Os sensores de corrente são componentes críticos em diversos sistemas elétricos e eletrônicos, garantindo a operação segura e eficiente de equipamentos e instalações. Neste artigo, exploraremos os sensores de corrente, incluindo seus tipos, variáveis a considerar ao selecionar um sensor de corrente, comparações de desempenho e aplicações.
Podemos classificar os sensores de corrente com base nos conceitos físicos fundamentais 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 vários tipos comuns de sensores de corrente.
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 os transformadores de corrente (TCs) e as bobinas de Rogowski. Quando o isolamento elétrico é necessário por motivos de segurança, esses sensores fornecem automaticamente a separação necessária entre a corrente medida e o sinal de saída. Isso os torna altamente valiosos para equipamentos de detecção existentes.
A CT consists of a primary winding (typically a single loop), a core, and a secondary winding. It serves as an effective sensor for measuring high alternating currents. Thus, large primary currents can be converted into smaller secondary currents. This device requires no additional drive circuitry as it is inherently passive. Another key feature is its ability to monitor extremely high currents while consuming minimal power. However, the ferrite material used in the core may saturate under extremely high primary currents or currents with substantial DC components, leading to signal distortion. Another issue is that once magnetized, the core develops hysteresis, which degrades accuracy unless it is demagnetized again. Furthermore, since their fundamental principle relies on detecting changes in magnetic flux which is proportional to current changes they cannot detect DC currents in a standard manner.
Figura 1: Estrutura básica de um TC
A Figura 1 ilustra o princípio de funcionamento de um TC. 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 empregado para monitorar a corrente de saída. 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) pode ser capaz de amostrar diretamente a tensão de saída.
A relação de redução da corrente primária é expressa pela relação do TC. A precisão de um transformador de corrente é medida por sua classe de exatidão do TC (às vezes chamada de classificação do TC ou grau do TC). Com base em sua classe de exatidão, os TCs se dividem em duas categorias: TCs de exatidão para medição e TCs de exatidão para proteção. Os TCs de exatidão para medição são projetados para serem altamente precisos em todas as correntes nominais, mesmo em correntes muito baixas. Eles são avaliados para cargas comuns específicas. Devido à sua alta precisão, as concessionárias normalmente usam esses TCs para avaliar o consumo para fins de faturamento. Os TCs de exatidão para proteção têm menor precisão do que os TCs de exatidão para medição. Eles são projetados para operar no nível mínimo de precisão exigido para a proteção de equipamentos.
Os transformadores de corrente são frequentemente usados em aplicações de conversão de energia devido ao seu baixo custo e à capacidade de gerar sinais de saída diretamente compatíveis com conversores analógico-digitais. Eles também desempenham um papel vital em redes de distribuição de energia que operam em frequências de linha de 50/60 Hz.
These hollow coils are flexible and wrapped around conductors. Changes in the magnetic field induced by the current Ip flowing through the conductor generate a voltage proportional to the rate of change of current. Rogowski coils are primarily used for measuring alternating current, particularly in high-frequency applications.
Figura 2: Diagrama esquemático do princípio da bobina de Rogowski
A Figura 2 mostra um diagrama esquemático do princípio da bobina de Rogowski. A derivada da corrente primária determina a tensão gerada. Para obter o sensoriamento de corrente desejado, é necessário um integrador na saída.
A sensibilidade de uma bobina de Rogowski é reduzida porque os transformadores de corrente não podem 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 distribuição de energia, sistemas de teste de curto-circuito, emissores eletromagnéticos, motores de indução com anéis coletores e instalações de teste de descargas atmosféricas. O preço é comparável ao dos transformadores de corrente.
A corrente que gera campos magnéticos estáticos é difícil de detectar usando a lei da indução de Faraday. Por outro lado, sensores de campo magnético podem identificar campos magnéticos estáticos e em movimento. Eles servem como uma alternativa ideal para o sensoriamento de corrente.
Esses sensores operam com base no princípio do efeito Hall, que afirma que uma diferença de potencial se forma através de um condutor quando um campo magnético é aplicado perpendicularmente à sua seção transversal. A direção 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 sendo medida, produzindo uma tensão analisável.
Signal conditioning is required to make the output usable in most applications. Signal conditioning electronics typically require amplifier stages and temperature compensation. Differential amplifiers with these characteristics can be easily combined with Hall elements using standard bipolar transistor technology. Temperature compensation is also readily achievable. Figure 3 shows a typical design for a Hall-effect current sensor.
Figura 3: Aplicações típicas de Sensores de Corrente Hall de Malha Aberta
Os sensores de efeito Hall são amplamente usados em diversas aplicações, incluindo sistemas de conversão de energia, equipamentos de soldagem, acionamentos de motores, equipamentos de radar e a indústria de eletrólise.
These magnetic-field-based current sensors are extensively used in both closed-loop and open-loop applications.
Figura 4: Aplicação típica de Sensor de Corrente Hall de Malha Fechada
O fluxo magnético gerado pela corrente primária IP é equilibrado por um fluxo magnético complementar produzido pela corrente de acionamento no enrolamento secundário. O elemento Hall e os circuitos eletrônicos associados geram uma corrente secundária (de compensação) que corresponde perfeitamente à corrente primária.
A basic fluxgate sensor utilizes the nonlinear relationship between the magnetic field H and magnetic flux density B in magnetic materials, which causes a change in the material’s magnetic permeability.
Figura 5: Esquema básico de sensor de corrente fluxgate
A Figura 5 ilustra um projeto simples de um sensor fluxgate usado para detectar a corrente Ip. Dois enrolamentos são 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 então ser utilizada para sensoriamento. Como o campo magnético externo é pequeno em relação ao campo de excitação, o pico da tensão de saída é proporcional ao campo externo e pode ser usado para quantificá-lo.
Devido ao seu alto custo e área limitada, sensores fluxgate isolados têm valor comercial principalmente em aplicações de alta precisão. Por causa de sua alta exatidão, sensores fluxgate são usados em sistemas de calibração, sistemas de diagnóstico, equipamentos de laboratório e sistemas médicos.
Ao selecionar um sensor de corrente para uma aplicação ou projeto específico, vários fatores devem ser considerados para garantir desempenho e compatibilidade ideais. As principais variáveis a avaliar incluem:
A Tabela 1 mostra as principais métricas de desempenho para vários sensores.
| Tipo | Largura de banda | Compatível com CC | Precisão | Deriva térmica [ppm/K] | Isolado | Faixa | Perda de potência | Custo relativo |
| Transformador de corrente | kHz-MHz | Não | 0,1%-1% | <100 | Sim | A-kA | mW | Baixo |
| Bobina de Rogowski | kHz-MHz | Não | 0,2%-5% | 50-300 | Sim | A-MA | mW | Moderado |
| Efeito Hall de malha aberta | 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 |
Os principais campos de aplicação dos sensores de corrente
Estas são apenas algumas aplicações dos sensores de corrente. Devido à sua adaptabilidade e importância no controle da corrente, eles são componentes essenciais em diversas aplicações em muitos setores.
Os sensores de corrente desempenham um papel crucial em diversos sistemas elétricos e eletrônicos e, portanto, são um componente importante de inúmeras aplicações em muitos setores. Esta página apresenta os aspectos úteis e relevantes dos sensores de corrente, como tipos, critérios de seleção, comparações de desempenho e aplicações comuns.
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