Sensor

Strom-Shunt-Widerstand

Berechnet Shunt-Spannungsabfall, Verstärkerausgang, Leistungsabgabe und ADC-Auflösung für die Strommessung.

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Formel

V_sh = I × R_sh, P = I² × R_sh

R_sh— Shunt resistance (Ω)

I— Measured current (A)

Wie es funktioniert

Ein Stromshunt ist ein Präzisionswiderstand mit niedrigem Widerstand, der in Reihe mit einem Strompfad geschaltet ist, um einen messbaren Spannungsabfall proportional zum Strom zu erzeugen: v_SH = I × R_sh. Diese kleine Spannung (typischerweise 1—100 mV bei voller Skala) wird dann durch einen Differenzverstärker oder einen speziellen Current-Sense Amplifier (CSA) -IC für die ADC-Abtastung verstärkt. Die wichtigsten Kompromisse sind die Verlustleistung (P = I² × R_Sh, wodurch der Shunt nicht überhitzt oder die Schaltungseffizienz beeinträchtigt werden darf), die Verstärkungsverstärkung (eine höhere Verstärkung ermöglicht einen kleineren R_Sh, erhöht aber das Rauschen) und die ADC-Auflösung. Für einen 12-Bit-ADC mit voller Skala von v_Ref ist die aktuelle Auflösung ΔI = (V_ref/4096)/(G × R_Sh). Übliche Shunt-Werte sind 1—100 mΩ für Hochstromanwendungen (>1 A) und 1—10 Ω für Niederstrommessungen (<100 mA). Spezielle ICs (INA219, INA240, MAX9934) integrieren den Verstärker und enthalten häufig einen Sigma-Delta-ADC für die direkte digitale Stromauslesung über I²C.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Messen Sie 0—20 A mit einem 5-mΩ-Shunt mit einem INA240 (Verstärkung = 20 V/V) und einem 3,3-V-12-Bit-ADC. Ermitteln Sie die Shuntspannung, die Verstärkerleistung bei voller Skala und die Auflösung. Lösung: 1. Shuntwiderstand: r_SH = 5 mΩ = 0,005 Ω 2. Shuntspannung bei voller Skala: v_SH = 20 A × 0,005 Ω = 100 mV 3. Verstärkter Ausgang: V_Amp = 100 mV × 20 = 2,0 V (innerhalb des ADC-Bereichs von 3,3 V ✓) 4. Verlustleistung bei 20 A: P = 20² × 0,005 = 2 W — Verwenden Sie einen Shunt mit einer Nennleistung von 3 W 5. ADC-Auflösung: ΔI = (3,3/4096)/(20 × 0,005) = 0,806 mV/0,1 V/A = 8,06 mA/LSB Ergebnis: Der 5-mΩ-Shunt ergibt einen Ausgangswert von 100 mV, eine um 2,0 V verstärkte Ausgangsleistung und 8 mA pro ADC-Schritt.

Praktische Tipps

✓Verwenden Sie einen speziellen Strommessverstärker-IC anstelle eines diskreten Instrumentenverstärkers — INA240, INA219 und MAX9934 sind für die bidirektionale Strommessung mit integrierten EMI-Filtern konzipiert.
✓Verwenden Sie für das Batteriemanagement eine Low-Side-Sensorik (Shunt zwischen Last- und Systemmasse), um Gleichtaktspannungsprobleme zu vermeiden, wenn die Versorgungsschiene schwankt.
✓Fügen Sie einen kleinen RC-Filter am Verstärkereingang hinzu (z. B. 10 Ω + 100 nF Differenz), um hochfrequente Schaltgeräusche von PWM-Motortreibern zu unterdrücken.

Häufige Fehler

✗Platzieren Sie den Shunt auf der hohen Seite und verwenden Sie einen massenreferenzierten Verstärker mit Einzelversorgung — für die High-Side-Sensorik ist ein Rail-to-Rail- oder Hochspannungsdifferenzverstärker erforderlich. Massereferenzverstärker funktionieren nur für Low-Side-Shunts.
✗Kelvin-Verbindungen werden ignoriert — normale Leiterbahnen auf dem Shunt fügen einen Serienwiderstand hinzu, der als Messfehler erscheint. Verwenden Sie einen Shunt-Widerstand mit 4 Anschlüssen (Kelvin) und verlegen Sie die Spannungserfassungsleitern direkt von den Shunt-Anschlüssen.
✗Unterdimensionierung der Shunt-Leistung — bei hohen Strömen dominiert der I²-Term; ein 10-mΩ-Shunt bei 10 A leitet 1 W ab und driftet erheblich, wenn nur ein 0,1-W-Widerstand verwendet wird.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen High-Side- und Low-Side-Strommessung?

Bei der Low-Side-Sensorik wird der Shunt zwischen Last und Masse platziert — einfache Verstärker mit nur einer Versorgungsspannung funktionieren zwar, aber Bodenstörungen wirken sich auf die Messung aus und der Boden der Last schwebt. Bei der High-Side-Messung wird der Shunt zwischen der Versorgung und der Last platziert. Das Ergebnis ist eine echte Gleichtaktmessung und detektiert Leckströme, erfordert jedoch einen Verstärker mit hoher Gleichtaktspannung (z. B. INA240 mit einer Nennleistung von 80 V).

Wie wähle ich den Shunt-Widerstandswert?

Wählen Sie R_sh, um eine Spannung von 50—100 mV im vollen Bereich zu erzeugen (klein genug, um Leistungsverluste zu minimieren, groß genug für ein gutes SNR). Wählen Sie dann die Verstärkungsstärke so, dass die verstärkte Spannung den ADC-Eingangsbereich ausfüllt. Stellen Sie sicher, dass die Verlustleistung P = i²R_SH innerhalb der Nennleistung des Shunts mit einem Sicherheitsabstand von 2 × liegt.

Kann ich einen Standardwiderstand als Stromshunt verwenden?

Nur wenn es einen niedrigen Temperaturkoeffizienten (TCR < 50 ppm/°C) hat und für die erforderliche Leistung ausgelegt ist. Standardwiderstände mit 1% iger Metallschicht haben einen TCR von ~100 ppm/°C; Präzisions-Shunt-Widerstände (z. B. Vishay WSL- oder BVS-Serie) haben einen TCR von < 50 ppm/°C und Kelvin-Anschlüsse mit vier Anschlüssen für eine genaue Messung.

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