Präzise Strommessungen mit Shunts entwickeln

Ein Strommesswiderstand wandelt den Strom in einem Stromkreis in eine kleine Spannung um, die ein Messgerät erfassen kann. Das Prinzip beruht auf dem Ohmschen Gesetz: Ein Strom durch einen bekannten Widerstand erzeugt einen proportionalen Spannungsabfall. Die Herausforderung bei der Auslegung besteht darin, einen Widerstand zu wählen, der groß genug für eine Messung, aber klein genug ist, um übermäßige Verluste, Erwärmung und Beeinflussung der Last zu vermeiden.

Mit den Messanforderungen beginnen

Definieren Sie den minimalen, normalen und maximalen Strom, bevor Sie die Hardware auswählen. Legen Sie außerdem fest, ob es sich um Gleichstrom, Wechselstrom oder eine geschaltete Wellenform handelt, ob die Stromrichtung relevant ist, welche Bandbreite erforderlich ist und welcher Gesamtfehler zulässig ist. Ein Strommesswiderstand, der nur für den Nennstrom ausgelegt ist, kann sich beim Starten, Bremsen oder unter Fehlerbedingungen überhitzen.

Entscheiden Sie, wie das Ergebnis verwendet wird. Die Energieüberwachung kann eine langsamere Reaktion tolerieren als die Motorsteuerung. Eine Schutzfunktion benötigt eine bekannte Erkennungszeit und einen definierten Fehlerbereich. Messgeräte benötigen möglicherweise eine bidirektionale Messung und eine galvanische Trennung vom zu prüfenden Stromkreis.

Widerstand anhand von Signal und Verlust auswählen

Die Spannung am Strommesswiderstand folgt V = I × R. Ein höherer Widerstand erzeugt ein größeres Signal und verbessert die Abgrenzung gegenüber Verstärkeroffset und Rauschen. Gleichzeitig erhöht er jedoch die Bürdenspannung und die Verlustleistung. Die Verlustleistung folgt P = I² × R, daher steigt die Erwärmung mit zunehmendem Strom schnell an.

Berechnen Sie den Spannungsabfall und die Verlustleistung beim höchstzulässigen Dauerstrom. Bewerten Sie anschließend die Überlastdauer und die thermische Erholung. Bestätigen Sie anhand des Datenblatts die Dauerbelastbarkeit, Impulsfestigkeit, den Temperaturkoeffizienten und die Montagebedingungen des Widerstands. Gehen Sie nicht davon aus, dass allein eine hohe Wattangabe die Messgenauigkeit bestimmt.

High-Side- oder Low-Side-Platzierung auswählen

Ein Low-Side-Strommesswiderstand sitzt zwischen der Last und dem Systemrückleiter. Dadurch können die Anforderungen an den Gleichtaktbereich des Verstärkers einfacher werden, aber die zusätzliche Spannung verändert das Massebezugspotenzial der Last. Dies kann andere angeschlossene Signale stören oder bestimmte Kurzschlusswege gegen Masse verbergen.

Ein High-Side-Strommesswiderstand sitzt zwischen Versorgung und Last. Er erhält das Massebezugspotenzial der Last und kann Strom erkennen, der in eine kurzgeschlossene Last fließt. Die Messschaltung muss die Gleichtaktspannung des Busses tolerieren. Die High-Side-Empfehlungen von Texas Instruments betonen die Auswahl eines Verstärkers, dessen Eingangsbereich und Schutzbeschaltung für diesen Bus geeignet sind.

Bei Phasenmessungen an Wechselrichtern erschweren die geschaltete Gleichtaktspannung und schnelle Transienten die Platzierung. Verwenden Sie Komponenten und Layouts, die für die Topologie vorgesehen sind. Übertragen Sie keine Niederspannungs-Prüfschaltung unverändert auf einen Antrieb mit hoher Energie.

Kelvin-Anschlüsse verwenden

Der Widerstand von Leitungen und Kupfer kann mit dem eines niederohmigen Strommesswiderstands vergleichbar sein. Bei einer Vierleiter- oder Kelvin-Messung werden Strompfad und Spannungserfassung getrennt. Führen Sie die Messleitungen direkt von den festgelegten Messpunkten zum Differenzeingang. Halten Sie sie als eng beieinanderliegendes Paar und fern von Schaltknoten.

Erfassen Sie die Messspannung nicht an beliebigen Punkten entlang einer Stromschiene oder Leistungsspur. Andernfalls können Kontaktwiderstände, Lötstellen und die Stromverteilung Teil der Messung werden. Der daraus entstehende Fehler kann sich mit Temperatur, Anzugsdrehmoment oder Alterung verändern.

Fehlerbudget erstellen

Berücksichtigen Sie die Toleranz des Strommesswiderstands, den Temperaturkoeffizienten, die Eigenerwärmung, den Verstärkeroffset, den Verstärkungsfehler, Eingangsvorspannungseffekte, den Referenzfehler, die ADC-Auflösung und das Rauschen. Bei kleinen Strömen dominiert häufig der Offset. Bei hohen Strömen können die Erwärmung des Strommesswiderstands und der Verstärkungsfehler überwiegen. Bandbreitenbegrenzungen können kurze Impulse verzerren, selbst wenn stationäre Messwerte korrekt sind.

Schätzen Sie den Temperaturanstieg des Strommesswiderstands unter repräsentativen Bedingungen für Luftstrom und Gehäuse ab. Der Widerstand ändert sich mit der Temperatur, und benachbarte Wärmequellen können den Grundwert verschieben, bevor Strom fließt. Wenn über einen weiten Bereich Genauigkeit erforderlich ist, reicht eine Kalibrierung an nur einem Punkt möglicherweise nicht aus.

Messkette schützen

Der Strommesswiderstand und der Verstärker können bei Verdrahtungsfehlern, induktiven Ereignissen und Störungen ungewöhnlichen Spannungen ausgesetzt sein. Setzen Sie die für den ausgewählten Verstärker empfohlene Eingangsfilterung und Schutzbeschaltung ein, ohne die erforderliche Reaktionsgeschwindigkeit zu verringern. Prüfen Sie neben der Belastbarkeit auch die zulässigen Spannungen der Widerstände.

Eine galvanische Trennung kann erforderlich sein, wenn der gemessene Stromkreis gefährlich ist, weit vom Controller-Massepotenzial entfernt schwebt oder sich in einem Stromrichter befindet. Die Trennstrategie muss Signal, Versorgung, Kriechstrecken, Luftstrecken und Fehlerenergie abdecken. Ein Differenzeingang allein stellt keine sichere galvanische Trennbarriere dar.

Mit kontrollierten Tests in Betrieb nehmen

Prüfen Sie vor dem Einschalten die Polarität, die Kelvin-Führung, die Abstände und die Montage des Strommesswiderstands. Beginnen Sie nach Möglichkeit mit einer strombegrenzten Quelle. Vergleichen Sie den Messkanal des Strommesswiderstands bei null, kleinem, normalem und hohem Strom mit einem geeigneten Referenzmessgerät. Testen Sie bei bidirektionalen Systemen beide Richtungen.

Lassen Sie die Baugruppe das thermische Gleichgewicht erreichen und wiederholen Sie die Messungen. Ein Kanal, der im kalten Zustand genau ist, kann nach mehreren Minuten abdriften. Dokumentieren Sie Umgebungstemperatur, Temperatur des Strommesswiderstands, Referenzgeräte und Messunsicherheit. Bestätigen Sie, dass der Spannungsabfall die Last nicht außerhalb ihres Betriebsbereichs bringt.

Fehlerhafte Messwerte systematisch diagnostizieren

Ein konstanter Fehler bei null Strom deutet auf Offset, Vorspannungsstrom, eine Masseverschiebung oder eine fehlerhafte Kalibrierung hin. Ein zum Strom proportionaler Fehler deutet auf einen Widerstands- oder Verstärkungsfehler hin. Ein zeitabhängiger Drift weist auf Erwärmung hin. Mit der PWM-Schaltung synchrones Rauschen deutet auf Gleichtaktkopplung, das Layout oder die Bandbreite hin. Ein plötzlicher Sprung nach Wartungsarbeiten kann auf eine lose Leistungsverbindung oder eine beschädigte Messleitung hinweisen.

Messen Sie über den tatsächlichen Kelvin-Messpunkten und vergleichen Sie diese Spannung mit dem digitalisierten Ergebnis. Dadurch lassen sich Probleme am Strommesswiderstand und im Leistungspfad von Problemen am Verstärker, ADC und bei der Softwareskalierung unterscheiden. Vermeiden Sie es, einen Hardwarefehler mit einem nicht erklärten Softwarekoeffizienten zu korrigieren.

Messung als Messkette dokumentieren

Dokumentieren Sie den Wert des Strommesswiderstands, die Toleranz, das Temperaturverhalten, den Strombereich, die Verstärkung, die Skalierungsgleichung, die Filtereinstellungen und die Kalibrierergebnisse. Legen Sie für verschraubte Hochstromverbindungen Prüfintervalle fest. Beim Austausch eines Strommesswiderstands müssen sowohl die elektrischen als auch die mechanischen Anforderungen übereinstimmen.

Verwandte Messtechnik finden Sie in den Sammlungen Prozessmessumformer und DCS- und Steuerungssysteme. Informationen zu Auslegungsgleichungen und Platzierungsabwägungen finden Sie im Anwendungsleitfaden zur High-Side-Strommessung von Texas Instruments. Ein guter Strommesskanal ist eine vollständige Signalkette und nicht lediglich ein an einen Leiter angeschlossener Widerstand.