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Niedrigkosten-Strommesslösung: Präzisionsschunt ersetzt traditionelle Niederspannungs-Stromwandler

I. Lösungshintergrund
Angesichts des dringenden Bedarfs an kostengünstiger Strommessung in Anwendungen der industriellen Steuerung, Energiemessung und Überstromschutz, bieten herkömmliche elektromagnetische Stromtransformatoren (CTs) und Hall-Sensoren Schmerzpunkte wie hohe Materialkosten (insbesondere für >30A-Spezifikationen) und komplexe Fertigungsprozesse. Diese Lösung verwendet einen vierpoligen Manganin-Widerstand + eine optimierte Signalverarbeitungskette, um extreme Kosteneinsparungen in Massenanwendungen zu erreichen.

II. Kernlösungsentwurf

  1. Messblock
    • Präziser vierpoliger Manganin-Widerstand
      • Ersätzt die traditionelle CT-Kern- und Spulenaufbaustruktur.
      • Kernparameter: 50μΩ-5mΩ Widerstandsreichweite (nach Stromstärke angepasst), Temperaturkoeffizient <50ppm/°C.
      • Vierpolige Struktur eliminiert Kontaktwiderstandsfehler (Kelvin-Verbindung).
  2. Signalverarbeitungskette
    • Niedrigdrift-Instrumentenverstärker (INA)
      • Verwendet Geräte mit <0.5μV/°C Offsetspannungsdrift (z.B. AD8237, INA826).
      • Verstärkungsfehler <0.1%, CMRR >120dB (unterdrückt Gemeinschaftsmodusstörungen).
      • Integrierte EMI-Filterung reduziert die Peripherie-Schaltkreise.
  3. Isolierungsoptimierung
    • Schaltkapazitätsisolator (z.B. ADI isoPower®)
      • Ersätzt die traditionelle magnetische Isolierungsstruktur des CTs.
      • Unterstützt >5kV Gleichstromisolationsspannung.
      • 40% geringerer Energieverbrauch, Kosten nur 60% von Optokopplerlösungen.
  4. Mechanischer Entwurf
    • Injektionsgegossenes Kunststoffgehäuse
      • Beseitigt metallische Abschirmungsebenen und Verpotungsprozess.
      • Hält IP54-Schutzklasse (staubdicht und spritzwassergeschützt).
      • Standardisierte steckbare Anschlüsse für automatisierte Montage.

III. Kostenvorteil-Analyse (im Vergleich zur traditionellen Lösung)

Position

Traditionelle CT-Lösung

Diese Shunt-Lösung

Reduktion/Erhöhung

100A-Sensor BOM-Kosten

$8.2

$1.7

​**79%↓**​

Tagesproduktionskapazität

5.000 Stück

22.000 Stück

​**340%↑**​

Kalibrierzeit/Stück

45 Sekunden

8 Sekunden

​**82%↓**​

Prämie für Hochstromspezifikationen

300%

20%

-

IV. Typische technische Spezifikationen

  • Genauigkeit:​ 1% FS (@25°C), 2% FS (@-40°C~+85°C)
  • Bandbreite:​ DC~50kHz (besser als die traditionelle CT-Grenze von 10kHz)
  • Nennstrom:​ 15-300A (>300A wird empfohlen, parallele Shunt-Arrays zu verwenden)
  • Energieverbrauch:​ <15mW (keine Selbstwärmungsauswirkungen)
  • Reaktionszeit:​ <1μs (bedeutender Vorteil in Szenarien des Überstromschutzes)

V. Anpassung an Anwendungsszenarien

  1. Interne Messung intelligenter Zähler
    • Eignet sich für Energiemessungen unter Klasse 1.
    • Busleiter-Stromabtastung (zusammen mit Σ-Δ ADC).
  2. Antriebssteuerungssysteme für Motoren
    • Dreiphaseninverters Phasenstromerkennung.
    • Kostenempfindliche BLDC-Controller.
  3. Überstromschutzgeräte
    • Auslösestromerkennung von Schaltapparaten.
    • Reaktionsgeschwindigkeit verbessert um das 50-fache.
  4. Solarinverter
    • String-Stromüberwachung (Gleichstromseite).
    • Beseitigt das Problem der Restflussfehler bei traditionellen CTs.

VI. Umsetzungsschwerpunkte

  1. Thermisches Design
    • Kupferfüllung zur Wärmeableitung (Leiterplatte dient als Kühlkörper).
    • Zu beachtende Regel: ≥4mm² Kupferfüllung pro 1A Strom.
  2. EMC-Optimierung
    • Längenübereinstimmung differenzierter Leiterbahnen ≤10mm.
    • π-Filter am Eingang des Instrumentenverstärkers.
  3. Serienfertigungssteuerung
    • Vollautomatische Laserschneidkalibrierung.
    • Firmware-Programmierung des Temperaturkompensationkoeffizienten.
    • Dynamisches Lasttest (ersetzt den traditionellen Einlaufprozess).

Einschränkungen der Lösung:

  • Nicht geeignet für >600V starke Isolierungsszenarien (erfordert verstärkte Isolierungslösung).
  • Signifikante Kupferverluste bei Strömen >500A (magnetische Lösung wird empfohlen).
07/21/2025
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