Nebenwiderstand für Gleichstrom auswählen: Spannungsabfall, Verlustleistung und Leitungsführung richtig berechnen

→ Produktkategorie: Messgeräte für den Anlagen- und Schaltschrankbau

 

Nebenwiderstände, häufig als Shunts bezeichnet, ermöglichen die Messung hoher Gleichströme in Batterieanlagen, Ladegeräten, Gleichstromantrieben, Prüfständen und Energieversorgungssystemen. Der Laststrom fließt dabei nicht durch das eigentliche Anzeige- oder Auswertegerät, sondern durch einen sehr niederohmigen Präzisionswiderstand. Der kleine Spannungsabfall über diesem Widerstand wird anschließend als Maß für den Strom ausgewertet.

Die Auswahl darf jedoch nicht allein nach dem maximalen Strom erfolgen. Nennspannungsabfall, Widerstandswert, Verlustleistung, Temperaturentwicklung, Überlastfähigkeit, Einbaulage und Auswerteeingang müssen zusammenpassen. Ein falsch dimensionierter Shunt kann sich stark erwärmen, einen unerwünschten Spannungsverlust verursachen oder das angeschlossene Messgerät übersteuern.

Ebenso wichtig ist die Verdrahtung. Der hohe Laststrom und das kleine Messsignal benötigen getrennte Anschlusspfade. Werden die Messleitungen an ungeeigneten Punkten angeschlossen, können Kontaktwiderstände und Spannungsabfälle der Stromanschlüsse direkt in das Messergebnis eingehen. Eine Vierleiter- beziehungsweise Kelvinmessung verhindert diesen Fehler.

Geeignete Komponenten finden Sie in der ICS-Kategorie Nebenwiderstände. Passende Anzeigen und Auswertegeräte sind unter Digitale Einbaumessgeräte und Digitalanzeiger zusammengefasst.

Wie funktioniert die Gleichstrommessung mit einem Shunt?

Der Nebenwiderstand wird in Reihe in den zu messenden Gleichstromkreis eingebaut. Fließt Strom durch den definierten Widerstand, entsteht nach dem ohmschen Gesetz ein proportionaler Spannungsabfall:

U = I × R

Daraus lässt sich der Strom berechnen:

I = U / R

Ein Shunt mit der Angabe 500 A / 60 mV erzeugt bei einem Strom von 500 A einen Spannungsabfall von 60 mV. Bei 250 A beträgt das Signal näherungsweise 30 mV, bei 100 A ungefähr 12 mV.

Das angeschlossene Messgerät misst somit keine 500 A direkt. Es misst lediglich die kleine Gleichspannung am Nebenwiderstand und skaliert beispielsweise 0 bis 60 mV auf eine Anzeige von 0 bis 500 A.

Die Strommessung ist linear, solange der Shunt innerhalb seiner zulässigen elektrischen und thermischen Belastung arbeitet. Veränderungen des Widerstandswerts durch Temperatur, Überlastung oder beschädigte Anschlüsse wirken sich unmittelbar auf das Messergebnis aus.

Nennstrom und tatsächlichen Betriebsstrom bestimmen

Der auf dem Shunt angegebene Nennstrom ist der Strom, bei dem der festgelegte Nennspannungsabfall entsteht. Er sollte nicht automatisch mit dem Nennstrom einer Sicherung, eines Ladegeräts oder einer Batterie gleichgesetzt werden.

Für die Auswahl sind mindestens folgende Stromwerte erforderlich:

• normaler Dauerstrom,
• maximaler dauerhafter Betriebsstrom,
• kurzzeitiger Spitzen- oder Anlaufstrom,
• Dauer und Wiederholrate der Stromspitzen,
• möglicher Lade- und Entladestrom,
• maximaler Fehlerstrom bis zum Abschalten der Schutzeinrichtung.

Ein Shunt für einen normalen Betriebsstrom von 300 A darf nicht automatisch nur auf 300 A ausgelegt werden, wenn das System regelmäßig mit 450 A lädt oder ein Gleichstrommotor beim Anfahren deutlich höhere Ströme aufnimmt.

Ein unnötig großer Nennstrombereich ist jedoch ebenfalls ungünstig. Wird ein 1.000-A-Shunt nur mit 50 A betrieben, erzeugt ein 60-mV-Typ lediglich 3 mV. Das kleine Signal nutzt den Eingangsbereich der Anzeige schlecht aus und erhöht den relativen Einfluss von Offset, Störungen und Auflösung.

Widerstandswert des Nebenwiderstands berechnen

Der Widerstandswert ergibt sich aus Nennspannungsabfall und Nennstrom:

R_Shunt = U_N / I_N

Für einen Shunt mit 500 A und 60 mV gilt:

R = 0,060 V / 500 A = 0,00012 Ω

Der Widerstand beträgt somit:

0,12 mΩ beziehungsweise 120 µΩ

Solche Widerstandswerte sind so klein, dass bereits Übergangswiderstände an Schraubverbindungen, Kabelschuhen oder Sammelschienen eine vergleichbare Größenordnung erreichen können. Deshalb dürfen diese Kontaktspannungsabfälle nicht in die eigentliche Messspannung einbezogen werden.

Nennstrom	Nennspannungsabfall	Shuntwiderstand
100 A	60 mV	0,6 mΩ
250 A	60 mV	0,24 mΩ
500 A	60 mV	0,12 mΩ
1.000 A	60 mV	0,06 mΩ
500 A	150 mV	0,30 mΩ

50, 60, 75, 100 oder 150 mV auswählen

Der Nennspannungsabfall bestimmt, welches Signal der Shunt bei Nennstrom liefert. Übliche Ausführungen arbeiten beispielsweise mit 50, 60, 75, 100 oder 150 mV.

Ein größerer Nennspannungsabfall bietet grundsätzlich folgende Vorteile:

• größeres Nutzsignal am Auswerteeingang,
• bessere Ausnutzung des Messbereichs,
• geringerer relativer Einfluss von Offset und elektrischen Störungen,
• häufig bessere Auflösung bei kleinen Teilströmen.

Dem stehen jedoch Nachteile gegenüber:

• größerer Spannungsverlust im Hauptstromkreis,
• höhere Verlustleistung,
• stärkere Erwärmung des Nebenwiderstands,
• höherer Energieverlust im Dauerbetrieb.

Bei einem Nennstrom von 500 A ergeben sich folgende Werte:

Nennsignal	Widerstand	Verlustleistung bei 500 A
50 mV	100 µΩ	25 W
60 mV	120 µΩ	30 W
75 mV	150 µΩ	37,5 W
100 mV	200 µΩ	50 W
150 mV	300 µΩ	75 W

Die Auswahl ist deshalb ein Kompromiss aus Messqualität und Belastung des Stromkreises. Zusätzlich muss der Nennspannungsbereich exakt zum Eingang der Anzeige, des Messumformers oder der Steuerung passen.

Verlustleistung und Wärmeentwicklung berechnen

Die im Shunt entstehende Verlustleistung kann auf drei gleichwertige Arten berechnet werden:

P = U × I

P = I² × R

P = U² / R

Bei einem Shunt mit 500 A / 60 mV entstehen bei Nennstrom:

P = 0,060 V × 500 A = 30 W

Diese Leistung wird vollständig in Wärme umgesetzt. Ein Shunt ist deshalb kein thermisch vernachlässigbares Messbauteil, sondern kann im Dauerbetrieb deutlich warm oder heiß werden.

Die Verlustleistung steigt quadratisch mit dem Strom. Wird derselbe 500-A-Shunt nur mit 250 A belastet, beträgt die Verlustleistung nicht 15 W, sondern:

P = 250² A² × 0,00012 Ω = 7,5 W

Bei 600 A entstehen dagegen bereits:

P = 600² A² × 0,00012 Ω = 43,2 W

Ob diese kurzzeitige Belastung zulässig ist, hängt von der Überlastfähigkeit, Pulsdauer, Wiederholrate und thermischen Konstruktion des konkreten Nebenwiderstands ab.

Temperaturkoeffizient und Eigenerwärmung berücksichtigen

Der Widerstand eines realen Shunts bleibt nicht unter allen Bedingungen exakt konstant. Er verändert sich mit der Temperatur. Präzisionsnebenwiderstände verwenden deshalb spezielle Widerstandslegierungen mit einem möglichst kleinen Temperaturkoeffizienten.

Eine Temperaturänderung beeinflusst diestandslegierungen mit einem möglichst kleinen Temperaturkoeffizienten.

Eine Temperaturänderung beeinfl Messung auf zwei Arten:

• Die Umgebungstemperatur verändert den Grundwiderstand.
• Der Laststrom erwärmt den Shunt zusätzlich durch seine eigene Verlustleistung.

Die auf dem Datenblatt angegebene Genauigkeitsklasse gilt daher nur unter den festgelegten Referenz- und Einbaubedingungen. Bei hoher Umgebungstemperatur, schlechter Belüftung oder zu engem Einbau kann die tatsächliche Messabweichung größer werden.

Nach dem Einschalten eines hohen Dauerstroms benötigt der Shunt außerdem Zeit, bis er seinen thermischen Gleichgewichtszustand erreicht. Für präzise Vergleichsmessungen sollte deshalb dokumentiert werden, ob der Wert unmittelbar nach dem Einschalten oder nach einer definierten Aufwärmzeit aufgenommen wurde.

Auffällige Temperaturunterschiede zwischen den beiden Stromanschlüssen können auf ungleichmäßige Kontaktwiderstände, falsche Anzugsdrehmomente oder eine unsymmetrische Stromzuführung hinweisen.

Puls-, Anlauf- und Überlastströme bewerten

In Batterieanlagen, Schweißstromquellen, Gleichstromantrieben und Ladegeräten treten häufig kurze Stromspitzen auf. Ein Shunt kann für kurze Zeit einen Strom oberhalb seines Nennwerts vertragen, ohne sofort seine zulässige Dauertemperatur zu erreichen. Diese Fähigkeit darf jedoch nicht pauschal angenommen werden.

Für die Pulsbewertung werden benötigt:

• maximale Stromhöhe,
• Pulsdauer,
• Einschaltdauer beziehungsweise Tastverhältnis,
• Wiederholfrequenz,
• Grundstrom zwischen den Pulsen,
• zulässige kurzzeitige Überlast des Herstellers.

Die thermische Belastung eines Strompulses hängt wesentlich von I² × R und seiner Dauer ab. Zwei Stromspitzen mit derselben Höhe können den Shunt unterschiedlich belasten, wenn eine nur wenige Millisekunden und die andere mehrere Sekunden dauert.

Auch die Anzeige muss zum zeitlichen Verlauf passen. Eine stark geglättete Digitalanzeige kann einen kurzen Spitzenstrom vollständig unterdrücken, obwohl der Shunt mechanisch und thermisch belastet wurde. Für schnelle Pulsströme sind gegebenenfalls ein Messumformer mit ausreichender Bandbreite oder eine separate Spitzenwerterfassung erforderlich.

Vierleiter- und Kelvinanschluss richtig ausführen

Bei einer Vierleitermessung werden Hauptstrompfad und Spannungsmessung voneinander getrennt. Der Shunt besitzt dazu zwei große Stromanschlüsse und zwei separate Mess- beziehungsweise Potentialanschlüsse.

Über die großen Anschlüsse fließt der vollständige Laststrom. Die dünnen Messleitungen erfassen dagegen nur den Spannungsabfall direkt über dem kalibrierten Widerstandselement.

Dadurch gehen folgende Spannungsanteile nicht oder nur deutlich reduziert in das Messsignal ein:

• Übergangswiderstand der Stromschrauben,
• Spannungsabfall an Kabelschuhen,
• Widerstand der Sammelschienenanschlüsse,
• Kontaktalterung an den Hauptstromklemmen.

Für eine korrekte Kelvinverdrahtung gilt:

• Messleitungen ausschließlich an den vorgesehenen Potentialanschlüssen anschließen.
• Messanschlüsse nicht beliebig an den Hauptstromschrauben abgreifen.
• Hin- und Rückleitung des Messsignals möglichst gemeinsam beziehungsweise verdrillt führen.
• Ausreichenden Abstand zu geschalteten Leistungsleitungen und starken Magnetfeldern einhalten.
• Messleitungen nicht zusammen mit stark störenden Motor- oder Schützleitungen verlegen.
• Die Polarität eindeutig kennzeichnen.

Da durch die Messleitungen nur ein sehr kleiner Eingangsstrom fließt, wird ihr Querschnitt meist nach mechanischer Festigkeit, Spannungsfestigkeit und Installationsanforderungen gewählt. Ihr Isolationsniveau muss jedoch zur gesamten Systemspannung passen. Ein 60-mV-Messsignal kann sich trotzdem auf einem gefährlich hohen Potenzial gegenüber Erde befinden.

Hauptstromleitungen und Kontaktstellen auslegen

Der Shunt wird in den Hauptstromkreis eingefügt. Seine Stromanschlüsse, Kabelschuhe und angrenzenden Leiter müssen deshalb für den maximalen Dauerstrom und den möglichen Kurzschlussstrom geeignet sein.

Der erforderliche Leiterquerschnitt hängt nicht nur vom Nennstrom ab, sondern unter anderem von:

• Leitermaterial,
• Verlegeart,
• Umgebungstemperatur,
• zulässiger Leitererwärmung,
• Leitungslänge und Spannungsfall,
• Bündelung mit weiteren Leitern,
• Kurzschlussfestigkeit,
• Hersteller- und Anlagenvorgaben.

Die Hauptstromleiter sollten mechanisch spannungsfrei an den Shunt angeschlossen werden. Starre Sammelschienen oder schwere Kabel dürfen keine unzulässigen Zug-, Druck- oder Biegekräfte auf den Messkörper übertragen.

Kontaktflächen müssen sauber, eben und für die vorgesehene Verbindung geeignet sein. Die Schrauben sind mit dem vorgeschriebenen Drehmoment anzuziehen. Ein lockerer Anschluss erhöht nicht nur den Spannungsabfall, sondern kann durch lokale Erwärmung zu einer Brandgefahr führen.

Der über die Kelvinanschlüsse erfasste Messwert kann trotz eines überhitzten Hauptanschlusses noch plausibel erscheinen. Die elektrische Anzeige ersetzt daher keine Kontrolle der Leistungsklemmen.

Einbauort, Kühlung und Berührungsschutz planen

Die Verlustwärme muss an die Umgebung abgegeben werden können. Ein Nebenwiderstand darf deshalb nicht ohne Prüfung in einem kleinen, geschlossenen oder bereits stark erwärmten Schaltschrankbereich montiert werden.

Bei der Einbauplanung sind insbesondere zu berücksichtigen:

• vorgeschriebene Einbaulage,
• freie Luftzirkulation um das Widerstandselement,
• Abstand zu temperaturempfindlichen Bauteilen,
• Abstand zu Kabelkanälen und Kunststoffteilen,
• Wärmeeintrag weiterer Leistungskomponenten,
• zulässige Umgebungstemperatur,
• Berührungs- und Fremdkörperschutz,
• Zugänglichkeit für Wartung und Nachziehen.

Der Shunt darf nicht durch eine Abdeckung thermisch eingeschlossen werden. Gleichzeitig müssen spannungsführende und heiße Teile gegen unbeabsichtigte Berührung geschützt sein. Eine geeignete Schutzabdeckung benötigt daher ausreichende Abstände und Lüftungsmöglichkeiten.

Bei Batterie- und Gleichstromsystemen können auch bei vergleichsweise niedriger Spannung sehr hohe Kurzschlussströme entstehen. Montage und Wartung dürfen nur im freigeschalteten Zustand und durch entsprechend qualifizierte Fachkräfte erfolgen.

High-Side, Low-Side und galvanische Trennung

Ein Shunt kann grundsätzlich im positiven oder negativen Strompfad eingebaut werden. Beide Varianten haben Vor- und Nachteile.

Low-Side-Messung

Bei der Low-Side-Messung befindet sich der Shunt im Rückleiter nahe dem Bezugspotenzial. Dadurch ist die Gleichtaktspannung am Messgerät häufig geringer und die Auswertung einfacher.

Der Spannungsabfall des Shunts hebt jedoch das Potenzial des Verbrauchers gegenüber dem eigentlichen Minus- oder Massepunkt an. Das kann Massebezüge, Schutzfunktionen, Kommunikationsschnittstellen oder parallel angeschlossene Systeme beeinflussen.

High-Side-Messung

Bei der High-Side-Messung liegt der Shunt im positiven Leiter. Der Massebezug des Verbrauchers bleibt dadurch unverändert. Das Messsignal befindet sich jedoch nahezu auf der vollständigen Systemspannung.

Die Auswerteelektronik muss dann sowohl die kleine Differenzspannung als auch die hohe Gleichtaktspannung sicher beherrschen. Häufig ist eine galvanisch getrennte Anzeige oder ein Shunt-/mV-Trennverstärker erforderlich.

Entscheidend ist nicht nur die Differenz von beispielsweise 60 mV. Entscheidend ist auch, welches Potenzial beide Messanschlüsse gegenüber Erde und der Versorgung des Anzeigegeräts besitzen.

Ein nicht isolierter Eingang darf deshalb nicht ohne Prüfung an einen potenzialbehafteten Shunt angeschlossen werden. Andernfalls können Messfehler, Masseschleifen, Kurzschlüsse oder Schäden an der Auswerteelektronik entstehen.

Digitalanzeige und Messbereich richtig skalieren

Der Eingang der Anzeige muss zum Nennspannungsabfall des Shunts passen. Ein 500-A-/60-mV-Shunt benötigt beispielsweise einen Eingang, der 0 bis 60 mV zuverlässig verarbeitet und auf 0 bis 500 A skaliert werden kann.

Werden Shunt und Anzeige falsch kombiniert, entstehen typische Fehler:

Shunt	Anzeigeneingang	Folge
500 A / 60 mV	0–60 mV, auf 500 A skaliert	Korrekte Zuordnung
500 A / 60 mV	0–75 mV, unverändert auf 500 A skaliert	Anzeige bleibt bei Nennstrom unter dem Endwert
500 A / 75 mV	0–60 mV	Eingang kann vor Erreichen des Nennstroms übersteuert werden
1.000 A / 60 mV	Auf 500 A skaliert	Anzeige zeigt den doppelten Strom an

Zusätzlich sind Auflösung, Eingangsimpedanz, Genauigkeit, Aktualisierungsrate und galvanische Trennung des Anzeigegeräts zu prüfen.

Soll das Shuntsignal an eine SPS übertragen werden, kann ein Trennverstärker die kleine mV-Spannung beispielsweise in ein robusteres Normsignal umwandeln. Dadurch lassen sich auch größere Entfernungen, Potenzialtrennung und eine eindeutigere Störungsdiagnose realisieren.

Lade- und Entladestrom bidirektional messen

In Batterieanlagen wechselt die Stromrichtung zwischen Laden und Entladen. Dabei ändert sich auch die Polarität der Shuntspannung.

Ein Shunt mit ±500 A und ±60 mV liefert beispielsweise:

• +60 mV bei 500 A in positiver Richtung,
• 0 mV bei keinem Strom,
• −60 mV bei 500 A in Gegenrichtung.

Für diese Anwendung benötigt die Anzeige einen bipolaren Eingang oder einen geeigneten Signalwandler. Eine rein unidirektionale 0-bis-60-mV-Anzeige kann die negative Spannung nicht korrekt darstellen.

Vor der Inbetriebnahme muss eindeutig festgelegt werden, welche Stromrichtung als positiv gilt. Häufig wird Laden positiv und Entladen negativ angezeigt oder umgekehrt. Entscheidend ist eine einheitliche Kennzeichnung in Schaltplan, Anzeige und Steuerung.

Inbetriebnahme und Plausibilitätsprüfung

Nach der Montage sollte die vollständige Messkette geprüft werden. Dazu gehören Shunt, Hauptstromanschlüsse, Kelvinleitungen, Anzeige und gegebenenfalls der Trennverstärker.

1. Typenschild kontrollieren: Nennstrom und Nennspannungsabfall von Shunt und Anzeige vergleichen.
2. Mechanische Montage prüfen: Befestigung, Abstände und spannungsfreie Anschlüsse kontrollieren.
3. Anzugsdrehmomente prüfen: Hauptstrom- und Messanschlüsse nach Herstellervorgabe anziehen.
4. Polarität kontrollieren: Plus- und Minusanschluss der Messleitungen eindeutig zuordnen.
5. Nullwert prüfen: Die Anzeige muss bei stromlosem Kreis einen plausiblen Nullwert liefern.
6. Referenzstrom aufbringen: Wenn möglich mit einem bekannten Strom oder Referenzmessgerät vergleichen.
7. Teillast prüfen: Messwert beispielsweise bei 25, 50 und 75 % des Nennstroms vergleichen.
8. Temperatur beobachten: Unter Dauerlast auf ungewöhnliche Erwärmung der Anschlüsse achten.
9. Stromrichtung prüfen: Bei bidirektionalen Systemen Laden und Entladen kontrollieren.
10. Dokumentieren: Messwerte, Temperatur, Skalierung und Anschlussplan festhalten.

Bei hohen Strömen ist eine vollständige Nennstromprüfung vor Ort nicht immer möglich. Eine Plausibilitätsprüfung mit einer geeigneten Gleichstromzange oder einer bekannten Last kann dennoch Anschluss- und Skalierungsfehler erkennen.

Typische Fehler bei der Shunt-Messung

Fehler	Mögliche Folge	Geeignete Maßnahme
Shunt nur nach Nennstrom ausgewählt	Anzeigeeingang und mV-Signal passen nicht zusammen	Nennstrom und Nennspannungsabfall gemeinsam festlegen
Verlustleistung nicht berechnet	Starke Erwärmung im Schaltschrank	P = U × I bei Dauer- und Spitzenstrom berechnen
Messleitungen an Stromschrauben angeschlossen	Kontaktspannungen verfälschen den Messwert	Vorgesehene Kelvinanschlüsse verwenden
Hauptstromkabel mechanisch verspannt	Beschädigung oder Verformung des Messkörpers	Leiter spannungsfrei befestigen und separat abstützen
Unzureichende Belüftung	Temperaturdrift und thermische Überlastung	Einbauabstände und Kühlung nach Herstellerangabe ausführen
60-mV-Shunt an 75-mV-Anzeige falsch skaliert	Anzeige erreicht nicht den korrekten Endwert	Eingangsbereich und Skalierung anpassen
High-Side-Shunt an nicht isoliertem Eingang	Masseschleife, Kurzschluss oder Geräteschaden	Gleichtaktspannung prüfen und galvanische Trennung vorsehen
Unidirektionale Anzeige bei Lade- und Entladestrom	Negative Ströme werden falsch oder gar nicht angezeigt	Bipolaren Eingang und geeignete Skalierung verwenden
Lose Hauptstromverbindung	Lokale Überhitzung trotz plausibler Stromanzeige	Kontaktflächen und Anzugsdrehmoment regelmäßig prüfen
Parallelpfad am Shunt vorbei	Nur ein Teil des tatsächlichen Stroms wird erfasst	Gesamten Rück- beziehungsweise Hinleiter durch den Shunt führen

Praxisbeispiel: 500-A-Batteriestrom messen

In einer 48-V-Batterieanlage sollen Lade- und Entladeströme bis 500 A gemessen werden. Kurzzeitige Spitzen bis 600 A können für einige Sekunden auftreten. Die Anzeige befindet sich in der Schaltschranktür.

Ausgewählt wird zunächst ein Shunt mit 500 A / 60 mV. Sein Widerstand beträgt:

R = 0,060 V / 500 A = 120 µΩ

Bei 500 A entsteht eine Verlustleistung von:

P = 0,060 V × 500 A = 30 W

Bei 250 A liefert der Shunt 30 mV und setzt 7,5 W in Wärme um. Bei einem kurzzeitigen Strom von 600 A entstehen 72 mV und momentan 43,2 W. Ob dieser Betrieb zulässig ist, wird anhand der Überlastdaten des konkreten Shunts geprüft.

Der Spannungsabfall von 60 mV entspricht bei einer 48-V-Anlage ungefähr 0,125 % der Systemspannung. Für die Batterieanlage ist dies akzeptabel. Bei einem 12-V-System würde derselbe Spannungsabfall bereits 0,5 % betragen und könnte stärker ins Gewicht fallen.

Da Lade- und Entladeströme erfasst werden sollen, wird eine bipolare Auswertung mit ±60 mV vorgesehen. Die Anzeige wird auf −500 bis +500 A skaliert.

Der Shunt wird im dafür vorgesehenen Rückleiter auf isolierten Haltern montiert. Die beiden Hauptstromkabel werden an den großen Stromanschlüssen befestigt und mechanisch separat abgestützt. Zwei dünne, verdrillte Messleitungen führen direkt von den Kelvinanschlüssen zu einem galvanisch getrennten mV-Messumformer.

Bei der ersten Inbetriebnahme zeigt die Anzeige bei stromloser Anlage einen kleinen Offset. Dieser wird nicht durch eine willkürliche Skalierungsänderung verdeckt. Stattdessen werden Polarität, Messleitungsführung, Trennverstärker und Nullpunktfunktion geprüft.

Anschließend wird ein Ladestrom von ungefähr 100 A mit einer geeigneten Referenzmessung verglichen. Die Shuntspannung beträgt rund 12 mV und die Anzeige liegt im erwarteten Bereich. Nach längerem Betrieb mit 400 A werden zusätzlich die Temperatur des Widerstandselements und die beiden Hauptstromanschlüsse kontrolliert.

Das Beispiel zeigt, dass Strombereich, mV-Signal, Wärmeentwicklung, Polarität und Potenzialtrennung gemeinsam geplant werden müssen. Der reine Aufdruck „500 A“ reicht für die Auswahl nicht aus.

Welche Produkte und Lösungen eignen sich?

DER060, DER100 und DER150 Nebenwiderstände

Die ICS-Nebenwiderstände DER060, DER100 und DER150 dienen zur Erweiterung der Messbereiche von Gleichstromanzeigen.

Je nach Ausführung sind Gleichstrombereiche von 1 bis 6.000 A und Nennspannungsabfälle von 60, 100 oder 150 mV verfügbar. Für die Auswahl müssen Nennstrom, Ausgangsspannung, mechanische Abmessungen, thermische Belastung und das angeschlossene Messgerät abgestimmt werden.

IM1 Digitalanzeige für Shuntsignale

Die IM1-Digitalanzeige verarbeitet je nach Ausführung Shuntsignale von 0 bis 60 mV oder 0 bis 150 mV. Der Anzeigebereich kann auf den Nennstrom des verwendeten Nebenwiderstands angepasst werden.

Sie eignet sich beispielsweise für die lokale Stromanzeige in Ladegeräten, Gleichstromversorgungen, Batterieschränken und industriellen Schaltanlagen.

IM2 und IM3 für erweiterte Auswertefunktionen

Die Digitalanzeigen der Reihen IM2 und IM3 stehen für unterschiedliche mV-Eingangsbereiche zur Verfügung. Je nach Ausführung bieten sie zusätzliche Funktionen wie Grenzwerte, Analogausgänge, Relais, Min-/Max-Speicherung und flexible Skalierung.

Vor der Auswahl ist zu prüfen, ob ein unipolarer oder bipolarer Eingang benötigt wird und ob die galvanische Trennung für das Potenzial des Shunts ausreicht.

DS 75000 Shunt-/mV-Trennverstärker

Der DS 75000 dient zur galvanischen Trennung und Wandlung von unipolaren und bipolaren mV-Signalen. Er eignet sich insbesondere, wenn ein Shunt auf einem höheren Potenzial liegt, das Signal über größere Entfernung übertragen oder in ein Normsignal für eine SPS umgewandelt werden soll.

ICS Schneider Messtechnik unterstützt bei der Auswahl von Nennstrom, mV-Ausgang, Digitalanzeige, Signalwandler und Potenzialtrennung sowie bei der Abstimmung von Messbereich, Skalierung und Einbausituation.

Fazit

Ein Nebenwiderstand macht hohe Gleichströme über einen kleinen proportionalen Spannungsabfall messbar. Die Auswahl erfordert jedoch deutlich mehr als die Angabe des maximalen Stroms.

Aus Nennstrom und Nennspannungsabfall ergeben sich Widerstand und Verlustleistung. Ein höheres mV-Signal verbessert die Auswertbarkeit, erhöht aber zugleich den Spannungsabfall und die Wärmeentwicklung. Besonders bei mehreren hundert oder tausend Ampere können bereits wenige Millivolt zusätzliche Leistung in erhebliche Wärme umsetzen.

Für genaue Messwerte müssen Hauptstrompfad und Spannungsmessung getrennt werden. Die Kelvinleitungen gehören direkt an die vorgesehenen Messanschlüsse des Shunts. Kontaktwiderstände der Leistungsklemmen dürfen nicht Teil des Messsignals werden.

Hauptstromleitungen, Schraubverbindungen, Einbaukühlung, Berührungsschutz und Kurzschlussfestigkeit sind ebenso wichtig wie die Genauigkeitsklasse. Bei High-Side-Messungen und potenzialbehafteten Batteriesystemen muss zusätzlich die Gleichtaktspannung der Anzeige berücksichtigt oder eine galvanische Trennung eingesetzt werden.

Eine zuverlässige Gleichstrommessung entsteht erst, wenn Shunt, Leitungsführung, Digitalanzeige und Betriebsbedingungen als vollständige Messkette ausgelegt und nach der Montage gemeinsam geprüft werden.

Häufige Fragen zu Nebenwiderständen für Gleichstrom

Wie berechnet man den Widerstand eines Shunts?

Der Widerstand ergibt sich aus dem Nennspannungsabfall geteilt durch den Nennstrom. Ein Shunt mit 500 A und 60 mV besitzt einen Widerstand von 0,060 V / 500 A = 120 µΩ.

Wie hoch ist die Verlustleistung eines 500-A-/60-mV-Shunts?

Bei Nennstrom entstehen 0,060 V × 500 A = 30 W Verlustleistung. Bei halbem Strom beträgt die Leistung aufgrund des quadratischen Zusammenhangs nur 7,5 W.

Ist ein 75-mV-Shunt genauer als ein 60-mV-Shunt?

Nicht automatisch. Das größere Signal kann die Auflösung und Störfestigkeit der Auswertung verbessern. Gleichzeitig entstehen ein höherer Spannungsabfall und eine größere Verlustleistung. Die Genauigkeit hängt von Shunt, Anzeige, Temperatur und Verdrahtung ab.

Warum benötigt ein Shunt vier Anschlüsse?

Zwei Anschlüsse führen den hohen Laststrom. Zwei separate Kelvinanschlüsse erfassen den Spannungsabfall direkt am kalibrierten Widerstandselement. Dadurch beeinflussen die Kontaktwiderstände der Hauptstromanschlüsse den Messwert deutlich weniger.

Dürfen die Messleitungen an den großen Stromschrauben befestigt werden?

Nur wenn dies vom Hersteller ausdrücklich als Messpunkt vorgesehen ist. Im Regelfall sind die separaten Potentialanschlüsse zu verwenden, damit Übergangswiderstände der Stromklemmen nicht in die Messung eingehen.

Kann ein Shunt Lade- und Entladestrom messen?

Ja. Der Spannungsabfall ändert bei umgekehrter Stromrichtung sein Vorzeichen. Dafür wird eine bipolare Anzeige oder ein geeigneter Messumformer benötigt.

Sollte der Shunt in der Plus- oder Minusleitung eingebaut werden?

Das hängt von Massekonzept, Schutzfunktionen und Auswerteeingang ab. Die Low-Side-Messung ist elektrisch oft einfacher, verändert aber das Bezugspotenzial. Die High-Side-Messung benötigt häufig eine galvanisch getrennte Auswertung.

Kann ein Shunt kurzzeitig mehr als seinen Nennstrom führen?

Je nach Bauart kann eine kurzzeitige Überlast zulässig sein. Entscheidend sind Stromhöhe, Pulsdauer, Wiederholrate und die Herstellerangaben. Die zulässige Überlast darf nicht als dauerhafter Messbereich verwendet werden.

Warum wird ein Shunt trotz seines sehr kleinen Widerstands heiß?

Bei hohen Strömen führt selbst ein Widerstand von wenigen Mikroohm zu einer erheblichen Verlustleistung. Bei 1.000 A und 60 mV entstehen beispielsweise bereits 60 W Wärme.

Warum zeigt die Anzeige einen falschen Strom an?

Häufige Ursachen sind eine falsche mV-Skalierung, vertauschte Polarität, ungeeignete Messpunkte, ein Parallelstrompfad, Temperaturdrift, lose Hauptanschlüsse oder ein nicht geeigneter beziehungsweise nicht isolierter Eingang.