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Wie wird eine Strommessung mit Shunt durchgeführt?

Erstellt von Bert Weiss, Technischer Support Widerstände, Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH |

Die Strommessung mit einem Shunt ist eine einfachere und günstigere Alternative zur Strommessung mit Sensoren. Allerdings gehört sie zur Präzisionsmesstechnik und es gilt, ein paar Dinge zu beachten, um Messergebnisse mit der erforderlichen Genauigkeit zu erhalten.

Wie funktioniert ein Shunt?

Ein Shunt ist ein niederohmiger Widerstand, mit dem sich die Stromstärke messen lässt - deshalb wird er auch als Strommess-Widerstand bezeichnet. Der Shunt kommt immer dann zum Einsatz, wenn der zu messende Strom über den Bereich des Messgeräts hinausgeht. Dabei wird der Shunt parallel zum Messgerät geschaltet. Der gesamte Strom fließt durch den Shunt und erzeugt einen Spannungsabfall, der gemessen wird. Daraus lässt sich mit dem Ohmschen Gesetz durch den bekannten Widerstand die Stromstärke berechnen (I = V/R). Um die Verlustleistung - und damit auch die Wärmeentwicklung - möglichst gering zu halten, müssen Shunts einen sehr kleinen Widerstand im Milliohm-Bereich haben.

Prinzipiell eignen sich Shunts für alle Arten von Strommessungen - und zwar bei Gleichstrom und Wechselstrom.

Vorteile der Strommessung mit Shunt:

  • Fehlzustände lassen sich schnell detektieren und beheben. Das macht sie besonders für sicherheitsrelevante Applikationen interessant, bei denen Fehlzustände zu erkennen sind.
  • Sie liefert präzise Messergebnisse und erlaubt dadurch z. B eine effiziente Steuerung von Antrieben oder die Überwachung von Batteriemanagementsystemen.
  • Shunts bieten ein optimales Preis/Leistungs-Verhältnis.

Welche Shunts gibt es und welche eignen sich für die Strommessung?

Shunts sind in Metallschicht-Technik sowie aus Vollmetall verfügbar.

Vor- und Nachteile der Metallschicht-Widerstände:

Pro: Sie sind merklich günstiger

Kontra: Sie haben einen schlechteren Temperaturkoeffizient als Shunts aus Vollmetall

Kontra: Bauart-bedingt wird die Strommessung leicht verfälscht, deshalb kommen sie nur dann in Frage, wenn die Induktion keine Rolle spielt. Bei den Metallschicht-Widerständen (Shunts) wird eine Paste auf ein Keramiksubstrat aufgetragen und durch Lasertrimmung auf den gewünschten Wert gebracht. So entsteht eine inhomogene Struktur, die zu den bestehenden parasitären Induktivitäten eine Serien-Induktivität verursacht. Dies setzt das Ohmsche Gesetz in seiner reinen Form außer Kraft und verfälscht das Ergebnis der Strommessung. Die Formel für den Spannungsabfall am Shunt lautet hier: U = I x R - L(di/dt).

Vor- und Nachteile der Shunts aus Vollmetall:

Kontra: Sie sind teurer als die Shunts in Metallschicht-Technik

Pro: Sie liefern ein konstantes und unverfälschtes Messergebnis. Da Shunts aus Vollmetall aus einem homogenen Widerstandselement bestehen, entsteht keine zusätzliche Induktivität. Damit sind sie ideal für hochpräzise Applikationen, z. B in der Medizintechnik oder bei Präzisionsmessgeräten.

Pro: Sie haben eine hohe Abmessgenauigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Hitzeschock.

Pro: Sie können bei Temperaturen von max. 275°C mit einer Leistung von bis zu 7W betrieben werden.

Pro: Sie sind in verschiedenen Bauformen verfügbar, auch in wesentlich größeren als Standard-Chipwiderstände, in TK-Werten deutlich unter 100ppm/K und in Widerstandswerten bis in den niedrigen einstelligen Milliohm-Bereich.

Welcher Widerstandswert ist ideal für die Strommessung?

Der ideale Widerstandswert der Shunts aus Vollmetall lässt sich relativ einfach bestimmen: Die niedrigste Messspannung, mit der noch ausreichend genaue Ergebnisse erzielt werden können, wird durch den niedrigsten Stromwert des Messbereichs geteilt.

4-Leiter-Shunts

Eine Variante des Shunt aus Vollmetall ist der 4-Leiter-Shunt. Hier fließt der Strom durch zwei Anschlüsse, an den beiden anderen wird die Spannung gemessen. Mit Hilfe derilfe innen liegenden Kelvin-Anschlüsse lässt sich der Spannungsabfall an den Übergangswiderständen ermitteln und die dadurch verursachten Messfehler lassen sich herausrechnen.

4-Leiter-Shunts werden in zwei Fällen verwendet:

1. Wenn Leitungs- und der Kontaktwiderstand relativ groß sind und im Vergleich zum zu messenden Widerstand nicht vernachlässigt werden können.

2. Wenn der Widerstandswert kleiner 10mR ist. Denn auch die Widerstandswerte der Leiterbahnen liegen im Milliohm-Bereich und sind deshalb mit einzubeziehen.

Der Trend geht zu Shunts in kleineren Bauformen bei höheren Leistungen; auch kundenspezifische Ausführungen hinsichtlich der Geometrie der Anschlüsse und der Bauform des Shunts sind zunehmend gefragt. Ob diese den Standard-Shunts vorzuziehen sind, hängt von der Applikation ab.

Tipp: Ausprobieren, welcher Shunt am besten in die Applikation passt! Da Shunt Widerstände verglichen mit anderen Widerstandstechnologien relativ teuer sind, sind sie bereits in kleinen Stückzahlen und Testmustern erhältlich.

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.