Conocer, seleccionar y usar eficientemente sondas de corriente

Por Art Pini

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Nota del Editor: Este artículo sobre la medición de corriente y las sondas de corriente es el tercero de una serie de tres partes sobre las sondas y su correcta utilización. Parte 1, sondas pasivas cubiertas de alta impedancia. En el segundo artículo se analizan las sondas de terminación única, diferenciales y activas diferenciales de alto voltaje. La parte 3 se ocupará de la medición de corriente y las sondas de corriente.

Existen tres técnicas comunes para medir corriente usando un osciloscopio. La primera es usar una resistencia (a veces denominada una derivación de corriente) en serie y medir la corriente. La segunda es usar un transformador de corriente. La tercera es usar una sonda de corriente. Dado que los tres métodos requieren que la corriente que se mide pase por el sensor de medición, son todos de algún modo invasivos.

La sonda de corriente, ya que permite a los usuarios medir una corriente del conductor sin tener que desoldarlo, es la técnica menos invasiva. Sin embargo, los usuarios necesitan entender algunos principios fundamentales de las sondas de corriente para sacar el máximo partido de los últimos diseños de sondas.

En este artículo se describen las diferentes metodologías de medición de corriente antes de introducir las sondas de corriente y cómo utilizarlas de manera efectiva.

La derivación de corriente

La derivación de corriente está diseñada generalmente en el circuito o dispositivo de prueba relacionados. La corriente se determina midiendo la caída de tensión a través de la resistencia de derivación conocida. Hay un compromiso de ingeniería entre la resistencia en serie de la derivación y la sensibilidad de la medición de la corriente.

La idea es conseguir un caída de tensión razonable y, al mismo tiempo, no afectar el rendimiento del circuito. Además, la potencia de la derivación tiene que ser suficiente para la corriente que se mide. Un ejemplo de una resistencia de derivación de corriente es el Riedon RSA-10-100 . Esta resistencia montada en chasis tiene una resistencia de 0.01 Ω, con una tolerancia de ±0.25% y una potencia de 1 vatio. La potencia nominal de la resistencia establece la corriente máxima de 10 amperios, produciendo una tensión de salida de 100 milivoltios. Se utiliza un osciloscopio para medir el voltaje a través de la derivación. La mayoría de los osciloscopios tienen disposiciones para escalar ese voltaje en una corriente equivalente (Figura 1).

Imagen de la configuración de canal de un osciloscopio HDO4104 de Teledyne LeCroy  (hacer clic para ver tamaño completo)

Figura 1: La configuración de canal de un osciloscopio de Teledyne LeCroy serie HDO4104 muestra el ajuste de reescalado que permite la lectura vertical en amperes basada en el valor de resistencia de derivación (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics).

La configuración del canal de entrada de un osciloscopio HDO4104 de Teledyne LeCroy es típica de muchos instrumentos que permiten reescalar los datos verticales. Los controles de reescalado permiten al usuario especificar las unidades, amperios, en este caso, el factor de escala en unidades/voltios. En el caso de la serie RSA-10-100, la configuración de 'unidades por voltio' es recíproca al valor de la resistencia, o 1/0.01 = 100. También existe la posibilidad de añadir o restar una corriente de compensación, algo que podría ser necesario para un sensor activo. Una vez que se introduce la configuración de reescalado, la escala vertical del canal de entrada de alcance leerá directamente en amperios, incluyendo los parámetros de medición y las lecturas del cursor.

Los resistores de derivación responden a ambas corrientes CA y CC con anchos de banda limitados por la inductancia y la capacitancia de las resistencias internas.

La derivación de corriente de impulso o coaxial es un complemento para la resistencia de derivación de corriente plana y estándar. Estos dispositivos ordenan las resistencias de derivación en una geometría cilíndrica para minimizar la inductancia. Los contactos de voltaje se incluyen en un conector coaxial de ancho de banda indicado.

Las derivaciones de corriente coaxial están disponibles con anchos de banda de hasta 100 MHz que dependen en el valor de resistencia y la corriente nominal máxima.

El tamaño de la derivación coaxial es proporcional a la corriente nominal máxima. Además, estas derivaciones son más grandes que las de corriente plana convencional.

Transformador de corriente

La detección magnética de la corriente en un conductor es otra posibilidad. El sensor de base magnética más simple es el transformador de corriente (Figura 2).

Diagrama de transformador de corriente que detecta la corriente en un conductor

Figura 2: El transformador de corriente detecta la corriente en un conductor que pasa a través de la abertura en un núcleo de ferrita con un bobinado secundario multi-vuelta. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

El conductor cuya intensidad se mide (IMeas) se pasa a través del centro de un núcleo de ferrita para formar el bobinado primario de un transformador. La corriente induce un flujo magnético en el núcleo que es proporcional a la corriente. Se utiliza un bobinado de detección de N vueltas para detectar el flujo magnético. La corriente inducida en el secundario es proporcional a la tasa de vueltas (relación entre el número de vueltas en el primario al número de vueltas en el bobinado secundario, 1/N en este caso).

La corriente secundaria se convierte en una tensión al pasar a través de un resistor, más comúnmente la terminación de 50 W del osciloscopio. La configuración del reescalado de canal de entrada se establece a N/50 amperios/voltio si se utiliza la terminación de 50 W. El transformador de corriente sólo funciona para señales de CA. No puede ser utilizado para medir corrientes directas.

Tenga en cuenta que el conductor que se mide debe pasar a través del núcleo. Esto puede implicar desoldar el conductor para insertarlo a través del núcleo. Algunos transformadores de corriente utilizan núcleos divididos para facilitar la inserción del conductor medidos.

Sondas de corriente

Las sondas de corriente están diseñadas para ofrecer una manera conveniente de medir la corriente. Pueden ser acopladas en CA, utilizando tecnología de transformador de corriente CA/CC o acoplado. En cualquier caso, incluyen una geometría de núcleo dividido que hace fácil encapsular al conductor que transporta corriente sin tener que desoldar.

El  CP030 de Teledyne LeCroy es un buen ejemplo de una sonda de corriente CA/CC, capaz de medir hasta 30 amperios con un ancho de banda de 50 MHz (Figura 3).

Imagen de la sonda de corriente CP030 de Teledyne LeCroy

Figura 3: La sonda de corriente CP030 de Teledyne LeCroy es una sonda de corriente de 30 amperios, de CC a 50 MHz. Está completamente integrada con osciloscopios de Teledyne LeCroy que utilizan interfaz ProBus. (Fuente de la imagen: Teledyne LeCroy).

La serie CP030 utiliza una tecnología híbrida que emplea un dispositivo de efecto Hall para las señales CC y las señales CA de baja frecuencia y un transformador de corriente CA de alta frecuencia (Figura 4).

Diagrama de bloques funcionales de sonda de corriente CA/CC CP030 de Teledyne LeCroy

Figura 4: Diagrama de bloque funcional de la sonda de corriente CA/CC CP030. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

La CP030 está construida sobre un núcleo de ferrita, que permite una rápida inserción del conductor que lleva la corriente que se mide.

Incorpora un sensor de efecto Hall dentro de un espacio en el núcleo y un bobinado de realimentación. El sensor de efecto Hall, cuando está adecuadamente polarizado, produce una corriente de salida proporcional a la fluidez en el núcleo. Esta salida se amplifica e impulsa el bobinado de realimentación para obtener una condición de flujo cero en el núcleo. En este punto, la corriente a través del bobinado de realimentación es proporcional al flujo de los conductores que transportan corriente.

La terminación de salida convierte esta corriente a un voltaje. A medida que la salida del sensor de efecto Hall disminuye con mayor frecuencia, el bobinado de realimentación actúa como un transformador de corriente, midiendo con precisión los componentes de alta frecuencia de la señal medida.

La sensibilidad de la CP030 es de 1 voltios/amp. La sonda le comunica esto al osciloscopio utilizando la interfaz ProBus. El alcance ajusta automáticamente la escala del canal al cual la sonda está enchufada para leer en amperios (Figura 5).

Gráfico de configuración de canal en un osciloscopio HDO 4104  de Teledyne LeCroy (hacer clic para ver tamaño completo)

Figura 5: Configuración de canal en un osciloscopio HDO 4104 de Teledyne LeCroy con una CP030 conectada. La sonda es reconocida automáticamente, como se indica en el cuadro de entrada de sonda. La escala adecuada se introduce automáticamente en la entrada de unidades/V y se ajustan las unidades verticales en amperios. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Además de la detección y el escalado de la salida de la sonda, el osciloscopio incluye un cuadro de diálogo con todos los controles relacionados con la sonda (Figura 6).

Imagen de la configuración de cuadro de diálogo de la sonda CP030 (hacer clic para tamaño completo)

Figura 6: La configuración del cuadro de diálogo de la sonda CP030 muestra los controles de desmagnetización y auto cero de la sonda. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Esto incluye los controles de desmagnetización y auto cero. La desmagnetización elimina cualquier fujo residual en el núcleo de la sonda aplicando una señal de desmagnetización. La desmagnetización debe utilizarse antes de cualquier medición crítica para asegurar la mejor precisión. El control de auto cero establece cualquier desviación de la salida de la sonda a cero voltios cuando no hay corriente.2 Tener estos controles en el osciloscopio significa que ellos no ocupan ningún espacio en el cuerpo de la sonda o en la caja de interfaz, haciendo que la sonda sea más pequeña. El cuadro de diálogo también identifica la sonda y proporciona sus principales características.

Técnicas más comunes para aumentar la utilidad de las sondas de corriente

Cuando se miden corrientes pequeñas, la sensibilidad de una sonda de corriente puede ser incrementada mediante el enrollado de múltiples vueltas a través del primario (Figura 7A).

Imagen de varias vueltas a través del núcleo de la sonda

Figura 7: Aumentar la sensibilidad de la sonda de corriente mediante el enrollado de múltiples vueltas a través del núcleo de la sonda (A). Realizar una medición diferencial adjuntando varios conductores a través del núcleo de la sonda (B). (Fuente de la imagen: Teledyne LeCroy)

Como en cualquier transformador, la sensibilidad de la sonda aumentará según el número de vueltas que pasa a través del núcleo de la sonda. En la figura, hay cuatro vueltas a través del núcleo de la sonda lo cual aumenta la sensibilidad por un factor de cuatro. Este factor debe ser ingresado manualmente al cambiar la escala de valores de la sonda. También hay que tener en cuenta que la impedancia de inserción aumentará por el cuadrado del número de vueltas. En este caso la impedancia aumentará por un factor de 16. Dado que la medición está destinada a bajos niveles de corriente, la caída de tensión a través de esta impedancia es generalmente baja, y debería tener un efecto mínimo en la medición.

Si varios conductores pasan a través de la sonda, el osciloscopio leerá la corriente neta (Figura 7B). Esta técnica puede ser utilizada para medir la corriente diferencial de dos conductores. También se puede utilizar para cancelar una gran deriva mediante el paso de corriente de un conductor con corriente CC equivalente en la dirección opuesta. Esto puede prolongar el rango de la sonda de corriente.

Utilizar sondas de corriente de terceros

[link:rsa-10-100]

Muchos fabricantes ofrecen sondas de corriente destinadas al mercado general de osciloscopios que no utilizan interfaces propietarias. Estas sondas incluyen una fuente de alimentación y controles de desmagnetización y ajuste de la deriva CC de la sonda. Un ejemplo es la CP6990O-NA, una sonda de corriente CA/CC independiente de 40 A, 1.5 MHz, de Cal Test Electronics (Figura 8).

Imagen de la sonda de corriente independiente CP6990-NA de Cal Test Electronics

Figura 8: Sonda de corriente independiente CP6990-NA con sus accesorios asociados (fuente de la imagen: Cal Test Electronics)

Esta sonda de corriente está alimentada por una batería y se conecta directamente a un osciloscopio con el cable BNC suministrado. La sonda tiene dos rangos de sensibilidad, 1 voltios/amp o 100 milivoltios/amp. El campo de reescalado en un HDO4104 de Teledyne LeCroy tendría 1 o 10 unidades/Voltio ingresadas, respectivamente. La unidad de campo debe tener "A" seleccionada. Las escalas verticales para el canal seleccionado ahora se calibrarán en amperios.

Conclusión

Los osciloscopios pueden utilizarse para realizar mediciones de corriente con derivas de corriente, transformadores de corriente, o sondas de corriente. Independientemente del sensor utilizado, el canal de osciloscopio puede ser escalado para leer directamente en unidades de corriente.

La sonda de corriente es el dispositivo más fácil de usar gracias a su facilidad de conexión. Las sondas de corriente suministrada por el fabricante del osciloscopio detectan la sonda y automáticamente escalan los datos de corriente.

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Información sobre el 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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