
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
- 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).
- 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.
- Isolierungsoptimierung
- Schaltkapazitätsisolator (z.B. ADI isoPower®)
- Ersätzt die traditionelle magnetische Isolierungsstruktur des CTs.
- Unterstützt >5kV Gleichstromisolationsspannung.
- 40% geringerer Energieverbrauch, Kosten nur 60% von Optokopplerlösungen.
- 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)
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Position
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Traditionelle CT-Lösung
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Diese Shunt-Lösung
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Reduktion/Erhöhung
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100A-Sensor BOM-Kosten
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$8.2
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$1.7
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**79%↓**
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Tagesproduktionskapazität
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5.000 Stück
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22.000 Stück
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**340%↑**
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Kalibrierzeit/Stück
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45 Sekunden
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8 Sekunden
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**82%↓**
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Prämie für Hochstromspezifikationen
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300%
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20%
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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
- Interne Messung intelligenter Zähler
- Eignet sich für Energiemessungen unter Klasse 1.
- Busleiter-Stromabtastung (zusammen mit Σ-Δ ADC).
- Antriebssteuerungssysteme für Motoren
- Dreiphaseninverters Phasenstromerkennung.
- Kostenempfindliche BLDC-Controller.
- Überstromschutzgeräte
- Auslösestromerkennung von Schaltapparaten.
- Reaktionsgeschwindigkeit verbessert um das 50-fache.
- Solarinverter
- String-Stromüberwachung (Gleichstromseite).
- Beseitigt das Problem der Restflussfehler bei traditionellen CTs.
VI. Umsetzungsschwerpunkte
- Thermisches Design
- Kupferfüllung zur Wärmeableitung (Leiterplatte dient als Kühlkörper).
- Zu beachtende Regel: ≥4mm² Kupferfüllung pro 1A Strom.
- EMC-Optimierung
- Längenübereinstimmung differenzierter Leiterbahnen ≤10mm.
- π-Filter am Eingang des Instrumentenverstärkers.
- 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).