Shunt Widerstände

Shunt Widerstand
Hohe elektrische Leistungen können, abgesehen der Einsatz von Hochspannung, nur bei hohen elektrischen Strömen verwirklicht werden. Hohe Stromstärken können aber nicht ohne weiteres mit handelsüblichen Amperemetern gemessen werden, da bei diesen meist bei wenigen Ampere Schluss ist. Es muss daher ein Weg gefunden werden, den Großteil des wärmeerzeugenden Stromes nicht über das Messgerät fließen zu lassen, sondern daran vorbeizuleiten. Am einfachsten gelingt das durch eine Parallelschaltung, bei der die Parameter der Abzweigung sehr genau bekannt sind. In der englischen Sprache bedeutet "Shunt" „Ableitung, Abzweig“ und wird auch als Ausdruck für Parallelschaltung verwendet. Hier kommen heute eigens für die Strommessung spezialisierte Produkte zum Einsatz, die Shunt Widerstände. Sie ermöglichen es, sehr hohe Ströme mit beeindruckender Präzision zu messen. Sie haben einen sehr kleinen elektrischen Widerstand (im Milli-Ohm-Bereich) und sind bei modernen Produkten mit getrennten Anschlüssen für Strom und Spannung ausgestattet. Will man einen hohen Strom messen, so baut man diese Bauteile direkt in den Hauptstromkreis und nutzt die Spannungsabgriffe zur Messung des Spannungsabfalls mittels eines Voltmeters. Da der Widerstand des Shunts bekannt ist, lässt sich – im Falle von Gleichstrom – der Strom einfach über das Ohm‘sche Gesetz berechnen.

Widerstandselement, Anschlussblock und Terminals
Als Widerstandsmaterial selbst wird bei den Shunts eine spezielle Kupfer-Nickel-Mangan-Legierung verwendet, die unter dem Namen Manganin bekannt ist. Manganin ist hervorragend für diese Messanwendungen geeignet, da es einen sehr niedrigen und vorhersagbaren thermischen Widerstandskoeffizienten aufweist und über die Zeit sehr stabil bleibt. Der Anschlussblock besteht normalerweise aus Messing oder Kupfer, an dem die Hochstromdrähte mit dem Shunt verbunden sind und an dem sich die Messanschlüsse befinden. Der Shunt hat eine Position für schwere, stromführende Leiter sowie zwei kleinere Anschlüsse zum Anbringen der Spannungserfassungsdrähte. Der Spannungsabfall wird an den Sensorklemmen gemessen und dadurch kann der Strom über den Shunt bestimmt werden.

Nennstrom und Ausgangsspannung
Als Nennstrom (engl. rated current) bezeichnet man den für das Produkt angegebenen Strom durch den Shunt, der zum spezifizierten Spannungsabfall, bzw. dem Milli-Volt-Ausgangswert, führt. In anderen Worten bedeutet das, dass genau dann der Bemessungsstrom durch den Shunt fliesst, wenn die Ausgangsspannung den am Datenblatt angegebenen Wert annimmt. Diese Spannung dient als Referenzspannung bei der Auswahl des Bauelements, weil sich dadurch direkt die Last (die abfallende Leistung) am Element berechnen lässt (bei Gleichstrom: Leistung = Strom x Spannung). Der Wert wird auch am Element selbst angegeben und entspricht gleichzeitig der maximalen Leistung, für die das Bauteil spezifiziert ist.

Betriebsstrom und Leistungsreduzierung
Unter normalen Betriebsbedingungen empfehlen wir Kunden, den Shunt mit nicht mehr als 2/3 seines Nennstroms zu betreiben. Auf unseren Datenblättern ist dieser Wert als Betriebsstrom angegeben. Dieser Sicherheitsfaktor sorgt für eine lange Lebensdauer.

Toleranzen
Die Shunts haben eine Standardtoleranz von 0,25% für den Spannungsausgang und werden bei Raumtemperatur kalibriert. Viele unserer Modelle sind auch mit Toleranzen von nur 0,1% erhältlich.

Nennleistung
Der Shunt führt die durch den Spannungsabfall am Widerstandselement erzeugte Leistung durch Erzeugung von Wärme ab. Diese Verlustleistung unterliegt dem Ohm‘schen Gesetz und führt zu einem sehr geringen Stromverbrauch der Bauelemente, da der Widerstand im Milli-Ohm-Bereich liegt. Trotzdem muss sichergestellt werden, dass die entstehende Wärme abgeführt werden kann. Ein 10-A-Shunt mit 100 mV Ausgangsspannung wird bei der maximal zulässigen Leistung betrieben.

Leistung P = Nennstrom I x Spannungsabfall U = 10 A x 100 mV = 1 Watt

Betriebstemperatur
Shunts arbeiten am genauesten bei Temperaturen zwischen 30 °C und 60 °C. Es ist darauf zu achten, dass die durch die Leistungsaufnahme erzeugte Wärme abgeführt werden kann. Bitte beachten Sie daher die Hinweise zur Montage. Shunts können selbstverständlich auch bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden, wodurch aber die Genauigkeit abnimmt. Hier empfiehlt es sich, das Bauteil für diesen abweichenden Bereich gesondert zu kalibrieren. Grundsätzlich sollte die Temperatur der Widerstandselemente für den normalen Betrieb auf 125 °C begrenzt werden. Wenn die Temperatur 145 °C überschreitet, ist mit bleibenden Schäden zu rechnen. Bitte sorgen Sie für eine geeignete Wärmeableitung.

Temperaturkoeffizient
Der Temperaturkoeffizient des Widerstands (engl. Temperature Coefficient of Resistance, TCR) gibt an, wie sich der Widerstandswert infolge von Temperaturänderungen einschließlich Eigenerwärmung ändert. Unser TCR aus dem Widerstandselement-Material Manganin wird üblicherweise in ppm/°C (parts per million per degree Celsius) angegeben und weist einen typischen Wert von 20 ppm/°C auf.