Niskokosztowne rozwiązanie do pomiaru prądu: precyzyjny szunt zastępuje tradycyjne transformatory prądowe niskonapięciowe

​

​I. Tło rozwiązania​
W obliczu nagłego zapotrzebowania na tanie zmysły prądowe w aplikacjach kontroli przemysłowej, pomiaru energii i ochrony przed nadmiernym prądem, tradycyjne transformatory prądowe (CT) i czujniki Halla mają ból punktowy, takie jak wysokie koszty materiałów (szczególnie dla specyfikacji >30A) i skomplikowane procesy produkcji. To rozwiązanie wykorzystuje czteroterminalny rezystor manganinowy + zoptymalizowany łańcuch sygnałowy, aby osiągnąć ekstremalną kontrolę kosztów w scenariuszach masowych aplikacji.

​II. Kluczowy projekt rozwiązania​

1. ​Jednostka czujnikowa​
• Dokładny czteroterminalny rezystor manganinowy
• Zastępuje tradycyjną strukturę rdzenia i cewki CT.
• Kluczowe parametry: zakres oporu 50μΩ-5mΩ (dostosowany do nominalnego prądu), Współczynnik temperaturowy <50ppm/°C.
• Czteroterminalna struktura eliminuje błąd oporu kontaktowego (połączenie Kelvina).
2. ​Łańcuch przetwarzania sygnału​
• Niskodriftowy wzmacniacz instrumentacyjny (INA)
• Wykorzystuje urządzenia z dryftem napięcia przesunięcia <0.5μV/°C (np. AD8237, INA826).
• Błąd wzmocnienia <0.1%, CMRR >120dB ( tłumi interferencję wspólnego trybu).
• Zintegrowana filtracja EMI redukuje obwód zewnętrzny.
3. ​Optymalizacja izolacji​
• Izolator kondensatorowy przełączany (np. ADI isoPower®)
• Zastępuje tradycyjną strukturę magnetycznej izolacji CT.
• Obsługuje >5kV DC napięcie izolacji.
• 40% niższe zużycie energii, koszt tylko 60% rozwiązań z optokuplerami.
4. ​Projekt mechaniczny​
• Obudowa z tworzywa sztucznego wtryskowego
• Eliminuje warstwy ekranowania metalicznego i proces potowania.
• Utrzymuje stopień ochrony IP54 (odpychający pył i ochraniaczą przed rozbryzgami wody).
• Standardowe terminale złączowe do automatycznej montażu.

​III. Analiza korzyści kosztowych (w porównaniu z tradycyjnym rozwiązaniem)​​

​IV. Typowe parametry techniczne​

• ​Dokładność:​​ 1% FS (@25°C), 2% FS (@-40°C~+85°C)
• ​Szerokość pasma:​​ DC~50kHz (lepsza niż tradycyjna granica 10kHz CT)
• ​Nominalny prąd:​​ 15-300A (>300A zalecane użycie równoległych tablic shuntowych)
• ​Zużycie energii:​​ <15mW (bez wpływu samonagrzewania)
• ​Czas reakcji:​​ <1μs (znaczna przewaga w scenariuszach ochrony przed nadmiernym prądem)

​V. Dostosowanie do scenariuszy aplikacyjnych​

1. ​Wewnętrzne pomiary inteligentnych liczników​
• Odpowiednie do pomiaru energii poniżej klasy 1.
• Próbkowanie prądu szyny (parowane z ADC typu Σ-Δ).
2. ​Systemy sterowania napędami silników​
• Wykrywanie prądu fazy w trójfazowych inwerterach.
• Kontrolery BLDC wrażliwe na koszty.
3. ​Urządzenia ochrony przed nadmiernym prądem​
• Wykrywanie prądu trippingowego wyłącznika.
• Prędkość reakcji poprawiona 50-krotnie.
4. ​Inwertery słoneczne​
• Monitorowanie prądu ciągłego (strona DC).
• Eliminuje problem resztkowego przepływu w tradycyjnych CT.

​VI. Kluczowe punkty implementacji​

1. ​Projekt zarządzania termicznego​
• Rozpraszanie ciepła przez warstwę miedzi (PCB działa jako chłodzenie).
• Zasada: ≥4mm² warstwy miedzi na 1A prądu.
2. ​Optymalizacja EMC​
• Dopasowanie długości śladów różnicowych ≤10mm.
• Filtr π na froncie wzmacniaka instrumentacyjnego.
3. ​Kontrola produkcji masowej​
• Pełnie automatyczne kalibrowanie rezystora laserowego.
• Programowanie współczynnika kompensacji temperatury w firmware.
• Testowanie dynamicznego obciążenia (zamienia tradycyjny proces burn-in).

​Ograniczenia rozwiązania:​​

• Nie jest odpowiednie dla scenariuszy silnej izolacji >600V (wymagane rozwiązanie z wzmocnioną izolacją).
• Znaczne straty miedzi przy prądach >500A (zalecane rozwiązanie magnetyczne).