Messwiderstände kommen in unterschiedlichen elektronischen Geräten zum Einsatz. Sie sind zum Beispiel obligatorischer Bestandteil vieler Messgeräte. In portablen Vorrichtungen dienen sie zur Überwachung des Batteriestands und auch in der Automobilindustrie finden sie zur Messung von Strömen Verwendung. Hochstabiles Temperaturverhalten, geringer Verschleiß, Robustheit bezüglich der Anschlusstechnik sowie eine große Genauigkeit zeichnen diese Bauelemente aus.
Was ist ein Messwiderstand?
Ein Messwiderstand ist ein elektronisches Bauelement, das für Temperatur-, Spannungs- und Strommessungen verwendet wird. Das Messprinzip der Spannungs- und Strommessung beruht auf der bekannten Formel (Ohm‘sches Gesetz): I= U/ R, wobei I für Strom in Ampere (A), R für die Widerstandsgröße in Ohm und U für die Spannung in Volt (V) steht.
Im Unterschied zu anderen Widerständen, die in elektronischen Schaltungen ohne hohe Ansprüche an die Genauigkeit eingesetzt werden, weisen Messwiderstände eine geringe Abhängigkeit von Temperaturänderungen auf. Diese Eigenschaft minimiert Fehler bei den Messverfahren. Der Temperaturkoeffizient, der diese Abhängigkeit beschreibt, ist eine werkstoffspezifische Konstante. Er wird vom Hersteller der Messwiderstände stets angegeben. Meistens erfolgt diese Angabe in ppm/°C= 10-6 Ohm/°C.
Messwiderstände, die hochstabil bezüglich des Zusammenhangs zwischen Temperatur- und Widerstandsgrößenänderung sind, verwendet man zur Temperaturmessung. Liegt ein linearer Zusammenhang vor, wird die Temperatur wie folgt berechnet: t=20 °C+(Rt/R20-1)/α20
Hierbei ist Rt der gemessene Widerstand in Ohm. Die Werte R20 (Widerstand bei 20 °C in Ohm) und α20 (Temperaturkoeffizient in Ohm / °C beziehungsweise ppm/ °C) sind werkstoffspezifische Konstanten. Diese Messwiderstände werden auch Widerstandsthermometer genannt. Die bekanntesten von ihnen sind Platin-Messwiderstände beziehungsweise Platin-Widerstandsthermometer Pt100 (mit dem Nominalwert 100 Ohm), Pt500 (mit dem Nominalwert 500 Ohm) und Pt1000 (mit dem Nominalwert 1 kOhm).
Messwiderstände unterliegen hohen Anforderungen bezüglich der Lebensdauer beziehungsweise der Minderung von Verschleißerscheinungen sowie an gleichbleibende Präzision in einem breiten Temperaturbereich.
Eine weitere obligatorische Herstellerangabe für Widerstände ist die Toleranz, also die mögliche Abweichung vom Nominalwert, in positive wie negative Richtung. Bei Messwiderständen ist dieser Wert kleiner als 0,6%, für alle anderen Widerstände größer oder gleich 1%.
Messwiderstände unterschiedlicher Bauarten verfügen über elektrische Eigenschaften, die sich für spezifische Messaufgaben eignen.
Hochohmige Messwiderstände sind meistens axial bedrahtet. Sie werden ausschließlich für Messungen niederfrequenter Ströme eingesetzt, denn sie besitzen eine relativ hohe Induktivität, die bei steigender Frequenz die Widerstandsgröße verändert.
Niederohmige Messwiderstände können unterschiedliche Bauarten haben, beispielsweise kann es sich um radial bedrahtete Metallschichtwiderstände oder Shunts aus Metallbändern oder Metallstäben handeln. Um Fehler durch die Anschlusswiderstände zu vermeiden, besitzen einige Bauformen niederohmiger Messwiderstände insgesamt vier Anschlüsse: zwei für den Gebrauch in elektronischen Schaltungen und zwei für Messzwecke. Letztere werden auch Sense-Anschlüsse genannt.
Messungen von Strömen über 10 A erfolgen generell mit mechanisch robusten niederohmigen Shunts. Für Ströme über 100 A sollten die Shunts-Anschlüsse verschraubt werden.
Unser Praxistipp: Minderung von Fehlern infolge der Induktionsspannung an Sense-Anschlüssen
Die Sense-Anschlüsse erzeugen, zusammen mit dem Widerstand, aufgrund des Stromflusses ein Magnetfeld und dadurch auch Induktionsspannungen (Antenneneffekt). Deshalb ist es ratsam, beim Design von elektronischen Schaltungen beziehungsweise PCB-Layouts die sogenannte Streifenleitungstechnik anzuwenden. Dabei werden die beiden Sense-Leitungen auf zwei Ebenen übereinander/parallel zueinander in möglichst geringem Abstand zur Messvorrichtung geführt. Andernfalls kann es zu Fehlern und somit zu verfälschten Messwerten kommen.
Die Wahl des Messwiderstands hängt von mehreren Faktoren ab.
Für Wechselströme beziehungsweise Leistungselektronik sind aufgrund ihrer Bauart nur niederohmige Messwiderstände geeignet. Hier können Sie sich entweder für preiswerte und robuste Shunts aus Metallstäben oder für Metallschichtwiderstände mit vier Anschlüssen entscheiden. Die erste Variante ist für einfache Messungen ohne hohe Ansprüche an die Messgenauigkeit geeignet. Die zweite Variante empfiehlt sich für Messaufgaben, bei denen hohe Anforderungen an Präzision und Temperaturstabilität gestellt werden.
Für Ströme über 100 A sollte das Bauelement verschraubbare Anschlüsse besitzen. Weitere wichtige Kriterien sind zudem die Bauelementform und -größe.
Bezeichnen die Wörter Messwiderstand und Präzisionswiderstand das gleiche?
Nicht in jedem Fall. Beide Bezeichnungen können synonym verwendet werden, sofern der Toleranzwert des Widerstands unter 1% liegt. Das gilt beispielsweise für radial bedrahtete Metallschichtwiderstände. Bei anderen Ausführungen hingegen kann die Abweichung vom Nominalwert bis zu 10% betragen, daher ist die Bezeichnung Präzisionswiderstand in diesem Fall nicht zutreffend.
Wofür sind die Sense-Anschlüsse im Messwiderstand vorgesehen?
Manche niederohmige Messwiderstande haben vier Anschlüsse. Meistens sind sie folgendermaßen belegt: Die beiden Äußeren dienen dem Anschluss an den elektronischen Schaltkreis, an den beiden Innenliegenden (das sind die Sense-Anschlüsse) wird die Spannungsmessvorrichtung angeschlossen. Wir empfehlen Ihnen aber unbedingt das Datenblatt vom Hersteller durchzulesen.
Welche Messwiderstände sind für den Einsatz in der Hochleistungselektronik geeignet?
Im Bereich der Hochleistungselektronik hat sich der Einsatz von niederohmigen Messwiderständen bewährt, denn damit ist es möglich, die abfallende Spannung, die im mV-Bereich liegt, am Shunt zu messen. Außerdem gilt: Je kleiner der Widerstandswert, desto weniger wird das Gesamtgeschehen im Schaltkreis infolge der Unterbrechung vom Stromfluss durch die Messvorrichtung negativ beeinflusst.