Strommessung als unterschätzter Effizienzhebel: Wie Präzisions-Shunts die Leistungselektronik von morgen genauer machen

Leistungselektronik sorgt dafür, dass elektrische Energie in die jeweils benötigte Form umgewandelt wird. Dafür werden Stromrichter eingesetzt, die möglichst verlustarm, schnell und gleichzeitig sicher arbeiten müssen. Diese Stromrichter bestimmen, in welcher Form und Stärke der Strom weiterfließt.

Sowohl als Umrichter in Elektroautos und Maschinen als auch als Wechselrichter in Solaranlagen ist Leistungselektronik für eine effiziente Steuerung und Nutzung der Energie unverzichtbar. Bereits ein kleiner Messfehler kann dazu führen, dass ein Schutzmechanismus zu früh oder zu spät reagiert und dadurch unnötig Energie verloren geht oder Schaden an empfindlichen Bauteilen entsteht.

Leiterplatte mit elektronischen Komponenten. Foto: ranjatm / Pixabay

Für eine gute Regelung ist ein verlässliches Bild erforderlich

Die Strommessung liefert der Steuerung laufend Informationen über den Zustand des Systems. Sie ist vergleichbar mit einem Tacho: Zeigt er einen falschen Wert, wird auch eine darauf basierende Entscheidung ungenau. Bei der Strommessung in Stromrichtern bestimmen die Messdaten mit, wann elektronische Schalter ein- oder ausgeschaltet werden und wie viel Leistung übertragen wird. Zugleich erkennt das System überhöhte Ströme und kann die Bauteile vor Schäden schützen.

Messfehler gehen mit Effizienzverlusten einher

Durch einen ungenauen Messwert kann sich die Leistung eines Umrichters gleich auf mehreren Wegen verschlechtern. Wenn die Messung zum Beispiel einen etwas zu hohen Strom meldet, regelt sich das System möglicherweise früher als nötig herunter. Ist der Wert zu niedrig, erfolgt keine Reduzierung und die Bauteile werden stärker als vorgesehen belastet.

Schwankende Werte erschweren eine genaue Regelung, was sich beim Elektroauto auf die Kraftentfaltung auswirken kann und bei einer Solaranlage zu Schwankungen bei der Einspeisung führt.

Ein Shunt macht den Strom messbar

Ein Shunt ist ein sehr kleiner und genau festgelegter Widerstand im Stromweg. Fließt Strom durch ihn hindurch, entsteht eine geringe elektrische Spannung. Aus dieser Spannung wird die Stromstärke berechnet. Das Verfahren ist einfach aufgebaut und liefert auch bei hohen Strömen genaue Ergebnisse. Der Widerstand selbst verbraucht allerdings ebenfalls etwas Energie und erwärmt sich. Er muss daher klein genug bleiben, gleichzeitig aber dennoch ein Signal erzeugen, das sich zuverlässig auswerten lässt.

Der Widerstand muss dauerhaft stabil bleiben

Ein Präzisions-Shunt darf seinen Wert unter Belastung möglichst wenig verändern. Eine Verschiebung des Messergebnisses durch eine höhere Temperatur darf die Zuverlässigkeit der Messung nicht nennenswert beeinträchtigen.

Die Langzeitstabilität ist ebenfalls ein entscheidender Faktor: Auch nach vielen Betriebsstunden muss weiterhin ein genauer Wert ausgegeben werden. Der Hersteller Isabellenhütte verwendet für seine ISA-WELD®-Shunts einen fest verschweißten Verbund aus Kupfer und einer speziellen Widerstandslegierung wie MANGANIN® oder ZERANIN®. Durch diese Bauweise wird ein niedriger Widerstand mit belastbaren und wiederholbaren Messwerten möglich.

Auch die Anschlüsse und die Leiterbahnen zählen

Die Genauigkeit ist nicht vom Shunt allein abhängig. Auch die Lötstellen sowie Anschlüsse und Leiterbahnen besitzen einen kleinen elektrischen Widerstand. Wird dieser versehentlich mitgemessen, verfälscht er das Ergebnis. Eine sogenannte Vierleitermessung trennt daher den Weg des starken Laststroms von den Leitungen für das Messsignal.

Auf diese Weise soll die Elektronik die Spannung möglichst direkt am Shunt erfassen. Mit kurzen Messleitungen und einer gleichmäßigen Stromführung werden zusätzlich Störungen vermieden, die andernfalls durch schnelle Schaltvorgänge im Umrichter entstehen könnten.

Bei der Auswahl zählt das Gesamtsystem

Ein geeigneter Shunt muss zur Stromstärke, zur Einbausituation und zur erwarteten Wärme passen. Für die Entwicklung sind vor allem die folgenden Punkte wichtig:

• ein möglichst geringer Energieverlust am Widerstand
• stabile Messwerte bei Wärme und über lange Zeit
• eine Bauform, die den hohen Strom sicher verträgt
• kurze und störungsarme Wege zur Auswerteelektronik

Erst wenn das Bauteil, die Leiterplatte und die Software aufeinander abgestimmt sind, kann die Messung im gesamten Arbeitsbereich zuverlässig bleiben.

Mehr Genauigkeit schafft Spielraum bei der Entwicklung

Eine verlässliche Strommessung erlaubt es, Leistungselektronik genauer auszulegen. Sind die Messwerte auch bei Wärme und nach langer Nutzung stabil, müssen zwischen dem normalen Betrieb und der Abschaltgrenze weniger pauschale Reserven eingeplant werden. Der Umrichter kann dadurch näher an seinem vorgesehenen Arbeitspunkt arbeiten, ohne den Schutz der Bauteile zu gefährden. Mit steigenden Anforderungen an Elektrofahrzeuge, Industrieanlagen und erneuerbare Energien wird die unscheinbare Messkomponente deshalb zu einem wichtigen Hebel für Effizienz und Zuverlässigkeit.