Shunt: Widerstand zur Strommessung

Wie viel Strom zieht der Motor gerade? Ist der Akku fast leer? Hat die Last einen Kurzschluss? Fast jede Elektronik, die solche Fragen beantwortet, misst den Strom auf dieselbe Art: Sie schickt ihn durch einen winzigen, sehr genauen Widerstand und misst die Spannung, die daran abfällt. Dieser Messwiderstand heißt Shunt. Du findest ihn im Multimeter, in Akku-Ladereglern, in Motortreibern, in Schaltnetzteilen und in jedem Batteriemanagement eines E-Bikes.

Prinzip

Ein Shunt ist ein Festwiderstand mit sehr kleinem Wert, typisch zwischen 0,5 mΩ und 1 Ω. Fließt Strom durch ihn, fällt nach dem Ohmschen Gesetz eine Spannung ab, die genau proportional zum Strom ist:

Das Dilemma steckt in der Wahl des Werts. Ein großer Shunt liefert eine große, gut messbare Spannung – aber er verheizt Leistung und nimmt der Last Spannung weg. Ein kleiner Shunt ist sparsam, liefert aber nur wenige Millivolt, die ein Verstärker anheben muss und in denen sich jeder Fehler bemerkbar macht. Üblich sind 10 bis 100 mV beim größten Strom. Wie du einen Shunt mit dem Multimeter oder Oszilloskop nutzt, steht unter Strom messen.

Werkstoff und Temperaturkoeffizient

Ein Messwiderstand soll seinen Wert nicht ändern, wenn er warm wird. Kupfer scheidet dafür aus: Sein Widerstand steigt um rund 0,4 % pro Kelvin. Shunts bestehen deshalb aus Legierungen wie Manganin (Kupfer-Mangan-Nickel) oder Kupfer-Nickel, deren Temperaturkoeffizient (TK) unter 20 ppm/K liegt – das ist etwa 200-mal weniger als bei Kupfer. Mehr zu diesen Werkstoffen steht unter leitende Werkstoffe.

Eine Tücke steckt im Detail: Die Anschlüsse eines Shunts bestehen aus Kupfer. Je kleiner der Widerstandswert, desto größer ist der Anteil dieser Kupferanschlüsse am Gesamtwiderstand – und damit am TK. Datenblätter unterscheiden deshalb den TK des Widerstandselements vom TK des ganzen Bauteils. Bei der verbreiteten Reihe Vishay WSL2512 (Metallstreifen, 1 W) sieht das so aus:

Das Widerstandselement allein liegt dagegen unter 20 ppm/K. Brauchst du sehr kleine Werte und hohe Genauigkeit, nimmst du einen Shunt mit vier Anschlüssen.

Schaltzeichen und Vierleiteranschluss

Im Schaltplan ist ein Shunt ein normaler Widerstand. Hat er vier Anschlüsse, zeichnet man zwei dicke Stromanschlüsse an den Enden und zwei dünne Messanschlüsse, die direkt am Widerstandskörper abzweigen. Diese Technik heißt Vierleiter- oder Kelvin-Anschluss: Der Strom fließt über die einen Anschlüsse, die Spannung wird über die anderen abgegriffen. Weil durch die Messleitungen praktisch kein Strom fließt, fällt an ihnen auch keine Spannung ab – die Lötstellen und Leiterbahnen gehen nicht in die Messung ein.

Wie viel das ausmacht, zeigt eine kurze Rechnung.

Bauformen

• SMD-Metallstreifen: ein Blech aus Widerstandslegierung mit verzinnten Enden, in den Größen 0805 bis 2512 und größer (z. B. Vishay WSL, Bourns CSS, Isabellenhütte). Werte von 0,5 mΩ bis 0,5 Ω, Leistung 0,25 bis 3 W. Standard auf Platinen.
• SMD mit vier Anschlüssen: dieselbe Technik, aber mit getrennten Mess-Pads. Für Werte unter etwa 2 mΩ die bessere Wahl.
• Dickschicht-Chips im Milliohmbereich: billig, aber mit größerem TK; für Überstromabschaltung ausreichend, für genaue Messung nicht.
• Shunt-Blöcke: Manganinstreifen zwischen zwei Messingblöcken mit Schraubanschlüssen und kleinen Messklemmen, für 10 bis über 1000 A. Sie sind meist nicht nach Ohm, sondern nach Strom und Spannung bezeichnet, etwa „100 A / 60 mV“ – das entspricht 0,6 mΩ.
• Leiterbahn als Shunt: kostet nichts, ist aber wegen des TK von Kupfer nur für grobe Überwachung brauchbar.

Die Messschaltung

Die Spannung am Shunt ist klein und muss verstärkt werden, bevor ein AD-Wandler sie auswertet. Dafür gibt es eigene Strommessverstärker (zum Beispiel INA181, INA240 oder INA219 mit eingebautem Wandler), die die Messspannung mit fester Verstärkung von 20 bis 200 anheben. Wo der Shunt sitzt, entscheidet über den Aufwand:

• Low-Side: Der Shunt liegt zwischen Last und Masse. Die Messspannung bezieht sich auf Masse, ein einfacher Operationsverstärker genügt. Nachteil: Die Masse der Last liegt nicht mehr auf 0 V, und ein Kurzschluss der Last gegen Masse bleibt unbemerkt.
• High-Side: Der Shunt liegt zwischen Versorgung und Last. Die Last behält ihre Masse, Kurzschlüsse werden erkannt. Dafür sitzt die Messspannung auf der vollen Versorgungsspannung; der Verstärker muss diese Gleichtaktspannung aushalten und unterdrücken. Strommessverstärker sind genau dafür gebaut, manche bis 80 V und mehr.

Wie fein dein Wandler auflöst, kannst du mit dem ADC-Rechner prüfen. Leistung und Spannung am Shunt rechnest du so:

Auswahl und Praxistipps

Gehe in dieser Reihenfolge vor: größter Strom festlegen, gewünschte Messspannung wählen (meist 25 bis 100 mV), daraus den Wert bestimmen, dann die Leistung P = I² · R mit mindestens Faktor zwei Reserve, zuletzt Toleranz und TK. Für Akku-Überwachung mit kleinen Strömen darf der Shunt größer sein, etwa 0,1 Ω für einige hundert Milliampere.

Häufige Fehler:

• Messleitungen falsch angeschlossen: Bei einem Zwei-Anschluss-Shunt führst du die Messleitungen von der Innenseite der Pads ab, nicht von den Leiterbahnen dahinter.
• Messleitungen getrennt geführt: Die beiden Leitungen zum Verstärker gehören dicht nebeneinander, damit Störfelder auf beide gleich wirken.
• Leistung beim Kurzschluss vergessen: Bis die Abschaltung greift, fließt ein Vielfaches des Nennstroms. Der Shunt muss diesen Impuls aushalten.
• Gewöhnlicher Dickschicht-Chip statt Metallstreifen: Der TK von einigen 100 ppm/K verfälscht die Messung bei Erwärmung.
• Thermospannung: Zwischen Legierung und Kupfer entstehen bei Temperaturunterschieden einige Mikrovolt pro Kelvin. Bei 10 mV Messspannung zählt das; ein symmetrisches Layout mit gleich warmen Pads hält den Fehler klein.

Selbsttest