Detección de corriente

El transformador de corriente (TC) se basa en el principio de un transformador y convierte una corriente primaria alta en una corriente secundaria menor, siendo común en sistemas de medición de corriente alterna (CA) alta. Al ser un dispositivo pasivo, no requiere circuitos de control adicionales. Otra ventaja importante es su capacidad para medir corrientes muy altas con un bajo consumo de energía. La desventaja del TC radica en que una corriente primaria muy alta o un componente de CC sustancial pueden saturar el material de ferrita del núcleo, corrompiendo la señal. Además, una vez magnetizado el núcleo, se produce histéresis , lo que reduce la precisión a menos que se desmagnetice.

La bobina de Rogowski se basa en la ley de inducción de Faraday y el voltaje de salida V _out de la bobina de Rogowski se determina integrando la corriente I _c que se va a medir. Está dada por:

${\displaystyle V_{\rm {out}}=-k{\frac {NA\mu _{0}}{2\pi r}}I_{\rm {c}}+v_{\rm {out}}(0)}$

donde A es el área de la sección transversal de la bobina y N es el número de espiras. La bobina de Rogowski tiene una baja sensibilidad debido a la ausencia de un núcleo magnético de alta permeabilidad que el transformador de corriente pueda aprovechar. Sin embargo, esto se puede compensar añadiendo más espiras a la bobina de Rogowski o utilizando un integrador con una ganancia k más alta. Un mayor número de espiras aumenta la autocapacitancia y la autoinductancia , y una mayor ganancia del integrador implica un amplificador con un gran producto ganancia-ancho de banda. Como siempre en ingeniería, es necesario encontrar un equilibrio según las aplicaciones específicas.

Los sensores de efecto Hall son dispositivos basados ​​en el efecto Hall, descubierto por Edwin Hall en 1879 a partir del principio físico de la fuerza de Lorentz. Se activan mediante un campo magnético externo. En este dispositivo generalizado, el sensor Hall detecta el campo magnético producido por el sistema magnético. Este sistema responde a la magnitud que se desea detectar (corriente, temperatura, posición, velocidad, etc.) a través de la interfaz de entrada. El elemento Hall es el sensor de campo magnético básico. Requiere acondicionamiento de señal para que la salida sea útil en la mayoría de las aplicaciones. La electrónica de acondicionamiento de señal necesaria incluye una etapa amplificadora y compensación de temperatura. Se requiere regulación de voltaje cuando se opera con una fuente de alimentación no regulada. Si el voltaje Hall se mide en ausencia de campo magnético, la salida debería ser cero. Sin embargo, si el voltaje en cada terminal de salida se mide con respecto a tierra, aparecerá un voltaje distinto de cero. Este es el voltaje de modo común (CMV) y es el mismo en cada terminal de salida. La interfaz de salida convierte la señal eléctrica del sensor Hall, es decir, el voltaje Hall: una señal relevante para el contexto de la aplicación. La tensión de Hall es una señal de bajo nivel, del orden de 30 μvoltios, en presencia de un campo magnético de un gauss. Esta señal de salida de bajo nivel requiere un amplificador con bajo ruido, alta impedancia de entrada y ganancia moderada. Un amplificador diferencial con estas características puede integrarse fácilmente con el sensor de Hall mediante tecnología de transistores bipolares estándar. La compensación de temperatura también se integra con facilidad.

Esta gama de sensores de corriente se basa en el principio de que, cuando una corriente fluye por un conductor, se produce un campo magnético alrededor del mismo cuya intensidad es directamente proporcional a la magnitud de dicha corriente. Un sensor de campo magnético de efecto Hall se utiliza para medir la corriente inducida, y su salida es directamente proporcional a la magnitud de la corriente.

En la configuración más sencilla, se puede colocar un sensor de campo magnético de efecto Hall junto al conductor y medir su salida, pero existen limitaciones. Para niveles de corriente inferiores a unos 10 amperios, el campo magnético producido es muy débil y no mucho más fuerte que el campo magnético terrestre. Además, la tensión Hall generada será mínima, por lo que se requeriría una amplificación muy alta, con los consiguientes problemas de inestabilidad térmica y ruido.

Los sensores de flujo magnético o sensores de corriente de inductor saturable funcionan con el mismo principio de medición que los sensores de corriente de efecto Hall: el campo magnético generado por la corriente primaria que se desea medir es detectado por un elemento sensor específico. El diseño del sensor de corriente de inductor saturable es similar al de un sensor de corriente de efecto Hall de circuito cerrado; la única diferencia radica en que este método utiliza el inductor saturable en lugar del sensor de efecto Hall en el entrehierro.

El sensor de corriente de inductor saturable se basa en la detección de un cambio de inductancia . El inductor saturable está compuesto por un núcleo magnético pequeño y delgado enrollado alrededor de una bobina. El inductor saturable opera en su región de saturación. Está diseñado de tal manera que la densidad de flujo externa e interna afecta su nivel de saturación. Un cambio en el nivel de saturación de un inductor saturable altera la permeabilidad del núcleo y, en consecuencia, su inductancia L. El valor de la inductancia saturable (L) es alto a bajas corrientes (debido a la permeabilidad del núcleo) y bajo a altas corrientes (la permeabilidad del núcleo se vuelve unitaria cuando está saturado). Al interpretar los detectores de flujo magnético, es necesario considerar la propiedad de muchos materiales magnéticos de exhibir una relación no lineal entre la intensidad del campo magnético H y la densidad de flujo B. ^{[ 6 ]}

En esta técnica, se logra un alto rendimiento en frecuencias mediante el uso de dos núcleos sin entrehierro. Uno de los núcleos principales se utiliza para crear un inductor saturable y el otro para generar un efecto de transformador de alta frecuencia. En otro enfoque, se pueden utilizar tres núcleos sin entrehierro. Dos de los tres núcleos se utilizan para crear un inductor saturable y el tercero para generar un efecto de transformador de alta frecuencia. Las ventajas de los sensores de inductor saturable incluyen alta resolución, alta precisión, baja deriva de ganancia y offset, y un amplio ancho de banda (hasta 500  kHz). Las desventajas de las tecnologías de inductor saturable incluyen un ancho de banda limitado para diseños más simples, un consumo de energía secundaria relativamente alto y el riesgo de inyección de ruido de corriente o voltaje en el conductor primario.

Una implementación ampliamente utilizada de la tecnología de magnetómetro de flujo para la medición precisa de corriente es el transformador de corriente continua (DCCT), también llamado DCCT de flujo cero. Este principio se introdujo por primera vez en el CERN en la década de 1960 y hoy se considera el método más avanzado para la detección de corriente de alta precisión. ^{[ 7 ]}

Un magnetorresistor (MR) es un dispositivo de dos terminales cuya resistencia varía parabólicamente con la aplicación de un campo magnético. Esta variación de la resistencia del MR debido al campo magnético se conoce como efecto magnetorresistivo . Es posible construir estructuras en las que la resistencia eléctrica varíe en función del campo magnético aplicado. Estas estructuras pueden utilizarse como sensores magnéticos. Normalmente, estas resistencias se ensamblan en una configuración de puente para compensar la deriva térmica. ^{[ 8 ]} Los sensores basados ​​en magnetorresistencia más populares son: magnetorresistencia anisotrópica (AMR), magnetorresistencia gigante (GMR), magnetoimpedancia gigante (GMI) y magnetorresistencia de túnel (TMR). Todos estos sensores basados ​​en MR tienen mayor sensibilidad que los sensores de efecto Hall. Sin embargo, estos sensores (GMR, CMR y TMR) siguen siendo más caros que los dispositivos de efecto Hall, presentan serios inconvenientes relacionados con el comportamiento no lineal, una deriva térmica significativa y un campo externo muy fuerte que puede alterar permanentemente el comportamiento del sensor (GMR). Los sensores GMI y TMR son incluso más sensibles que los sensores basados ​​en GMR, y ahora se producen en masa en algunos fabricantes. (TDK, Crocus, Sensitec, MDT) ^{[ 9 ]}