Strommessung mit Shunt (High-Side)

Wie viel Strom zieht der Motor gerade, wie viel das LED-Panel, wann ist der Akku leer? Ein Mikrocontroller misst Strom fast immer über einen kleinen Widerstand, den Shunt: Der Strom erzeugt an ihm eine Spannung, die proportional zum Strom ist. Bei der High-Side-Messung sitzt der Shunt in der Plusleitung, zwischen Versorgung und Last. Die Last bleibt fest mit Masse verbunden, und auch ein Kurzschluss der Last gegen Masse fließt durch den Shunt und wird erkannt.

Der Haken: Die Messspannung von einigen Dutzend Millivolt sitzt auf 12 V. Kein ADC kann das direkt messen. Ein Strommessverstärker greift die Spannung am Shunt ab, verträgt die hohe Gleichtaktspannung und liefert eine verstärkte Spannung gegen Masse. Typische Einsätze sind Motorsteuerungen, Netzteile mit Stromanzeige, Akkuwächter und die elektronische Sicherung.

Schaltplan

• R_S, 20 mΩ: der Shunt-Widerstand. Bei 3 A fallen an ihm 60 mV ab.
• IC1, INA180A2: Strommessverstärker mit fester Verstärkung 50. Seine Eingänge dürfen von −0,2 bis 26 V liegen, unabhängig von seiner Versorgung von 2,7 bis 5,5 V.
• R1, C1: Tiefpass mit 1,6 kHz. R1 entkoppelt C1 vom Ausgang, denn der INA180 verträgt nur 1 nF direkt am Ausgang.
• Last: Motor, LED-Streifen oder ein ganzes Gerät an 12 V, bis 3 A.

So funktioniert die Schaltung

Nach dem ohmschen Gesetz liegt am Shunt U_S = I · R_S, bei 1 A also 20 mV. Diese Spannung liegt zwischen IN+ und IN−, beide Pins sitzen auf rund 12 V. Im INA180 steckt im Prinzip ein Subtrahierer mit abgeglichenen Widerständen, deren Eingangsstufe die hohe Gleichtaktspannung verträgt. Er verstärkt nur die Differenz:

Die 12 V selbst kommen am Ausgang nicht an. Eine Gleichtaktunterdrückung von mindestens 84 dB bedeutet: Schwankt die Versorgung um 1 V, ändert sich das Eingangssignal scheinbar nur um 63 µV, also um 3 mA.

Warum nicht Low-Side? Ein Shunt zwischen Last und Masse ist einfacher zu messen, weil seine Spannung schon gegen Masse liegt; ein nichtinvertierender Verstärker genügt. Dafür hebt er die Masse der Last um die Shuntspannung an. Das stört, wenn die Last weitere Masseverbindungen hat, etwa über ein USB-Kabel oder das Gehäuse, und ein Kurzschluss der Last gegen Masse geht am Shunt vorbei.

Dimensionierung

1. Shunt wählen. Der Spannungsabfall ist ein Kompromiss: Groß genug, dass Offset und Rauschen nicht stören, klein genug, dass Last und Shunt nicht leiden. 50 bis 100 mV bei Höchststrom sind ein guter Bereich. Bei 3 A und 20 mΩ sind es 60 mV.

2. Verlustleistung.

Ein Shunt in 1206 mit 0,5 W hat mehr als doppelte Reserve. Die Last verliert 60 mV von 12 V, ein halbes Prozent. Die elektrische Leistung im Shunt kannst du hier nachrechnen:

3. Verstärkung. Der ADC misst bis 3,3 V, der INA180 kommt bis 20 mV an seine Versorgung. Mit 60 mV bei 3 A passt Verstärkung 50 (Variante A2): 3,0 V bei 3 A, Messbereich bis knapp 3,28 A. Für einen 5-V-ADC nimmst du denselben Chip mit G = 50 an 5 V und kannst bis fast 5 A messen – dann aber mit 0,5 W im Shunt.

4. Gleichtakt. Die Eingänge liegen auf 12 V, erlaubt sind bis 26 V. Auch Spannungsspitzen beim Abschalten eines Motors haben noch Reserve; bei 24-V-Anlagen wird es knapp, dann gibt es Typen bis 80 V wie den INA240.

5. Auflösung. Ein 12-Bit-ADC an 3,3 V unterscheidet 0,81 mV, bei 1 V/A also 0,81 mA. Messen kannst du damit Ströme ab etwa 10 mA vernünftig.

6. Fehlerbudget. Im ungünstigsten Fall addieren sich:

• Offset höchstens 500 µV bei 12 V Gleichtakt. Das entspricht 500 µV / 20 mΩ = 25 mA Scheinstrom.
• Verstärkungsfehler höchstens 1 %.
• Toleranz des Shunts 1 %.

Bei 3 A sind das 25 mA plus 2 % von 3 A, zusammen 85 mA oder 2,8 %. Bei 0,1 A dominiert der Offset: 27 mA oder 27 % vom Messwert. Ein Nullpunktabgleich im Programm, bei abgeschalteter Last, nimmt den Offset heraus. Danach bleibt die Drift von höchstens 1 µV/K; über 40 K sind das 2 mA.

7. Leistung des Verstärkers. Der INA180 zieht höchstens 260 µA aus 3,3 V und etwa 80 µA in seine Eingänge aus der 12-V-Leitung. Seine Bandbreite von 210 kHz erfasst auch schnelle Stromspitzen eines Motors; der RC-Tiefpass am Ausgang glättet sie für den ADC.

Im Programm ziehst du den gemessenen Nullwert ab:

const int PIN_STROM = A0;           // Ausgang des INA180 über R1/C1
const float V_PRO_A = 1.0;          // 50 · 20 mΩ
float null_v = 0;

float spannung() {
  long s = 0;
  for (int i = 0; i < 32; i++) s += analogRead(PIN_STROM);
  return s / 32.0 * 3.3 / 4095.0;
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  analogReadResolution(12);
  null_v = spannung();              // Last muss hier noch aus sein
}

void loop() {
  float ampere = (spannung() - null_v) / V_PRO_A;
  Serial.println(ampere, 3);
  delay(200);
}

Weil der Ausgang nicht unter 0 V gehen kann, liefert ein negativer Offset bei Strom null einfach 0 V. Dann misst die Nullpunktkorrektur nichts, und der Fehler zeigt sich erst bei kleinen Strömen. Für solche Fälle gibt es Strommessverstärker mit REF-Eingang wie den INA240.

Bauteilliste

Varianten

Digital messen. Ein INA219 oder INA226 enthält Verstärker und ADC und misst zusätzlich die Busspannung. Er liefert Strom, Spannung und Leistung über I²C. Für Akku- und Solarprojekte ist das oft bequemer.

Diskret mit OPV und Transistor. Ein OPV, ein P-Kanal-MOSFET und zwei Widerstände setzen die Shuntspannung in einen Strom gegen Masse um, der an einem dritten Widerstand eine Spannung erzeugt. Der OPV muss dann an der 12-V-Schiene laufen und mit seinem Eingang bis an die positive Versorgung reichen. Der fertige INA180 ist billiger und genauer.

Höhere Spannungen. Für 24 oder 48 V gibt es Strommessverstärker bis 80 V oder mehr. Über rund 60 V ist eine galvanisch getrennte Messung mit Hallsensor oder isoliertem Verstärker die bessere Wahl.

Überstrom abschalten. Mit einem Komparator mit Hysterese am Ausgang entsteht eine schnelle Strombegrenzung, ohne Umweg über den Mikrocontroller.

Typische Fehler

• Messwert zu groß und temperaturabhängig: Die Messleitungen greifen nicht direkt am Shunt ab, sondern hinter Lötstellen und Leiterbahn. Schon 1 mΩ Kupfer verfälscht 20 mΩ um 5 %, und Kupfer ändert seinen Widerstand um 0,4 % pro Kelvin. Abhilfe ist der Kelvin-Anschluss, siehe unten.
• Strom wird negativ angezeigt oder bleibt bei 0: IN+ und IN− vertauscht. IN+ gehört an die Seite der Versorgung.
• Ausgang springt bei Motorstart: Der Anlaufstrom übersteigt den Messbereich, oder die Spannungsspitze bei Abschalten zieht IN− über 26 V. Eine TVS-Diode an der 12-V-Schiene schützt.
• Rauschen und Ausreißer: PWM-Lasten ziehen Strom in Pulsen. Der ADC tastet mal den Puls, mal die Pause ab. Den Tiefpass am Ausgang langsamer machen oder synchron zur PWM messen.
• Filter vor den Eingängen zu hochohmig: Die Eingänge ziehen je etwa 80 µA. Schon 10 Ω vor jedem Eingang erzeugen Fehler im Bereich des Offsets. Filter gehören an den Ausgang.

Selbsttest