Sensores de corriente: tipos, parámetros clave, comparaciones de rendimiento y aplicaciones comunes

Introducción

Los sensores de corriente son componentes críticos en diversos sistemas eléctricos y electrónicos, ya que garantizan el funcionamiento seguro y eficiente de equipos e instalaciones. En este artículo, exploraremos los sensores de corriente, incluidos sus tipos, las variables que deben considerarse al seleccionar un sensor de corriente, las comparaciones de rendimiento y sus aplicaciones.

Tipos de sensores de corriente y sus ventajas y desventajas

Podemos clasificar los sensores de corriente según los conceptos físicos fundamentales que los constituyen. Estos conceptos abarcan la ley de Ohm, la ley de inducción de Faraday, los campos magnéticos y la detección óptica. Con este marco, presentaremos ahora varios tipos comunes 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 tasa de cambio del flujo magnético total a través del circuito con el tiempo. Este principio se aplica ampliamente en dispositivos de detección de corriente. Dos dispositivos de detección comunes basados en la ley de Faraday son los transformadores de corriente (TC) y las bobinas de Rogowski. Cuando se requiere aislamiento eléctrico por motivos de seguridad, estos sensores proporcionan automáticamente la separación necesaria entre la corriente medida y la señal de salida. Esto los hace muy valiosos para equipos de detección existentes.

Transformadores de corriente (TC):

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: 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, lo que puede utilizarse para la detección. Puede emplearse una resistencia shunt que genere una tensión de salida proporcional a la corriente primaria para supervisar la corriente de salida. Esto proporciona aislamiento, pérdidas mínimas, un principio de funcionamiento sencillo y una salida de tensión adecuada para sensores de corriente sin requerir amplificación adicional. Un convertidor analógico-digital (ADC) puede ser capaz de muestrear directamente la tensión de salida.

La relación de reducción de la corriente primaria se expresa mediante la relación del TC. La precisión de un transformador de corriente se mide por su clase de precisión de TC (a veces llamada clasificación o grado del TC). Según su clase de precisión, los TC se dividen en dos categorías: TC de precisión para medida y TC de precisión para protección. Los TC de precisión para medida están diseñados para ser muy precisos en todos los valores nominales de corriente, incluso con corrientes muy bajas. Se evalúan para cargas comunes específicas. Debido a su alta precisión, las compañías eléctricas suelen usar estos TC para evaluar el consumo con fines de facturación. Los TC de precisión para protección tienen menor precisión que los TC de precisión para medida. Están diseñados para funcionar al nivel mínimo de precisión requerido para la protección de equipos.

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

Bobinas de Rogowski:

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 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 lograr la detección de corriente deseada, se requiere un integrador en la salida.

La sensibilidad de una bobina de Rogowski se reduce porque los transformadores de corriente no pueden usar núcleos con alta permeabilidad magnética. La ventaja clave de una bobina de Rogowski es su linealidad inherente y la ausencia de saturación. Las bobinas de Rogowski pueden utilizarse para detectar corrientes en sistemas de distribución eléctrica, sistemas de pruebas de cortocircuito, emisores electromagnéticos, motores de inducción con anillos rozantes e instalaciones de pruebas de rayos. Su precio es comparable al de los transformadores de corriente.

Sensores de corriente basados en campo magnético

La corriente que genera campos magnéticos estáticos es difícil de detectar mediante la ley de inducción de Faraday. En cambio, los sensores de campo magnético pueden identificar tanto campos magnéticos estáticos como en movimiento. Funcionan como una alternativa ideal para la detección de corriente.

Sensores de corriente Hall de lazo abierto:

Estos sensores funcionan según el principio del efecto Hall, que establece que 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 compuesta, que es proporcional a la constante de Hall. El campo magnético es generado por la corriente que se mide, produciendo una tensión analizable.

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

Los sensores de efecto Hall se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones, incluidos sistemas de conversión de potencia, equipos de soldadura, accionamientos de motor, equipos de radar y la industria de la electrólisis.

Sensores de corriente de efecto Hall de lazo cerrado:

These magnetic-field-based current sensors are extensively used in both closed-loop and open-loop applications.

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

El flujo magnético generado por la corriente primaria IP se equilibra con un flujo magnético complementario producido por la corriente de accionamiento en el devanado secundario. El elemento Hall y la circuitería electrónica asociada generan una corriente secundaria (de compensación) que corresponde perfectamente a la corriente primaria.

Sensor de corriente fluxgate:

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 un sensor de corriente fluxgate

La figura 5 ilustra un diseño sencillo de un sensor fluxgate utilizado para detectar la corriente Ip. Se montan dos devanados sobre el núcleo magnético: un devanado de excitación y un devanado de captación. El devanado de excitación se acopla a una fuente de corriente sinusoidal que genera el campo magnético de excitación. En consecuencia, se induce una tensión en el devanado de captación, que luego puede utilizarse para la detección. Dado que el campo magnético externo es pequeño en relación con el campo de excitación, el pico de la tensión de salida es proporcional al campo externo y puede utilizarse para cuantificarlo.

Debido a su alto coste y área limitada, los sensores fluxgate aislados tienen valor comercial principalmente en aplicaciones de alta precisión. Gracias a su alta exactitud, los sensores fluxgate se utilizan en sistemas de calibración, sistemas de diagnóstico, equipos de laboratorio y sistemas médicos.

Criterios de selección para sensores de corriente

Al seleccionar un sensor de corriente para una aplicación o proyecto específico, deben considerarse varios factores para garantizar un rendimiento y una compatibilidad óptimos. Las variables clave que deben evaluarse incluyen:

• • Tipo de corriente: Determine si necesita medir corriente alterna (CA), corriente continua (CC) o ambas. Ciertos sensores (por ejemplo, transformadores de corriente y bobinas de Rogowski) están especializados en la medición de corriente CA, mientras que otros (por ejemplo, sensores de efecto Hall y resistencias shunt) pueden medir tanto corrientes CA como CC.
  • • Rango de corriente: Considere los niveles mínimo y máximo de corriente que se van a medir. Seleccione un sensor con un rango de medición adecuado para satisfacer sus requisitos. Es fundamental evitar la saturación del sensor y garantizar lecturas precisas en todo el rango.
    • • Precisión: Examine los requisitos de precisión de su aplicación. Diferentes sensores ofrecen distintos niveles de precisión. Las resistencias shunt de precisión, los sensores de corriente ópticos y los sensores fluxgate proporcionan una precisión excelente, mientras que otros sensores (como los sensores de efecto Hall) pueden ofrecer menor precisión en escenarios específicos.
      • • Sensibilidad: Considere los cambios de corriente más pequeños que requieren atención. Algunos sensores ofrecen mayor sensibilidad para detectar fluctuaciones de corriente mínimas, mientras que otros pueden no ser adecuados para aplicaciones que exigen alta precisión.
        • • Ancho de banda: Según su aplicación, puede necesitar medir corriente en todo el rango de frecuencias o en frecuencias específicas. Si maneja corrientes de alta frecuencia, en particular, seleccione un sensor con una respuesta en frecuencia que cumpla sus requisitos.
          • • Factores ambientales: Considere el rango de temperatura de funcionamiento del sensor, la humedad y otros factores externos que puedan afectar su rendimiento. Seleccionar un sensor que funcione de forma fiable bajo los requisitos específicos de su aplicación es crucial, ya que algunos sensores son más resistentes a las influencias externas que otros.
            • • Tamaño y factor de forma: Tenga en cuenta las restricciones físicas del proyecto, como las opciones de montaje y el espacio disponible. Las resistencias shunt son un buen ejemplo de sensores compactos y fáciles de instalar. Por el contrario, los transformadores de corriente pueden ser más grandes y ocupar más espacio.
              • • Aislamiento: Si se requiere aislamiento eléctrico entre la corriente medida y la salida del sensor, considere sensores como transformadores de corriente, sensores de corriente ópticos o sensores de efecto Hall con aislamiento de corriente. También es importante considerar si la tensión de aislamiento proporcionada por el sensor cumple los requisitos de la aplicación.
                • • Requisitos de alimentación: Asegúrese de que su aplicación pueda satisfacer las demandas de alimentación del sensor. Es crucial considerar la tensión máxima de funcionamiento del sensor. Evaluar la disipación de potencia generada por el sensor debido a su resistencia de carga es vital, ya que algunas aplicaciones pueden tener requisitos de potencia específicos.
                  • • Grado: Es posible que se requieran sensores de grado profesional para ciertas aplicaciones, como las automotrices.
                    • • Coste y disponibilidad: Considere el precio del sensor y dónde puede adquirirse. Aunque algunos sensores pueden ofrecer un rendimiento superior, también pueden ser más caros o más difíciles de obtener.

                      Comparación de rendimiento de diferentes sensores

                      La tabla 1 muestra métricas clave de rendimiento para varios sensores.

                      Tipo	Ancho de banda	Compatible con CC	Precisión	Deriva térmica [ppm/K]	Aislado	Rango	Pérdida de potencia	Coste relativo
                      Transformador de corriente	kHz-MHz	No	0,1%-1%	<100	Sí	A-kA	mW	Bajo
                      Bobina de Rogowski	kHz-MHz	No	0,2%-5%	50-300	Sí	A-MA	mW	Moderado
                      Efecto Hall de lazo abierto	kHz	Sí	0,5%-5%	50-1000	Sí	A-kA	mW	Moderado
                      Efecto Hall de lazo cerrado	kHz	Sí	0,2%-1%	50-500	Sí	A-kA	mW	Moderado
                      Fluxgate	kHz	Sí	0,001%-0,5%	<50	Sí	mA-kA	mW-W	Alto

                      Aplicaciones de los sensores de corriente

                      Los principales campos de aplicación de los sensores de corriente

                      • • • Sistema eléctrico y monitoreo de la red: En las redes de transmisión y distribución eléctrica, los sensores de corriente se utilizan para supervisar en tiempo real el estado de corriente de equipos clave como líneas de transmisión, transformadores e interruptores automáticos, garantizando la estabilidad, la seguridad y la eficiencia energética del funcionamiento de la red eléctrica.
                          • • Protección contra sobrecorriente y detección de fallas: Los sensores de corriente se integran en interruptores automáticos, fusibles y dispositivos de protección por relé para detectar rápidamente corrientes anómalas como sobrecargas y cortocircuitos, activar de inmediato 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 medidores inteligentes y los sistemas de monitoreo energético dependen de sensores de corriente para medir con precisión el consumo eléctrico, respaldando la gestión del lado de la demanda, el análisis de eficiencia energética y la optimización del ahorro de energía.
                              • • Control de motores y sistema de accionamiento: En convertidores de frecuencia, servosistemas y controladores de motor, los sensores de corriente se utilizan para proporcionar retroalimentación en tiempo real sobre la corriente de fase del motor, logrando un control de lazo cerrado de alta precisión de velocidad, par y posición.
                                • • Sistema de energía renovable: En equipos de nuevas energías, como sistemas solares fotovoltaicos y aerogeneradores, los sensores de corriente se utilizan para monitorear la corriente de generación eléctrica, optimizar la eficiencia de conversión de energía y evitar daños en el sistema causados por sobrecorriente o cortocircuito.
                                  • • 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, que se utilizan para la estimación de carga (SOC), el monitoreo del estado de salud (SOH) y la gestión térmica, extendiendo la vida útil de la batería y mejorando la seguridad.
                                    • • Monitoreo y gestión de fuentes de alimentación: En equipos de alimentación como fuentes conmutadas, UPS y convertidores CC-CC, los sensores de corriente se utilizan para regular la corriente de salida, garantizar un funcionamiento estable y eficiente de la fuente de alimentación, y lograr protección contra sobrecorriente y gestión de carga.
                                      • • Automatización industrial y control de procesos: En robots, líneas de producción automatizadas y sistemas de control industrial, los sensores de corriente se utilizan para monitorear la corriente de funcionamiento de equipos como motores y actuadores, logrando diagnóstico de fallas, análisis de carga y optimización del sistema.
                                        • • Instrumentos de prueba y medición: Osciloscopios, multímetros digitales, analizadores de potencia y otros equipos de prueba utilizan ampliamente sensores de corriente (como sondas de corriente) para la medición de corriente y el análisis de señales de forma no intrusiva o de alta precisión.
                                          • • Electrónica de consumo: En productos como cargadores de smartphones, adaptadores de corriente para portátiles y dispositivos domésticos inteligentes, los sensores de corriente se utilizan para el monitoreo del consumo de energía, la gestión de carga y la protección contra sobrecargas, mejorando la eficiencia energética y la seguridad de uso.

                                             

                                          Estas son solo algunas aplicaciones de los sensores de corriente. Debido a su adaptabilidad e importancia en el control de la corriente, son componentes clave en diversas aplicaciones en muchas industrias.

                                          Conclusión

                                          Los sensores de corriente desempeñan un papel crucial en diversos sistemas eléctricos y electrónicos y, por tanto, son un componente importante de numerosas aplicaciones en muchas industrias. Esta página presenta los aspectos útiles y destacados de los sensores de corriente, como sus tipos, criterios de selección, comparaciones de rendimiento y aplicaciones comunes.