Los transductores de corriente se digitalizan

¿Por qué se digitalizan los transductores de corriente?
Hace un par de años, el departamento de ventas y marketing de LEM observó los primeros indicios de un cambio tecnológico: algunos de los principales fabricantes OEM (Original Equipment Manufacturers) de servo accionamientos y robots se estaban planteando dejar de lado los interfaces analógicos en sus sistemas. Este cambio se vio impulsado por la evolución de los controladores, es decir, los “cerebros de las máquinas”. El funcionamiento interno de los controladores es totalmente digital y generalmente solo tienen convertidores A/D en sus interfaces. Esto ha dejado de ser así: los convertidores A/D están desapareciendo en los nuevos controladores y los clientes solicitan transductores de corriente con una salida digital que les facilite la conexión a sus nuevos microcontroladores. Otra ventaja del interface digital es que es menos sensible a las interferencias electromagnéticas.
La definición y el desarrollo de productos basados en una nueva tecnología constituyen un proceso largo y complejo: no se pueden cometer errores. Tras un exhaustivo estudio del mercado realizado en 2013 por los equipos de marketing y producto de LEM, el departamento de I+D empezó a desarrollar un ASIC de efecto Hall en lazo abierto. La conversión A/D se efectúa con un modulador sigma-delta integrado que proporciona a la salida una corriente de bits serie de 1 bit. Los primeros prototipos de los transductores se suministraron a “clientes alfa” a finales de 2015. La respuesta inicial fue positivo y LEM presentó estos futuros productos en el salón comercial PCIM 2016 de Núremberg, donde muchos usuarios se mostraron interesados en utilizar esta nueva tecnología.
Los productos
LEM propuso una gama de versiones con salida digital de los exitosos transductores de corriente de efecto Hall en lazo abierto HO y HLSR. Estos nuevos componentes se utilizan para medir corrientes nominales de 10, 32, 50, 80, 100, 120, 150, 200, 250 ARMS en 3 diseños mecánicos diferentes (para placa de circuito impreso y montaje en panel) y ofrecen una resolución de hasta 12 bit con un ancho de banda de 20 kHz. Una salida de un solo bit minimiza las conexiones necesarias por lo que los transductores son muy compactos y la salida digital permite que el usuario escoja el filtro utilizado en la corriente de bits para optimizar la resolución y el tiempo de respuesta dependiendo de la aplicación. Las salidas digitales también son intrínsecamente inmunes al ruido en entornos adversos.
El interface digital
La salida del transductor es una corriente de bits cuya densidad de unos depende de la corriente medida, como ilustra la figura 2. La figura 3 muestra la función de transferencia de forma detallada, donde se observa la densidad media de unos en una escala de 0 a 1. La misma salida se filtra y se representa como una palabra de 16 bit en una escala de 0 a 65.535 (decimal). Consulte la siguiente sección para conocer otras opciones de filtrado. La figura 3 también muestra la salida equivalente de un sensor analógico. Al igual que con el sensor analógico, las prestaciones del nuevo sensor se sitúan por encima del rango +/-IPM, correspondiente a una densidad media de unos de 0,1 a 0,9. El filtro digital se implementado por el usuario (ver figura 4). La ventaja que ofrece es que minimiza el número de conexiones al transductor; cada usuario puede decidir los filtros más adecuados para la aplicación y el formato de salida se puede seleccionar para cubrir los requisitos del sistema.
Prestaciones y opciones de filtros
Toda conversión de una señal analógica a digital exige una cuantificación, y el error entre la señal digital y el valor exacto de la señal analógica que represente equivale a la incorporación de ruido. La salida de un modulador sigma-delta es algo más que una simple corriente de bits con una determinada densidad de unos y ceros; la secuencia se genera de forma aleatoria para que aleje el ruido de cuantificación de la banda hasta frecuencias superiores a las de interés para medir la corriente. El usuario procesa la corriente de bits en un filtro digital que rechaza el ruido de alta frecuencia. Igual que ocurre con cualquier filtro, hay que buscar un compromiso para optimizar las prestaciones del sistema: un ancho de banda estrecho disminuye el ruido (o aumenta la resolución) a expensas del tiempo de respuesta, y viceversa. En el ejemplo de la figura 5, la corriente de bits se procesa dos veces: en un filtro de 20 kHz que ofrece una resolución de 12 bit para medidas precisas de la corriente del primario y en un filtro de banda ancha para detectar corrientes elevadas con un tiempo de respuesta de 5 μs.
Además, la salida de detección de sobrecorriente (over current detect, OCD) del transductor permite detectar cortocircuitos con un tiempo de respuesta de solo 2,7 µs. Los bits se procesan uno a uno en el filtro digital. Debido al factor de sobremuestreo (oversampling ratio, OSR) del modulador, la salida del filtro digital se puede procesar cada OSR bits sin pérdida de información dentro de la banda de interés. La latencia del filtro depende de su propia naturaleza: la salida experimenta un retardo de 2 x OSR x CLK durante sinc2 y se necesita 3 x OSR x CLK para obtener la salida exacta tras una respuesta de paso con el filtro sinc3 que es muy común. La velocidad de transmisión a la salida de los nuevos sensores de LEM es de 10 Mb/s. La combinación de OSR, elección de filtro y velocidad de transmisión determina el tiempo de respuesta, el ancho de banda y la resolución efectiva de cada ruta de señal conectada a la corriente de bits, tal como muestra la figura 6 para las prestaciones del HO 150-NPW. La resolución del sistema en su conjunto, incluyendo la parte analógica del transductor, el modulador sigma-delta y el filtro digital, se ve limitada por el ruido de cuantificación inherente al sistema o por el ruido analógico procedente de las células y los amplificadores de efecto Hall.
Para obtener unos rápidos tiempos de respuesta (por ejemplo, con un OSR de 16 y un filtro sinc2) la resolución es definida por el sistema y será la misma con cualquier transductor. Si el filtro se cambia a sinc3 y el OSR aumenta, la resolución efectiva se ve mejorada, pero se limitará a 11 – 13 bit (dependiendo de la sensibilidad del sensor) debido al ruido analógico. El término “resolución efectiva” se emplea porque en función del sistema el filtro puede suministrar una palabra con una longitud de 16 bit o 2 x 8 bit. No obstante, solo contienen información útil los bits más significativos correspondientes a la resolución efectiva; los bits menos significativos contienen ruido. Generalmente la salida del filtro digital se muestra a una frecuencia igual a la velocidad de transmisión dividida entre el OSR; esto se denomina decimación. Con los sensores de LEM, si el OSR es igual a 64 la salida se actualiza cada 6,4 µs.
Interfaces físicos
Para transmitir la corriente de bits, LEM ofrece la posibilidad de escoger entre dos interfaces físicos. En ambos casos la velocidad de transmisión es de 10 Mb/s.
CMOS de terminación sencilla
Con el primer interface se suministran la señal de reloj y los datos como niveles CMOS de terminación sencilla (Uc y GND). Está indicado para transmisión a corta distancia, de hasta algunas decenas de centímetros, a partir de la cual los problemas de compatibilidad electromagnética pueden ser considerables. La máxima carga capacitiva permitida es de 30 pF. Las figuras 7-8 muestran la asignación de las patillas del transductor y el cronograma.
Manchester RS422
El segundo interface está indicado para transmisión a mayores distancias. En este caso, la señal de reloj y los datos se combinan como una señal con codificación Manchester. Se suministran en la patilla 3 del transductor y su complemento en la patilla 4. La señal diferencial generada así es compatible con el estándar RS422. Al mantener físicamente cercanas las dos pistas de señal se pueden mantener en un nivel bajo los efectos de la compatibilidad electromagnética, tanto de transmisión como de recepción. Las figuras 9-10 muestran la asignación de patillas y los cronogramas.
Conclusión
Este salto tecnológico no es “solo una nueva familia de transductores” para LEM y para el mercado. Las previsiones para los transductores de salida digital son muy positivas: las reacciones de los clientes indican que una parte significativa del mercado adoptará interfaces digitales, empezando por los servo accionamientos de gama alta. Esperamos que otros segmentos del mercado sigan esta tendencia. ¡Nuestro sector se está digitalizando y LEM está a la cabeza!