Guía experta de sensores de corriente Hall Effect: configuraciones open‑loop y closed‑loop

Aprenda los fundamentos de los sensores de corriente por efecto Hall en este artículo técnico.

Los sensores de corriente se usan 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 shunt para determinar la corriente desconocida. Las soluciones basadas en resistencia shunt no proporcionan aislamiento galvánico y no son eficientes energéticamente, especialmente al medir corrientes grandes.

Otra técnica ampliamente usada se basa en el efecto Hall. Un sensor de corriente por efecto Hall proporciona un nivel más alto de seguridad debido a su aislamiento galvánico entre el sensor y la corriente a medir. También evita la considerable disipación de potencia de la resistencia shunt empleada en métodos de detección resistiva.

En este artículo, echaremos un vistazo a los fundamentos de los sensores de corriente por efecto Hall.

 

Detección de corriente open‑loop

La estructura de un sensor de corriente por efecto Hall open‑loop 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 es medido por un sensor de efecto Hall colocado en el entrehierro 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 suele ser procesada por una circuitería de acondicionamiento de señal. La circuitería de acondicionamiento puede ser una simple etapa de amplificación o un circuito más complejo 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 lleva una corriente eléctrica I está dado por:

 

\[B = \frac{\mu_0 I}{2\pi r} ~ , ~ \mu_0 = 4\pi \times 10^{-7}\frac{H}{m}\]

 

donde μ₀ 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, note que el campo magnético de la Tierra es de aproximadamente 0,5 Gauss. Por 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 usar 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 concentrador de campo. El campo magnético dentro del núcleo puede ser cientos o miles de veces mayor que el que una corriente dada puede producir en el espacio libre. 

 

El entrehierro

Como se muestra en la Figura 1, el núcleo magnético está diseñado con un entrehierro en el que se coloca el sensor Hall. El entrehierro puede provocar el fenómeno de flux fringing donde algunas líneas de flujo se desvían de su camino recto y, por tanto, no pasan por el sensor como se espera. Este efecto fringing se muestra en la Figura 2.

 

Figura 2. Imagen cortesía de R. Jez

 

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

Necesitamos el entrehierro para poder medir el campo magnético dentro del núcleo. Además, el entrehierro nos permite modificar la reluctancia total del núcleo. Observe 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 de flujo magnético detectada cambia con la longitud del entrehierro para un núcleo dado.

 

Figura 3. Imagen cortesía de Allegro

 

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

 

Limitaciones de la detección open‑loop

Con una configuración open‑loop, efectos no ideales, como 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 open‑loop, el núcleo está sujeto a saturación. Además, el offset del sensor Hall así como la coercitividad del núcleo pueden contribuir a errores. 

 

Detección de corriente closed‑loop

La técnica de detección de corriente por efecto Hall closed‑loop se ilustra en la Figura 4.

 

Figura 4. Imagen cortesía de Cheemi-Tech

 

Como su nombre indica, esta técnica se basa en conceptos de retroalimentación negativa. En este caso, hay un devanado secundario que es impulsado por la salida del camino de retroalimentación. El camino 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 a medir fluye a través del conductor primario y crea un campo magnético dentro del núcleo. Este campo es medido por 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, es amplificada y convertida a una señal de corriente que pasa por el devanado secundario. El sistema está diseñado de manera que la corriente que pasa por el devanado secundario produce un campo magnético que se opone al campo magnético de la corriente primaria. Con el campo magnético total siendo igual a cero, deberíamos tener:

 

\[N_p I_p = N_s I_s\]

 

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

 

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

 

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

 

Detección open‑loop versus closed‑loop

La retroalimentación negativa empleada en la arquitectura closed‑loop nos permite reducir efectos no ideales como errores de linealidad y ganancia. Por eso, a diferencia de una configuración open‑loop, una arquitectura closed‑loop no se ve afectada por la deriva en la sensibilidad del sensor. Por tanto, una configuración closed‑loop ofrece mayor precisión. Un sensor de corriente closed‑loop es más robusto a la saturación del núcleo porque la densidad de flujo magnético dentro del núcleo es muy pequeña.  

Con la detección closed‑loop, el devanado secundario es impulsado activamente por un amplificador de alta potencia. Los componentes adicionales empleados en una arquitectura closed‑loop conducen a un área de PCB mayor, un mayor consumo de energía y un precio más alto. 

El problema de estabilidad es otro inconveniente de un sensor de corriente closed‑loop. Con una configuración closed‑loop, necesitamos derivar la función de transferencia del sistema y asegurar que el sistema sea estable. Un sistema inestable puede exhibir sobreimpulso u oscilaciones en respuesta a un cambio rápido en la corriente de entrada. Para hacer estable un sistema closed‑loop, usualmente necesitamos limitar su ancho de banda. Sin embargo, reducir el ancho de banda puede aumentar su tiempo de respuesta y hacer que el sistema no pueda responder a cambios rápidos en la entrada. Una configuración open‑loop suele exhibir un tiempo de respuesta más rápido.

Observe que el offset del sensor Hall puede contribuir a errores tanto en configuraciones closed‑loop como open‑loop. El offset de un elemento Hall de antimonuro de indio (InSb) de calidad es típicamente ±7 mV.

 

Soluciones integradas modernas

Vale la pena mencionar que los sensores de corriente basados en efecto Hall modernos emplean técnicas innovadoras para abordar algunas de las limitaciones anteriores. Por ejemplo, el DRV411 de TI es un IC de acondicionamiento de señal diseñado para aplicaciones de detección closed‑loop que usa la técnica de current spinning para eliminar el offset y la deriva del elemento Hall. Esta técnica se ilustra en la Figura 5.

 

Figura 5. Técnica de current spinning usada en el DRV411. Imagen cortesía de Texas Instruments

 

Otro ejemplo es el ACS720 [enlace de descarga PDF] de Allegro diseñado para aplicaciones de detección open‑loop. El ACS720 usa algoritmos de compensación de temperatura en chip para optimizar la precisión sobre temperatura.

 

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

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