[Post] Ventajas del efecto hall frente a resistencia shunt en sistemas de monitorización

[Post] Ventajas del efecto hall frente a resistencia shunt en sistemas de monitorización

Dec 11, 2015. | By: Juan Pérez

En este post voy a hablar sobre los tipos de tecnologías empleadas en los distintos dispositivos de monitorización de baterías. Veremos las ventajas tiene el uso de sensores de efecto Hall frente al Shunt. (puede ayudarse de la infografía).

##Tipos de sensores para medición de corriente

Los cuatro tipos de sensores más comunes para la medición de corriente hoy día son:

Resistivos: Shunt. Una resistencia provoca una caída de tensión proporcional a la corriente que circula por dicha resistencia Shunt.

Inductivos: Transformadores de Corriente. El cable a medir pasa por medio de un núcleo magnético que tiene bobinado un secundario que proporciona una tensión proporcional a la corriente que circula por el cable.

Magnéticos (Efecto Hall): El sensor mide el campo magnético de un núcleo, generado por la corriente que circula por el cable a medir, que bobina al núcleo.

Bobina Rogowsky: Miden los cambios de campo magnético alrededor de un hilo por el que circula una corriente para producir una señal de voltaje que es proporcional a la derivada de la corriente (di/dT)3.

A continuación explicaré el funcionamiento más detallado de los dos sensores más usados en instalaciones de energía fotovoltaica, pueden verse subrayados anteriormente.

##Sensor de corriente resistivo Shunt

Las resistencias “shunt” proporcionan una medición precisa y directa de la corriente, pero no ofrecen ningún aislamiento galvánico. La corriente shunt es la solución menos costosa disponible hoy día para la medición de corriente.

Un shunt está conformado por una resistencia de precisión de valor óhmico por el cual pasa una corriente i(t), permitiendo que un voltaje proporcional a la corriente y a su frecuencia caiga entre los terminales de la resistencia shunt.

La baja resistencia de corriente shunt ofrece buena exactitud a bajo costo y la medición de corriente es simple. Cuando hablamos de alta precisión en la medición de corriente, se debe considerar la inductancia parásita del shunt. La inductancia es típica en el orden de solo unos pocos nanos henrios. Esto afecta en la magnitud de las impedancias del shunt a frecuencias relativamente altas. Su efecto es notable para disminuir el factor de potencia.

Debido que la corriente de shunt es fundamentalmente un elemento resistivo, el calor generado en la resistencia es proporcional a la corriente que pasa a través de ella. Este problema de calentamiento hace que el shunt no se utilice para corrientes altas.

Son resistencias de valor muy bajo, para minimizar la disipación de potencia, un valor bajo de inductancia y una tolerancia razonable pequeña para mantener una precisión global en el circuito.

##Sensor de corriente por campo magnético (Efecto Hall)

El principio de medición de la corriente con un sensor magneto-resistivo es directo. Si una corriente “i”, que fluye a través de un hilo, genera un campo magnético “H” alrededor del mismo que es directamente proporcional a la corriente. Midiendo la intensidad de este campo magnético con un sensor magneto-resistivo, se puede determinar exactamente la corriente.

Cuando un conductor lleva una corriente, esta produce un campo magnético, y se genera un voltaje que es perpendicular tanto para la corriente como para el campo. Este principio es conocido como el efecto Hall.

El elemento Hall es básicamente un sensor magnético. Este requiere de acondicionador de señal para hacer que la salida sea usada para la mayoría de las aplicaciones.

La sensibilidad de los sensores magneto-resistivos se puede ajustar fácilmente, utilizando diferentes configuraciones, un sensor individual se puede optimizar para una aplicación de medición de corriente específica. Los factores que afectan a la precisión son la tolerancias mecánicas (tales como la distancia entre el sensor y el conductor que lleva la corriente primaria), la desviación de la temperatura y la sensibilidad electrónica de la etapa acondicionadora.

Existen dos tipos principales de sensores de Efecto Hall: lazo abierto (open-loop) y de lazo cerrado (close-loop). El segundo ofrece mejor precisión pero a un costo mayor, y la mayoría de los sensores de efecto hall que se encuentran en medidores de energía usan el diseño de anillo abierto para lograr costos más bajos. Estos sensores tienen una excelente respuesta a frecuencia y están capacitados para medir corrientes muy altas.

Por mantener el campo resultante en cero, los errores asociados con el flujo de compensación o niveles de voltaje por la temperatura, el flujo de sensibilidad y la saturación del corazón magnético también serán eficientemente cancelados. El sensor de corriente de efecto hall de lazo cerrado también provee la respuesta más rápida en el tiempo. La configuración de lazo cerrado también tiene sus límites de magnitud de corriente que puede ser medida desde el dispositivo sólo porque maneja una cantidad finita de compensación de corriente.

##Características de los sensores de corriente

Las principales características que debe poseer un sensor de corriente para el diseño de un sistema de medición de energía son:

  • Rango de medición de corriente
  • Costo
  • Linealidad sobre rango de medición
  • Consumo de potencia
  • Problemas de saturación de corriente alta
  • Variación de la salida con respecto a la temperatura
  • Nivel de Offset
  • Saturación e histéresis
  • Exactitud

Tabla comparativa de ambos métodos de medición, Shunt frente a Efecto Hall.

Sensores de corriente

Resistencia Shunt

Efecto Hall

Costo

Bajo

Alto

Linealidad sobre rango de medición

Bueno

Pobre

Capacidad de medición de alta corriente

Muy pobre

Bueno

Consumo de potencia

Alto

Medio-bajo

Problema de saturación a alta corriente

No

Si

Variación de salida con respecto a la temperatura

Medio

Alto

Problema de Offset

Si

Si

Saturación e histéresis

No

Si

##Conclusión

Como conclusión se puede decir que de manera contraria el único tipo de sensor no recomendado para la medición de corriente sería la resistencia Shunt, por su alto consumo de potencia y disipación de calor.

El sensor de efecto Hall es una buena opción ya que presenta una serie de ventajas, que son las siguientes:

  • Bajo offset por temperatura
  • Fuente de alimentación unipolar
  • Exactitud sobre un rango de temperatura entre los -40 a 85ºC
  • Ajuste individual de ganancia
  • Acceso a voltaje de referencia
  • Rápida calibración
  • Salida de corriente
  • Diseñado para autoconfigurarse

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