Conceitos Fundamentais

Os sensores de corrente desempenham um papel essencial em sistemas de medição, proteção e controle em diversas aplicações industriais e comerciais. Sua função principal é converter a corrente elétrica que circula por um condutor em um sinal elétrico proporcional, que pode ser analisado, registrado ou usado em circuitos de controle. Dentre as tecnologias mais utilizadas destacam-se os sensores de efeito Hall, os shunts resistivos e os transformadores de corrente (TCs). Cada tipo apresenta características específicas, como precisão, faixa de operação, isolamento e custo, que determinam sua aplicabilidade em cenários distintos.

Sensor Hall: Baseia-se no efeito Hall, fenômeno físico em que uma corrente elétrica fluindo em um condutor ou semicondutor, submetido a um campo magnético perpendicular, gera uma diferença de potencial transversal. Esse princípio permite medir indiretamente a corrente por meio da detecção do campo magnético associado ao fluxo de elétrons.

Sensor Shunt: Consiste em um resistor de precisão de baixo valor ôhmico interposto em série com a carga. A corrente que atravessa o shunt provoca uma queda de tensão proporcional, conforme a lei de Ohm, sendo esse sinal de tensão utilizado para inferir a corrente.

Transformador de Corrente (TC): Opera pelo princípio de indução mútua entre enrolamentos. O condutor onde se quer medir a corrente é o primário, enquanto um ou mais enrolamentos secundários levam um fluxo magnético cuja intensidade é proporcional à corrente no primário. A relação de espiras define o fator de transformação entre correntes.

Fundamentos Matemáticos/Técnicos

Princípio de Efeito Hall

O efeito Hall foi descoberto por Edwin Hall em 1879. Quando uma corrente I percorre um material com portadores de carga móveis e este é submetido a um campo magnético B perpendicular à direção da corrente, surge uma diferença de potencial transversal V_H. A expressão fundamental é:

\(V_H = \frac{I \cdot B}{q \, n \, t}\)

• I: corrente através do sensor;
• B: densidade de fluxo magnético incidente;
• q: carga elementar do portador (e, para elétrons, q = 1,602×10^–19 C);
• n: densidade de portadores por volume;
• t: espessura do material semicondutor.

Esse resultado mostra que o V_H é diretamente proporcional à corrente medida. No entanto, em sensores comerciais adotam-se circuitos de compensação para eliminar o desvio de offset e melhorar a linearidade do sinal.

Lei de Ohm e Shunt Resistivo

Para um resistor de valor baixo R_shunt percorrido por uma corrente I, a queda de tensão V_sh é dada por:

\(V_{sh} = I \times R_{shunt}\)

Deve-se escolher R_shunt suficientemente baixo para não impactar a aplicação, mas alto o bastante para gerar um sinal mensurável. Por exemplo, para uma faixa de até 100 A e um shunt de 0,001 Ω, obtém-se uma queda de até 0,1 V. A dissipação de potência no resistor é:

\(P = I^2 \times R_{shunt}\)

Logo, é crucial considerar a tolerância, a estabilidade térmica e o coeficiente de temperatura do material resistivo, sob pena de variações que comprometam a precisão.

Transformador de Corrente e Equações de Indução

Para o transformador ideal, o fluxo magnético no núcleo é o mesmo para primário e secundário. A força magnetomotriz (FMM) no primário e no secundário satisfaz:

\(N_p I_p = N_s I_s\)

Assim, a corrente no secundário é:

\(I_s = \frac{N_p}{N_s}\,I_p\)

O fator de transformação é N_p/N_s. A tensão induzida em cada enrolamento, considerando a indutância mútua, é:

\(V = N \frac{d \Phi}{dt}\)

Em regime estacionário (50/60 Hz), assume-se fluxo senoidal e negligencia-se resistência ôhmica dos enrolamentos. Por fim, a banda passante é condicionada pelas reatâncias do núcleo e dos enrolamentos parasitas, definindo limites em alta frequência.

Implementação Prática

Projeto de Sensor Hall

Na prática, o sensor de efeito Hall é composto por um chip semicondutor acoplado a um núcleo ferromagnético para concentrar o campo magnético gerado pela corrente do condutor. Elementos de polarização (bias) são usados para linearizar a resposta. Capacitores de desacoplamento e circuitos de amplificação condicionam o V_H a níveis adequados para leitura por ADCs ou circuitos de controle.

Um detalhe importante é o isolamento galvânico. Como o sensor Hall não faz conexão elétrica direta com o condutor, ele oferece segurança em aplicações de alta tensão. Entretanto, é preciso atentar para a blindagem magnética e o acoplamento de ruídos eletromagnéticos, o que requer projeto cuidadoso de PCB e encapsulamento.

Projeto de Shunt Resistivo

A instalação de um shunt envolve a montagem em série com a carga, preferencialmente em um chassi comum. A escolha do material costuma recair sobre ligas manganina ou Constantan, devido à baixa variação de resistência com a temperatura. O resistor é montado em dissipadores ou encapsulado para gestão térmica.

Para a medição da pequena tensão gerada (milivolts), usa-se um amplificador de instrumentação de alto CMRR (rejeição de modo comum). O ganho do amplificador é:

\(G = \frac{V_{out}}{V_{sh}}\)

Com filtros passa-baixa e proteção contra transientes. A calibração pode ser feita por comparação com referências de corrente de precisão, assegurando a linearidade e a exatidão.

Projeto de Transformador de Corrente

No TC, o enrolamento primário costuma ser o próprio condutor da linha, ou um barramento rígido. O núcleo é construído em ferrite ou aço silício, definindo limites de frequência e saturação. O enrolamento secundário possui várias espiras calculadas para obter a corrente secundária desejada (geralmente 5 A ou 1 A em relação a 50 A no primário).

Para medições em CC ou baixa frequência, usam-se TCs de núcleo com bobina de compensação ou sensores de núcleo fechado com circuito de excitação (flux gate). Já em alta frequência, TCs de ferrite apresentam banda larga, mas requerem cuidados com perdas no núcleo e acomodação térmica.

Considerações Gerais

Ao selecionar um sensor de corrente, devem-se ponderar aspectos como:

• Faixa de corrente: É preciso cobrir o mínimo e máximo esperados, incluindo transientes.
• Precisão e linearidade: Definem a qualidade da medição, influenciadas por temperatura e histerese.
• Resposta em frequência: Essencial para aplicações com formas de onda rápidas ou harmônicos elevados.
• Isolamento: Fundamental em sistemas de alta tensão para garantir a segurança termelétrica e do operador.
• Custo e complexidade: Impactam no projeto do sistema e no orçamento geral.

Em geral, sensores de Hall oferecem isolação intrínseca e faixa média de corrente; shunts resistivos proporcionam alta precisão a baixo custo, mas requerem isolamento externo; TCs são ideais para aplicações de potência AC e altas correntes, porém não medem correntes CC sem técnicas especiais.

Conceitos Avançados

Compensação de Offset e Deriva Térmica

Em sensores de Hall e shunts, o offset pode variar com temperatura. Técnicas de calibração incluem uso de resistores de temperatura negativa (thermistors) em pontes de Wheatstone, medição em condições de corrente zero e algoritmos digitais de correção em microcontroladores.

Medição de Correntes de Alta Frequência

Para capturar componentes de alta frequência (>100 kHz) em inversores ou conversores, TCs de ferrite ou Rogowski/PTs (sensores de Rogowski) são preferidos. No Rogowski, um enrolamento aberto ao redor do condutor mede a derivada da corrente:

\(V_{out} = M \frac{dI}{dt}\)

Em seguida, um integrador eletrônico reconstrói a forma de onda de corrente.

Integração com Sistemas Digitais

Sensores modernos incorporam conversores ADC e interfaces digitais (SPI, I2C), entregando valores calibrados diretamente ao controlador. Isso reduz ruídos de linha e simplifies a integração em redes de comunicação industrial (Modbus, CAN).

Tendências

Dispositivos de estado sólido e wide-bandgap: O uso de sensores em aplicações com SiC e GaN exige alta banda passante e isolamento robusto, beneficiando-se de soluções de Hall de nova geração e TCs de núcleo avançado.

Internet das Coisas (IoT): A disseminação de medidores inteligentes eleva a demanda por sensores compactos, de baixo consumo e com comunicação sem fio, capazes de fornecer dados em tempo real para plataformas de análise preditiva.

Inteligência Artificial e Machine Learning: Algoritmos inteligentes aplicados aos dados de corrente permitem detectar falhas, otimizar eficiência energética e prever manutenção, exigindo sensores de alta fidelidade e amostragem rápida.

Em síntese, a escolha e o projeto de sensores de corrente devem considerar rigorosamente os requisitos de aplicação, equilibrando desempenho, custo e confiabilidade. As inovações tecnológicas seguem evoluindo para atender às necessidades cada vez mais exigentes de precisão, isolamento e conectividade em sistemas de energia e automação.