Sensores de corriente: tipos, parámetros clave, comparación de prestaciones y aplicaciones habituales

Introducción

Los sensores de corriente son componentes esenciales en diversos sistemas eléctricos y electrónicos, ya que contribuyen al funcionamiento seguro y eficiente de equipos e instalaciones. En este artículo, exploraremos sus tipos, las variables que deben considerarse al seleccionar uno, la comparación de sus prestaciones y sus aplicaciones.

Tipos de sensores de corriente y sus ventajas y desventajas

Podemos clasificar los sensores de corriente según los principios físicos fundamentales en los que se basan. Estos incluyen la ley de Ohm, la ley de inducción de Faraday, los campos magnéticos y la detección óptica. Con este criterio, presentaremos varios tipos habituales de sensores de corriente.

Detección de corriente basada en la ley de inducción de Faraday

La ley de inducción de Faraday establece que la fuerza electromotriz (FEM) total generada en un circuito cerrado es proporcional a la velocidad de cambio del flujo magnético total que atraviesa el circuito. Este principio se aplica ampliamente en los dispositivos de detección de corriente. Dos dispositivos habituales basados en esta ley son los transformadores de corriente (TC) y las bobinas de Rogowski. Cuando se requiere aislamiento eléctrico por motivos de seguridad, estos sensores proporcionan la separación necesaria entre la corriente medida y la señal de salida. Esto los hace especialmente útiles en los equipos de detección existentes.

Transformadores de corriente (TC):

Un TC consta de un devanado primario (normalmente una sola espira), un núcleo y un devanado secundario. Es un sensor eficaz para medir corrientes alternas elevadas, pues permite convertir grandes corrientes primarias en corrientes secundarias menores. No necesita circuitos de excitación adicionales, ya que es intrínsecamente pasivo. Otra característica importante es su capacidad para supervisar corrientes extremadamente altas con un consumo mínimo de energía. Sin embargo, el material de ferrita del núcleo puede saturarse ante corrientes primarias extremadamente altas o con componentes de corriente continua considerables, lo que distorsiona la señal. Además, una vez magnetizado, el núcleo presenta histéresis, que reduce la precisión hasta que se desmagnetiza. Por otra parte, dado que su principio de funcionamiento se basa en detectar cambios del flujo magnético proporcionales a los cambios de corriente, no puede detectar corrientes continuas de la forma habitual.

Figura 1: Estructura básica de un TC

La figura 1 ilustra el principio de funcionamiento de un TC. Según la relación de espiras, los cambios en la corriente primaria Ip se reflejan como Is en el lado secundario y pueden utilizarse para la medición. Para supervisar la corriente de salida, se puede emplear una resistencia de derivación que genere una tensión de salida proporcional a la corriente primaria. Esto proporciona aislamiento, pérdidas mínimas, un principio de funcionamiento sencillo y una salida de tensión adecuada para sensores de corriente sin necesidad de amplificación adicional. Un convertidor analógico-digital (ADC) podría muestrear directamente la tensión de salida.

La relación de transformación del TC expresa cuánto se reduce la corriente primaria. La precisión de un transformador de corriente se mide mediante su clase de precisión, denominada a veces clasificación o grado del TC. Según esta clase, los TC se dividen en dos categorías: TC de medida y TC de protección. Los TC de medida están diseñados para ofrecer una gran precisión en todo el intervalo de corrientes nominales, incluso con corrientes muy bajas. Se evalúan con determinadas cargas habituales. Gracias a su elevada precisión, las compañías eléctricas suelen utilizarlos para medir el consumo con fines de facturación. Los TC de protección tienen una precisión menor que los de medida. Están diseñados para funcionar con el nivel mínimo de precisión necesario para proteger los equipos.

Los transformadores de corriente se utilizan con frecuencia en aplicaciones de conversión de energía por su bajo coste y su capacidad de generar señales de salida directamente compatibles con convertidores analógico-digitales. También desempeñan un papel fundamental en las redes de distribución eléctrica que funcionan a frecuencias de red de 50/60 Hz.

Bobinas de Rogowski:

Estas bobinas sin núcleo son flexibles y se colocan alrededor de los conductores. Los cambios en el campo magnético inducidos por la corriente Ip que circula por el conductor generan una tensión proporcional a la velocidad 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 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 la tensión generada. Para obtener la medición de corriente deseada, se necesita un integrador a la salida.

La sensibilidad de una bobina de Rogowski es menor porque no puede utilizar un núcleo de alta permeabilidad magnética. Su principal ventaja es la linealidad intrínseca y la ausencia de saturación. Las bobinas de Rogowski pueden emplearse para detectar corrientes en sistemas de distribución eléctrica, sistemas de ensayo de cortocircuitos, emisores electromagnéticos, motores de inducción con anillos rozantes e instalaciones de ensayo de rayos. Su precio es comparable al de los transformadores de corriente.

Sensores de corriente basados en campos magnéticos

Es difícil detectar mediante la ley de inducción de Faraday una corriente que genera un campo magnético estático. En cambio, los sensores de campo magnético pueden detectar tanto campos estáticos como variables. Por ello, constituyen una alternativa idónea para medir la corriente.

Sensores de corriente de efecto Hall de lazo abierto:

Estos sensores funcionan según el principio del efecto Hall, por el cual 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 (FEM) inducida, perpendicular tanto a la corriente como al campo magnético, puede determinarse mediante la regla de la mano derecha. La magnitud de esta FEM y el ángulo relativo entre la corriente y el campo magnético determinan la tensión vectorial resultante, que es proporcional a la constante de Hall. La corriente que se mide genera el campo magnético y produce una tensión que puede analizarse.

En la mayoría de las aplicaciones, es necesario acondicionar la señal para que la salida pueda utilizarse. Los circuitos de acondicionamiento suelen requerir etapas de amplificación y compensación de temperatura. Los amplificadores diferenciales con estas características pueden combinarse fácilmente con elementos Hall mediante tecnología estándar de transistores bipolares. La compensación de temperatura también puede implementarse con facilidad. La figura 3 muestra un diseño típico de sensor de corriente de efecto Hall.

Figura 3: Aplicaciones típicas de los sensores de corriente Hall de lazo abierto

Los sensores de efecto Hall se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones, como 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 lazo cerrado:

Estos sensores de corriente basados en campos magnéticos se utilizan ampliamente tanto en aplicaciones de lazo cerrado como de lazo abierto.

Figura 4: Aplicación típica de un sensor de corriente Hall de lazo cerrado

El flujo magnético generado por la corriente primaria IP se equilibra mediante un flujo magnético complementario producido por la corriente de excitación del devanado secundario. El elemento Hall y los circuitos electrónicos asociados generan una corriente secundaria de compensación que corresponde exactamente a la corriente primaria.

Sensor de corriente fluxgate:

Un sensor fluxgate básico aprovecha la relación no lineal entre el campo magnético H y la densidad de flujo magnético B en los materiales magnéticos, que provoca cambios en la permeabilidad magnética del material.

Figura 5: Esquema básico de un sensor de corriente fluxgate

La figura 5 ilustra un diseño sencillo de sensor fluxgate para medir la corriente Ip. En el núcleo magnético hay dos devanados: uno de excitación y otro de captación. El devanado de excitación está conectado a una fuente de corriente sinusoidal que genera el campo magnético de excitación. Como consecuencia, se induce una tensión en el devanado de captación que puede utilizarse para la medición. Dado que el campo magnético externo es pequeño en comparación con el campo de excitación, el valor máximo de la tensión de salida es proporcional al campo externo y permite cuantificarlo.

Debido a su elevado coste y a su campo de aplicación limitado, los sensores fluxgate aislados tienen valor comercial principalmente en aplicaciones de alta precisión. Por su elevada exactitud, se utilizan en sistemas de calibración y diagnóstico, equipos de laboratorio y sistemas médicos.

Criterios de selección de sensores de corriente

Al seleccionar un sensor de corriente para una aplicación o proyecto concreto, deben tenerse en cuenta varios factores para garantizar un rendimiento y una compatibilidad óptimos. Entre las variables principales se encuentran:

• • Tipo de corriente: Determine si necesita medir corriente alterna (CA), corriente continua (CC) o ambas. Algunos sensores, como los transformadores de corriente y las bobinas de Rogowski, están especializados en medir CA, mientras que otros, como los sensores de efecto Hall y las resistencias de derivación, pueden medir tanto CA como CC.

• • Intervalo de corriente: Tenga en cuenta los niveles mínimo y máximo de corriente que se medirán. Seleccione un sensor cuyo intervalo de medición se ajuste a sus necesidades. Es fundamental evitar la saturación del sensor y garantizar lecturas precisas en todo el intervalo.

• • Exactitud: Examine los requisitos de exactitud de su aplicación. Los distintos sensores ofrecen diferentes niveles de precisión. Las resistencias de derivación de precisión, los sensores ópticos de corriente y los sensores fluxgate ofrecen una exactitud excelente, mientras que otros sensores, como los de efecto Hall, pueden ser menos precisos en determinadas situaciones.

• • Sensibilidad: Considere los cambios de corriente más pequeños que necesita detectar. Algunos sensores ofrecen mayor sensibilidad para detectar fluctuaciones mínimas, mientras que otros pueden no ser adecuados para aplicaciones que exigen una gran precisión.

• • Ancho de banda: Según la aplicación, puede ser necesario medir la corriente en todo el intervalo de frecuencias o solo a determinadas frecuencias. Si trabaja con corrientes de alta frecuencia, elija un sensor cuya respuesta en frecuencia cumpla sus requisitos.

• • Factores ambientales: Considere el intervalo de temperatura de funcionamiento, la humedad y otros factores externos que puedan afectar al rendimiento del sensor. Es fundamental elegir uno que funcione de forma fiable en las condiciones específicas de su aplicación, ya que algunos resisten mejor las influencias externas que otros.

• • Tamaño y formato: 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. Los transformadores de corriente, en cambio, pueden ser más grandes y ocupar más espacio.

• • Aislamiento: Si se requiere aislamiento eléctrico entre la corriente medida y la salida del sensor, considere opciones como los transformadores de corriente, los sensores ópticos de corriente o los sensores de efecto Hall con aislamiento eléctrico. También es importante comprobar que la tensión de aislamiento del sensor cumpla los requisitos de la aplicación.

• • Requisitos de alimentación: Asegúrese de que su aplicación pueda satisfacer las necesidades de alimentación del sensor. Es fundamental tener en cuenta su tensión máxima de funcionamiento y evaluar la potencia que disipa debido a la resistencia de carga, ya que algunas aplicaciones tienen requisitos de potencia específicos.

• • Grado: Algunas aplicaciones, como las del sector de la automoción, pueden requerir sensores de grado profesional.

• • Coste y disponibilidad: Tenga en cuenta el precio del sensor y dónde puede adquirirse. Aunque algunos sensores ofrecen mejores prestaciones, también pueden ser más caros o difíciles de conseguir.

Comparación de prestaciones de distintos sensores

La tabla 1 muestra las principales características de rendimiento de varios sensores.

Aplicaciones de los sensores de corriente

Principales campos de aplicación de los sensores de corriente

• • • Supervisión de sistemas eléctricos y redes: En las redes de transporte y distribución de electricidad, los sensores de corriente se utilizan para supervisar en tiempo real el estado de equipos clave, como líneas de transmisión, transformadores e interruptores automáticos, y contribuir a la estabilidad, la seguridad y la eficiencia energética de la red.

• • Protección contra sobrecorrientes y detección de fallos: Los sensores de corriente se integran en interruptores automáticos, fusibles y relés de protección para detectar rápidamente corrientes anómalas, como sobrecargas y cortocircuitos, y activar a tiempo los mecanismos de protección para evitar daños en los equipos y garantizar la seguridad del personal.

• • Gestión energética y medición inteligente: En entornos residenciales, comerciales e industriales, los contadores inteligentes y los sistemas de supervisión energética utilizan sensores de corriente para medir con precisión el consumo eléctrico y facilitar la gestión de la demanda, el análisis de la eficiencia energética y la optimización del ahorro de energía.

• • Control de motores y sistemas de accionamiento: En variadores de frecuencia, servosistemas y controladores de motores, los sensores de corriente proporcionan información en tiempo real sobre la corriente de fase del motor para lograr un control de lazo cerrado y alta precisión de la velocidad, el par y la posición.

• • Sistemas de energías renovables: En equipos como los sistemas solares fotovoltaicos y los aerogeneradores, los sensores de corriente supervisan la corriente generada, ayudan a optimizar la eficiencia de la conversión de energía y previenen daños causados por sobrecorrientes o cortocircuitos.

• • 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. Estas mediciones se utilizan para estimar el estado de carga (SOC), supervisar el estado de salud (SOH) y gestionar la temperatura, con el fin de prolongar la vida útil de la batería y mejorar la seguridad.

• • Supervisión y gestión de fuentes de alimentación: En equipos como fuentes de alimentación conmutadas, sistemas de alimentación ininterrumpida (SAI) y convertidores CC-CC, los sensores de corriente regulan la corriente de salida para garantizar un funcionamiento estable y eficiente, además de ofrecer protección contra sobrecorrientes y gestión de la carga.

• • Automatización industrial y control de procesos: En robots, líneas de producción automatizadas y sistemas de control industrial, los sensores de corriente supervisan la corriente de funcionamiento de equipos como motores y actuadores, lo que permite diagnosticar fallos, analizar cargas y optimizar el sistema.

• • Instrumentos de prueba y medición: Los osciloscopios, multímetros digitales, analizadores de potencia y otros equipos de prueba utilizan ampliamente sensores de corriente, como sondas de corriente, para medirla sin intervenir en el circuito o con alta precisión y analizar señales.

• • Electrónica de consumo: En productos como cargadores de teléfonos inteligentes, adaptadores de corriente para portátiles y dispositivos domésticos inteligentes, los sensores de corriente permiten supervisar el consumo, gestionar la carga y proteger contra sobrecargas, lo que mejora la eficiencia energética y la seguridad de uso.

Estas son solo algunas de las aplicaciones de los sensores de corriente. Su versatilidad y su importancia para controlar la corriente los convierten en componentes clave de numerosas aplicaciones en distintos sectores.

Conclusión

Los sensores de corriente desempeñan un papel fundamental en diversos sistemas eléctricos y electrónicos y, por tanto, son componentes importantes en numerosas aplicaciones industriales. Esta página presenta sus aspectos más relevantes y útiles, como los tipos de sensores, los criterios de selección, la comparación de prestaciones y las aplicaciones habituales.