Le basi dei sensori di corrente

I sensori di corrente sono a circuito aperto o chiuso. I sensori di corrente a circuito aperto misurano le correnti CA e CC e forniscono l'isolamento elettrico tra il circuito da misurare e l'uscita del sensore (la corrente primaria viene misurata senza contatto elettrico con il circuito primario, fornendo isolamento galvanico). Meno costosi dei loro cugini a circuito chiuso, i sensori di corrente a circuito aperto sono generalmente preferiti nei circuiti alimentati a batteria, visti i loro requisiti di bassa potenza operativa e le caratteristiche di ingombro ridotto.

I sensori a circuito chiuso misurano le correnti CA e CC e forniscono l'isolamento elettrico. Offrono una risposta rapida, un'elevata linearità e una deriva a bassa temperatura. L'attuale uscita del sensore a circuito chiuso è relativamente immune al rumore elettrico. Il sensore a circuito chiuso è talvolta chiamato sensore a "flusso zero" perché il suo sensore ad effetto Hall alimenta una corrente opposta in una bobina secondaria, avvolta sul nucleo magnetico per azzerare il flusso prodotto nel nucleo magnetico dalla corrente primaria. I sensori a circuito chiuso sono spesso il sensore preferito quando è essenziale un'elevata precisione.

Diamo ora un'occhiata più da vicino a entrambi i tipi, iniziando con i sensori a circuito aperto.

I sensori di corrente ad anello aperto sono costituiti da un sensore Hall montato nello spazio d'aria di un nucleo magnetico (Fig. 1). Un conduttore produce un campo magnetico paragonabile alla corrente. Il campo magnetico è concentrato dal nucleo e misurato dal sensore Hall. Il segnale del generatore Hall è basso, quindi è amplificato, ed è questo segnale amplificato che diventa l'uscita del sensore. I sensori a circuito aperto normalmente hanno circuiti che forniscono compensazione della temperatura e uscita di tensione calibrata di alto livello. Sebbene abbiano un netto vantaggio in termini di prezzo rispetto alle controparti a circuito chiuso, il loro svantaggio è che possono essere inclini alla saturazione e alla deriva della temperatura. La deriva può essere minimizzata in una certa misura, tuttavia, iniettando un coefficiente positivo nella corrente di controllo per ridurre la deriva nella sensibilità rispetto alla temperatura.

Figura 1: Illustrazione del principio e della struttura di base del sensore di corrente ad anello aperto ad effetto Hall. (Per gentile concessione di Honeywell).

Guardando la Fig. 1, se la corrente di azionamento in un sistema ad anello aperto è controllata usando una sorgente di corrente costante e la tensione di Hall differenziale è amplificata, una tensione di uscita proporzionale alla corrente primaria può essere ottenuta solo dal circuito elettronico.

Un esempio è il trasduttore di corrente a montaggio superficiale ad effetto Hall ad anello aperto serie HMS di LEM (Fig. 2). Il sensore presenta un isolamento galvanico tra un circuito primario e uno secondario; Tensione di prova di isolamento 4300 V; basso consumo energetico; un 12 mm di profilo estremamente basso; un singolo alimentatore +5 V; e offset e guadagno fissi.

Figura 2: trasduttore ad effetto hall ad anello aperto serie HMS. (Per gentile concessione di LEM).

Utilizzato principalmente in applicazioni industriali per azionamenti a velocità variabile CA, convertitori statici per azionamenti motore CC, applicazioni alimentate a batteria, gruppi di continuità e modalità di commutazione e alimentatori per applicazioni di saldatura.

Un altro esempio sono i sensori di corrente a circuito aperto miniaturizzati serie CSLW di Honeywell (Figura 3). La serie comprende una serie SS490 di sensori ratiometrici lineari in miniatura ad effetto Hall e l'elemento sensibile è incapsulato in un pacchetto di plastica montabile su PCB. Il gruppo sensore corrente è composto da sensore, collettore di flusso, alloggiamento e bobina del filo.

Figura 3: Sensore di corrente a circuito aperto miniaturizzato serie Honeywell CSLW. (Per gentile concessione di Honeywell).

In questo caso, il design cablato a circuito aperto ha più giri per una maggiore sensibilità. Altre caratteristiche degne di nota includono il rilevamento della corrente CA o CC, l'uscita raziometrica lineare, l'affondamento della corrente o l'uscita di sourcing per flessibilità di interfacciamento, bassa perdita di inserzione, tempo di risposta rapido, dimensioni compatte e rilevamento accurato ea basso costo. Le applicazioni includono robotica, azionamenti a velocità variabile, controllo dei processi industriali, controllo del motore negli apparecchi, HVAC, protezione da sovracorrente e monitoraggio della corrente dei circuiti elettronici.

Risposta rapida e alta precisione

Rispetto ai sensori a circuito aperto, i sensori a circuito chiuso misurano le correnti CA e CC e forniscono isolamento elettrico, una risposta rapida, elevata linearità e deriva della bassa temperatura. La loro uscita attuale è straordinariamente immune al rumore elettrico. Conosciuti per l'elevata precisione, sono costituiti da un generatore Hall montato nello spazio aereo di un nucleo magnetico, una bobina attorno al nucleo e un amplificatore di corrente. Il conduttore di trasporto della corrente posizionato attraverso l'apertura del sensore produce un campo magnetico che è proporzionato alla corrente. Questo campo è concentrato dal nucleo e rilevato dal generatore di Hall. Il generatore Hall è collegato all'ingresso dell'amplificatore di corrente, che guida la bobina. La corrente attraverso la bobina produce un campo opposto, fornito dalla corrente attraverso l'apertura.

L'uscita di questo sensore è proporzionata sia alla corrente di apertura che al numero di giri della bobina. Se la corrente primaria netta attraverso l'apertura del trasduttore corrente è I, il numero di giri nell'avvolgimento di compensazione è N e la corrente nell'avvolgimento di compensazione è i, quindi alla condizione di flusso zero I = Ni.

La corrente di uscita di un sensore a circuito chiuso viene convertita in un valore di tensione collegando una resistenza all'uscita del sensore e alla terra. La selezione del valore del resistore può comportare il ridimensionamento dell'uscita.

Un esempio di trasduttore di corrente con eccellente precisione, buona linearità e deriva della temperatura molto bassa è l'LTS 25-NP di LEM (Fig.4). Il dispositivo è un trasduttore di corrente multigamma ad anello chiuso (compensato) che utilizza l'effetto Hall. Le caratteristiche principali includono:

· Alimentazione unipolare

· Custodia in plastica isolata riconosciuta secondo UL 94-V0

· Design compatto per montaggio su PCB

· Resistenza di misurazione incorporata

· Campo di misura esteso.

Figura 4: il sensore di corrente ad anello chiuso LEM LTS 25-NP. (Per gentile concessione di LEM).

Le applicazioni del dispositivo sono principalmente di dominio industriale e comprendono azionamenti a velocità variabile e servomotori CA, convertitori statici per azionamenti a motore CC, applicazioni alimentate a batteria, gruppi di continuità, alimentatori a commutazione e alimentatori per applicazioni di saldatura.

Sommario

Mentre entrambi i tipi di sensori possono essere economici a seconda dei requisiti dell'applicazione, i sensori a circuito aperto offrono il miglior vantaggio in termini di costi nelle gamme di correnti elevate (oltre 100 A). Sono anche le dimensioni e il peso più piccoli. Mantengono un consumo energetico costante, indipendentemente dalla corrente rilevata. Il vantaggio in termini di prezzo dei sensori aperti può essere realizzato solo per applicazioni in cui la variazione di temperatura può essere limitata.

I sensori di corrente a circuito chiuso, d'altra parte, sono più adatti per applicazioni commerciali e industriali, dove si trovano comunemente. Questi sensori hanno la massima precisione a temperatura ambiente e alta. Sono ideali per ambienti rumorosi e la loro uscita è facilmente convertibile in tensione.

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