Strommesswiderstände ermöglichen eine genaue Leistungsmessung und -verwaltung

Die ständige Forderung nach einem höheren Wirkungsgrad und einem besseren Energiemanagement benötigt eine genaue Strommessung. Dieser Bedarf erstreckt sich auf verschiedene Industrie- und Verbraucheranwendungen und Leistungselektronik, einschließlich Batteriemanagementsysteme (BMS), Schaltnetzteile (SMPS) und Motorantriebe.

Es gibt zwar mehrere Möglichkeiten, den Strom zu messen und damit die Leistung zu bestimmen, aber die Verwendung eines Strommesswiderstands (oft als Shunt-Widerstand bezeichnet) und eines Differenzverstärkers ist eine der technisch am besten geeigneten und kostengünstigsten Lösungen.

Ein Strommesswiderstand ist viel mehr als „nur ein weiterer Widerstand“ mit dem gewünschten Wert. Für eine präzise Messung müssen sie eine hohe absolute Genauigkeit aufweisen, eine überragende Verlustleistung für Zuverlässigkeit bieten, trotz Selbsterhitzung und Umgebungstemperaturschwankungen stabil sein und nur minimale thermoelektrische Kontakteffekte aufweisen.

Um den Messwiderstand zu dimensionieren, bestimmen Sie zunächst einen geeigneten Widerstandswert, indem Sie einen akzeptablen maximalen Spannungsabfall (U = RI) über dem Strommesswiderstand bei voller Strombelastung annehmen. Ein guter Ausgangspunkt ist ein nominaler Höchstwert von etwa 100 Millivolt (mV), der häufig einen guten Kompromiss zwischen Faktoren wie Dynamikbereich, Empfindlichkeit, Rauschen, Behinderung des Stromflusses und Leistungsverlusten aufgrund von Verlusten darstellt.

Dann betrachtet man den maximalen Strom durch den Widerstand, um seinen höchsten Wert zu berechnen, wobei R = U/I ist. Dies entspricht in vielen Fällen einem Wert von 1 Milliohm (mΩ) oder weniger. Anhand des gewählten Widerstandswerts und des maximalen Stroms können Sie die erforderliche Verlustleistung des Widerstands mit der Formel I²R berechnen.

Die Verbindungstopologie ist entscheidend

Ebenso wichtig ist, dass die physikalische Anordnung der Messfühler eventuelle Fehler bei der Spannungsmessung minimiert. Aufgrund des extrem niedrigen Widerstandswerts und des geringen Spannungsabfalls sind Feinheiten wie der Kontaktwiderstand zwischen den Stromanschlüssen, den Sensordrähten und dem Messwiderstand von Bedeutung.

Bei der grundlegenden Zweidraht-Spannungsmessanordnung sind die Kontaktpunkte am Widerstand für den aktuellen Stromflusspfad und den Spannungsanschluss am Widerstand identisch (Abbildung 1, links).

Abbildung 1: Die Zweidraht-Messung (links) und die Vierdraht-Kelvin-Messung (rechts) unterscheiden sich geringfügig, aber signifikant in der physischen Verbindung der Strom- und Spannungskontaktpunkte; letztere minimiert Fehler aufgrund von Leitungsverlusten. (Bildquelle: Wikipedia, modifiziert vom Autor)

Die offensichtliche Zweidrahtanordnung kann jedoch die Messgenauigkeit bei den niedrigen Spannungspegeln über dem Widerstand beeinträchtigen. Um die relativ kleinen, aber signifikanten Fehler zu vermeiden, die durch Zweidraht-Messanschlüsse verursacht werden, ist es üblich, eine Vierdraht-Kelvin-Messanordnung zu verwenden (Abbildung 1, rechts).

Die Stromfluss- und Spannungsmessanschlüsse sind in dieser Topologie unabhängige Kontaktstellen. Auch wenn die elektrischen Anschlusspläne gleich aussehen, sind die physischen Implementierungen recht unterschiedlich.

Durch die Trennung der Stromflusskontakte und des Strompfads von den Spannungsmesspunkten wird bei der Vierdrahtmessung sichergestellt, dass ein Spannungsabfall über den Zuleitungsdrähten und den Stromflusskontakten die Messgenauigkeit nicht beeinträchtigt. Dies ist besonders problematisch bei Präzisionsmessungen, bei denen der Wert des Messwiderstandes ungefähr dem Wert der zur Messung verwendeten Leitungen entspricht.

Die Vierdraht-Messung minimiert dieses Problem erheblich, da die Spannungsmesspunkte unmittelbar neben der Zielimpedanz platziert werden und somit jeder Spannungsabfall, der im Hochstrompfad auftreten kann, umgangen wird.

Auch die richtige Widerstandstechnologie ist wichtig

Der Messwiderstand muss nicht nur einen niedrigen Widerstandswert von 1 mΩ oder weniger haben, sondern auch einen niedrigen Temperaturkoeffizienten (TCR), um eine Drift aufgrund von Änderungen der Umgebungstemperatur und I²R-induzierter Selbsterhitzung zu verhindern. Folglich sind Design, Materialien und Herstellung dieser Widerstände hochspezialisierte Unternehmungen.

Die Metallstreifen-Shuntwiderstände der CSI-Serie von Bourns, Inc. helfen dabei, diese Anforderungen zu erfüllen. Die Mitglieder dieser Familie sind in einer Vielzahl von Widerstandskombinationen bis zu 0,2 mΩ und mit einer Verlustleistung bis zu 15 Watt (kontinuierlich) erhältlich.

Die Widerstände werden aus elektronenstrahlgeschweißtem (EBW) Widerstandsmaterial und einer Kupferlegierung hergestellt und sind mit zwei oder vier Anschlüssen erhältlich. Die Modelle mit zwei Anschlüssen werden in drei Footprints angeboten: 5930, 3920 und 2512. Die vierpoligen Komponenten sind für die präzisere Vierdraht-Kelvin-Widerstandsmessung vorgesehen und haben einen Footprint von 4026.

Ihr einzigartiges Stromsensorelement aus einer Metalllegierung wurde speziell für die Verwendung als Shunt-Widerstand entwickelt und zeichnet sich durch eine niedrige thermische elektromotorische Kraft (EMF) und einen TCR-Wert von nur ±50 ppm/°C im Temperaturbereich von +20°C bis +60°C aus.

Man beachte, dass zur Herstellung dieser Widerstände einige kontraintuitive materialwissenschaftliche Erkenntnisse verwendet werden. Kupfer mit hohem TCR-Wert (ca. 3900 ppm/°C) ist in der Regel in Bauteilen mit niedrigem TCR-Wert nicht erwünscht. Kupfer hat jedoch auch eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und wird daher sorgfältig in das Widerstandsdesign eingearbeitet, um die Leistungsaufnahme zu erhöhen.

Ein repräsentatives Beispiel für einen Zweidraht-Widerstand der CSI-Serie ist der CSI2H-2512R-1L00J (Abbildung 2), ein 1mΩ-Widerstand für 5 Watt mit einer Toleranz von ±5% und einem TCR von ±75 ppm/°C. Andere Versionen sind mit einer engeren Toleranz von ±2% und sogar 1% erhältlich.

Abbildung 2: Der CSI2H-2512R-1L00J ist ein 1mΩ-Widerstand für 5 Watt, der für Zweidraht-Messungen vorgesehen ist. (Bildquelle: Bourns)

Dieser Widerstand wird aus dem Typ-R-Material von Bourns hergestellt und zeichnet sich durch eine extrem niedrige Selbstinduktivität von unter 2 Nanohenries (nH) aus. Die Selbstinduktivität ist ein wesentlicher, aber oft übersehener Parameter, der problematisch sein kann, wenn der Widerstand in einem Hochgeschwindigkeitsschaltkreis eingesetzt wird.

Wenn Sie eine Vierdraht-Kelvin-Messung benötigen, ist der Strommesswiderstand CSI4J-4026R-1L00F erhältlich, ein 1mΩ-Bauteil mit einer Nennleistung von 8 Watt (Abbildung 3). Dieser ±1%-Widerstand (auch in 2%- und 5%-Versionen erhältlich) hat einen TCR von ±75 ppm/°C. Die Selbstinduktivität liegt unter 3 nH. Beachten Sie die abweichende Kontaktkonfiguration, die eine Vierdrahtfunktionalität ermöglichen soll.

Abbildung 3: Der 1mΩ-Widerstand CSI4J-4026R-1L00F ist mit seinen zusätzlichen abgetrennten Anschlusspunkten speziell für die Vierdraht-Kelvin-Strommessung ausgelegt. (Bildquelle: Bourns)

Aufgrund des Einflusses des TCR auf die Genauigkeit der Messwiderstände enthalten die Datenblätter dieser Komponenten mehrere Diagramme, die die Änderung des Widerstands in Bezug auf die Leistung bei 25°C zeigen.

Fazit

Messwiderstände mögen wie einfache Komponenten erscheinen, aber man muss genauer hinsehen. In Anbetracht dessen, was von ihnen erwartet wird und was sie in ihrer Anwendungsnische leisten müssen, werden Sie feststellen, dass es Feinheiten und Überlegungen gibt, die nur von einem Anbieter mit Erfahrung, Materialkenntnis und Fertigungs-Know-how erfüllt werden können, die alle durch ein detailliertes Datenblatt unterstützt werden.

Referenz

1: Maxim/Analog Devices, Anwendungshinweis 5761, „Lord Kelvin’s Sensing Method Lives On in the Measurement Accuracy of Ultra-Precision Current-Shunt Monitors/Current-Sense Amplifiers“