Shunts

Widerstände für Strommessungen in Automobilanwendungen

| Autor / Redakteur: Dr. Ullrich Hetzler * / Thomas Kuther

Große Auswahl: Widerstände für Strommessungen im Automobilanwendungen gibt es in zahlreichen Bauformen
Große Auswahl: Widerstände für Strommessungen im Automobilanwendungen gibt es in zahlreichen Bauformen (Bild: Bild: Isabellenhütte)

Wer Ströme im Auto messen möchte, greift zu Shunts. Der passende Widerstand lässt sich jedoch nicht per Datenblattvergleich finden. Wir verraten Ihnen, worauf es bei der Auswahl ankommt.

Auf kleinstem Raum bestmögliche Messergebnisse zu erzielen ist eine der meistgestellten Forderungen der Automobilindustrie. Das kommt der Shunttechnologie zugute. Der passende Widerstand lässt sich jedoch nicht per Datenblattvergleich finden, denn Aufbau und Material führen zu stark unterschiedlichen Auswirkungen im praktischen Einsatz. Die wichtigsten Parameter für ein optimales Eindesignen werden hier anhand von Berechnungsbeispielen beschrieben.

Der Strommesswiderstand, der sog. Shunt, ist schon seit Jahrzehnten bekannt. Die heutigen Möglichkeiten heben sich jedoch stark von früheren ab. Mittlerweile sind extrem niederohmige, nahezu fehlerfreie Widerstände sowie eine sehr präzise Messwerterfassung verfügbar. Das eröffnet dem Entwickler Anwendungsfelder, an die noch vor 10 Jahren niemand gedacht hatte.

Die Steuerung und Regelung von Aktoren im Kfz erfordert meist Ströme im Bereich bis 1 bis 100 A, in Sonderfällen (z. B. bei der Lamdasonden-Vorheizung) fließen auch kurzzeitig 2 … 300 A oder beim Anlasser sogar bis 1500 A. Im Bereich Batterie- und Powermanagement ist die Situation noch extremer, denn hier liegen im Betrieb des Fahrzeuges die Dauerströme bei 100 bis 300 A während im Ruhezustand nur wenige mA sicher erfasst werden müssen.

Vom Spannungsabfall am Widerstand zum Strom

Bei der Stromerfassung über einen Widerstand wird nach dem Ohmschen Gesetz der Spannungsabfall als direktes Maß für den Strom ausgewertet. Das ist völlig unkritisch bei Widerstandswerten >1 Ω und Strömen von einigen 100 mA. Die Situation ändert sich aber vollständig. wenn Ströme im Bereich oberhalb 10 bis 20 A im Spiel sind, denn jetzt kann im Allgemeinen die im Widerstand entstehende Verlustleistung (P = R · I2) nicht mehr vernachlässigt werden. Man wird versuchen die Verlustleistung durch niedrigere Widerstandswerte zu begrenzen, aber da gleichzeitig auch die Mess-Spannung niedriger wird, ist der Widerstandswert oft durch die endliche Auflösung und Güte der Auswerteelektronik begrenzt.

Allgemein gilt für die am Widerstand gemessene Spannung:

U = R · I + Uth + Uind + Uiext + …

mit Uth = Thermospannung, Uind = induzierte Spannung und Uiext = Spannungsabfall an den Zuleitungen

In diesen Fällen können die nicht von einem Stromfluss verursachten Fehlerspannungen das Messergebnis völlig verfälschen, weshalb der Designer die Ursachen kennen sollte und deren Einfluss durch sorgfältige Abstimmung des Layouts und vor allem durch die Auswahl geeigneter Bauelemente minimieren sollte.

Ein elektrischer Widerstand kann im Grunde aus irgendeinem leitfähigen Material hergestellt werden. Zur Strommessung ist ein solches Bauelement aber sicher nicht geeignet, da der Widerstandswert von Parametern wie Temperatur, Zeit, Spannung, Frequenz usw. abhängig sein wird.

R = R (T, t, P, Hz, U, A, µ, p, …)

Da der ideale, von diesen Parametern völlig unabhängige Messwiderstand natürlich nicht existiert, wird der reale Widerstand beschrieben durch die in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Eigenschaften wie Temperaturkoeffizient (TK), Langzeitstabilität, Thermospannung, Belastbarkeit, Induktivität, Linearität usw.

Einige Widerstandseigenschaften sind materialbedingt, andere werden von der Bauart beeinflusst oder von Fertigungsverfahren bestimmt
Einige Widerstandseigenschaften sind materialbedingt, andere werden von der Bauart beeinflusst oder von Fertigungsverfahren bestimmt (Bild: Bild: Isabellenhütte)

Einige dieser Eigenschaften sind im Wesentlichen materialbedingt, andere werden stark durch die Bauart beeinflusst – und wieder andere werden durch das Produktionsverfahren bestimmt, wie in der Tabelle dargestellt.

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