Sensores de corrente: tipos, parâmetros principais, comparação de desempenho e aplicações comuns

Introdução

Os sensores de corrente são componentes essenciais em vários sistemas elétricos e eletrónicos, assegurando o funcionamento seguro e eficiente de equipamentos e instalações. Neste artigo, exploramos os tipos de sensores de corrente, as variáveis a considerar na sua seleção, as comparações de desempenho e as aplicações.

Tipos de sensores de corrente e respetivas vantagens e desvantagens

Podemos classificar os sensores de corrente de acordo com os princípios físicos fundamentais em que se baseiam. Estes incluem a lei de Ohm, a lei da indução de Faraday, os campos magnéticos e a deteção ótica. Com base nesta classificação, apresentamos agora vários tipos comuns de sensores de corrente.

Medição de corrente baseada na lei da indução de Faraday

A lei da indução de Faraday estabelece que a força eletromotriz (FEM) total gerada num circuito fechado é proporcional à taxa de variação, ao longo do tempo, do fluxo magnético total que atravessa o circuito. Este princípio é amplamente aplicado em dispositivos de medição de corrente. Dois dispositivos comuns baseados na lei de Faraday são os transformadores de corrente (TC) e as bobinas de Rogowski. Quando é necessário isolamento elétrico por razões de segurança, estes sensores proporcionam a separação necessária entre a corrente medida e o sinal de saída. Por isso, são muito úteis em equipamentos de deteção existentes.

Transformadores de corrente (TC):

Um TC é composto por um enrolamento primário (normalmente uma única espira), um núcleo e um enrolamento secundário. É um sensor eficaz para medir correntes alternadas elevadas, permitindo converter correntes primárias elevadas em correntes secundárias mais baixas. Como é inerentemente passivo, não necessita de circuitos adicionais de acionamento. Outra característica importante é a capacidade de monitorizar correntes extremamente elevadas com um consumo mínimo de energia. No entanto, o material de ferrite utilizado no núcleo pode saturar perante correntes primárias extremamente elevadas ou correntes com componentes de corrente contínua significativas, provocando distorção do sinal. Além disso, depois de magnetizado, o núcleo apresenta histerese, o que reduz a precisão até ser novamente desmagnetizado. Como o seu princípio de funcionamento depende da deteção de variações do fluxo magnético, proporcionais às variações da corrente, os TC convencionais não conseguem detetar corrente contínua.

Figura 1: Estrutura básica de um TC

A Figura 1 ilustra o princípio de funcionamento de um TC. De acordo com a relação de espiras, as variações da corrente primária Ip refletem-se como Is no lado secundário, permitindo a medição. Pode utilizar-se uma resistência shunt, que gera uma tensão de saída proporcional à corrente primária, para monitorizar a corrente de saída. Esta configuração proporciona isolamento, perdas mínimas, um princípio de funcionamento simples e uma saída de tensão adequada à medição de corrente sem necessidade de amplificação adicional. Um conversor analógico-digital (ADC) pode amostrar diretamente a tensão de saída.

A relação de transformação do TC exprime a redução da corrente primária. A precisão de um transformador de corrente é indicada pela sua classe de precisão. Com base nesta classe, os TC dividem-se em duas categorias: TC de medição e TC de proteção. Os TC de medição são concebidos para proporcionar elevada precisão em toda a gama de correntes nominais, mesmo com correntes muito baixas. São avaliados para cargas específicas habituais. Devido à sua elevada precisão, as empresas fornecedoras de eletricidade utilizam-nos frequentemente para medir o consumo para faturação. Os TC de proteção são menos precisos do que os TC de medição. São concebidos para funcionar com o nível mínimo de precisão necessário à proteção dos equipamentos.

Os transformadores de corrente são frequentemente utilizados em aplicações de conversão de energia devido ao seu baixo custo e à capacidade de gerar sinais de saída diretamente compatíveis com conversores analógico-digitais. Também desempenham um papel essencial nas redes de distribuição de energia com frequências de 50/60 Hz.

Bobinas de Rogowski:

Estas bobinas ocas são flexíveis e colocadas em torno dos condutores. As variações do campo magnético induzido pela corrente Ip que atravessa o condutor geram uma tensão proporcional à taxa de variação da corrente. As bobinas de Rogowski são utilizadas sobretudo para medir corrente alternada, particularmente em aplicações de alta frequência.

Figura 2: Esquema do princípio de funcionamento da bobina de Rogowski

A Figura 2 apresenta um esquema do princípio de funcionamento da bobina de Rogowski. A tensão gerada é determinada pela derivada da corrente primária. Para obter a medição de corrente pretendida, é necessário um integrador na saída.

A sensibilidade de uma bobina de Rogowski é reduzida por não utilizar um núcleo de elevada permeabilidade magnética. A sua principal vantagem é a linearidade intrínseca e a ausência de saturação. As bobinas de Rogowski podem ser utilizadas para detetar correntes em sistemas de distribuição de energia, sistemas de ensaio de curto-circuito, emissores eletromagnéticos, motores de indução com anéis coletores e instalações de ensaio de descargas atmosféricas. O seu preço é comparável ao dos transformadores de corrente.

Sensores de corrente baseados em campos magnéticos

As correntes que geram campos magnéticos estáticos são difíceis de detetar com base na lei da indução de Faraday. Em contrapartida, os sensores de campo magnético conseguem identificar campos magnéticos estáticos e variáveis, constituindo uma alternativa adequada para medir corrente.

Sensores de corrente de efeito Hall em malha aberta:

Estes sensores funcionam segundo o princípio do efeito Hall, pelo qual se forma uma diferença de potencial num condutor quando um campo magnético é aplicado perpendicularmente à sua secção transversal. A direção da força eletromotriz (FEM) induzida, perpendicular à corrente e ao campo magnético, pode ser determinada pela regra da mão direita. A intensidade desta FEM e o ângulo relativo entre a corrente e o campo magnético determinam a tensão vetorial resultante, que é proporcional à constante de Hall. O campo magnético é gerado pela corrente medida, produzindo uma tensão que pode ser analisada.

Na maioria das aplicações, é necessário acondicionar o sinal para que a saída possa ser utilizada. Os circuitos de acondicionamento de sinal incluem normalmente etapas de amplificação e compensação de temperatura. Os amplificadores diferenciais com estas características podem ser facilmente combinados com elementos Hall através da tecnologia convencional de transístores bipolares. A compensação de temperatura também é fácil de implementar. A Figura 3 apresenta uma configuração típica de um sensor de corrente de efeito Hall.

Figura 3: Aplicações típicas dos sensores de corrente de efeito Hall em malha aberta

Os sensores de efeito Hall são amplamente utilizados em várias aplicações, incluindo sistemas de conversão de energia, equipamentos de soldadura, acionamentos de motores, equipamentos de radar e a indústria da eletrólise.

Sensores de corrente de efeito Hall em malha fechada:

Estes sensores de corrente baseados em campos magnéticos são amplamente utilizados em aplicações de malha fechada e de malha aberta.

Figura 4: Aplicação típica de um sensor de corrente de efeito Hall em malha fechada

O fluxo magnético gerado pela corrente primária IP é equilibrado por um fluxo magnético complementar produzido pela corrente de acionamento no enrolamento secundário. O elemento Hall e os circuitos eletrónicos associados geram uma corrente secundária de compensação que corresponde exatamente à corrente primária.

Sensor de corrente fluxgate:

Um sensor fluxgate básico tira partido da relação não linear entre o campo magnético H e a densidade de fluxo magnético B nos materiais magnéticos, que provoca uma alteração da permeabilidade magnética do material.

Figura 5: Esquema básico de um sensor de corrente fluxgate

A Figura 5 ilustra uma configuração simples de um sensor fluxgate utilizado para medir a corrente Ip. No núcleo magnético estão montados dois enrolamentos: um de excitação e outro de deteção. O enrolamento de excitação está ligado a uma fonte de corrente sinusoidal que gera o campo magnético de excitação. Consequentemente, é induzida uma tensão no enrolamento de deteção, que pode então ser utilizada para a medição. Como o campo magnético externo é pequeno em relação ao campo de excitação, o valor de pico da tensão de saída é proporcional ao campo externo e pode ser utilizado para o quantificar.

Devido ao custo elevado e à área de aplicação limitada, os sensores fluxgate isolados têm valor comercial sobretudo em aplicações de alta precisão. Graças à sua elevada exatidão, são utilizados em sistemas de calibração, sistemas de diagnóstico, equipamentos de laboratório e sistemas médicos.

Critérios de seleção de sensores de corrente

Ao escolher um sensor de corrente para uma aplicação ou projeto específico, é necessário considerar vários fatores para garantir um desempenho e uma compatibilidade adequados. As principais variáveis a avaliar incluem:

• • Tipo de corrente: Determine se precisa de medir corrente alternada (CA), corrente contínua (CC) ou ambas. Alguns sensores, como os transformadores de corrente e as bobinas de Rogowski, destinam-se à medição de CA, enquanto outros, como os sensores de efeito Hall e as resistências shunt, podem medir tanto CA como CC.

• • Gama de corrente: Considere os valores mínimo e máximo da corrente a medir. Escolha um sensor com uma gama de medição adequada às suas necessidades. É essencial evitar a saturação do sensor e garantir leituras precisas em toda a gama.

• • Precisão: Analise os requisitos de precisão da sua aplicação. Os sensores oferecem diferentes níveis de precisão. As resistências shunt de precisão, os sensores óticos de corrente e os sensores fluxgate proporcionam excelente precisão, enquanto outros sensores, como os de efeito Hall, podem ser menos precisos em determinadas situações.

• • Sensibilidade: Considere as menores variações de corrente que precisa de detetar. Alguns sensores oferecem maior sensibilidade para identificar pequenas flutuações da corrente, enquanto outros podem não ser adequados a aplicações que exigem elevada precisão.

• • Largura de banda: Consoante a aplicação, poderá ser necessário medir a corrente em toda a gama de frequências ou em frequências específicas. Sobretudo ao trabalhar com correntes de alta frequência, escolha um sensor cuja resposta em frequência satisfaça os seus requisitos.

• • Fatores ambientais: Considere a gama de temperaturas de funcionamento do sensor, a humidade e outros fatores externos que possam afetar o desempenho. É fundamental escolher um sensor que funcione de forma fiável nas condições específicas da aplicação, pois alguns sensores resistem melhor às influências externas do que outros.

• • Dimensões e formato: Tenha em conta as limitações físicas do projeto, como as opções de montagem e o espaço disponível. As resistências shunt são um bom exemplo de sensores compactos e fáceis de instalar. Já os transformadores de corrente podem ser maiores e ocupar mais espaço.

• • Isolamento: Se for necessário isolamento elétrico entre a corrente medida e a saída do sensor, considere transformadores de corrente, sensores óticos de corrente ou sensores de efeito Hall com isolamento elétrico. Também é importante verificar se a tensão de isolamento proporcionada pelo sensor satisfaz os requisitos da aplicação.

• • Requisitos de alimentação: Certifique-se de que a aplicação consegue satisfazer as necessidades de alimentação do sensor. É fundamental considerar a tensão máxima de funcionamento do sensor e avaliar a potência dissipada devido à resistência de carga, pois algumas aplicações têm requisitos específicos de potência.

• • Classe: Determinadas aplicações, como as do setor automóvel, podem exigir sensores de classe profissional.

• • Custo e disponibilidade: Considere o preço do sensor e onde pode adquiri-lo. Alguns sensores oferecem um desempenho superior, mas podem ser mais caros ou mais difíceis de obter.

Comparação do desempenho de diferentes sensores

A Tabela 1 apresenta os principais indicadores de desempenho de vários sensores.

Aplicações dos sensores de corrente

Principais áreas de aplicação dos sensores de corrente

• • • Monitorização de sistemas elétricos e redes de energia: Nas redes de transporte e distribuição de energia, os sensores de corrente são utilizados para monitorizar em tempo real o estado de equipamentos essenciais, como linhas de transmissão, transformadores e disjuntores, contribuindo para a estabilidade, a segurança e a eficiência energética da rede.

• • Proteção contra sobrecorrente e deteção de falhas: Os sensores de corrente são integrados em disjuntores, fusíveis e relés de proteção para detetar rapidamente correntes anómalas, como sobrecargas e curtos-circuitos, e acionar de imediato os mecanismos de proteção, evitando danos nos equipamentos e garantindo a segurança das pessoas.

• • Gestão de energia e contagem inteligente: Em contextos residenciais, comerciais e industriais, os contadores inteligentes e os sistemas de monitorização energética dependem de sensores de corrente para medir com precisão o consumo de eletricidade, apoiando a gestão da procura, a análise da eficiência energética e a otimização da poupança de energia.

• • Controlo de motores e sistemas de acionamento: Em conversores de frequência, servossistemas e controladores de motores, os sensores de corrente fornecem informação em tempo real sobre a corrente de fase do motor, permitindo controlar com elevada precisão, em malha fechada, a velocidade, o binário e a posição.

• • Sistemas de energias renováveis: Em equipamentos como sistemas solares fotovoltaicos e aerogeradores, os sensores de corrente monitorizam a corrente gerada, ajudam a otimizar a eficiência da conversão de energia e previnem danos causados por sobrecorrentes ou curtos-circuitos.

• • Sistema de gestão de baterias (BMS): Em veículos elétricos, sistemas de armazenamento de energia e dispositivos portáteis, os sensores de corrente medem com precisão as correntes de carga e descarga das baterias. Estas medições são utilizadas para estimar o estado de carga (SOC), monitorizar o estado de saúde (SOH) e gerir a temperatura, prolongando a vida útil das baterias e aumentando a segurança.

• • Monitorização e gestão da alimentação elétrica: Em equipamentos como fontes de alimentação comutadas, sistemas de alimentação ininterrupta (UPS) e conversores CC-CC, os sensores de corrente regulam a corrente de saída, assegurando um funcionamento estável e eficiente da alimentação e permitindo a proteção contra sobrecorrentes e a gestão da carga.

• • Automação industrial e controlo de processos: Em robôs, linhas de produção automatizadas e sistemas de controlo industrial, os sensores de corrente monitorizam a corrente de funcionamento de equipamentos como motores e atuadores, permitindo diagnosticar falhas, analisar cargas e otimizar os sistemas.

• • Instrumentos de ensaio e medição: Osciloscópios, multímetros digitais, analisadores de potência e outros equipamentos de ensaio utilizam amplamente sensores de corrente, como sondas de corrente, para medir a corrente sem interferir no circuito ou com elevada precisão e para analisar sinais.

• • Eletrónica de consumo: Em produtos como carregadores de smartphones, adaptadores de alimentação para computadores portáteis e dispositivos domésticos inteligentes, os sensores de corrente monitorizam o consumo de energia, gerem o carregamento e protegem contra sobrecargas, melhorando a eficiência energética e a segurança de utilização.

Estas são apenas algumas das aplicações dos sensores de corrente. Graças à sua versatilidade e à importância que têm no controlo da corrente, são componentes essenciais em diversas aplicações de muitos setores.

Conclusão

Os sensores de corrente desempenham um papel crucial em vários sistemas elétricos e eletrónicos e são componentes importantes de numerosas aplicações em muitos setores. Esta página apresenta os principais aspetos dos sensores de corrente, incluindo os seus tipos, critérios de seleção, comparações de desempenho e aplicações comuns.