Trasformatore di corrente (TA)

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1 Sensori di corrente Il modo più semplice di eseguire la misura di corrente è il metodo volt-amperometrico, in cui si misura la caduta di tensione su di una resistenza di misura percorsa dalla corrente incognita. Questo metodo molto semplice e poco preciso è utilizzato in pratica solo per realizzare protezioni dei dispositivi elettronici di potenza e sistemi di controllo della corrente. Risulta però inefficace per misurare correnti molto elevate, per l eccessiva dissipazione di potenza e per le variazioni di resistività indotte dall autoriscaldamento sulla resistenza di sensing.

2 Sensori di corrente Alcuni dispositivi elettronici di potenza possiedono un pin supplementare per misurare la corrente che attraversa il dispositivo con il metodo volt-amperometrico secondo il metodo dello specchio di corrente. Internamente il pin supplementare è connesso ad alcune centinaia delle migliaia o decine di migliaia di celle elementari in parallelo che compongono il dispositivo. La corrente misurabile ai capi del pin di sensing è proporzionale alla corrente che attraversa il dispositivo, ma molto più piccola, in quanto il rapporto di proporzionalità è dato dal rapporto tra le celle elementari connesse al pin di sensing ed il totale delle celle elementari. Si risolve il problema dell autoriscaldamento perché la corrente che attraversa la resistenza di sensing è molto piccola. La misura ottenuta è però in genere poco precisa ed in pratica utilizzabile solo per realizzare protezioni a soglia per sovracorrente.

3 Trasformatore di corrente (TA) I TA sono trasformatori riduttori di corrente e si adoperano ogni qualvolta si deve misurare una corrente alternata superiore a qualche decina di Ampere. La corrente di secondario è proporzionale a quella di linea ma molto più piccola (I 2 =N 1 /N 2 I 1 ) e può quindi essere facilmente misurata. Il primario di un TA è connesso in serie alla rete, quindi è attraversato dalla corrente di linea. Per limitare la dissipazione di potenza i TA devono presentare al primario un impedenza idealmente nulla. Ciò è ottenuto con opportuni accorgimenti costruttivi e facendoli funzionare sempre col secondario in corto circuito, o più precisamente chiuso su un amperometro, che ha un impedenza interna praticamente nulla.

4 Sensori di corrente ad effetto Hall Per la misura di correnti elevate si utilizzano sensori isolati ad effetto Hall. Rispetto ai TA, che operano tra i 40 ed i 60 Hz, sono in grado di misurare correnti in uno spettro di frequenze molto più ampio, che va dalla continua fino a 150 khz. Per effetto Hall viene generata una tensione V, proporzionale al campo magnetico H, quando su un elemento metallico sensibile scorre una corrente I. Tale tensione ha direzione perpendicolare sia al verso di scorrimento della corrente che alla direzione del campo magnetico. I sensori di corrente ad effetto Hall possono essere di due tipi: A misura diretta, dove si effettua una misura della tensione prodotta per effetto Hall dalla corrente incognita. A compensazione di campo, in tal caso si induce in un circuito elettrico una corrente proporzionale a quella incognita ma di minore intensità, misurandola poi con un circuito a misura diretta.

5 Sensori di corrente ad effetto Hall Sensori di corrente a misura diretta del campo. Il circuito magnetico è costituito da un nucleo toroidale aperto, di ferrite o di altro materiale ferromagnetico. Nell apertura è alloggiato il sensore ad effetto-hall sul quale il nucleo toroidale concentra il campo magnetico generato dalla corrente elettrica incognita I m. Attraverso il sensore viene fatta passare una piccola corrente I ref che, accoppiandosi i con il campo magnetico genera per effetto Hall una tensione V out proporzionale alla corrente I m.

6 Sensori di corrente ad effetto Hall Sensori a compensazione di campo. La struttura tt generale è simile il a quella del sensore a misura diretta, con la differenza che sul nucleo toroidale è posto un avvolgimento con n 2 spire pilotato dall uscita dell amplificatore (circuito secondario). All ingresso dell amplificatore è presente la tensione V generata per effetto Hall dalla interazione tra i campi magnetici generati dalla corrente da misurare I m e dalla corrente I 2 che circola nell avvolgimento posto sul nucleo toroidale.

7 Sensori di corrente ad effetto Hall L uscita dell amplificatore pilota un generatore di corrente che fa scorrere la corrente I 2 sull avvolgimento secondario. L avvolgimento è fatto in modo tale che la corrente I 2 generi un campo magnetico che si oppone a quello generato dalla corrente incognita I m. La tensione V è nulla se i due campi magnetici sono in equilibrio, vale a dire se: Il sensore si comporta quindi come un circuito di controllo a retroazione, che tende ad annullare la tensione V agendo sulla corrente I 2. In condizione di stabilità si ha (per n 1 =1): Il problema è riportato alla misura della corrente I 2 che è n 2 volte più piccola della corrente originaria, e quindi facilmente misurabile anche con il metodo volt-amperometrico. Questo secondo schema risulta leggermente più complesso del precedente per la presenza dell avvolgimento secondario. Tuttavia esso è preferibile e globalmente non risulta più costoso in quanto consente di utilizzare il sensore ad effetto di Hall nell intorno della regione di campo nullo nella quale la linearità ègarantita anche con dispositivi di classe relativamente economica.

8 Sensori di Prossimità e sensori Logici I sensori di prossimità o di presenza sono realizzati in modo da fornire informazioni di tipo logico, utilizzate per il controllo e la supervisione delle sequenze operative e delle condizioni di funzionamento del sistema produttivo. Il rivelatore di soglia è caratterizzato da una certa isteresi, per migliorare la stabilità dell uscita nell intorno del punto di commutazione. Caratteristiche ti qualitative ti di un sensore logico di prossimità ità sono: l ampiezza lampiezza della bandad isteresi d la massima frequenza di commutazione dell uscita l estensione del campo d azione Si distinguono sensori di posizione e prossimità con generatori di: campo magnetico (contatto Reed, effetto Hall) campo luminoso campo acustico (ultrasuoni)

9 Sensori di prossimità a Contatto Reed I sensori di prossimità a Contatto Reed sono costituiti da lamine di materiale ferromagnetico (Ferro- Nichel) a bassa riluttanza racchiuse da un bulbo di vetro contenente gas inerte. Il campo magnetico generato da un magnete permanente o da bobine percorse da corrente, in prossimità del bulbo, induce sulle lamine polarità magnetiche di segno opposto. La due lamine tendono ad avvicinarsi i i o allontanarsi, a seconda della metodologia costruttiva tti (Contatto Normalmente Aperto o Normalmente Chiuso), chiudendo o aprendo un circuito elettrico.

10 Sensori di prossimità a Contatto Reed La realizzazione in un bulbo di vetro garantisce ai contatti un buon livello di protezione da polveri e umidità. Tuttavia, poiché il funzionamento del sensore è basato sull elasticità delle lamine, il tempo di vita medio, è relativamente limitato (approssimativamente 10 8 operazioni). Occorre fare attenzione ai livelli di tensione o corrente del circuito nel quale il sensore a contatto Reed viene inserito, in quanto valori elevati possono provocare l incollamento dei contatti e, di conseguenza, una riduzione tempo di vita. Gli effetti di rimbalzo in seguito alla chiusura del contatto, limitano la frequenza massima di attivazione.

11 Sensori di posizione ad effetto Hall Un sensore di posizione ad effetto Hall è composto dall elemento sensibile e da un magnete. L intensità del campo magnetico si riduce (secondo una relazione non lineare) con l aumentare della distanza del magnete dal sensore Hall, così come la tensione generata. Se la tensione generata dal sensore ad effetto Hall è utilizzata per pilotare un rivelatore di soglia con isteresi, (Trigger di Schmitt), si ottiene un uscita alta se il magnete si avvicina oltre la distanza di azionamento, altrimenti bassa. I sensori ad effetto Hall si prestano ad una moltitudine di applicazioni, hanno un costo limitato, elevata frequenza di lavoro (oltre 25 khz) e elevata linearità ità nei confronti di variazioni i idit temperatura t e tensione di alimentazione.

12 Sensori analogici di prossimità ad effetto Hall Con un adeguata configurazione realizzativa è possibile ottenere sensori ad effetto Hall con caratteristica ti tensione/distanza t con buona approssimazione i lineare in un intorno dell origine. i Se il guadagno in tale regione lineare non è troppo elevato (poli magnetici maggiormente distanziati), si ottiene un sensore analogico di posizione, sebbene con campo di misura molto limitato.

13 Sensori di posizione rotativi ad effetto Hall Esistono realizzazioni nelle quali i magneti sono disposti su un elemento in rotazione, è possibile in tal caso ottenere Sensori di posizione ad effetto Hall rotativi ed inoltre: sensori di posizione incrementali (encoder magnetici) sensori analogici di velocità (misura frequenza segnale periodico). dispositivi per il controllo della commutazione delle fasi nei motori brushless a campo trapezoidale (sincroni, a magneti permanenti), nei quali occorre rilevare il passaggio del magnete di rotore per le posizioni di commutazione.

14 Sensori di prossimità induttivi Nei sensori di prossimità induttivi di tipo attivo, detti anche a correnti parassite, un circuito oscillatore alimenta un solenoide avvolto su un nucleo di ferrite aperto, in modo tale da realizzare un generatore di flusso magnetico con linee di flusso che influenzano il campo d azione nel quale si viene a trovare l oggetto da rilevare, chiamato azionatore. La presenza dell azionatore, un qualunque oggetto con proprietà conduttive (in genere metallico) in prossimità del solenoide, fa si che il campo magnetico induca delle correnti parassite sul corpo, a causa delle quali parte della potenza del campo magnetico viene dissipato.

15 Sensori di prossimità induttivi L oscillatore è in grado di compensare le perdite solo se l azionatore viene mantenuto ad una certa distanza dal sensore, mantenendo costante l ampiezza dell oscillazione. Se l azionatore si avvicina oltre tale distanza l oscillazione si smorza. Se l ampiezza dell oscillazione, rilevata a valle di un filtro passa-basso e di un raddrizzatore da un trigger con isteresi, diminuisce oltre la soglia impostata, il sensore porta l uscita logica al livello alto.

16 Sensori di prossimità induttivi Si può dimostrare che la perdita per effetto Joule e quindi lo smorzamento dell oscillazione, dipende dalla distanza dell azionatore ed inoltre in modo: linearmente proporzionale dallo spessore dell azionatore; quadraticamente proporzionale dalla superficie investita dal campo; quadraticamente proporzionale dalla frequenza del campo magnetico generato; inversamente proporzionale dalla resistività del materiale. (Si può ottenere maggiore sensibilità del sensore con materiali maggiormente resistivi es. ferro dolce).

17 Sensori di prossimità capacitivi Nei sensori di prossimità di tipo capacitivo l elemento connesso ad un oscillatore è un condensatore a facce piane e concentriche. Il dielettrico è costituito dall aria e dall oggetto azionatore. L azionatore può anche essere di materiale non metallico, liquido o solido. L oscillazione viene provocata dall avvicinamento dell oggetto. Infatti, in assenza di oggetti nelle vicinanze, l'oscillatore LC non funziona per assenza della capacità. Quando un'oggetto si avvicina nasce una capacità, il cui valore dipende dalla distanza dell oggetto (per variazione dello spessore del dielettrico (oggetti metallici) o variazione della costante dielettrica (oggetti non metallici)). L'oscillatore inizia a funzionare e genera una tensione alternata che viene filtrata e raddrizzata. Quando la tensione prodotta supera un determinato livello cambia lo stato del comparatore ad isteresi in uscita. Molto spesso questo principio viene sfruttato per la realizzazione di sensori di livello.

18 Sensori di prossimità ad ultrasuoni I sensori ad ultrasuoni sfruttano la capacità di molti materiali di riflettere il suono. La distanza d di un oggetto dal sensore viene determinata inviando un treno di impulsi acustici ad alta frequenza ed analizzando il tempo di ritardo T r nella ricezione degli impulsi riflessi dall oggetto. Ove Vc e è la velocità di propagazione delle onde acustiche e θ l angolo relativo tra il trasmettitore e il ricevitore.

19 Sensori di prossimità ad ultrasuoni L emissione di impulsi acustici si basa sull effetto piezoelettrico inverso: ad un elemento (detto risuonatore ) di materiale cristallino viene applicato un segnale elettrico alternato, alla frequenza di risonanza tipica dell elasticità meccanica del materiale. La ricezione degli impulsi, invece, si basa sull effetto piezoelettrico diretto, grazie al quale un cristallo dello stesso materiale del risuonatore, sottoposto a sollecitazioni meccaniche, provocate dell onda acustica, oscillatorie ed alla sua frequenza di risonanza, produce un segnale elettrico analogo a quello di alimentazione del trasmettitore.