En este nuevo artículo destinado
al estudio de la energía eléctrica nos centramos en la descripción de los tipos
principales de sensores actualmente disponibles para medir la corriente
eléctrica. Cualquier sensor de campo magnético puede ser usado como sensor de
corriente y hay algunos ejemplos exóticos, tales como los de efecto quantum en
superconductores de baja temperatura usados para medir corrientes en neuronas
dentro del cerebro. En este análisis nos centramos en la medición de las
corrientes en conductores con dispositivos prácticos comercialmente.
El convertidor de
corriente-a-voltaje más simple es la resistencia. En dispositivos de medición
de corriente, se denomina shunt aunque típicamente está situado en serie con la
carga. Esto es debido a que los shunts a veces se usan para incrementar el
rango de otro dispositivo de medición de corriente usando una conexión que
realiza un bypass de la corriente alrededor del medidor. La respuesta de
frecuencia de un shunt es buena e incluye corriente continua. Los shunts
producen una salida de voltaje que puede ser presentada por una gran variedad
de medidores secundarios, incluyendo medidores analógicos, medidores digitales,
osciloscopios, y convertidores de 4 – 20 mA. Los shunts no proporcionan
aislamiento y tienen un efecto potencialmente no aceptable en el circuito que
se está midiendo. Los shunts usados en corriente continua son tan exactos como
la resistencia y el voltímetro asociado.
El common moving-coil meter, el
movimiento D´Arsonval, probablemente con un shunt y/o rectificador, es un
dispositivo fácilmente usado. Su aislamiento es a simple vista, ya que es la
única forma de leer el resultado. Es útil para paneles de potencia donde un
operador necesita datos rápidos. La exactitud no es mejor que el 2 %.
Para frecuencias de potencia, servicios
de 25 Hz a 400 Hz, se emplea habitualmente el transformador de corriente,
denominado transformador donut o CT. El conductor transportando corriente pasa
a través del hueco en un toroide de material magnético. Un devanado secundario
acortado de n vueltas transporta corriente, que es 1/n veces la corriente
medida, y típicamente pasa a otro amperímetro o es usado como entrada de
corriente a un dispositivo de medición de potencia. El aislamiento es tan bueno
como el aislamiento en el conductor primario; la respuesta de frecuencia es
buena pero no incluye corriente continua; hay mínimo efecto en el circuito
medido, y el coste es bajo. La seguridad operacional es también un problema.
Una variedad de sensores sin
contacto está disponible para sensores DC. La mayoría dependen del efecto Hall
y todos requieren una fuente de potencia de operación. La respuesta de
frecuencia desde DC a 200 kHz es aconsejada. Debido a que está disponible
potencia de operación, la salida para un procesado posterior puede ser voltaje,
corriente, o digital. La exactitud depende de lo que se desee pagar. La
estabilidad a largo plazo depende de los amplificadores operacionales de
corriente continua y pueden exhibir drift cero. Externamente, esto parece como
CTs.
CTs, dispositivos Hall, y otros
esquemas sin contacto similares están disponibles en forma envolvente de forma
que pueden ser instalados sin desconectar potencia.
El proceso envolvente siempre
implica romper una trayectoria magnética, y la consistencia de montaje llega a
ser un límite de precisión.
Sensores magnéticos
Los sensores de corriente
magnética tienen ventajas sobre los shunts. Para comprenderlos, hay que
profundizar en la interacción entre corrientes y campos magnéticos. Siguiendo a
Maxwell, es conveniente describir los efectos magnéticos en términos de dos
campos de vectores, B y H. H es el campo creado por una corriente eléctrica, y
B es el campo que actúa como una carga en movimiento o un conductor
transportando corriente. B y H están relacionados por características del
material en el que coexisten. Estrictamente hablando, B es la densidad de flujo
y H es el campo. H es el campo creado por una corriente eléctrica, y B es el
campo que actúa en una carga móvil o un conductor transportando corriente. B y
H están relacionados por las características del material en
Las unidades SI de B y H son el
tesla (T) y el amperio por metro (A m-1). Para convertir de gauss a
tesla, dividimos por 104. Para convertir de oersted a amperios por
metro, multiplicamos por 1000/(4Π),
un número que es comúnmente aproximado a simplemente 80; pero estrictamente
hablando, las unidades de H en los dos sistemas son dimensionalmente diferentes
y no pueden ser convertidas.
La relación entre B y H es más
generalmente un tensor que refleja anisotropía espacial en el material, pero
para materiales magnéticos comunes usados en el sensor de corriente, se aplica
un valor escalar μ. En
unidades SI, B y H tienen diferentes dimensiones físicas y no son iguales en
vacío.
La amplitud de H es proporcional
a la corriente y cae lejos de la linealidad con la distancia radial del
conductor. Este es el campo que hace posible el sensor de corriente sin
contacto.
Un transportador de carga, un
electrón en un conductor, una partícula en vacío, o un hueco en un
semiconductor, moviéndose en un campo magnético es actuado en una fuerza que es
perpendicular al campo y la velocidad. La magnitud de la fuerza es proporcional
a la magnitud de B, la velocidad V, y el seno del ángulo entre ellos.
Un transportador, moviéndose o
no, es afectado de forma similar por un campo magnético cambiante. El resultado
es una fuerza electromotriz, FEM, en un bucle de conductor a través del cual
pasa un flujo magnético cambiante. La FEM es igual a la tasa de cambio del
flujo encerrado por el bucle con un cambio de signo. Esta es la ley de
inducción de Faraday.
La mayoría de los materiales
magnéticos exhiben histéresis. Esto es, la relación entre B y H depende de la
historia de la H aplicada.
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