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Medida de corriente con un rango dinámico más amplio

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La medida de la corriente eléctrica en aplicaciones de electrónica de potencia implica algo más que la selección del transductor. La ruta del transductor al microcontrolador puede incluir varias etapas y cada una de ellas influye sobre la precisión de la medida.

Medida1Se pueden añadir incertidumbres al offset y la ganancia mediante una etapa de escalado intermedio y de variación de nivel.
El uso de una resistencia de carga en las aplicaciones de lazo cerrado inyecta modificadores de precisión
La etapa final de conversión de la información de corriente analógica en un formato digital implica un número efectivo de bits y una resolución final de la corriente medida.
Numerosas aplicaciones de electrónica de potencia exigen un mayor rango para el dispositivo medidor de corriente. Este mayor rango cubre el rango operativo normal (80%-125% de la corriente nominal) y cobertura de protección (300%). Esto puede tener un efecto limitador sobre el control del rango dinámico disponible.


Detección de sobrecorriente
Con la llegada de la detección de corriente basada en ASIC han surgido opciones para incorporar otras funciones. El ASIC se sitúa en el hueco del núcleo (ver Fig. 1). Además de las tecnologías que reducen el offset, como el giro de célula Hall (ver Fig. 2) o la sensibilidad programable, es posible incluir la opción de detección de sobrecorriente (OCD, Over Current Detection) como una salida programable por separado. La OCD cambia estados, como una salida de colector abierto cuando se supera un umbral de disparo. Con una patilla OCD externalizada, el rango de medida del transductor ya no debe incluir los picos de protección y el rango de medida completo se puede concentrar en el rango operativo dinámico de la aplicación.


La OCD puede programarse para diferentes umbrales de disparo, que se pueden ajustar al 250% o el 300%. En el caso de la serie HO de LEM, la programabilidad aumenta hasta el 570% del valor nominal del transductor. La sobrecorriente detectada supera el rango de medida nominal del transductor. Un transductor para una corriente nominal de 8 A se puede programar para umbral OCD de 45,6 A.


La OCD permite eliminar un circuito dedicado de protección para detección de sobrecorriente o un requisito similar. Esto libera espacio en la placa y reduce el número de componentes. Un circuito de protección de este tipo podría estar formado por un comparador y varias resistencias; quizás se podrían eliminar 5 componentes discretos.


Rango dinámico concentrado
Con la función de protección cubierta por la salida de OCD, se deja que el rango de medida se concentre en el rango de control dinámico. El transductor va a interactuar fundamentalmente con un dispositivo de 5V o 3,3V para la conversión analógica a digital. Si la información de la magnitud de corriente se puede suministrar dentro del rango de 5V o 3,3V se necesitará menos circuitería intermedia, como variadores de nivel y ajuste de escala. Los ASIC basados en transductores son en su mayoría de 5V y los de 3,3V son cada vez más accesibles. Históricamente, el rango dinámico se ha definido como 0,625V/corriente nominal para dispositivos de 5V. Esto permite que un dispositivo bidireccional (medida de CA) tenga un punto de corriente cero definido como salida de 2,5V. La corriente en cada dirección incrementa o reduce la tensión de salida del transductor desde el punto de arranque a 2,5V (corriente primaria cero). Por ejemplo, en el caso de una aplicación de 10A (10A equivale al 100% de la carga), el transductor tendría un valor nominal de 10A con un pico de 30A para ofrecer protección. La sensibilidad de 0,625V/10A (HXS 10-NP/SP4 de LEM, por ejemplo) permite una lectura del 300% (salida de 30A o 4,375V) para protección. Los valores en voltios/amperios son 0,625V/10A o 62,5mV/A.

Medida2

 


Multiplicación magnética
El método de múltiples devanados de conductor en serie a través de un transductor es una técnica conocida y denominada a menudo ‘multiplicación magnética’. Resulta útil cuando los valores nominales de los transductores de corriente están por encima de la corriente primaria de la aplicación. Es importante utilizar tanto rango dinámico de los transductores como sea posible para minimizar el offset y los errores de linealidad. Los campos magnéticos de los conductores se suman a un múltiplo definido por el número de devanados en serie. Así se muestra en los siguientes ejemplos de aplicación de CA y CC.


Aplicación de CA
Con la supervisión de OCD para protección se puede aprovechar todo el rango dinámico para control. La aplicación del ejemplo anterior para 10A se puede aplicar a un transductor de 15A (HO 15-NP de LEM). La corriente envuelve tres veces en serie las tres barras conductoras por separado. Con el 125% del valor nominal de la aplicación como límite superior del rango, la corriente será de 37,5A como máximo. Para un 100% del valor (10A), el transductor ve 30A. A una sensibilidad original de 53,33 mV/A


(HO 15-NP) le corresponderá una sensibilidad de 160mV/A. Compárese con los 62,5mV/A de un transductor nominal estándar de 10A y el factor es de 2,56. Las corrientes más bajas se elevan por encima del ruido de fondo y se utiliza más el rango dinámico disponible. Es un ejemplo de aplicación de CA en el cual la aplicación necesita utilizar ambos lados del punto de corriente cero de 2,5V.

Medida3

Aplicación de CC unidireccional
En un ejemplo de CC que es unidireccional por naturaleza, la Vref se puede utilizar para ampliar enormemente el rango dinámico de medida. Empezando con un HO 8-NP de LEM y envolviendo la corriente del primario tres veces en serie se logra una corriente máxima (125%) de aplicación de 37,5A. Con una Vref de enganche o programada para que 0,5V represente 0A se puede lograr una sensibilidad de 100mV/A en el transductor. La tensión de pico a la salida que se obtiene a 37,5A es de 4,250V, una amplitud de 3,75V para una variación de 12,5A o 300mV/A. Una aplicación de CC que en el pasado trabajaría a 62,5mV/A ahora puede funcionar a 300mV/A. En una aplicación de 5V/12bit, un bit representa 1,22mV. La tensión de salida estaría dentro de un rango de 0,50V a 4,250V, que representa una corriente de 0A a 12,5A y un rango de 3072 bits. En una aplicación tradicional de 10A sin variación de Vref y sin OCD, el rango operativo de 0 a 12,5A se representaría con una tensión de 2,5V a 3,28V. Este rango de 0,781V equivale a 640 bits. La resolución para un bit es de 4,1mA con el método de variación de Vref/OCD o de 19,5mA sin las funciones basadas en ASIC. La combinación de variación de Vref/OCD proporciona un control mucho más afinado de la corriente.


No todos los transductores basados en ASIC ofrecen al rango máximo de corriente. El HO 8-NP de LEM permite incrementar el rango dinámico. Sin embargo, el HO 25-NP de LEM no permite un rango de medida tan amplio cuando la Vref se lleva hasta 0,50V. Generalmente, los transductores de corriente con un rango más reducido en serie se caracterizan por un mayor rango disponible que los modelos con una corriente más elevada dentro de una familia de transductores.

 

Disipación del calor
En los transductores más pequeños, cuando el rango dinámico se aprovecha al máximo, los conductores generarán calor dentro del rango de vatios con un solo dígito. Las barras conductoras integradas tendrán una resistencia inferior a un miliohmio. Pero con corrientes de hasta 150A, incluso los 200?Ohms del HLSR 50-P de LEM empezarán a generar 4,5W. Los transductores modernos basados en ASIC pueden trabajar generalmente a temperaturas de 105ºC a 125ºC. En el caso de los transductores basados en ASIC con barras conductoras existen limitaciones para la temperatura máxima de la barra conductora (120ºC es un valor típico). Por tanto, una generación de calor más elevada no supondrá un problema si se tiene en cuenta la disipación de calor. Las pistas de la placa de circuito impreso y el cobre que rodea las patillas del transductor se deberían maximizar, y no minimizar, para ayudar a disipar el calor. El movimiento del aire desempeñará un papel importante. Uno de los retos es dimensionar las pistas del transductor hasta el mínimo dictado por la corriente del diseño. Las pistas con un tamaño mínimo no permitirán absorber el calor suficientemente, e incluso una elevada temperatura ambiente (85ºC) podría desoldar el transistor. Una revisión a fondo de las temperaturas de funcionamiento de los diseños finales debería incluir las temperaturas del núcleo, las uniones de soldadura y la barra conductora.

Medida4

 

 

 

Conclusión
La implementación de un rango dinámico más amplio mediante transductores basados en ASIC con función OCD aporta varias ventajas:

-    Reduce el número de componentes y aumenta la fiabilidad al tiempo que disminuye el número de componentes discretos
-    Mejor resolución del convertidor analógico a digital
-    Aumento de la sensibilidad con la mejor ganancia en su conjunto ya que se incrementa la cantidad de voltios por amperio.
-    Mejora de la relación señal/ruido.

Un transductor de corriente basado en ASIC con función OCD da un paso adelante en la medida de corriente en cuanto a resolución, sensibilidad, fiabilidad e inmunidad al ruido.

Autor

Erik Lange, Ingeniero de Marketing y Aplicaciones, LEM USA, Inc.

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