Medições de corrente simplificadas: uma sonda de corrente para RF

Dec 31, 2023

Em muitos casos, as medições de corrente sem um componente DC são úteis. O mais comum é o caso dos TCs (transformadores de corrente) para rede elétrica CA. Este artigo é sobre o projeto de transformadores de corrente para médias e altas frequências, que são realmente simples de construir. As fórmulas apresentadas são válidas também para unidades de alimentação CA.

A sonda emFigura1 foi projetado para medir até 50 A de pico em uma faixa de frequência de 7 kHz a dezenas de MHz. O esquema emFigura2é bem simples: o fio cuja corrente deve ser medida passa pelo toróide, que é um núcleo Amidon FT 82-43 comum que funciona bem até pelo menos 50 MHz.

O enrolamento secundário consiste em dez voltas de fio distribuídas uniformemente sobre o núcleo. Se disponível, use um fio trançado de bitola média, mas isso não é obrigatório. Devido à relação de 1:10 espiras, a corrente máxima no secundário é de 5 Ap. O lado secundário é carregado com 0,2 Ω, o que foi realizado por uma conexão paralela de cinco resistores de 1 Ω. Em uma corrente de pico de 5 Ap, a tensão de pico nesses resistores é de 1 Vp, o que é muito conveniente para medições com um osciloscópio. Para uma corrente senoidal, a dissipação de potência média nos resistores é R·I2 = R·Ip2 / 2 = 2,5 W ou 0,5 W por resistor. Uma corrente senoidal contínua de 50 Ap pode ser medida apenas com resistores de 0,5 W ou maiores. Mas, se as formas de onda forem pulsadas ou medições muito curtas forem feitas, resistores de ¼ W servirão. Essa foi minha escolha porque queria manter o design compacto para melhor desempenho de RF. OK, também tenho que admitir que esses eram os resistores que eu tinha em mãos.

Figura3 mostra o uso típico com uma sonda de osciloscópio, usando um adaptador BNC para osciloscópios. O aparelho também pode ser utilizado com conexão de cabo coaxial direto na entrada do osciloscópio, pois 1 Vp é ideal para operação do osciloscópio 1×: Neste caso, recomenda-se o uso de cabo curto para evitar reflexos na banda de interesse, pois o coaxial será incompatível em ambos os lados. Melhor ainda, o cabo coaxial pode ser terminado em sua impedância característica no lado do osciloscópio: Muitos osciloscópios modernos oferecem a capacidade de definir a impedância de entrada para 50 Ω, portanto, isso é particularmente fácil. Neste caso específico, é preciso lembrar que a medição será um pouco fora de escala, devido ao paralelo da carga de 50 Ω com a carga de 0,2 Ω incorporada na sonda (a resistência total passa a ser 0,1992 Ω, dando um fator de escala de 50,2 A /V).

O que deve ser evitado é conectar a sonda do osciloscópio diretamente aos resistores usando os clipes e pular o conector BNC, porque ao medir altas correntes de RF, mesmo o loop mínimo não blindado nas sondas adicionará artefatos às medições.

O projeto do transformador de corrente não é complicado, mas algumas fórmulas eletromagnéticas são necessárias. Primeiramente, sobre o resistor de carga RL, que deve ser o menor possível na prática para minimizar a perda de potência introduzida, pois o circuito sob medição "enxergará" pelo menos R·n2, onde 1:n é a relação de espiras (1 :10) e R é a soma de RL (0,2 Ω) e da resistência do fio secundário (alguns mΩ). Como já dito, é muito importante que o lado do secundário esteja enrolado uniformemente, caso contrário o circuito em teste apresentará alguma indutância parasita em série. No outro extremo, se escolhermos um valor muito baixo para RL, também teremos uma tensão muito pequena para medir, causando ruído nos traços. Por fim, RL deve ser maior que a resistência do fio secundário. No meu caso, escolhi 0,2 Ω para poder obter 1 V a 5 A (50 A no primário), o que adiciona 2 mΩ ao circuito em teste. O número de voltas secundárias, n, determina a relação de corrente. No caso de um TC de alta frequência, esse número deve ser mantido baixo para evitar a auto-ressonância causada pela capacitância parasita junto com alta indutância. No caso de TCs de rede, a frequência é bastante baixa (50 ou 60 Hz) e, portanto, n = 1000 é um valor comum. Potências de 10 são comuns, de modo que a taxa de conversão atual é simples, mas outros valores são possíveis. A frequência utilizável mais alta para um TC de ferrite toroidal depende de: