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Shunts
Shunt Widerstände zum exakten Messen von hohen Strömen
Ratgeber Shunts
Inhalt
Shunt Widerstand – Was ist das?
Hohe elektrische Leistungen können - abgesehen von der Anwendung von Hochspannung - nur mit hohen elektrischen Strömen realisiert werden. Hohe Ströme können jedoch nicht ohne weiteres mit handelsüblichen Strommessgeräten gemessen werden, da diese in der Regel bei wenigen Ampere enden. Es muss also ein Weg gefunden werden, den Großteil des wärmeerzeugenden Stroms nicht durch das Messgerät fließen zu lassen, sondern an ihm vorbei. Die einfachste Lösung ist eine Parallelschaltung, bei der die Parameter des Shunts sehr genau bekannt sind. Shunt" bedeutet im Englischen "Ableitung, Abzweigung" und wird auch als Begriff für Parallelschaltung verwendet. Hier kommen heute spezielle Produkte für die Strommessung zum Einsatz - die Shunt-Widerstände. Sie ermöglichen es, sehr hohe Ströme mit beeindruckender Genauigkeit zu messen.
Sie haben einen sehr geringen elektrischen Widerstand (im Milli-Ohm-Bereich) und sind bei modernen Produkten mit getrennten Anschlüssen für Strom und Spannung ausgestattet. Sollen hohe Ströme gemessen werden, baut man diese Bauelemente direkt in den Hauptstromkreis ein und verwendet die Spannungsabgriffe, um den Spannungsabfall mit einem Voltmeter zu messen. Da der Widerstand des Shunts bekannt ist, kann bei Gleichstrom der Strom einfach mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes berechnet werden.
Widerstandselement, Anschlussblock und Terminals
Als Widerstandsmaterial für die Shunts wird eine spezielle Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung verwendet, die als Manganin bekannt ist. Manganin eignet sich hervorragend für diese Messanwendungen, da es einen sehr niedrigen und vorhersagbaren Wärmewiderstandskoeffizienten aufweist und über die Zeit sehr stabil bleibt. Der Anschlussblock besteht normalerweise aus Messing oder Kupfer, an dem die Hochstromdrähte mit dem Shunt verbunden sind und an dem sich die Messanschlüsse befinden. Der Shunt hat einen Anschluss für die schweren stromführenden Leiter und zwei kleinere Anschlüsse für die Befestigung der Spannungsmessdrähte. Der Spannungsabfall wird an den Messklemmen gemessen, woraus der über den Shunt fließende Strom bestimmt werden kann.
Nennstrom und Ausgangsspannung
Der Nennstrom (engl. rated current) ist der für das Produkt spezifizierte Strom durch den Shunt, der zu dem spezifizierten Spannungsabfall, d. h. dem spezifizierten Ausgangswert in Millivolt, führt.
Mit anderen Worten, der Nennstrom fließt genau dann durch den Shunt, wenn die Ausgangsspannung den im Datenblatt angegebenen Wert annimmt. Diese Spannung dient als Bezugsspannung bei der Auswahl des Bauelements, da sich daraus direkt die Belastung (die Verlustleistung) des Bauelements berechnen lässt (bei Gleichstrom: Leistung = Strom x Spannung). Dieser Wert ist auch auf dem Bauteil selbst angegeben und entspricht gleichzeitig der maximalen Leistung, für die das Bauteil spezifiziert ist.
Betriebsstrom und Leistungsreduzierung
Unter normalen Betriebsbedingungen empfehlen wir dem Kunden, den Shunt mit nicht mehr als 2/3 des Nennstroms zu betreiben. In unseren Datenblättern wird dieser Wert als Betriebsstrom angegeben. Dieser Sicherheitsfaktor gewährleistet eine lange Lebensdauer.
Toleranzen
Die Shunts haben eine Standardtoleranz von 0,25% für den Spannungsausgang und werden bei Raumtemperatur kalibriert. Viele unserer Modelle sind auch mit einer Toleranz von nur 0,1% erhältlich.
Nennleistung
Der Shunt führt die durch den Spannungsabfall am Widerstandselement erzeugte Leistung durch Wärme ab. Diese Verlustleistung unterliegt dem Ohmschen Gesetz und führt zu einem sehr geringen Stromverbrauch der Bauelemente, da der Widerstand im Milliohm-Bereich liegt. Dennoch muss sichergestellt werden, dass die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Ein 10-A-Shunt mit 100 mV Ausgangsspannung wird mit der maximal zulässigen Leistung betrieben.
Leistung P = Nennstrom I x Spannungsabfall U = 10 A x 100 mV = 1 Watt
Betriebstemperatur
Shunts arbeiten am genauesten bei Temperaturen zwischen 30 °C und 60 °C. Es ist darauf zu achten, dass die durch die Leistungsaufnahme entstehende Wärme abgeführt werden kann. Bitte beachten Sie daher die Montagehinweise. Shunts können natürlich auch bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden, allerdings sinkt dann die Genauigkeit. In diesem Fall empfiehlt es sich, das Bauteil für diesen abweichenden Bereich gesondert zu kalibrieren. Grundsätzlich sollte die Temperatur der Widerstandselemente für den Normalbetrieb auf 125 °C begrenzt werden. Bei Temperaturen über 145 °C ist mit bleibenden Schäden zu rechnen. Es ist für eine ausreichende Wärmeabfuhr zu sorgen.
Temperaturkoeffizient
Der Temperaturkoeffizient des Widerstandes (engl. Temperature Coefficient of Resistance, TCR) gibt an, wie sich der Widerstandswert bei Temperaturänderungen einschließlich Eigenerwärmung ändert. Unser TCR aus dem Widerstandselementmaterial Manganin wird üblicherweise in ppm/°C (parts per million per degree Celsius) angegeben und weist einen typischen Wert von 20 ppm/°C auf.
In modernen Stromversorgungen wie Batteriemanagementsystemen und elektrischen Antrieben müssen oft hohe Ströme präzise gemessen werden. Insbesondere bei Anwendungen im Bereich der erneuerbaren Energien besteht ein Bedarf an Batterien mit höheren Kapazitäten, die kürzere Ladezeiten und damit immer höhere Leistungen an den Anlagen erfordern.
Hier ist eine genaue Messung und Überwachung hoher Ströme erforderlich. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, bieten Shuntwiderstände meist die einfachste Lösung. Die Auswahl der Shunts für die Anwendung erfolgt nach der Bauform, dem erforderlichen Nennstrom und dem durch den Widerstandswert mitbestimmten Ausgang in Millivolt.
Shunts sind oft individuelle und kundenspezifische Bauteile. Mit unserem „Resistor Engineering“ beraten wir Sie hinsichtlich Ihrer Anwendung und finden die optimale Produktlösung; und das bereits ab relativ kleinen Stückzahlen. Wir sind Ihr Partner für zuverlässige Qualitätsprodukte. Mit hoher Liefertreue setzen wir auf langfristige Zusammenarbeit und begleiten Sie über den gesamten Lebenszyklus Ihrer Anwendung.