Shunts – einfach erläutert

Ein Shunt ist ein elektrisches Bauelement, das in einem Stromkreis niederohmigen Pfad bildet. Dadurch kann ein hoher Strom über den geringen Spannungsabfall gemessen werden. Shunts werden auch als Nebenschlusswiderstände, Nebenwiderstände oder Nebenschlüsse bezeichnet.Shunts kommen oft als niederohmige Präzisions-Messwiderstände zum Einsatz, um hohe Ströme zu messen. Das Wort „Shunt“ stammt aus dem Englischen und bezeichnet das Umleiten entlang eines festgelegten Weges, wie es bei einer elektrischen Parallelschaltung geschieht.

Die Stromstärke muss in vielen Anwendungsfällen gemessen werden, beispielsweise bei Überstromschutzvorrichtungen, 4–20-mA-Systemen, Akkuladegeräten und Motorsteuerungen mit H-Brückenschaltung. Durch Anwendung des ohmschen Gesetzes lässt sich die Stromstärke in Ampere relativ zur Spannung ermitteln. Dazu muss ein Widerstand parallel zum Amperemeter geschaltet werden. Der Strom wird dann so aufgeteilt, dass nur eine kleine Menge durch das Messgerät fließt und die tatsächliche Stromstärke gemessen werden kann.

Ein Shunt erzeugt einen niederohmigen Pfad in einem Stromkreis, über den der Strom umgeleitet bzw. an einem parallelen Abschnitt der Schaltung vorbeigeleitet wird. In einigen Messgeräten sind präzise Shunts verbaut, sodass damit Gleichstrom- und Leistungsmessungen möglich sind. Es gibt auch elektrische Shunts, die den Fluss eines Gleichstroms messen.

Das ohmsche Gesetz kommt dabei mit folgender Formel zur Anwendung:

U = I × R

Der Gleichung zufolge ist die Spannung (U, gemessen in Volt/V), die an einem Widerstand (R, gemessen in Ohm/Ω) anliegt, abhängig vom Widerstand und dem Strom (I, gemessen in Ampere/A), der durch den Widerstand fließt. Zum Beispiel führen ein Shunt mit einem Widerstand von 0,002 Ω und ein Strom von 30 A zu einer Spannung von 0,06 V (0,002 × 30 = 0,06) bzw. 60 mV.

Der Spannungsabfall durch den Shunt lässt sich abschätzen, indem der Shunt als Messwiderstand im Schaltkreis platziert wird. Aus dem Ohm-Wert des Shunts lässt sich mithilfe der auf dem ohmschen Gesetz beruhenden Gleichung der Ampere-Wert ableiten. Das ohmsche Gesetz kann auch beim Kalibrieren des Shunt-Widerstands zur Anwendung kommen.

Häufige Anwendungen von Shunts sind u. a. folgende:

• Messung des durch eine Batterie fließenden Stroms und Überwachung der Stromquelle
• Ableitung hochfrequenter Signale zur Masse (erfordert einen Shunt-Kondensator), bevor sie die Schaltelemente erreichen
• Installation in einem DC-Anschlussgehäuse mit einem Minusleiter zwischen Batterien und Wechselrichter
• Überspannungsschutz in Steuervorrichtungen, z. B. bei Batterieladegeräten und Stromversorgungen

Die folgende Tabelle enthält einige Beispiele für Shunt-Typen, die Sie möglicherweise nutzen:

Bezeichnung	Ausgang	Geeignet für
Murata Power Solutions digitaler Shunt	50 A 50 mV	Messung von Gleichströmen zwischen 5 A und 1.200 A
Hobut Shunt	20 A 200 mV	Umwandlung digitaler Schalttafelmessgeräte mit 199,9 mV Vollausschlag in Amperemeter
GILGEN Muller & Weigert Shunt mit Anschlussplatte	100 A 60 mV	Messung höherer Ströme mit DQn-Wirkleistungsmessern
Chauvin Arnoux Plate Shunt mit Anschlussplatte	10 A 100 mV	Hochpräzise Strommessung bis 10 A Nennstrom

DC-Einbau-Amperemeter sind eine der häufigsten Anwendungen für Shunts. Sie ermöglichen die genaue Messung von Strömen, die den Messbereich gewöhnlicher Amperemeter übersteigen. Für die Messung muss ein sehr kleiner Strom zum Messgerät umgeleitet werden.

Der Widerstand muss so ausgewählt werden, dass der entsprechende Spannungsabfall ohne Unterbrechung des Stromkreises gemessen werden kann. Die Stromstärke hat direkten Einfluss auf die dem Shunt zufließende Spannung, sodass sich der genaue Ampere-Wert ermitteln lässt.

Shunt-Widerstände und gewöhnliche Widerstände unterscheiden sich hinsichtlich ihrer technischen Einschränkungen. Shunts erlauben dank des sehr niedrigen Ohm-Wertes eine hohe Genauigkeit. Allerdings empfehlen sich in diesem Zusammenhang Kelvinklemmen, um Problemen wie Zuleitungswiderständen und Empfindlichkeit aus dem Weg zu gehen.

Der Widerstandswert eines Shunts kann durch eine Reihe reversibler und irreversibler Faktoren beeinflusst werden. Die mechanische, elektrische und thermische Beanspruchung des Shunts im Einsatz führt trotz hoher Stabilität langfristig zu einer unumkehrbaren Veränderung des Werts. Der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands wird in ppm/K angegeben und entspricht der Veränderung des Ohm-Wertes aufgrund der Abkühlung oder Erwärmung des Transistors, bedingt durch Schwankungen der Umgebungstemperatur. Die Leistungsschwankung am Widerstand gibt der Leistungskoeffizient des elektrischen Widerstands, gemessen in ppm/W, an.

Shunts werden oft eingesetzt, um Drehzahlregler vor Lasten zu schützen, die einen Überstrom verursachen oder die Drehzahl des Motors begrenzen. Die Drehzahl lässt sich erhöhen, indem der Shunt von der Messleitung getrennt wird. Die Messleitung muss dann mit der Masse verbunden werden. Dadurch kommt es nicht zu einem Spannungsabfall, sodass der Drehzahlregler mit maximaler Leistung arbeitet. Dies kann jedoch gefährlich sein, wenn die Belastung der Reglertransistoren zu groß ist.

Ein hochpräziser Shunt kann auch zum Einsatz kommen, wenn Komponenten auf einem Prüfstand getestet werden. Bei dieser Anwendung kann der Shunt mit einem Voltmeter zur Ableitung der im Stromkreis anliegenden Stromstärke kombiniert werden. Durch die Verwendung eines empfindlichen Voltmeters lassen sich größere Ströme mit höherer Zuverlässigkeit messen, als dies mit einem Standard-Multimeter möglich wäre.

Beachten Sie zunächst alle Anweisungen des Herstellers. Überprüfen Sie, ob das Voltmeter und der Shunt für dieselben mV-Werte ausreichend dimensioniert sind. Dann müssen Sie den Shunt an den Minusleiter anschließen, indem Sie die Batteriebank mit den Schaltkreisen verbinden. Dies lässt sich verifizieren, indem Sie dem Minusleiter von der Batterie bis zu den Schaltungen oder zum Sicherungskasten folgen.

Wenn Sie den Strom messen möchten, der vom angeschlossenen Gerät aufgenommen und vom Drehstromgenerator bereitgestellt wird, müssen Sie die Batterie- und Shunt-Anschlüsse entsprechend anpassen. Dazu muss ein ausreichend starkes Kabel an der anderen Seite des Shunts angeschlossen werden, das zum Minuspol der Batterie führt.

Der Shunt muss in einem Bereich platziert werden, in dem Kurzschlüsse in den Kabeln ausgeschlossen sind. Um die Installation zu vereinfachen, können die Minusleiter gekürzt werden. Außerdem ist eine geeignete Bohrung für die Anbringung des Amperemeters erforderlich. Die Bohrung muss so klein sein, dass das Messgerät sicher angeschlossen werden kann. Die Verbindung zwischen den Leitern und der Gleichstrom- oder Spannungsquelle muss über korrekt gepolte Anschlüsse verfügen. Und schließlich müssen Sie sich vergewissern, dass das Messgerät korrekt eingestellt ist (der Strom kann als Wechselstrom, Gleichstrom, indirekt über den Widerstand usw. gemessen werden).

Bevor Sie mit der eigentlichen Verkabelung beginnen, sollten Sie überprüfen, ob der Shunt und die Last in Reihe geschaltet sind. Zudem müssen Sie eine geeignete Batterie anschließen und überprüfen, ob sie korrekt mit dem Shunt verpolt ist. Das Kabel sollte dann vom Shunt zur Last führen. Zwischen Amperemeter und Masse darf keine Verbindung bestehen. Allerdings sollte das Amperemeter parallel zum Shunt geschaltet sein und der Shunt in Reihe mit der Last.

Zu Beginn der Strom- oder Spannungsmessung wird die Schaltung gespeist. Dann kann die Ablesung der Messwerte erfolgen. Es sollte jedoch kein Strom angelegt werden, wenn Sie gerade den Widerstand messen.

Wie schon erwähnt lässt sich der Widerstandswert eines Shunts berechnen, indem man den gemessenen Spannungsabfall durch die entsprechende Stromstärke teilt. Anhand des Shunts können Sie sich vergewissern, ob die Schaltung für den anzulegenden Strom ausreichend dimensioniert ist. Dazu benötigen Sie einen Taschenrechner und die Werte der Stromstärke und der Spannung über den Shunt-Widerstand.

Die Stromstärke wird wie folgt berechnet:

Ohmsches Gesetz notieren

Schreiben Sie sich zunächst die Gleichung für das ohmsche Gesetz auf: U = I × R, wobei U dem Spannungsabfall über den Shunt entspricht, I dem angelegten Strom und R dem Widerstandswert des Shunts.

Spannungs- und Stromwerte einsetzen

Setzen Sie die Werte der Spannung (U) und der Stromstärke (I) in die Gleichung ein. Beträgt die Spannung über den Shunt beispielsweise 10 Volt und die Stromstärke 1 Ampere, dann lautet die Gleichung: 10 = 100 × R.

Widerstand ausrechnen

Dividieren Sie dann durch 100, um den R-Wert auszurechnen. In diesem Beispiel würde sich R auf 0,1 Ohm belaufen, was dem Widerstandswert des Shunts entspricht.

Verlustleistung am Shunt bestimmen

Diese lässt sich mit der Formel Pv = U²/R bzw. Pv = I² × R berechnen. Beachten Sie hierbei die Angaben des Herstellers.