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Sensor

Strom-Shunt-Widerstand

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

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Formel

Vsh=I×Rsh,P=I2×RshV_sh = I × R_sh, P = I² × R_sh
R_sh— Shunt-Widerstand (Ω)
I— Gemessener Strom (A)

Wie es funktioniert

Dieser Rechner bestimmt die Parameter des Stromshuntwiderstands und die Anforderungen an den Verstärker für eine präzise Strommessung, die für Entwickler von Batteriemanagementsystemen, Motorsteuerungstechniker und Entwickler von Leistungselektronik unverzichtbar ist. Ein Stromshunt ist ein Präzisionswiderstand mit niedrigem Widerstand (typischerweise 1—100 mOhm), der in Reihe zum Strompfad geschaltet ist und einen Spannungsabfall Vsh = I Rsh pro Ohmsches Gesetz erzeugt. Die wichtigsten Kompromisse sind die Verlustleistung (P = I^2 Rsh, wodurch der Shunt nicht überhitzt oder die Effizienz beeinträchtigt werden darf) und das Signal-Rausch-Verhältnis (größer Rsh = mehr Spannung = besseres SNR, aber mehr Verlust). Ein 5-mOhm-Shunt bei 20 A leitet 2 W ab und erzeugt 100 mV. Dedizierte Strommessverstärker (INA240, INA219, MAX9634) verstärken dieses Millivolt-Signal mit Verstärkungen von 20—200 V/V und einem CMRR-Wert von >120 dB laut Datenblatt. High-Side-Sensing (Shunt zwischen Versorgung und Last) erkennt Fehlerströme und Erdfehler, erfordert jedoch Verstärker mit hoher Gleichtaktstärke, die bis zu 80 V+ pro INA240 ausgelegt sind. Bei der Low-Side-Sensorik (Shunt zwischen Last und Masse) werden einfachere Verstärker verwendet, die Masse der Last ist jedoch um Vsh schwimmend.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Entwickeln Sie eine Strommessung für eine 48V/30-A-E-Bike-Motorsteuerung. Anforderungen: Genauigkeit von +/- 0,5%, Wirkungsgradverlust von < 0,5%, 12-Bit-ADC mit 3,3-V-Referenz.

Lösung:

  1. Leistungsbudget: 0,5% von 48 V* 30 A = max. 7,2 W; angestrebtes 2 W -> Rsh = P/I^2 = 2/900 = 2,22 mOhm
  2. Verwenden Sie einen Standard-Shunt mit 2 MOhm (Vishay WSL2512, +/ -0,5%, 1 W pro Element, verwenden Sie 2 parallel)
  3. Spannung bei voller Skala: Vsh = 30 A * 2 mOhm = 60 mV
  4. Erforderliche Verstärkung für 3,0 V-Ausgang: G = 3000/60 = 50 V/V
  5. Wählen Sie INA240A2 (Verstärkung = 50 V/V, CMRR = 132 dB, Bandbreite = 400 kHz)
  6. Auflösung: 3,3 V/4096/50 = 16,1 uV = 8,1 mA/LSB
  7. Verlustleistung: 30^2 * 0,002 = 1,8 W (innerhalb des Budgets von 2 W, 0,125% Wirkungsgradverlust)
  8. Kelvin-Anschluss erforderlich: Der Shunt mit 4 Anschlüssen verhindert den Leiterplattenwiderstand
Ergebnis: Der 2-mOhm-Shunt mit INA240A2 bietet eine Auflösung von 8 mA, eine Genauigkeit von +/- 0,5% und einen Wirkungsgradverlust von nur 0,125% bei vollem Strom.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie spezielle Strommessverstärker-ICs (INA240, INA219, MAX9634) anstelle von diskreten Instrumentenverstärkern. Dazu gehören EMI-Filter, Präzisionsverstärkung und optimierte Gleichtaktunterdrückung für Schaltumgebungen gemäß SLVA458 von Texas Instruments
  • ✓Beim Batteriemanagement verhindert die Low-Side-Sensorik (Shunt zwischen Batterieminuswert und Masse) eine hohe Gleichtaktspannung, überwacht aber separat auf Erdfehler; die High-Side-Sensorik erkennt sowohl Last- als auch Fehlerströme
  • ✓Fügen Sie einen RC-Filter am Verstärkereingang hinzu (10 Ohm + 100 nF Differenz), um hochfrequente Schaltgeräusche von PWM-Motortreibern zu unterdrücken. Dadurch wird die Bandbreite auf 160 kHz begrenzt, während Schaltoberschwingungen von >1 MHz unterdrückt werden

Häufige Fehler

  • ✗Verwendung eines High-Shunts mit einem massenreferenzierten Verstärker: Für die High-Side-Sensorik sind Verstärker erforderlich, die für Gleichtaktspannungen ausgelegt sind (INA240 bis 80 V, INA282 bis 110 V); erdreferenzierte Operationsverstärker sättigen, wenn Vcm die Versorgungsschienen überschreitet
  • ✗Kelvin-Verbindungen werden ignoriert: Standard-Shunts mit 2 Anschlüssen verfügen über einen Leiterplattenwiderstand, der zu Messfehlern führt. Verwenden Sie 4-polige (Kelvin) -Shunts und leiten Sie die Spannungserfassungsleitungen direkt von den Shunt-Sensor-Pads aus gemäß Vishay-Anwendungshinweis AN-28e
  • ✗Unterdimensionierung der Shunt-Nennleistung: Bei hohen Strömen dominiert I^2; ein 10-Mohm-Shunt bei 10 A verbraucht 1 W und driftet deutlich ab, wenn er nur für 0,25 W ausgelegt ist; verwenden Sie eine zweifache Leistungsreduzierung gemäß IPC-2221

Häufig gestellte Fragen

Bei der Low-Side-Sensorik wird der Shunt zwischen Lastmasse und Systemmasse platziert; einfache Verstärker mit nur einer Versorgungsspannung funktionieren (Vcm nahe 0 V), aber die Masse der Last bewegt sich um Vsh (typischerweise 50-100 mV) und Fehlerströme zur Masse umgehen den Shunt. Bei der High-Side-Sensorik wird der Shunt zwischen Versorgung und Last platziert; sie sorgt für eine echte gemeinsame Masse und erkennt alle Ströme einschließlich Störungen, erfordert jedoch Verstärker mit hohem Gleichtaktmodus. INA240 verarbeitet den 80-V-Gleichtaktmodus; INA282 verarbeitet 110 V. High-Side wird für sicherheitskritische Anwendungen gemäß ISO 26262 bevorzugt.
Für ein gutes SNR sollten Sie eine Spannung von 50-100 mV anstreben und gleichzeitig den Leistungsverlust auf < 1% der Systemleistung begrenzen. Rsh = VSH_Target/Imax. Verwenden Sie für 100 mV bei 10 A 10 mOhm. Überprüfen Sie dann die Leistung: P = I^2 * R = 100 * 0,01 = 1 W. Wählen Sie gemäß den Auswahlrichtlinien von Vishay und Bourns einen Shunt, der für die doppelte berechnete Leistung mit TCR10A <50 ppm/C. Common values: 1-10 mOhm for >, 10-100 mOhm für 1—10 A, 100 mOhm-1 Ohm für <1A ausgelegt ist.
Nur für Anwendungen ohne Präzision. Standardwiderstände mit einem Metallfilm von 1% haben einen TCR von 100 ppm/C, was zu einer Drift von 1% über 100 °C führt. Präzisions-Shuntwiderstände (Vishay WSL, Bourns CSM, Ohmite LVK) haben einen TCR von <50 ppm/C, eine bessere Wärmekopplung und Kelvin-Anschlüsse mit 4 Anschlüssen für eine genaue Messung. Verwenden Sie für eine Stromgenauigkeit von +/- 0,5% Präzisions-Shunts mit einer Toleranz von +/- 0,5% und einem TCR von <20 ppm/C gemäß den Anforderungen von IEC 62576.

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