Introducción a las Pinzas Amperimétricas
Las pinzas están diseñadas para ampliar las capacidades de medición de corriente de los multímetros digitales, instrumentos de potencia, osciloscopios, osciloscopios de mano, registradores o registradores de datos, y otros instrumentos diversos. La pinza amperimétrica, se coloca alrededor del conductor que lleva la corriente para realizar mediciones de corriente sin contacto sin interrumpir el circuito en prueba. La pinza emite señales de corriente o voltaje directamente proporcionales a la corriente medida, proporcionando así capacidades de medición y visualización de corriente a instrumentos con entradas de corriente o voltaje bajos. Al realizar una medición, el circuito del conductor que lleva la corriente no se interrumpe y permanece eléctricamente aislado de los terminales de entrada del instrumento. Como resultado, el terminal de entrada de baja del instrumento puede estar flotante o conectado a tierra. No es necesario interrumpir el suministro de energía al utilizar una pinza de corriente para tomar medidas, por lo que se puede eliminar el tiempo de inactividad costoso. Las mediciones verdaderas de RMS dentro de la respuesta en frecuencia de la pinza son posibles mediante el uso de la mayoría de las pinzas de corriente Chauvin-Arnoux con un multímetro verdadero de RMS. En la mayoría de los casos, las mediciones de RMS no están limitadas por las pinzas, sino por el instrumento al que están conectadas. Los mejores resultados son proporcionados por las pinzas que ofrecen una alta precisión inherente, buena respuesta en frecuencia y un desplazamiento de fase mínimo. Varias pinzas Chauvin Arnoux® están patentadas por su circuito y diseño únicos.
Pinzas Amperimétricas de Corriente Alterna
• Teoría de operación:
Una pinza de corriente alterna o pinza amperimétrica de corriente alterna, puede ser vista como una variante de un transformador de corriente simple. Un transformador (figura 1) es esencialmente dos bobinas enrolladas en un núcleo de hierro común. Se aplica una corriente I1 a través de la bobina B1, induciendo a través del núcleo común una corriente I2 en la bobina B2. El número de vueltas de cada bobina y la corriente están relacionados por:
N1 x I1 = N2 x I2 , donde N1 y N2 son el número de vueltas en cada bobina. A partir de esta relación: I2 = N1 x I1/N2 o I1 = N2 x I2/N1.
Este mismo principio se aplica a una pinza de corriente (figura 2). El núcleo magnético articulado sostiene la bobina B2 y se sujeta alrededor de un conductor por donde fluye la corriente I1. B1 es simplemente el conductor donde el usuario está midiendo la corriente con el número de vueltas N1 igual a uno. El sensor de corriente sujeto alrededor del conductor proporciona una salida proporcional al número de vueltas en su bobina B2, de modo que:
I2 (salida de la pinza) = N1/N2 x I1 donde N1 = 1 o salida de la pinza = I1/N2 (número de vueltas en la bobina de la pinza).
A menudo es difícil medir I1 directamente debido a corrientes que son demasiado altas para ser alimentadas directamente a un medidor o simplemente porque no es posible interrumpir el circuito. Para proporcionar un nivel de salida manejable, se realiza un número conocido de vueltas en la bobina de la pinza.
El número de vueltas en el devanado de la pinza suele ser un número entero (por ejemplo, 100, 500 o 1,000). Si N2 es igual a 1000, entonces la pinza tiene una relación de N1/N2 o 1/1000, que se expresa como 1000:1. Otra forma de expresar esta relación es decir que la salida de la pinza es 1 mA/A - la salida de la pinza es 1 mA (I2) por 1 A (o 1 A @ 1,000 A) que fluye en la ventana de la mandíbula. Hay numerosas otras relaciones posibles: 500:5, 2000:2, 3000:1, 3000:5, etc. para diferentes aplicaciones.
La aplicación más común es el uso de una pinza de corriente con un multímetro digital. Tomemos como ejemplo una pinza de corriente con una relación de 1000:1 (modelo C100) con una salida de 1 mA/A. Esta relación significa que cualquier corriente que fluya a través de las mandíbulas de la sonda dará como resultado una corriente que fluye en la salida:
| Entrada del conductor |
Salida de la pinza amperimétrica |
| 1000A |
1A |
| 750A |
750mA |
| 250A |
250mA |
| 10A |
10mA |
La salida de la pinza está conectada a un multímetro digital ajustado en el rango de corriente alterna para manejar la salida de la pinza. Luego, para determinar la corriente en el conductor, multiplique la lectura del multímetro por la relación (por ejemplo, 150 mA leídos en el rango de 200 mA del multímetro representan 150 mA x 1000 = 150 A en el conductor medido).
Las pinzas de corriente pueden ser utilizadas con otros instrumentos con rangos de corriente, siempre y cuando estos instrumentos tengan la impedancia de entrada requerida. (ver figura 3).
Las pinzas de corriente también pueden tener salidas de voltaje de corriente alterna o continua para adaptarse a mediciones de corriente con instrumentos (registradores, osciloscopios, etc.) con rangos de voltaje únicamente. (Ver figuras 4 y 5).
Esto se hace simplemente condicionando la salida de la pinza de corriente dentro de la pinza para proporcionar voltaje. En estos casos, la salida de mV de la sonda es proporcional a la corriente medida.
• Principio de funcionamiento
Los sensores AmpFlex® y MiniFlex® operan según el principio de la bobina de Rogowski. El circuito primario está constituido por el conductor que lleva la corriente alterna a medir, mientras que el circuito secundario está formado por una bobina especial enrollada sobre un soporte flexible. Esta bobina genera un voltaje en sus terminales que es proporcional a la derivada de la corriente primaria que se está midiendo.
u = μ0.n/(2πr) S di/dt
donde μ0 = permeabilidade en el vacío, S = área de superfície de una curva, n = número de vueltas, r = radio del núcleo.
Este voltaje de corriente alterna u se transmite luego a través de un cable blindado hacia la carcasa que contiene toda la electrónica de procesamiento y la fuente de alimentación de la batería. Debido a que estos sensores no tienen circuitos magnéticos, son muy ligeros y flexibles. Sin circuitos magnéticos, no hay efecto de saturación ni sobrecalentamiento. Esta característica garantiza una excelente linealidad y un bajo desplazamiento de fase.
SONDAS DE CORRIENTE TIPO PINZA AC/DC
• Teoría de funcionamiento (efecto Hall)
A diferencia de los transformadores de corriente AC tradicionales, la medición de corriente AC/DC frecuentemente se logra mediante la medición de la intensidad de un campo magnético generado por un conductor portador de corriente utilizando el principio del efecto Hall en un chip semiconductor. Cuando se coloca un material semiconductor delgado (como se muestra en la figura 6) perpendicular a un campo magnético (B), y se aplica una corriente eléctrica (Id) a través de él, se genera un voltaje (Vh) a través del semiconductor. Este voltaje se denomina voltaje de Hall, en honor al científico estadounidense Edwin Hall, quien observó por primera vez este fenómeno.
Cuando la corriente de accionamiento del dispositivo Hall (Id) se mantiene constante, el campo magnético (B) es directamente proporcional a la corriente en un conductor. Por lo tanto, el voltaje de salida de Hall (Vh) es representativo de esa corriente.
Tal disposición tiene dos beneficios importantes para la medición de corriente universal. En primer lugar, dado que el voltaje de Hall no depende de un campo magnético reversible, sino solo de su intensidad, el dispositivo se puede utilizar para la medición de corriente continua (DC). En segundo lugar, cuando la intensidad del campo magnético varía debido al flujo de corriente variable en el conductor, la respuesta al cambio es instantánea.
Así, se pueden detectar y medir formas de onda de corriente alterna (AC) complejas con alta precisión y baja desviación de fase. La construcción básica de un conjunto de mordazas de abrazadera se muestra en la figura 7 (nota: se utilizan uno o dos generadores Hall dependiendo del tipo de abrazadera de corriente).
Por ejemplo, las pinzas amperimétricas AC/DC de Chauvin Arnoux han sido desarrolladas utilizando el principio mencionado anteriormente, junto con circuitos electrónicos patentados que incorporan acondicionamiento de señal para una salida lineal y una compensación de temperatura. Estas pinzas cuentan con un amplio rango dinámico y frecuencia de respuesta, ofreciendo una salida lineal de alta precisión para su aplicación en todas las áreas de medición de corriente, hasta 1.500 A. Además, pueden medir corrientes continuas sin la necesidad de derivaciones costosas y consumidoras de energía, así como corrientes alternas de varios kHz con precisión para satisfacer los requisitos de señales complejas y mediciones RMS.
Las salidas de las pinzas están en mV (mV CC cuando se mide corriente continua y mV CA al medir corriente alterna) y pueden conectarse a la mayoría de los instrumentos con entrada de voltaje, como multímetros digitales, registradores, osciloscopios, osciloscopios portátiles, grabadores, entre otros. Además, Chauvin Arnoux ofrece diversas tecnologías para mediciones de corriente continua, como en el K1 y K2, diseñados para medir corrientes continuas muy bajas utilizando tecnología de circuito magnético saturado.
Las pinzas AC/DC también ofrecen la oportunidad de mostrar o medir valores eficaces verdaderos en corriente alterna o corriente alterna más continua.
Medición de corriente alterna (AC) o continua (DC):
- Conecta la pinza al instrumento.
- Selecciona la función y el rango.
- Coloca la pinza alrededor de un solo conductor.
- Lee el valor de corriente del conductor.
Ejemplos (Figura 8): AC:
Relación: 1000:1
Salida: 1 mA AC/A AC
DMM ajustado al rango de 200 mA AC
Lectura del DMM: 125 mA AC
Corriente en el conductor: 125 mA x 1000 = 125 A AC
- DC: Modelo de pinza: PAC 21
1 mV DC/A DC (sensor Hall)
DMM ajustado al rango de 200 mV DC
Lectura del DMM: 160 mV DC
Corriente en el conductor: 160 A DC
- AC: Modelo de pinza: PAC 11
Salida: 1 mV AC/A AC (sensor Hall)
DMM ajustado al rango de 200 mV AC
Lectura del DMM: 120 mV AC
Corriente en el conductor: 120 A AC
Salida: 1 mV/mA
DMM ajustado al rango de 200 mV DC
Lectura del DMM: 7.4 mV DC
Corriente en el conductor: 7.4 mA
Mediciones de Corrientes Bajas, Bucles de Proceso y Corrientes de Fuga
Se ofrecen numerosas pinzas para mediciones de corriente baja. Por ejemplo, los modelos K1 y K2 tienen una sensibilidad de 50 mA en corriente continua (DC), y el modelo K2 puede ser utilizado en bucles de proceso de 4-20 mA.
Ejemplo: bucle de 4-20 mA
Modelo de pinza: K2
Salida: 10 µV/mA
DMM ajustado al rango de 200 mV DC
Lectura del DMM: 135 mV DC
Corriente en el bucle: 13.5 mA DC
Cuando la corriente a medir es demasiado baja para la pinza o se requiere una mayor precisión, es posible insertar el conductor varias veces a través de las mandíbulas de la sonda. El valor de la corriente es entonces el cociente entre la lectura y el número de vueltas.
Ejemplo: Figura 9
Modelo de pinza: C100
Relación: 1000:1
DMM ajustado al rango de 200 mA AC
Vueltas en la mandíbula de la pinza: 10
Lectura del DMM: 60 mA AC
Corriente en el conductor: 60 mA x 1,000 / 10 = 6,000 mA = 6 A
Cuando la pinza se coloca alrededor de dos conductores con polaridades diferentes, la lectura resultante será la diferencia entre las dos corrientes. Si las corrientes son iguales, la lectura será cero (figura 10). Cuando se obtiene una lectura diferente de cero, esta indica la cantidad de corriente de fuga en la carga.
Para medir corrientes bajas o fugas, se necesita una pinza que pueda medir con precisión valores bajos, como los modelos B102 o C173. Sin embargo, las corrientes de fuga a tierra también se pueden medir directamente con un modelo básico (Figura 11).
Ejemplo: Figura 11
MINI 05
Relación: 1 mV AC/mA AC
DMM ajustado al rango de 200 mA AC
Lectura del DMM: 10 mV AC
Corriente de fuga: 10 mA AC
¿Cómo elegir la pinza amperimétrica?
Para seleccionar la sonda de corriente adecuada para tus aplicaciones, considera las siguientes preguntas:
- Determina si estás midiendo corriente alterna (AC) o corriente continua (DC) (las sondas de corriente continua suelen estar categorizadas como AC/DC porque pueden medir ambos tipos).
- ¿Cuál es la corriente máxima y mínima que vas a medir? Verifica que la precisión en niveles bajos sea adecuada, o elige una sonda de medición de corriente baja. Ten en cuenta que muchas sondas ofrecen una mejor precisión en niveles de corriente más altos. Algunas sondas están diseñadas específicamente para corrientes continuas o alternas muy bajas.
- Considera el tamaño del conductor al que vas a sujetar la sonda. Esto determinará el tamaño de las mordazas de la sonda que necesitas.
- Decide qué tipo de salida de sonda necesitas o con qué puedes trabajar (por ejemplo, mA, mV, AC, DC, etc.). Verifica la impedancia máxima del receptor para asegurarte de que la sonda funcione según tus especificaciones.
Otros aspectos a tener en cuenta pueden incluir:
- ¿Cuál es la tensión de trabajo del conductor que se va a medir? Es importante asegurarse de que las pinzas de corriente utilizadas sean capaces de soportar el voltaje que se va a medir.
- ¿Qué tipo de terminación se requiere: conectores, cables tipo banana o BNC?
- ¿La sonda se utilizará para medir armónicos o para la medición de potencia?
- Verifique las especificaciones de frecuencia y las especificaciones de cambio de fase.
- Cuando se utilicen pinzas de corriente para medir la frecuencia o señales de alta frecuencia, es importante considerar el ancho de banda de la pinza amperimétrica.
