Grundlagen der Strommessung: Teil 1 – Strommesswiderstände

Von Steve Leibson

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Anmerkung des Herausgebers: Diese zweiteilige Artikelserie geht auf die unterschätzten Besonderheiten bei der Strommessung ein. In diesem ersten Teil geht es um den allgemeinen Einsatz, die Auswahl und die Implementierung eines geeigneten Strommesswiderstands. Teil 2 behandelt dann die zugehörigen Schaltkreise wie etwa das wichtige analoge Frontend (AFE) und den Instrumentenverstärker.

Die Grundlagen der Strommessung

Der Stromfluss ist einer der am häufigsten verwendeten Parameter zur Beurteilung, Steuerung und Diagnose der Effektivität von elektronischen Systemen. Aber gerade weil es sich um eine so alltägliche Messung handelt, geraten Entwickler oft in Schwierigkeiten, wenn sie die Feinheiten einer genauen Strommessung unterschätzen.

Das am häufigsten zur Messung des Stromflusses verwendete Messelement ist ein kleiner Präzisionswiderstand, der in den Strompfad integriert wird. An diesem Widerstand, der üblicherweise als Shunt bezeichnet wird, fällt eine Spannung ab, die proportional zum Strom ist, der durch den Widerstand fließt. Da der Shunt-Widerstand den Stromfluss nicht maßgeblich beeinträchtigen sollte, ist sein Wert häufig recht klein dimensioniert und bewegt sich im Bereich von Milliohm oder Bruchteilen eines Milliohms (mΩ). Die am Shunt-Widerstand abfallende Spannung ist daher ebenfalls recht klein und erfordert häufig eine Verstärkung, bevor sie mit einem Analog/Digital-Wandler gewandelt werden kann.

Daher umfasst eine gängige Signalkettenkonfiguration zur Stromüberwachung ein analoges Frontend (AFE) zur Verstärkung der am Shunt-Widerstand abfallenden Spannung, einen Analog/Digital-Wandler zur Wandlung der verstärkten Spannung in ein digitales Signal und einen Systemregler (Abbildung 1).

Schaltbild des Shunt-Widerstands zur Strommessung

Abbildung 1: Am einfachsten lässt sich der Stromfluss mit einem Shunt-Widerstand (ganz links) messen, an dem eine Spannung abfällt, die proportional zum Stromfluss durch den Widerstand ist. Da die am Shunt-Widerstand abfallende Spannung sehr klein ist, wird sie über ein AFE verstärkt, um den vollständigen Messbereich des Analog/Digital-Wandlers zu nutzen. (Bildquelle: Texas Instruments)

Ein analoges Frontend (AFE), das üblicherweise über einen Operationsverstärker oder einen dedizierten Strommessverstärker implementiert wird, wandelt die kleine Differenzspannung, die am Shunt-Widerstand abfällt, in eine größere Ausgangsspannung, die den Messbereich des Analog/Digital-Wandlers besser ausnutzt. Der Analog/Digital-Wandler, bei dem es sich um eine eigenständige Komponente oder einen integrierten Block innerhalb eines Mikrocontrollers oder eines SoC (System-on-Chip) handeln kann, digitalisiert das Spannungssignal und leitet die Informationen an den Steuerprozessor weiter. Der Systemregler verwendet die digitalisierte Messung des Stromflusses zur Optimierung der Systemleistung oder zur Implementierung von Sicherheitsprotokollen, um eine Beschädigung des Systems zu vermeiden, wenn der Stromfluss einen voreingestellten Grenzwert überschreitet.

Als Sensorkomponente in der zur Wandlung des Stroms in eine Spannung verwendeten Kette haben alle physikalischen Merkmale des Widerstands (Widerstandswert, Toleranz, Stromkapazität, Wärmekoeffizient und thermischer EMK-Wert) Auswirkungen auf die Genauigkeit. Folglich ist die Auswahl eines geeigneten Shunt-Widerstands ausschlaggebend zur Optimierung der Strommessung.

Der Wert des Shunt-Widerstands sowie die an ihm abfallende Spannung stören das System. Beispielsweise kann ein zu hoher Shunt-Widerstand die Spannung verringern, die zur Versorgung der Last zur Verfügung steht, und dadurch unnötige Verluste verursachen.

Wenn beispielsweise der einer Motorwicklung zugeführte Strom gemessen wird, verringert ein Spannungsabfall die dem Motor zur Verfügung stehende elektrische Leistung, was sich wiederum auf seinen Wirkungsgrad und/oder sein Drehmoment auswirkt. Darüber hinaus bewirken hohe Ströme durch den Shunt-Widerstand (Dutzende oder Hunderte von Ampere), dass am Widerstand eine sehr hohe Leistungsmenge als Abwärme abgeführt wird, wodurch die Messung weniger exakt und weniger effizient ist. Aus diesen Gründen sollte der Shunt-Widerstand so klein wie möglich dimensioniert werden.

Auswahl eines Shunt-Widerstands zur Strommessung

Die Tatsache, dass an Shunt-Widerständen aufgrund des durch sie hindurchfließenden Laststroms Leistung abgeführt wird, macht es erforderlich, dass ihr Widerstandswert sehr klein ist. Für eine bessere Messbeständigkeit sollten Strommesswiderstände des Weiteren über einen sehr niedrigen Temperaturkoeffizienten (TK) verfügen. Ein niedriger TK sorgt für eine hohe Messgenauigkeit mit geringer Temperaturabhängigkeit.

Der thermische EMK-Wert des Strommesswiderstands ist ein weiteres wichtiges Merkmal. Shunt-Widerstände zur Strommessung müssen für verschiedenste Stromstärken geeignet sein. Bei einer niedrigen Stromstärke, z. B. in einer Batterieanwendung im Schlaf- oder Standby-Modus, bewirkt der thermische EMK-Wert des Shunt-Widerstands zusätzlich zu der am Widerstand aufgrund des Stromflusses abfallenden Spannung eine messbare Fehlerspannung. Diese Fehlerspannung sollte sehr viel niedriger sein als die niedrigste erwartete Spannung am Shunt-Widerstand aufgrund des zu messenden Stromflusses. Dadurch werden Messfehler minimiert.

Shunt-Widerstände für Strommessanwendungen sind mit zwei oder vier Anschlussklemmen verfügbar. Ein Shunt-Widerstand mit zwei Anschlussklemmen ist am einfachsten zu verstehen, da seine Funktionsweise mit der eines jeden anderen Widerstands mit zwei Anschlussklemmen identisch ist. Ein Stromfluss durch den Shunt-Widerstand mit zwei Anschlussklemmen bewirkt eine Spannung zwischen den Anschlüssen, die proportional zum durch den Widerstand fließenden Strom ist.

Beispiele für Shunt-Widerstände mit zwei Anschlussklemmen sind die Shunt-Widerstände von Bourns aus der CSS2-Baureihe sowie die Shunt-Widerstände von Vishay aus der WSLP -Baureihe. Die CSS2-Baureihe von Bourns umfasst Shunt-Widerstände mit Leistungen von 2 bis 15 Watt, Widerstandswerten von 0,2 bis 5 mΩ und maximalen Nennströmen von 140 bis 273 Ampere. Eine typische Komponente aus dieser Baureihe, der CSS2H-2512R-L500F, wird in einem oberflächenmontierten Paket (Grundflächengröße 2512) geliefert und bietet einen Widerstandswert von 0,5 mΩ und eine Leistung von 6 Watt.

Die WSLP-Baureihe von Vishay umfasst Shunt-Widerstände in verschiedenen oberflächenmontierten Paketausführungen mit Grundflächengrößen von 0603 bis 2512 und Leistungswerten von 0,4 bis 3 Watt, Widerstandswerten von 0,5 mΩ bis 0,1 Ω und Widerstandstoleranzen von 0,5 oder 1 %. Ein typischer Shunt-Widerstand zur Strommessung von Vishay ist der WSLP1206R0150FEA, der eine Grundflächengröße von 1206 bietet sowie einen Widerstandswert von 15 mΩ, eine Toleranz von 1 % und eine Leistung von 1 Watt.

Beachten Sie, dass diese für die Oberflächenmontage vorgesehenen Shunt-Widerstände klein sind und nur sehr wenig Platz auf der Platine benötigen. Da sie jedoch erhebliche Wärmemengen ableiten können, sollten sie nicht in unmittelbarer Nähe von wärmeempfindlichen Komponenten platziert werden.

Ein Shunt-Widerstand, drei Widerstandswerte

Trotz ihres Aussehens sind Shunt-Widerstände nicht so simpel aufgebaut, wie es scheint. Insbesondere setzt sich der Widerstandswert eines Shunt-Widerstands eigentlich aus drei Widerstandswerten zusammen (Abbildung 2). Da wäre zuerst der Widerstandswert des Shunt-Widerstands selbst. Dann gibt es noch die Widerstandswerte der Leitungen des Shunt-Widerstands sowie der Leitungen auf der Leiterplatte, die mit dem Shunt-Widerstand verbunden sind. Normalerweise können diese Leitungswiderstände vernachlässigt werden. Da Shunt-Widerstände üblicherweise jedoch sehr klein sind, ist dies hier nicht der Fall. Bei der Messung hoher Ströme führen selbst geringe Leitungswiderstände zu Messfehlern, da sie nicht in den Widerstandsspezifikationen des Herstellers des Shunt-Widerstands aufgeführt sind.

Schaltbild eines Shunt-Widerstands mit zwei Anschlussklemmen als drei in Reihe geschaltete Widerstände

Abbildung 2: Ein Shunt-Widerstand mit zwei Anschlussklemmen setzt sich aus drei in Reihe geschalteten Widerständen zusammen. Bei diesen Widerständen handelt es sich um den Widerstand des eigentlichen Shunt-Widerstands, den Widerstand der zwei Leitungen des Widerstands sowie den Widerstand der Leitungen bzw. Spuren auf der Leiterplatte, die mit dem Widerstand verbunden sind (in der Abbildung nicht gezeigt). Die Leitungswiderstände können bei der Messung hoher Ströme zu Messfehlern führen. (Bildquelle: Bourns)

Eine Möglichkeit zur Vermeidung der Messfehler aufgrund der Leitungswiderstände ist die Verwendung einer Kelvin-Verbindung, indem separate Messspuren zum Shunt-Widerstand mit den zwei Anschlussklemmen geführt werden (Abbildung 3).

Schaltbild einer Kelvin-Verbindung zu einem Strommesswiderstand mit zwei Anschlussklemmen

Abbildung 3: Eine Kelvin-Verbindung zu einem Strommesswiderstand mit zwei Anschlussklemmen reduziert die Messfehler, die durch die Leitungswiderstände des Shunt-Widerstands und der Leiterplatte verursacht werden. Rechts sind Beispielbilder von Shunt-Widerständen mit zwei Anschlussklemmen zur Strommessung zu sehen. (Bildquelle: Bourns)

In dieser Konfiguration erfolgt der Stromfluss zum und vom Shunt-Widerstand über große Leiterplattenspuren. Sehr viel kleinere Spuren, die sich nicht im Hauptstromfluss befinden, sondern so nahe wie möglich am Widerstandselement des Shunt-Widerstands positioniert sind, greifen die am Shunt-Widerstand abfallende Spannung ab und übermitteln den Spannungswert an das AFE. Die Kelvin-Verbindung ist über die Trennung der stromführenden Anschlussklemmen von den Messklemmen definiert.

Die schematische Darstellung einer Kelvin-Verbindung mit einem Shunt-Widerstand mit zwei Anschlussklemmen ist in Abbildung 4 zu sehen.

Schaltbild einer Kelvin-Verbindung mit einem Shunt-Widerstand mit zwei Anschlussklemmen

Abbildung 4: Durch die Verwendung einer Kelvin-Verbindung zu einem Shunt-Widerstand befinden sich die Leitungen zur Spannungsmessung nicht im Hauptstrompfad, wodurch eine exaktere Messung der am Shunt-Widerstand abfallenden Spannung möglich wird. (Bildquelle: Bourns)

Durch die zwei in Abbildung 4 gezeigten Messwiderstände fließt nur ein sehr geringer Strom, da sie entweder mit dem Eingang eines Verstärkers oder mit dem eines Analog/Digital-Wandlers verbunden sind, die beide über einen hohen Eingangswiderstand verfügen. Dadurch sind ihre Widerstandswerte weit weniger wichtig als die der Leitungen, über die hohe Ströme zum Shunt-Widerstand und von ihm weg fließen. Folglich sind die an den Messwiderständen abfallenden Spannungen relativ klein und stellen keine relevanten Fehlerquellen für die Strommessung dar.

Zwei Anschlussklemmen oder vier?

Anhand des in Abbildung 3 gezeigten Layouts der Leiterplatte kann man erkennen, dass es nicht möglich ist, die Leitungswiderstände bei einem Shunt-Widerstand mit zwei Anschlussklemmen vollständig zu eliminieren, selbst mit einer Kelvin-Verbindung nicht. Es ist eine gewisse Toleranz des Pad-Layouts erforderlich, um Positionierungsfehler auszugleichen, wenn der Shunt-Widerstand auf der Leiterplatte platziert und verlötet wird.

Darüber hinaus ist der TK der Kupferspuren der Leiterplatte (3900 ppm/°C) sehr viel höher als der TK des Widerstandselements des Shunt-Widerstands (häufig geringer als 50 ppm/°C). Diese Unterschiede der Parameter bewirken, dass die Widerstandsänderung in den Leiterplattenspuren sehr viel höher ist als die Änderung des Strommesswiderstands, wodurch die Abhängigkeit des Messkreises von der Temperatur hoch ist.

Bei Verwendung eines Shunt-Widerstands mit zwei Anschlussklemmen und einer Kelvin-Verbindung kann es sein, dass die Präzision für viele Strommessanwendungen mit hohen Strömen nicht ausreicht. Für derartige Anwendungen bieten die Hersteller Shunt-Widerstände mit vier Anschlussklemmen an, bei denen die Kelvin-Verbindung in den Widerstand integriert ist. Auf diese Weise kann der Hersteller sämtliche Toleranzen und Temperaturkoeffizienten bezüglich der Kelvin-Verbindung (Abbildung 5) steuern.

Schaltbild eines Shunt-Widerstands mit vier Anschlussklemmen und einer integrierten, hoch präzisen Kelvin-Verbindung

Abbildung 5: Ein Shunt-Widerstand mit integrierter, hoch präziser Kelvin-Verbindung. Die Messanschlüsse befinden sich hierbei sehr nahe am Shunt-Widerstand. Rechts ist ein Beispielbild eines Shunt-Widerstands mit vier Anschlussklemmen zur Strommessung zu sehen. (Bildquelle: Bourns)

Ein Strommesswiderstand mit vier Anschlussklemmen, der eine Kelvin-Verbindung verwendet, verfügt über separate Anschlüsse für die Leitungen, die den hohen Strom durch den Widerstand leiten, und für die Spannungsmessung. Dies trägt zur Verbesserung der Messgenauigkeit bei. Des Weiteren werden durch einen Shunt-Widerstand mit vier Anschlussklemmen und integrierter Kelvin-Verbindung die Auswirkungen des TK verringert, da im Vergleich zu einem Shunt-Widerstand mit zwei Anschlussklemmen und einem Leiterplattenlayout zur Implementierung der Kelvin-Verbindung die Temperaturstabilität höher ist.

Die CSS4-Baureihe oberflächenmontierbarer Komponenten von Bourns umfasst mehrere Shunt-Widerstände mit vier Anschlussklemmen (Abbildung 6).

Schaltbild eines oberflächenmontierbaren Shunt-Widerstands aus der CSS4-Baureihe von Bourns

Abbildung 6: In den oberflächenmontierbaren Shunt-Widerständen aus der CSS4-Baureihe von Bourns kommt eine Kelvin-Verbindung mit vier Anschlussklemmen zum Einsatz, um die Genauigkeit der Strommessung zu optimieren. (Bildquelle: Bourns)

Repräsentative Vertreter aus der CSS4-Baureihe von Bourns sind der Shunt-Widerstand CSS4J-4026R-L500F mit 1 %, 5 Watt und 0,5 Milliohm sowie der Shunt-Widerstand CSS4J-4026K-2L00F mit 1 %, 4 Watt und 2 mΩ. Beide Komponenten verfügen über einen niedrigen TK, einen niedrigen thermischen EMK-Wert und einen Footprint von weniger als 10 mm x 7 mm.

Fazit

Der erste Schritt bei der Messung des Stromflusses besteht in der Wandlung des elektrischen Stroms in einen einfacher zu messenden Spannungsparameter. Shunt-Widerstände zur Strommessung sind kostengünstige Komponenten, die hierfür geeignet sind. Wie gezeigt sollte der Wert eines Shunt-Widerstands jedoch klein sein, um seine Auswirkungen auf den Schaltkreis sowie die Verlustleistung im Widerstand selbst zu minimieren.

Weitere wichtige Parameter für Shunt-Widerstände sind der TK und der thermische EMK-Wert, die beide beträchtliche Auswirkungen auf die Genauigkeit der Strommessung haben können.

Schließlich ist es zur Optimierung der Messgenauigkeit noch unerlässlich, den hohen Strom, der durch den Strommesswiderstand fließt, aus dem Messpfad fernzuhalten. Hierfür kann entweder ein spezielles Leiterplattenlayout verwendet werden, das eine Kelvin-Verbindung für einen Strommesswiderstand mit zwei Anschlussklemmen erzeugt, oder aber ein Strommesswiderstand mit vier Anschlussklemmen.

Da ein niedriger Widerstandswert bedeutet, dass die am Strommesswiderstand abfallende Spannung ebenfalls klein ist, wird Teil 2 dieser Artikelserie auf das Design eines analogen Frontends (AFE) eingehen, das die niedrige Spannung verstärkt, wodurch sie von einem Analog/Digital-Wandler leichter gemessen werden kann.

Referenzen:

  1. Pini, A. (2018). Effiziente Auswahl und Anwendungen von Strommessverstärkern für ein besseres Leistungsmanagement Artikelbibliothek von Digi-Key.

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Über den Autor

Steve Leibson

Steve Leibson war Systemingenieur für HP und Cadnetix, der Chefredakteur für EDN und Microprocessor Report, ein Tech-Blogger für Xilinx und Cadence (u.a.) und er diente als Technologieexperte für zwei Folgen von „The Next Wave with Leonard Nimoy“. Er hilft Entwicklern seit 33 Jahren, bessere, schnellere und zuverlässigere Systeme zu entwickeln.

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