Seleccione y utilice los amplificadores de detección de corriente con eficiencia para administrar mejor la energía.

Por Art Pini

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

La integridad y el control de la potencia es crítica para los dispositivos y los sistemas automotrices, portátiles y de IoT en los que los dispositivos electrónicos con alimentación de batería necesitan controlar la distribución de la potencia mediante el monitoreo de corriente de la fuente de potencia. La detección de corriente es clave para la duración prolongada de la batería, ya que previene las condiciones de sobrecarga, monitorea las fallas del suelo y optimiza el control de las fuentes de potencia. El problema reside en tomar estas mediciones con precisión sin tener en cuenta los voltajes altos de modo común.

Los amplificadores de detección de corriente (CSA) o monitores de derivación de corriente son circuitos integrados (IC) de amplificadores diferenciales específicamente diseñados para tomar este tipo de mediciones. Las mediciones de corriente se basan en cálculos de caída de voltaje en resistores de derivación en serie usadas como sensores de corriente. La selección y el lugar de las derivaciones y los amplificadores de detección de corriente asociados son críticos para la apropiada distribución y eficiencia de la potencia.

Este artículo describirá los criterios de selección para los amplificadores de detección de corriente y derivaciones basados en requerimientos de precisión y costos.

Detección de corriente mediante resistores

La técnica más simple para medir la corriente es insertar un pequeño resistor, también llamado derivación de corriente, en serie con la corriente que se medirá. Se mide el voltaje del resistor de detección de corriente, y se computa la corriente de acuerdo con la Ley de Ohm basada en el valor conocido de resistencia. Este método tiene la ventaja de ser simple, económico y lineal.

Al elegir un resistor de detección de corriente, se debe prestar atención a la precisión, el coeficiente de temperatura de resistencia (TCR) y la potencia de salida del resistor. El valor de resistencia determina la caída de voltaje a través de esta en una valor de energía dado. También determina la disipación de potencia por el resistor de detección. En general, el valor del resistor de detección es una fracción de un ohm. Los resistores especializados están disponibles en esta aplicación. Estos resistores usan elementos de metal en forma de placas, aluminio o película, o elementos híbridos de película depositada gruesa o delgada.

Un ejemplo de un resistor de derivación con un montaje en superficie metálica es el resistor de detección de corriente de Omite MCS3264R005FEZR (Figura 1). Este dispositivo de montaje en superficie (SMD) es un resistor de dos terminales de 5 mili ohmios con 2 vatios de potencia de salida y un TCR de 50 ppm/°C.

Imagen de un resistor de derivación MCS3264R005FEZR de Ohmite

Figura 1: El MCS3264R005FEZR de Ohmite es un resistor de derivación con un montaje en superficie metálico de 5 miliohmios. (Fuente de la imagen: Ohmite)

La resistencia de derivación también está disponible con una configuración de cuatro terminales (Kelvin). En la conexión Kelvin, se suministra la corriente a un par de terminales de conexión de fuente. Se agregan dos conexiones de detección (conductores de voltaje) en las proximidades del resistor de derivación. La ubicación del conductor de voltaje evita la caída de voltaje asociada con los conductores o los contactos de la fuente. Debido a que el instrumento de medición prácticamente no recibe corriente, la caída de voltaje en los conductores de detección es insignificante. El FC4TR050FER de Ohmite es un ejemplo de una derivación de corriente con cuatro terminales de metal de aluminio de 50 miliohmios.

Se recomienda tener en mente que el valor del resistor de detección variará con los cambios de temperatura debido al coeficiente de temperatura de la resistencia. La selección de un resistor con un bajo TCR, el uso de un resistor con potencia de salida alta o el empleo de un disipador de calor son todas maneras de minimizar los cambios en la resistencia debido a los efectos de la temperatura.

Amplificadores de detección de corriente

Un amplificador de detección de corriente es un amplificador diferencial con un circuito integrado de propósito especial que se diseñó para detectar el voltaje que existe en una derivación de corriente y obtener un voltaje proporcional a la corriente medida. El voltaje del resistor de detección de corriente se encuentra por lo general en el rango de 1 a 100 milivoltios, pero puede viajar con una potencia de voltaje de bus nominal. El CSA se diseñó para contar con un rechazo al modo común (CMRR) alto a fin de eliminar el voltaje de bus de la salida. Estos dispositivos se diseñaron para manejar voltajes en modo común en exceso de su propia fuente de voltaje.

El esquema simplificado de un amplificador de detección de corriente de la Figura 2 muestra un amplificador diferencial típico con entradas inversas y no inversas y una sola salida.

Esquema simplificado de un amplificador de detección de corriente típico

Figura 2: el esquema simplificado de un amplificador de detección de corriente típico. La ganancia se establece por los radios de los resistores R2 a R1 y R4 a R3. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Los valores del resistor establecen la ganancia de los CSA. La estructura es simétrica con R1 = R3 y R2 = R4. Los radios de R2 a R1 y R4 a R3 determinan la ganancia. En una típica implementación de CSA, como el INA210CIDCKR de Texas Instruments, R2 y R4 son de 1 megohmio, y R1 y R3 son de 5 kilohmios para una ganancia de 200 voltios/voltio. La precisión de la ganancia para esta versión de amplificador es del 0.5 %. El voltaje de suministro clasificado para este IC es de 2.7 a 26 voltios, pero la entrada máxima de modo común de voltaje es de -3 a 26 voltios, sin tener en cuenta el voltaje de alimentación. Esta es la característica clave distintiva del ADC. El voltaje de desviación de entrada es solo de 35 microvoltios y la CMRR es típicamente de 140 dB.

Una elección más económica de ADC, dependiendo de la aplicación, puede ser el INA180B3IDBVR de Texas Instruments. Este CSA cuenta con un rango de voltaje de entrada en modo común idéntico y está disponible con ganancias de 20, 50, 100 y 200 voltios/voltio. La precisión de la ganancia es de 1 % y la CMRR es de 100 dB con un voltaje de desviación de entrada de 100 microvoltios.

Configuración de detección de corriente

Existen dos topologías de detección de corriente: detección de lado alto y bajo. La configuración de de lado alto ubica el resistor de detección entre la fuente de voltaje y la carga, mientras que la detección de lado bajo ubica la derivación entre la carga y el suelo (Figura 3).

Diagrama de detección de lado alto vs. de lado bajo

Figura 3: la detección de lado alto ubica la derivación (RSENSE) entre la fuente y la carga, mientras la detección de lado bajo lo ubica entre la carga y el suelo. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

La detección de lado bajo está sujeta al suelo y cuenta con un voltaje de entrada en modo común bajo. Esto facilita el trabajo del amplificador de monitoreo de corriente y el circuito relacionado, lo que se traduce en un bajo costo.

La desventaja de la conexión de lado bajo es que levanta la carga por encima del suelo. El flujo de corriente a través del resistor de de derivación sube o baja el nivel de referencia del sistema a medida que los valores de corriente varían. Esto puede causar problemas en un circuito de control. Además, los cortocircuitos al suelo del bus de voltaje alrededor del resistor de derivación no son detectables en esta configuración de circuito.

Dentro de las ventajas de la topología de lado alto encontramos que la carga y la referencia del sistema están se fijan al suelo independientemente de la corriente monitoreada, y los cortocircuitos de bus se detectan fácilmente.

Por otro lado, existe un voltaje en modo común cercano al voltaje de bus en la entrada del circuito de medición. Además de tensionar el amplificador de detección de corriente, en algunas aplicaciones puede requerir también que el nivel de salida del CSA se reduzca para acercarse al nivel de referencia del sistema.

Los problemas relacionados con la detección del lado alto dieron pie al desarrollo de muchas familias de CSA. Los amplificadores INA180 e INA210 son nuevos CSA que pueden manejar voltajes en modo común desde -3 a 26 voltios, independientemente de los voltaje de alimentación. Se diseñaron para aplicaciones como controles de motores, monitoreo de batería y administración de potencia, entre otros. Las aplicaciones con voltajes de bus más altas pueden usar otros CSA que ofrecen rangos de voltaje de entrada en modo común de hasta 80 voltios. Para voltajes más altos, los CSA requieren tanto el uso de componentes externos para aislar al amplificador del voltaje en modo común, como el uso de amplificadores aislados.

Selección del valor del resistor de detección

El valor del resistor de detección se establece para garantizar que la caída del voltaje del resistor por sobre el rango de corriente de bus esperado se encuentre bien por encima del voltaje de compensación y cualquier ruido vertical aditivo de la CSA. La potencia de salida del resistor de detección se determinará por la corriente de bus máxima y la caída de voltaje máxima.

Considere el ejemplo del bus de 12 voltios que se espera que traslade un máximo de 2 amperios. Si se utiliza el CSA INA210, la caída del voltaje a de la derivación debería ser mayor que el voltaje de compensación máximo de 35 microvoltios.

El rechazo al modo común se encuentra en el rango de 105 a 140 dB. Mediante el uso de valores más bajos (105 dB), el potencial del bus de 12 voltios (el voltaje en modo común), se atenuará hasta cerca de 67 microvoltios. Esto aparecerá como un voltaje de compensación en la salida del CSA, multiplicado por la ganancia del amplificador. Esta compensación restante en modo común no se debe a la medición de la corriente, y en este caso lo restante no es problemático porque es menos del 1 % del valor medido.

Este valor del resistor de detección debe elegirse para garantizar una caída de voltaje más grande que el voltaje de compensación. Para una oscilación unipolar de 2 voltios en la salida del INA210, que tiene una ganancia de 200, la entrada debería ser de 10 milivoltios. Esto es significativamente más grande que el voltaje de compensación de entrada o el residuo en modo común que se especificó. En una corriente máxima de 2 amperios, el valor del resistor de detección debería ser 5 miliohmios. La potencia de salida de una derivación debería ser al menos el doble de la disipación de potencia máxima nominal esperada de 20 milivatios. El MCS3264R010FEZR de Ohmite descrito previamente funcionaría si tiene una potencia de salida de 2 vatios.

Si se simula esta configuración utilizando el programa TINA-TI de Texas Instruments, podemos ver las características de transferencia de CC y CA del circuito (Figura 4). La función de transferencia de CC muestra una respuesta lineal con una pendiente de 1 voltio/amperio. Esto producirá una salida de 2 voltios por una corriente máxima de 2 amperios. La respuesta de la CA cuenta con un ancho de banda de 20 kHz.

Imagen de la simulación de TINA-TI de Texas Instruments del circuito

Figura 4: una simulación TINA-TI de Texas Instruments del circuito mediante el uso de una derivación de corriente de 5 miliohmios muestra la función de transferencia de CC lineal con una pendiente de 1 voltio/amperio. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Conclusión

Los amplificadores de detección de corriente son especialmente diseñados para medir las corrientes de bus basadas en caídas de voltaje en resistores de derivación en serie. Son particularmente adecuados para mediciones de lado alto donde los voltajes en modo común alto están presentes. Estos amplificadores se seleccionan de manera fácil y, cuando se utilizan de manera apropiada, pueden ofrecer excelentes resultados para la medición, el monitoreo y el control de la energía en sistemas electrónicos.

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Acerca de este autor

Art Pini

Arthur (Art) Pini es un autor que contribuye Digi-Key Electronics. Tiene una Licenciatura en Ingeniería eléctrica de la City College of New York, y un Máster en ingeniería eléctrica de la City University of New York. Tiene más de 50 años de experiencia en electrónica y ha trabajado desempeñando funciones de ingeniería y marketing en Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek y Nicolet Scientific. Le interesa la tecnología de medición y tiene experiencia con los osciloscopios, analizadores de espectro, generadores de formas de onda arbitrarias, digitalizadores y medidores de potencia.

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