Sensado de Corriente Alterna

En esta nota hablaremos sobre diferentes métodos de sensado de corriente alterna con la finalidad de buscar el que mejor se ajuste a nuestro proyecto o medición.

Shunt:
El método mas sencillo es mediante un Shunt que podremos adquirir en el mercado, hacerlo nosotros mismos con alambre calibrado o bien con una resistencia de muy bajo valor y alta potencia.

Como podemos ver en la imagen de arriba existen varias formas en las que viene un shunt, aunque existen varias formas mas y también encapsulados para circuito impreso THT o SMD, claramente estos últimos e menor potencia, pero básicamente estos Shunt responden a la ley de Ohm, donde tenemos un alambre o una chapa calibrada que posee un valor de resistencia calibrado, por ejemplo 0,1ohm, esto quiere decir que si circulamos una corriente de 10A por ella, tendremos que medir en los bornes del shunt una tensión que sera V=I*R=10A*0.1R=1V, como podemos ver aplicando la ley de Ohm podemos saber de forma inversa que corriente atraviesa el circuito con solo medir la tensión en el shunt. 
Desafortunadamente los Shunt son difíciles de conseguir o costosos, para ello podemos reemplazar el mismo con una resistencia de potencia, por ejemplo una resistencia de 0.1R 10W de cerámica, pero tendremos que tener en cuenta la potencia de disipación de 10W, para la ley de Ohm de potencia donde P=I^2*R, despejando la ecuación podremos saber cual es la corriente máxima que podremos circular por la resistencia de 0.1R 10W sin que exceda los 10W, I=sqrt(P/R)=sqrt(10W/0.1R)=10A, quiere decir que la corriente máxima para circular en esa resistencia sera de 10A, si por ejemplo conectamos una carga que consume 6.5A entonces por ley de ohm debemos medir en los bornes de la resistencia una tensión de V=I*R=6.5A*0.1R=0.65V=650mV y la potencia de disipación en esa resistencia sera de P=I^2*R=6.5A^2*0.1R=4.22W.

También existen otros tipos de resistencias con disipación térmica de aluminio, de alambre plano, distintas potencias y tamaños, en este caso la foto muestra una resistencia de 10W 0.1R del tipo cerámica.

La ventaja de usar este método de sensado de corriente es que la resistencia es un componente lineal lo cual el valor de tensión proporcional a la corriente que la atraviesa sera lineal.

La contra es que la resistencia es un componente de contacto que debe estar en el circuito a medir, no esta aislado de ninguna manera.

Aquí vemos un ejemplo de sensado de corriente para la medición de la corriente de una lampara de 100W alimentada con 220Vac, la tensión medida en la resistencia es de 0.045V, si aplicamos ley de Ohm podremos calcular I=V/R=0.045/0.1=0.45=450mA.

HALL:
un método híbrido de medición es el denominado por efecto Hall, el efecto Hall es la diferencia de potencial generada por la separación de cargas del campo eléctrico en el interior de un conductor por el cual circula una corriente eléctrica.
Si tomamos un conducto determinado y circulamos por el mismo una corriente eléctrica en un sentido, se creara una tendencia a generar una separación entre cargas eléctricas que se sitúan de forma ortogonal al flujo de la corriente aplicada, al someter este conductor a un campo magnético, las cargas que se sitúan en los extremos ortogonales a la circulación de corriente aumenta y este aumento de carga da como resultado una diferencia de potencial que podrá ser medida con un voltímetro y que sera proporcional al campo magnético aplicado al mismo.

Un sensor de efecto Hall podremos encontrarlo en diversos formatos, pero uno muy común es en encapsulado similar a un transistor de baja señal, por ejemplo el UGN3503 es un sensor efecto Hall del tipo analógico (los hay también con salida digital, con protocolo de datos, con 3 ejes, 6, ejes, etc...) Lo único que necesitamos para polarizar el sensor UGN3503 es una fuente de 5V y un multímetro para medir su salida.

Como podremos ver, en la hoja de datos del UGN3503 nos muestra una manera de sensar corriente mediante una bobina de sensado con núcleo toroidal.

En la actualidad existen muchos tipos de sensores de efecto Hall y sensores de corriente, pero hay uno muy popular que esta diseñado exclusivamente para sensar corriente (alterna o continua) basado en un circuito integrado que en su interior tiene un sensor efecto Hall, el mismo en su interior posee un conductor por el cual circula la corriente eléctrica a medir y sobre este conductor descansa un sensor efecto Hall que medirá el campo magnético generado por el conductor.
El sensor es el ACS712 que viene en tres versiones, 5A, 20A y 30A, este sensor debemos alimentarlo con 5V y nos proporciona una salida de tensión que sera proporcional al valor de corriente medido, la contra de este dispositivo es que debemos interrumpir el circuito eléctrico al igual que con el Shunt y conectarlo en serie con la carga, si bien se encuentra aislada la parte de corriente con la electrónica interior, debemos interrumpir el circuito y tenemos limitaciones de corriente.

Este sensor viene ya modularizado con una placa, terminales y bornera de potencia para ser implementado junto a un medidor externo (microcontrolador, voltímetro, osciloscopio, etc...).

Transformador de Corriente:

Este es un método muy común cuando debemos realizar mediciones de alta corriente, ya que este es un método no invasivo y sin contacto, no debemos interrumpir el circuito a medir y esto nos proporciona corriente mas elevadas de medición, también se puede conocer como transformador de corriente.

Un transformador de corriente es un simple transformador realizado en base a dos devanados y un núcleo que facilita el circuito magnético entre ambos devanados reduciendo la dispersión magnética.

Este es un método muy empleado en las pinzas amperometricas o amperimetricas, donde hacemos pasar un conductor dentro de ellas y luego medimos la corriente sin contacto.

También existen otros transformadores de corriente que pueden venir con bornera para tomar esa salida hacia un instrumental o directamente como puntas de osciloscopio.

Estos transformadores de corriente pueden ser de baja potencia y también de uso industrial como se ve en la imagen de arriba, aunque también los hay mas grandes.

Esta es una de las puntas de osciloscopio utilizadas para medir corriente, estas pinzas suelen ser activas ya que deben acondicionar la señal medida por la pinza y enviar un valor proporcional al osciloscopio.

Una desventaja del transformador de corriente con respecto a un Shunt es que este no es lineal como el Shunt, el campo magnético que se genera en el conductor que pasa por dentro de la pinza es demasiado débil, por ello se usa un núcleo ferromagnético que aumenta la sensibilidad gracias a su permeabilidad aumentada que favorece el circuito magnético, este núcleo ferromagnético no tiene una respuesta lineal y esto disminuye la calidad de la medición.

Aunque también se puede realizar esta bobina sin núcleo ferromagnético, con núcleo de aire y este es lineal pero el núcleo de aire tiene una permeabilidad mucho mas baja que el ferromagnético por lo que disminuye la inductancia e la bobina y para compensar esta disminución se debe aumentar el numero de espiras en el inductor.

Una ventaja que tiene el núcleo ferromagnético es que cuando la corriente es muy elevada para el núcleo que se esta empleando (el núcleo se debe calcular previamente) el campo magnético aumenta y se satura el núcleo, esto hace que el núcleo como circuito magnético (donde circulan la mayor parte de las lineas de campo) llegue a su máximo de "conducción" magnética y la bobina que se encuentra arrollada en el núcleo sensando corriente llegue a un limite y no pueda exceder ese limite, esto es favorable ya que no podremos quemar nuestro medidor, pero como resultado la saturación del núcleo aumentara la temperatura del mismo.

Ley de Ampere:

La ley de Ampere establece que una corriente eléctrica que circula por un conductor produce un campo magnético, esta intensidad de campo es proporcional a la corriente que recorre el conductor.

El campo magnético generado en el conductor es un campo angular de forma circular y perpendicular al conductor.

Donde:

B: Campo Magnético

dl: Diferencial de longitud

u0: Permeabilidad

i: Intensidad

Si resolvemos la integral cerrada, nos quedara:

Despejando el campo magnético:

Si aplicamos esta ley a un tiroideo en lugar de un conductor rectilíneo:

Como podemos ver, le hemos agregado la variable N donde ingresaremos la cantidad de espiras que posee el toroide, claramente para saber el valor del campo magnético debemos también saber que permeabilidad tiene el circuito magnético empleado.

Electrónica:

Vamos a hablar un poco de la electrónica y del circuito realizado para nuestro proyecto.

Como mencionamos antes, para el sensor de corriente ACS712 o para el Shunt, no necesitamos ningún otro circuito de acondicionamiento de señal, pero en el caso del toroide, vamos a necesitar convertir la corriente en tensión y luego amplificarla para ingresarla al instrumento de medición.

El amplificador operacional como conversor de corriente a tensión, también conocido como configuración en transimpedancia.

Esta configuración produce una tensión de salida proporcional a una corriente de entrada, con una impedancia de entrada muy baja.

A este conversor de transimpedancia le agregaremos un integrador como filtro pasa-bajos con una frecuencia de corte cercana a los 50Hz añadiendo un capacitor de 330nF en paralelo a la resistencia de feedback.

Por ultimo utilizaremos otro amplificador para aumentar la ganancia del primero, podremos también utilizar un preset en serie a la resistencia de feedback para variar la ganancia y ajustar el medidor a nuestra escala.

Aquí podremos ver el circuito final, con la primera etapa de transimpedancia e integradora, luego una segunda etapa amplificadora.

El circuito requiere de una fuente simétrica para que la forma de onda no se deforme, por ello se ha realizado una masa flotante. El circuito esta alimentado con 12V pero en nuestra masa flotante tendremos el punto medio proporcionando +/-6V.

El circuito integrado utilizado es un doble amplificador operacional de uso general LM358, pero seria ideal emplear uno del tipo Rail-To-Rail como el LMV358 para aprovechar toda la tensión de alimentación.

El toroide esta construido en base a un toroide de 25mm de diámetro por 10mm de ancho, se han realizado 10 espiras en el mismo y el cable a sensar pasa directamente por el centro del mismo.

Pruebas:

Para comprobar el funcionamiento se ha sometido el medidor a diversos consumos en conjunto a una pinza amperometrica comercial calibrada, se han tomado diferentes valores y se han anotado tanto el de nuestro medidor como el de la pinza amperometrica.

La salida de este circuito alimenta directamente la entrada de un osciloscopio.

Como podemos ver, realizamos las mediciones de la columna A con la pinza comercial medida en Ampere, y la columna Vpp con nuestro medidor en el osciloscopio medido en Volt pico a pico.

Luego se ha realizado un gráfico de dispersión estadística y se ha calculado la regresión lineal, como podemos apreciar, la respuesta es bastante lineal lo cual hace un medidor de precisión aceptable.

Luego podemos ver que se ha tomado el valor leído Vpp en el osciloscopio y se ha multiplicado por 1.33 que nos ha dado el gráfico y de ahí hemos sacado la corriente pico a pico App, corriente pico Ap y corriente eficaz Arms.

Siempre suponiendo que las cargas son resistivas y no generan perturbaciones en la forma de onda.