Ratgeber
Der Shunt ist ein präziser niederohmiger elektrischer Strommesswiderstand. Er wird auch als Nebenwiderstand oder Nebenschlusswiderstand bezeichnet, da er zu dem zu messenden Stromkreis parallelgeschaltet wird, um einen elektrischen Strom von dort abzuleiten. Er ist für Systementwickler und Betreiber von Nutzen, um festzustellen, wie viel Strom durch einen Stromkreis fließt und an die elektrischen Verbraucher abgegeben wird. So können in der Entwicklung und Optimierung hocheffiziente Anwendungen und dadurch kostengünstige Lösungen geschaffen werden.
Der Shunt-Widerstand wandelt einen Strom in eine Spannung um. Da dieser über einen sehr geringen Widerstand verfügt liegt der Spannungsabfall darüber lediglich im Millivolt Bereich. Der Shunt-Widerstand wird mit einem elektrischen Verbraucher in Reihe geschaltet. Das Ohm’sche Gesetz besagt, dass es an einem definierten Widerstand zu einem Spannungsabfall kommt, welcher proportional zur Stromstärke ist. Diese kann über einen Verstärker beispielsweise Operationsverstärker, Differenzverstärker oder Instrumentenverstärker aufgenommen und gemessen werden. Bei der Wahl eines geeigneten Widerstands sind die Spannungswerte der gegebenen Schaltung zu beachten. Die am Eingang des Verstärkers anliegende Spannung wird als Eingangs-Gleichtaktspannung bezeichnet. Die Shunt Widerstände sind mit dem Verbraucher in Reihe geschaltet. Dadurch kann eine direkte Messung der Stromstärke erfolgen.
Darüber hinaus verfügen die Shunt Widerstände über einen sehr geringen Temperaturkoeffizienten (TCR), wodurch die Messung bei unterschiedlichen Temperaturen lediglich geringfügig beeinflusst wird. Durch die geringe Temperaturabhängigkeit sind präzise Strommessungen möglich.
1. zu messende Stromstärke / 2. R Shunt / 3. Spannungsmeter
TCR-Kurve
Die TCR Kurve der Widerstände aus dem Material (1) des Typs K zeigt, dass diese innerhalb des Bereiches von +/- 50 ppm/°C (Parts pro Million) (2) in Betrieb sind.
Bei Shunt Widerständen zur Oberflächenmontage kann es möglicherweise auch der Fall sein, dass der Kontaktwiderstand an der Anschlussstelle des Leiters höher ist als der Kontaktwiderstand des eigentlichen Messwiderstandes.
TCR von R Leiter
1. R Leiter / 2. R Shunt
Um diesen Auswirkungen entgegenzuwirken, können Entwickler auf Strommesswiderstände mit integrierter Vierleitermessung, der Kelvin Messtechnik zurückgreifen. Bei dieser Technik sind zusätzliche Messleitungen eingesetzt, um die Stromstärke unabhängig vom Hauptstrom zu messen.
TCR von R Shunt
Grafische Darstellung des TCR-Shunt:
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R Leiter
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R Shunt
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R Sense
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Spannungsmesser
Vierleitermessung mit zwei Anschlüssen
Es besteht die Möglichkeit, auch an Widerständen mit zwei Anschlüssen eine Vierleitermessung durchzuführen, indem die Strommessleiterbahn direkt am Widerstand abgegriffen wird.
So wird eine wirtschaftliche Lösung geschaffen, um aus zwei Anschlüssen vier abzugreifen. Somit wird eine hohe Messgenauigkeit sichergestellt.
1. Strommessleiterbahn / 2. Strommesswiderstand / 3. Kupferleitbahn / 4. Hochstrom-Leiterbahn
Vierleitermessung mit vier Anschlüssen
Sofern der Bauraum dies zulässt, werden zur Vierleitermessung Strommesswiderstände mit vier Anschlüssen empfohlen. Diese haben den Vorteil, dass separate Anschlüsse zur Messung des Stromflusses und des Spannungsabfalls vorhanden sind, um noch präzisere Messergebnisse zu erzielen. Des Weiteren haben sie den Vorteil, dass die Schwankungen durch Temperaturänderung nach der Verstärkung gering bleiben.
1. Strommessleiterbahn / 2. Strommesswiderstand / 3. Kupferleitbahn / 4. Hochstrom-Leiterbahn
Batteriemanagementsysteme
Ein Anwendungsgebiet von Shunt Widerständen sind Batteriemanagementsysteme. Bei diesen findet eine kontinuierliche Überwachung des Stromflusses innerhalb des Stromkreises statt. Die Aufgaben der Batteriemanagementsysteme liegen im Überstromschutz, im Überspannungsschutz während des Ladevorgangs und in der Begrenzung des Lade- beziehungsweise Entladestroms.
Im Bereich der Automotive sowie in anderen Marktsegmenten, die wiederaufladbaren Batterien verwenden, wächst die Nachfrage nach Strommesswiderständen. Durch die geringen Widerstandswerte und dem geringen Spannungsabfall liefern sie präzise Strommesswerte. Durch den niedrigen Temperaturkoeffizienten sind sie gut für Automobilanwendungen, beispielsweise Hochstromanwendungen wie Motorstarter mit Stromstärken von 100 bis 1000 Ampere geeignet.
1. R Shunt / 2. Erdung / 3. Batterie / 4. Ladegerät/Verbraucher / 5. Stromsensor
DC/DC Schaltnetzteile
Auch leistungsstarke Netzteile erfreuen sich auf dem Markt für Mobilgeräte zunehmend mehr an Beliebtheit. DC/DC Schaltnetzteile werden zunehmend effizienter als die bisher gängigen Linearnetzteile.
Mit Shunt Widerständen werden enge Toleranzen bei den Widerstandswerten erzielt. Um dabei geringe Leistungsverluste zu gewährleisten, sind geringe Widerstandswerte von bis zu 10 – 20 Milliohm das Mittel der Wahl.
Der niedrige Temperaturkoeffizient sorgt für eine minimale Selbsterwärmung der Geräte.
1. R Sense / 2. Stromsensor
Motorensteuerungen
Mit Einführung der IEC 60747-17 Norm werden Strommesswiderstände zunehmend in Motorensteuerungen eingesetzt. Diese digitalen Steuerungen zeichnen sich durch schnelle Ansprechzeiten der Regelkreise aus.
Dadurch werden ein Überstromschutz und kürzere Totzeiten erzielt und eine gleichmäßige Ausgangsspannung und optimale Drehmomentregelungen ermöglicht.
Die Abbildung eines dreiphasigen Motors mit Permanentmagneten zeigt die Messwiderstände zur Messung des Wicklungsstroms.
Durch die verstärkte Isolierung des Sigma Delta Modulators kann die Spannung an einem Strommesswiderstand direkt gemessen werden.
Darüber hinaus benötigt er einen Tiefpassfilter bestehend aus einem Widerstand und einem Kondensator.
1. Gate-Treiber / 2. Isolationsbarriere / 3. Filter und Steuerung / 4. 3-Phasen AC-Motor
IT und Telekommunikationssysteme
In IT und Telekommunikationssystemen kommt häufig das Hot-Swapping und Hot-Plugging zur Anwendung.
Dabei ist ein unterbrechungsfreier Austausch der Komponenten und Module von tragender Bedeutung.
Die anwendende Person kann Geräte während des Betriebs entfernen oder anschließen. Die Hot-Swap Schaltung schützt die Module vor Kurzschlüssen, Überstrom, Stoß- und Unterspannungen.
1. R Sense / 2. Hot-Swap-Controller / 3. Verbraucher
Intelligente Energieüberwachungssysteme
Intelligente Energieüberwachungssysteme bieten die Möglichkeit, den Stromverbrauch präzise und in Echtzeit zu erfassen.
Mit Hilfe von niederohmigen Widerständen kann die Strommessung und Rückführung in einem Smartmeter erfolgen.
Räume oder Anlagen können so kostengünstig überwacht und energieoptimiert werden.
Dazu wird im Zählerschrank ein Widerstand mit der Hochstromschiene in Reihe geschaltet, sodass der Strom aus dem proportionalen Verhältnis zwischen Spannung und Widerstand berechnet werden kann.
Diese Überwachung geschieht durch einen Mikrocontroller.
1. MCU / 2. Netzteil / 3. Leitung / 4. Stromnetz / 5. Neutral / 6. Strommessung / 7. Verbraucher / 8. Impulsüberträger / 9. Widerstandsteiler
Shunts sind zur Messung hoher Ströme über 100 Ampere mechanisch robust gebaut. Sie bestehen beispielsweise aus Metallbändern oder Stäben und sind mit Schraubkontakten ausgestattet, um sie in den Laststromkreis zu integrieren. Zwei kleinere Anschlüsse dienen dazu das Messgerät anzuschließen.
Shunts, die groß genug sind, um sie zwischen die Stromschienen zu schrauben, bestehen häufig aus parallelen Metallstäben. Sie sind typischerweise aus Materialien mit einem geringen Temperaturkoeffizienten gefertigt. Dazu eignet sich beispielsweise Manganin, Isotan oder Isabellin, da diese sich durch den spezifischen elektrischen Widerstand und die geringe Thermospannung gegenüber Kupfer auszeichnen. Die Anordnung der Stäbe ist so gestaltet, dass die entstehende Wärme gut abgeführt werden kann.
Des Weiteren gib es Shunts, die zum Einlöten in gedruckte Schaltungen gefertigt sind. Auch diese verfügen häufig über Kelvinkontakte als Messstelle.
Bauformen mit geringer parasitärer Induktivität werden dazu verwendet, um Stromstärken mit kurzen Anstiegszeiten oder hohen Frequenzen zu messen. Axiale oder axial gewickelte Widerstände sind dazu weniger gut geeignet.
Dazu gibt es Bauformen, wie den koaxialen Shunt, der aus zwei ineinander gesteckten Röhren besteht und in entgegengesetzter Richtung von Strom durchflossen wird.
Weitere Bauformen mit niedriger Induktivität sind der bifilar gewickelte Widerstand, der Möbius Widerstand oder wellenförmige Widerstandsfolien.