Técnicas de detecção de corrente usando diferentes sensores de corrente

A corrente é um fator muito crítico em Eletrônica ou Engenharia Elétrica. Na eletrônica, a corrente pode ter uma largura de banda de poucos nano amperes a centenas de amperes. Esta faixa pode ser muito mais ampla no domínio elétrico, normalmente para vários milhares de amperes, especialmente em redes elétricas. Existem diferentes métodos para detectar e medir a corrente dentro de um circuito ou condutor. Neste artigo, discutiremos como medir a corrente usando várias técnicas de detecção de corrente com suas vantagens, desvantagens e aplicações.

Método de detecção de corrente do sensor de efeito Hall

O Efeito Hall foi descoberto pelo físico americano Edwin Herbert Hall e pode ser usado para detectar a corrente. É geralmente usado para detectar campo magnético e pode ser útil em muitas aplicações, como velocímetro, alarme de porta, DIY BLDC.

O sensor de efeito Hall produz uma tensão de saída dependendo do campo magnético. A relação da tensão de saída é proporcional ao campo magnético. Durante o processo de detecção de corrente, a corrente é medida medindo o campo magnético. A tensão de saída é muito baixa e precisa ser amplificada para um valor útil usando um amplificador de alto ganho com muito baixo ruído. Além do circuito do amplificador, o sensor de efeito Hall requer circuitos adicionais, pois é um transdutor linear.

Prós:

1. Pode ser usado em frequência mais alta.
2. Pode ser usado em AC e DC com precisão.
3. Método baseado em não contato.
4. Pode ser usado em ambientes adversos.
5. É confiável.

Contras:

1. O sensor oscila e requer compensação.
2. Circuito adicional requer para saída útil.
3. Mais cara do que a técnica baseada em shunt.

Os sensores de efeito Hall são usados ​​em alicate amperímetro, bem como em muitas aplicações de detecção de corrente industriais e automotivas. Muitos tipos de sensor de efeito Hall linear podem detectar corrente de vários miliamperes a milhares de amperes. Devido a isso, o aplicativo de monitoramento de rede inteligente também usa um tipo diferente de sensor de efeito Hall para monitorar a corrente do condutor.

Método de detecção de corrente do sensor Flux Gate

Um indutor saturável é o principal componente da técnica de detecção Fluxgate. Devido a isso, o sensor Fluxgate é denominado como Sensor de Corrente Indutor Saturável. O núcleo do indutor que é usado para o sensor fluxgate trabalha na região de saturação. O nível de saturação deste indutor é altamente sensível e qualquer densidade de fluxo interna ou externa altera o nível de saturação do indutor. A permeabilidade do núcleo é diretamente proporcional ao nível de saturação, portanto, a indutância também muda. Esta mudança no valor do indutor é analisada pelo sensor flux gate para detectar a corrente. Se a corrente for alta, a indutância fica mais baixa, se a corrente é baixa, a indutância fica alta.

O sensor de efeito Hall funciona de forma semelhante ao sensor fluxgate, mas há uma diferença entre eles. A diferença está no material do núcleo. O sensor Flux Gate usa um indutor saturável, mas o sensor de efeito Hall usa núcleo de ar.

Na imagem acima, a construção básica de um sensor de porta de fluxo é mostrada. Existem duas bobinas primária e secundária enroladas em torno de um núcleo indutor saturável. As mudanças no fluxo de corrente podem alterar a permeabilidade do núcleo, resultando na mudança de indutância através da outra bobina.

Prós:

1. Pode medir em uma ampla faixa de frequência.
2. Possui ótima precisão.
3. Deslocamento e desvios baixos.

Contras:

1. Alto consumo de energia secundária
2. Um fator de risco aumenta para ruído de tensão ou corrente no condutor primário.
3. Adequado apenas para DC ou AC de baixa frequência.

Os sensores Fluxgate são usados ​​em inversores solares para detectar a corrente. Fora isso, a medição de corrente CA e CC em malha fechada pode ser facilmente feita usando sensores Flux Gate. O método de detecção de corrente Flux Gate também pode ser usado na medição de corrente de fuga, detecção de sobrecorrente, etc.

Método de detecção de corrente da bobina de Rogowski

Bobina de Rogowski tem o nome do físico alemão Walter Rogowski. A bobina de Rogowski é feita usando uma bobina de núcleo de ar em forma helicoidal e envolvida ao redor do condutor alvo para medição de corrente.

Na imagem acima, a bobina de Rogowski é mostrada com circuitos adicionais. O circuito adicional é um circuito integrador. A bobina de Rogowski fornece tensão de saída dependendo da taxa de mudança da corrente no condutor. Um circuito integrador adicional é necessário para fazer uma tensão de saída que seja proporcional à corrente.

Prós:

1. É um bom método para detectar mudanças rápidas de corrente de alta frequência.
2. Operação segura em termos de manuseio do enrolamento secundário.
3. Solução de baixo custo.
4. Flexibilidade no manuseio devido à construção em malha aberta.
5. A compensação de temperatura não é complexa.

Contras:

1. Adequado apenas para AC
2. Possui baixa sensibilidade do que o transformador de corrente.

A bobina Rogowski tem uma ampla gama de aplicações. Por exemplo, medição de corrente em grandes módulos de potência, especialmente através dos MOSFETs ou transistores de alta potência ou através do IGBT. A bobina de Rogowski oferece opção de medição flexível. Como a resposta da bobina de Rogowski é muito rápida em transientes ou ondas sinusoidais de alta frequência, é uma boa escolha medir os transientes de corrente de alta frequência nas linhas de energia. Na distribuição de energia ou em rede inteligente, a bobina de Rogowski oferece excelente flexibilidade para medições de corrente.

Método de detecção de corrente do transformador de corrente

O transformador de corrente ou TC é usado para detectar a corrente pela tensão secundária que é proporcional à corrente na bobina secundária. É um transformador industrial que converte o grande valor de tensão ou corrente em um valor muito menor em sua bobina secundária. A medição é feita na saída secundária.

Na imagem acima, a construção é mostrada. É um transformador de TC ideal com uma relação primária e secundária de 1: N. ON depende das especificações do transformador. Saiba mais sobre transformadores aqui.

Prós:

1. Grande capacidade de manuseio atual, mais do que os outros métodos mostrados neste artigo.
2. Não requer circuitos adicionais.

Contras:

1. Requer manutenção.
2. A histerese ocorre devido à magnetização.
3. A alta corrente primária satura os materiais do núcleo de ferrite.

O principal uso da técnica de detecção de corrente baseada em transformador de TC é na rede elétrica devido à capacidade de medição de corrente muito alta. Poucos alicate amperímetro também usam um transformador de corrente para a medição da corrente alternada.

Método de detecção de corrente do resistor de derivação

Este é o método mais usado nas técnicas de detecção atuais. Esta técnica é baseada na lei de Ohms.

Um resistor de baixo valor em série é usado para detectar a corrente. Quando a corrente flui através de um resistor de valor baixo, ela produz uma diferença de voltagem no resistor.

Vamos dar um exemplo.

Suponha que 1A de corrente esteja fluindo através de um resistor de 1 ohm. De acordo com a lei do ohm, a tensão é equivalente à corrente x resistência. Portanto, quando 1A de corrente flui através de um resistor de 1 ohm, ele produzirá 1V através do resistor. A potência do resistor é um fator crítico a ser considerado. No entanto, existem resistores de valor muito pequeno também disponíveis no mercado, onde a resistência está na faixa de mili-ohms. Nesse caso, a diferença de voltagem no resistor também é muito pequena. Um amplificador de alto ganho é necessário para aumentar a amplitude da tensão e, finalmente, a corrente é medida usando a base de cálculo reversa.

Uma abordagem alternativa para este tipo de técnica de detecção de corrente é usar o traço de PCB como resistor de shunt. Como o traço de cobre de um PCB oferece resistência muito pequena, pode-se usar o traço para medir a corrente. No entanto, em tal abordagem alternativa, várias dependências também são uma grande preocupação para obter um resultado preciso. O principal fator de mudança no jogo é a variação da temperatura. Dependendo da temperatura, o traço de resistência é alterado, resultando em um resultado de erro. É preciso compensar esse erro no aplicativo.

Prós:

1. Solução muito econômica
2. Pode trabalhar em AC e DC.
3. Não é necessário equipamento adicional.

Contras:

1. Não é adequado para operação com corrente elevada devido à dissipação de calor.
2. A medição de shunt fornece uma diminuição desnecessária na eficiência do sistema devido ao desperdício de energia no resistor.
3. A deriva térmica fornece resultado de erro em uma aplicação de alta temperatura.

A aplicação do resistor Shunt inclui amperímetro digital. Este é um método preciso e barato diferente do sensor de efeito Hall. O resistor de derivação também pode fornecer um caminho de baixa resistência e permite que uma corrente elétrica passe de um ponto a outro ponto em um circuito.

Como selecionar o método de detecção de corrente adequado?

Selecionar o método adequado para detecção de corrente não é uma coisa difícil. Existem alguns fatores que precisam ser considerados para escolher o método certo, como:

1. Quanta precisão é necessária?
2. Medição DC ou AC ou ambas?
3. Quanto consumo de energia é necessário?
4. Qual é a faixa atual e a largura de banda a ser medida?
5. Custeio.

Além desses, a sensibilidade aceitável e rejeição de interferência também devem ser considerados. Como nem todos os fatores podem ser satisfeitos, algumas compensações são feitas para comprometer um recurso com o outro, dependendo da prioridade do requisito do aplicativo.