gate es de naturaleza digital y tiene un reloj interno que puede aparecer como ruido en la frecuencia del reloj. Sin embargo, el ruido está muy por encima del ancho de banda del transductor. Así, el sistema completo consta de: circuito magnético, puerta de flujo y devanado, un ASIC y un devanado secundario. La resistencia de carga puede ser interna al dispositivo, lo que luego producirá una salida de voltaje. De lo contrario, se generaría una salida actual. Existen otras tecnologías Flux Gate que utilizan diferentes esquemas de excitación y detección, pero los resultados generales son similares.

Fig 2. Puerta de flujo

Los transductores de circuito cerrado están diseñados para medir una corriente continua igual o menor que la corriente nominal indicada en la hoja de datos. La corriente que se mide generalmente se denomina corriente primaria. La corriente de salida de la conexión secundaria del transductor se denomina corriente secundaria. Los transductores de circuito cerrado pueden medir corrientes más altas que las nominales (el rango de medición), pero estas corrientes más altas solo se pueden medir durante un corto período de tiempo (segundos, ms o μs).

Los beneficios de un transductor de corriente de circuito cerrado son similares a los de una fuente de corriente, que incluye una mayor inmunidad al ruido y una mayor precisión.

El propósito del transductor de corriente es medir la corriente. ¿Pero hasta qué grado de incertidumbre? Estos no son dispositivos ideales y tienen un valor de precisión asociado. Curiosamente, la ganancia está definida por una característica mecánica: la precisión con la que la máquina bobinadora enrolla la bobina secundaria. La linealidad se define por las características materiales del circuito magnético. La compensación es función del magnetismo residual del circuito magnético. La ganancia no se ve afectada por la temperatura como se indicó anteriormente. La compensación, sin embargo, se ve afectada por la temperatura. La desviación de compensación sobre la temperatura tendrá un impacto en la aplicación (ondulación del par, por ejemplo). Ésta es la ventaja de Flux Gate. Los transductores Flux Gate tienen una compensación inicial más baja y una desviación de compensación más baja sobre la temperatura que los dispositivos basados ​​​​en efecto Hall.

Un desafío importante en todos los dispositivos de medición es cuántos órdenes de magnitud se pueden medir. Esta es una función de precisión. La confianza en una medición requiere un nivel de precisión en el punto que se mide para poder tener confianza en el número. Una proporción de 4:1 en un punto debería ser un mínimo (10:1 es mejor). Un dispositivo de 100 A con una precisión del 1 % podría medir 1 A con precisión, pero ¿cómo saberlo? Aquí es donde entran en juego la "lectura" y la "calificación". La ganancia es siempre un porcentaje de la lectura, el valor real de la corriente primaria. La linealidad es un porcentaje del calibre, con respecto a la corriente nominal nominal del transductor. La compensación también es un porcentaje de la calificación. Estos tres errores normalmente no se agregan. Esto produciría un presupuesto de error potencial que no sería realista. Los errores generalmente se elevan al cuadrado individualmente, se suman y se saca la raíz cuadrada. Un transductor que tiene un error de ganancia del 1%, un error de linealidad del 0,5% y un error de compensación del 0,2% tiene una precisión del 1,14%. La incertidumbre real en amperios varía con la magnitud de la corriente primaria debido a que la ganancia se interpreta en relación con los amperios reales leídos. Un transductor de 100 A con la precisión indicada anteriormente, con una lectura de 10 A, tendría una incertidumbre de 0,55 A, mejor que 10:1. Una lectura de 1 A en un transductor de 100 A con las precisiones mostradas arriba tendría una incertidumbre de 0,54 A. El 0,54A es peor que el 2:1 cuando se mide el 1A y no sería una medición confiable.

Éste es el desafío del orden de magnitud. La mayoría de los transductores manejarán mediciones por debajo de su clasificación nominal en un orden de magnitud. Dos órdenes de magnitud es un desafío serio. Algunos de los mejores transductores de circuito cerrado se acercan a 4:1 en dos órdenes de magnitud. Más aún si la compensación inicial se pone a cero al encender y se minimiza la deriva de compensación sobre la temperatura (Flux Gate). Recuerde que la precisión medida no termina con el transductor. La precisión y la deriva de la resistencia de carga entran en juego (1% frente a 0,1%) y también la precisión del convertidor A-D. Verificar el sistema utilizando una sonda de osciloscopio de bucle abierto de núcleo dividido con una precisión del 2 % no proporcionará comparaciones válidas con un transductor de corriente con una precisión del 0,5 %.

Los transductores tendrán clasificaciones de corriente, temperatura y ancho de banda en su respectiva hoja de datos. Los tres no pueden ejercerse simultáneamente hasta el límite. Los amplificadores internos del transductor tienen límites. El voltaje cae y, por lo tanto, la energía se comparte entre el amplificador, el devanado secundario y la resistencia de carga. Una resistencia de carga más pequeña envía más potencia al amplificador, lo que da como resultado temperaturas más altas en el amplificador. Tener una carga demasiado grande resulta en recorte. Las altas temperaturas ambiente combinadas con altas corrientes medidas y una carga menor dan como resultado una mayor potencia disipada en el amplificador del transductor. Estos factores deben tenerse en cuenta durante el diseño. Los gráficos de reducción de potencia suelen estar disponibles para cuantificar la interacción entre estas tres variables. Los transductores de circuito cerrado no compensan perfectamente el flujo en el núcleo. A medida que aumentan la amplitud y la frecuencia, hay más flujo descompensado en el núcleo. Esto provocará corrientes parásitas y calentamiento del núcleo. De ahí la necesidad de reducir la potencia.

La colocación del conductor primario dentro de la apertura del transductor afectará la precisión. Centrar el conductor y dimensionar el transductor o conductor para llenar la mayor abertura posible mejora la precisión. Tenga en cuenta que colocar el conductor primario contra el borde de la apertura puede producir una saturación localizada a corrientes más altas según el fabricante del transductor. No todos los núcleos magnéticos son iguales. Algunos fabricantes diseñan en exceso sus núcleos y algunos diseñan según la corriente exacta sin margen de error.

Todos los fabricantes proporcionan hojas de datos para sus productos de transductores actuales. Sin embargo, no existe una hoja de datos "estándar". Hay similitudes y muchas diferencias. En algunas hojas de datos se indica el rango de medición, pero no el valor nominal. Funcionar continuamente en el límite máximo definido como rango de medición puede tener consecuencias negativas. La precisión puede ser una combinación de errores de ganancia, linealidad y compensación para un fabricante y solo ganancia para otro. Algunos tienen precisiones de bobinado más estrictas durante la fabricación; +/-3 devanados, frente a otros, +/-10. Los errores de ganancia resultantes serán diferentes. El ancho de banda se puede dar en el punto +/-1dB o +/-3dB.

Un transductor de corriente seleccionado correctamente para una aplicación puede brindar fácilmente más de 25 años de servicio. Al reconocer los detalles detrás de la hoja de datos, es posible aplicar aplicaciones de mejor rendimiento y diseños más robustos. Características como la precisión, los efectos de la temperatura, la reducción de potencia y la selección de resistencias de carga tienen un impacto en el rendimiento. Esto lleva a la necesidad de contar con un socio con conocimientos como proveedor de transductores.

Acerca de LEM LEM es líder del mercado en el suministro de soluciones innovadoras y de alta calidad para medir parámetros eléctricos. Sus productos principales (transductores de corriente y voltaje) se utilizan en una amplia gama de aplicaciones en los mercados industrial, de tracción, energético y automotriz. La estrategia de LEM es explotar las fortalezas intrínsecas de su negocio principal y desarrollar oportunidades en nuevos mercados con nuevas aplicaciones. Junto con las plantas de producción en Ginebra (Suiza), Machida (Japón), Beijing (China) y nuestras oficinas de ventas regionales, LEM ofrece un servicio perfecto en todo el mundo. LEM cotiza en la Bolsa Suiza SIX desde 1986. El símbolo de cotización de la empresa es LEHN.

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