Aplicaciones de sensores inteligentes de alta corriente aislada (de 100 A a 1000 A)

Los sistemas de UPS de alto voltaje, cargadores integrados en la placa, inversores de tracción, pilas de combustible, sistemas de batería y otras aplicaciones requieren mediciones de corriente precisas en voltajes altos de modo común. Tradicionalmente, estos sistemas han utilizado soluciones de mediciones de corriente basadas en derivación en <50 A y basadas en Hall en >50 A.

Métodos de medición de corriente aislada

El artículo de Texas Instruments "Comparación de sensores aislados basados en derivación en HEV/EV" escrito por Krunal Maniar estudia las aplicaciones de vehículos eléctricos con tecnologías de medición de alta corriente aislada. Los métodos más comunes que se utilizan son los basados en derivación con amplificadores o moduladores aislados, o los basados en Hall con sensores Hall de circuito abierto o cerrado, según se muestra en la Figura 1.

Figura 1: Métodos de medición de corriente aislada (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

La implementación de los sistemas basados en derivación es más sencilla debido a que son más lineales y ofrecen una mayor precisión de la medición de corriente que los métodos basados en Hall. La Tabla 1 compara las características de ambas tecnologías según diferentes categorías.

Tabla 1: Comparación de métodos basados en derivación y en Hall (Fuente: Texas Instruments)

Las aplicaciones de mayor potencia, los mayores requisitos de eficiencia y el creciente mercado global de los vehículos eléctricos (EV) e híbridos (HEV) que requieren una mayor precisión de la medición de corriente provocan un aumento en el interés en soluciones de mediciones de derivación de corriente aislada.

Tecnología de medición inteligente de corriente aislada de Riedon SSA

Los sensores inteligentes de corriente Riedon SSA combinan una derivación de alta potencia y baja resistencia con un amplificador de precisión aislada. Se encuentran disponibles modelos con rangos de medición de corriente que van desde 100 A a 1000 A. Las características principales incluyen una aislación reforzada de RMS de 1500 V_DC/1000 V_AC, ± 0.1 % de precisión inicial, ± 0.1 % de linealidad en el rango de corriente, sistema de alimentación unipolar, salida analógica diferenciada y ancho de banda de 300 kHz. El diagrama funcional de este proceso se muestra en la Figura 2.

Figura 2: Diagrama funcional del sensor inteligente de corriente (Fuente de la imagen: Riedon)

La construcción física consiste en una barra de bus de alimentación con un receptáculo para el sensor aislado encerrado alrededor del centro de la barra, según se ilustra en la Figura 3 del SSA-250 . El conector de cuatro pines de la serie JST JWPF brinda la interfaz para (1) alimentación, (2) tierra, (3) +Vin, y (4) –Vin del sensor encapsulado. El conector de acoplamiento correspondiente es el tipo JST J04R-JWPF-VSLE-S (receptáculo) y SWPR-001T-P025 (contacto).

Figura 3: SSA-250 (Fuente de la imagen: Riedon)

La familia SSA de Riedon consiste de valores nominales: 100 A, 250 A, 500 A, y 1000 A. (Nota: la versión de 1000 A utiliza una barra de bus más amplia con cuatro orificios de montaje).

Arnés de cable y hardware de montaje opcional

Para un montaje más sencillo, se encuentra disponible la fijación de montaje opcional SSA-BASE, para los modelos SSA-100 hasta SSA-500, según se muestra en la Figura 4. Está construida con materiales de clasificación UL 94-V0 y utiliza hardware de acero inoxidable 5/16-18.

Figura 4: SSA-BASE (Fuente de la imagen: Riedon)

Se encuentra disponible el arnés de cable opcional SSA-CABLE-1M, según se muestra en la Figura 5. Es compatible con todos los modelos SSA y la longitud estándar de su cable es de 1 metro.

Figura 5: SSA-CABLE-1M (Fuente de la imagen: Riedon)

El arnés de cable utiliza el conector de acoplamiento JST para los modelos SSA-xxx y dos pares trenzados de cable de calibre 22 codificado por color. Un par trenzado (rojo/negro) es utilizado para la alimentación del sensor y conexiones a tierra, y el otro (amarillo/blanco) para las señales de salida del amplificador (+) y (-).

Proyecto prueba de concepto del sensor de corriente inalámbrico por Bluetooth de 100 A

El objetivo del proyecto es llevar a cabo la prueba de concepto del sensor de corriente inalámbrico por Bluetooth de 100 A con el sensor SSA-100 de Riedon y hardware comercial. Para el controlador principal y conectividad Bluetooth, utilicé la placa de Adafruit, nRF52840 Feather Express. Seleccioné esta placa porque tiene Bluetooth integrado y soporta programación de CircuitPython He comenzado a utilizar CircuitPython en mis proyectos basados en microcontrolador porque es muy capaz, es sencillo de usar, está disponible en varias plataformas y tiene un gran respaldo de ejemplos/biblioteca por parte de Adafruit. Debido a que la señal de corriente del sensor SSA-100 está representada por un voltaje análogo diferencial de 12 mV/A, he añadido la placa de circuito impreso ADS1115 ADC de Adafruit. Esta ADC proporciona cuatro canales, precisión de 16-bits, ganancia programable, interfaz I²C y capacidad de entrada diferencial. La Figura 6 muestra el esquema de cableado entre el hardware y el sensor de corriente de Riedon.

Figura 6: Esquema de Scheme-it del sensor de corriente por Bluetooth (Fuente de la imagen: Digi-Key).

La BOM (lista de materiales) completa se encuentra en el siguiente proyecto Digi-Key Scheme-it®.

El código de CircuitPython en nRF52840 Feather Express ajusta la conexión de Bluetooth y envía las mediciones de corriente desde el sensor SSA-100 a un teléfono Android. Los detalles del proyecto, código de ejemplo de CircuitPython y enlaces de referencia se encuentran en el proyecto eeWiki Sensor de corriente de 100 A inalámbrico por Bluetooth.

Ajustes y resultados de la prueba

Para la prueba, he instalado el sensor de corriente en las series con batería de 12 V en mi Honda ATV, según se muestra en la Figura 7. La colocación del winch eléctrico de ATV brindó una carga de corriente para que el sensor la mida.

Figura 7: Ajuste de prueba de ATV de Honda (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics).

La aplicación móvil BlueFruit LE Connect de Adafruit se instaló en un teléfono Google Pixel para mostrar las mediciones de corriente enviadas por el nRF52840 Feather Express. El modo "Plotter" de la aplicación se utilizó para mostrar las mediciones de corriente del SSA-100 cuando el winch del ATV estaba encendido. La Figura 8 muestra las mediciones de corriente del ATV cuando el winch estaba configurado en modo de reversa y de tire.

Figura 8: Gráfico de BlueFruit LE Connect Plotter (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics).

Conclusión

Los sensores de corriente SSA de Riedon son precisos, versátiles y sencillos de usar. Pueden ser empleados ya sea en el lado alto o bajo tanto en aplicaciones AC como DC. Debido a que son altamente lineales, los sensores pueden ser integrados fácilmente en circuitos de alta potencia para añadir capacidad de medición de corriente aislada precisa.