Fundamentos de la medición de corriente: Parte 2: amplificadores de detección de corriente

Por Steve Leibson

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Nota del editor: en la Parte 1 de esta serie de dos partes se analizaron los matices de los resistores de detección de corriente. Aquí, en la Parte 2, analizaremos el diseño y el uso de estos amplificadores para elevar el voltaje que se genera a través de ellos a niveles que puedan usarse.

Los resistores de detección de corriente, también llamados derivadores, son la tecnología preferida para medir el flujo de corriente. Para evitar efectos adversos en el flujo de corriente, tienen un valor reducido que produce un voltaje proporcionalmente bajo a través de ellos. Como resultado, los diseñadores deben utilizar circuitos que amplifiquen este voltaje reducido para una conversión ascendente mediante un ADC (convertidor analógico a digital).

Por lo general, el voltaje reducido que fluye a través del resistor de derivación debe elevarse de decenas o cientos de milivoltios a voltios o décimos de voltios. Esta tarea suele realizarse mediante un amplificador operacional o un amplificador de detección de corriente. Un amplificador de detección de corriente es un amplificador operacional especializado que cuenta con una red de resistores de precisión recortada con láser incorporada en el dispositivo para establecer la ganancia. En general, las ganancias de los amplificadores de voltaje se encuentran en el orden de los 20 a los 60, aunque a veces pueden ser mayores.

El amplificador de detección de corriente puede o no incluir en el mismo paquete un resistor de derivación de corriente. Para aplicaciones de alta potencia, se prefiere el uso de un resistor de derivación externo, dada la disipación de potencia que produce calor.

La configuración de cadena de señal más común para la supervisión del flujo de corriente incluye la del resistor de derivación, un AFE (front-end analógico), un ADC y un controlador del sistema (Figura 1). Un AFE, como un amplificador operacional o un amplificador de detección de corriente dedicado, convierte el voltaje diferencial reducido desarrollado a través del resistor de derivación en un voltaje que el ADC puede usar.

Diagrama de medición del flujo de corriente con un resistor de derivación de corriente

Figura 1: la forma más fácil de medir el flujo de corriente es con un resistor de derivación de corriente (extremo izquierdo), a través del cual se desarrolla un voltaje que es proporcional a la corriente que lo atraviesa. Un AFE amplifica el bajo voltaje a través del resistor de derivación para usar el rango de medición completo del ADC. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Existen dos formas básicas de conectar un resistor de derivación a un circuito para mediciones de corriente de lado alto y bajo. Ambos métodos ofrecen ventajas y desventajas.

Mediciones de corriente de lado bajo

Una medición de corriente de lado bajo coloca al resistor de derivación de corriente entre la carga activa y la toma de tierra. En la Figura 2 se muestra el circuito más apropiado para realizar mediciones de corriente de lado bajo. El circuito utiliza un amplificador de detección de corriente INA181 de Texas Instruments, pero se pueden utilizar distintos amplificadores para realizar mediciones de corriente de lado bajo.

Diagrama de un circuito de medición de corriente de lado bajo mediante un amplificador de detección de corriente Texas Instruments INA181

Figura 2: un circuito de medición de corriente de lado bajo mediante un INA181 de Texas Instruments coloca el resistor de derivación de corriente entre la carga activa y la toma de tierra. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Las mediciones de corriente de lado bajo son fáciles de implementar porque el voltaje detectado en el resistor de derivación de corriente tiene referencia a tierra. Esta configuración permite que el amplificador de detección de corriente sea una pieza de bajo voltaje porque el voltaje detectado está en el orden de solo unos milivoltios por encima de la referencia a tierra. Además, en esta configuración, el voltaje detectado no circula en un voltaje más elevado, por lo que no se requiere un rechazo al modo común. El método de medición de corriente de lado bajo es el más sencillo y más económico de implementar.

La desventaja de la medición de corriente de lado bajo es que la carga ya no tiene referencia a tierra debido a la colocación del resistor de derivación, lo que hace que el lado bajo de la carga se asiente varios milivoltios sobre la tierra.

Ninguna referencia a tierra puede convertirse en un problema si hay un cortocircuito entre una carga y la tierra. Tal cortocircuito puede ocurrir, por ejemplo, si una carga en un armazón de metal, como un motor, tiene un cortocircuito de bobinado a su estuche con referencia a tierra. Es posible que el resistor de detección de corriente no pueda detectar dicho cortocircuito.

Además, para realizar una medición de lado bajo, el voltaje de entrada en modo común del amplificador debe incluir una toma de tierra. Esto generalmente no es un problema para los amplificadores que funcionan con fuentes de potencia positivas y negativas, pero sí puede ser un problema para los amplificadores con una sola fuente. Por lo tanto, un rango de voltaje en modo común que contenga referencia a tierra se convierte en un criterio importante a la hora de seleccionar un amplificador adecuado para realizar mediciones de lado bajo.

Hay otro aspecto importante que debe tenerse en cuenta para realizar mediciones de corriente de lado bajo Tenga en cuenta que el ADC ADS114 de Texas Instruments que de la Figura 2 tiene una referencia directa a tierra, y que el nodo de entrada de lado bajo del ADC se ubica cerca de la conexión de entrada con referencia a tierra del amplificador de detección de corriente INA181.

Para la detección de corriente que usa voltajes reducidos que se desarrollan a través de los resistores de derivación de baja resistencia por los que pasan corrientes de carga elevadas, es importante recordar que puede que no todas las conexiones a tierra tengan el mismo potencial. Es bastante fácil desarrollar milivoltios diferenciales entre un punto de conexión a tierra y otro en un sistema cuando las redes de conexión a tierra o los planos terrestres transportan las corrientes elevadas que se asocian con muchas aplicaciones de potencia. Como medida de precaución, siempre asegúrese de que las referencias a tierra relacionadas se mantengan conectadas muy cerca entre sí, para minimizar las diferencias de voltaje entre ellas.

Para eliminar esta fuente de error, la clavija de referencia a tierra del ADC debe estar conectada cerca del lado inferior del resistor de detección de corriente y de la entrada de lado bajo del amplificador de detección de corriente. El punto de conexión no puede ser simplemente una parte conveniente del plano terrestre. Para estar completamente seguro, tome nota de este requisito directamente en el esquema y refléjelo en una conexión en estrella para que las referencias a tierra realmente destaquen el punto de conexión a tierra.

Del mismo modo, el voltaje de desviación de entrada del amplificador de detección de corriente afecta de manera desproporcionada a la precisión de amplificación cuando el voltaje que fluye a través del resistor de detección de corriente es reducido. Por ese motivo, la mejor opción es seleccionar un amplificador con un voltaje de desviación de entrada muy bajo. El amplificador INA181 que se muestra arriba, en la Figura 2, tiene un voltaje de desviación de entrada de ±150 microvoltios para configuraciones de medición de lado bajo que no cuentan con voltajes en modo común.

A pesar de estas pocas desventajas, la configuración de medición de corriente de lado bajo es una buena opción si la carga no necesita una referencia a tierra y si los cortocircuitos internos entre la carga y la tierra no son un problema, o bien si no es necesario que el circuito de medición de corriente los detecte.

Sin embargo, para aquellos diseños que deban cumplir con requisitos de seguridad funcional, la técnica de medición de corriente de lado alto es una mejor opción.

Mediciones de corriente de lado alto

Una medición de corriente de lado alto inserta el resistor de derivación de corriente entre la fuente de potencia y la carga activa, como se muestra en la Figura 3, mediante el uso de un amplificador de detección de corriente INA240 de Texas Instruments que actúa como AFE. El voltaje de entrada en modo común de este dispositivo puede exceder en gran medida su voltaje de alimentación, lo que lo convierte en una buena opción para las mediciones de corriente de lado alto.

Diagrama de un circuito de medición de corriente de lado alto mediante un amplificador de detección de corriente Texas Instruments INA240

Figura 3: una medición de corriente de lado alto coloca el resistor de detección de corriente entre la fuente de potencia y la carga activa (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Las mediciones de corriente de lado alto tienen dos ventajas clave sobre las mediciones de lado bajo. En primer lugar, es fácil detectar un cortocircuito que se origina desde la carga a tierra, ya que la corriente de cortocircuito resultante fluirá a través del resistor de derivación de corriente y desarrollará un voltaje a través del resistor. En segundo lugar, esta técnica de medición no tiene referencia a tierra, por lo que los voltajes diferenciales a tierra desarrollados por las corrientes elevadas que fluyen a través del plano terrestre no afectarán la medición. Aun así, sin embargo, se recomienda colocar cuidadosamente la conexión de referencia a tierra del ADC cerca de la conexión a tierra del amplificador.

La técnica de medición de corriente de lado alto tiene una desventaja principal. Como se mencionó anteriormente, esta técnica requiere que el amplificador de detección de corriente tenga un alto rechazo al modo común, dado que el voltaje reducido que se desarrolla a través de la derivación de corriente circula justo por debajo del voltaje de alimentación de la carga. Según el diseño del sistema, este voltaje en modo común puede ser bastante elevado. El amplificador de detección de corriente INA240 de la Figura 3 tiene un amplio rango en modo común, que va de los −4 voltios a los 80 voltios.

Resistores de ganancia integrada: ¿sí o no?

Las Figuras 2 y 3 ilustran configuraciones de medición de corriente de lado bajo y de lado alto; ambas emplean amplificadores de detección de corriente con resistores de configuración de ganancia integrada. Estos resistores de ganancia integrada ofrecen numerosas ventajas de diseño, incluidas la simplificación del diseño, la reducción de componentes de la placa y la precisión de la ganancia recortada con láser. La única desventaja del uso de estos amplificadores es que la ganancia se establece de forma permanente en la fábrica. Esto no es un problema si la configuración de ganancia es adecuada para una determinada aplicación; sin embargo, si la aplicación requiere una ganancia única porque se seleccionó el valor del resistor de derivación para satisfacer otros criterios, la mejor opción es un amplificador operacional combinado con resistores discretos.

La Figura 4 muestra el circuito de un amplificador de detección de corriente para mediciones de corriente de lado alto basadas en un amplificador operacional MCP6H01 de Microchip Technology y resistores con configuración de ganancia discretos.

Diagrama de la configuración de medición de corriente de lado alto mediante resistores discretos y un amplificador operacional

Figura 4: configuración de medición de corriente de lado alto mediante resistores discretos y un amplificador operacional. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

En este circuito, se establece la ganancia del amplificador mediante la relación de R2 dividida por R1. Tenga en cuenta también que R1* = R1, R2* = R2 y que el resistor de derivación de corriente RSEN debe ser mucho más pequeño que R1 o R2. Eso no suele ser un problema, ya que por lo general el valor del resistor de derivación de corriente es está en el orden de los miliohmios o incluso fracciones de miliohmios para aplicaciones de corriente muy elevada.

Las ecuaciones detalladas en la Figura 4 dejan claro que el uso de un amplificador operacional y resistores discretas requiere un poco más de especificación de componentes que el uso de amplificadores de detección de corriente con resistores de configuración de ganancia internos.

Conclusión

Los amplificadores de detección de corriente transforman los voltajes reducidos que se desarrollan a través de los resistores de derivación en voltajes más elevados, que son más compatibles con la conversión de ADC. Existen dos tipos de mediciones de detección de corriente: las de lado bajo y las de lado alto. Las mediciones de lado bajo insertan el resistor de detección de corriente entre la carga y la toma de tierra, mientras que las mediciones de lado alto insertan el resistor de detección de corriente entre la fuente de potencia y la carga. Tanto las configuraciones de medición de lado bajo como las de lado alto tienen ventajas y desventajas, por lo que la elección requiere cierta reflexión y que se tenga en cuenta la aplicación específica.

Al medir la corriente, es posible usar un amplificador de detección de corriente diseñado para una aplicación específica con la ganancia establecida en la fábrica mediante resistores integrados recortados con láser, o un amplificador operacional adecuado y resistores discretos. La primera opción reduce la cantidad de componentes de la placa y simplifica el diseño del AFE. Sin embargo, si el diseño del AFE requiere una ganancia personalizada para adaptarse a un valor específico del resistor de derivación y rango de voltaje de entrada del ADC, la segunda opción es la más adecuada.

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Acerca de este autor

Steve Leibson

Steve Leibson fue ingeniero de sistemas para HP y Cadnetix, editor en jefe de EDN y Microprocessor Report, blogger tecnológico de Xilinx y Cadence (entre otros), y se desempeñó como experto en tecnología en dos episodios de "The Next Wave with Leonard Nimoy". Ha ayudado a los ingenieros de diseño a desarrollar sistemas mejores, más rápidos y más confiables durante 33 años.

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