EP Basics Präzise den Strom mit Shunt-Widerständen messen

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Die Strommessung mit Shunt-Widerständen ist eine bewährte, präzise und kostengünstige Methode für eine Vielzahl von Anwendungen in der Elektronikentwicklung. Die richtige Auswahl und der Einsatz geeigneter Messmethoden sind entscheidend, um präzise und verlustarme Messungen zu gewährleisten.

Die exakte Messung von Strömen ist eine essenzielle Aufgabe für Elektronikentwickler und Ingenieure, insbesondere in der Leistungselektronik und Messtechnik. Eine bewährte Methode zur Strommessung basiert auf der Nutzung von Shunt-Widerständen, die eine einfache und kostengünstige Lösung zur Bestimmung des Stromflusses bieten.

Funktionsprinzip eines Shunt-Widerstands

Ein Shunt-Widerstand ist ein hochgenauer, niederohmiger Widerstand, der in Reihe mit einem Verbraucher geschaltet wird. Durch den fließenden Strom entsteht ein proportionaler Spannungsabfall, der mittels Ohmschem Gesetz (I = U/R) zur Berechnung des Stroms genutzt werden kann. Diese Methode ist sowohl in Labor- als auch Industrieanwendungen weit verbreitet.

Shunt-Widerstände unterscheiden sich je nach Anwendung und Design. Strommesswiderstände (Current Sense Resistors) werden fest in Schaltungen integriert und oft mit Verstärkern kombiniert, um exakte Messungen zu ermöglichen. Current Viewing Resistors (CVR) hingegen sind für dynamische Messungen mit kontrollierter Frequenzantwort und geringer Induktivität konzipiert. Präzisionswiderstände schließlich sind speziell für Hochfrequenzanwendungen ausgelegt, bei denen parasitäre Effekte minimiert werden müssen.

Wichtige Eigenschaften eines Shunt-Widerstands

Die Auswahl des passenden Shunt-Widerstands ist entscheidend für die Genauigkeit der Messung. Für hochpräzise Anwendungen ist eine geringe Toleranz (wie ±0,1 % oder besser) erforderlich. Bei Hochfrequenzmessungen spielt die parasitäre Induktivität eine große Rolle, da sie schnelle Stromänderungen verfälschen kann. Ebenso wichtig ist ein geringer Temperaturkoeffizient (TCR), damit die Messgenauigkeit auch bei Temperaturschwankungen erhalten bleibt.

Die Leistungs- und Strombelastbarkeit muss auf die maximal zu erwartenden Ströme abgestimmt sein, um Überhitzung und Fehler zu vermeiden. Nicht zuletzt spielt auch die Bauform eine Rolle: Die Verfügbarkeit von Platz auf der Leiterplatte oder spezielle Anforderungen an die Montage entscheiden mit darüber, ob beispielsweise eine SMD- oder THT-Ausführung gewählt wird.

Messverfahren mit Shunt-Widerständen

Die Messung des Spannungsabfalls kann mit verschiedenen Messgeräten erfolgen. Digitale Multimeter (DMMs) bieten eine hochpräzise Messung im Gleich- und Wechselstrombereich und verfügen oftmals über integrierte Shunt-Widerstände. Oszilloskope hingegen ermöglichen die zeitliche Darstellung von Stromveränderungen und eignen sich besonders für schnelle Schaltprozesse oder transiente Phänomene. Für Messungen an ungeerdeten Punkten sind Differenz- oder Hochspannungsmesstaster notwendig, um Gleichtaktstörungen zu unterdrücken und eine saubere Signalaufnahme zu gewährleisten.

Ein wesentlicher Vorteil von Shunt-Widerständen ist ihre hohe Messgenauigkeit bei richtiger Auswahl und Kalibrierung. Darüber hinaus sind sie im Vergleich zu magnetischen oder Hall-Effekt-Sensoren sehr kosteneffizient und lassen sich in unterschiedlichsten Applikationen einsetzen, vom Kleinleistungsbereich bis hin zu Hochstromanwendungen. Allerdings erfordert ihre Verwendung einen Eingriff in den Stromkreis, da der Shunt-Widerstand in Reihe geschaltet werden muss. Der Spannungsabfall am Widerstand reduziert zudem die zur Last verfügbare Spannung. Hinzu kommt die Verlustleistung, die als Funktion des Stromquadrats (P = I²R) zu einer potenziellen Erwärmung führen kann und entsprechend berücksichtigt werden muss. (heh)

(mit Material von Tektronix)

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