Una aplicación muy frecuente en la industria de sensores magno-resistivos es en la sensibilidad de la intensidad de la corriente que circula en un circuito. Esta sensación sirve para repostar circuitos de control PWM que determinan la velocidad de potencia del motor, accionamiento de solenoides y muchos otros tipos de dispositivos similares. En este artículo hacemos un breve acercamiento al principio de funcionamiento de los sensores magneto - resistivos utilizados en la medida y control de corrientes. Mucho del contenido de este artículo se basa en la documentación proporcionada por la Honeywell (www.ssec.honeywell.com).
Una de las aplicaciones más comunes de los sensores de corriente está en la retroalimentación de los circuitos de control del motor, como se muestra en la figura 1.
Para obtener una señal proporcional a la corriente que circula por un conductor hay varias tecnologías que se utilizan en componentes comerciales. Estas tecnologías incluyen derivaciones resistivas, dispositivos de efecto hall, transformadores de potencia, dispositivos térmicos, etc.
Cada tecnología tiene sus ventajas y desventajas, como la falta de aislamiento en el caso de derivación o incluso la caída de tensión en el circuito causando pérdidas, etc.
Los sensores magneto-resistivos, sin embargo, ofrecen muchas ventajas que analizadas pueden hacerlos una mejor opción que otros tipos.
Entre las ventajas que destacamos para estos sensores está el hecho de que proporcionan un aislamiento eléctrico total, no provocan alteraciones en la intensidad actual del circuito sensorial además son lo suficientemente rápidos como para poder operar a tales frecuencias. 5 MHz, esto en una pista dinámica de 100 dB.
El principio de Funcionamiento
Cuando una corriente circula a través de un conductor, se crea un campo magnético a su alrededor cuya orientación se muestra en la figura 2.
La conocida regla de la mano derecha ciertamente ha sido objeto de pruebas de todas las personas que han sido sometidas a un curso técnico o de ingeniería.
El tratamiento matemático de este campo es dado por las Leyes de Biot-Savart y Amperes, como todo el mundo ha estudiado y que no está a la altura aquí (más información se puede encontrar en cualquier libro de física del nivel medio o superior).
Para un conductor rectilíneo circular, el campo magnético producido consta de anillos concéntricos que determinan vectores de campo paralelos, como se muestra en la figura 3.
También se observa que en cada círculo que determina un vector de intensidad de campo magnético, su magnitud es la misma en cualquiera de sus puntos.
Pasando al mundo real, vemos que, si utilizamos unidades del IS para medir la intensidad del campo producida por una corriente de 1 A una distancia de 1 cm, obtenemos 20 uT (micro Tesla) o 0,20 Gauss.
En la figura 4 tenemos un gráfico que nos muestra las intensidades de campo de varias corrientes en función de la distancia para un conductor ideal (de longitud infinita).
En la práctica los conductores no son ideales, afectando un poco la forma en que la intensidad del campo se puede predecir a cierta distancia. Los conductores son finitos, su diámetro no es nulo y su geometría no es exactamente la de un conductor circular.
En la figura 5 tenemos un ejemplo de la intensidad del campo alrededor de un conductor que tiene una sección rectangular. Este controlador fue simulado colocando 5 hilos uno al lado del otro.
Enfoque para el Proyecto y Uso de Sensores
Sensores Magneto - resistivos de corriente requieren cierto cuidado en el uso, dependiendo del tipo mismo de campo que es generado por el circuito que debe ser monitoreado.
Por lo que hemos visto el campo no es constante, la geometría del conductor influye en lo que se mide según la distancia y más.
Por lo tanto, una primera práctica recomendada es que cuanto mayor sea la intensidad de la corriente medida, más lejos del conductor debe colocarse.
Le recordamos que el campo magnético es un vector y por lo tanto su orientación influye en la forma en que la señal es inducida en el sensor. Esto significa que los cambios en la posición del sensor deben predecirse según sea el caso.
Como se muestra en la figura 6, el sensor debe orientarse de modo que el vector de campo magnético sea paralelo a él, a fin de garantizar la máxima intensidad.
Un cambio de 10° en el ángulo de posicionamiento en relación con el vector cambia la sensibilidad del dispositivo en aproximadamente un 1,6%.
Para una tolerancia de posicionamiento de más o menos medio grado, la señal de salida mostrará una variación de 0.3%, La figura 7 muestra cómo el error de posicionamiento afecta a la precisión en la detección de corriente.
Otro punto para tratar es el movimiento del conductor en relación con el sensor. Como se muestra en la figura 8, si el sensor se mueve según el eje X o Y en relación con las alteraciones del controlador en la respuesta.
Observamos que, en este caso, el movimiento de acuerdo con el eje X le permite colocar el sensor más cerca del conductor, para operar sólo con una parcela del campo producido.
En la figura 8 mostramos cómo se puede colocar el sensor para medir diferentes intensidades de corriente. Tenga en cuenta que, para las corrientes más intensas, el sensor se coloca más lejos del conductor, pero con una orientación adecuada para que sea atravesado sólo por un componente en el eje X del campo producido.
El sensor tomado como ejemplo es el HMC10212Z de Honeywell y la corriente más pequeña que se puede medir es de 10 A, utilizando un clip para este propósito.
Hay otros sensores en la misma empresa que permiten la medida de corrientes menos intensas e incluso más intensas que las limitadas, por ejemplo.
Método similar al indicado se puede utilizar para la detección de corrientes en los senderos de tableros de circuito impreso. El sensor se coloca en el lado opuesto del tablero de circuito impreso, como se muestra en la figura 9.
Sin embargo, como en otros casos, el tratamiento de la señal debe tener en cuenta que, exactamente como en los casos de los hilos que vimos anteriormente, ni el sensor ni el hilo pueden tratarse como un punto.
Por lo tanto, el funcionamiento del dispositivo debe obtenerse experimentalmente.
Uso de Láminas y Núcleos
El flujo magnético se puede concentrar con el uso de materiales especiales en forma de núcleos o láminas. En la figura 10 tenemos dos ejemplos en los que se pueden utilizar materiales adecuados para concentrar el campo magnético que se centra en el sensor.
En el primer caso tenemos un núcleo sólido en forma de anillo, mientras que en el segundo caso tenemos un montón de láminas. El núcleo laminado del segundo caso está especialmente indicado para el caso en el que se deben densificar las corrientes de alta frecuencia.
Los materiales utilizados en estos núcleos y láminas suelen tener una alta permeabilidad, como el hierro que tiene una permeabilidad del orden de 2000 en relación con el aire e incluso materiales cuya permeabilidad alcanza los 100 000.
Una permeabilidad 100 000 significa que el material puede "conducir" las líneas de fuerza de campo magnético 100 000 veces más que el aire.
Asegúrese de que el sensor esté posicionado en el hueco del núcleo o las láminas para ser atravesado por el circuito magnético concentrado.
El núcleo y las láminas en los formatos indicados también funcionan como armadura, evitando la acción de campos externos como el campo magnético de la tierra.
Como se muestra en la figura 11, los campos magnéticos externos se concentran en el núcleo, pero sin pasar por el gap donde está el sensor, evitando así que interfieran. Esto se debe a que la abertura presenta una alta renuencia magnética.
Recordamos que la figura hace un análisis bidimensional de lo que ocurre, pero sirve como una buena aproximación del efecto final que realmente se manifiesta en tres dimensiones.
En el gráfico de la figura 12 tenemos una aproximación bidimensional de cómo aumenta el blindaje dependiendo de la abertura (gap) de la laminación.
Por supuesto, cuando se utilizan núcleos o láminas, se debe considerar que, junto al escudo, se obtiene un aumento en el costo y la dificultad de montar el dispositivo.
El uso de núcleos y láminas también tiene otra aplicación interesante. Se puede utilizar en la medida de campos diferenciales, es decir, de los campos generados por dos corrientes que circulan en direcciones opuestas, como se muestra en la figura 13.
Como los campos están prácticamente confinados por el núcleo o la laminación, se garantiza que, si las corrientes tienen la misma intensidad y, por lo tanto, los campos iguales, pero de orientación opuesta, se cancelan en el sensor.
Por último, el uso de núcleos o láminas también permite que el conductor en el interior se mueva sin que ello afecte sensiblemente a la sensibilidad del sensor.
Un punto negativo en el uso de materiales laminados es la histéresis. Esto significa que el material todavía puede permanecer magnetizado durante algún tiempo, incluso después de que la corriente en el conductor cesa.
Otro efecto de la histéresis es un posible calentamiento del material, si el campo magnético producido es demasiado intenso.
Sensoriamente en Circuito Cerrado
En el modo “closed loop”, los sensores pueden aumentar su pista dinámica. En este modo, el sensor se coloca bajo la influencia de un campo de compensación que hace posible poner a cero el campo sensorial, incluso cuando la corriente no es nula.
Por lo tanto, es posible fijar en cero la salida del sensor a una cierta corriente a una cierta corriente en el conductor sensorizado simplemente que, en el núcleo, como se muestra en la figura 14, se envuelve una bobina y se le aplica una corriente adecuada.
En este circuito, el amplificador proporciona un feedback a la bobina en el
núcleo en el que se encuentra el sensor, de modo que su salida se pone a cero compensando el campo creado por la corriente sensorial.
Por lo tanto, la tensión en el resistor de carga depende de la intensidad del campo que debe ser cancelado y por lo tanto obtiene una salida proporcional que se puede utilizar para excitar el circuito de medida o control externo.
La operación en bucle cerrado o por retroalimentación, tiene varias ventajas tales como:
Permite operar en una pista mucho mayor de corrientes sin saturar el núcleo.
La salida es altamente lineal
La precisión es mayor
Las pistas de paso son más grandes
Trabajando con alta ganancia el circuito es insensible a las variaciones en las características de los componentes
La pista dinámica del dispositivo es mucho mayor.
Conclusión
No basta con colocar un sensor junto a un conductor a través del cual la corriente que debe ser monitoreada o medida para que todo funcione según lo esperado.
Como vimos en este artículo, entender un poco el principio de funcionamiento de los sensores magneto - resistivo se sienta más fácil de entender ciertos problemas que pueden ocurrir en su uso y cómo resolverlos.
Cuando se utiliza un núcleo o láminas, como la colocación de un sensor, como el blindaje del sensor evitando la influencia de los campos magnéticos externos fueron algunos de los temas que abordamos en este interesante artículo.