Revista Online de electrónica de potencia y sistemas de alimentación y automatización industrial, fuentes de alimentación, convertidores, SAI, baterías, energías renovables, Semiconductores, LED, TFT, LCD, Software de diseño

La tendencia en electrónica de potencia no es distinta que en otros segmentos de la electrónica: un gran nivel de integración combinado con un número más bajo de componentes.

 Sin embargo, entre los sistemas electrónicos de potencia se encuentran componentes como disipadores de calor, dispositivos magnéticos y bobinas, que pueden dificultar altos niveles de integración.

Los sistemas microelectromecánicos (microelectromechanical systems, MEMS) ya han hallado aplicaciones en sistemas de sensado y cuentan con el potencial de ofrecer avances en otras secciones del sistema.

Los transductores de corriente tradicionales son inapropiados para mercados como los productos eléctricos domésticos y los sistemas de aire acondicionado porque son demasiado grandes y caros.  Los transductores más pequeños y de menor coste, como los desarrollados por LEM, están logrando ya que la medida de corriente sea una realidad en sistemas como los citados. Las únicas limitaciones son factores externos como el espacio libre y los niveles de aislamiento.

Uno de los primeros pasos hacia la miniaturización fue el desarrollo, por parte de LEM, de un circuito integrado de aplicación específica (application-specific integrated circuit, ASIC) para la utilización en su transductor de corriente LTS. Este ASIC permitió ofrecer un transductor de lazo cerrado de efecto Hall en un encapsulado montado sobre placa de circuito impreso con unas dimensiones de tan sólo 22,2 x 10 x 24 mm (longitud x anchura x altura). LEM desarrolló a continuación un ASIC para tecnología de lazo abierto de efecto Hall, lo que dio como resultado una amplia familia de transductores, el más pequeño de ellos con unas dimensiones de tan sólo 10,7 x 16,7 x 10,7 mm (longitud x anchura x altura).

Estos ASIC integran la electrónica necesaria para utilizarlos con transductores de corriente (elementos de sensado de campo, todos los componentes electrónicos activos como amplificador, transistores, diodos, Zener, referencia de tensión, etc.). La tecnología de silicio dedicado ha proporcionado unas mejores prestaciones en ámbitos como la deriva de offset y de ganancia. Elementos como el circuito magnético y la carcasa todavía están separados del ASIC.
El siguiente paso hacia la miniaturización fue la integración de estos importantes elementos restantes dentro del encapsulado del ASIC. Esto es lo que LEM ha conseguido con su transductor Minisens/FHS (Figura 1).
Minisens/FHS convierte el campo magnético de una corriente sensada en una salida de tensión. Esta corriente ‘primaria’ fluye en un cable o pista  de la placa cerca del CI y está aislada eléctricamente de él. Los dispositivos de efecto Hall integrados en el CI se utilizan para medir el campo magnético, que se concentra en la región de las células Hall mediante concentradores magnéticos situados sobre el CI (ver Figuras 2a, b y c).

La forma de los concentradores se ha optimizado en términos de sensibilidad (ganancia) y linealidad para los campos magnéticos propios de los niveles de corriente que se deben medir en las típicas placas de circuito impreso.
Los concentradores obtienen una ganancia exenta de ruido de un factor cercano a 8. La frecuencia de la señal de salida de las celdas Hall se eleva mediante técnicas de rotación (spinning), de forma que se detecten los campos magnéticos de valor reducido sin problemas de offsets o de ruido 1/f. La sensibilidad del CI al campo magnético de la corriente primaria es de 600 mV/mT máx.
Éste es el principio básico de funcionamiento de la tecnología de lazo abierto de efecto Hall, pero totalmente incorporada a un único encapsulado de CI.

La corriente sensada puede ser positiva o negativa. La polaridad del campo magnético se detecta para generar una salida de tensión positiva o negativa alrededor de una referencia de tensión definida como el offset inicial en ausencia de campo. El offset inicial estándar es de 2,5 V (referencia interna). El usuario puede definir una referencia externa entre +2 y +2,8 V.
La forma más habitual de utilizar Minisens consiste en colocarlo sobre una pista de la placa que transporte la corriente que se necesita medir. Para optimizar la función del transductor se deben aplicar algunas reglas simples a las dimensiones de la pista. Mediante la variación de la configuración de la placa y de la pista se pueden medir corrientes de 2 a 100 A. Una posible configuración sitúa el CI directamente sobre una sola pista de la placa. Llamaremos a esta configuración “Diseño 1” (Figura 3).
En esta configuración, el aislamiento lo proporciona la placa de circuito impreso y se pueden medir corrientes de 2 a 20 A.
El aislamiento puede mejorarse colocando el transductor en el lado opuesto de la placa, pero aún directamente sobre la línea de pista. El grosor de la placa y la propia pista afectarán a la sensibilidad, dado que influyen directamente sobre la distancia entre los elementos de sensado (situados dentro del CI) y la posición del conductor primario. La sensibilidad también se ve afectada por la anchura de la pista (Figura 4). Es importante destacar que la sensibilidad es superior para pistas más finas. Sin embargo, cuanto más fina es la pista, más rápidamente aumenta la temperatura.

La corriente máxima que puede aplicarse continuamente de forma segura viene determinada por el aumento de temperatura de la pista. La utilización de una pista con una anchura variable proporciona la mejor combinación de sensibilidad y aumento de la temperatura de la pista. La temperatura del cobre viene limitada por la temperatura de transición del material de vidrio de la placa (135 ºC), mientras que la temperatura máxima de trabajo del Minisens es de 125 ºC. Por razones de seguridad, es mejor trabajar con una temperatura máxima permisible en el nivel de pista de 115 ºC (UL recomienda un límite de 100 ºC). Para mantener estos niveles de temperatura, la anchura, el grosor y la forma de la pista son muy importantes.
Para bajas corrientes (por debajo de 10 A), es recomendable hacer varias vueltas con la pista primaria para incrementar el campo magnético generado por la corriente primaria. Como con una pista única, es mejor tener pistas más anchas alrededor del Minisens que debajo de él (para reducir el aumento de temperatura). Llamaremos a este diseño “Multi-vuelta” (Figuras 5 y 6).
Por ejemplo, es posible tener un diseño de cuatro vueltas (Figuras 6 y 7) bajo el Minisens en el lado opuesto de la placa, obteniendo así una configuración de alto aislamiento. Otra forma de incrementar la sensibilidad pasa por recurrir a una pista más estrecha.

El elevado nivel de aislamiento se obtiene gracias a la mejora de los espacios reservados, ya que el conductor primario (cuatro vueltas de la pista) se localiza en encuentra en el lado opuesto de la placa respecto a las secciones electrónicas que trabajan con una baja tensión. En este caso, se garantiza que ambas distancias sean de 8 mm (características de la placa: 1,6mm/70 µm Cu) (Anchura de pista: 0,78 mm bajo Minisens, 3 mm en el resto).
Con este diseño, se pueden medir 5 A como corriente primaria nominal a una temperatura ambiente de 85 ºC (Condiciones: convección natural, 30 ºC de aumento de la temperatura de pista). El rango de medida es de ±15 A, con una sensibilidad de 130 mV/A dado que se producen 2 V a la salida para una corriente de 15 A.
La sensibilidad puede incrementarse aún más mediante otras técnicas, como la utilización de un puente (jumper) de hilo conductor sobre el Minisens para crear un lazo con la pista de la placa, o bien se pueden realizar múltiples vueltas en diferentes capas de la placa. Se pueden
medir corrientes más altas colocando el transductor más lejos del conductor primario.
Se pueden configurar muchos parámetros del Minisens mediante una memoria no volátil integrada. Ésta puede emplearse para ajustar la ganancia del transductor, su offset, polaridad, deriva de temperatura y algoritmo de ganancia (proporcional a o independiente de VDD).

Hay dos salidas disponibles: una filtrada, para limitar el ancho de banda de ruido, y otra, no filtrada, con un tiempo de respuesta inferior a 3 µs, para detección de cortocircuitos o umbrales de corriente. Ésta es la salida procedente de un circuito de muestreo y retención (sample and hold), y los valores discretos de las muestras no se filtran.
Minisens trabaja a partir de una fuente de alimentación de + 5 V. Para reducir el consumo de energía en aplicaciones sensibles, dispone de una entrada opcional a partir de una señal externa que la sitúa en modo espera. Se fabrica mediante un proceso CMOS estándar y se ensambla en un encapsulado SO8-IC.
La precisión alcanzada a +25 °C por el propio Minisens viene determinada por los siguientes parámetros:

-    El error (+/-3%) de sensibilidad (V/T).
-    La tolerancia en el offset inicial en ausencia de campo (+/-10 mV).
-    El error de no linealidad (+/-1,5%).

Sin embargo, esto no representa la precisión de la aplicación final.
La precisión total debe comprobarse bajo condiciones reales, con el transductor soldado a la placa. Entonces hay que tener en cuenta otros parámetros que influyen sobre la precisión, como:

-    Las variaciones de distancia y de forma del conductor primario respecto al CI, así como el error de colocación del CI en la placa (los podemos denominar parámetros de diseño mecánico).
-    Los campos de perturbación adyacentes (parásitos).

La sensibilidad final (V/A) depende directamente de los parámetros de diseño mecánicos. Cada imprecisión o cambio influirá sobre la sensibilidad final.
Entre los parámetros sujetos a posibles cambios debido a variaciones en la producción industrial se encuentran:

-    El grosor del punto de soldadura.
-    El grosor de la pista de cobre.
-    El grosor de la placa.
-    La anchura de la pista primaria.
-    La colocación del CI a lo largo del eje Y.
-    La rotación del CI alrededor de los ejes X y Z.
Estos parámetros deben controlarse muy estrechamente en el proceso de producción. Como alternativa, puede aprovecharse la calibración interna del Minisens para evitar muchos de estos errores. Por ejemplo, tanto la sensibilidad como la tolerancia del offset inicial pueden programarse fácilmente.
Si observamos el rango de temperatura definido, deben tenerse en cuenta otros dos parámetros: la deriva de sensibilidad con la temperatura a +/-300ppm/K y la deriva de offset a +/-0,15mV/K.
La combinación de configuraciones de Minisens y de diferentes diseños de la placa de circuito impreso da como resultado un transductor de corriente muy versátil y económico. Minisens aporta las ventajas de las medidas de corrientes aisladas a nuevas aplicaciones en las que hasta ahora no habían sido factibles, como el control de motores en electrodomésticos o la detección de sobrecargas de corriente. Minisens puede utilizarse en SAI de bajo coste y en cargadores de batería para proporcional control de corriente, protección a fallos o detección de corriente. Esta función de protección ante fallos también puede utilizarse en obturadores eléctricos, apertura de puertas y otros equipos similares. Minisens proporcionará ahorros de energía mediante el control de la corriente. Los precisos datos que proporcionará permitirán que la electrónica de potencia controle los motores con mayor eficiencia y con menos pérdidas.

Autor:

Stéphane Rollier, Bernard Richard y David Jobling, LEM

Más información o presupuesto