Strommesswiderstände Zehn Tipps rund um Shunts

In Stromversorgungen, Batteriemanagement-Systemen und Antrieben müssen meist die Ströme exakt gemessen werden. Strommesswiderstände, gerne auch Shunts genannt, sind hierfür meist die einfachste Lösung. Im Folgenden zehn Tipps, worauf man bei diesen Bauelementen und der Messschaltung achten muss.

von Stephen Oxley, Leitender Ingenieur im Bereich Anwendungen und Marketing bei TT Electronics.

Erste Aufgabe eines Schaltungsentwicklers bei der Strommessung ist die Auswahl einer von vier Messmethoden (Tabelle). Strommesswiderstände sind wegen ihrer niedrigen Kosten und exakten Breitbandmessung häufig die beste Lösung. Die folgenden zehn Tipps helfen bei der Umsetzung dieser Anforderungen.

StrommessmethodeVorteileNachteile
Strommesswiderstandniedrige Kosten, genaue BreitbandmessungenLeistungsverluste müssen kontrolliert werden
Leiter (z.B. Leiterbahnen, Bauteilanschlüsse, RDS(on) eines MOSFETs)keine Kosten, verminderte BauteilanzahlGeringe Genauigkeit und sehr schlechter Temperaturkoeffizient
StromwandlerIsolierung,  niedrige Verluste bei hohen StrömenBegrenzte Bandbreite, nur AC, groß und schwer, anfällig für Magnetfelder
Hall-Effekt-SensorIsolierung, niedrige LeistungsverlusteDC plus begrenzte AC-Bandbreite, hohe Kosten

 

Tabelle: Verschiedene Strommessmethoden und ihre jeweiligen Vor- und Nachteile
  • Optimalen Widerstandswert bestimmen

Um den bestmöglichen Widerstandswert auszuwählen, ist es nötig, Folgendes abzuwägen: Ein zu hoher Wert verursacht höhere Leistungsverluste und damit eine Wärmeentwicklung sowie den Verlust der Spannungsregelung. Ein zu niedriger Wert führt zu einer geringen Messspannung, was zu Problemen mit Rauschen und der Messgenaukeit führen kann.

Entwickler können den optimalen Widerstandswerten berechnen, indem sie die niedrigste Messspannung, die noch brauchbar genaue Ergebnisse liefert, durch den niedrigsten Stromwert innerhalb des erwarteten Messbereichs teilen. Strommesswiderstände bis 10 mΩ sind meist mit ganzzahligen Werten erhältlich und darüber in 5-mΩ-Schritten – zusätzlich zu den Standard-E24-Werten.

  • Die richtige Leistung wählen

Steht der Widerstandswert fest, lässt sich die Verlustleistung bestimmen (Ieff² · R). Wenn erforderlich, sind bei der Leistungsbestimmung auch mögliche Überlast, Fehler oder hohe Umgebungstemperaturen zu berücksichtigen. Bei vielen Shunts begrenzt zunächst die höchstzulässige Temperatur der Lötverbindungen die Leistung.

Die Leistungsbestimmung ist damit zuweilen sowohl vom Leiterplattendesign als auch von der Bauteilauswahl abhängig. Sie kann zudem durch die Verwendung eines thermisch optimierten Substrats wie DBC (Direct Bond Copper) oder IMS (Insulator Metal Substrates) beeinflusst werden. Der Widerstand LRMAP3920 zum Beispiel hat eine Leistung von 5 W auf FR4, aber bis 10 W auf einem thermisch optimierten Substrat.