Detección de corriente de efecto Hall:configuraciones de lazo abierto y lazo cerrado

Aprenda los conceptos básicos de los sensores de corriente de efecto Hall en este artículo técnico.

Los sensores de corriente se utilizan ampliamente en una variedad de aplicaciones. Una técnica común es la detección de corriente resistiva donde se mide la caída de voltaje a través de una resistencia de derivación para determinar la corriente desconocida. Las soluciones basadas en resistencias de derivación no proporcionan aislamiento galvánico y no son energéticamente eficientes, especialmente cuando se miden grandes corrientes.

Otra técnica muy utilizada se basa en el efecto Hall. Un sensor de corriente de efecto Hall proporciona un mayor nivel de seguridad debido a su aislamiento galvánico entre el sensor y la corriente a medir. También evita la disipación de potencia considerable de la resistencia de derivación empleada en los métodos de detección de corriente resistiva.

En este artículo, veremos los conceptos básicos de los sensores de corriente de efecto Hall.

Detección de corriente en bucle abierto

La estructura de un sensor de corriente de bucle abierto basado en el efecto Hall se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Imagen cortesía de Dewesoft

La corriente a medir fluye a través de un conductor que está dentro de un núcleo magnético. De esta forma, la corriente crea un campo magnético dentro del núcleo. Este campo se mide mediante un sensor de efecto Hall colocado en el espacio de aire del núcleo.

La salida del sensor Hall es un voltaje proporcional al campo magnético del núcleo que también es proporcional a la corriente de entrada. La señal producida por el dispositivo Hall generalmente es procesada por un circuito de acondicionamiento de señal. El circuito de acondicionamiento de señal puede ser una etapa de amplificación simple o un circuito más complicado diseñado para eliminar el error de deriva del dispositivo Hall, etc.

¿Por qué necesitamos un núcleo magnético?

Suponga que no hay núcleo magnético. El campo magnético a una distancia r de un conductor recto infinitamente largo que transporta una corriente eléctrica de I viene dado por:

\ [B =\ frac {µ_0I} {2 \ pi r} ~, ~ µ_0 =4 \ pi \ times 10 ^ {- 7} \ frac {H} {m } \]

donde µ ₀ es la permeabilidad del espacio libre. Para I =1 A, r =1 cm, obtenemos:

\ [B =2 \ times 10 ^ {- 5} ~ Tesla =0.2 ~ Gauss \]

Para tener una idea de lo pequeño que es este campo magnético, tenga en cuenta que el campo magnético de la tierra es de aproximadamente 0,5 Gauss. Por lo tanto, es muy difícil medir una corriente de 1 A detectando el campo magnético que produce en el espacio libre. Para combatir este problema, podemos utilizar un núcleo magnético para confinar y guiar el campo magnético producido por la corriente. El núcleo ofrece un camino de alta permeabilidad para el campo magnético y actúa como un concentrador de campo. El campo magnético dentro del núcleo puede ser cientos o miles de veces mayor que el que puede producir una corriente determinada en el espacio libre.

La brecha de aire

Como se muestra en la Figura 1, el núcleo magnético está diseñado con un espacio de aire en el que se coloca el sensor Hall. El espacio de aire puede provocar un fenómeno de flujo de franjas donde algunas líneas de flujo se desvían de su trayectoria recta y, por lo tanto, no atraviesan el sensor como se esperaba. Este efecto de franja se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Imagen cortesía de R. Jez

Debido al efecto de franja, la densidad de flujo magnético detectada por el dispositivo Hall puede ser menor que la densidad de flujo magnético dentro del núcleo. En otras palabras, el entrehierro puede reducir la eficacia del núcleo para convertir la corriente primaria en un fuerte campo magnético. Sin embargo, si la longitud del espacio es pequeña en comparación con el área de la sección transversal del espacio, el efecto del efecto de franja puede ser relativamente pequeño.

Necesitamos el espacio de aire para poder medir el campo magnético dentro del núcleo. Además, el entrehierro nos permite modificar la desgana general del núcleo. Tenga en cuenta que una corriente alta puede crear un gran campo magnético dentro del núcleo y saturarlo. Esto puede limitar la corriente máxima que se puede medir. Ajustando la longitud del entrehierro, podemos cambiar el nivel de saturación del núcleo. La Figura 3 muestra cómo la densidad del flujo magnético detectado cambia con la longitud del espacio de aire para un núcleo dado.

Figura 3. Imagen cortesía de Allegro

Con espacios de aire más pequeños, podemos lograr una mayor ganancia magnética (ganancia de gauss por amperio). Sin embargo, un espacio de aire más pequeño puede hacer que el núcleo se sature a una corriente relativamente menor. Por lo tanto, la longitud del espacio afecta directamente la corriente máxima que se puede medir. Además de la longitud del espacio, hay otros factores, como el material del núcleo, las dimensiones del núcleo y la geometría del núcleo, que determinan la eficiencia de un núcleo magnético. Para obtener más información sobre los núcleos adecuados para aplicaciones de alta corriente (> 200 A), consulte esta nota de aplicación de Allegro.

Limitaciones de la detección de corriente en bucle abierto

Con una configuración de bucle abierto, los efectos no ideales, como los errores de linealidad y ganancia, pueden afectar la precisión de la medición. Por ejemplo, si la sensibilidad del sensor cambia con la temperatura, aparecerá un error dependiente de la temperatura en la salida. Además, con la detección de corriente de bucle abierto, el núcleo está sujeto a saturación. Además, la compensación del sensor Hall y la coercitividad del núcleo pueden contribuir a errores.

Detección de corriente en bucle cerrado

La técnica de detección de corriente de efecto Hall de circuito cerrado se ilustra en la Figura 4.

Figura 4. Imagen cortesía de Cheemi-Tech

Como sugiere el nombre, esta técnica se basa en conceptos de retroalimentación negativa. En este caso, hay un devanado secundario que es impulsado por la salida de la ruta de retroalimentación. La ruta de retroalimentación detecta el campo magnético dentro del núcleo y ajusta la corriente a través del devanado secundario para que el campo magnético total del núcleo sea igual a cero. Veamos cómo funciona este circuito.

La corriente que se va a medir fluye a través del conductor primario y crea un campo magnético dentro del núcleo. Este campo se mide mediante un sensor de efecto Hall colocado en el entrehierro del núcleo. La salida del sensor Hall, que es un voltaje proporcional al campo magnético del núcleo, se amplifica y se convierte en una señal de corriente que pasa por el devanado secundario. El sistema está diseñado de manera que la corriente que atraviesa el devanado secundario produce un campo magnético que se opone al campo magnético de la corriente primaria. Con el campo magnético total igual a cero, deberíamos tener:

\ [N_pI_p =N_sI_s \]

donde N _p y N _s son respectivamente el número de vueltas de los devanados primario y secundario; y yo _p y yo _s son las corrientes primaria y secundaria. En la Figura 4, tenemos N _p =1 y \ [V_ {out} =R_m \ times I_s \]. Por tanto, obtenemos:

\ [V_ {out} =R_m \ times \ frac {1} {N_s} \ times I_p \]

Esto nos da un voltaje que es proporcional a la corriente primaria. Tenga en cuenta que el factor de proporcionalidad, \ [R_m \ times \ frac {1} {N_s} \], es una función del número de vueltas y del valor de la resistencia en derivación. El número de vueltas es un valor constante y las resistencias también son muy lineales.

Detección de corriente en bucle abierto versus bucle cerrado

La retroalimentación negativa empleada en la arquitectura de circuito cerrado nos permite reducir los efectos no ideales, como la linealidad y los errores de ganancia. Es por eso que, a diferencia de una configuración de circuito abierto, una arquitectura de circuito cerrado no se ve afectada por la desviación en la sensibilidad del sensor. Por lo tanto, una configuración de circuito cerrado ofrece una mayor precisión. Un sensor de corriente de circuito cerrado es más resistente a la saturación del núcleo porque la densidad de flujo magnético dentro del núcleo es muy pequeña.

Con detección de circuito cerrado, la bobina secundaria es activada por un amplificador de alta potencia. Los componentes adicionales empleados en una arquitectura de circuito cerrado conducen a un área de PCB más grande, un mayor consumo de energía y un precio más alto.

El problema de estabilidad es otro inconveniente de un sensor de corriente de circuito cerrado. Con una configuración de circuito cerrado, necesitamos derivar la función de transferencia del sistema y asegurarnos de que el sistema sea estable. Un sistema inestable puede presentar sobreimpulso o timbre en respuesta a un cambio rápido en la corriente de entrada. Para que un sistema de circuito cerrado sea estable, normalmente necesitamos limitar su ancho de banda. Sin embargo, reducir el ancho de banda del sistema puede aumentar su tiempo de respuesta y hacer que el sistema no pueda responder a cambios rápidos en la entrada. Por lo general, se espera que una configuración de bucle abierto muestre un tiempo de respuesta más rápido.

Tenga en cuenta que la compensación del sensor Hall puede contribuir a errores tanto en configuraciones de bucle cerrado como de bucle abierto. El desplazamiento de un elemento Hall de calidad de antimonuro de indio (InSb) es típicamente de ± 7 mV.

Soluciones integradas modernas

Vale la pena mencionar que los sensores de corriente modernos basados ​​en el efecto Hall emplean técnicas innovadoras para abordar algunas de las limitaciones anteriores. Por ejemplo, el DRV411 de TI es un circuito integrado de acondicionamiento de señal diseñado para aplicaciones de detección de corriente de bucle cerrado que utiliza la técnica de giro de corriente para eliminar el desplazamiento del elemento Hall y los errores de deriva. Esta técnica se ilustra en la Figura 5.

Figura 5. Técnica de hilado actual utilizada en el DRV411. Imagen cortesía de Texas Instruments

Otro ejemplo es el ACS720 [enlace de descarga de PDF] de Allegro que está diseñado para aplicaciones de detección de corriente de bucle abierto. El ACS720 utiliza algoritmos de compensación de temperatura en el chip para optimizar la precisión sobre la temperatura.

Figura 6. El diagrama de bloques del ACS720. Imagen cortesía de Allegro Microsystems [enlace de descarga de PDF]

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