Sensores de corriente: Tipos, parámetros clave, comparación de prestaciones y aplicaciones comunes

Introducción

Los sensores de corriente son componentes críticos en diversos sistemas eléctricos y electrónicos, que garantizan el funcionamiento seguro y eficaz de equipos e instalaciones. En este artículo, exploraremos los sensores de corriente, incluyendo sus tipos, variables a considerar al seleccionar un sensor de corriente, comparaciones de rendimiento y aplicaciones.

Tipos de Sensores de corriente y sus ventajas e inconvenientes

Podemos clasificar los sensores de corriente en función de 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. Utilizando este marco, a continuación presentaremos 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 total (emf) generada en un circuito cerrado es proporcional a la tasa de cambio del flujo magnético total a través del circuito a lo largo del tiempo. Este principio se aplica ampliamente en los 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 los equipos de detección existentes.

Transformadores de corriente (TC):

Un TC consta de un devanado primario (normalmente de una sola espira), un núcleo y un devanado secundario. Sirve como sensor eficaz para medir corrientes alternas elevadas. Así, grandes corrientes primarias pueden convertirse en corrientes secundarias más pequeñas. Este dispositivo no requiere circuitos de accionamiento adicionales, ya que es intrínsecamente pasivo. Otra característica clave es su capacidad para controlar corrientes extremadamente altas con un consumo de energía mínimo. Sin embargo, el material de ferrita utilizado en el núcleo puede saturarse bajo corrientes primarias extremadamente altas o corrientes con componentes de CC sustanciales, lo que provoca una distorsión de la señal. Otro problema es que, una vez magnetizado, el núcleo desarrolla histéresis, lo que degrada la precisión a menos que se desmagnetice de nuevo. Además, dado que su principio fundamental se basa en la detección de cambios en el flujo magnético, que es proporcional a los cambios de corriente, no pueden detectar corrientes continuas de forma estándar.

Figura 1: Estructura básica de un TC

La figura 1 ilustra el principio de funcionamiento de un TC. En función de la relación de vueltas, los cambios en la corriente primaria Ip se reflejan como Is en el lado secundario, que puede utilizarse para la detección. Para supervisar la corriente de salida puede emplearse una resistencia en 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) 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 del TC (a veces denominada clasificación o grado del TC). En función de su clase de precisión, los TC se dividen en dos categorías: TC de precisión de medida y TC de precisión de protección. Los TC de precisión de medición están diseñados para ser muy precisos en todos los valores nominales de corriente, incluso en corrientes muy bajas. Se evalúan para cargas comunes específicas. Debido a su alta precisión, las compañías eléctricas suelen utilizar estos TC para evaluar el uso con fines de facturación. Los TC de precisión de protección tienen una precisión menor que los TC de precisión de medición. Están diseñados para funcionar con el nivel de precisión mínimo necesario 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 los convertidores analógico-digitales. También desempeñan un papel fundamental en las redes de distribución de energía que funcionan a frecuencias de línea de 50/60 Hz.

Bobinas Rogowski:

Estas bobinas huecas son flexibles y se enrollan alrededor de 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 Rogowski se utilizan principalmente para medir la corriente alterna, sobre todo en aplicaciones de alta frecuencia.

Figura 2: Diagrama esquemático del principio de la bobina 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 Rogowski es reducida porque los transformadores de corriente no pueden utilizar núcleos con alta permeabilidad magnética. La principal ventaja de una bobina Rogowski es su linealidad inherente y la ausencia de saturación. Las bobinas Rogowski pueden utilizarse para detectar corrientes en sistemas de distribución de energía, sistemas de prueba de cortocircuitos, emisores electromagnéticos, motores de inducción de anillo colector e instalaciones de prueba de rayos. Su precio es comparable al de los transformadores de corriente.

Sensores de corriente basados en campos magnéticos

La corriente que genera campos magnéticos estáticos es difícil de detectar utilizando la ley de inducción de Faraday. Por el contrario, los sensores de campo magnético pueden identificar tanto campos magnéticos estáticos como en movimiento. Constituyen una alternativa ideal para la detección de corriente.

Sensores de corriente de bucle abierto de efecto Hall:

Estos sensores funcionan según el principio del efecto Hall, según 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 a la corriente y 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 está midiendo, produciendo una tensión analizable.

El acondicionamiento de la señal es necesario para que la salida pueda utilizarse en la mayoría de las aplicaciones. La electrónica de acondicionamiento de señal suele requerir etapas de amplificación y compensación de temperatura. Los amplificadores diferenciales con estas características pueden combinarse fácilmente con elementos Hall utilizando la tecnología estándar de transistores bipolares. La compensación de temperatura también es fácil de conseguir. La figura 3 muestra un diseño típico para un sensor de corriente de efecto Hall.

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

Los sensores de efecto Hall se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones, como los sistemas de conversión de energía, los equipos de soldadura, los accionamientos de motores, los equipos de radar y la industria de la electrólisis.

Sensores de corriente de efecto Hall de bucle cerrado:

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

Figura 4: Aplicación típica del sensor de corriente Hall de bucle 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 los circuitos electrónicos asociados generan una corriente secundaria (de compensación) que se corresponde perfectamente con la corriente primaria.

Sensor de corriente Fluxgate:

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

Figura 5: Esquema básico del sensor de corriente fluxgate

La figura 5 ilustra un diseño sencillo para un sensor fluxgate utilizado para detectar la corriente Ip. En el núcleo magnético se montan dos bobinados: uno de excitación y otro de captación. El devanado de excitación está acoplado 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 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 elevado coste y a su superficie limitada, los sensores fluxgate aislados tienen valor comercial sobre todo en aplicaciones de alta precisión. Debido a su gran precisión, los sensores fluxgate se utilizan en sistemas de calibración, sistemas de diagnóstico, equipos de laboratorio y sistemas médicos.

Criterios de selección de los sensores de corriente

A la hora de seleccionar un sensor de corriente para una aplicación o proyecto concretos, hay que tener en cuenta varios factores para garantizar un rendimiento y una compatibilidad óptimos. Entre las variables clave que deben evaluarse se incluyen:

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

• • Rango de corriente: Tenga en cuenta los niveles de corriente mínimos y máximos que se van a medir. Seleccione un sensor con un rango de medición adecuado a sus necesidades. Es fundamental evitar la saturación del sensor y garantizar lecturas precisas en todo el rango.

• • Precisión: Examine los requisitos de precisión 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 precisión excelente, mientras que otros sensores (como los de efecto Hall) pueden ofrecer una precisión menor en situaciones específicas.

• • Sensibilidad: Tenga en cuenta los cambios de corriente más pequeños que requieren atención. Algunos sensores ofrecen una mayor sensibilidad para detectar fluctuaciones de corriente diminutas, mientras que otros pueden resultar inadecuados para aplicaciones que exigen una gran precisión.

• • Ancho de banda: dependiendo de la aplicación, puede que necesite medir la 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: Tenga en cuenta el rango de temperatura de funcionamiento del sensor, la humedad y otros factores externos que puedan afectar a su rendimiento. Seleccionar un sensor que funcione de forma fiable con 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 limitaciones físicas del proyecto, como las opciones de montaje y el espacio disponible. Las resistencias en derivación 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 ópticos de corriente 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 puede satisfacer las demandas de potencia del sensor. Es fundamental tener en cuenta 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: Los sensores de grado profesional pueden ser necesarios para ciertas aplicaciones, como la automoción.

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

Comparación del rendimiento de distintos sensores

La Tabla 1 muestra las principales métricas de rendimiento de varios sensores.

Aplicaciones de los sensores de corriente

Principales campos de aplicación de los sensores de corriente

• • • Supervisión de redes y sistemas eléctricos: En las redes de transmisión y distribución de energía, los sensores de corriente se utilizan para supervisar en tiempo real el estado actual de equipos clave como líneas de transmisión, transformadores y disyuntores, garantizando la estabilidad, seguridad y eficiencia energética del funcionamiento de la red eléctrica.

   

  • • Protección contra sobrecorriente y detección de fallos:Los sensores de corriente están integrados en disyuntores, fusibles y dispositivos de protección por relé para detectar rápidamente corrientes anormales como sobrecargas y cortocircuitos, y activar rápidamente mecanismos de protección para evitar daños en los equipos y garantizar la seguridad del personal.

   

  • • Gestión de la energía y contadores inteligentes:En los ámbitos residencial, comercial e industrial, los contadores inteligentes y los sistemas de control de la energía se basan en sensores de corriente para medir con precisión el consumo de electricidad y apoyar la gestión de la demanda, el análisis de la eficiencia energética y la optimización del ahorro de energía.

   

  • • Control del motor y sistema de accionamiento:En los convertidores de frecuencia, los servosistemas y los controladores de motor, los sensores de corriente se utilizan para proporcionar información en tiempo real sobre la corriente de fase del motor, logrando un control en bucle cerrado de alta precisión de la velocidad, el par y la posición.

   

  • • Sistema de energía renovable:En los nuevos equipos de energía, como los sistemas fotovoltaicos solares y los generadores de turbinas eólicas, los sensores de corriente se utilizan para controlar la corriente de generación de energía, 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 la potencia (SOC), la supervisión del estado de salud (SOH) y la gestión térmica, alargando la vida útil de las baterías y mejorando la seguridad.

   

  • • Supervisión y gestión de fuentes de alimentación:En los equipos de alimentación, como fuentes de alimentación conmutadas, SAI 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 la protección contra sobrecorriente y la 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 se utilizan para monitorizar la corriente de funcionamiento de equipos como motores y actuadores, logrando el diagnóstico de fallos, el análisis de cargas y la optimización del sistema.

   

  • • Instrumentos de prueba y medición:Los osciloscopios, multímetros digitales, analizadores de potencia y otros equipos de prueba utilizan ampliamente sensores de corriente (como las sondas de corriente) para la medición de corriente no intrusiva o de alta precisión y el análisis de señales.

   

  • • 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 controlar el consumo de energía, gestionar la carga y proteger contra sobrecargas, mejorando la eficiencia energética y la seguridad de uso.

   

Éstas son sólo algunas de las aplicaciones de los sensores de corriente. Debido a su adaptabilidad e importancia en el control de la corriente, son componentes clave en diversas aplicaciones de muchos sectores.

Conclusión

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