Inicio Artículos La evolución de los sensores de corriente integrados se digitaliza gracias a...

La evolución de los sensores de corriente integrados se digitaliza gracias a los primeros dispositivos con flujo de bits Sigma Delta a la salida

Clément Amilien, Global Product Manager para Sensores Integrados.

Hasta ahora la evolución de los sensores de corriente integrados (integrated current sensors, ICS) había sido lenta y gradual. La tecnología de medida de corriente se ha ido desarrollando cada vez más a lo largo de los años para centrarse en la miniaturización de componentes de alta densidad que también pueden alcanzar altos niveles de rendimiento. Los sensores voluminosos están perdiendo su cuota de mercado de forma inevitable en paralelo a la llegada de competidores más optimizados.

La cuestión es cómo estar a la vanguardia del mercado e investigar qué necesitan los usuarios. Obtener esta información y luego desarrollar productos que cubran esas necesidades exige un enfoque de arriba abajo y abajo arriba consistente en elaborar previsiones acerca de las tendencias del mercado y realizar encuestas entre los clientes. Una relación realmente estrecha con los clientes puede ser muy ventajosa cuando se trabaja en el mercado de semiconductores. Los clientes generalmente saben lo que quieren de sus ICS y sus opiniones han demostrado ser fundamentales para impulsar este proceso evolutivo.

Las aportaciones de los clientes han permitido identificar los cuatro elementos clave que buscan en los sensores de corriente:

  • rendimiento a diferentes temperaturas; se refiere a la deriva y la variación de la sensibilidad y es la característica más importante
  • cuánta corriente puede manejar una solución integrada; un pequeño sensor de corriente con un primario integrado tiene un límite de 30 A o 50 A continuos para la corriente que puede admitir y los avances tecnológicos consisten en superar estos límites
  • detección de sobrecorriente; un umbral de protección mediante la monitorización continua de la sobrecorriente
  • aislamiento (básico o reforzado en función de la tensión del sistema) como posible factor clave al elegir el sensor

Lazo cerrado y lazo abierto

Durante los últimos años, los usuarios han podido aprovechar la tecnología de efecto Hall de lazo cerrado; la propia LEM diseñó un ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) especial de lazo cerrado, mientras que la tecnología de lazo abierto representaba una solución con un coste mucho más bajo. Esta tecnología condujo al desarrollo de los transductores de corriente de la serie HLSR, una solución compacta y de bajo coste montada sobre una placa de circuito impreso que llevó la miniaturización a nuevos niveles.

El siguiente paso llegó de la mano de HMSR, un ICS con un alto nivel de aislamiento diseñado para cumplir los continuos requisitos del mercado en reducción de coste, mejora del rendimiento y miniaturización. Esta nueva serie supuso la expansión de los sensores de corriente en miniatura para medir corriente aislada CA y CC en aplicaciones muy exigentes de conmutación de potencia dentro de mercados comerciales e industriales. Los dispositivos HMSR, unos sensores de lazo abierto basados en micronúcleo, con aislamiento reforzado y detección de sobrecorriente, incorporaban un conductor primario de baja resistencia (para minimizar las pérdidas de potencia), una ferrita en miniatura y un ASIC propietario que permite la medida directa de la corriente y un rendimiento consistente del aislamiento. Todas estas características hacen que HMSR sea ideal para aplicaciones de alta tensión que exigen una alta precisión y una inmunidad significativa frente a campos externos. El núcleo micromagnético significa que el dispositivo resultaba especialmente útil en aplicaciones electrónicas de potencia que suelen sufrir intensas perturbaciones.

sensores de corriente

Por estas razones, los ingenieros de electrónica de potencia han estado utilizando sensores HMSR analógicos durante muchos años para medir corrientes CC y CA. Han disfrutado especialmente de las ventajas de un sensor de corriente compacto con una fuerte inmunidad frente a campos parásitos, aislamiento reforzado y un ancho de banda de 300kHz.

La solución más reciente en esta continua evolución de los sensores de corriente integrados es el HMSR DA, el primer ICS del mercado que ofrece un flujo de bits Sigma Delta a la salida, mide bajas corrientes y aun así alcanza una alta resolución. El uso de una señal digital significa que se introduce un retardo fijo a la salida del sensor (también conocido como tiempo de respuesta), mientras que el ruido de cuantificación procedente del convertidor A/D (ADC) se reduce de manera significativa y el filtro digital asegura una resolución aún mejor con un modulador Sigma Delta (SDM) mediante modelado de ruido. Crear un ADC resulta sencillo al combinar el modulador y un filtro digital. Entre sus ventajas se encuentran un reducido número de conexiones, la posibilidad de que cada usuario defina los niveles de rendimiento de su propio sistema y que los usuarios puedan disponer de dos o más convertidores con diferentes rendimientos. Este tipo de arquitectura está especialmente indicada para procesos CMOS económicos.

Entre las restantes características de un sensor de corriente digital se encuentra el tiempo de estabilización, también conocido como tiempo de respuesta o retardo. Con un reloj de 10MHz y un factor de sobremuestreo (oversampling ratio, OSR) de 128, el tiempo de estabilización de un SDM sería de unos 38,4us. Otra ventaja que ofrece usar un flujo de datos Sigma Delta a la salida es su flexibilidad ya que se pueden aplicar diferentes filtros paso bajo digitales en el lado del cliente, dependiendo de las necesidades concretas de la aplicación. El usuario puede optar entre un filtro más lento de mayor orden si requiere un resultado de alta resolución o una señal más rápida de un orden más pequeño para obtener resultados más rápidos pero con una menor resolución. Estas características, entre otras, hacen que el nuevo sensor HMSR DA supere a los otros ICS con salida digital, incluida incluso una versión digital de los dispositivos HLSR y la serie HO de transductores de corriente de lazo abierto.

Aplicaciones típicas

El mercado está demostrando ser receptivo a un ICS con salida digital porque puede ofrecer un modelado superior de la señal y menores niveles de ruido al mismo tiempo, así como un coste reducido y una huella mecánica más pequeña. Entre aplicaciones las típicas para este tipo de ICS se encuentran robots, servo accionamientos, máquinas de coser, máquinas-herramienta CNC, equipos de soldadura y vehículos de guiado automático.

En los últimos tiempos, el sector de automoción ha empezado a mostrar su interés en estos sensores. Organizaciones de I+D y fabricantes especializados en este mercado están muy interesados en que una solución digital sea inmune al ruido externo, incluidos el ruido eléctrico y magnético, que como es bien sabido provocan grandes dificultades cuando se usa señalización analógica.

planes de desarrollo

Planes de desarrollo de ICS digitales

El sensor HMSR DA, como primer paso en el desarrollo de ICS digitales por parte de LEM, literalmente el primero de su clase en el mercado, ofrece a los usuarios una resolución de 11 a 13 bits y un reloj de 10MHz.

El objetivo final sería aproximarse a los niveles de corriente de los sensores tradicionales con un sensor de corriente integrado. Por el momento, el HMSR DA puede llegar hasta 30 a 36 A de corriente continua o picos de corriente de 35 A pero las siguientes generaciones tratarían de alcanzar los 100 A de corriente continua conservando su pequeño tamaño y su montaje sobre una placa de circuito impreso. Las futuras versiones también intentarán eliminar la necesidad de un micronúcleo magnético, lo cual mejorará la respuesta de frecuencia y acabará con las perturbaciones magnéticas potencialmente problemáticas.

El HMSR DA, ideal para aplicaciones sometidas a ruido, distorsiones e interferencias, logra un verdadero ahorro de costes al permitir que los clientes reduzcan su lista de materiales. Lo consigue agrupando en un solo dispositivo un sistema que de lo contrario sería mucho más complejo y costoso, y que generalmente incluiría una resistencia en derivación, un aislador digital y una circuitería de alimentación baja/alta con diodos y condensadores. La derivación no es en modo alguno la mejor solución debido al ruido térmico que genera con corrientes elevadas. Otro problema es el espacio necesario para contener estos dispositivos por separado, mientras que con el HMSR DA solo hay un chip que desarrolla la misma función que esos tres elementos y su ofrece una salida directa a los clientes. El nuevo sensor también proporciona a los clientes unas funciones que no se encuentran disponibles en dispositivos separados, como un ASIC y detección de sobrecorriente, que no ofrece la derivación.

Diferentes maneras de plantear el diseño del sistema

Existen además diferentes modos de salida disponibles: simple con el flujo de bits y el reloj pero también diferencial, eliminando así la necesidad de adquirir drivers de salida para convertir de modo simple a diferencial. Una solución basada en los datos del RS-422 y en un receptor LVDS (low-voltage differential signalling) proporcionará la salida y la salida invertida, así como la señal de reloj y de reloj invertido, que es importante cuando se manejan señales diferenciales porque permite eliminar todo tipo de ruidos con un bajo consumo y altas velocidades. Con el nuevo sensor digital, todas estas funciones se integran en un solo dispositivo.

Se espera que el sensor HMSR DA permita a los ingenieros pensar en nuevas formas de plantear el diseño de su sistema. Los clientes también estarán en condiciones de utilizar filtros para adaptar el sensor con el fin de cumplir sus requisitos al trabajar en cualquier entorno que necesite señales limpias pero que tradicionalmente se haya visto expuesto a ruido eléctrico, vibraciones y ruido magnetoelectrónico. La distorsión y las interferencias son problemas importantes en unas aplicaciones tan exigentes y solo superando los límites de la salida digital se pueden obtener desarrollos realmente revolucionarios que solucionen los problemas de los sistemas con ruido que son comercializados.

La salida digital sigue en fase embrionaria e, incluso hoy, algunos clientes pueden mostrarse reacios a seguir esta vía. No obstante, es una tendencia potente que se extenderá mucho más en los próximos años. Por eso es primordial seguir esta tecnología desde cerca y fomentar los comentarios creíbles de los usuarios acerca de la viabilidad de aplicar soluciones con salida digital en su sector.

La evolución continúa…