Rilevamento corrente

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Metodi per il rilevamento della corrente al fine di trovare quello che si adatta meglio alla misurazione. 

Shunt:

il metodo più semplice è attraverso uno Shunt che possiamo acquistare o farlo da soli con filo con un valore molto basso o con una resistenza di potenza.

Come possiamo vedere nell’immagine sopra, ci sono diversi shunt, ci sono molti anche incapsulati per circuiti stampati THT o SMD, chiaramente questi ultimi di potenza inferiore, ma sostanzialmente questi Shunt rispondono alla legge di Ohm , dove abbiamo un filo che ha un valore di resistenza specifico, ad esempio 0,1ohm, ciò significa che se si fa circolare una corrente di 10A attraverso di esso, dovremo misurare una tensione ai terminali shunt che sarà

V = I * R = 10A * 0.1R = 1V

come possiamo vedere applicando la legge di Ohm possiamo sapere inversamente quale corrente fluisce attraverso il circuito semplicemente misurando la tensione nello shunt. 
Sfortunatamente gli Shunt sono difficili da ottenere o costosi, per questo possiamo sostituirlo con un resistore di potenza, ad esempio un resistore ceramico 0.1R 10W, ma dovremo tener conto della potenza di dissipazione di 10W, per la legge di Ohm di potenza dove

P = I ^ 2 * R ,

risolvendo l’equazione possiamo sapere qual è la corrente massima che possiamo far circolare attraverso la resistenza di 0.1R 10W senza superare 10W,

I = sqrt (P / R) = sqrt (10W /0.1R)=10A,

significa che la corrente massima per circolare in quella resistenza sarà di 10A, se per esempio colleghiamo un carico che consuma 6,5 ​​A allora per legge di ohm dobbiamo misurare ai terminali di resistenza una tensione di

V = I * R = 6.5A * 0.1R = 0.65V = 650mV

e la potenza di dissipazione in quella resistenza sarà

P = I ^ 2 * R = 6.5A ^ 2 * 0.1R = 4.22W.

Il vantaggio di utilizzare questo metodo di rilevamento della corrente è che la resistenza è un componente lineare, il che significa che il valore della tensione proporzionale alla corrente che lo attraversa sarà lineare.

Il contro è che la resistenza è un componente di contatto che deve essere nel circuito da misurare, non è isolato in alcun modo.

Qui vediamo un esempio di rilevamento della corrente per misurare la corrente di una lampada da 100 W alimentata a 230 V CA, la tensione misurata nella resistenza è 0,0435 V, se applichiamo la legge di Ohm possiamo calcolare

I = V / R = 0,0435 / 0,1 = 0,435 = 435 mA.

HALL:
un metodo di misurazione ibrido è chiamato effetto Hall, l’effetto Hall è la potenziale differenza generata dalla separazione delle cariche dal campo elettrico all’interno di un conduttore attraverso il quale circola una corrente elettrica.
Se prendiamo un determinato canal elettrico e facciamo circolare una corrente elettrica in una direzione, si creerà una tendenza a generare una separazione tra cariche elettriche che si trovano ortogonali al flusso della corrente applicata, sottoponendo questo conduttore a un campo magnetico, Le cariche che si trovano alle estremità ortogonali della corrente aumentano e queste cariche provocano una differenza potenziale che può essere misurata con un voltmetro e che sarà proporzionale al campo magnetico ad esso applicato.

Un sensore a effetto Hall può essere trovato in vari formati, ma uno molto comune è in incapsulamento simile a un transistor a basso segnale, ad esempio UGN3503 è un sensore a effetto Hall di tipo analogico (ci sono anche uscite digitali, con protocollo dati , con 3 assi, 6 assi, ecc …) L’unica cosa di cui abbiamo bisogno per polarizzare il sensore UGN3503 è una sorgente a 5 V e un multimetro per misurare la sua uscita.

La figura sottostante mostra un modo per rilevare la corrente usando una bobina del sensore con un nucleo toroidale.

Attualmente ci sono molti tipi di sensori ad effetto Hall e sensori di corrente, ma ce n’è uno molto popolare progettato esclusivamente per rilevare la corrente (alternata o diretta) basato su un circuito integrato che ha un sensore ad effetto Hall all’interno, lo stesso al suo interno ha un conduttore attraverso il quale circola la corrente elettrica da misurare e su questo conduttore poggia un sensore ad effetto Hall che misurerà il campo magnetico generato dal conduttore.
Il sensore è l’ACS712 disponibile in tre versioni, 5A, 20A e 30A, questo sensore deve essere alimentato con 5V e ci fornisce un’uscita di tensione che sarà proporzionale al valore di corrente misurato, i contro di questo dispositivo è che dobbiamo interrompere il circuito elettrico come con lo Shunt e collegarlo in serie con il carico, sebbene la parte corrente sia isolata con l’elettronica interna, dobbiamo interrompere il circuito e abbiamo limiti di corrente.

Questo sensore è già modulare con una scheda, terminali e alimentazione da implementare insieme a un contatore esterno (microcontrollore, voltmetro, oscilloscopio, ecc … ).

Trasformatore di corrente:

Questo è un metodo molto comune quando dobbiamo effettuare misurazioni di corrente elevata, poiché si tratta di un metodo non invasivo e senza contatto, non dobbiamo interrompere il circuito da misurare e questo ci fornisce correnti di misurazione più elevate, può anche essere conosciuto come streaming.

Un trasformatore di corrente è un semplice trasformatore basato su due avvolgimenti e un nucleo che facilita il circuito magnetico tra entrambi gli avvolgimenti riducendo la dispersione magnetica.

Questo è un metodo ampiamente utilizzato nei morsetti amperometrici, in cui passiamo un conduttore al loro interno e quindi misuriamo la corrente senza contatto.

Uno svantaggio del trasformatore di corrente rispetto a uno shunt è che non è lineare come lo shunt, il campo magnetico che viene generato nel conduttore che passa attraverso il morsetto è troppo debole, quindi viene utilizzato un nucleo ferromagnetico che aumenta Sensibilità grazie alla sua maggiore permeabilità che favorisce il circuito magnetico, questo nucleo ferromagnetico non ha una risposta lineare e questo riduce la qualità della misurazione.

Sebbene questa bobina possa anche essere realizzata senza un nucleo ferromagnetico, con un nucleo d’aria e questo è lineare, ma l’aria ha una permeabilità molto inferiore rispetto al ferromagnetico, quindi l’induttanza della bobina diminuisce e per compensare questa diminuzione, deve essere aumentata. il numero di giri nell’induttore.

Legge di Ampere:

La legge di Ampere afferma che una corrente elettrica che fluisce attraverso un conduttore produce un campo magnetico, questa intensità di campo è proporzionale alla corrente che il conduttore percorre.

Il campo magnetico generato nel conduttore è un campo angolare circolare perpendicolare al conduttore.

Dove:

B: campo magnetico

dl: differenziale di lunghezza

u0: permeabilità

i: intensità

Se risolviamo l’integrale chiuso, rimarremo con:

Azzeramento del campo magnetico:

Se applichiamo questa legge a un toroide anziché a un conduttore rettilineo:

Come possiamo vedere, abbiamo aggiunto la variabile N in cui inseriremo il numero di giri che ha il toroide, per sapere chiaramente il valore del campo magnetico dobbiamo anche sapere quale permeabilità ha il circuito magnetico utilizzato.

Elettronica:

Parleremo un po’ dell’elettronica e del circuito realizzato per il nostro progetto.

Come accennato in precedenza, per il sensore di corrente ACS712 o per lo Shunt, non abbiamo bisogno di alcun altro circuito di condizionamento del segnale, ma nel caso del toroide, avremo bisogno di convertire la corrente in tensione e quindi amplificarla per inserirla nello strumento di misura.

L’amplificatore operazionale come convertitore da corrente a tensione, noto anche come configurazione di transimpedenza.

Questa configurazione produce una tensione di uscita proporzionale a una corrente di ingresso, con un’impedenza di ingresso molto bassa.

A questo convertitore di transimpedenza aggiungeremo un integratore come filtro passa-basso con una frequenza di taglio vicino a 50Hz, aggiungendo un condensatore da 330nF in parallelo alla resistenza di feedback.

Infine useremo un altro amplificatore per aumentare il guadagno del primo, possiamo anche usare un preset in serie per la resistenza di feedback per variare il guadagno e adattare il misuratore alla nostra scala.

Qui possiamo vedere il circuito finale, con il primo stadio di transimpedenza e integrazione, quindi un secondo stadio di amplificazione.

Il circuito richiede una sorgente simmetrica in modo che la forma d’onda non si deformi, quindi è stata creata una massa flottante. 

Il circuito integrato utilizzato è un doppio amplificatore operazionale per uso generale LM358, ma sarebbe ideale utilizzare uno del tipo Rail-to-Rail come LMV358 per sfruttare tutta la tensione di alimentazione.

Il toroide ha un diametro di 25 mm per 10 mm di larghezza, sono stati realizzati 10 giri e il cavo da rilevare passa direttamente attraverso il centro di esso.

Saluti Amilcare