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Transformadores de corriente de núcleo partido
In power systems, measuring devices such as electricity meters typically need to be connected to high-voltage or high-current circuits via current transformers (CTs). A common standard is that the interface parameters of electricity meters and the rated secondary current of their matching CTs are almost always 5A (or 1A). This article will delve into the reasons behind this standard and, in conjunction with common parameter markings on electricity meters, explain how to correctly select the matching current transformer.
The current transformer parameters supported by the meter are usually marked on the meter, such as 0.25-5(6)A, 0.015-1.5(6)A, 0.25-5(80)A, 0.25-5(100)A, etc. These parameters identify the operating range and technical requirements when connecting to an external CT. These parameters identify the operating range and technical requirements of the meter when connected to an external CT:
Take 0.015-1.5(6)A as an example:
* Starting current (0.015): the minimum current of 15mA that the meter can accurately measure.
* Basic current Ib(1.5):The rated current value of the energy meter is 1.5A, and the accuracy level of the energy meter can be guaranteed when it works under this current.
* Maximum current Imax(6): the maximum current at which the meter can be carried safely and continuously without damage, 6 A. This is covered in the IEC/EN 62053 specification for electricity meters.
Two core principles must be followed in selecting a matching current transformer: secondary current matching and primary current sizing.
a. Matching of rated secondary current (key)
The rated secondary current of the CT must match the basic current Ib of the energy meter.
– For meters with parameters 0.25-5(6)A, 0.25-5(80)A, 0.25-5(100)A, you need a current transformer with a 5A rated secondary current.
– For energy meters with parameters 0.015-1.5(6)A (used in specific scenarios although the base current is not 5A/1A standard), you need to equip a CT with a rated secondary current of 1.5A (these are less common and usually follow the 5A or 1A standard).
b. Selection of Rated Primary Current and Variable Ratio
The rated primary current of the CT (which determines the variable ratio, e.g., 100/5A, 500/5A, 100/1A) should be selected in accordance with the load current of the actual primary circuit. The selection principle is to make the actual load current of normal operation close to the rated primary current of the CT. According to IEC/EN 61869 standard, 1.2 times of the rated primary current is also in line with the nominal accuracy of the product, so the best measurement accuracy can be ensured.
Therefore, for energy meters with parameters of 0.015-1.5(6)A, the best match is a current transformer (CT) with a secondary rated output of 1A.
If you are interested in the measurement of small currents and do not have high requirements for measurement accuracy and range, you can also choose a current transformer (CT) with a secondary rated output of 100mA.
Returning to the question at the heart of the article, why has the industry generally adopted 5A or 1A as the standard secondary current for CTs? The reason is a combination of performance, standardization, and safety:
Performance Requirements and Historical Reasons
Early electromechanical energy meters and protective relays required a certain amount of physical energy (power) to actuate the mechanical components. 5A current provided a strong enough signal and power to ensure reliable and accurate operation of these devices. Current signals in the milliamp range are too weak, susceptible to interference and unable to drive older devices.
Standardization and Global Interchangeability
5A is established as the global standard for the power industry, ensuring that devices from different manufacturers and countries are easily compatible and interchangeable, greatly simplifying system design, manufacturing and maintenance.
Balancing Safety and Economy
The core safety objective of the CT is to isolate the high voltage high current circuits from the low voltage measurement circuits. 5A’s relatively low secondary current reduces operational risk. At the same time, the 5A strikes a good balance between cabling costs, wire cross-section requirements and power loss. Where long wiring distances are required, the 1A standard is used to further reduce line losses (1A losses are only 4% of 5A).
In summary, the selection of 5A (or 1A) as the standard secondary current for CTs is the result of engineering practices that optimize performance, cost, historical compatibility and operational reliability.
The Rogowski Coils (RC) and Current Transformers (CTs) are two core technologies for measuring alternating current, both of which operate based on the principle of electromagnetic induction. However, there are fundamental structural differences between the two the design with or without a magnetic core leads to significant differences in their performance, application scenarios and safety. CT adopts a core structure and performs exceptionally well in high-precision, low-frequency and steady-state measurements. RC adopts a coreless design, featuring greater flexibility, a wider dynamic range and anti-saturation characteristics, making it an ideal choice for high-current, high-frequency and transient applications.
The core design is the most critical differentiator between the two technologies.
| Característica | Rogowski Coil (RC) | Transformador de corriente (TC) |
| Core Structure | Coreless (Air-core). | Iron Core (Heavy magnetic core). |
| Working Principle | Based on Faraday’s Law of Induction. Generates a voltage proportional to the rate of change of the primary current (di/dt) . | Based on electromagnetic induction. Relies on magnetic coupling via the core to transform primary current to secondary current. |
| Output Signal | Low-level voltage signal(di/dt). | Current signal (typically 5A or 1A secondary). |
| Signal Processing | Requires an external integrator circuit to convert the derivative voltage signal back into a signal proportional to the current. | Output current is typically measured directly or converted to voltage via a burden resistor. |
The coreless design of the Rogowski coil provides distinct advantages in dynamic range and safety, while the iron core of the CT offers inherent simplicity and high accuracy at rated conditions.
| Characteristic | Rogowski Coil (RC) | Transformador de corriente (TC) |
| Core Saturation | None. Immune to magnetic saturation, even at extremely high currents. | Prone to saturation when exposed to currents higher than its rating, leading to non-linear response and measurement failure. |
| Measurement Range | Very Wide. Can measure from a few Amps up to thousands of Amps (e.g., 10kA) with a single unit. | Narrower. Limited by the core size and saturation point. Different CTs are required for different current ranges. |
| Frequency Response | Superior/Wide Bandwidth. Excellent response for high-frequency and transient currents (e.g., motor inrush, pulsed currents). | Limited. Frequency response is restricted by the core material. Best suited for power-line frequencies (50/60 Hz). |
| Linearity | Excellent. Maintains linear response over its entire wide measurement range. | High Accuracy at rated current and frequency, but linearity degrades significantly upon saturation. |
| Safety (Open Circuit) | Inherently Safe. Output is a low-level voltage signal, posing no high-voltage risk if the secondary is open. | Hazardous. Leaving the secondary circuit open while current is flowing can generate extremely high, lethal voltages. |
| Physical Form | Flexible and lightweight (e.g., half a pound for a 5,000A unit). | Rigid, heavy, and bulky (e.g., up to 65 pounds for a comparable range). |
| Installation | Easy. Flexible, clip-around design simplifies installation on busbars or irregular conductors, especially in tight spaces. | Difficult. Rigid design often requires a full power shutdown and custom fabrication for large or irregular conductors [3]. |
| Complexity/Cost | More complex to use due to the required external or integrated integrator. Can be more expensive than basic CTs. | Simpler to use (direct current output). Generally less expensive for standard applications. |
The choice between an RC and a CT depends heavily on the specific requirements of the application.
| Technology | Ideal Applications | Less Suitable Applications |
| Bobina Rogowski | – High-Current monitoring (e.g., up to 5,000A and beyond). | – DC current measurement (RCs only measure AC/rate of change). |
| – High-Frequency and Transient analysis (e.g., power electronics, motor inrush, fault currents). | – Applications where the cost/complexity of the integrator is prohibitive. | |
| – Retrofitting or installations with irregular conductors or limited space. | – Standard utility metering where high-accuracy, low-frequency measurement is the sole requirement. | |
| Transformador de corriente | – Standard Utility Metering and revenue applications (high accuracy at 50/60 Hz). | – High-current measurement where saturation is a risk. |
| – Relay Protection and industrial monitoring at power-line frequencies. | – High-frequency or transient current analysis. | |
| – Applications where simplicity and low cost are prioritized. | – Installations with irregular busbars or tight space constraints. |
Rogowski coils and Current Transformers are complementary technologies. The Current Transformer remains the workhorse for traditional, high-accuracy, steady-state power monitoring and protection at power-line frequencies. The Rogowski Coil, with its coreless design, offers a modern, flexible, and safer solution that excels in demanding environments involving high currents, wide dynamic ranges, and high-frequency transients, particularly in power quality analysis and power electronics testing.
En los sistemas industriales de medición y control, los transmisores de corriente y los transmisores de tensión convierten las señales analógicas en señales eléctricas normalizadas para su transmisión a larga distancia a salas de control con fines de supervisión, registro y control. La uniformidad de estas señales normalizadas es fundamental para garantizar la interoperabilidad entre distintos dispositivos y la estabilidad del sistema. La Comisión Electrotécnica Internacional (CEI) ha establecido 4-20 mA CC y 1-5 V CC (mediante conversión resistiva) como los estándares de señal analógica para los sistemas de control de procesos.
Las señales de corriente ofrecen ventajas significativas sobre las señales de tensión durante la transmisión a larga distancia. Los entornos industriales suelen sufrir graves interferencias electromagnéticas, que distorsionan fácilmente las señales de tensión. Además, las señales de tensión sufren caídas de tensión debido a la resistencia de los cables durante la transmisión prolongada, lo que provoca atenuación de la señal y errores de medición.
Las ventajas de las señales actuales se reflejan principalmente en los siguientes aspectos:
- Gran resistencia a las interferencias: Las tensiones de ruido en entornos industriales pueden alcanzar varios voltios, pero la potencia de ruido es débil, generando normalmente corrientes de ruido por debajo del nivel nA. Las señales de corriente se ven menos afectadas por la resistencia de la línea, resisten la atenuación y garantizan una transmisión de datos fiable en entornos con mucho ruido eléctrico.
- Larga distancia de transmisión: Las fuentes de corriente presentan una resistencia interna infinita, lo que significa que la resistencia de los cables en serie dentro del bucle no afecta a la precisión. Mientras el bucle de transmisión no esté ramificado, la corriente que lo atraviesa permanece constante independientemente de la longitud del cable. Esto permite la transmisión a través de cables de par trenzado estándar durante cientos de metros o más, garantizando la precisión de la transmisión.
- Cableado reducido: La transmisión de señales 4-20 mA a dos hilos proporciona simultáneamente alimentación y señal, lo que reduce el uso de cables y, por tanto, los costes y la complejidad del cableado.
La señal 4-20 mA CC es la señal analógica estándar más ampliamente adoptada en las aplicaciones industriales. Su selección no es casual, sino que se basa en consideraciones técnicas y de seguridad polifacéticas.
La elección de 4mA como punto de partida de la señal 4-20mA, en lugar de 0mA, es una de sus características más críticas, conocida como "Cero Vivo."
- Diagnóstico de fallos: Cuando la señal lee 0mA, indica claramente una rotura de línea (circuito abierto) o un fallo del dispositivo, en lugar de un valor de medida cero. Esto hace que el diagnóstico de fallos sea sencillo e intuitivo, evitando la confusión entre una señal cero y un fallo de cable roto.
- Alimentación del sensor: En el caso de los transmisores de dos hilos, la corriente de 4 mA proporciona la corriente de funcionamiento mínima necesaria para los sensores, garantizando su correcto funcionamiento. Esto elimina la necesidad de cables de alimentación adicionales, simplificando el cableado.
La elección de 20 mA como valor de la señal de 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 el gas, cumpliendo los requisitos de seguridad intrínseca a prueba de explosiones, críticos 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 adoptado en la automatización industrial y el control de procesos debido a su excepcional resistencia a las interferencias, su capacidad de transmisión a larga distancia, su exclusiva función de diagnóstico de fallos "live zero" y su seguridad inherente. Transmite datos de medición de forma fiable, al tiempo 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 dirección de la corriente medida a través de sus señales de salida de tensión. Su característica principal es que la señal de salida toma 2,5 V como punto central y se desplaza según la dirección y magnitud de la corriente sobre esta base. Este diseño permite al sensor medir 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 hacia adelante: Cuando la corriente es hacia adelante, la tensión de salida aumentará de 2,5V a un máximo de 2,5V + 0,625V = 3,125V.
- Corriente inversa: Cuando la corriente es inversa, la tensión de salida disminuirá de 2,5V a 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 medida del sensor. Por ejemplo, para HAS2009, su corriente nominal es ±20A; Para HAS4009, su corriente nominal es ±100A.
A través de la sensibilidad nominal (SN) del sensor, podemos convertir la señal de tensión recogida en el valor real de la corriente. La fórmula de cálculo es la siguiente
IP = (Vout - 2,5V)/SN
Entre ellas:
-IP es la corriente medida (unidad: A)
- Vout es la tensión emitida por el sensor (unidad: V)
-2,5V es la tensión de referencia a corriente cero
-SN es la sensibilidad nominal del sensor (unidad: V/A o mV/A).
Por ejemplo:
Supongamos que se utiliza el sensor de corriente HAS14Z (SN = 104,2 mV/A o 0,1042 V/A).
-Si Vout se mide a 2,8V: IP = (2,8V - 2,5V) / 0,1042V /A ≈ 2,88A (corriente directa)
-Si Vout se mide a 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 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 recoger señales de corriente.
Esquema eléctrico típico (tomando como ejemplo los microcontroladores) :
Precauciones de cableado
1). Alimentación: Asegúrese de que el sensor dispone de una fuente de alimentación estable de 5V. La calidad de la fuente de alimentación afecta directamente a la precisión de la medición.
2). Masa 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 a medir debe pasarse correctamente por el orificio de medición del sensor y centrarse al máximo para garantizar el mejor efecto de medición.
La señal de salida de tensión de 2,5V±0,625V del sensor de corriente se recoge principalmente a través de un convertidor analógico-digital (ADC). A continuación se detallan los pasos a seguir:
1). Configuración del ADC:
-Seleccione el pin ADC: Conecta el pin OUT del sensor a uno de los pines de entrada ADC del microcontrolador.
-Ajuste la tensión de referencia: Ajuste la tensión de referencia del ADC a 5V (si el rango de salida del sensor es de 0,25V a 4,75V), o seleccione una tensión de referencia adecuada en función de la situación real. Asegúrese de que el ADC puede cubrir todo el rango de salida del sensor.
-Ajuste la resolución y la frecuencia de muestreo: Seleccione la resolución (como 10 ó 12 bits) y la frecuencia de muestreo del ADC según los requisitos de la aplicación. Una resolución más alta 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 del ADC se leen periódicamente mediante programación del microcontrolador.
3). Convertir el valor del ADC en tensión:
-Convertir el valor digital leído en el valor real de tensión Vout. Por ejemplo, para un ADC de 10 bits (0-1023) con una tensión de referencia de 5V, la fórmula de conversión es: Vout = (Valor_ADC / 1024.0) * 5.0 (unidad: V)
4). Calcular la corriente real
-Utilice 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 del HAS14Z es 0,1042 V/A.
Ejemplo de cálculo
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 de 2,8V: IP = (2,8V - 2,5V) / 0,1042V /A ≈ 2,88A (corriente de avance)
-Si la tensión de salida Vout medida por el ADC es de 2,2V: IP = (2,2V - 2,5V) / 0,1042V /A ≈ -2,88A (corriente de retroceso).
Siguiendo los pasos anteriores, podrá recoger y calcular con precisión la magnitud y la dirección de la corriente que se está midiendo.
Los sensores de corriente de principio de bucle cerrado de la serie HAS se utilizan ampliamente en los siguientes campos debido a su capacidad de medición de corriente bidireccional y a sus características de salida de tensión:
- Control de motores: Consigue un control preciso de la velocidad y el par para vehículos eléctricos, robots industriales y otros equipos.
- Sistema de gestión de la batería (BMS): supervisa el estado de carga y descarga de la batería para optimizar su salud y eficiencia.
- Gestión de la alimentación: Utilizado en SAI, SMPS, inversores solares, etc., controla con precisión el flujo de energía.
Sistemas de energías renovables: Monitoriza 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 el control de procesos, el diagnóstico de fallos y la protección de la seguridad.
Los transformadores de intensidad (TC), los transformadores de tensión (TT), también conocidos como transformadores de potencial (TP), y los transformadores de potencia funcionan todos ellos basándose en 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 los sistemas de potencia, 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 principales diferencias entre los tres tipos de transformadores:
| Transformador de corriente (TC) | Transformador de tensión (VT) | Transformador de aislamiento de control/seguridad | |
|---|---|---|---|
| Aplicaciones | Medir y controlar la corriente y proteger los equipos (como los relés). | Medir y controlar la tensión y proteger los equipos. | Proporcionan aislamiento eléctrico y conversión de tensión para circuitos de control y alimentación segura (como prevención de descargas eléctricas y alimentación de equipos de baja tensión). |
| Modo de trabajo | Cuando el primario está conectado en serie con el circuito de carga, el secundario debe cortocircuitarse (o conectarse 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 contador). | Los terminales primario y secundario se conectan a la fuente de alimentación y a la carga según sea necesario para la transmisión de potencia y no tienen función de medición. |
| Características de la relación de transformación | Relación de reducción de corriente (corriente alta → corriente baja, por ejemplo, 1000A:5A), tensión secundaria baja. | Relación de reducción de tensión (alta tensión → baja tensión, por ejemplo, 1kV:10V), alta impedancia secundaria. | Relación de reducción de tensión (por ejemplo, 220 V:24 V), con énfasis en el aislamiento y la transferencia de potencia. |
| Características de diseño | Menos vueltas primarias, más vueltas secundarias; alta precisión, baja saturación; pequeña capacidad (varios VA). | Similar a un pequeño transformador, alta precisión; pequeña capacidad (de varios VA a decenas de VA). | Diseño de aislamiento de doble bobinado con apantallamiento para mayor seguridad; montaje en placa de circuito impreso de baja tensión o 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 ser de baja impedancia para evitar tensiones peligrosamente altas. | El secundario puede dejarse abierto para cargas de alta impedancia (como instrumentos). | Cuando se conecta el secundario a una carga real (como un dispositivo de control), se puede dejar abierto, pero no se recomienda. |
| Precisión y error | Emphasizes current measurement accuracy (error <1%). | Emphasizes voltage measurement accuracy (error <0.5%). | Se hace hincapié en el aislamiento y la eficacia (>65%), no en la precisión de la medición; la regulación de la tensión es baja. |
| Escenario de aplicación | Medición de potencia, sistemas de protección, amperímetros. | Voltímetros, medidores de potencia, relés de protección. | Automatización industrial, controles de máquinas herramienta, equipos médicos, iluminación de seguridad, módulos de potencia PCB. |
En los sistemas modernos de medición de energía, la medición precisa de la corriente es crucial. El M90E32AS de Atmel es un CI multifásico de medición de energía de alto rendimiento y amplio rango dinámico ampliamente utilizado en diversos contadores de energía y equipos de control de potencia. Los transformadores de corriente (TC) desempeñan un papel indispensable en la transmisión segura y precisa de 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 obtener una medición de corriente fiable.
El Atmel M90E32AS es un circuito integrado de alto rendimiento diseñado para la medición multifásica de energía. Integra seis ADC Sigma-Delta de segundo orden independientes capaces de procesar simultáneamente señales trifásicas de tensión y corriente. El procesador digital de señales (DSP) interno del chip realiza cálculos complejos a partir de los datos recogidos por los ADC para obtener parámetros energéticos clave como la potencia activa, la potencia reactiva, la potencia aparente, el factor de potencia, la frecuencia y los valores eficaces de tensión y corriente. El M90E32AS admite el muestreo de corriente a través de un transformador de corriente (TC) o una bobina Rogowski, y el muestreo de tensión a través de una red divisora de resistencias.
El chip M90E32AS proporciona tres conjuntos de pines de entrada de corriente diferencial: I1P/I1N, I2P/I2N, e I3P/I3N, correspondientes a la medida de corriente trifásica. Estos pines son los terminales de entrada de los canales analógicos ADC, lo que permite una asignación flexible de canales para adaptarse a diferentes configuraciones de sistemas trifásicos (como trifásico de cuatro hilos o trifásico de tres hilos).
El ADC del chip se encarga de convertir la señal analógica de corriente en una señal digital. El M90E32AS tiene un alto rango dinámico y una gran precisión, lo que puede garantizar una medición exacta en un amplio rango de corrientes. La hoja de datos indica que el muestreo de corriente se realiza a través de un transformador de corriente (TC) o una bobina 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 sólo calcula los parámetros de energía, sino que también admite la compensación de ganancia y ángulo de fase para corregir los errores introducidos por sensores y circuitos externos. Esto es crucial para garantizar la precisión de todo el sistema de medición. El chip también dispone de umbrales programables de arranque y potencia en vacío, así como de monitorización de señales transitorias de corriente y tensión. Estas características permiten al M90E32AS funcionar de forma estable y fiable en entornos energéticos complejos.
Un transformador de corriente (TC) es un tipo especial de transformador utilizado para convertir proporcionalmente grandes corrientes en otras más pequeñas para medición, protección y control. Sus funciones principales son el aislamiento y el escalado de la corriente. El principio de funcionamiento de un TC se basa en la ley de inducción electromagnética: cuando la corriente circula por el devanado primario (normalmente el cable que atraviesa el centro del TC), genera un 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 en el primario y su corriente nominal en el secundario, por ejemplo, 100A/5A o 100A/0,1A. Esto significa que cuando por el primario circulan 100A, la salida secundaria será de 5A o 0,1A. En las aplicaciones de medición de energía, los TC con una salida secundaria de miliamperios o menos suelen seleccionarse 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 que resulta crítico para la medición de energía de alta precisión.
La carga de un TC se refiere a la impedancia del instrumento o dispositivo de medida conectado a su lado secundario. El lado secundario de un TC debe estar siempre cerrado; de lo contrario, un circuito abierto provocaría una alta tensión en el lado secundario, lo que podría dañar el TC o suponer un peligro para el personal. Aislamiento: Los TC proporcionan aislamiento eléctrico entre el circuito de alta tensión del lado primario y el circuito de medida 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 elevadas 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 sólo 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.
La conexión de transformadores de corriente al chip Atmel M90E32AS requiere una cuidadosa consideración del circuito de acondicionamiento de señal para asegurar la precisión de la medida 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 a través de una resistencia de muestreo antes de introducirse en las entradas diferenciales del chip.
Podemos ver cómo se conecta un transformador de corriente (TC). Normalmente, el lado secundario del TC está conectado a una resistencia en derivación de pequeño valor. Cuando la corriente fluye a través de la resistencia, se genera una caída de tensión proporcional a la corriente. Esta caída de tensión sirve como señal de entrada para el ADC del chip M90E32AS.
Tomando como ejemplo la medida de corriente monofásica, la salida secundaria del TC se conecta a la resistencia de derivación, que a su vez se conecta a los pines I_P e I_N del chip M90E32AS. Para mejorar la precisión de la medida y suprimir el ruido en modo común, se suele conectar un condensador en paralelo a la resistencia de derivación para formar una red de filtrado RC. Además, puede ser necesaria una red divisora de tensión o un circuito de polarización para proporcionar una tensión de polarización adecuada que garantice que la entrada del ADC se encuentra dentro del rango de funcionamiento del M90E32AS.
Potencial de cavitación, 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 de dispositivo médico encapsulado al vacío superó una prueba de envejecimiento acelerado de 50.000 horas.
Un dispositivo sin maceta de vacío falló tras 18.000 horas.
| Estrés | Consecuencia | Moldeado al vacío Beneficio |
|---|---|---|
| Vibración (5-2000Hz) | Fatiga del cable | Amortigua la resonancia un 300% mejor |
| Choque térmico (-40~125°C) | Grietas en las soldaduras | Absorción de resina adaptada al CET |
| Humedad (85% HR) | Seguimiento de la corrosión | Barrera de permeabilidad cero |
–Don’t rely solely on the datasheet, request:
–X-ray scan showing void distribution
–Cross-section report measuring bubble size
–Thermal shock test (-55°C to +150°C, 500 cycles)
–Partial discharge test <5 pC (at 2x the operating voltage)
A transformador de corriente de núcleo dividido facilita la medición de corriente sin cortar cables.
El núcleo de un transformador de corriente de tipo partido puede abrirse, lo que permite pasar cables por el centro y fijarlos. Este transformador es adecuado para aplicaciones en las que no es posible cortar cables. El vídeo muestra cómo conectar y probar un transformador de corriente, controlar la corriente y la tensión de salida y utilizar un rectificador para convertir CA en CC.
Los transformadores de corriente de núcleo dividido proporcionan un excelente aislamiento y facilidad de uso para la medición de potencia.
Un autotransformador es un transformador cuyos devanados son primario y secundario en el mismo devanado. Según su estructura, también puede dividirse en tipo de tensión ajustable y tipo fijo. El acoplamiento del autotransformador significa acoplamiento electromagnético. Los transformadores ordinarios 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 baja tensión forma parte de la bobina de alta tensión. 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 autoacoplado. La estructura del autotransformador es relativamente sencilla, de bajo coste, y la línea de entrada/salida y el neutro son compartidos. 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 utilizan la diferencia de corriente para cortar las líneas de fuerza magnéticas y transformar la tensión. Se utiliza generalmente en el aumento de potencia de corriente continua. La salida y la entrada del transformador tienen conexión eléctrica directa, y el rendimiento de seguridad es deficiente.
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 bajo tensión al mismo tiempo. El aislamiento del transformador consiste en aislar la corriente de los devanados primario y secundario. Fue utilizado en la industria de la energía en los países europeos en los primeros días, y es ampliamente utilizado en la fuente de alimentación de control de los circuitos generales en la industria electrónica o empresas industriales y mineras, máquinas herramientas y equipos mecánicos, y la fuente de alimentación de la iluminación de seguridad y luces indicadoras.
La función principal del transformador de aislamiento es aislar los equipos eléctricos de la red eléctrica. Se utiliza en ocasiones de seguridad o con requisitos antiinterferencias. No hay conexión eléctrica directa entre el equipo eléctrico y la red eléctrica. La estructura de aislamiento tiene muchos materiales y un coste elevado. Además de cambiar el voltaje, también puede aislar eléctricamente el devanado de entrada y el de salida entre sí, y aislar la entrada/salida y la línea neutra para evitar el peligro de tocar el objeto vivo (o partes metálicas que pueden cargarse debido a daños en el aislamiento) y la tierra al mismo tiempo. Además, el transformador de aislamiento también tiene un cierto efecto de supresión de diversas interferencias, tiene un rendimiento de filtrado y es muy seguro.
El transformador de aislamiento es el transformador más común. Sus devanados de baja y alta tensión están bobinados por 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 baja tensión forma parte de la bobina de alta tensión, es decir, un devanado con una sola vía eléctrica. Hay una derivación en el centro del bobinado como punto común de las bobinas de alta y baja tensión.
Normalmente, una línea de la tensión de alimentación de CA que utilizamos está conectada a tierra, y la otra línea tiene una diferencia de potencial de 220 V o 380 V con la tierra. Las personas recibirán una descarga eléctrica si la tocan. Las bobinas secundarias de alta y baja tensión del transformador de aislamiento están aisladas eléctricamente entre sí y no están conectadas a tierra. No hay diferencia de potencial entre ninguna de sus dos líneas y la tierra. Las personas no sufrirán descargas eléctricas si tocan alguna línea, lo que resulta más seguro. Por lo tanto, no importa si el voltaje secundario excede el valor de voltaje seguro, siempre y cuando la persona no toque los dos puntos de salida del secundario con diferencia de voltaje al mismo tiempo, no causará daño a las personas. Esta es la mayor ventaja del transformador de aislamiento. Pero tiene un tamaño grande y un coste elevado.
Debido a que las bobinas de alta y baja tensión del autotransformador se solapan, se ahorran algunos materiales de alambre de bobina, lo que no sólo es pequeño en tamaño, sino también de bajo coste. Sin embargo, sus bobinas de alta y baja tensión están conectadas. Aunque la tensión de salida del lado de baja tensión del transformador reductor sea muy baja, como sus dos bobinados tienen una parte común, la alta tensión primaria se "colará" en la bobina secundaria, lo que es muy fácil que cause daños a las personas.
Los transformadores trifásicos de aislamiento se utilizan principalmente para cargas de potencia de sistemas de energía y empresas industriales y mineras, y fuentes de energía que requieren aislamiento de la red eléctrica para convertir la electricidad de la red en electricidad magnética. Se utilizan como equipos de potencia para mediciones de precisión y pruebas de purificación (antiinterferencias) de la potencia y la red eléctrica. Los transformadores de aislamiento son fuentes de alimentación seguras y se utilizan generalmente para el mantenimiento de máquinas para proteger, prevenir rayos y filtrar.
Los lados primario y secundario del autotransformador están directamente conectados eléctricamente. Si la línea está dañada o tiene fugas, es muy fácil causar daños a las personas. Suele utilizarse en lugares donde los requisitos de seguridad no son elevados. Sólo necesita cambiar la tensión para que ésta se ajuste a la requerida 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 equipos electrónicos, la fuente de alimentación es una pieza 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 tienen diferencias obvias en múltiples dimensiones, que afectan directamente a la aplicabilidad de la fuente de alimentación en diferentes escenarios. Comprender sus diferencias es muy importante para los ingenieros electrónicos profesionales a la hora de diseñar circuitos o para los entusiastas de la electrónica ordinaria a la hora de mantener y utilizar equipos electrónicos.
El núcleo de la fuente de alimentación conmutada es que el tubo de conmutación se enciende y se apaga a alta frecuencia. Tomemos como ejemplo el circuito reductor Buck común:
Fase de conducción: Cuando se enciende el tubo de conmutación, la tensión de entrada se carga en el inductor, el inductor comienza a almacenar energía, y la corriente suministra energía a la carga y carga el condensador de salida al mismo tiempo, y la corriente del inductor aumenta gradualmente.
Fase de apagado: Cuando se apaga el tubo de conmutación, la corriente en el inductor no puede cambiar repentinamente, por lo que formará un bucle a través del diodo en vacío, continuará suministrando energía a la carga, y la corriente del inductor disminuye gradualmente.
Método de control: La tensión de salida se controla con precisión ajustando la proporción del tiempo de conducción del tubo de conmutación en todo el ciclo de conmutación (es decir, el ciclo de trabajo).
Por ejemplo, convertir una entrada de 12 V en una salida de 5 V se consigue 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 a alta frecuencia le permiten utilizar 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 (tales como Transformador lineal) para estabilizar la tensión de salida:
Proceso básico: El transformador reduce la tensión alterna de entrada y el rectificador la convierte en continua. Tras un suavizado preliminar mediante el condensador de filtro, el tubo de ajuste lineal ajusta continuamente la resistencia interna en función de la señal de realimentación para estabilizar la tensión de salida.
Estado de funcionamiento: El tubo de ajuste lineal trabaja siempre en la zona de amplificación lineal, y la corriente pasa continuamente, asegurando la estabilidad del proceso de ajuste de tensión.
Este método de ajuste continuo hace que la tensión de salida sea más estable y es adecuado para escenarios con requisitos de precisión de tensión elevados.
La eficiencia de las fuentes de alimentación conmutadas suele oscilar entre el 70% y el 95%, debido principalmente a las siguientes características:
Cuando está encendido: la resistencia interna del tubo del interruptor es extremadamente pequeña, y la pérdida de calor es baja cuando pasa la corriente.
Cuando está apagado: casi no pasa corriente y la pérdida de potencia puede ignorarse.
Sólo en el momento de la conmutación: se genera una cierta pérdida debido al solapamiento de la tensión y la corriente, pero la proporción global es pequeña.
En aplicaciones de alta potencia (como fuentes de alimentación de servidores y equipos industriales), las características de alta eficiencia de las fuentes de alimentación conmutadas pueden reducir significativamente el consumo de energía y ahorrar costes operativos.
La eficiencia de las fuentes de alimentación lineales suele oscilar entre el 30% y el 60%, principalmente porque:
El tubo de ajuste lineal necesita consumir continuamente su propia energía para ajustar la tensión de salida.
Cuando la diferencia de tensión de entrada y salida es grande, la pérdida de potencia en el tubo de ajuste es significativa, y se desperdicia una gran cantidad de energía eléctrica en forma de energía térmica.
Por ejemplo, cuando la entrada es de 12 V y la salida de 5 V, el tubo de ajuste tiene que soportar una caída de tensión de 7 V, y toda esta parte de la energía se convierte en calor. Por eso, las fuentes de alimentación lineales se utilizan sobre todo en aplicaciones de baja potencia y eficiencia.
Debido a su modo de funcionamiento por impulsos, el rizado de salida de la fuente de alimentación conmutada es grande. Aunque el rizado puede reducirse añadiendo un circuito de filtrado (como condensador electrolítico + condensador cerámico en paralelo), su nivel de rizado sigue siendo superior al de la fuente de alimentación lineal.
Escenarios aplicables: Aplicable a equipos con bajos requisitos de rizado, como las fuentes de alimentación ordinarias para accionamiento de motores.
Escenarios restringidos: No aplicable a circuitos con elevados requisitos de pureza de potencia, como el procesamiento de señales analógicas de precisión o los equipos de audio de gama alta.
La fuente de alimentación lineal tiene un rizado de salida extremadamente pequeño mediante ajuste lineal y filtrado suave, y es adecuada para:
Equipos de medición de alta precisión (como osciloscopios, instrumentos de diagnóstico médico)
Sistemas con requisitos de estabilidad de tensión extremadamente altos (como instrumentos de investigación científica, circuitos amplificadores de precisión).
La fuente de alimentación conmutada tiene una frecuencia de funcionamiento alta, puede utilizar inductores y condensadores pequeños y no requiere grandes transformadores de frecuencia de alimentación. transformadores de frecuenciapor tanto:
Tamaño reducido y peso ligero
Alta densidad de potencia: puede proporcionar mayor potencia con el mismo volumen
Muy utilizado en dispositivos portátiles (como cargadores de teléfonos móviles, adaptadores de corriente para tabletas) y sistemas con estrictos requisitos de espacio.
La fuente de alimentación lineal tiene una frecuencia de funcionamiento baja y requiere el uso de transformadores de potencia de gran tamaño. transformadores de potencia y condensadores de filtro de gran capacidad, lo que resulta en:
Gran tamaño y peso
No apto para equipos con limitaciones de espacio
En ocasiones como equipos médicos portátiles y pequeños drones, las fuentes de alimentación lineales pueden verse limitadas por cuestiones de volumen
Debido a la presencia de componentes de almacenamiento de energía, como inductores y condensadores, se tarda cierto tiempo en 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 tubo de ajuste de la fuente de alimentación lineal puede ajustar rápidamente la resistencia interna y responder a los cambios de carga. Es adecuado para:
Amplificador de audio (necesidad de 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 generará armónicos de alta frecuencia durante el encendido y apagado de alta frecuencia, lo que provocará fuertes interferencias electromagnéticas (EMI):
Interferencia conducida: conducida a través de la línea eléctrica
Interferencia radiada: radiada a través del espacio
Para reducir las interferencias es necesario aplicar medidas de filtrado, apantallamiento y diseño optimizado de las placas de circuito impreso, lo que aumenta la complejidad y el coste del diseño.
La fuente de alimentación lineal tiene una frecuencia de funcionamiento baja, 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 adicionales de supresión.
Escenarios aplicables: Entornos sensibles a las interferencias electromagnéticas, como cerca de equipos de comunicación inalámbrica.
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