Cinco trampas en el diseño de circuitos de aplicación de sensores de corriente de efecto Hall

Los sensores de corriente de efecto Hall son capaces de medir corrientes continuas, alternas, de alta frecuencia y pulsadas, lo que los convierte en una herramienta muy utilizada en sistemas de detección de corriente. En numerosos intercambios técnicos con nuestros clientes, hemos observado que muchos ingenieros adoptan soluciones "funcionales" al diseñar circuitos de detección basados ​​en sensores Hall. El circuito funciona, los datos coinciden aproximadamente con las expectativas y el proyecto se aprueba. Sin embargo, "funcionar" no es lo mismo que "funcionar bien". La diferencia entre ambos suele radicar en unos pocos detalles clave, pero estos detalles pueden marcar una diferencia de un orden de magnitud en la precisión, la fiabilidad y el rango dinámico del sistema. Este artículo combina los errores comunes en la selección de sensores Hall y el diseño de circuitos, destaca cinco trampas que se pasan por alto fácilmente y ofrece las soluciones correspondientes.

Error común n.° 1: Seleccionar un sistema de lazo abierto o de lazo cerrado basándose únicamente en las especificaciones de la hoja de datos, y no en el escenario de aplicación.
Muchos ingenieros ven sensores de bucle cerrado con una precisión de ±0,5 % y un tiempo de respuesta inferior a 1 µs, y asumen inmediatamente que el bucle cerrado siempre es superior. Sin embargo, los sensores Hall de bucle cerrado son más caros, más complejos y consumen más energía. En un proyecto, el ingeniero optó por una solución de bucle cerrado, lo que provocó que el presupuesto se superara en un 30 %. Tras cambiar a un dispositivo de bucle abierto con la calibración adecuada, la precisión real cumplió plenamente con los requisitos de control. Actualmente, los sensores de bucle abierto suelen ofrecer una precisión de lote superior al 1 %; nuestra calibración de fábrica suele alcanzar una precisión superior al 0,5 %. Los sensores de bucle cerrado generalmente alcanzan una precisión del 0,2 %. El bucle abierto es adecuado para aplicaciones sensibles al coste donde una precisión de ±1 % es aceptable y las corrientes son relativamente grandes, por ejemplo, protección contra sobrecorriente de motores, control de motores de electrodomésticos. El bucle cerrado se prefiere cuando la precisión es inferior a ±0,5 %, se necesita una respuesta en microsegundos o se miden corrientes pequeñas, por ejemplo, BMS de vehículos de nueva energía, control de servo de alta precisión. En la selección se deben tener en cuenta la precisión, el coste, el consumo de energía y el tamaño, en función de la aplicación específica.

Error común n.° 2: No distinguir entre los métodos de muestreo de CC y CA; las diferentes naturalezas de las señales de salida requieren diferentes diseños de circuitos.
Una de las principales ventajas de los sensores Hall es su capacidad para medir tanto corriente continua (CC) como corriente alterna (CA): una corriente primaria de CC produce una salida secundaria de CC, mientras que una corriente primaria de CA produce una salida de CA. Sin embargo, muchos ingenieros utilizan el mismo circuito de posprocesamiento para todas las señales sin diferenciar el tipo de forma de onda. El resultado es una ondulación excesiva en las mediciones de CC y la pérdida de información de la forma de onda en las mediciones de CA. El enfoque correcto: primero, identificar la forma de onda de la corriente primaria. Para señales de CC o de baja frecuencia, solo importa el valor promedio; un convertidor analógico-digital (ADC) de baja velocidad con promediado múltiple puede reducir el ruido, y el circuito de acondicionamiento de la señal debe incluir un filtro de paso bajo para eliminar la interferencia de alta frecuencia. Para señales de CA, tanto el valor eficaz (RMS) como la forma de onda son importantes; la frecuencia de muestreo debe ser al menos 10 veces la frecuencia de la señal (se recomienda 100 veces), la ruta de acondicionamiento debe preservar todo el ancho de banda de CA, y no se deben insertar condensadores de bloqueo de CC en serie indiscriminadamente. Para formas de onda irregulares que contienen componentes tanto de CC como de CA (por ejemplo, corrientes de accionamiento de motores, corrientes moduladas por PWM), se requiere una ruta acoplada a CC con un ancho de banda suficiente; la frecuencia de muestreo del convertidor analógico-digital (ADC) debe ajustarse según el componente de frecuencia más alta, y el algoritmo del software debe calcular tanto el desplazamiento de CC como el valor RMS de CA.

Trampa n.° 3: Cableado incorrecto de tierra de alimentación y de salida: la fuente oculta de errores a nivel de milivoltios.
Los sensores Hall vienen en tipos de alimentación simple (p. ej., 5 V, 12 V, 24 V) y de doble alimentación (p. ej., ±12 V, ±15 V), generalmente con tres a cinco pines: positivo de alimentación, negativo de alimentación, tierra de alimentación, positivo de salida, tierra de salida y referencia. Algunos dispositivos comparten internamente las tierras de alimentación y de salida, otros no. El método de cableado adecuado sigue el principio de conexión a tierra de un solo punto: la tierra de alimentación y la tierra de salida del sensor deben conectarse con cables separados al punto de referencia de tierra en estrella del sistema; no las cortocircuite en el lado del sensor. Para transmisiones de larga distancia (más de decenas de centímetros), elija un sensor Hall con salida diferencial o utilice un amplificador diferencial en el extremo remoto para aprovechar una alta relación de rechazo en modo común (CMRR) y cancelar las caídas de tensión por bucle de tierra. Además, coloque condensadores de desacoplamiento (0,1 µF en paralelo con 10 µF) tanto en los pines de alimentación como en los de salida, lo más cerca posible de los pines del sensor, para filtrar el ruido de alta frecuencia en las líneas de alimentación y de salida.

Trampa n.° 4: Ignorar la deriva de temperatura: funciona bien a temperatura ambiente, pero presenta grandes variaciones en condiciones reales.
La deriva de temperatura es uno de los problemas más frustrantes de los sensores Hall. Muchos ingenieros realizan pruebas en condiciones ambientales de laboratorio y todo parece perfecto, pero una vez que el equipo se implementa y las temperaturas varían, la precisión se degrada hasta niveles inutilizables. La estrategia correcta es doble:

Hardware: al seleccionar los componentes, verifique las especificaciones de deriva de temperatura en la hoja de datos, no solo la precisión a temperatura ambiente. Utilice una fuente de alimentación de corriente constante para el chip Hall y una referencia de baja deriva de temperatura. En la placa de circuito impreso, coloque el sensor lejos de dispositivos de alimentación, disipadores de calor y otras fuentes de calor.

Software: coloque un sensor de temperatura cerca del sensor Hall, cree una tabla de consulta de errores de temperatura y realice una compensación en tiempo real durante el funcionamiento. Nuestra empresa ha incorporado circuitos de supresión de deriva de temperatura en nuestros diseños de sensores Hall con excelentes resultados.

Trampa n.º 5: Interferencia electromagnética: el asesino silencioso en entornos de alto voltaje y alto campo magnético.
En proyectos de energías renovables, los problemas de compatibilidad electromagnética (CEM) suelen ser incluso más problemáticos que la deriva de temperatura. Las frecuencias de conmutación de los inversores oscilan entre 20 kHz y 50 kHz, con un di/dt de hasta varios miles de A/µs, lo que supone un gran desafío para los sensores Hall. Un ingeniero que trabajaba en un proyecto de controlador de motor descubrió que la forma de onda de salida del sensor Hall estaba plagada de fallos, lo que hacía inutilizable el algoritmo de control. Tras una exhaustiva depuración, se identificó la causa raíz: el sensor estaba montado justo al lado de un hueco en el disipador de calor del IGBT, donde el campo electromagnético era máximo. Sin contramedidas, los errores inducidos por la interferencia electromagnética (EMI) pueden alcanzar entre el 5 % y el 10 % de la escala completa. Para aplicaciones de alta tensión, se recomienda elegir sensores Hall con carcasas de apantallamiento magnético; un apantallamiento personalizado de aleación de alta permeabilidad puede mejorar el rendimiento en un orden de magnitud. En la placa de circuito impreso (PCB), mantenga la ruta principal de la corriente alejada de los pines del sensor para evitar interferencias magnéticas. Los sensores de bucle cerrado, gracias a su mecanismo de retroalimentación, ofrecen una mayor inmunidad que los de bucle abierto. Además, el ruido procedente de la propia fuente de alimentación conmutada (alrededor de 20 kHz o superior) puede acoplarse a la salida del sensor; se puede utilizar filtrado por hardware o por software para mejorar la precisión de la medición de corrientes bajas.

Al analizar estos cinco aspectos, surge un denominador común: el circuito «funciona», pero el diseñador no ha comprendido del todo las diferencias entre las características de lazo abierto y lazo cerrado, las prácticas de cableado, el comportamiento a diferentes temperaturas, la saturación del núcleo, los requisitos de compatibilidad electromagnética (CEM) y la distinción fundamental entre el muestreo de corriente continua (CC) y corriente alterna (CA). La diferencia entre un funcionamiento correcto y un funcionamiento óptimo radica precisamente en la atención a estos detalles.