Mediciones de corriente simplificadas: una sonda de corriente para RF

En muchos casos, las mediciones de corriente sin un componente de CC son útiles. El más común es el caso de los TC (transformadores de corriente) para red de CA. Este artículo trata sobre el diseño de transformadores de corriente para frecuencias medias y altas, que son realmente sencillos de construir. Las fórmulas presentadas también son válidas para unidades de red de CA.

la sonda enCifra1 está diseñado para medir hasta 50 A de pico en un rango de frecuencia de 7 kHz a decenas de MHz. El esquema enCifra2es bastante simple: el cable cuya corriente debe medirse pasa a través del toroide, que es un núcleo común Amidon FT 82-43 que funciona bien hasta al menos 50 MHz.

El devanado secundario consta de diez vueltas de alambre distribuidas uniformemente sobre el núcleo. Si está disponible, use un cable trenzado de calibre mediano, pero esto no es obligatorio. Debido a la relación de 1:10 vueltas, la corriente máxima en el secundario es de 5 Ap. El lado secundario está cargado con 0,2 Ω, que se realizó mediante una conexión en paralelo de cinco resistencias de 1 Ω. A una corriente máxima de 5 Ap, el voltaje máximo a través de estas resistencias es de 1 Vp, lo cual es muy conveniente para las mediciones con un osciloscopio. Para una corriente sinusoidal, la disipación de potencia promedio en las resistencias es R·I2 = R·Ip2 / 2 = 2,5 W o 0,5 W por resistencia. Una corriente sinusoidal continua de 50 Ap se puede medir solo con resistencias de 0,5 W o mayores. Pero, si las formas de onda son pulsadas o se realizan mediciones muy cortas, las resistencias de ¼ W servirán. Esa fue mi elección porque quería mantener el diseño compacto para un mejor rendimiento de RF. Bien, también tengo que admitir que estas eran las resistencias que tenía a mano.

Cifra3 muestra el uso típico con una sonda de osciloscopio, usando un adaptador BNC para osciloscopios. El dispositivo también se puede utilizar con una conexión de cable coaxial directo a la entrada del osciloscopio, ya que 1 Vp es ideal para el funcionamiento del osciloscopio 1×: en este caso, se recomienda utilizar un cable corto para evitar reflejos en la banda de interés, ya que el coaxial no coincidirá en ambos lados. Aún mejor, el cable coaxial se puede terminar en su impedancia característica en el lado del osciloscopio: muchos osciloscopios modernos ofrecen la posibilidad de establecer la impedancia de entrada en 50 Ω, por lo que esto es particularmente fácil. En este caso específico, hay que recordar que la medida estará ligeramente desescalada, debido al paralelo de la carga de 50 Ω con los 0,2 Ω incorporados en la sonda (la resistencia total se convierte en 0,1992 Ω, dando un factor de escala de 50,2 A /V).

Lo que debe evitarse es conectar la sonda del osciloscopio directamente a las resistencias usando los clips y omitir el conector BNC, porque cuando se miden corrientes de RF altas, incluso el bucle mínimo sin blindaje en las sondas agregará artefactos a las mediciones.

El diseño del transformador de corriente no es complicado, pero son necesarias algunas fórmulas electromagnéticas. Primero, sobre la resistencia de carga RL, que debe ser lo más pequeña posible en la práctica para minimizar la pérdida de potencia introducida, porque el circuito bajo medición "verá" al menos R·n2, donde 1:n es la relación de vueltas (1 :10) y R es la suma de RL (0,2 Ω) y de la resistencia del hilo secundario (algunos mΩ). Como ya se dijo, es muy importante que el lado secundario esté uniformemente enrollado, ya que de lo contrario el circuito bajo prueba presentará alguna inductancia parásita en serie. En el otro extremo, si elegimos un valor demasiado bajo para RL, también tendremos un voltaje muy pequeño para medir, lo que provocará ruido en las pistas. Finalmente, RL debe ser mayor que la resistencia del cable secundario. En mi caso, elegí 0.2 Ω para poder obtener 1 V a 5 A (50 A en el primario), lo que agrega 2 mΩ al circuito bajo prueba. El número de vueltas secundarias, n, determina la relación actual. En el caso de un CT de alta frecuencia, este número debe mantenerse bajo para evitar la resonancia propia causada por la capacitancia parásita junto con una alta inductancia. En el caso de los TC de red, la frecuencia es bastante baja (50 o 60 Hz), por lo que n = 1000 es un valor común. Las potencias de 10 son comunes, por lo que la relación de conversión actual es simple, pero son posibles otros valores. La frecuencia utilizable más alta para un CT de ferrita toroidal depende de:

Un diseño como el mío puede funcionar fácilmente hasta varias decenas de MHz si se utiliza una ferrita adecuada, como el material 43 de Amidon/Fair-Rite. Los núcleos de alta permeabilidad utilizados para la supresión de EMI también se pueden usar, pero solo hasta frecuencias mucho más bajas. No se recomiendan los núcleos de baja permeabilidad utilizados para bobinas de potencia e inductores de alto Q, porque su inductancia por vuelta es demasiado baja, lo que afecta el siguiente punto. La elección del núcleo de ferrita también tiene un impacto en la frecuencia más baja utilizable, por dos razones:

El acoplamiento capacitivo entre los devanados primario y secundario puede perturbar las mediciones en las frecuencias útiles más altas, o incluso en frecuencias moderadas si el conductor primario está sujeto a un alto voltaje de RF. El diseño se puede mejorar agregando una pantalla electrostática que evite este acoplamiento capacitivo: En En la práctica, el cable principal se pasa dentro de una pequeña pieza de tubo de metal (típicamente cobre o latón) conectado a la salida GND del secundario, como se muestra enCifra4 . Esto no altera el enlace magnético, pero actúa como un bloqueador de campo eléctrico.

Este ejemplo de un transformador de corriente de RF junto con los criterios de diseño más importantes demuestra que este asunto es menos complejo de lo que parece inicialmente. Espero que las consideraciones y fórmulas presentadas aquí sean útiles para simplificar el manejo de los núcleos toroidales, así como servir de base para sus propios desarrollos.

Roberto Visentin es un ingeniero electrónico recientemente jubilado que trabajó en electrónica y sistemas de control para aplicaciones marinas y robótica submarina. Aún trabajando como consultor independiente, disfruta encontrar más tiempo para desarrollar proyectos de pasatiempos en el laboratorio electrónico de su hogar.

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Este artículo apareció originalmente en Elektor de mayo y junio de 2023. ¡Hazte miembro de Elektor hoy!