Un interruptor de corriente se utiliza ampliamente en la automatización industrial, la supervisión de equipos y la detección del estado de carga. Puede detectar si fluye corriente a través de un conductor y emitir una señal de conmutación a un relé, PLC o sistema de control.
Un interruptor de corriente es un sensor que detecta la corriente en un conductor y emite una señal de conmutación.
Normalmente no se utiliza para medir valores de corriente precisos, sino para determinar si la corriente supera un umbral preestablecido. Por ejemplo, un interruptor de corriente de umbral fijo de 2A puede emitir una señal cuando la corriente medida alcanza aproximadamente 2A, confirmando que la carga ha arrancado.
A diferencia de los transformadores de corriente y los transmisores de corriente, la salida principal de un interruptor de corriente es una señal digital.
| Tipo de producto | Salida común | Aplicaciones principales |
|---|---|---|
| Interruptor de corriente | NPN, PNP, transistores, MOSFET o contactos de relé | Determinar si una carga está funcionando o detenida |
| Transformador de corriente | 1A, 5A o señales de CA de nivel de miliamperios | Medición y protección de corriente |
| Transmisor de corriente | 4–20mA, 0–10V | Medición continua de corriente |
| Relé de monitorización de corriente | Contactos de relé | Monitorización de sobrecorriente, subcorriente y ventana |
El JWY-297 es un interruptor sensor de corriente CA que no requiere fuente de alimentación auxiliar y se utiliza para detectar si fluye corriente en un conductor.
Cuando la corriente en el conductor monitorizado supera el punto de disparo, aproximadamente 2A, el transistor interno se activa, lo que permite la detección digital del “estado operativo del dispositivo”.
Su salida es de tipo NPN de colector abierto, por lo que se requieren diferentes métodos de cableado en diversos sistemas de control.
Punto clave: Una salida NPN de colector abierto no emite activamente una tensión positiva. Funciona llevando la línea de señal a 0V cuando se detecta corriente.
El STWA1S puede accionar directamente pequeños relés de CC cuando la corriente de la bobina del relé está dentro de la capacidad de salida, como CC 40V / 40mA o menos. Cuando se detecta corriente, el transistor de salida se activa, llevando un extremo de la bobina del relé a tierra y energizando así el relé.
Los módulos de entrada sourcing proporcionan una tensión pull-up interna, normalmente +24V. Como la salida del STWA1S solo puede llevar la señal a nivel bajo, puede llevar directamente la entrada del PLC a 0V para activar la señal.
Los módulos de entrada sinking tienen una estructura pull-down interna y requieren una tensión pull-up externa. En este caso, debe añadirse una resistencia pull-up a la salida del STWA1S para garantizar que la entrada del PLC reciba un nivel alto.
Los módulos como el Siemens 6ES5 431 8MA11 ya proporcionan una tensión pull-up interna, por lo que el método de conexión estándar del STWA1S puede utilizarse directamente.
Un interruptor de corriente ofrece una forma sencilla y fiable de detectar si una carga está funcionando o detenida. En comparación con los transformadores de corriente y los transmisores de corriente, se centra en el estado de conmutación en lugar de en la medición precisa de corriente.
Para el control de relés, puede accionar directamente pequeñas bobinas de relé de CC dentro de la capacidad nominal de salida. Para sistemas PLC, el método de cableado depende de si el módulo de entrada es sourcing o sinking. Cuando se utiliza con módulos digitales integrados como Siemens S5, el interruptor de corriente a menudo puede conectarse directamente si el módulo ya proporciona una tensión pull-up interna.
Sugerencia de selección: Antes de cablear, confirme el tipo de salida del interruptor de corriente, el tipo de entrada del PLC, la tensión de alimentación y la corriente máxima de salida permitida para garantizar un funcionamiento fiable y evitar daños en el circuito de control.
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En la automatización industrial, la gestión energética y la monitorización del estado de los equipos, los transmisores de corriente se utilizan comúnmente para convertir la corriente CA del lado primario en señales CC estándar, como 0–1 V, 0–5 V, 0–10 V o 4–20 mA, que pueden ser recibidas fácilmente por PLC, instrumentos o sistemas de adquisición de datos.
Según las diferencias en la forma de procesar el valor eficaz, estos transmisores suelen clasificarse como tipos de salida RMS o salida TRMS. Ambos pueden representar el valor eficaz de la corriente del lado primario como una señal CC, pero existe una diferencia significativa en su adaptabilidad a las formas de onda de entrada.
Nota: “salida CC RMS” no se refiere a medir el componente CC de la corriente, sino a representar el valor eficaz de la corriente CA mediante una señal de tensión CC o de corriente CC.
El valor RMS de una corriente CA representa el efecto térmico que produce en una carga resistiva y equivale a una determinada magnitud de corriente CC.
Se define como:
Para una onda sinusoidal estándar, la relación entre el valor RMS y el valor pico de la corriente es:
Los transmisores de corriente convierten el valor RMS medido en una señal analógica CC. Por ejemplo, para un transmisor con un rango de 0–100 A y una salida de 4–20 mA, cuando la corriente del lado primario es de 50 A, la salida teórica es aproximadamente 12 mA.
Los transmisores con salida RMS utilizados comúnmente en ingeniería suelen funcionar rectificando, filtrando y promediando la señal de entrada. El transmisor mide primero el valor medio de la forma de onda CA rectificada y luego lo convierte al valor RMS según una relación fija basada en una onda sinusoidal estándar.
Este método presenta un circuito relativamente sencillo y ofrece ventajas como bajo costo, buena estabilidad y una respuesta suave. Proporciona buenos resultados de medición para ondas sinusoidales de frecuencia industrial o corrientes CA con distorsión mínima.
Sin embargo, esta relación de conversión se basa en la suposición de que la forma de onda de entrada es cercana a una onda sinusoidal. Cuando la corriente presenta recorte, troceado, pulsos o armónicos significativos, la relación entre el valor medio rectificado y el valor RMS real cambia, y la salida del transmisor puede presentar errores significativos.
Por ejemplo, el YHDC SCT016T-D emplea un diseño abierto autoalimentado basado en el principio del transformador de corriente. Después de la rectificación y el filtrado de la señal secundaria, entrega una salida de 0–1 V CC o 0–5 V CC. No requiere fuente de alimentación externa y es adecuado para modernizaciones de paneles de distribución, monitorización del consumo energético en edificios y adquisición de datos de corriente operativa de equipos generales.
Para transmisión a larga distancia, puede utilizarse el TST016T abierto-cerrado de dos hilos para convertir los resultados de medición en una señal de 4–20 mA. La interfaz de dos hilos ofrece cableado sencillo y una gran resistencia a las interferencias, por lo que es adecuada para conectarse a PLC y sistemas de control industrial.
Para instalación centralizada dentro de armarios de control, el YHDC TCAH presenta un diseño cerrado y montaje en carril DIN, con opciones de salida de 4–20 mA o 0–10 V, lo que lo hace adecuado para nuevos armarios de distribución eléctrica, conjuntos completos de equipos y monitorización de cargas generales de frecuencia industrial.
Para barras colectoras de alta corriente, cables gruesos o aplicaciones con espacio de instalación limitado, puede utilizarse una solución con bobina Rogowski. La serie YHDC TRV02 de integradores de bobina Rogowski puede entregar una salida de 4–20 mA o 0–1 V, por lo que es adecuada para medir barras colectoras de frecuencia industrial, equipos de calefacción de alta potencia y señales CA de alta corriente con formas de onda cercanas a ondas sinusoidales.
TRMS significa True Root Mean Square (valor eficaz verdadero). Los transmisores TRMS procesan la corriente de entrada elevando al cuadrado, promediando y extrayendo la raíz cuadrada del valor, según lo define el principio del valor cuadrático medio. Por lo tanto, pueden medir no solo ondas sinusoidales estándar, sino también diversas formas de onda no sinusoidales.
Siempre que la amplitud, la frecuencia y el factor de cresta de la corriente de entrada no superen el rango especificado del producto, los transmisores TRMS pueden reflejar con mayor precisión los efectos térmicos reales causados por corrientes distorsionadas.
Por ejemplo, el YHDC THT2032 cuenta con un diseño sellado y puede entregar una salida de 4–20 mA o 0–10 V, lo que lo hace adecuado para su instalación en nuevos armarios de control o sistemas completos de equipos. En comparación con los transmisores RMS estándar, es más adecuado para variadores de frecuencia, arrancadores suaves, sistemas UPS, fuentes de alimentación rectificadoras y cargas con tiristores.
Para aplicaciones con corrientes altas o en las que los transductores estándar de lazo cerrado no son prácticos, puede utilizarse la serie YHDC TRS02 de integradores de corriente de efecto Hall. Esta serie proporciona una salida de 4–20 mA o 0–1 V y puede medir con mayor precisión corrientes CA distorsionadas, pulsadas y cargadas de armónicos, por lo que es adecuada para convertidores de frecuencia, inversores, equipos de soldadura y barras colectoras de alta corriente.
Nota: Las bobinas Rogowski no pueden medir corriente CC constante. TRMS se refiere al cálculo del valor eficaz verdadero de una forma de onda de corriente variable; no significa necesariamente que el producto pueda medir el valor eficaz verdadero de CA+CC que incluye un componente CC.
La diferencia clave entre ambas no radica en la interfaz de salida. Tanto los productos RMS como los TRMS pueden entregar señales de tensión CC o de 4–20 mA; la diferencia real radica en cómo el transmisor calcula internamente el valor cuadrático medio de la corriente de entrada.
| Elementos de comparación | Transmisor con salida RMS | Transmisor con salida TRMS |
|---|---|---|
| Métodos de procesamiento RMS | Normalmente se mide el promedio rectificado y luego se convierte según la relación de la onda sinusoidal. | El valor RMS verdadero se calcula elevando al cuadrado, promediando y extrayendo la raíz cuadrada. |
| Medición de onda sinusoidal | Precisa | Precisa |
| Medición de forma de onda distorsionada | Puede generar errores significativos. | Generalmente es más precisa. |
| Cargas aplicables | Cargas lineales o de baja distorsión, como motores de frecuencia industrial, calefacción e iluminación. | Variadores de frecuencia, rectificadores, sistemas UPS y otras cargas no lineales. |
| Complejidad del circuito | Baja | Alta |
| Costo del producto | Normalmente bajo | Normalmente alto |
| Productos destacados | SCT016T-D, TST016T, TRV02, TCAH | THT2032, TRS02 |
En aplicaciones donde la frecuencia de la red es estable y la carga consiste principalmente en resistencias, inductores y motores estándar de frecuencia industrial, la forma de onda de corriente suele ser cercana a una onda sinusoidal, y un transmisor con salida RMS es suficiente para cumplir los requisitos de monitorización.
Para modernizar circuitos de distribución eléctrica existentes, pueden utilizarse el SCT016T-D o el TST016T de tipo abierto; para instalación centralizada en armarios de control, puede utilizarse el TCAH cerrado y montado en carril DIN; y para barras colectoras de alta corriente, puede utilizarse el TRV02 combinado con una bobina Rogowski.
La salida de los variadores de frecuencia suele ser una forma de onda modulada por PWM, y la corriente puede contener componentes de alta frecuencia y armónicos significativos. Es posible que los transmisores RMS estándar no reflejen con precisión el valor cuadrático medio real; por lo tanto, deben priorizarse los productos TRMS.
Para aplicaciones de corriente baja a media e instalaciones nuevas, puede utilizarse el THT2032 cerrado; para barras colectoras de alta corriente, cables gruesos o situaciones con espacio de instalación limitado, pueden emplearse los integradores de bobina Rogowski de la serie TRS02.
Los tiristores regulan la potencia de salida ajustando el ángulo de conducción en cada ciclo. Aunque la frecuencia fundamental de la corriente sigue siendo 50 Hz o 60 Hz, la forma de onda ya no es una onda sinusoidal pura.
En estos casos, los transmisores RMS estándar pueden producir errores de medición significativos; deben utilizarse transmisores con salida TRMS como el THT2032 o la serie TRS02.
Si la señal de corriente se utiliza principalmente para determinar si el equipo está en funcionamiento o detenido, o para analizar tendencias de variación de carga, y la forma de onda medida es relativamente estable, los productos RMS suelen ser más rentables.
Si los resultados de medición se utilizan para evaluar el calentamiento de conductores, el factor de carga, las condiciones de sobrecarga o el funcionamiento de equipos de frecuencia variable, los productos TRMS pueden proporcionar datos RMS más fiables.
Tanto los transmisores de corriente RMS como TRMS pueden convertir la corriente CA del lado primario en una señal CC estándar, pero difieren en su adaptabilidad a las formas de onda de entrada.
Para cargas con formas de onda cercanas a ondas sinusoidales, como distribución eléctrica estándar de frecuencia industrial, calefacción resistiva, iluminación y motores de frecuencia industrial, pueden seleccionarse productos con salida RMS como SCT016T-D, TST016T, TRV02 o TCAH para equilibrar los requisitos de medición y los costos operativos.
Para variadores de frecuencia, sistemas UPS, inversores, equipos rectificadores, regulación de potencia controlada por tiristores, equipos de soldadura y otras cargas no lineales, deben priorizarse productos con salida TRMS como el THT2032 o el TRS02 para obtener un valor RMS de corriente que refleje con mayor fidelidad el efecto térmico real.
Sugerencia de selección: Al seleccionar un modelo, primero determine si la corriente que se va a medir es una onda sinusoidal estándar. Si la forma de onda es cercana a una onda sinusoidal, un producto RMS es suficiente; si la forma de onda presenta distorsión significativa, pulsos o armónicos, debe seleccionarse un producto TRMS.
El bucle de corriente de 4–20 mA es un método de transmisión de señales analógicas comúnmente utilizado en la automatización industrial. Este artículo explica el significado básico del bucle de corriente de 4–20 mA, cómo se convierte la corriente en voltaje y cómo seleccionar una resistencia de muestreo adecuada.
El bucle de corriente de 4–20 mA es un método de transmisión de señales analógicas comúnmente utilizado en la automatización industrial. YHDC produce varios transmisores de corriente y transmisores de voltaje con diferentes formas y parámetros.
En esta señal, 4 mA representa el rango mínimo, que es el 0 %, y 20 mA representa el rango máximo, que es el 100 %.
Como la señal comienza en 4 mA en lugar de 0 mA, el sistema aún puede determinar si hay una rotura de cable o una falla cuando la corriente es inferior a 4 mA.
La forma más sencilla de convertir una señal de corriente de 4–20 mA en una señal de voltaje es conectar una resistencia precisa en serie en el circuito. Esta resistencia suele llamarse resistencia de muestreo o resistencia de carga.
Según la ley de Ohm:
Donde:
Cuando la corriente fluye a través de la resistencia de muestreo, se genera un voltaje correspondiente en los extremos de la resistencia. Cuanto mayor sea la corriente, mayor será el voltaje.
La precisión de la resistencia de muestreo afecta directamente la precisión de la medición. Se recomienda usar una resistencia precisa con 0,1 % de precisión.
En aplicaciones prácticas, se utiliza comúnmente una resistencia de precisión de 250 Ω para convertir una señal de corriente de 4–20 mA en una señal de voltaje de 1–5 V.
| Corriente | Fórmula | Voltaje de salida |
|---|---|---|
| 4 mA | V = 0,004 A × 250 Ω | 1 V |
| 20 mA | V = 0,02 A × 250 Ω | 5 V |
Por lo tanto, después de que la señal de corriente de 4–20 mA pasa a través de una resistencia de 250 Ω, se puede obtener una señal de voltaje de 1–5 V.
La potencia nominal de la resistencia también es muy importante. Para evitar que el aumento de temperatura dentro de la resistencia provoque cambios en el valor de resistencia, se recomienda que la potencia de la resistencia sea al menos 10 veces la potencia nominal.
La fórmula de cálculo de potencia es:
Tomemos como ejemplo una resistencia de 250 Ω. A 20 mA:
P = 0,02² × 250 × 10 = 1 W
| Resistencia de muestreo | Rango de voltaje de salida | Potencia recomendada de la resistencia |
|---|---|---|
| 100 Ω | 0,4–2 V | 0,4 W |
| 250 Ω | 1–5 V | 1 W |
| 500 Ω | 2–10 V | 2 W |
Posicionamiento y alineación: Uno de estos factores es la posición relativa de la bobina Rogowski con respecto al conductor. Debe garantizarse una alineación correcta, por ejemplo, colocando la bobina plana y perpendicular a la dirección de la corriente; de lo contrario, no se puede garantizar la precisión de la medición. Esta sensibilidad al posicionamiento puede provocar errores de hasta el 3 %, lo que puede más que duplicar rápidamente el error total en las mediciones de transformadores de corriente (TC).
Tamaño y distancia del conductor: Las dimensiones horizontales del conductor que se mide en relación con la bobina Rogowski afectan la precisión de la medición. Si la bobina es demasiado pequeña para captar todas las líneas de flujo magnético, esto dará lugar a mediciones subestimadas.
Los equipos cercanos que emiten interferencias electromagnéticas (EMI) pueden afectar los resultados de medición del sensor. Deben seguirse estrictamente las mejores prácticas de apantallamiento e instalación.
Los cambios de temperatura afectan las características eléctricas tanto de la bobina Rogowski como del conductor, lo que puede provocar imprecisiones en la medición.
La salida de la bobina Rogowski debe procesarse mediante un circuito integrador para obtener una forma de onda de corriente utilizable.
Sí, los transformadores de corriente de núcleo partido (TC) no solo son adecuados para aplicaciones residenciales, sino que también son el estándar de la industria para el monitoreo energético doméstico y los proyectos de modernización.
Las principales razones de su uso en entornos residenciales son la **comodidad y la seguridad**. En una caja de distribución doméstica, la línea principal de alimentación siempre está energizada a menos que la compañía eléctrica desconecte el medidor. Los TC de tipo partido permiten sujetar el sensor al cable sin desconectar el circuito.
Para instalar un TC sólido, debe desconectar la línea principal de alimentación, pasar el cable por un conector de “anillo” y luego volver a conectarlo. Esto es peligroso y normalmente requiere un corte completo de energía. Con un transformador de corriente de tipo partido, simplemente lo sujeta al cable aislado.
La mayoría de los transformadores de corriente de núcleo partido residenciales están diseñados para generar una tensión extremadamente baja (normalmente **0,333 V**), no corriente. Esto mejora enormemente la seguridad, porque si un transformador de corriente convencional con salida de corriente se desconectara mientras el cable está energizado, podría generar un arco de alta tensión. Los transformadores de corriente de tipo partido con salida de tensión son más “amigables” para los aficionados al bricolaje y los sistemas de automatización del hogar.
Los transformadores de corriente de núcleo partido modernos están diseñados para ser delgados. Incluso en cajas de distribución abarrotadas, normalmente hay suficiente holgura en la línea principal o en los cables de derivación individuales para instalar sensores pequeños.
En los sistemas industriales, las enfriadoras, los compresores de aire y los generadores pueden parecer pertenecer a campos diferentes, pero comparten algo en común: sus componentes principales son todos motores eléctricos. Por eso, los transductores de corriente de alta calidad desempeñan un papel fundamental en la supervisión de estos sistemas, garantizando una medición de corriente precisa y fiable.
Y el indicador más directo y preciso del estado de funcionamiento de un motor es—la corriente.
Para captar esta señal de forma eficaz, los transductores de corriente (también conocidos como transmisor de corriente o transductores de monitoreo de corriente) se utilizan ampliamente en equipos industriales.
Los equipos industriales pueden medir muchos parámetros: tensión, temperatura, presión, caudal, vibración y más.
Sin embargo, en los equipos centrados en motores eléctricos, la corriente es lo que mejor refleja el verdadero estado de funcionamiento, por lo que los transductores de corriente para motores son esenciales para realizar diagnósticos precisos.
Al supervisar la corriente mediante transductores de corriente industriales, puede determinar rápidamente:
– Si el equipo está funcionando
– Si está sobrecargado
– Si tiene carga insuficiente o funciona sin carga
– Si la eficiencia ha disminuido
– Si hay indicios de una posible falla
Por ejemplo: En unidades refrigeradas por agua, una corriente de arranque excesivamente alta puede indicar un bloqueo mecánico o una falla eléctrica, mientras que una corriente anormalmente baja puede indicar falta de refrigerante o un compresor funcionando sin carga.
Estas condiciones se detectan fácilmente mediante transductores de corriente para enfriadoras, que proporcionan firmas de corriente en tiempo real para el análisis de fallas.
En aplicaciones de compresores de aire, las grandes fluctuaciones de corriente pueden indicar un sistema sin carga inestable o fugas en la red de tuberías, mientras que una corriente sin carga excesivamente alta puede indicar desgaste interno o resistencia anormal.
El uso de transductores de corriente para compresores de aire ayuda a los equipos de mantenimiento a identificar estos problemas a tiempo y mejorar la fiabilidad del sistema.
Aunque no se ha detallado explícitamente arriba, los generadores también dependen en gran medida de los transductores de corriente para generadores a fin de supervisar las variaciones de carga, detectar consumos de corriente anormales y garantizar un funcionamiento estable.
Operar transformadores de corriente (TC) en condiciones de sobrecarga está prohibido porque afecta gravemente la precisión de la medición, la integridad del equipo y la seguridad. Aunque las sobrecargas de corta duración (hasta 10 veces la corriente nominal) pueden ser aceptables, las sobrecargas sostenidas pueden provocar una variedad de fallas graves.
Una corriente primaria excesiva provoca un aumento en la densidad del flujo magnético, lo que conduce a la saturación del núcleo. Una vez saturado, la relación entre las corrientes primaria y secundaria se vuelve no lineal, lo que produce distorsión de la forma de onda y errores de medición. La sobrecarga también puede inducir magnetismo residual en el núcleo, afectando la corriente y el ángulo de fase del transformador de corriente y reduciendo la precisión de las mediciones posteriores.
La sobrecarga aumenta la temperatura de los devanados. El calor generado por los devanados es proporcional al cuadrado de la corriente (pérdida I²R); por ejemplo, una sobrecorriente del 10% aumenta la generación de calor en aproximadamente un 21%. Las altas temperaturas aceleran la descomposición química de los materiales aislantes. Por cada aumento de 6–8 °C en la temperatura, la vida útil del aislamiento se reduce a la mitad. La exposición prolongada a altas temperaturas puede hacer que el aislamiento se derrita, provocando cortocircuitos internos y, en última instancia, la combustión completa del transformador de corriente.
La rigidez dieléctrica del medio aislante disminuirá debido al envejecimiento o al daño causado por la alta temperatura. El sobrecalentamiento severo o las fallas por arco interno pueden hacer que el transformador de corriente explote o incendie los materiales circundantes. En casos extremos, la sobrecarga hará que el circuito secundario se abra, lo que hará que desaparezca el efecto desmagnetizante y que la corriente primaria se convierta por completo en corriente de excitación, generando una tensión pico de varios miles de voltios en los terminales secundarios y provocando riesgo de descarga eléctrica.
Los transformadores de corriente (CT) son equipos críticos indispensables en los sistemas eléctricos, encargados de la tarea vital de convertir proporcionalmente las corrientes elevadas del lado de alta tensión en corrientes bajas en el lado de baja tensión. Proporcionan señales precisas y fiables para los sistemas de medición, contabilización de energía y protección por relés. Dado su papel central en la red, una operación adecuada y un mantenimiento meticuloso afectan directamente a la seguridad y estabilidad de todo el sistema eléctrico. Este documento describe sistemáticamente los principios fundamentales para la operación y el mantenimiento de los transformadores de corriente.
Aunque los transformadores de corriente están diseñados para soportar una operación a corto o largo plazo a 1,2 veces la corriente nominal, esto no implica que puedan ignorarse los riesgos asociados con una sobrecarga prolongada. La operación sostenida en sobrecarga desencadena una serie de problemas en cascada que afectan gravemente al rendimiento y la vida útil del equipo.
Reducción de la precisión de medición: La sobrecarga desafía el rango de operación lineal de los CT. Cuando las corrientes superan los límites normales, se producen aumentos significativos en el error de relación y el error de ángulo de fase. Esto provoca lecturas de instrumentos inexactas, desviaciones en la medición de energía y la incapacidad de reflejar con precisión las condiciones reales de carga del sistema.
Saturación del núcleo y sobrecalentamiento: Durante una operación prolongada en sobrecarga, la corriente excesiva del lado primario hace que la densidad de flujo magnético del núcleo permanezca persistentemente alta, pudiendo alcanzar la saturación. La saturación del núcleo impide que la corriente secundaria aumente proporcionalmente y, en casos graves, puede hacer que los dispositivos de protección no actúen. Al mismo tiempo, según la ley de Joule (Q=I²Rt), la generación de calor es proporcional al cuadrado de la corriente. La sobrecarga provoca aumentos rápidos de temperatura en los devanados primario y secundario, así como en el núcleo.
Envejecimiento acelerado del aislamiento y reducción de la vida útil: Las altas temperaturas persistentes son el “enemigo natural” de los materiales aislantes. El calor generado por las sobrecargas acelera el envejecimiento y la fragilidad del aislamiento de los devanados, reduciendo su resistencia de aislamiento eléctrico. Con el tiempo, el rendimiento del aislamiento se degrada significativamente, lo que puede provocar cortocircuitos entre espiras o ruptura del aislamiento. Esto puede destruir por completo el transformador y acortar drásticamente su vida útil efectiva.
Mantener cerrado el circuito secundario en los transformadores de corriente es una regla inflexible que debe cumplirse estrictamente en los trabajos eléctricos. Cuando circula corriente por el lado primario y el circuito secundario se interrumpe inesperadamente, se genera de inmediato una situación extremadamente peligrosa.
Generación de alta tensión peligrosa: Durante la operación normal, el potencial magnético generado por la corriente secundaria cancela en gran medida el producido por la corriente primaria. Si el lado secundario se abre, este efecto de cancelación desaparece. El inmenso flujo magnético se concentra por completo dentro del núcleo, induciendo tensiones peligrosas de miles de voltios en el devanado secundario. Esto no solo rompe instantáneamente el propio aislamiento del transformador, sino que también supone un peligro mortal de electrocución para cualquier persona cercana o en contacto con el circuito secundario.
El calentamiento severo del núcleo puede quemar bobinas: La enorme densidad de flujo magnético provoca un aumento brusco de las pérdidas por histéresis y corrientes parásitas dentro del núcleo. Esto genera rápidamente calor extremo, haciendo que la temperatura del núcleo suba hasta niveles capaces de fundir o incluso quemar los devanados secundarios, lo que resulta en daños permanentes al equipo.
El magnetismo residual afecta a la precisión: Incluso si el circuito abierto se soluciona rápidamente, la fuerte saturación magnética deja magnetismo residual persistente (remanencia) en el núcleo. Esta permeabilidad magnética alterada aumenta los errores de relación y de ángulo de fase durante la operación posterior, degradando permanentemente la precisión de medición y protección.
Plan de respuesta: Bajo ninguna circunstancia debe desconectarse el circuito secundario durante la operación. Al detectar señales de un circuito abierto (por ejemplo, lecturas anormales de instrumentos, ruidos inusuales u olores a quemado), tome de inmediato medidas para reducir la corriente de carga del lado primario. Posteriormente, utilice herramientas aisladas calificadas para cortocircuitar de forma fiable el punto del circuito abierto.
Todas las operaciones en circuitos secundarios deben cumplir estrictamente los procedimientos de seguridad, con el principio fundamental de “primero cortocircuitar, luego trabajar”.
Está estrictamente prohibido desconectar circuitos: Durante tareas como la sustitución de instrumentos o la inspección del cableado, está absolutamente prohibido desconectar directamente un circuito secundario activo sin implementar medidas de cortocircuito.
Cortocircuito adecuado: Deben utilizarse **placas de cortocircuito o cables de cortocircuito especializados** para cortocircuitar de forma fiable el circuito secundario a ambos lados del punto de interrupción, garantizando una ruta continua para la corriente. Los puntos de cortocircuito deben ubicarse lo más cerca posible del propio transformador de corriente.
Definir los límites de trabajo: El personal tiene estrictamente prohibido realizar cualquier trabajo en el segmento del circuito entre el transformador de corriente y el punto de cortocircuito para evitar el contacto accidental con partes energizadas.
Implementar medidas de seguridad: Debe haber un supervisor presente durante la operación. El personal debe utilizar herramientas aisladas calificadas y colocarse sobre alfombrillas aislantes para garantizar la seguridad personal.
Tener en cuenta los puntos de puesta a tierra permanentes: Al realizar tareas como la limpieza de bloques de terminales, use el equipo de protección necesario y extreme la precaución para evitar desconectar accidentalmente los puntos de puesta a tierra permanentes instalados como medidas de protección.
La sustitución de transformadores de corriente o de sus cables secundarios es una tarea meticulosa que requiere garantizar la compatibilidad de parámetros entre el equipo antiguo y el nuevo, así como una conexión correcta.
Requisitos para la sustitución de CT:
* Coherencia del modelo: La relación de transformación, la clase de precisión, la capacidad y otros parámetros del nuevo CT deben coincidir plenamente con las especificaciones de diseño originales.
* Polaridad correcta: El cableado debe seguir la correspondencia de los terminales P1, P2 del CT original con los terminales S1, S2. Las conexiones invertidas pueden causar operaciones incorrectas de protección o errores de medición.
* Características tensión-corriente similares: Para CT de protección, sus características tensión-corriente deben ser similares a las de otros CT del mismo grupo para garantizar la precisión de la protección.
* Calibración posterior: Después de sustituir los CT, deben revisarse y calibrarse todos los ajustes de protección relevantes y los multiplicadores de los instrumentos de medición para garantizar el funcionamiento correcto de los parámetros del sistema.
* Sustitución del cable secundario: Al sustituir cables secundarios, asegúrese de que el área de sección transversal del nuevo cable cumpla los requisitos de capacidad de conducción de corriente y caída de tensión. Mida su resistencia de aislamiento después de la sustitución para verificar el cumplimiento.
* Verificación final de polaridad: Una vez completadas todas las sustituciones y antes de la puesta en servicio formal, debe volver a medirse la polaridad de todo el circuito secundario. Esto sirve como salvaguarda final para garantizar la operación correcta del sistema.
Antes de poner en operación los nuevos CT o después del mantenimiento, debe realizarse una inspección completa del aspecto y el cableado antes de restablecer la energía.
* Estado del aspecto: Asegúrese de que el cuerpo principal del CT esté limpio, sin polvo ni manchas de aceite. Para CT llenos de aceite, compruebe si existe alguna fuga de aceite; para CT de núcleo partido de baja tensión, inspeccione si hay polvo y óxido en la sección transversal.
* Componentes de aislamiento: Revise los pasatapas de porcelana para asegurarse de que no haya grietas, daños ni marcas de descarga.
* Apriete del cableado: Revise todos los tornillos de los terminales de conexión primarios y secundarios para asegurar un buen contacto sin óxido y evitar aflojamientos debidos a vibraciones o a la expansión y contracción térmica.
* Puesta a tierra fiable: Compruebe si la carcasa del CT está puesta a tierra de forma fiable. Además, los circuitos secundarios de los CT de protección suelen requerir una puesta a tierra fiable de un solo punto en un punto determinado (como en el bloque de terminales) para evitar alta tensión inducida. Atención especial: Los circuitos secundarios de los CT utilizados para medición normalmente no deben ponerse a tierra para evitar la derivación de corriente y afectar a la precisión de la medición.
Las inspecciones diarias y el mantenimiento regular son clave para garantizar la operación estable a largo plazo de los transformadores de corriente.
*Prueba preventiva: De acuerdo con los requisitos del procedimiento, debe realizarse una prueba preventiva completa de los transformadores de corriente una vez cada 1-2 años, incluida la medición de la resistencia de aislamiento, la relación de transformación, la polaridad y las características voltio-amperio, etc., para detectar oportunamente posibles defectos.
*Integridad del circuito: Durante las inspecciones diarias, debe prestarse mucha atención a la integridad del circuito secundario para asegurarse de que no haya señales de desconexión.
*Revisión de conexión y estado:
Inspeccione regularmente todos los terminales de conexión, especialmente los de equipos exteriores, para comprobar si hay señales de aflojamiento u óxido.
Durante la inspección, escuche atentamente para asegurarse de que no haya sonidos anormales, como descargas dentro del CT.
Mediante la observación y el olfato, confirme que no haya señales de sobrecalentamiento ni olor a quemado en el equipo.
Los transformadores siempre emiten corriente alterna (CA), no corriente continua (CC). Su función es mantener las características de la corriente alterna (invirtiéndose 50 o 60 veces por segundo) mientras aumentan o disminuyen el voltaje. Entonces, ¿por qué se encienden las luces LED y por qué algunos dispositivos de “corriente continua” aún pueden funcionar cuando se conectan directamente al extremo de salida del transformador? La razón es sencilla.
Una luz LED es esencialmente un diodo. Permite que la corriente fluya en una dirección (polarización directa) y bloquea el flujo de corriente en la otra dirección. Por lo tanto, se enciende cada medio ciclo alterno. Se utiliza aproximadamente la mitad de su brillo y, en teoría, parpadeará a la frecuencia de la red eléctrica (50/60 Hz), pero el ojo humano normalmente no puede detectar este parpadeo.
Las tensiones inversas nominales de muchos LED suelen ser de solo 5-10 V. La tensión inversa máxima de un transformador de CA de 12 V es de aproximadamente 17 V. El uso prolongado hará que las luces LED se dañen.
El diseño correcto del circuito debe incluir una resistencia en serie para limitar la corriente y un diodo adicional para la conexión inversa, o bien la incorporación de un dispositivo rectificador.
Los sensores de corriente actúan como los “sentidos”, responsables de detectar señales de corriente; los transmisores de corriente, sin embargo, van un paso más allá. No solo detectan, sino que también ‘traducen’ las señales detectadas a un “lenguaje” universal y estandarizado que otros dispositivos pueden comprender y utilizar.
| Sensor de corriente | Transmisor de corriente | |
| Señal | Emite la señal sin procesar o con procesamiento primario. Las señales de salida pueden adoptar varias formas: pueden ser voltajes o corrientes débiles proporcionales a la corriente medida, o incluso señales digitales. Por ejemplo, un sensor de efecto Hall emite una señal de tensión de nivel de milivoltios, mientras que un transformador de corriente (un tipo básico de sensor de corriente) emite una pequeña corriente proporcional a la relación de espiras (como 0–5 A). Estas señales generalmente no son universales y requieren procesamiento adicional por parte de circuitos posteriores. | Emite señales industriales estandarizadas. Su función principal es convertir y amplificar las señales detectadas por el sensor en señales analógicas estandarizadas comúnmente utilizadas en sistemas de control industrial, normalmente una señal de corriente CC de 4–20 mA, o una señal de tensión CC de 0–10 V / 0–5 V. Estas señales estandarizadas pueden ser reconocidas directamente por dispositivos como PLC, sistemas DCS y tarjetas de adquisición de datos. |
| Transmisión | Distancia de transmisión corta, susceptible a interferencias Propenso a interferencias electromagnéticas, longitud del cable y resistencia, lo que provoca distorsión de la señal o errores. Por lo tanto, los sensores normalmente deben instalarse cerca de la unidad de procesamiento de señales.
| Larga distancia de transmisión y alta capacidad antiinterferencias. La señal de bucle de corriente de 4–20 mA ofrece una excelente resistencia a las interferencias. En un bucle de corriente, siempre que la corriente permanezca constante, las variaciones en la resistencia de línea no afectan la precisión de la señal. Esto la hace muy adecuada para una transmisión fiable a larga distancia —hasta varios cientos de metros— desde dispositivos de campo hasta una sala de control central. |
| Aplicación | Como componente de detección principal, se utiliza ampliamente. Constituye la base de todas las aplicaciones de medición de corriente y se integra en una amplia gama de dispositivos. Por ejemplo: Electrónica de consumo: Se utiliza en cargadores de smartphones para el control de carga rápida. Vehículos de nueva energía: Supervisa la carga y descarga en el sistema de gestión de baterías (BMS). Inversores / convertidores: Se utiliza para el control de motores y el seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT).
| Se utiliza principalmente en automatización industrial y sistemas de control de procesos. Cuando la corriente de funcionamiento de equipos de campo —como motores o calentadores— debe utilizarse como parámetro y transmitirse a un PLC remoto o a un sistema de monitoreo SCADA, un transmisor se vuelve esencial. Su función es servir como puente de señal entre los dispositivos de campo y el sistema de control. |
| Dificultad | Más complejo de usar y requiere desarrollo secundario. Los usuarios deben diseñar sus propios circuitos periféricos —como circuitos de amplificación, filtrado y compensación lineal— para procesar la señal sin procesar del sensor antes de que pueda convertirse en datos significativos o utilizarse para control. Esto impone ciertos requisitos a las capacidades de diseño de circuitos del usuario. | Fácil de usar y plug-and-play. El transmisor integra internamente todos los circuitos de procesamiento de señal necesarios. Los usuarios solo deben seguir las instrucciones de cableado (alimentación, entrada y salida) para conectarlo directamente a los puertos de entrada analógica de instrumentos o controladores estándar, sin requerir un diseño de circuitos complejo. |
Relación: Un transmisor de corriente puede considerarse una versión actualizada o integrada de un sensor de corriente. Contiene un elemento de detección de corriente integrado y añade circuitos de acondicionamiento de señal y salida estandarizada.
Diferencia clave: La distinción esencial radica en la naturaleza de la señal de salida. Un sensor emite la materia prima: una señal primitiva, sin procesar. Un transmisor emite una señal estandarizada y lista para usar.
Cómo elegir:
La bobina de Rogowski es una bobina hueca en forma de anillo dispuesta alrededor de un conductor. Su principio de funcionamiento se basa en la ley de Faraday de la inducción electromagnética: el campo magnético alterno generado por la corriente induce una tensión en la bobina que es proporcional a la tasa de cambio de la corriente (di/dt).
Por lo tanto, las bobinas de Rogowski tradicionales no pueden medir corriente continua estática.
Sin embargo, pueden medir la parte que cambia rápidamente de las señales de CC pulsada, desplazamientos significativos de CC o los componentes de CA de las señales de CC.
Esto significa:
En otras palabras, sin un integrador, una bobina de Rogowski no puede funcionar como un sensor de corriente estándar.
Muchos chips modernos de medición de potencia (ADE7953, ATM90E32AS), medidores de energía (iEM3555, MD-P1-3-RC-16), analizadores de potencia (ABB M4M, PW3390) y procesadores DSP con integradores digitales integrados (ADS131E08, TMS320F280049, MCP3910, STM32G4).
Ciertas aplicaciones de detección de fallas en motores o de prueba de corriente de pulso se centran únicamente en la di/dt de alta frecuencia y pueden utilizar directamente la señal sin procesar.
Cuando el ancho del pulso es significativamente más corto que la constante de tiempo de la bobina, la propia bobina presenta características de integración aproximadas. Sin embargo, esto representa una aplicación muy específica.
Transformador de corriente, abreviado como (TC), es un dispositivo utilizado para medir corriente alterna. Convierte una corriente grande en una corriente más pequeña mediante el principio de inducción electromagnética, lo que facilita la medición, la protección y el control. Los transformadores de corriente de baja tensión y los transformadores de corriente de alta tensión se distinguen principalmente según sus niveles de tensión de trabajo. Los transformadores de corriente de baja tensión se utilizan normalmente en sistemas eléctricos con una tensión alterna de 1000 V (1 kV) o inferior. Los transformadores de corriente de alta tensión se utilizan en redes eléctricas de ultra alta tensión que van de 1 kV a 100 kV.
| TC de baja tensión | TC de alta tensión | |
| Nivel de tensión | Normalmente se aplica a sistemas de baja tensión de 1 kV e inferiores (como 0,4 kV, 0,66 kV). | Es adecuado para sistemas de alta tensión superiores a 1 kV (como 10 kV, 35 kV, 110 kV o incluso más). |
| Nivel de aislamiento | Los requisitos de aislamiento son relativamente bajos, y a menudo se utiliza aislamiento seco (como encapsulado en resina epoxi o aislamiento por aire), con una baja tensión soportada. | Se requieren altos requisitos de aislamiento, y a menudo se utiliza aislamiento en aceite, aislamiento con gas SF6 o aislamiento compuesto para soportar alta tensión y evitar perforaciones. |
| Diseño estructural | Tiene una estructura simple, tamaño pequeño y peso ligero, y suele ser un núcleo de hierro anular o rectangular, lo que facilita su instalación. | La estructura es compleja y el volumen es grande, y puede incluir manguitos de porcelana, tanques de aceite o cámaras de gas para garantizar un aislamiento seguro. |
| Aplicación | Se utiliza ampliamente en gabinetes de distribución de baja tensión, sistemas de control industrial, instrumentos de medición y protección de electrodomésticos. | Se utiliza ampliamente en subestaciones de alta tensión, líneas de transmisión y centrales eléctricas para medición, relés de protección y monitoreo de fallas. |
| Seguridad y mantenimiento | Es fácil de instalar y mantener, tiene bajo costo y bajo riesgo. | Tiene requisitos de seguridad estrictos, es complejo de mantener, requiere inspección periódica del aceite o gas aislante y es costoso. |
| Normas y especificaciones | Cumple con normas como IEC 61869-2, pero se centra en la seguridad de baja tensión. | Cumple con normas como IEC 61869-2, haciendo énfasis en el aislamiento de alta tensión y la resistencia a impactos. |
La relación del transformador de corriente representa la relación entre la corriente primaria y la secundaria; por ejemplo, 500/5, 250/5 o 100/5. Una relación de 500/5 indica que, cuando la corriente primaria alcanza 500A, la corriente secundaria es de 5A.
Las relaciones estándar de corriente nominal del lado primario incluyen 20, 30, 40, 50, 75, 100, 150 y 2×a/C, mientras que las corrientes nominales del lado secundario suelen ser de 1A o 5A. La notación 2×a/C indica un transformador de doble relación que puede lograrse mediante la conexión en serie (a/c) o en paralelo (2×a/C) de los componentes internos. Para aplicaciones de medición, la corriente nominal primaria (I1n) debe ser mayor o igual que la corriente de carga calculada (IC). Por ejemplo, una corriente de carga de 350A requeriría un transformador de corriente de 400/5. Para aplicaciones de protección, puede seleccionarse una relación de transformación mayor para garantizar la precisión.
Las bobinas de Rogowski, también conocidas como bobinas huecas o transformadores de corriente flexibles, han logrado una amplia aplicación en la monitorización de energía, la medición de corrientes pulsadas de alta frecuencia y la protección contra altas corrientes gracias a sus importantes ventajas, como la ausencia de saturación magnética, un amplio rango de medición y una instalación sencilla. Sin embargo, en aplicaciones prácticas, las bobinas de Rogowski normalmente no pueden conectarse directamente a instrumentos de medición, sino que deben usarse junto con un integrador.
El principio de funcionamiento de la bobina de Rogowski se basa en la ley de Faraday de la inducción electromagnética. Cuando la corriente medida i(t) pasa por el centro de la bobina, se genera una fuerza electromotriz inducida e(t) dentro de la bobina. Su expresión matemática es:
Aquí, M representa el coeficiente de inductancia mutua entre la bobina y el conductor primario.
A partir de la fórmula, puede verse que la tensión de salida de la bobina de Rogowski no corresponde directamente a la magnitud de la corriente, sino que es proporcional a la tasa de cambio (derivada) de la corriente. Esto significa:
• Si la corriente es una corriente continua constante, la salida de la bobina de Rogowski es cero.
• Si la corriente es una onda sinusoidal, la tensión de salida adelantará a la corriente en 90° de fase, y su amplitud aumentará linealmente con la frecuencia.
Por lo tanto, para reconstruir la verdadera forma de onda de corriente i(t), la señal de salida de la bobina debe someterse a un procesamiento matemático de integración.
El integrador desempeña un papel crucial en el sistema de medición con bobina de Rogowski, y sus funciones se manifiestan principalmente en los siguientes tres aspectos:
1 Reconstrucción de la forma de onda (integración): Un circuito electrónico de integración (normalmente un integrador activo compuesto por amplificadores operacionales) convierte la señal di/dt en una señal de tensión proporcional a i(t).
2 Corrección de fase: Compensa el adelanto de fase de 90° generado por la bobina de Rogowski, garantizando que la señal de salida esté en fase con la señal de corriente original. Esto es fundamental para las mediciones de potencia, como el cálculo del factor de potencia.
3 Acondicionamiento y amplificación de señal: La tensión inducida bruta del lazo de corriente suele ser muy débil (nivel de milivoltios). El integrador la amplifica hasta niveles estándar y mejora la capacidad de accionamiento para transmisión a larga distancia o accionamiento de cargas.
Según los requisitos específicos del equipo receptor posterior (como contadores eléctricos, PLC, osciloscopios o dispositivos de protección por relé), los integradores se diseñan con múltiples formatos de salida. La siguiente tabla ofrece una comparación detallada de estos tipos de salida comunes:
| Tipo de salida | Especificaciones típicas | Características de la señal | Aplicaciones principales | Ventajas | Desventajas |
| Salida de tensión instantánea | 333mV CA, 1V CA | Forma de onda CA | Contadores de energía digitales, analizadores de potencia | Alta seguridad (sin alta tensión por circuito secundario abierto), excelente linealidad | Distancia de transmisión limitada, susceptible a interferencias electromagnéticas |
| Salida de corriente instantánea | 1A CA, 5A CA | Forma de onda CA | Sustitución de transformadores de corriente (TC) tradicionales, protección por relé | Compatible con equipos heredados, gran capacidad de accionamiento, adecuada para transmisión remota | Alto consumo de energía, requiere soporte de fuente de alimentación de alta potencia |
| Señal analógica estándar | 4-20mA CC, 0-1V CC | Señal CC/de proceso | PLC, DCS, sistemas de control de automatización industrial | Gran capacidad antiinterferencias (4-20mA), integración sencilla en el sistema | Pérdida de la información original de la forma de onda, refleja solo el valor eficaz |
| Salida sin integrador | Tensión(di/dt) | Forma de onda diferencial CA | Análisis transitorio de alta frecuencia, dispositivos de adquisición de datos con capacidades de integración incorporadas | Ancho de banda extremadamente alto, sin deriva integral, respuesta más rápida | No permite leer directamente valores de corriente, requiere procesamiento posterior complejo |
Actualmente, este es el método de salida más extendido para las bobinas de Rogowski. 333mV representa la especificación estándar de transformador de baja tensión ampliamente adoptada en Norteamérica e internacionalmente. La principal ventaja de este método de salida es la seguridad: incluso si el circuito secundario se desconecta, no genera altas tensiones letales como los transformadores de corriente tradicionales. Conserva perfectamente la información armónica de la corriente, lo que lo hace ideal para el análisis de calidad de energía de alta precisión.
Para mantener la compatibilidad con instrumentos secundarios diseñados originalmente para TC tradicionales de núcleo, los integradores pueden emitir corrientes de 1A o 5A. Este tipo de integrador funciona esencialmente como un amplificador de potencia “tensión a corriente”. Resuelve el problema de que las bobinas de Rogowski no puedan accionar directamente cargas de alta impedancia. Sin embargo, debido a la necesidad de emitir corrientes mayores, el consumo de energía propio del integrador y su tamaño físico aumentan significativamente.
En la automatización industrial, los usuarios a menudo solo requieren el valor RMS de la corriente sin necesidad de inspeccionar las formas de onda. Estos integradores incorporan circuitos internos de conversión RMS-CC que transforman señales CA complejas en señales CC estables. La salida de lazo de corriente de 4-20mA ofrece una inmunidad excepcional al ruido, lo que la hace ideal para transmisión a larga distancia hacia sistemas PLC o DCS.
En aplicaciones científicas especializadas, como la medición de corrientes de rayo o experimentos de física de altas energías, los usuarios pueden capturar directamente la señal di/dt bruta de la bobina de Rogowski. Este enfoque evita las limitaciones de ancho de banda y la deriva de baja frecuencia inherentes a los integradores, permitiendo la integración digital mediante algoritmos de posprocesamiento para lograr anchos de banda de medición extremadamente altos (hasta varios MHz o más).
El integrador aborda problemas esenciales de reconstrucción de forma de onda, corrección de fase y amplificación de señal.
La selección del tipo de salida adecuado depende de su equipo posterior:
•Para precisión y seguridad, elija 333mV/1V CA;
•Para compatibilidad con sistemas heredados, elija 1A/5A CA;
• Para monitorización industrial, elija 4-20mA CC;
•Cuando use equipos de medición compatibles con bobinas de Rogowski o realice investigación de alta frecuencia, considere utilizar la salida directa di/dt.
Al combinar correctamente la bobina de Rogowski con el integrador, puede aprovechar plenamente sus capacidades de amplio rango y sin saturación para lograr un control preciso en entornos de corriente complejos.
En los sistemas eléctricos, la medición precisa de la energía es la piedra angular de transacciones justas, la conservación de energía y el funcionamiento estable del sistema.
Como componente crítico en los sistemas de monitoreo de energía, la precisión de los transformadores de corriente (TC) determina directamente la precisión de las lecturas finales.
Sin embargo, más allá del conocido “error de relación” (error de amplitud), un parámetro que a menudo se pasa por alto pero que es crucial—el error de ángulo de fase—puede tener un impacto crítico en la precisión de la medición de energía bajo condiciones específicas.
Para comprender el error de ángulo de fase, primero debemos reconocer la brecha entre la teoría ideal y la realidad práctica.
Según las normas internacionales, cuando el vector de corriente secundaria adelanta en fase a la posición ideal, el error de ángulo de fase es positivo (+); por el contrario, cuando se retrasa, el error de ángulo de fase es negativo (-).
Este ángulo aparentemente insignificante es crucial para la medición de energía de alta precisión.
La causa raíz del error de ángulo de fase se encuentra en las características inherentes de la estructura física del transformador y en los principios electromagnéticos, específicamente en la presencia de la corriente de excitación.
Los transformadores de corriente funcionan de manera similar a los transformadores: la corriente primaria que fluye a través del núcleo genera un campo magnético, que a su vez induce una corriente secundaria.
Para establecer este campo magnético necesario en el núcleo, el propio transformador consume una parte de energía. La corriente correspondiente a este consumo de energía es la corriente de excitación.
Dado que la corriente primaria I₁ es igual a la suma vectorial de la corriente secundaria I₂ (convertida al lado primario) y la corriente de excitación I₀ (I₁ = I₂ + I₀),
la presencia de la corriente de excitación I₀ no coincidente crea inevitablemente una diferencia de fase entre I₁ e I₂.
Esta diferencia de fase finalmente se manifiesta como la diferencia angular en el transformador de medida.
En pocas palabras, la diferencia angular es esencialmente una “perturbación” en la relación de fase de las corrientes causada por la corriente de excitación.
Todos los factores que afectan la magnitud y la fase de la corriente de excitación—como las propiedades magnéticas del material del núcleo, la carga (burden) conectada al lado secundario y la magnitud de la propia corriente primaria—influyen directamente en la diferencia angular.
La fórmula para calcular la energía eléctrica (potencia activa) es:
P = U × I × cos(φ), donde φ es el ángulo de fase entre tensión y corriente, y cos(φ) representa el factor de potencia.
El error de ángulo de fase en el transformador altera directamente el ángulo de fase φ medido por el medidor de energía, lo que genera errores en el cálculo de potencia.
Relación de propagación del error: El error total en la medición de energía es aproximadamente igual a la suma del error de relación de tensión, el error de relación de corriente y el error de ángulo de fase.
Una fórmula simplificada puede expresarse como:
Error de medición de potencia ≈ Error de relación de tensión + Error de relación de corriente + tan(φ) × Δφ
Donde Δφ representa el error de ángulo de fase introducido por los transformadores de medida.
Por ejemplo: en un circuito con un factor de potencia extremadamente bajo, aunque el error de relación (error de amplitud) del transformador de medida sea muy pequeño,
la lectura final de energía calculada aún puede desviarse significativamente del valor real si existe cualquier error de ángulo de fase.
En los entornos industriales y comerciales modernos, el uso generalizado de variadores de frecuencia, motores, iluminación LED y fuentes de alimentación conmutadas ha hecho que el factor de potencia de la red sea cada vez más complejo y, a menudo, subóptimo.
En este contexto, la diferencia de ángulo de fase de los transformadores de corriente ha evolucionado de un parámetro secundario a un factor crítico que determina si un sistema de monitoreo de energía puede funcionar con “precisión y equidad.”
La compatibilidad electromagnética (EMC) es una consideración de diseño crítica en los equipos electrónicos modernos. La interferencia electromagnética (EMI) no solo afecta al funcionamiento normal del equipo, sino que también puede infringir requisitos normativos. Para suprimir eficazmente estas perturbaciones, los ingenieros utilizan una amplia gama de componentes de filtrado, en los que los inductores desempeñan un papel central. Entre los muchos tipos de inductores, los choques de modo común y los inductores de modo diferencial son dos de los más utilizados y tienen funciones muy diferentes.
Aunque ambos se utilizan para el filtrado EMI, los tipos de perturbaciones a los que apuntan, sus estructuras y sus principios de funcionamiento son muy diferentes. En este artículo, analizaremos las diferencias esenciales entre los choques de modo común y los inductores de modo diferencial, sus escenarios de aplicación, y proporcionaremos puntos prácticos de selección para ayudar a los ingenieros a tomar la decisión correcta en el diseño de circuitos.
Un inductor de modo común, también conocido como choque de modo común, es un elemento de filtrado utilizado principalmente para suprimir la interferencia de modo común.
El ruido de modo común (CMN) es una señal de ruido con la misma dirección y magnitud en dos líneas de señal (por ejemplo, líneas de alimentación L y N, o líneas de datos D+ y D-) con respecto a tierra o al plano de referencia. Esta interferencia suele estar causada por el acoplamiento de campos electromagnéticos externos o por circuitos desequilibrados dentro del dispositivo, y se irradia hacia el exterior a través del cable o se introduce internamente en el dispositivo a través del cable.
La construcción típica de un inductor de modo común consiste en dos o más conjuntos de bobinas devanadas sobre el mismo núcleo de ferrita de alta permeabilidad, con el mismo número de vueltas y orientación.
El principio de funcionamiento se basa en la cancelación del campo magnético y en efectos de alta impedancia:
Para señales de modo diferencial (señales útiles): Cuando corrientes normales de modo diferencial (es decir, señales de direcciones opuestas e igual magnitud en dos líneas) fluyen a través de dos devanados, los flujos magnéticos que generan en los núcleos tienen direcciones opuestas y se cancelan entre sí. Por lo tanto, la impedancia de un inductor de modo común frente a una señal de modo diferencial es extremadamente baja y apenas afecta la transmisión de señales útiles.
Para señales de modo común (ruido): Cuando corrientes de modo común (en la misma dirección) fluyen a través de dos devanados, generan flujo magnético en el núcleo en la misma dirección, superpuesto entre sí. Esto hace que el núcleo presente una alta inductancia, lo que crea una impedancia extremadamente alta frente al ruido de modo común y logra el objetivo de suprimir y atenuar la interferencia de modo común.
Los choques de modo común suelen tener cuatro pines (dos entradas y dos salidas) y están compuestos por dos devanados, con los extremos homólogos de los devanados ubicados en el mismo lado del anillo magnético.
El inductor de modo diferencial es un componente inductivo tradicional utilizado principalmente para suprimir la interferencia de modo diferencial.
El ruido de modo diferencial (DMN) es una señal de ruido con dirección opuesta y magnitud desigual entre dos líneas de señal. Este tipo de interferencia se superpone directamente a la señal útil y suele estar causado por factores internos, como la acción de conmutación de la fuente de alimentación conmutada, cambios de carga o desajuste de impedancia en la línea de señal.
La estructura de un inductor de modo diferencial es similar a la de un inductor ordinario, que normalmente solo tiene un devanado enrollado sobre un núcleo magnético.
Su principio de funcionamiento se basa en el efecto de autoinducción del inductor:
Para señales de modo diferencial (señales útiles y ruido): Un inductor de modo diferencial se opone al cambio de la corriente que fluye a través de él. Ya sea una señal normal de modo diferencial o ruido de modo diferencial, siempre que la corriente fluya a través del inductor, se verá afectada por su inductancia.
Efecto de filtrado: El inductor de modo diferencial, mediante sus características de impedancia de alta frecuencia, atenúa la alta frecuencia del ruido de modo diferencial, mientras mantiene una baja impedancia para las señales útiles de baja frecuencia (como la CC de alimentación o el componente de CA de baja frecuencia), logrando así el filtrado.
Los inductores de modo diferencial suelen tener solo dos pines y un único devanado. En los circuitos de filtrado EMI, normalmente se conectan en serie en la línea de alimentación o de señal.
La distinción principal entre los choques de modo común y los choques de modo diferencial reside en los tipos de ruido que abordan, su diseño estructural y su impacto en las señales útiles. La siguiente tabla resume las diferencias clave entre ambos:
| Características | Choque de modo común | Inductor de modo diferencial |
| Objetivo de supresión
| Interferencia de modo común (ruido en la misma dirección con respecto a tierra) | Interferencia de modo común (ruido entre líneas de señal) |
| Principio de funcionamiento | La superposición de flujo produce alta impedancia (para modo común), mientras que la cancelación de flujo produce baja impedancia (para modo diferencial). | La autoinducción crea alta impedancia (para todas las corrientes de alta frecuencia) |
| Estructura | Dos devanados, enrollados en la misma dirección sobre el mismo núcleo magnético | Un devanado, enrollado alrededor del núcleo magnético |
| Número de pines | 4 (dos de entrada, dos de salida) | 2 (uno de entrada, uno de salida) |
| Para señales útiles | Impedancia extremadamente baja, prácticamente sin atenuación | Existe cierta impedancia, que puede causar una ligera atenuación de la señal útil. |
| Ubicación de aplicación | Normalmente se utiliza en los extremos de entrada/salida de cables de alimentación o líneas de señal de alta velocidad para filtrar la interferencia radiada. | Normalmente se utiliza en serie con cables de alimentación o líneas de señal para filtrar la interferencia conducida. |
Debido a su excelente supresión del ruido de modo común sin afectar la transmisión de señales de modo diferencial, los choques de modo común se utilizan ampliamente en los siguientes escenarios:
Los choques de modo diferencial suprimen principalmente el ruido de modo diferencial en las líneas de alimentación, a menudo combinados con capacitores para formar filtros tipo π o tipo L:
La selección adecuada es fundamental para garantizar un filtrado EMI eficaz. Al elegir inductores de modo común y de modo diferencial, deben considerarse los siguientes parámetros principales:
Corriente nominal (I_rated): El choque debe soportar la corriente máxima de funcionamiento continuo del circuito.
Impedancia de modo común (Z_CM): Este es el parámetro más crítico. Seleccione choques que presenten la máxima impedancia en la frecuencia de ruido objetivo (normalmente de decenas a cientos de MHz). Una mayor impedancia ofrece una mejor supresión.
Impedancia de modo diferencial (Z_DM): Seleccione inductores con baja impedancia de modo diferencial para minimizar la atenuación de las señales útiles.
Resistencia de CC (DCR): Es preferible una DCR más baja para reducir la pérdida de potencia y el aumento de temperatura.
Rango de frecuencia de funcionamiento: Seleccione el material de núcleo y la estructura de devanado adecuados según la frecuencia de funcionamiento del circuito y la frecuencia de ruido.
Inductancia (L): Determine el valor de inductancia en función de la frecuencia de corte requerida y las características de filtrado. Una mayor inductancia proporciona mejor atenuación del ruido de baja frecuencia.
Corriente nominal (I_rated): Al igual que con los inductores de modo común, debe cumplir el requisito de corriente máxima de funcionamiento del circuito.
Corriente de saturación (I_sat): Cuando la corriente aumenta más allá de cierto umbral, el núcleo se satura, lo que provoca una caída brusca de la inductancia. Durante la selección, la corriente de saturación debe superar la corriente pico del circuito para garantizar el rendimiento del filtrado.
Resistencia de CC (DCR): Del mismo modo, la DCR debe ser lo más baja posible.
Los choques de modo común y los inductores de modo diferencial son dos fuerzas indispensables en los circuitos de filtro EMI. Los inductores de modo común, con su exclusiva estructura de doble devanado, suprimen eficientemente la interferencia de modo común mientras protegen la integridad de las señales útiles. Son la opción preferida para la supresión de radiación en líneas de señal de alta velocidad y líneas de alimentación. El inductor de modo diferencial, mediante el efecto de autoinducción, atenúa directamente la interferencia de modo diferencial y es la piedra angular del filtrado de conducción de potencia.
Comprender las diferencias fundamentales entre ellos: distintos objetos de supresión, distintas estructuras y distintos principios de funcionamiento, es la base para un diseño correcto de circuitos y una selección adecuada de componentes. Solo combinando razonablemente los tipos específicos de interferencia y los requisitos del circuito puede construirse un sistema electrónico que cumpla normas EMC estrictas.
En los sistemas eléctricos, los dispositivos de medición, como los medidores eléctricos, normalmente deben conectarse a circuitos de alta tensión o alta corriente mediante transformadores de corriente (TC). Una norma común es que los parámetros de interfaz de los medidores eléctricos y la corriente secundaria nominal de sus TC correspondientes sean casi siempre de 5A (o 1A). Este artículo profundizará en las razones detrás de esta norma y, junto con las marcaciones de parámetros habituales en los medidores eléctricos, explicará cómo seleccionar correctamente el transformador de corriente correspondiente.
Los parámetros del transformador de corriente admitidos por el medidor suelen estar marcados en el medidor, como 0.25-5(6)A, 0.015-1.5(6)A, 0.25-5(80)A, 0.25-5(100)A, etc. Estos parámetros identifican el rango de funcionamiento y los requisitos técnicos al conectarse a un TC externo. Estos parámetros identifican el rango de funcionamiento y los requisitos técnicos del medidor cuando se conecta a un TC externo:
Tomemos 0.015-1.5(6)A como ejemplo:
* Corriente de arranque (0.015): la corriente mínima de 15mA que el medidor puede medir con precisión.
* Corriente básica Ib(1.5): el valor de corriente nominal del medidor de energía es 1.5A, y el nivel de precisión del medidor de energía puede garantizarse cuando funciona con esta corriente.
* Corriente máxima Imax(6): la corriente máxima que el medidor puede soportar de forma segura y continua sin daños, 6 A. Esto está cubierto en la especificación IEC/EN 62053 para medidores eléctricos.
Deben seguirse dos principios básicos al seleccionar un transformador de corriente correspondiente: la correspondencia de la corriente secundaria y el dimensionamiento de la corriente primaria.
La corriente secundaria nominal del TC debe coincidir con la corriente básica Ib del medidor de energía.
– Para medidores con parámetros 0.25-5(6)A, 0.25-5(80)A, 0.25-5(100)A, se necesita un transformador de corriente con una corriente secundaria nominal de 5A.
– Para medidores de energía con parámetros 0.015-1.5(6)A (utilizados en escenarios específicos, aunque la corriente básica no sea el estándar de 5A/1A), se necesita equipar un TC con una corriente secundaria nominal de 1.5A (estos son menos comunes y normalmente siguen el estándar de 5A o 1A).
La corriente primaria nominal del TC (que determina la relación de transformación, por ejemplo, 100/5A, 500/5A, 100/1A) debe seleccionarse de acuerdo con la corriente de carga del circuito primario real. El principio de selección consiste en hacer que la corriente de carga real en funcionamiento normal esté cerca de la corriente primaria nominal del TC. Según la norma IEC/EN 61869, 1.2 veces la corriente primaria nominal también se ajusta a la precisión nominal del producto, por lo que se puede garantizar la mejor precisión de medición.
Por lo tanto, para medidores de energía con parámetros de 0.015-1.5(6)A, la mejor correspondencia es un transformador de corriente (TC) con una salida secundaria nominal de 1A.
Si le interesa la medición de corrientes pequeñas y no tiene requisitos altos de precisión y rango de medición, también puede elegir un transformador de corriente (TC) con una salida secundaria nominal de 100mA.
Volviendo a la pregunta central del artículo, ¿por qué la industria ha adoptado generalmente 5A o 1A como corriente secundaria estándar para los TC? La razón es una combinación de rendimiento, estandarización y seguridad:
Requisitos de rendimiento y razones históricas
Los primeros medidores de energía electromecánicos y relés de protección requerían cierta cantidad de energía física (potencia) para accionar los componentes mecánicos. La corriente de 5A proporcionaba una señal y una potencia suficientemente fuertes para garantizar el funcionamiento fiable y preciso de estos dispositivos. Las señales de corriente en el rango de miliamperios son demasiado débiles, susceptibles a interferencias e incapaces de accionar dispositivos antiguos.
Estandarización e intercambiabilidad global
5A está establecido como el estándar global para la industria eléctrica, lo que garantiza que los dispositivos de distintos fabricantes y países sean fácilmente compatibles e intercambiables, simplificando enormemente el diseño, la fabricación y el mantenimiento del sistema.
Equilibrio entre seguridad y economía
El objetivo principal de seguridad del TC es aislar los circuitos de alta tensión y alta corriente de los circuitos de medición de baja tensión. La corriente secundaria relativamente baja de 5A reduce el riesgo operativo. Al mismo tiempo, los 5A logran un buen equilibrio entre los costos de cableado, los requisitos de sección transversal del conductor y la pérdida de potencia. Cuando se requieren largas distancias de cableado, se utiliza el estándar de 1A para reducir aún más las pérdidas de línea (las pérdidas a 1A son solo el 4% de las de 5A).
En resumen, la selección de 5A (o 1A) como corriente secundaria estándar para los TC es el resultado de prácticas de ingeniería que optimizan el rendimiento, el costo, la compatibilidad histórica y la fiabilidad operativa.
Las bobinas Rogowski (RC) y los transformadores de corriente (CT) son dos tecnologías fundamentales para medir corriente alterna; ambas funcionan según el principio de inducción electromagnética. Sin embargo, existen diferencias estructurales fundamentales entre ambas: el diseño con o sin núcleo magnético genera diferencias significativas en su rendimiento, escenarios de aplicación y seguridad. El CT adopta una estructura con núcleo y ofrece un rendimiento excepcional en mediciones de alta precisión, baja frecuencia y estado estable. La RC adopta un diseño sin núcleo, con mayor flexibilidad, un rango dinámico más amplio y características antisaturación, lo que la convierte en una opción ideal para aplicaciones de alta corriente, alta frecuencia y transitorios.
El diseño del núcleo es el diferenciador más crítico entre las dos tecnologías.
| Característica | Bobina Rogowski (RC) | Transformador de corriente (CT) |
| Estructura del núcleo | Sin núcleo (núcleo de aire). | Núcleo de hierro (núcleo magnético pesado). |
| Principio de funcionamiento | Basado en la ley de inducción de Faraday. Genera una tensión proporcional a la tasa de cambio de la corriente primaria (di/dt) . | Basado en la inducción electromagnética. Se apoya en el acoplamiento magnético a través del núcleo para transformar la corriente primaria en corriente secundaria. |
| Señal de salida | Señal de tensión de bajo nivel (di/dt). | Señal de corriente (normalmente secundaria de 5A o 1A). |
| Procesamiento de señal | Requiere un circuito integrador externo para convertir la señal de tensión derivada nuevamente en una señal proporcional a la corriente. | La corriente de salida suele medirse directamente o convertirse en tensión mediante una resistencia de carga. |
El diseño sin núcleo de la bobina Rogowski ofrece ventajas claras en rango dinámico y seguridad, mientras que el núcleo de hierro del CT proporciona simplicidad inherente y alta precisión en condiciones nominales.
| Característica | Bobina Rogowski (RC) | Transformador de corriente (CT) |
| Saturación del núcleo | Ninguna. Inmune a la saturación magnética, incluso con corrientes extremadamente altas. | Propenso a saturarse cuando se expone a corrientes superiores a su valor nominal, lo que provoca una respuesta no lineal y fallos de medición. |
| Rango de medición | Muy amplio. Puede medir desde unos pocos amperios hasta miles de amperios (p. ej., 10kA) con una sola unidad. | Más estrecho. Limitado por el tamaño del núcleo y el punto de saturación. Se requieren CT diferentes para distintos rangos de corriente. |
| Respuesta en frecuencia | Superior/ancho de banda amplio. Excelente respuesta para corrientes de alta frecuencia y transitorias (p. ej., corriente de arranque de motores, corrientes pulsadas). | Limitada. La respuesta en frecuencia está restringida por el material del núcleo. Más adecuada para frecuencias de línea eléctrica (50/60 Hz). |
| Linealidad | Excelente. Mantiene una respuesta lineal en todo su amplio rango de medición. | Alta precisión a corriente y frecuencia nominales, pero la linealidad se degrada significativamente al saturarse. |
| Seguridad (circuito abierto) | Intrínsecamente segura. La salida es una señal de tensión de bajo nivel, sin riesgo de alta tensión si el secundario está abierto. | Peligrosa. Dejar el circuito secundario abierto mientras circula corriente puede generar tensiones extremadamente altas y letales. |
| Forma física | Flexible y ligera (p. ej., media libra para una unidad de 5.000A). | Rígida, pesada y voluminosa (p. ej., hasta 65 libras para un rango comparable). |
| Instalación | Fácil. El diseño flexible de sujeción alrededor simplifica la instalación en barras colectoras o conductores irregulares, especialmente en espacios reducidos. | Difícil. El diseño rígido a menudo requiere un corte total de energía y fabricación personalizada para conductores grandes o irregulares [3]. |
| Complejidad/costo | Más compleja de usar debido al integrador externo o integrado requerido. Puede ser más cara que los CT básicos. | Más sencillo de usar (salida directa de corriente). Generalmente menos caro para aplicaciones estándar. |
La elección entre una RC y un CT depende en gran medida de los requisitos específicos de la aplicación.
| Tecnología | Aplicaciones ideales | Aplicaciones menos adecuadas |
| Bobina Rogowski | – Monitoreo de alta corriente (p. ej., hasta 5.000A y más). | – Medición de corriente CC (las RC solo miden CA/tasa de cambio). |
| – Análisis de alta frecuencia y transitorios (p. ej., electrónica de potencia, corriente de arranque de motores, corrientes de falla). | – Aplicaciones donde el costo/la complejidad del integrador resulta prohibitivo. | |
| – Retroadaptación o instalaciones con conductores irregulares o espacio limitado. | – Medición estándar de servicios públicos donde la medición de alta precisión y baja frecuencia es el único requisito. | |
| Transformador de corriente | – Medición estándar de servicios públicos y aplicaciones de facturación (alta precisión a 50/60 Hz). | – Medición de alta corriente donde existe riesgo de saturación. |
| – Protección por relés y monitoreo industrial a frecuencias de línea eléctrica. | – Análisis de corrientes de alta frecuencia o transitorias. | |
| – Aplicaciones donde se priorizan la simplicidad y el bajo costo. | – Instalaciones con barras colectoras irregulares o restricciones de espacio reducido. |
Las bobinas Rogowski y los transformadores de corriente son tecnologías complementarias. El transformador de corriente sigue siendo la solución de referencia para el monitoreo y la protección de energía tradicionales, de alta precisión y en estado estable a frecuencias de línea eléctrica. La bobina Rogowski, con su diseño sin núcleo, ofrece una solución moderna, flexible y más segura que sobresale en entornos exigentes con altas corrientes, amplios rangos dinámicos y transitorios de alta frecuencia, especialmente en el análisis de calidad de energía y las pruebas de electrónica de potencia.
En los sistemas industriales de medición y control, los transmisores de corriente y los transmisores de tensión convierten señales analógicas en señales eléctricas normalizadas para su transmisión a larga distancia a salas de control para supervisión, registro y control. La uniformidad de estas señales estándar es fundamental para garantizar la interoperabilidad entre distintos dispositivos y la estabilidad del sistema. La Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) ha establecido 4-20 mA CC y 1-5 V CC (mediante conversión resistiva) como estándares de señal analógica para sistemas de control de procesos.
Las señales de corriente ofrecen ventajas significativas frente a las señales de tensión durante la transmisión a larga distancia. Los entornos industriales suelen experimentar interferencias electromagnéticas severas, que distorsionan fácilmente las señales de tensión. Además, las señales de tensión sufren caídas de tensión debido a la resistencia de los cables durante transmisiones prolongadas, lo que provoca atenuación de la señal y errores de medición.
Las ventajas de las señales de corriente se reflejan principalmente en los siguientes aspectos:
• Fuerte resistencia a las interferencias: las tensiones de ruido en entornos industriales pueden alcanzar varios voltios, pero la potencia del ruido es débil y normalmente genera corrientes de ruido por debajo del nivel de nA. Las señales de corriente se ven menos afectadas por la resistencia de línea, resisten la atenuación y garantizan una transmisión de datos fiable en entornos con ruido eléctrico intenso.
• Larga distancia de transmisión: las fuentes de corriente presentan una resistencia interna infinita, lo que significa que la resistencia del cable en serie dentro del lazo no afecta a la precisión. Siempre que el lazo de transmisión permanezca sin ramificaciones, la corriente que circula por el lazo se mantiene constante independientemente de la longitud del cable. Esto permite la transmisión mediante cables de par trenzado estándar a cientos de metros o más, garantizando la precisión de transmisión.
• Cableado reducido: la transmisión de señal de 4-20 mA de dos hilos proporciona simultáneamente alimentación y señal, reduciendo el uso de cables y, por tanto, disminuyendo los costes y la complejidad del cableado.
La señal de 4-20 mA CC es la señal analógica estándar más ampliamente adoptada en aplicaciones industriales. Su elección no es casual, sino que se basa en múltiples consideraciones técnicas y de seguridad.
La elección de 4 mA como punto de partida de la señal de 4-20 mA, en lugar de 0 mA, es una de sus características más importantes, conocida como “cero vivo”.
• Diagnóstico de fallos: cuando la señal indica 0 mA, señala claramente una rotura de línea (circuito abierto) o un fallo del dispositivo, en lugar de un valor de medición cero. Esto hace que el diagnóstico de fallos sea directo e intuitivo, evitando la confusión entre una señal cero y una avería por cable roto.
• Alimentación del sensor: en transmisores de dos hilos, la corriente de 4 mA proporciona la corriente mínima de funcionamiento requerida por los sensores, garantizando su correcto funcionamiento. Esto elimina la necesidad de cables de alimentación adicionales y simplifica el cableado.
La elección de 20 mA como valor de señal a escala completa también se basa en consideraciones de seguridad y practicidad.
• Seguridad: la energía de chispa generada por el flujo de corriente de 20 mA es insuficiente para encender gas, cumpliendo los requisitos de seguridad intrínseca a prueba de explosiones, algo crítico en entornos industriales inflamables y explosivos.
• Consumo de energía y coste: al tiempo que garantiza la calidad de transmisión de la señal y la velocidad de respuesta, 20 mA representa un valor de corriente relativamente bajo, lo que ayuda a reducir el consumo de energía y los costes de los equipos.
En resumen, la señal de 4-20 mA CC se ha convertido en el estándar más ampliamente adoptado en automatización industrial y control de procesos gracias a su excepcional resistencia a las interferencias, capacidad de transmisión a larga distancia, función única de diagnóstico de fallos mediante “cero vivo” y seguridad inherente. Transmite datos de medición de forma fiable, a la vez que reduce eficazmente los costes de cableado y mejora la fiabilidad del sistema.
Los sensores de corriente de la serie HAS indican la magnitud y la dirección de la corriente medida mediante sus señales de salida de tensión. Su característica principal es que la señal de salida toma 2.5V como punto central y se desplaza según la dirección y la magnitud de la corriente sobre esta base. Este diseño permite que el sensor mida corriente bidireccional.
Para el sensor de corriente HAS14Z, su rango de tensión de salida es de 2.5V ± 0.625V. Esto significa:
•Corriente cero (0A): Cuando no pasa corriente por el sensor, la tensión de salida es de 2.5V.
• Corriente directa: Cuando la corriente es directa, la tensión de salida aumentará desde 2.5V hasta un máximo de 2.5V + 0.625V = 3.125V.
• Corriente inversa: Cuando la corriente es inversa, la tensión de salida disminuirá desde 2.5V hasta 1.875V, con un mínimo de 2.5V – 0.625V = 1.875V.
Este rango de 2.5V±0.625V suele corresponder al rango de corriente nominal de medición del sensor. Por ejemplo, para HAS2009, su corriente nominal es de ±20A; para HAS4009, su corriente nominal es de ±100A.
Mediante la sensibilidad nominal (SN) del sensor, podemos convertir la señal de tensión recopilada en el valor real de corriente. La fórmula de cálculo es la siguiente:
IP = (Vout – 2.5V)/SN
Donde:
•IP es la corriente medida (unidad: A)
• Vout es la tensión emitida por el sensor (unidad: V)
•2.5V es la tensión de referencia con corriente cero
•SN es la sensibilidad nominal del sensor (unidad: V/A o mV/A).
Ejemplo:
Supongamos que se utiliza el sensor de corriente HAS14Z (SN = 104.2 mV/A o 0.1042 V/A).
•Si se mide Vout como 2.8V: IP = (2.8V – 2.5V) / 0.1042V /A ≈ 2.88A (corriente directa)
•Si se mide Vout como 2.2V: IP = (2.2V – 2.5V) / 0.1042V /A ≈ -2.88A (corriente inversa)
Los sensores de corriente de la serie HAS suelen tener los siguientes pines:
• VCC (+5V): Entrada positiva de la alimentación del sensor, conectada a una fuente de alimentación estable de 5V CC.
• GND: La tierra de alimentación y la tierra de señal del sensor deben compartirse con el cable de tierra del sistema de control.
• OUT (Vout): Pin de salida de tensión del sensor, utilizado para recopilar señales de corriente.
Typical wiring diagram (taking microcontrollers as an example) :
Precauciones de cableado
1). Fuente de alimentación: Asegúrese de proporcionar una alimentación estable de 5V al sensor. La calidad de la fuente de alimentación afecta directamente la precisión de la medición.
2). Tierra común: El sensor y el microcontrolador deben compartir la misma tierra para evitar errores de medición causados por diferencias de potencial de tierra.
3). Cableado: El cable de la corriente que se va a medir debe pasar correctamente por el orificio de medición del sensor y centrarse tanto como sea posible para garantizar el mejor efecto de medición.
La señal de salida de tensión de 2.5V±0.625V del sensor de corriente se recopila principalmente mediante un convertidor analógico-digital (ADC). Los pasos detallados son los siguientes:
1). Configuración del ADC:
•Seleccione el pin ADC: Conecte el pin OUT del sensor a uno de los pines de entrada ADC del microcontrolador.
•Configure la tensión de referencia: Configure la tensión de referencia del ADC en 5V (si el rango de salida del sensor es de 0.25V a 4.75V), o seleccione una tensión de referencia adecuada según la situación real. Asegúrese de que el ADC pueda cubrir todo el rango de salida del sensor.
•Configure la resolución y la frecuencia de muestreo: Seleccione la resolución (como 10 bits o 12 bits) y la frecuencia de muestreo del ADC según los requisitos de la aplicación. Una mayor resolución proporciona mediciones más precisas, y una frecuencia de muestreo más alta es adecuada para corrientes que cambian rápidamente.
2). Lea el valor del ADC:
•Los valores digitales de los pines de entrada ADC se leen periódicamente mediante programación del microcontrolador.
3). Convierta el valor del ADC a tensión:
•Convierta el valor digital leído al valor de tensión real Vout. Por ejemplo, para un ADC de 10 bits (0-1023) con una tensión de referencia de 5V, la fórmula de conversión es: Vout = (ADC_Value / 1024.0) * 5.0 (unidad: V)
4). Calcule la corriente real
•Use la siguiente fórmula para convertir la tensión Vout en la corriente real IP: IP = (Vout – 2.5V)/SN, donde SN es la sensibilidad nominal del sensor (unidad: V/A). Por ejemplo, la SN de HAS14Z es 0.1042 V/A.
Cálculo de ejemplo
Supongamos que se utiliza el sensor de corriente HAS14Z (SN = 0.1042 V/A).
•Si la tensión de salida Vout medida por el ADC es 2.8V: IP = (2.8V – 2.5V) / 0.1042V /A ≈ 2.88A (corriente directa)
•Si la tensión de salida Vout medida por el ADC es 2.2V: IP = (2.2V – 2.5V) / 0.1042V /A ≈ -2.88A (corriente inversa)
Siguiendo los pasos anteriores, puede recopilar y calcular con precisión la magnitud y la dirección de la corriente que se está midiendo.
Los sensores de corriente de la serie HAS con principio de lazo cerrado se utilizan ampliamente en los siguientes campos debido a su capacidad de medición de corriente bidireccional y sus características de salida de tensión:
• Control de motores: Logra un control preciso de velocidad y par para vehículos eléctricos, robots industriales y otros equipos.
• Sistema de gestión de baterías (BMS): Supervisa el estado de carga y descarga de la batería para optimizar su salud y eficiencia.
• Gestión de energía: Utilizado en UPS, SMPS, inversores solares, etc., controla con precisión el flujo de energía.
Sistemas de energía renovable: Supervisan la corriente en los puntos de conexión entre los sistemas de almacenamiento de energía y la red eléctrica para optimizar la conversión de energía.
• Automatización industrial: Proporciona datos de corriente en tiempo real para control de procesos, diagnóstico de fallos y protección de seguridad.
Los transformadores de corriente (TC), los transformadores de tensión (TT, también conocidos como transformadores de potencial (TP)) y los transformadores de potencia funcionan según el principio de la inducción electromagnética, pero difieren significativamente en su diseño, finalidad y características de funcionamiento. En pocas palabras, los TC y los TT son transformadores de medida, utilizados principalmente para medir y proteger la corriente o la tensión en sistemas eléctricos, mientras que los transformadores de potencia son transformadores de potencia, utilizados principalmente para la conversión de tensión en la transmisión y distribución de energía. A continuación, los compararé desde múltiples perspectivas.
La siguiente tabla resume las diferencias clave entre los tres tipos de transformadores:
| Transformador de corriente (TC) | Transformador de tensión (TT) | Transformador de aislamiento de control/seguridad | |
|---|---|---|---|
| Aplicaciones | Medir y supervisar la corriente y proteger equipos (como relés). | Medir y supervisar la tensión y proteger equipos. | Proporcionar aislamiento eléctrico y conversión de tensión para circuitos de control y suministro eléctrico seguro (por ejemplo, prevenir descargas eléctricas y alimentar equipos de baja tensión). |
| Modo de funcionamiento | Cuando el primario está conectado en serie con el circuito de carga, el secundario debe estar cortocircuitado (o conectado a una carga de baja impedancia) para evitar altas tensiones peligrosas. | Cuando el primario está conectado en paralelo, el secundario está en circuito abierto o conectado a una carga de alta impedancia (como un medidor). | Los terminales primario y secundario se conectan a la fuente de alimentación y a la carga según sea necesario para la transmisión de energía y no tienen función de medición. |
| Características de la relación de transformación | Relación reductora de corriente (alta corriente → baja corriente, por ejemplo, 1000 A:5 A), baja tensión secundaria. | Relación reductora de tensión (alta tensión → baja tensión, por ejemplo, 1 kV:10 V), alta impedancia secundaria. | Relación reductora de tensión (por ejemplo, 220 V:24 V), con énfasis en el aislamiento y la transferencia de energía. |
| Características de diseño | Menos espiras primarias, más espiras secundarias; alta precisión, baja saturación; capacidad pequeña (varios VA). | Similar a un transformador pequeño, alta precisión; capacidad pequeña (de varios VA a decenas de VA). | Diseño de aislamiento de doble devanado con apantallamiento para mayor seguridad; PCB de baja tensión o montaje en chasis; alta eficiencia, adecuado para cargas intermitentes o continuas; gran capacidad (de varios VA a varios kilovoltios). |
| Requisitos de carga | El secundario debe estar cortocircuitado o tener baja impedancia para evitar tensiones peligrosamente altas. | El secundario puede dejarse abierto para cargas de alta impedancia (como instrumentos). | Al conectar el secundario a una carga real (como un dispositivo de control), puede dejarse abierto, pero no se recomienda. |
| Precisión y error | Hace hincapié en la precisión de medición de corriente (error <1%). | Hace hincapié en la precisión de medición de tensión (error <0,5%). | Se pone énfasis en el aislamiento y la eficiencia (>65%), no en la precisión de medición; la regulación de tensión es baja. |
| Escenario de aplicación | Medición de energía, sistemas de protección, amperímetros. | Voltímetros, medidores de energía, relés de protección. | Automatización industrial, controles de máquinas herramienta, equipos médicos, iluminación de seguridad, módulos de alimentación para PCB. |
En los sistemas modernos de medición de energía, la medición precisa de la corriente es crucial. El Atmel M90E32AS es un CI de medición de energía multifásica de alto rendimiento y amplio rango dinámico, ampliamente utilizado en diversos medidores de energía y equipos de monitoreo de energía. Los transformadores de corriente (TC) desempeñan un papel indispensable al transmitir de forma segura y precisa señales de alta tensión y alta corriente al M90E32AS para su procesamiento. Este artículo profundizará en los principios de funcionamiento de los transformadores de corriente y en cómo conectarlos correctamente al M90E32AS para una medición de corriente fiable.
El Atmel M90E32AS es un circuito integrado de alto rendimiento diseñado para la medición de energía multifásica. Integra seis ADC Sigma-Delta independientes de segundo orden capaces de procesar simultáneamente señales de tensión y corriente trifásicas. El procesador digital de señales (DSP) interno del chip realiza cálculos complejos sobre los datos recopilados por los ADC para derivar parámetros clave de energía, como potencia activa, potencia reactiva, potencia aparente, factor de potencia, frecuencia y valores RMS de tensión y corriente. El M90E32AS admite el muestreo de corriente mediante un transformador de corriente (TC) o una bobina de Rogowski, y el muestreo de tensión mediante una red divisora resistiva.
El chip M90E32AS proporciona tres conjuntos de pines de entrada de corriente diferencial: I1P/I1N, I2P/I2N e I3P/I3N, correspondientes a la medición de corriente trifásica. Estos pines son los terminales de entrada de los canales ADC analógicos, lo que permite un mapeo flexible de canales para adaptarse a diferentes configuraciones de sistemas trifásicos (como trifásico de cuatro hilos o trifásico de tres hilos).
El ADC dentro del chip es responsable de convertir la señal analógica de corriente en una señal digital. El M90E32AS tiene un alto rango dinámico y alta precisión, lo que puede garantizar una medición precisa en un amplio rango de corriente. La hoja de datos indica que el muestreo de corriente se realiza mediante un transformador de corriente (TC) o una bobina de Rogowski (bobina di/dt) [1]. Esto significa que el sensor externo convierte la señal de corriente en una señal de tensión aceptable para el M90E32AS.
El DSP del M90E32AS no solo calcula parámetros de energía, sino que también admite compensación de ganancia y ángulo de fase para corregir errores introducidos por sensores y circuitos externos. Esto es crucial para garantizar la precisión de todo el sistema de medición. El chip también cuenta con umbrales programables de arranque y potencia sin carga, así como monitoreo de señales transitorias de corriente y tensión. Estas funciones permiten que el M90E32AS funcione de manera estable y fiable en entornos eléctricos complejos.
Un transformador de corriente (TC) es un tipo especial de transformador que se utiliza para convertir proporcionalmente corrientes grandes en corrientes más pequeñas para medición, protección y control. Sus funciones principales son el aislamiento de corriente y el escalado de corriente. El principio de funcionamiento de un TC se basa en la ley de inducción electromagnética: cuando la corriente fluye por el devanado primario (normalmente el cable que pasa por el centro del TC), genera flujo magnético en el núcleo. Este flujo induce una fuerza electromotriz en el devanado secundario, generando una corriente secundaria.
La relación de un TC es la relación entre su corriente nominal del lado primario y su corriente nominal del lado secundario; por ejemplo, 100A/5A o 100A/0.1A. Esto significa que cuando 100A fluyen por el primario, la salida del secundario será de 5A o 0.1A. En aplicaciones de medición de energía, normalmente se seleccionan TC con una salida secundaria de miliamperios o menos para permitir la conexión directa a la entrada de corriente de un chip de medición.
La clase de precisión de un TC indica su error de medición dentro de su rango de corriente nominal. Por ejemplo, un TC de clase 0.2S indica un error dentro de un rango de corriente específico de ±0.2%, lo cual es fundamental para la medición de energía de alta precisión.
La carga de un TC se refiere a la impedancia del instrumento o dispositivo de medición conectado a su lado secundario. El lado secundario de un TC siempre debe estar cerrado; de lo contrario, un circuito abierto hará que se desarrolle alta tensión en el lado secundario, lo que podría dañar el TC o representar un peligro para el personal. Aislamiento: los TC proporcionan aislamiento eléctrico entre el circuito de alta tensión del lado primario y el circuito de medición de baja tensión del lado secundario, mejorando así la seguridad y fiabilidad del sistema.
En la medición de energía, los TC se utilizan a menudo para medir corrientes altas en el circuito principal. Los TC pueden reducir la tensión y la corriente de la señal de alta corriente en el circuito principal, convirtiéndola en una señal de baja corriente o baja tensión que el chip de medición puede procesar. Esto no solo protege el chip de medición del impacto directo de la alta tensión y corriente, sino que también hace que el diseño del sistema de medición sea más flexible y seguro.
Conectar transformadores de corriente al chip Atmel M90E32AS requiere considerar cuidadosamente el circuito de acondicionamiento de señal para garantizar la precisión de la medición y la seguridad del chip. Los pines de entrada de corriente del chip M90E32AS (I1P/I1N, I2P/I2N e I3P/I3N) son entradas diferenciales, lo que significa que miden la diferencia de tensión entre los dos pines. Por lo tanto, la salida del transformador de corriente normalmente debe convertirse en una señal de tensión mediante una resistencia de muestreo antes de alimentarse a las entradas diferenciales del chip.
Podemos ver cómo se conecta un transformador de corriente (TC). Normalmente, el lado secundario del TC se conecta a una resistencia shunt de bajo valor. Cuando la corriente fluye a través de la resistencia shunt, se genera en ella una caída de tensión proporcional a la corriente. Esta caída de tensión sirve como señal de entrada para el ADC del chip M90E32AS.
Usando la medición de corriente monofásica como ejemplo, la salida secundaria del TC se conecta a la resistencia shunt, que luego se conecta a los pines I_P e I_N del chip M90E32AS. Para mejorar la precisión de la medición y suprimir el ruido de modo común, normalmente se conecta un condensador en paralelo con la resistencia shunt para formar una red de filtrado RC. Además, puede requerirse una red divisora de tensión o un circuito de polarización para proporcionar una tensión de polarización adecuada y garantizar que la entrada del ADC esté dentro del rango de funcionamiento del M90E32AS.
Potencial de cavitación, lo que provoca descargas parciales, puntos calientes y grietas por ciclos térmicos
La vida útil puede reducirse entre un 40 y un 60%
Evacúa el aire a ≤5 mbar
Inyecta resina epoxi UL94V-0 y cura en un entorno sin humedad
Mejora significativamente el rendimiento del aislamiento y la estabilidad térmica
Un transformador para dispositivo médico encapsulado al vacío superó una prueba de envejecimiento acelerado de 50.000 horas.
Un dispositivo no encapsulado al vacío falló después de 18.000 horas.
| Factor de estrés | Consecuencia | Beneficio del moldeado al vacío |
|---|---|---|
| Vibración (5–2000Hz) | Fatiga del cable | Amortigua la resonancia un 300% mejor |
| Choque térmico (-40~125°C) | Grietas en las uniones de soldadura | Absorción de resina con CTE compatible |
| Humedad (85% HR) | Trayectorias de corrosión | Barrera de permeabilidad cero |
–No confíe únicamente en la ficha técnica; solicite:
–Escaneo de rayos X que muestre la distribución de vacíos
–Informe de sección transversal que mida el tamaño de las burbujas
–Prueba de choque térmico (-55°C a +150°C, 500 ciclos)
–Prueba de descarga parcial <5 pC (a 2 veces la tensión de funcionamiento)
Los transformadores PCB de YHDC utilizan tecnología de conformado al vacío, lo que da como resultado un rendimiento extremadamente alto de resistencia a la tensión, una mayor resistencia a los choques mecánicos y un rendimiento mecánico estable en entornos de alta y baja temperatura. Son adecuados para aplicaciones de alta fiabilidad, como electrónica médica, militar, de control industrial y automotriz.
Un transformador de corriente de núcleo partido facilita la medición de corriente sin cortar cables.
El núcleo de un transformador de corriente de tipo partido puede abrirse, lo que permite pasar los cables por el centro y asegurarlos. Este transformador es adecuado para aplicaciones en las que no es posible cortar cables. El video muestra cómo conectar y probar un transformador de corriente, monitorear la corriente y el voltaje de salida, y usar un rectificador para convertir CA en CC.
Los transformadores de corriente de núcleo partido proporcionan un excelente aislamiento y facilidad de uso para la medición de potencia.
Un autotransformador es un transformador cuyos devanados primario y secundario están en el mismo devanado. Según la estructura, también puede dividirse en tipo de voltaje ajustable y tipo fijo. El acoplamiento de un autotransformador significa acoplamiento electromagnético. Los transformadores comunes transfieren energía mediante el acoplamiento electromagnético de las bobinas primaria y secundaria. No hay conexión eléctrica directa entre los lados primario y secundario. Los lados primario y secundario de los autotransformadores tienen conexión eléctrica directa, y su bobina de bajo voltaje forma parte de la bobina de alto voltaje. Los autotransformadores y otros equipos de protección también se utilizan en los equipos de protección de las líneas de comunicación.
Un autotransformador es un transformador de autoacoplamiento. La estructura del autotransformador es relativamente simple, de bajo costo, y la entrada/salida y la línea neutra son compartidas. El lado secundario del transformador forma parte del lado primario. Los lados primario y secundario comparten un devanado, como dos bobinas que salen de una línea. Las dos bobinas usan la diferencia de corriente para cortar las líneas de fuerza magnética y transformar el voltaje. Generalmente se utiliza para elevar la potencia de CC. La salida y la entrada del transformador tienen conexión eléctrica directa, y su rendimiento de seguridad es deficiente.
El transformador de aislamiento se refiere a un transformador con aislamiento eléctrico entre el devanado de entrada y el devanado de salida. El transformador de aislamiento se utiliza para evitar el contacto accidental con objetos energizados al mismo tiempo. El aislamiento del transformador consiste en aislar la corriente de los devanados primario y secundario. Se utilizó en la industria eléctrica de los países europeos en los primeros tiempos, y se usa ampliamente en la fuente de alimentación de control de circuitos generales en la industria electrónica o en empresas industriales y mineras, máquinas herramienta y equipos mecánicos, así como en la fuente de alimentación de iluminación de seguridad y luces indicadoras.
La función principal del transformador de aislamiento es aislar el equipo eléctrico de la red eléctrica. Se utiliza en ocasiones de seguridad o en situaciones con requisitos antiinterferencias. No hay conexión eléctrica directa entre el equipo eléctrico y la fuente de alimentación. La estructura de aislamiento tiene muchos materiales y un costo elevado. Además de cambiar el voltaje, también puede aislar eléctricamente entre sí el devanado de entrada y el devanado de salida, y aislar la entrada/salida y la línea neutra para evitar el peligro de tocar al mismo tiempo el objeto energizado (o piezas metálicas que puedan quedar cargadas debido a daños en el aislamiento) y la tierra. Además, el transformador de aislamiento también tiene cierto efecto de supresión de diversas interferencias, cuenta con rendimiento de filtrado y es altamente seguro.
El transformador de aislamiento es el transformador más común. Sus devanados de bajo voltaje y alto voltaje están bobinados con bobinas separadas y no tienen conexión eléctrica. No hay conexión eléctrica directa entre los lados primario y secundario, y el devanado secundario no está conectado a tierra.
Los lados primario y secundario del autotransformador tienen conexión eléctrica directa. Su bobina de bajo voltaje forma parte de la bobina de alto voltaje, es decir, un devanado con una sola ruta eléctrica. Hay una derivación en el centro del devanado como punto común de las bobinas de alto voltaje y bajo voltaje.
Normalmente, una línea del voltaje de alimentación de CA que usamos está conectada a tierra, y la otra línea tiene una diferencia de potencial de 220 V o 380 V con respecto a tierra. Las personas sufrirán una descarga eléctrica si la tocan. Las bobinas secundaria de alto y bajo voltaje del transformador de aislamiento están eléctricamente aisladas entre sí y no están conectadas a tierra. No hay diferencia de potencial entre cualquiera de sus dos líneas y la tierra. Las personas no sufrirán una descarga eléctrica si tocan cualquier línea, lo que es más seguro. Por lo tanto, independientemente de si el voltaje secundario supera el valor de voltaje seguro, siempre que la persona no toque al mismo tiempo los dos puntos de salida del secundario con diferencia de voltaje, no causará daño a las personas. Esta es la mayor ventaja del transformador de aislamiento. Pero es de gran tamaño y alto costo.
Debido a que las bobinas de alto y bajo voltaje del autotransformador se superponen, se ahorran algunos materiales de alambre de bobina, por lo que no solo es de tamaño pequeño, sino también de bajo costo. Sin embargo, sus bobinas de alto y bajo voltaje están conectadas. Incluso si el voltaje de salida del lado de bajo voltaje del transformador reductor es muy bajo, debido a que sus dos devanados tienen una parte común, el alto voltaje primario se “infiltrará” en la bobina secundaria, lo que es muy fácil que cause daño a las personas.
Los transformadores de aislamiento trifásicos se utilizan principalmente para cargas de potencia de sistemas eléctricos y empresas industriales y mineras, y fuentes de alimentación que requieren aislamiento de la red eléctrica para convertir la electricidad de la red en electricidad magnética. Se utilizan como equipos de alimentación para medición de precisión y purificación de pruebas (antiinterferencias) de la energía y la red eléctrica. Los transformadores de aislamiento son fuentes de alimentación seguras y se usan generalmente para el mantenimiento de máquinas con el fin de proteger, prevenir rayos y filtrar.
Los lados primario y secundario del autotransformador están conectados eléctricamente de forma directa. Si la línea está dañada o tiene fugas, es muy fácil que cause daño a las personas. Generalmente se utiliza en lugares donde los requisitos de seguridad no son altos. Solo necesita cambiar el voltaje para que el voltaje cumpla con el voltaje requerido por el equipo. Sin embargo, el equipo no puede estar equipado con un dispositivo de protección contra fugas y el cable neutro no puede conectarse a tierra.
En el enorme sistema de los equipos electrónicos, la fuente de alimentación es una parte clave para garantizar el funcionamiento estable del equipo. Como dos tipos comunes de fuentes de alimentación, la fuente de alimentación conmutada y la fuente de alimentación lineal presentan diferencias evidentes en múltiples dimensiones, lo que afecta directamente la aplicabilidad de la fuente de alimentación en distintos escenarios. Comprender sus diferencias es muy importante tanto para que los ingenieros electrónicos profesionales diseñen circuitos como para que los aficionados a la electrónica mantengan y utilicen equipos electrónicos.
El núcleo de la fuente de alimentación conmutada es que el transistor de conmutación se enciende y se apaga a alta frecuencia. Tome como ejemplo el circuito reductor Buck común:
Fase de conducción: cuando el transistor de conmutación se enciende, la tensión de entrada se aplica al inductor, el inductor comienza a almacenar energía, y la corriente alimenta la carga y carga el condensador de salida al mismo tiempo; la corriente del inductor aumenta gradualmente.
Fase de apagado: cuando el transistor de conmutación se apaga, la corriente en el inductor no puede cambiar de forma repentina, por lo que formará un bucle a través del diodo de rueda libre, continuará suministrando energía a la carga y la corriente del inductor disminuirá gradualmente.
Método de control: la tensión de salida se controla con precisión ajustando la proporción del tiempo de conducción del transistor de conmutación dentro de todo el ciclo de conmutación, es decir, el ciclo de trabajo.
Por ejemplo, la conversión de una entrada de 12 V a una salida de 5 V se logra ajustando el ciclo de trabajo. La frecuencia de funcionamiento de la fuente de alimentación conmutada suele estar entre decenas de kHz y varios MHz. Las características de funcionamiento de alta frecuencia le permiten usar inductores, condensadores y otros componentes de almacenamiento de energía miniaturizados para mejorar eficazmente la densidad de potencia.
Las fuentes de alimentación lineales utilizan las características de amplificación lineal de los componentes de ajuste lineal (como transformadores lineales) para estabilizar la tensión de salida:
Proceso básico: la alimentación de CA de entrada primero se reduce mediante el transformador y luego el rectificador la convierte en alimentación de CC. Después de un suavizado preliminar mediante el condensador de filtro, el transistor de ajuste lineal ajusta continuamente la resistencia interna según la señal de realimentación para estabilizar la tensión de salida.
Estado de funcionamiento: el transistor de ajuste lineal siempre trabaja en la zona de amplificación lineal, y la corriente pasa de forma continua, lo que garantiza la estabilidad del proceso de ajuste de tensión.
Este método de ajuste continuo hace que la tensión de salida sea más estable y resulta adecuado para escenarios con altos requisitos de precisión de tensión.
La eficiencia de una fuente de alimentación conmutada suele estar entre el 70 % y el 95 %, principalmente debido a las siguientes características:
Cuando está encendida: la resistencia interna del transistor de conmutación es extremadamente pequeña, y la pérdida de calor es baja cuando la corriente pasa a través de él.
Cuando está apagada: casi no pasa corriente, y la pérdida de potencia puede ignorarse.
Solo en el momento de la conmutación: se genera cierta pérdida debido a la superposición de tensión y corriente, pero la proporción general es pequeña.
En aplicaciones de alta potencia (como fuentes de alimentación para servidores y equipos industriales), las características de alta eficiencia de las fuentes de alimentación conmutadas pueden reducir significativamente el consumo de energía y ahorrar costos operativos.
La eficiencia de una fuente de alimentación lineal suele estar entre el 30 % y el 60 %, principalmente porque:
El transistor de ajuste lineal necesita consumir continuamente su propia potencia para ajustar la tensión de salida.
Cuando la diferencia entre la tensión de entrada y la de salida es grande, la pérdida de potencia en el transistor de ajuste es significativa, y una gran cantidad de energía eléctrica se desperdicia en forma de energía térmica.
Por ejemplo, cuando la entrada es de 12 V y la salida es de 5 V, el transistor de ajuste debe soportar una caída de tensión de 7 V, y toda esa parte de la energía se convierte en calor. Por lo tanto, las fuentes de alimentación lineales se utilizan principalmente en aplicaciones de baja potencia y baja eficiencia.
Debido a su modo de funcionamiento pulsado, el rizado de salida de la fuente de alimentación conmutada es grande. Aunque el rizado puede reducirse añadiendo un circuito de filtro (como condensador electrolítico + condensador cerámico en paralelo), su nivel de rizado sigue siendo superior al de la fuente de alimentación lineal.
Escenarios aplicables: adecuada para equipos con bajos requisitos de rizado, como fuentes de alimentación comunes para accionamiento de motores.
Escenarios restringidos: no es adecuada para circuitos con altos requisitos de pureza de alimentación, como el procesamiento de señales analógicas de precisión o equipos de audio de alta gama.
La fuente de alimentación lineal tiene un rizado de salida extremadamente pequeño gracias al ajuste lineal y al filtrado suave, y es adecuada para:
Equipos de medición de alta precisión (como osciloscopios e instrumentos de diagnóstico médico)
Sistemas con requisitos extremadamente altos de estabilidad de tensión (como instrumentos de investigación científica y circuitos amplificadores de precisión)
La fuente de alimentación conmutada tiene una alta frecuencia de funcionamiento, puede usar inductores y condensadores pequeños, y no requiere grandes transformadores de frecuencia de red, por lo que:
Tamaño pequeño y peso ligero
Alta densidad de potencia: puede proporcionar mayor potencia con el mismo volumen
Se utiliza ampliamente en dispositivos portátiles (como cargadores de teléfonos móviles y adaptadores de alimentación para tabletas) y sistemas con estrictos requisitos de espacio.
La fuente de alimentación lineal tiene una baja frecuencia de funcionamiento y requiere el uso de transformadores de potencia de gran tamaño y condensadores de filtro de gran capacidad, lo que provoca:
Gran tamaño y peso elevado
No es adecuada para equipos con limitaciones de espacio
En ocasiones como equipos médicos portátiles y drones pequeños, las fuentes de alimentación lineales pueden verse limitadas por problemas de volumen
Debido a la presencia de componentes de almacenamiento de energía, como inductores y condensadores, se necesita cierto tiempo para ajustar la tensión de salida cuando la carga cambia repentinamente. Aunque la velocidad de respuesta puede mejorarse optimizando el circuito de control, la mejora de la velocidad de respuesta está limitada por las características de los componentes de almacenamiento de energía.
Escenarios aplicables: equipos con cambios de carga poco frecuentes
El transistor de ajuste de la fuente de alimentación lineal puede ajustar rápidamente la resistencia interna y responder a los cambios de carga. Es adecuada para:
Amplificador de audio (necesita seguir rápidamente la señal de audio)
Sistema de adquisición de datos de alta velocidad
Sistema de control de movimiento de precisión
La fuente de alimentación conmutada genera armónicos de alta frecuencia durante el encendido/apagado de alta frecuencia, lo que produce una fuerte interferencia electromagnética (EMI):
Interferencia conducida: se conduce a través de la línea de alimentación
Interferencia radiada: se irradia a través del espacio
Para reducir la interferencia, se requieren medidas de filtrado, blindaje y optimización del diseño de la PCB, lo que aumenta la complejidad y el costo del diseño.
La fuente de alimentación lineal tiene una baja frecuencia de funcionamiento, y las principales fuentes de interferencia electromagnética son las fugas del transformador y el ruido del rectificador. La frecuencia de interferencia es baja y la intensidad es débil, por lo que casi no se requieren medidas de supresión adicionales.
Escenarios aplicables: entornos sensibles a la interferencia electromagnética, como cerca de equipos de comunicación inalámbrica
La serie SCT013 son sensores de transformadores de corriente no invasivos que miden la intensidad de una corriente que atraviesa un conductor sin necesidad de cortar ni modificar el propio conductor. Podemos usar estos sensores con un procesador, como Arduino, para medir la intensidad o la potencia consumida por una carga.
Los sensores SCT013 son transformadores de corriente, dispositivos de instrumentación que proporcionan una medición proporcional a la intensidad que atraviesa un circuito. La medición se realiza por inducción electromagnética.
Los sensores SCT013 tienen un núcleo dividido (como una pinza) que permite al usuario cerrarlo alrededor de equipos eléctricos sin tener que cortarlos.
En la serie SCT013 hay modelos que proporcionan la medición como salida de corriente o de tensión. Es preferible usar la salida de tensión porque la conexión es más sencilla.
La precisión del sensor puede desviarse solo un 1-2%. Para garantizar la máxima precisión, es fundamental confirmar que el núcleo se haya cerrado correctamente. Incluso un pequeño entrehierro puede causar una desviación del 10%.
Como desventaja, al ser una carga inductiva, el SCT013 introduce una variación del ángulo de fase, cuyo valor depende de la carga que pasa a través de él, pudiendo llegar hasta 3º.
Los transformadores de corriente son componentes comunes en el mundo industrial, así como en la distribución eléctrica, ya que permiten supervisar los puntos de consumo cuando no existe otra forma de medición. También se consideran instrumentos de medición múltiples, incluso en equipos portátiles como pinzas amperimétricas o analizadores de red.
Por ejemplo, en nuestros proyectos de electrónica y domótica, podemos usar los sensores de corriente SCT013 para medir el consumo eléctrico de un dispositivo, comprobar el estado de una instalación eléctrica y registrar el consumo de electricidad en monitores de energía domésticos. una instalación o incluso acceder a través de internet en tiempo real.
PRECIO
La serie SCT013 tiene una variedad de modelos que pueden cambiar el rango de medición y el tipo de salida. Físicamente, son iguales, aunque es posible identificarlos por el texto escrito en la carcasa del producto.
| Modelo | SCT013-000 | SCT013-005 | SCT013-010 | SCT013-015 | SCT013-020 |
| Corriente de entrada | 0-100A | 0-5A | 0-10A | 0-15A | 0-20A |
| Tipo de salida | 0-50mA | 0-1V | 0-1V | 0-1V | 0-1V |
| Modelo | SCT013-025 | SCT013-030 | SCT013-050 | SCT013-060 | SCT013-100 |
| Corriente de entrada | 0-25A | 0-30A | 0-50A | 0-60A | 0-100A |
| Tipo de salida | 0-1V | 0-1V | 0-1V | 0-1V | 0-1V |
El precio de todos los modelos es similar, y buscamos vendedores internacionales como eBay, Amazon o AliExpress.
El modelo más común es SCT013-000, cuya corriente máxima es 100A, la salida de corriente es 50mA (100A:50mA), la corriente máxima del SCT-013-030 es 30A (30A/1V), y la salida de tensión es 1V.
Finalmente, aunque es importante tener un amplio rango de mediciones, es importante tener en cuenta que un modelo de mayor intensidad dará como resultado menos precisión. Una intensidad de 30A a 230V corresponde a una carga de 6.900W, suficiente para la mayoría de los usuarios domésticos.
¿Cómo funciona el SCT013?
Los sensores SCT013 son pequeños transformadores de corriente, o CT. Los transformadores de corriente son instrumentos ampliamente utilizados para elementos de medición.
Un transformador de corriente es similar a un transformador de tensión y se basa en los mismos principios de funcionamiento (de hecho, antes eran idénticos). Sin embargo, tienen objetivos diferentes y, como resultado, se diseñan y construyen de forma distinta.
Un transformador de corriente busca generar en el secundario una intensidad proporcional a la intensidad que pasa por el primario. Para ello, se desea que el primario esté formado por un número reducido de vueltas.
Podemos usar el transformador de corriente para construir sensores de corriente no intrusivos. En el sensor de corriente, el núcleo ferromagnético puede separarse para que el conductor pueda abrirse y enrollarse.
Así, tenemos un transformador, es decir:
Cuando la corriente alterna circula por el conductor, se genera un flujo magnético en el núcleo ferromagnético, que a su vez genera una corriente eléctrica en el devanado secundario.
La relación de transformación de intensidad depende de la relación entre el número de vueltas:
El primario suele estar formado por una sola espira hecha por el conductor que se va a medir. Aunque es posible enrollar el conductor para que pase más de una vez dentro de la “pinza”. El número de vueltas del secundario, integrado en la sonda, varía entre 1000-2000, según los modelos del SCT013.
A diferencia de los transformadores de tensión, en un transformador de corriente el circuito secundario nunca debe abrirse, porque las corrientes inducidas podrían dañar el componente. Por esta razón, los sensores SCT13 tienen protecciones: resistencia de carga en los sensores con salida por tensión, o diodos de protección en los sensores con salida por corriente.
Diagramas de montaje
Para entender la conexión del sensor SCT013, tenemos que comprender y resolver tres problemas:
Salida del sensor en intensidad
Ajuste del rango de tensión
Tensiones positivas y negativas
SALIDA DEL SENSOR EN INTENSIDAD
Los SCT013 son transformadores de corriente, es decir, la medición se obtiene como una señal de intensidad proporcional a la corriente que fluye por el cable,. Sin embargo, los procesadores solo son capaces de medir tensiones.
Este problema es fácil de resolver. Para convertir la salida en intensidad en una salida de tensión, solo tenemos que incluir una resistencia (resistencia de carga).
Con excepción del modelo SCT013-000, todos los demás modelos SCT013 tienen una resistencia de carga interna para que la salida sea una señal de tensión de 1V. Por eso no será una preocupación.
Solo en el caso del SCT013-000 no hay resistencia de carga interna, por lo que la salida es una señal de ± 50mA. Una resistencia de 33Ω en paralelo con el sensor será suficiente.
Tensiones positivas y negativas
Otro problema que tenemos que resolver es que estamos midiendo corriente alterna, y la intensidad inducida en el secundario es alterna. Después de pasar por la resistencia de carga, ya sea interna o externa, la salida de tensión también es alterna.
Sin embargo, como sabemos, las entradas analógicas de la mayoría de los procesadores, incluido Arduino, solo pueden medir tensiones positivas.
Para medir la tensión en la salida del transformador, tenemos varias opciones, ordenadas aquí de menos a más recomendada:
Adaptación del rango de tensión
El último problema es la necesidad de adaptar el rango de tensiones en la salida del sensor. Arduino solo puede realizar mediciones entre 0 y Vcc. Además, cuanto menor sea el rango, mayor será la pérdida de precisión, por lo que debemos adaptarnos a este rango.
Por otro lado, debemos recordar que cuando se trata de tensión de CA, normalmente se usan valores RMS. Repasemos brevemente las ecuaciones de tensión de pico y pico a pico:
Por lo tanto, para un sensor con una salida de ±1V RMS, la tensión de pico es ±1.414V y la
En el caso del SCT013-000, la salida será de ±50mA. Con una resistencia de carga externa de 33Ω, la tensión de salida es de ±1.65V RMS, por lo que la tensión de pico es ±2.33V y la tensión pico a pico es 4.66V.
Conexión eléctrica
Ya tenemos todos los componentes para medir la intensidad de la red con un sensor SCT-013. Usaremos un sensor con salida de tensión ± 1V RMS y resistencia de carga interna, junto con un ADC como el ADS1115 en modo diferencial.
Ajustar la ganancia del ADS1115 a 2.048V lo situará dentro del rango de ± 1.414V. En el caso de un sensor de 30A tendremos una precisión de 1.87mA, y de 6.25 mA para un sensor de 100A.
Si usas un SCT013-000 con una salida de ± 50mA, tendremos que añadir una resistencia de carga externa de 33Ω y elevar la ganancia del ADS1115 a 4.096V para cumplir con el rango de ± 2.33
La conexión, vista desde Arduino, sería únicamente la alimentación del módulo ADS1115, como vimos en la entrada sobre el ADS1115.
Para la medición, es importante que usemos solo un cable en la “pinza” Si usamos varios conductores (dos conductores para una instalación monofásica y tres para una instalación trifásica), el papel del conductor quedará anulado. Esto produce una inductancia cero y, por tanto, produce una medición vacía.
El sensor SCT013 tiene un conector Jack 3.5, muy común en el campo del audio, pero no es suficiente para usarlo en nuestros proyectos electrónicos. Para poder conectarlo, debemos cortar el cable o conseguir un conector hembra de nuestro cable de soldadura. Afortunadamente, estos terminales son fáciles de conseguir, pero no descartes cortar los cables.
Si no quieres usar un ADC externo, también puedes usar una solución más tradicional que añade un circuito que nos permite agregar un offset central.
A partir de ahora, asumiremos que usas un Arduino con Vcc 5V. Si usas otro procesador o un modelo de Arduino con otro Vcc (por ejemplo, 3.3V), debes corregir la parte correspondiente.
Cuando añadimos un punto de offset de CC de 2.5V, el rango final fue de 1.08V a 3.92V, con Arduino alimentado a 5V sobre el rango de entrada analógica.
Ejemplo de código.
Montaje con ADS1115
Si usas un componente con SCT013 con salida de ±1V RMS y ADS1115, el código requerido es similar al código que vemos en la entrada del ADS1115. Debes consultar la biblioteca de Adafruit para ADS1115.
Para muestrear el ADS1115 a mayor velocidad, necesitamos modificar el archivo, ‘Adafruit_ADS1015.h’.
Con esta modificación, podremos reducir el tiempo de muestreo de unos 8-9 milisegundos (unos 100 hercios) a aproximadamente 1.8 milisegundos (unos 500 hercios). Al salir de la frecuencia de Nyquist, mejoramos el comportamiento de la medición.
Otra versión utiliza los valores máximo y mínimo medidos y luego calcula el valor medido basándose en el valor de pico. El resultado debería ser similar al observado en el ejemplo de suma cuadrática. Para ello, puedes sustituir esta función por las siguientes funciones:
Podemos ver los resultados en el monitor del puerto serie, y también dibujarlos con un trazador serie, recopilarlos en un proyecto más grande para mostrarlos en una página web o registrarlos en SD.
En este caso, el ejemplo es muy simple y solo necesitamos medir a través de la entrada analógica:
Las bobinas de Rogowski son dispositivos especializados para medir corriente alterna (CA) o pulsos de corriente de alta velocidad, y ofrecen ventajas únicas para diversas aplicaciones. Son especialmente útiles en situaciones en las que la flexibilidad, la precisión y la seguridad son fundamentales.
Las bobinas de Rogowski son flexibles y pueden envolverse alrededor de conductores energizados sin desconectarlos, lo que las hace perfectas para espacios reducidos o paneles eléctricos congestionados. Esta instalación no invasiva reduce el tiempo de inactividad y simplifica la configuración, especialmente en entornos industriales o comerciales.
A diferencia de los transformadores de corriente tradicionales, las bobinas de Rogowski usan un núcleo de aire, lo que evita la saturación magnética. Esto les permite medir con precisión corrientes muy altas, como las de la transmisión de energía o la soldadura, y gestionar cambios rápidos, como transitorios o pulsos, por lo que son adecuadas para aplicaciones de alta frecuencia.
Son más seguras porque no producen altos voltajes cuando están en circuito abierto, lo que reduce los riesgos de descarga eléctrica. Además, su diseño ligero y sencillo reduce los costos de construcción e instalación, y ofrece una solución rentable para la medición de corriente.
Una bobina de Rogowski es un dispositivo eléctrico especializado diseñado para medir corriente alterna (CA). Consiste en una bobina helicoidal de alambre enrollada uniformemente alrededor de un núcleo no magnético lleno de aire, normalmente dispuesta en forma toroidal (similar a una rosquilla). La bobina se coloca alrededor de un conductor que transporta corriente y, a medida que la CA fluye por el conductor, genera un campo magnético cambiante. Este campo magnético cambiante induce una tensión en la bobina de Rogowski, que es proporcional a la tasa de cambio de la corriente (la derivada temporal, di/dt).
Para obtener una medición directa de la corriente, la tensión inducida normalmente se procesa mediante un circuito integrador, que convierte la señal de tensión en una proporcional a la propia corriente. Esto hace que la bobina de Rogowski sea especialmente útil para aplicaciones que requieren la medición de corrientes elevadas o corrientes transitorias rápidas, como en sistemas eléctricos de potencia, equipos industriales o entornos de investigación.
Diseño con núcleo de aire: A diferencia de los transformadores de corriente tradicionales con núcleos de hierro, el núcleo de aire de la bobina de Rogowski evita la saturación magnética, lo que le permite medir corrientes muy elevadas sin distorsión.
Flexibilidad: Muchas bobinas de Rogowski están diseñadas para ser flexibles y pueden abrirse para envolver un conductor sin necesidad de desconectarlo, lo que hace que la instalación sea sencilla y no invasiva.
Amplio ancho de banda: La bobina puede medir con precisión corrientes con componentes de alta frecuencia o cambios rápidos, como las de los rayos o los transitorios de conmutación.
Supervisión y protección de sistemas eléctricos de potencia.
Medición de corrientes elevadas en soldadura o procesos industriales.
Aplicaciones de investigación, como el análisis de fenómenos transitorios.
Los transformadores de corriente (TC) son componentes esenciales en los sistemas eléctricos modernos. Permiten medir, supervisar y controlar de forma segura corrientes elevadas al producir una réplica reducida de la corriente que fluye por un conductor. Este artículo profundiza en cómo funcionan los transformadores de corriente, sus diversos tipos y las distintas aplicaciones en las que se utilizan.
Los transformadores de corriente son dispositivos diseñados para medir corrientes eléctricas elevadas mediante la generación de una corriente más baja y proporcional que los instrumentos estándar pueden medir de forma sencilla y segura. Sirven como puente entre los circuitos de alta potencia y los equipos electrónicos sensibles, garantizando que los sistemas de supervisión y control puedan funcionar sin quedar expuestos a corrientes elevadas peligrosas.
En esencia, los transformadores de corriente funcionan según el principio de inducción electromagnética. Cuando una corriente fluye a través del conductor primario (que puede ser tan simple como un solo cable que pasa por el núcleo del TC), produce un campo magnético. Este campo magnético induce una corriente en el devanado secundario del TC. La relación entre el número de vueltas del devanado primario (a menudo solo el propio conductor) y el número de vueltas del devanado secundario determina el factor de escala, que a su vez establece la corriente de salida en relación con la corriente primaria.
Por ejemplo, un TC diseñado para proporcionar una salida secundaria de 1 A podría tener una relación de 3000:1, lo que significa que cuando fluyen 3000 A en el circuito primario, el TC entrega 1 A. En muchos casos, la salida secundaria está estandarizada (como 1 A, 5 A o incluso una salida de tensión como 0,333 V) para simplificar los diseños de instrumentación y sistemas de protección.
Existen varios tipos de transformadores de corriente disponibles, cada uno adecuado para distintas aplicaciones:
Los transformadores de corriente tienen una amplia gama de aplicaciones en diversos sectores:
Los TC son fundamentales en la medición eléctrica, ya que permiten a las empresas de servicios públicos y a los consumidores medir con precisión el consumo de energía. Al reducir las corrientes elevadas presentes en los sistemas de distribución eléctrica a niveles medibles, los TC permiten una facturación y una supervisión energética precisas.
En los relés de protección y el control de interruptores automáticos, los TC proporcionan información crucial sobre la corriente que fluye por un circuito. Estos datos ayudan a detectar condiciones anómalas, como sobrecargas o cortocircuitos, e inician medidas de protección para aislar y proteger los equipos.
Los sistemas de automatización y control industrial utilizan TC para supervisar los niveles de corriente en motores, transformadores y otros equipos. Esta supervisión ayuda a gestionar el rendimiento y la eficiencia del sistema, al tiempo que garantiza que los componentes funcionen dentro de parámetros seguros.
En instalaciones de energía renovable, como parques eólicos y plantas de energía solar, los TC se utilizan para supervisar el flujo de electricidad desde la generación hasta la red. Garantizan que los sistemas funcionen de manera eficiente y segura, al tiempo que proporcionan datos para optimizar el rendimiento.
Los TC ayudan a garantizar la seguridad del personal al permitir el uso de instrumentos de medición aislados. Al proporcionar una corriente secundaria de bajo nivel, los TC permiten el funcionamiento seguro de medidores y sensores que, de otro modo, estarían en riesgo si se conectaran directamente a circuitos de alta corriente.
Utilizado para caracterizar el comportamiento dinámico de un transductor, el tiempo de respuesta al escalón es el retardo entre el momento en que la corriente primaria alcanza el 90% de su valor final y el momento en que la salida del transductor alcanza el 90% de su amplitud final. La corriente primaria debe comportarse como un escalón de corriente, con una pendiente di/dt determinada (normalmente 100A/µs) y con una amplitud cercana al valor de corriente nominal IPN .
El flujo magnético residual (remanencia) del núcleo varía según el tipo de sensor y el material magnético, y provoca un desplazamiento adicional de la medición, llamado “desplazamiento magnético”. El valor del desplazamiento magnético depende de la magnetización previa del núcleo y alcanza un valor máximo después de que el circuito magnético se satura.
La magnetización puede producirse en las siguientes situaciones:
1. Corriente de sobrecarga elevada
2. Interrupción de la fuente de alimentación (fallo de alimentación)
El desplazamiento causado por la magnetización desaparece en las siguientes situaciones:
1. El desplazamiento causado por la magnetización desaparece de forma natural (el núcleo se recupera lentamente; la velocidad depende del material magnético)
2. Se elimina desmagnetizando el sensor, por ejemplo, invirtiendo adecuadamente la corriente primaria o utilizando un ciclo de desmagnetización dedicado. Después de la desmagnetización, el sensor puede recuperar su rendimiento inicial.
Para desmagnetizar el núcleo magnético de un transductor, normalmente se utilizan los siguientes pasos:
1.Excitación de CA: Una fuente de CA de baja frecuencia impulsa el núcleo magnético a través de todo su bucle de histéresis B-H (la curva de campo magnético frente a magnetización), aplicando corriente alterna para ciclar la magnetización del núcleo desde la saturación positiva hasta la negativa.
2.Disminución gradual de la excitación: Después de ciclar el núcleo a través del bucle B-H durante al menos 5 ciclos completos a amplitud máxima, la amplitud de la excitación de CA se reduce gradualmente. La velocidad de reducción no debe ser superior al 4% por ciclo para garantizar un retorno suave de la magnetización del núcleo a cero (el origen de la curva B-H).
3.Requisitos de tiempo: Normalmente, un ciclo de desmagnetización requerirá alrededor de 30 ciclos a baja frecuencia, como 500 milisegundos a 60 Hz.
Para los transductores de lazo cerrado (dispositivos que tienen una bobina de compensación), se necesita cuidado adicional porque la bobina de compensación puede interferir con el proceso de desmagnetización al anular sus efectos. Esta interferencia puede impedir que el núcleo alcance su estado neutro. Por lo tanto, pueden requerirse pasos adicionales para garantizar una desmagnetización adecuada.
Como alternativa, la desmagnetización parcial puede lograrse aplicando una señal específica de polaridad opuesta a la magnetización del núcleo. Sin embargo, este método es más complejo porque requiere determinar con precisión la amplitud y la duración correctas de la señal para reducir eficazmente la magnetización sin excederse ni compensar de forma insuficiente.
En la práctica, si una aplicación específica se comprende bien, es posible determinar la señal de corrección necesaria empíricamente y aplicarla siempre que se necesite desmagnetización.
La desmagnetización es esencial para mantener la precisión y la fiabilidad de las mediciones de un transductor, especialmente después de influencias magnéticas intensas o de un uso prolongado.
Tomemos como ejemplo un producto con una tensión de alimentación de +5V y una salida de 2.5V ± 0.625V con una precisión del 1%.
Nuestro pin Vref cumple dos funciones: una es actuar como punto de referencia para la salida, comúnmente utilizado en dispositivos de adquisición de entrada diferencial; la otra función es para dispositivos de adquisición de entrada de un solo extremo, donde se utiliza para controlar la salida del sensor, haciendo que la salida estática (2.5V) sea más precisa. Solo afecta a la salida estática (2.5V cuando hay alimentación auxiliar y no hay señal de entrada) y no afecta a la amplificación (0.625V).
Debido a la dispersión de los parámetros del producto, los sensores no pueden ser perfectamente idénticos e ideales, y siempre habrá cierto grado de error. Para la mayoría de nuestros productos, el error del punto de referencia estático está dentro de ±15mV. Esto significa que la salida estática de 2.5V (con 0V o GND como punto de referencia) estará entre 2.485V y 2.515V, lo cual se considera dentro del rango aceptable.
Por ejemplo, para un producto con una fuente de alimentación de +5V y una salida de 2.5V ± 0.625V con una precisión del 1%:
Si la salida está referenciada a 0V (GND), la calibramos de la siguiente manera:
Primero, compruebe si la tensión Vref cumple los requisitos (el estándar es 2.5V ± 1%, generalmente no más del 0.5%).
El segundo paso es ajustar la salida estática entre 2.485V y 2.515V (es decir, 2.5V ± 15mV).
El tercer paso es aplicar la señal de entrada a la entrada nominal y ajustar la salida dentro de 2.5V + (0.625V ± 1%).
Finalmente, compruebe si la salida al 10% de la entrada nominal es precisa. Si hay un error significativo, ajuste el componente de punto cero para la corrección. Luego, compruebe si los valores de punto cero y escala completa cumplen los requisitos. Si todo es correcto, el producto pasa al siguiente paso del proceso.
Si la salida está referenciada a Vref, la ajustamos de la siguiente manera:
Primero, compruebe si la tensión Vref cumple los requisitos (el estándar es 2.5V ± 1%, generalmente no más del 0.5%).
El segundo paso es ajustar la salida estática entre 2.485V y 2.515V (es decir, 2.5V ± 15mV).
El tercer paso es conectar la punta negra del multímetro al punto Vref, aplicar la señal de entrada a la entrada nominal y ajustar la salida dentro de 0.625V ± 1%.
Finalmente, compruebe si la salida al 10% de la entrada nominal es precisa. Si hay un error significativo, ajuste el componente de punto cero para la corrección. Luego, compruebe si los valores de punto cero y escala completa cumplen los requisitos. Si todo es correcto, el producto pasa al siguiente paso del proceso.
Si un producto ajustado mediante el primer método se utiliza en un dispositivo de adquisición de entrada diferencial, la señal adquirida será imprecisa e incluso puede producir errores de salida negativos.
Si un producto ajustado mediante el segundo método se utiliza en un dispositivo de adquisición de entrada de un solo extremo, la señal adquirida también será incorrecta y puede provocar errores de desbordamiento.
De forma predeterminada, nuestros productos se calibran utilizando el primer método (referenciado a 0V/GND), ya que la mayoría de los clientes lo solicitan.
Example 1: A product calibrated using the first method, with Vref = 2.510V and Vout = 2.505V in the static state. This product is qualified, and the precision is acceptable. However, when used in a differential input acquisition device, since Vout is lower than Vref, the static output will be negative, which is incorrect.
Example 2: A product calibrated using the second method, with Vref = 2.510V and Vout = 2.520V in the static state. This product is also qualified, as the zero-point error does not exceed 15mV. However, when used in a single-ended input acquisition device, the output of 2.520V exceeds the calibrated 15mV error, and the full-scale value will also be higher, which could reach up to 2% in extreme cases, affecting the customer’s use.
Now that some customers have reported this type of error, we are asking them to provide calibration requirements to correct the issue. Sales representatives are also being asked to label products based on different calibration methods to ensure correct production for customers.
To calculate the input current of a transformer, you can use the following formula based on the transformer’s power rating, input voltage, and efficiency. The input current depends on the power demand on the secondary side (load), and this can be calculated for both single-phase and three-phase transformers.
For a single-phase transformer, the input current can be calculated using the formula:
Where:
If the efficiency is not given, it can be assumed based on typical transformer efficiency (for instance, 0.98 for a high-efficiency transformer).
For a three-phase transformer, the input current is calculated with a similar formula but with an additional factor for three-phase power:
Where:
Suppose you have a 500 kVA transformer, with a primary voltage of 11 kV (11,000 V) and an efficiency of 98%.
For a 500 kVA transformer, the power is 500,000 VA (since 1 kVA = 1,000 VA).
So, the input current for the primary side of the transformer is approximately 26.92 A.
This calculation helps determine how much current is drawn on the primary side of the transformer based on the output load.
En un transformador de corriente (TC), la carga se refiere a la impedancia total (resistencia y reactancia) presentada por los dispositivos de medición conectados, como amperímetros, relés o medidores, al devanado secundario del TC. Normalmente se expresa en voltamperios (VA) a una corriente secundaria específica (generalmente 1 A o 5 A) y puede incluir la impedancia de los cables de conexión y de los instrumentos.
En resumen, la carga es la carga impuesta al devanado secundario del transformador de corriente, y garantizar que esté dentro de la capacidad nominal del TC es esencial para una medición precisa de la corriente y un funcionamiento seguro.
Un sensor de corriente residual (RCS) es un dispositivo de seguridad eléctrica diseñado para detectar corriente residual (también conocida como corriente de fuga) en un circuito. La corriente residual se produce cuando hay un desequilibrio entre la corriente que entra en un sistema (a través del cable de fase) y la corriente que regresa del sistema (a través del cable neutro). Este desequilibrio indica que parte de la corriente se está fugando a tierra, a menudo debido a una falla de aislamiento, cableado defectuoso o una persona que entra en contacto con el sistema eléctrico.
En resumen, un sensor de corriente residual es un dispositivo de seguridad crítico que supervisa continuamente los circuitos en busca de corriente de fuga, ayudando a proteger a las personas y la propiedad frente a riesgos eléctricos mediante la detección de desequilibrios en el flujo de corriente y la activación de mecanismos de protección.
La bobina de Rogowski, también llamada sensor de corriente diferencial, es una bobina circular “hueca”, dispuesta alrededor del conductor, de modo que un campo magnético alterno generado por la corriente induce una tensión en la bobina. La bobina es en realidad un transformador acoplado al conductor bajo prueba, y la tensión de salida directa de la bobina es proporcional a la tasa de cambio de la corriente, por ejemplo, @50Hz/1kA Vout=85mV, @60Hz/1kA Vout=85*60/50=102mV. Si desea obtener la forma de onda de la corriente o el valor de corriente que no dependa de la frecuencia, también es necesario añadir el circuito integrador para lograr la compensación del desplazamiento de fase de 90° y la ecualización de frecuencia.
La serie RF es un sensor de corriente flexible basado en el principio de la bobina de Rogowski, de tamaño reducido, peso ligero y fácil instalación, y ofrece una selección de diferentes tamaños, que también pueden personalizarse si el cliente requiere un pedido especial. No presenta saturación magnética y cuenta con una capa de blindaje para resistir la influencia del campo magnético externo, por lo que se pueden lograr mediciones estables en el rango desde baja corriente hasta cientos de kA. La bobina de Rogowski flexible es una solución extremadamente cómoda para la medición de corriente,
especialmente adecuada para la supervisión de corriente y la modernización eléctrica; puede utilizarse en muchos casos en los que no se dispone de un transformador de corriente (TC) tradicional, o puede sustituirlo. Los sistemas que utilizan chips ADC(ADS131M04) o ICs de medición de energía(ADE7753) compatibles con el principio de la bobina de Rogowski son aún más ventajosos.
En esencia, los TC se utilizan para la medición de corriente y los TT para la medición de tensión, ambos esenciales para la protección, el control y el monitoreo en sistemas eléctricos de potencia.
El secundario de un transformador de corriente (TC) siempre está cortocircuitado (o conectado a una carga de baja impedancia, como un medidor o un relé) por varias razones importantes relacionadas con la seguridad y el funcionamiento adecuado:
Para conectar un sensor CT a un Arduino, la señal de salida del sensor CT debe acondicionarse para que cumpla los requisitos de entrada de las entradas analógicas del Arduino, es decir, una tensión positiva entre 0 V y la tensión de referencia del ADC.
Esto da el ejemplo de una placa Arduino funcionando a 5 V y del EmonTx funcionando a 3,3 V. Asegúrese de utilizar en sus cálculos la tensión de alimentación y la tensión de polarización correctas que correspondan a su configuración.
El circuito consta de dos partes principales; sus funciones son convertir la corriente del CT en una tensión de la amplitud correcta y situar esta tensión en el centro del rango de entrada del ADC.
Las tensiones y corrientes mostradas son para un Arduino de 5 V, con un rango de 0 – 5 V para la entrada analógica, aproximadamente 1,6 V rms para una onda sinusoidal. Para el emonTx V2 & V3 y el emonPi, el rango de entrada analógica es de 0 – 3,3 V, por lo que la tensión del punto medio es de 1,65 V y la tensión de entrada analógica oscila entre 0 y 3,3 V (aproximadamente 1 V rms para una onda sinusoidal). Para el emonTx4 y el emonPi2, el rango de entrada analógica es de 0 – 1 V y está pensado para utilizarse con transformadores de corriente de salida de 0,333 V rms, que no necesitan una resistencia de carga. por lo que esta resistencia se omite.
El secundario de un transformador de corriente (TC) nunca debe dejarse abierto cuando circula corriente por el primario, porque hacerlo puede generar tensiones altas peligrosas. He aquí por qué:
Tome el modelo HSTS016L como ejemplo: es capaz de medir valores de corriente de 10 A a 200 A. Al usar un sensor de corriente de núcleo partido, podemos abrir y cerrar el CT sin modificar el sistema existente, y simplemente usar una pinza para colocar el cable de medición dentro del CT. El voltaje de salida de este sensor es de 2.5 V +/- 0.625 V, lo que ofrece una buena precisión. Aunque el rango de salida de voltaje de este sensor está entre 1.875 V y 3.125 V, también es adecuado para sensores analógicos de 3.3 V, especialmente microcontroladores Arduino Nano y NodeMCU.
El sensor tiene 4 pines de salida: RED (entrada de 5 V), BLACK (0 V Gnd), YELLOW (salida analógica) y WHITE (analógico para calibración). A veces, el voltaje de alimentación puede no ser exactamente de 5 V, por lo que necesitaremos un pin analógico adicional para medir el punto medio exacto desde el pin blanco. En Arduino UNO, hay 6 pines de entrada analógica (A0-A5), donde podemos usar uno de los pines para medir corriente CA y 1 más para fines de calibración. Los pines de entrada analógica asignarán voltajes de entrada entre 0 y 5 V a valores enteros entre 0 y 1023, con una resolución de 4.9 mV por unidad (5.00 V / 1023 unidades).
Conectamos RED a la entrada de 5 V, BLACK a tierra, YELLOW al pin analógico A1 y WHITE al pin analógico A2. Se recomienda encarecidamente usar un adaptador de corriente de 12 V para alimentar el Arduino Uno y el sensor. Usar una fuente de alimentación de 5 V por USB tendrá un valor de desplazamiento inicial; es posible que deba agregar manualmente el valor de desplazamiento al cargar el código.
Un transformador no funciona con corriente continua (CC) porque su funcionamiento depende de campos magnéticos cambiantes, algo que la CC no proporciona. Aquí tienes una explicación detallada de por qué los transformadores son ineficaces con CC:
Un transformador de corriente (TC) es un dispositivo eléctrico vital utilizado en sistemas de alta potencia para la medición precisa de la corriente alterna (CA). Funciona según el principio de la inducción electromagnética, lo que permite reducir de forma segura niveles elevados de corriente a un valor manejable para medición o protección. A continuación se ofrece una explicación detallada de su construcción y principios de funcionamiento:
Un transformador de corriente consta de dos devanados principales: el devanado primario y el devanado secundario.
La relación de espiras entre los devanados primario y secundario es un parámetro crucial y suele ser muy alta, a menudo en el rango de 100:1 a 5000:1. Esto significa que el devanado secundario tiene muchas más espiras que el devanado primario. Esta relación determina la magnitud de la transformación de corriente y ayuda a reducir la alta corriente a un nivel adecuado para dispositivos de medición estándar.
Cuando una corriente alterna fluye por el devanado primario, genera un campo magnético alterno correspondiente alrededor del conductor. Según la ley de Faraday de la inducción electromagnética, este flujo magnético cambiante induce una tensión proporcional en el devanado secundario. La magnitud de la tensión inducida y de la corriente resultante en el secundario depende de la relación de espiras.
El TC reduce eficazmente la alta corriente del lado primario a una corriente mucho menor en el lado secundario. Aunque la relación de espiras gobierna la reducción, el TC garantiza que la corriente secundaria sea una versión escalada y proporcional de la corriente primaria. Por ejemplo, un transformador de corriente con una relación de espiras de 1000:1 producirá 1 amperio en el circuito secundario cuando circulen 1000 amperios por el conductor primario. Este efecto reductor permite que los instrumentos de medición estándar, diseñados para rangos de baja corriente, supervisen la corriente con precisión.
La carga se refiere a la carga conectada al devanado secundario del TC, que puede ser un amperímetro, un relé de protección u otro dispositivo de medición. La impedancia de esta carga afecta significativamente la precisión y el rendimiento del TC. Para una medición precisa, la impedancia de carga debe coincidir con el rango especificado del TC. Si la carga es demasiado alta, la precisión puede verse comprometida y, en casos extremos, incluso puede dañar el TC.
La relación de corriente de un TC se define como la relación entre la corriente primaria y la corriente secundaria, y está determinada por la relación de espiras. Es un valor fijo para cualquier TC dado. Por ejemplo, en un TC con una relación de espiras de 1000:1, 1000 amperios en el circuito primario producirán 1 amperio en el circuito secundario. Esta relación de corriente constante permite convertir fácilmente altas corrientes primarias en corrientes secundarias más bajas para una supervisión y protección seguras.
Los transformadores de corriente se clasifican en varias clases de precisión según su exactitud en condiciones especificadas. La clase de precisión define el error máximo permisible en la medición. Las clases de precisión comunes son 0.1, 0.2, 0.5, 1 y 3, siendo la clase 0.1 la que ofrece la mayor precisión. Los TC con mayor precisión se utilizan normalmente en aplicaciones de medición, mientras que aquellos con menor precisión pueden ser suficientes para fines de protección.
El transformador de corriente funciona reduciendo altas corrientes de CA en un sistema de potencia a un nivel más seguro y manejable, utilizando el principio de inducción electromagnética y una alta relación de espiras. La corriente secundaria del TC es proporcional a la corriente primaria, lo que permite una medición precisa y la protección de los sistemas eléctricos. La correcta adaptación de la carga del TC y el cumplimiento de su clase de precisión garantizan un rendimiento fiable en diversas aplicaciones.
Siguiendo estos pasos, podrás medir con precisión la corriente continua con la ayuda de un sensor de efecto Hall.
Siguiendo estos pasos y asegurando una calibración adecuada, podrá medir con precisión la corriente CA usando un sensor de efecto Hall.
Conectar un sensor de corriente con un NodeMCU implica unos cuantos pasos. Aquí tienes una descripción general:
1. Elige un sensor de corriente: Hay muchos tipos de sensores de corriente disponibles, como sensores de efecto Hall o resistencias shunt. Selecciona un sensor según tus requisitos y los recursos disponibles.
2. Identifica los pines del sensor: Busca el diagrama de pines o la hoja de datos del sensor de corriente seleccionado e identifica los pines de alimentación, tierra y salida de señal.
3. Conecta la alimentación y la tierra: Conecta el pin de alimentación del sensor al pin de 3.3V del NodeMCU y conecta el pin de tierra del sensor al pin GND del NodeMCU.
4. Conecta la salida de señal: Conecta el pin de salida de señal del sensor a cualquier pin de entrada analógica disponible del NodeMCU, como A0.
5. Programa el NodeMCU: Escribe código para leer la entrada analógica del sensor de corriente y procesar los datos. Por ejemplo, puedes usar la función analogRead() para leer el voltaje en el pin de entrada analógica y convertirlo en corriente usando la sensibilidad del sensor. Luego, puedes usar las capacidades WiFi del NodeMCU para enviar los datos a un servicio en la nube o a un servidor local.
Aquí tienes un fragmento de código de ejemplo que lee el voltaje en el pin A0 y lo convierte en corriente usando un sensor de efecto Hall con una sensibilidad de 100 mV/A:
Nota: Este es solo un fragmento de código de ejemplo y puede que sea necesario modificarlo según tus requisitos específicos y las características del sensor.
Un transformador de corriente (TC) funciona según el principio de la inducción electromagnética, de forma similar a un transformador estándar. Su propósito principal es reducir corrientes elevadas de un sistema eléctrico a un valor menor y manejable para dispositivos de medición, protección y control. A continuación se presenta un desglose del principio de funcionamiento de un transformador de corriente:
El TC funciona con base en la ley de Faraday de la inducción electromagnética, que establece que un campo magnético cambiante dentro de un conductor induce una tensión en otro conductor cercano.
Los TC están diseñados para funcionar con alta precisión, de modo que la corriente secundaria sea directamente proporcional a la corriente primaria dentro de una clase de precisión especificada (por ejemplo, error del 1% o 0,5%). La precisión es fundamental tanto en aplicaciones de medición como de protección.
Esto permite medir corrientes elevadas en sistemas eléctricos de forma segura y precisa, protegiendo tanto al personal como a los equipos.
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