Wie funktioniert ein Shunt?
Ein Shunt ist ein niederohmiger Widerstand, der zur Strommessung verwendet werden kann. Shunts werden immer dann eingesetzt, wenn der gemessene Strom den Bereich des Messgerätes überschreitet. Der Shunt wird dann parallel zum Messgerät geschaltet. Der gesamte Strom fließt durch den Shunt und erzeugt einen Spannungsabfall, der dann gemessen wird. Mit Hilfe des Ohm’schen Gesetzes und des bekannten Widerstands lässt sich aus dieser Messung der Strom berechnen (I = V/R). Um die Verlustleistung – und damit die Wärmeentwicklung – so gering wie möglich zu halten, müssen Shunts einen sehr niedrigen Widerstandswert haben, der in Milliohm messbar ist.
Shunts sind grundsätzlich für jede Art der Strommessung geeignet – sei es mit Gleich- oder Wechselstrom.
Vorteile von Shunts für die Strommessung:
- Fehler können schnell erkannt und beseitigt werden, was Shunts besonders für sicherheitsrelevante Anwendungen interessant macht, bei denen Fehler erkannt werden müssen.
- Sie liefern außerdem präzise Messergebnisse, mit denen sich zum Beispiel Antriebe effizient steuern oder Batteriemanagementsysteme überwachen lassen.
- Shunts bieten ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis.
Welche Shunts gibt es und welche eignen sich zur Strommessung?
Shunts gibt es als Metallfolien- und Vollmetallversion.
Vorteile und Nachteile von Metallschichtwiderständen:
Pro: Sie sind deutlich billiger
Contra: Ihr Temperaturkoeffizient ist schlechter als bei Vollmetall-Shunts
Kontra: Strommessungen werden durch die Bauart leicht verfälscht, weshalb sie nur in Frage kommen, wenn Induktion keine Rolle spielt. Bei Metallschichtwiderständen (Shunts) wird eine Paste auf ein Keramiksubstrat aufgebracht und mittels Lasertrimming auf den gewünschten Wert eingestellt. Dadurch entsteht eine inhomogene Struktur, die zusätzlich zur vorhandenen parasitären Induktivität eine Serieninduktivität verursacht. Dadurch gilt das Ohmsche Gesetz in seiner Grundform nicht mehr, was das Ergebnis der Strommessung verfälscht. Die Formel für den Spannungsabfall am Shunt lautet in diesem Fall: U = I x R – L(di/dt).
Vor- und Nachteile von Vollmetall-Shunts:
Contra: Sie sind teurer als Metallfilm-Shunts.
Pro: Sie liefern konsistente, unverzerrte Messungen. Da Vollmetall-Shunts aus einem homogenen Widerstandselement bestehen, gibt es keine zusätzliche Induktivität, was sie ideal für hochpräzise Anwendungen wie Medizintechnik oder Präzisionsmessgeräte macht.
Pro: Sie bieten hohe Messgenauigkeit und Beständigkeit gegen Hitzeschock.
Pro: Sie können mit einer Leistung von bis zu 7 W bei maximalen Temperaturen von 275 °C betrieben werden.
Pro: Sie sind in verschiedenen Bauformen erhältlich, unter anderem in Formen, die viel größer sind als Standard-Chipwiderstände, mit TKs von weit unter 100ppm/K und Widerstandswerten, die so niedrig sind, dass sie im einstelligen Milliohm-Bereich messbar sind.
Welcher Widerstandswert ist für die Strommessung ideal?
Der ideale Widerstandswert für Vollmetall-Shunts lässt sich relativ einfach ermitteln: Die niedrigste Messspannung, die noch ausreichend genaue Ergebnisse liefert, wird durch den niedrigsten Stromwert des Messbereichs geteilt.
Vierleitershunt
Eine Variante des Vollmetallshunts ist der Vierleitershunt, bei dem der Strom durch zwei der Anschlüsse fließt, während an den beiden anderen die Spannung gemessen wird. Der Spannungsabfall an den Widerständen kann über die internen Kelvin-Klemmen ermittelt werden, so dass die daraus resultierenden Messfehler eliminiert werden können.
Vierdraht-Shunts werden in zwei Fällen eingesetzt:
1. Wenn der Leitungs- und Kontaktwiderstand relativ hoch ist und im Verhältnis zum gemessenen Widerstand nicht vernachlässigbar ist.
2. wenn der Widerstandswert kleiner als 10mR ist, da die Widerstandswerte der Leiter auch in Milliohm messbar sind und somit berücksichtigt werden müssen.
Der Trend geht zu kleineren Baugrößen bei höheren Leistungen; auch kundenspezifische Ausführungen in Bezug auf Klemmengeometrie und Shuntform werden zunehmend nachgefragt. Ob diese den Standard-Shunts vorzuziehen sind, hängt von der Anwendung ab.
Tipp: Führen Sie Tests durch, um herauszufinden, welcher Shunt am besten zur Anwendung passt! Da Shunt-Widerstände im Vergleich zu anderen Widerstandstechnologien relativ teuer sind, gibt es sie bereits in kleinen Losgrößen und als Testmuster.
Bauteile finden Sie unter www.rutronik24.com.