Globale Trends, wie die Senkung der CO2-Emissionen, die Modernisierung der Stromversorgungsnetze und die Elektrifizierung unserer Automobile verstärken den Bedarf an effizienteren elektronischen Schaltungen. Für Schaltungsentwickler und Systembetreiber kann es von großem Nutzen sein, zu wissen, wie viel Strom durch einen Stromkreis fließt und an den elektrischen Verbraucher abgegeben wird. Bei Anwendungen zur Optimierung der Betriebsleistung von Batterien und Regelung der Motordrehzahl sowie bei Hot-Swap-fähigen Servereinheiten können präzise Strommessungen beispielsweise deutliche Vorteile mit sich bringen.

Funktionsweise von Strommesswiderständen

Da Strommesswiderstände im Vergleich zu anderen Technologien eine sehr hohe Messgenauigkeit aufweisen, werden diese kostengünstigen Bauelemente gerne zur Verbesserung der Systemeffizienz und Reduzierung von Verlusten eingesetzt. Sie eignen sich hervorragend für Anwendungen in praktisch allen Marktsegmenten und sind aufgrund der präzisen Messergebnisse vor allem für Entwickler in der Automobil-, Industrie- und Computerelektronikbranche von großer Bedeutung.

Strommesswiderstände erkennen Strom und wandeln diesen in Spannung um. Aufgrund der äußerst geringen Widerstandswerte kommt es mit diesen Vorrichtungen innerhalb der Anwendung lediglich zu unbedeutenden Spannungsabfällen von 10 bis 130 mV. Ein Shunt-Widerstand wird mit dem elektrischen Verbraucher in Reihe geschaltet, sodass der gesamte zu messende Strom durch diesen hindurchfließt. Gemäß dem Ohmschen Gesetz kommt es an einem bekannten Widerstand zu einem Spannungsabfall, der proportional zur Stromstärke ist. Der Spannungsabfall am Widerstand kann mit verschiedenen Verstärkern, wie Operations-, Differenz- und Instrumentenverstärker, gemessen werden. Bei der Wahl des richtigen Strommesswiderstands für eine gegebene Anwendung ist es wichtig, die Eingangs-Gleichtaktspannung näher zu betrachten. Die Eingangs-Gleichtaktspannung ist die an den Verstärkereingängen anliegende durchschnittliche Spannung.

Da Shunt-Widerstände (Abbildung 1) mit dem Verbraucher in Reihe geschaltet werden, erfolgt eine direkte Messung der Stromstärke.

Bei indirekten Strommesstechniken, wie beispielsweise bei Spulen, wird hingegen eine Spannung, die proportional zur Stromstärke ist, in die Spule induziert. Durch die direkte Strommessung bei Shunt- Widerständen wird weniger Strom vom Widerstand verbraucht, sodass äußerst geringe Widerstandswerte entstehen.

Des Weiteren zeichnen sich Strommesswiderstände durch einen äußerst geringen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands (TCR) aus, was geringe Widerstandsänderungen bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen und eine hervorragende Langzeitstabilität gewährleistet. Diese Eigenschaften führen zu äußerst präzisen Strommessungen bei gleichzeitig geringer Temperaturabhängigkeit.

Das Diagramm in Abbildung 2 zeigt die TCR-Kurve von Strommesswiderständen aus Material vom Typ K und zeigt, dass diese Widerstände innerhalb eines Bereichs von ±50 ppm/ ̊C in Betrieb sind.

Vierleitermessung (Kelvin-Messmethode)

Bei Ausführungen mit sehr niederohmigen oberflächenmontierten Widerständen mit 2 Anschlüssen sind die Kontaktwiderstände des Lötpads und der Leiterbahnen der Platine (R_Leiter) möglicherweise nicht genau bekannt, aber in der Regel höher als der Widerstand des Stromshunts (R_Shunt) selbst.

Dies kann zu ungenauen Strommessungen führen. Des Weiteren ist auch der TCR der Kupferleiterbahnen der Platine deutlich höher (3900 ppm/ ̊C) als der TCR des Shunt-Widerstandselements (< 50 ppm/ ̊C). Aus diesen Gründen ändert sich der Widerstandswert der Leiterbahnen deutlich stärker als der Widerstandswert des Widerstandselements, was zu einer sehr hohen Temperaturabhängigkeit des Stromkreises führt.

Zur Abschwächung dieser negativen Auswirkungen können Entwickler Strommesswiderstände mit implementierter Vierleitermessung (Kelvin-Messtechnik) verwenden. Bei diesem Verfahren werden zusätzliche Leiterbahnen eingesetzt, um die Stromstärke unabhängig vom Hauptstromfluss zu messen.

Auch bei Widerständen mit 2 Anschlüssen ist eine Vierleitermessung möglich. Durch die Aufteilung des durch den Widerstand fließenden Stroms wird der Spannungsabfall am Widerstand direkt gemessen und eine höhere Messgenauigkeit erzielt. Sofern nicht höchst präzise Messungen benötigt werden, ist ein Widerstand mit 2 Anschlüssen und zusätzlichen Leiterbahnen an der Platine die wirtschaftlichste Lösung, um 4 Anschlüsse zu erhalten.

Wenn die Bauweise dies zulässt, werden für die Vierleitermessung Strommesswiderstände mit 4 Anschlüssen empfohlen, um separate Anschlüsse zur Messung des Stromflusses und Spannungsabfalls zu erhalten und präzisere Messergebnisse zu erzielen. Ein weiterer Vorteil der Vierleitermessung besteht darin, dass die Auswirkung des TCR bei Temperaturanstiegen durch erhöhte Stabilität des Leseverstärkers verringert werden.

Anwendungsbeispiele

Batteriemanagementsysteme

Ein ordnungsgemäßes Batteriemanagement bedarf der kontinuierlichen Überwachung des Stromflusses durch den Stromkreis. In der Automobilbranche sowie in anderen Marktsegmenten, in denen wiederaufladbare Batterien verwendet werden, ist der Batteriestatus von höchster Bedeutung.

Strommesswiderstände, wie die Produkte der CSS-Serie, sind eine präzise und kostengünstige Lösung zur Erfüllung der mit dem Batteriemanagement einhergehenden Anforderungen. Sie liefern Widerstandswerte von unter einem Milliohm und erfüllen dadurch die Anforderungen an einen geringen Spannungsabfall und höchste Präzision.

Strommesswiderstände eignen sich für Hochstromanwendungen wie Motorstarter mit einer Stromstärke von 100 - 1000 Ampere.

DC/DC-Wandler

Leistungsstarke Netzteile gewinnen auf dem schnell wachsenden Mobilgerätemarkt (vor allem auf dem Verbraucher- und IT-Markt) zunehmend an Bedeutung. Schaltnetzteile, die in Current-Mode-DC/DC-Wandlern Anwendung finden, müssen eine höhere Effizienz aufweisen als traditionelle Linearnetzteile. Zum Schutz der empfindlichen Schaltkreise und zur Gewährleistung einer längeren Batterielebensdauer sind eine hohe Beständigkeit und Leistungseffizienz äußerst wichtig.

Zur Gewährleistung geringer Leistungsverluste zeichnen sich Strommesswiderstände für DC/DC-Wandler durch niedrige Widerstandswerte von maximal 10 – 20 Milliohm aus. Ihr niedriger TCR und die geringe thermische Wirkung auf das EMF sorgen für eine Minimierung oder sogar Eliminierung der unerwünschten Selbsterwärmung von Geräten und der mit unterschiedlichen Umgebungstemperaturen verbundenen Auswirkungen.

Digitale Motorsteuerung

Seit der Einführung der Bauelemente-Norm IEC 60747-17 werden Strommesswiderstände durch die Anpassung an neue digitale Technologien zur Erhöhung der Zuverlässigkeit zunehmend in Motorsteuerungen eingesetzt. Digitale Steuerungen zeichnen sich durch ein schnelleres Ansprechverhalten der Regelkreise aus, sodass ein integrierter Überstromschutz sowie kürzere Totzeiten erzielt werden. Dies ermöglicht gleichmäßigere Ausgangsspannungen und eine optimale Drehmomentregelung.

Strommesswiderstände sind aufgrund ihres niedrigen Widerstandswerts von 0 bis 2 Milliohm (je nach maximaler Leistung) hervorragend für Motorsteuerungen geeignet. Dank des niedrigen TCR können Entwickler Widerstandsänderungen bei Temperaturschwankungen minimieren. Bei der Auswahl des Strommesswiderstands gilt zu berücksichtigen, dass in Motortreibern von Zeit zu Zeit Kurzschlüsse auftreten können und der Strommesswiderstand kurzen Überlasten standhalten muss.

Die Strommesswiderstände der CSS-Serie werden mittels Speziallegierungen gefertigt, verfügen über eine geringe Widerstandsänderung bei Überhitzung und erzeugen Ausgangsspannungen, die mittels eines einstellbaren Skalierungsfaktors von einem isolierten Sigma-Delta-Isolator gelesen werden können.

Einfache und kostengünstige Lösung für die Strommessung

Strommesswiderstände sind eine einfache Methode für direkte Strommessungen mit präzisen Ergebnissen. Zu den weiteren Vorteilen zählen der niedrige TCR, die niedrige thermische Wirkung auf das EMF und die Langzeitstabilität. Niederohmige elektronenstrahlgeschweißte Strommessprodukte auf Basis von Metalllegierungen, wie die Produkte der CSS-Serie, weisen gute elektrische Eigenschaften und ein passendes Überspannungsverhalten auf, wodurch ein effizienter und höchst zuverlässiger Schutz vor Kurzschlüssen und Überstrom gewährleistet wird.