sábado, 26 de maio de 2012

Um tutorial sobre Sensoriamento de Corrente Elétrica - Parte I: Fundamentos

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Qual a importância do sensoriamento de corrente?

Conhecer a quantidade de corrente fornecida a uma carga pode ser útil uma ampla variedade de aplicações. Por exemplo, em produtos de baixa potência a corrente fornecida pela alimentação pode ser monitorada para de conhecer o impacto do sistema sobre a vida útil da bateria. A corrente de carga pode ser usada para a escolha correta de dispositivos de proteção contra sobre-corrente. No controle de motores, conhecer a intensidade e a direção da corrente pode ser usada para informar a velocidade e direção deste motor. Finalmente, podem-se desenvolver ferramentas de testes que monitorem a todas as correntes fornecidas com o objetivo de conhecer a eficiência dos subcomponentes do circuito analisado. Todas estas aplicações se diferenciam quanto aos requerimentos de projeto, "front-end" de leitura da corrente (modo diferencial ou simples), precisão.


Tipos de sensoriamento de corrente

Existem basicamente dois tipos de sensoreamento e corrente: direto e indireto. Sensoriamento indireto é baseado nas leis Ampère e Faraday ou de indução eletromagnética. Colocando-se uma bobina em torno de um condutor transportando corrente elétrica, um tensão proporcional a esta corrente irá surgir através da bobina. isto permite uma medição não invasiva onde o circuito de sensoreamento não possui conexão elétrica com sistema monitorado. Como não há conexão entre o sensor e o sistema monitorado, estes estão isolados inerentemente, um em relação ao outro. Sensoriamento indireto de corrente é tipicamente usado para faixas de 100A a 1000A. Este tipo de sensoriamento, entretanto, requer sensores relativamente caros e não são aplicáveis ao sensoriamento de corrente em trilhas de placa de circuito impresso.

Sensoriamento direto de corrente é baseado na Lei de Ohm. Isto é feito através da colocação de um resistor shunt em série com a carga. Então a tensão através deste resistor é utilizada para se estimar a corrente da carga, pois, pela lei de ohm, é proporcional à corrente. Esta tensão através do resistor shunt pode ser medida por um amplificador diferencial tal como no monitor de corrente shunt (CSMs - current shunt monitor), amplificadores operacionais, amplificadores diferenciais, ou amplificadores de instrumentação. Este método é invasivo uma vez que resistor de shunt e o circuito de sensoriamento são eletricamente conectados ao sistema monitorado. Portanto, sensoriamento direto é tipicamente usado quando isolamento galvânico não é necessário. Também existe o inconveniente do resistor shunt dissipar potência. Sensoriamento de corrente é tipicamente usado para valores de corrente abaixo dos 100A. O restante deste tutorial irá focar no sensoriamento direto.

Tensão de modo comum de entrada


Figura 1: Definição de tensão de modo comum de entrada.
Tensão de modo comum de entrada é a especificação mais importante quando se trata de sensoriamento direto de corrente. Esta tensão é definida como a tensão média presente nos pinos de entrada do amplificador. A figura 1 apresenta a definição da tensão de modo comum de entrada. Esta especificação é importante porque ela limita a escolha do amplificador diferencial. Por exemplo, amplificadores operacionais (amp op) e amplificadores de instrumentação requerem uma tensão em modo comum de entrada dentro das faixas das suas fontes de alimentação. Amplificadores diferenciais e monitores de corrente tipo shunt, entretanto, tipicamente podem acomodar tensões de modo comum de entrada que excedem as de suas fontes de alimentação. Isto é útil quando se necessita sensoriar tensões shunt com uma tensão de modo comum relativamente alta e enviar este sinal à um conversor AD de baixa tensão. Assim, tanto o conversor quanto o amplificador podem ser alimentados pela mesma fonte de alimentação sem levar em consideração a tensão de modo comum.


Sensoriamento de Corrente high-side versus low-side

No monitoramento de corrente, o projetista pode escolher entre colocar o sensor resistivo (shunt) entre a carga e a fonte de alimentação, ou entre a carga e o terra. O primeiro é chamado de sensoriamento high-side, enquanto o último de sensoriamento low-side.
O sensoriamento low-side é tem como vantagem o fato da tensão em modo comum está próxima do terra, o que permite o uso de amp op´s alimentados com fontes simples, com entradas e saídas rail-to-rail (a faixa de tensão em modo comum deve incluir o terra). As desvantagens são as perturbações no potencial terra da carga, devido à resistência do shunt entre a carga e o terra. Também existe a dificuldade ou impossibilidade de se detectar curtos na carga. A figura 2 retrata um cenário típico de um sensoriamento low-side.
Figura 2: Sensoriamento de corrente Low-side.

O sensoriamento high-side tem como vantagem o fato de monitorar a corrente logo que sai da fonte de alimentação, permitindo a detecção de curtos na carga. A mudança está no fato de que a faixa de tensão em modo comum necessita incluir a tensão de alimentação da carga. Isto frequentemente requer o uso de Amplificadores diferenciais ou circuitos de monitoramento de correntes dedicados, os quais permitem tenção de modo comum fora da faixa da fonte de alimentação. A figura 3 retrata um típico cenário de sensoriamento e corrente high-side.
Figure 3: Sensoriamento de corrente High-side.

Direcionalidade

Dependendo da aplicação, a corrente da fonte de alimentação pode fluir em uma direção (unidirecional) ou ambas direções (bidirecional) através do shunt. Projetos unidirecionais são mais fáceis, visto que a tensão de saída do amplificador não precisa distinguir a direção. Já num projeto bidirecional, entretanto, como é possível distinguir a direção da corrente? As soluções para incluem em se ter um entrada como referência ou tensão de base. Então, a saída passa a esta tensão como referencial. Tensões de saída acima desta tensão referencial, indicam um direção, enquanto abaixo, outra direção. A figura 4 retrata o conceito de direcionalidade de corrente.

Figura 4: Direcionalidade.

Saída
A saída de um sistema de sensoriamento de corrente pode estar em corrente, tensão ou em forma digital. Circuitos dedicados com os CSM´s (Circuit-Sense Measurement), podem ter qualquer uma das formas de saída mencionadas, enquanto que amp op´s, amplificadores diferenciais e amplificadores de instrumentação fornecem apenas saídas em tensão.
CSMs com saída em corrente tipicamente requerem um resistor de ajuste de ganho externo (RL), como demonstrado no diagrama com o CI INA138/168 na figura 5. Isto confere flexibilidade na escolha do ganho. Também, se o projeto necessitar acionar uma carga com uma capacitância grande, um amp op externo devidamente compensado poderá servir de buffer para a saída do CSM.
Figure 5: CSM com saída em corrente.

Circuitos CSM com saídas em tensão integram tanto o resistor de ganho quanto o buffer de saída, como mostrado pelo digrama do INA193-8 na figura 6. A desvantagem é que este tipo de dispositivo possui ganhos pré-determinados (por ex. 20V/V, 50V/V, 100V/V) e o projetista não tem acesso à malha e realimentação do buffer amplificador para compensação para cargas capacitivas grandes.
Figura 6: CSM com saída em tensão.

CSM´s com saídas digitais têm amplificadores integrados com ganhos programáveis (PGAs) e conversores AD, e informam a tensão sobre o shunt na forma digital via comunicação serial, tal como I2C ou SPI, como mostrado no diagrama em blocos do INA219 na figura 7. Enquanto isto pode ser muito desejável pela facilidade de uso, o fundo de escala da entrada diferencial precisa ser restringida à uma faixa de valores. Portanto, muito cuidado se deve ter na escolha do valor da resistência do shunt.
Figure 7: CSM com saída digital.

Referências
[1] http://www.eetimes.com/design/industrial-control/4236026/A-Current-Sensing-Tutorial-Part-1--Fundamentals?cid=NL_IndustrialControl&Ecosystem=industrial-control



[2] Tobey, Graeme, Huelsman, “Operational Amplifiers: Design and Applications”, McGraw-Hill, 1971.

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