Wenn ein Steuergerät, eine Batterie oder ein Antrieb den Strom zuverlässig überwachen soll, ist ein kleiner Spannungsabfall oft die sauberste Lösung. Bei einer Shunt-Messung fließt der Laststrom durch einen bekannten niederohmigen Widerstand, dessen Spannungsabfall ausgewertet wird. Ich zeige, wie das Prinzip funktioniert, wie man den passenden Messwiderstand auswählt, welche Fehler häufig auftreten und wann ein Hall-Sensor die bessere Wahl ist.
Die wichtigsten Punkte für eine zuverlässige Strommessung
- Ohmsches Gesetz: Aus der Spannung am Shunt wird der Strom mit I = U / R berechnet.
- Verlustleistung: Der Widerstand muss die Leistung P = I² × R dauerhaft und bei Stromspitzen verkraften.
- Kelvin-Anschluss: Eine Vierleitermessung reduziert Fehler durch Leiterbahnen, Lötstellen und Anschlusswiderstände.
- Messposition: Low-Side ist einfacher, High-Side benötigt einen geeigneten Differenzverstärker oder Strommess-IC.
- Grenzen: Der Shunt erzeugt immer einen Spannungsabfall und bietet keine galvanische Trennung.
Das Messprinzip lässt sich mit einer Formel prüfen
Ein Shunt ist ein präziser Widerstand, der in Reihe zur Last geschaltet wird. Durch ihn fließt derselbe Strom wie durch den Verbraucher. Das Messgerät oder ein Strommessverstärker erfasst die kleine Spannung zwischen den beiden Anschlüssen und berechnet daraus den Strom.
Die Grundlage ist das Ohmsche Gesetz. Bei einem Shunt mit 2 mΩ und einem Laststrom von 25 A fallen beispielsweise 50 mV ab. Der Strom ergibt sich aus 0,050 V geteilt durch 0,002 Ω, also 25 A. Diese Spannung ist klein genug, um den Stromkreis wenig zu beeinflussen, aber groß genug für eine präzise Auswertung.
Ganz ohne Einfluss bleibt der Widerstand trotzdem nicht. Bei 25 A entstehen in diesem Beispiel 1,25 W Verlustleistung. Diese Energie wird als Wärme abgegeben und kann den Widerstand erwärmen. Genau hier liegt ein Punkt, den ich in der Praxis besonders ernst nehme, weil ein zunächst korrekter Messwert durch Eigenerwärmung langsam wandern kann.
Spannungsabfall und Genauigkeit müssen zusammenpassen
Ein kleiner Widerstand reduziert die Verluste und die Störung der Versorgungsspannung. Gleichzeitig wird das Messsignal kleiner und empfindlicher gegenüber Rauschen, Offsetfehlern und Spannungen aus den Leiterbahnen. Ein größerer Wert verbessert zwar das Nutzsignal, belastet aber die Last stärker.
Die Auswahl ist deshalb immer ein Kompromiss zwischen Messauflösung, Effizienz und thermischer Belastung. Für eine Batterieanwendung können wenige Millivolt passend sein, während eine Labor- oder Prüfapparatur bewusst mit einem höheren Spannungsabfall arbeitet, um die Auflösung zu verbessern.
Den passenden Shunt nach mehr als nur dem Ohmwert auswählen
Der Widerstandswert ist nur der Anfang. Für eine belastbare Auslegung prüfe ich mindestens Strombereich, Dauerleistung, Spitzenstrom, Toleranz, Temperaturkoeffizient und Bauform. Ein Bauteil mit dem richtigen Nennwert kann trotzdem ungeeignet sein, wenn es bei der vorgesehenen Montage zu heiß wird.
| Kriterium | Worauf es ankommt | Praktische Folge |
|---|---|---|
| Widerstandswert | Spannungsabfall im gesamten Messbereich | Niedriger Wert reduziert Verluste, liefert aber ein kleineres Signal |
| Nennleistung | Dauerstrom und Umgebungstemperatur | Thermische Reserve einplanen, nicht nur den rechnerischen Grenzwert nutzen |
| Toleranz | Abweichung des tatsächlichen Widerstandswerts | Beeinflusst den Grundfehler der Strommessung |
| Temperaturkoeffizient | Widerstandsänderung bei Erwärmung | Wichtig bei Dauerbetrieb und wechselnden Lasten |
| Anschlussart | Zwei- oder Vierleitertechnik | Kelvin-Anschluss verbessert die Genauigkeit bei kleinen Widerständen |
| Bauform | Leiterplattenmontage, Schraubanschluss oder Messgerät | Bestimmt Kühlung, Stromtragfähigkeit und mechanische Sicherheit |
Die Verlustleistung richtig berechnen
Für den Dauerbetrieb gilt P = I² × R. Ein 1-mΩ-Shunt verursacht bei 50 A eine Verlustleistung von 2,5 W. Bei 100 A sind es bereits 10 W. Die Verdopplung des Stroms vervierfacht also die Wärmeleistung, was bei Hochstromanwendungen schnell zum entscheidenden Auslegungskriterium wird.
Bei gepulsten Strömen reicht die Dauerleistung allein nicht aus. Ein Motorcontroller oder Wechselrichter kann kurzzeitig deutlich höhere Ströme erzeugen. Dann müssen Pulsdauer, Wiederholrate und thermische Zeitkonstante des Shunts betrachtet werden. Die Herstellerdaten geben häufig getrennte Werte für Dauer- und Impulsbelastung an.
Warum der Temperaturkoeffizient nicht nebensächlich ist
Der Temperaturkoeffizient beschreibt, wie stark sich der Widerstand pro Grad Celsius verändert. Ein Wert von 50 ppm/K bedeutet bei einer Erwärmung um 100 K ungefähr eine Widerstandsänderung von 0,5 Prozent, sofern der Koeffizient über den gesamten Bereich ähnlich bleibt.
Bei einer groben Überwachung fällt das kaum ins Gewicht. Für Batteriemanagement, Schutzabschaltungen und kalibrierte Prüfstände kann diese Abweichung jedoch relevant sein. Ein niederer Temperaturkoeffizient hilft, ersetzt aber keine gute Wärmeführung und keine saubere Kalibrierung.
Low-Side, High-Side und Kelvin-Anschluss im praktischen Aufbau
Bei der Low-Side-Messung sitzt der Shunt zwischen Last und Masse. Der Messverstärker arbeitet dann meist mit einer kleinen Gleichtaktspannung, also mit einer Spannung, die an beiden Messeingängen gemeinsam anliegt. Das vereinfacht die Schaltung und ist für viele DC-Anwendungen eine wirtschaftliche Lösung.
Die High-Side-Messung platziert den Widerstand auf der positiven Versorgungsseite. Die Masseverbindung der Last bleibt dadurch unverändert. Das ist bei Steuerungen, Batterien und Schutzschaltungen oft vorteilhaft, verlangt aber einen Differenzverstärker mit passendem Gleichtaktbereich. Ein gewöhnlicher Operationsverstärker ist dafür nicht automatisch geeignet.
Vier Leiter statt zwei Leiter
Bei einer Zweileitermessung fließt der Laststrom über dieselben Anschlüsse, an denen die Messspannung abgegriffen wird. Lötstellen, Leiterbahnen und Kontaktflächen erzeugen zusätzliche Spannungsabfälle. Bei einem Shunt von wenigen Milliohm können diese parasitären Widerstände bereits einen erheblichen Teil des Messwerts ausmachen.
Die Kelvin-Messung trennt deshalb Strom- und Messpfad. Zwei kräftige Anschlüsse führen den Laststrom, zwei separate dünne Leitungen erfassen die Spannung direkt am Widerstandselement. Die Sense-Leitungen führen kaum Strom und werden deshalb viel weniger durch ihre eigene Leitungsimpedanz beeinflusst.
Auch das Leiterplattenlayout entscheidet über die Qualität. Die Messspuren sollten möglichst symmetrisch und direkt an den vorgesehenen Sense-Punkten beginnen. Ich würde die Messleitungen nicht einfach irgendwo an den Kupferflächen abgreifen, nur weil das Layout dadurch bequemer aussieht. Gerade bei hohen Strömen misst man sonst schnell einen Teil der Leiterbahn mit.
Messverstärker und ADC sinnvoll kombinieren
Ein Analog-Digital-Wandler kann die Shunt-Spannung direkt erfassen, wenn sie groß genug ist und der zulässige Eingangsbereich eingehalten wird. Bei sehr kleinen Spannungen ist ein Current-Sense-Verstärker meist die bessere Lösung. Er verstärkt die Differenzspannung und liefert ein Signal, das der ADC genauer auflösen kann.
Zu prüfen sind dabei Eingangsoffset, Verstärkungstoleranz, Gleichtaktbereich, Bandbreite und zulässige Eingangsspannung. Für schnelle Lastsprünge ist außerdem das Einschwingverhalten wichtig. Ein stark gefiltertes Signal wirkt zwar ruhig, kann aber eine Schutzabschaltung zu spät auslösen.
So läuft eine saubere Shunt-Messung Schritt für Schritt ab
Ich beginne nicht mit dem verfügbaren Widerstand, sondern mit den Anforderungen der Anlage. Erst wenn Messbereich, zulässiger Spannungsabfall und Genauigkeit feststehen, lässt sich der Shunt sinnvoll bestimmen.
- Messbereich festlegen. Notieren Sie Minimalstrom, typischen Betriebsstrom, Dauerstrom und mögliche Spitzen. Für die Auslegung zählt nicht nur der Nennstrom.
- Zulässigen Spannungsabfall bestimmen. Prüfen Sie, wie viel Spannung der Verbraucher und die Versorgung tolerieren. Daraus ergibt sich der maximale Widerstandswert.
- Widerstand berechnen. Mit R = U / I erhalten Sie einen ersten Wert. Danach wählen Sie einen verfügbaren Präzisions-Shunt mit geeigneter Leistung.
- Verlustleistung prüfen. Berechnen Sie P = I² × R für Dauerstrom und Spitzenstrom. Berücksichtigen Sie Einbauraum, Umgebungstemperatur und Kühlung.
- Messstelle festlegen. Entscheiden Sie zwischen Low-Side und High-Side. Prüfen Sie beim High-Side-Aufbau den Gleichtaktbereich des Verstärkers.
- Kelvin-Leitungen layouten. Greifen Sie die Messspannung direkt an den vorgesehenen Sense-Anschlüssen ab und halten Sie die Messleitungen vom Hochstrompfad getrennt.
- Kalibrieren und verifizieren. Vergleichen Sie den berechneten Strom mit einem Referenzmessgerät. Testen Sie dabei mindestens Kaltstart, Dauerlast und einen realistischen Lastsprung.
Ein kurzes Rechenbeispiel macht die Größenordnung greifbar. Soll bei 40 A ein Spannungsabfall von höchstens 80 mV entstehen, liegt der maximale Widerstand bei 2 mΩ. Die Verlustleistung beträgt dann 3,2 W. Ein Shunt mit nominell 3 W wäre dafür keine überzeugende Wahl, weil Umgebungstemperatur, Montage und Toleranzen kaum Reserve lassen.
Typische Messfehler entstehen oft außerhalb des Shunts
Die Leitungen werden mitgemessen
Der häufigste Fehler ist ein falscher Abgriff der Messspannung. Wenn die Sense-Leitungen an den äußeren Lötstellen oder an langen Leiterbahnen beginnen, misst der Aufbau nicht nur den Shunt, sondern auch zusätzliche Kupfer- und Kontaktwiderstände. Bei kleinen Widerstandswerten kann der Fehler dadurch größer sein als die angegebene Bauteiltoleranz.
Die Eigenerwärmung wird unterschätzt
Ein Messwiderstand ist kein ideales, temperaturfreies Bauteil. Steigt seine Temperatur, verändert sich sein Widerstand und damit der berechnete Strom. Zusätzlich kann die Erwärmung benachbarte Bauteile beeinflussen. Eine gute thermische Anbindung hilft, darf aber nicht zu einer unkontrollierten Wärmeübertragung auf die Sense-Kontakte führen.
Rauschen und Schaltspitzen werden verwechselt
In Schaltnetzteilen, Motorsteuerungen und Wechselrichtern liegen oft schnelle Spannungsspitzen über dem Nutzsignal. Ein zu langsamer Filter verschleift echte Stromänderungen, ein fehlender Filter lässt Störungen bis in die Schutzlogik gelangen. Die Filterung muss deshalb zur Schaltfrequenz und Reaktionszeit der Anwendung passen.
Lesen Sie auch: Fotodiode verstehen - Bauarten, Kennwerte und Anwendungen
Die Sicherheit der Schaltung wird vergessen
Ein Shunt besitzt keine galvanische Trennung. Bei netzbezogenen oder hochenergetischen Schaltungen können beide Messanschlüsse auf einem gefährlichen Potential liegen. Dann braucht es ein dafür zugelassenes Messkonzept, passende Isolation und geeignete Prüfmittel. Arbeiten an solchen Anlagen gehören in die Hände qualifizierter Fachkräfte.
Shunt oder Hall-Sensor für die jeweilige Anwendung
Der Shunt ist nicht grundsätzlich die beste Strommessung. Er ist besonders attraktiv, wenn niedrige Kosten, gute Linearität und die Erfassung von Gleichstrom wichtig sind. Ein Hall-Sensor bietet dagegen galvanische Trennung und verursacht im Hauptstrompfad meist keinen vergleichbaren ohmschen Spannungsabfall.
| Eigenschaft | Shunt-Widerstand | Hall-Sensor |
|---|---|---|
| Messprinzip | Spannungsabfall am Serienwiderstand | Magnetfeld des Stroms |
| Galvanische Trennung | Nein | In der Regel ja |
| Messung von Gleichstrom | Sehr gut geeignet | Geeignet, abhängig vom Sensortyp |
| Verlustleistung | Immer vorhanden | Typischerweise geringer im Hauptstrompfad |
| Genauigkeit bei kleinen Strömen | Mit Präzisionsaufbau sehr gut | Durch Offset und Drift begrenzt |
| Kosten und Schaltungsaufwand | Oft niedrig | Häufig höher |
| Typische Anwendungen | BMS, Netzteile, Ladegeräte, Stromregelungen | Netzspannung, Umrichter, isolierte Antriebe |
Bei einem Batteriemanagementsystem oder einem DC-Netzteil würde ich den Shunt oft bevorzugen, wenn die fehlende Isolation kein Problem darstellt. Bei einer Messung direkt an einer netzgekoppelten Leistungselektronik wiegt die galvanische Trennung des Hall-Sensors dagegen schwerer als der höhere Preis oder die geringere Präzision im Kleinsignalbereich.
Woran ich eine belastbare Messung erkenne
Eine gute Strommessung liefert nicht nur im Labor einen plausiblen Wert. Sie bleibt auch bei Erwärmung, Lastwechseln und realer Montage nachvollziehbar. Dafür müssen Shunt, Layout, Verstärker und Software als gemeinsame Messkette betrachtet werden.
Mein praktischer Mindestcheck besteht aus drei Punkten. Erstens prüfe ich den Spannungsabfall bei bekanntem Strom direkt am Shunt. Zweitens kontrolliere ich die Temperatur nach längerer Dauerlast. Drittens vergleiche ich mehrere Betriebspunkte mit einem kalibrierten Referenzgerät.
Wenn die Messung nach diesem Test stabil bleibt, der zulässige Spannungsabfall eingehalten wird und die Schutzlogik schnell genug reagiert, ist der Shunt eine sehr robuste Lösung. Die entscheidende Sorgfalt steckt selten in der Formel selbst, sondern in Wärmeführung, Kelvin-Anschluss und der realistischen Betrachtung von Stromspitzen.
