Shunt-basierte Strommessung und ihre Anwendungen Strom messen mit Widerstand

RUTRONIK Elektronische Bauelemente GmbH

Bild: iStock, DimaChe
15.02.2018

Praktisch jede moderne Schaltung mit Steuer- und Überwachungsfunktion nutzt Shunt-basierte Strommessungen. Um die Ergebnisse dieser hochpräzisen Messmethode sinnvoll interpretieren zu können, ist es ratsam, sich mit der grundsätzlichen Funktionsweise von Shunt-Widerständen vertraut zu machen.

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Ein Shunt ist ein niederohmiger Widerstand, mit dem sich die Stromstärke messen lässt. Er wird deshalb auch als Strommesswiderstand bezeichnet. Shunts kommen immer dann zum Einsatz, wenn der zu messende Strom über den erlaubten Bereich des Messgeräts hinausgeht. In diesen Fällen wird der Shunt parallel zum Messgerät geschaltet und vom gesamten Strom durchflossen.

Aus dem resultierenden Spannungsabfall am Shunt lässt sich dann mit Hilfe des ohmschen Gesetzes und der Formel I = U/R die Stromstärke berechnen. Um die Verlustleistung, und damit auch die Wärmeentwicklung, möglichst gering zu halten, müssen Shunts einen sehr kleinen Widerstandswert im Milliohm-Bereich haben. Manche Shunts liegen sogar noch darunter.

Die shuntbasierte Strommessung hat sich als einfache und günstige Alternative zu Sensorlösungen etabliert. Sie hat den Vorteil, dass sich Fehlzustände leicht erkennen und beheben lassen. Das macht sie besonders für sicherheitsrelevante Applikationen interessant, bei denen Fehlzustände fatale Auswirkungen haben können.
Außerdem liefert
diese Art der Strommessung präzise Messergebnisse und ermöglicht dadurch beispielsweise eine effiziente Antriebssteuerung oder die Überwachung eines Batteriemanagementsystems. Nicht zuletzt bieten Shunt-Widerstände ein sehr gutes Preis-Leistungs-Verhältnis.

Prinzipiell eignen sich Shunts für alle Arten von Messapplikationen, und zwar bei Gleich- und bei Wechselstrom. Vor allem bedingt durch die steigende Zahl an Zustandsmessungen im Auto, etwa im Motormanagement, der Airbagsteuerung oder in Sicherheits-, Schließ- und Infotainment-Systemen, erleben sie derzeit einen wahren Boom. Auch in der Medizintechnik, bei regenerativen Energien und beim Smart Metering kommen vermehrt Shunts zum Einsatz.

Metallschicht oder Vollmetall?

Shunts sind in Metallschichttechnik und aus Vollmetall verfügbar. Schichtwiderstände sind günstiger, besitzen aber einen schlechteren Temperaturkoeffizienten. Ein weiterer bauartbedingter Nachteil von Metallschichtwiderständen ist, dass bei der Herstellung eine Paste auf ein Keramiksubstrat aufgetragen und per Lasertrimmung auf den gewünschten Wert gebracht wird. Dadurch entsteht eine inhomogene Struktur, die in Mäanderform auf den Nominalwert getrimmt wird.

Die Mäanderform verursacht eine zusätzliche Serieninduktivität, wodurch das ohmsche Gesetz in seiner reinen Form außer Kraft gesetzt und das Ergebnis der Strommessung verfälscht wird. Der Spannungsabfall am Shunt berechnet sich nach der erweiterten Formel
U = I × R – L × (dI/dt). Damit kommen Metallschichtwiderstände nur in Frage, wenn die Induktion keine Rolle spielt.

Shunt-Widerstände aus Vollmetall bestehen aus einem homogenen Widerstandselement, wodurch keine zusätzliche Induktivität entsteht und das Messergebnis nicht verfälscht wird. Das ist für sehr präzise Messungen, zum Beispiel in der Medizintechnik oder bei Präzisionsmessgeräten, entscheidend.

Zusätzlich punkten Shunts aus Vollmetall mit ihrer hohen Abmessgenauigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Hitzeschock. Es gibt sie in verschiedenen Bauformen, auch wesentlich größere als bei Standard-Chipwiderständen, und TK-Werten deutlich unter 100 ppm/K. Die Vollmetall-Widerstände können bei Temperaturen bis maximal 275 °C mit einer Leistung von bis zu 7 W betrieben werden. Zur Auswahl stehen Widerstandswerte bis in den niedrigen einstelligen Milliohm-Bereich.

Widerstandswert festlegen

Der ideale Widerstandswert eines Shunts lässt sich relativ einfach bestimmen: Die niedrigste Messspannung, mit der noch ausreichend genaue Ergebnisse erzielbar sind, wird durch den niedrigsten Stromwert des Messbereichs geteilt. Da der Trend zu immer kleineren Bauformen bei immer höherer Leistung geht, sind zunehmend auch kundenspezifische Shunt-Ausführungen mit speziellen Bauformen und Anschlussgeometrien gefragt.

Standard oder spezifisch angepasst?

Es lässt sich nicht pauschal beurteilen, in welchem Maß die kundenspezifischen Ausführungen den Standardmodellen vorzuziehen sind. Vielmehr hängt die Wahl des Shunts wesentlich von seinem Einsatzgebiet ab. Da Shunt-Widerstände verglichen mit anderen Widerstandstechnologien recht teuer sind, sind sie bereits in kleinen Stückzahlen und Testmustern erhältlich.

Eine besondere Variante ist der 4-Leiter-Shunt. Hier fließt der Strom durch zwei Anschlüsse, während an den beiden anderen Anschlüssen die Spannung gemessen wird. Mit Hilfe der innen liegenden Kelvin-Anschlüsse lässt sich der Spannungsabfall an den Übergangswiderständen ermitteln, so dass man die dadurch verursachten Messfehler herausrechnen kann.

4-Leiter-Shunts kommen in zwei Fällen zum Einsatz: Erstens wenn der Leitungs- und der Kontaktwiderstand relativ groß und im Vergleich zum zu messenden Widerstand nicht vernachlässigbar sind und zweitens wenn der Widerstandswert kleiner als 10 mΩ ist. Denn die Widerstandswerte der Leiterbahnen liegen ebenfalls im Milliohm-Bereich und müssen deshalb mitberücksichtigt werden.

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  • Im Auto, der Medizintechnik, bei regenerativen Energien und beim Smart Metering – Shunts zur Strommessung kommen in immer mehr Gebieten zum Einsatz.

    Im Auto, der Medizintechnik, bei regenerativen Energien und beim Smart Metering – Shunts zur Strommessung kommen in immer mehr Gebieten zum Einsatz.

    Bild: Rutronik

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