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| sensor de corriente de efecto hall |
Como medir corriente con un sensor de corriente hall
El funcionamiento eficiente de la red inteligente se basa en la capacidad de medir los niveles actuales y otros parámetros a alta resolución. Otra característica clave de las aplicaciones de red inteligente es el uso cada vez mayor de energías renovables a pequeña escala. Estos sistemas exigen el uso de inversores para convertir la electricidad capturada de fuentes solares o eólicas en una señal de CA compatible con la distribución de la red. Se necesitan sensores de corriente eléctrica en el circuito de control para garantizar que se cumplan estas condiciones. Este artículo analiza la tecnología de efecto Hall para la detección actual y cómo se puede aplicar a la red inteligente.
La red inteligente se basa en datos precisos en tiempo real para garantizar que el equipo que controla la entrega de energía y las interfaces con la red se mantenga funcionando con la máxima eficiencia. Los datos capturados por los sensores en la red pueden detectar posibles puntos problemáticos y alertar a los operadores sobre el problema o activar funciones que pueden realizar acciones correctivas. Esto está llevando a la instalación de unidades de distribución de energía (PDU) que realizan mediciones precisas de la energía entregada y sus características.
Una característica adicional clave de las aplicaciones de red inteligente es el mayor uso de energías renovables a pequeña escala. Estos sistemas exigen el uso de inversores para convertir la electricidad capturada de fuentes solares o eólicas en una señal de CA compatible con la distribución de la red. La CA debe estar sincronizada con la red y tener una baja distorsión armónica, pero esto puede ser difícil de lograr.
En el caso de la energía fotovoltaica, se requiere un inversor para convertir la CC generada por cada una de las celdas en una salida de alimentación de CA adecuada. Se necesitan sensores de corriente eléctrica para el circuito de control del inversor para garantizar una conexión adecuada a la red. Los sensores deben medir con precisión las corrientes de CA y CC y tener buenos rendimientos dinámicos. Se requiere un tiempo de respuesta muy rápido para reaccionar rápidamente a cualquier cambio en la red y apagar o desconectar el sistema antes de que ocurra un daño. Un ancho de banda de salida alto permite que el sistema mida las corrientes de CA de alta frecuencia y los armónicos para garantizar que la energía entregada cumpla con los estrictos objetivos de calidad de energía impuestos por los proveedores de electricidad.
La capacidad de reconocer las salidas de CC a la red también es importante. Las regulaciones difieren de un país a otro, pero los límites suelen ser pequeños: del orden de decenas a cientos de miliamperios. La detección de corriente también puede admitir la detección de fallas, la verificación de cortocircuitos y condiciones de sobrecarga.
Aunque existen varias opciones de detección de corriente, los sensores basados en el efecto Hall proporcionan una combinación de características que son muy adecuadas para estas aplicaciones, incluida la supervivencia transitoria de voltaje, el manejo de la corriente de entrada, las limitaciones de espacio y la modularidad. La tecnología puede admitir la detección sin contacto, asegurando un aislamiento intrínseco y protección contra grandes transitorios de voltaje y corrientes de entrada.
Llamado así por Edwin Hall, quien descubrió el efecto en 1879, es la producción de una diferencia de voltaje a través de un conductor eléctrico o semiconductor por un campo magnético que es perpendicular al flujo de corriente en un conductor cercano. El voltaje producido depende del material utilizado en el conductor receptor y del campo magnético aplicado, que depende del flujo de corriente agregado en el conductor fuente.
La diferencia de voltaje es causada por los portadores de carga que son desviados de una ruta recta por el campo magnético. Los electrones se acumulan a lo largo de una cara del conductor receptor para producir una diferencia de voltaje medible. El campo eléctrico resultante se opone a la migración de más cambios, de modo que se pueda mantener un potencial eléctrico constante mientras los portadores de carga continúen fluyendo a través del material.
Un inconveniente de los sensores de efecto Hall para aplicaciones de detección de corriente ha sido sus limitaciones de precisión en términos de voltaje de salida de cero amperios, así como los cambios en la sensibilidad con la temperatura. Otros problemas han sido el ancho de banda de la señal de salida y el ruido de salida. Las generaciones más recientes de dispositivos de efecto Hall se han ocupado de estos problemas, proporcionando componentes que son más adecuados para aplicaciones de monitoreo de inversores y monitoreo de energía en general.
Allegro Microsystems ha empleado un proceso BiCMOS para admitir un diseño de amplificador preciso con circuitos digitales para la programación de fábrica de la ganancia y la compensación de la temperatura. Tanto el elemento Hall como el amplificador están estabilizados por chopper para una mejor precisión y un rendimiento de deriva compensada.
La familia de circuitos integrados de sensor de corriente Allegro ACS756 utiliza estas técnicas, combinando un circuito de sensor Hall lineal de baja compensación y precisión con una ruta de conducción de cobre ubicada cerca del troquel para proporcionar una alta precisión. La corriente aplicada que fluye a través de esta ruta de conducción de cobre genera un campo magnético que es detectado por el Hall IC integrado y convertido en un voltaje proporcional. Un tiempo de respuesta de menos de 4 μs permite detectar corriente en inversores de conmutación de frecuencia más alta. En aplicaciones que funcionan a frecuencias más bajas, como las requeridas para el monitoreo de la red, la salida se puede filtrar para reducir el ruido en la salida y mejorar la resolución.
La resistencia interna de la ruta conductora es típica de 130 µΩ, proporcionando baja pérdida de potencia. El grosor del conductor de cobre permite que el dispositivo sobreviva hasta cinco veces las condiciones de sobrecorriente. Los terminales de la ruta conductiva están aislados eléctricamente de los cables del sensor. Esto permite que la familia de circuitos integrados de sensores ACS756 se use en aplicaciones que requieren aislamiento eléctrico sin el uso de optoaisladores u otras técnicas de aislamiento costosas.
El CQ-3301 de Asahi Kasei es un sensor de corriente de alta velocidad basado en una tecnología de pozos cuánticos de arseniuro de indio de película ultrafina y un paquete sin núcleo para proporcionar una opción VSOP24 que ahorra espacio. Diseñado para permitir que la corriente pase a través del paquete en aplicaciones como la monitorización del inversor, el dispositivo tiene un voltaje de aislamiento de 3.0 kV durante 60 segundos, suponiendo 50/60 Hz AC en el conductor primario, y un tiempo de respuesta de 0.5 µs. Con una salida de bajo ruido de 1.6 mV RMS , el CQ-3301 ofrece deriva de baja temperatura para sensibilidad y salida de corriente cero. Cumple con las normas de seguridad IEC / UL-60950 y UL-508.
Para aplicaciones de muy alta corriente, Allegro ofrece la familia A136x de circuitos integrados de sensores. Cada uno está empaquetado en un SIP de 1 mm de grosor capaz de encajar en el espacio de un núcleo en C alrededor de un conductor. Los dispositivos, como el A1363, pueden detectar corrientes de más de 1500 A. Ofrecen un ancho de banda de 120 kHz, adecuado para inversores de alta frecuencia, y de nuevo proporcionan una mayor precisión a través del filtrado de salida para anchos de banda más bajos, como los que se esperan del monitoreo de la red. diseños
El A136x con paquete SIP de Allegro se puede montar en un núcleo C para medir los niveles de corriente en un conductor de alto voltaje.
La tecnología de detección de corriente Triaxis desarrollada por Melexis , utilizada en productos como el MLX91205, ha permitido a la compañía desarrollar una serie de paquetes de montaje en superficie que pueden colocarse sobre el conductor incrustado en una PCB o una barra de bus en lugar de que pase a través del paquete. Como los sensores de efecto Hall convencionales son sensibles a los campos magnéticos perpendiculares a la superficie del chip en lugar de ser paralelos para tener una medición precisa de un dispositivo colocado sobre un rastro de PCB o una barra de bus, el campo debe hacerse localmente vertical. Para eso está diseñada la tecnología del Concentrador magnético integrado (IMC) Melexis.
IMC utiliza una capa ferromagnética amorfa, altamente permeable, de bajo campo coercitivo, que se une directamente a la superficie del chip del sensor Hall, enfocando las líneas de flujo del campo magnético en Hall que son aproximadamente una décima parte del tamaño del elemento ferromagnético. Las dos partes del IMC recogen y amplifican el pequeño flujo magnético paralelo a la superficie del chip y rotan localmente el componente en el plano en un campo magnético perpendicular a la superficie del chip.
La tecnología Melexis IMC concentra las líneas de campo para permitir la detección del campo perpendicular cuando el sensor se monta sobre la barra de bus o el trazado de PCB.
El rango de corriente del sensor está limitado por la geometría del conductor y el blindaje. El rango de corriente se puede aumentar fácilmente aumentando la sección transversal de la barra colectora o la distancia entre el sensor y el conductor de corriente. El sensor puede monitorear corrientes de 5 A a 100 A en PCB o hasta 1000 A en barras colectoras. Hay dos versiones diferentes de productos disponibles. El 91205HB presenta un rango de campo magnético lineal de ± 25 mT y el 91205LB maneja un rango lineal de ± 10 mT.
Como resultado, al ofrecer la posibilidad de detección sin contacto, los dispositivos de efecto Hall proporcionan soluciones versátiles para el monitoreo de corriente en aplicaciones de red inteligente, ya sea para inversores en energías renovables o diagnósticos en unidades de distribución de energía.
