Wat is een shunt en waar wordt deze voor gebruikt?

Een shunt is een instrument dat de stroomsterkte kan meten, maar vaak ook nog andere functies heeft zoals het meten van energie en de SoC.

Waar wordt een shunt voor gebruikt?

Een shunt wordt gebruikt om de stroomsterkte te meten. Dat kan een AC of DC stroom zijn. Een shunt is in staat één type stroom te meten, AC of DC^[1]. Een shunt is dus gemaakt om AC of DC stromen te meten.

Wat voor shunts zijn te koop?

Een shunt is te koop als pure weerstand, in dat geval moet je zelf nog meetapparatuur gebruiken om de stroom te meten. Gebruikelijker is dat de shunt voorzien is van een elektronica die de meting voor je uitvoert.

Als je zo'n shunt wil aanschaffen moet je eerst de keuze maken of je de shunt wil gebruiken voor het meten van een AC of DC stroom, vervolgens zal je een keuze maken tot welke maximale stroom de shunt kan meten. Denk aan waarden als 100 A, 250 A, 500 A, 1000 A, et cetera. Daarnaast kan je een keuze maken voor wat betreft de nauwkeurigheid van de meting.

Ook zal je een keuze moeten maken hoe de meetgegevens gepresenteerd worden, op een display of via een app op de mobiele telefoon of dat de gegevens beschikbaar zijn om te verwerken in een energie management systeem, dus wat voor soort communicatie interface (en bijbehorend protocol) gebruikt wordt.

Hoe werkt een shunt?

De term shunt is een Engelse woord dat vele betekenissen kent, maar in dit kader is de vertaling "afleiden" (in de betekenis van relateren) toepasselijk. Een shunt is namelijk een weerstand, en als daardoor een stroom vloeit kan op basis van de spanning die over die weerstand ontstaat de stroomsterkte gerelateerd - berekend worden.

Een shunt is een hele kleine weerstand die in het stroomcircuit opgenomen wordt tussen de stroombron en de apparaten die daarvan gebruik maken. Alle stroom die vanuit de stroombron naar de apparaten vloeit gaat dus ook "door" de shunt.

Doordat de stroom door de shunt (een weerstand) vloeit, zal een spanningsverschil over de weerstand ontstaan (gebaseerd op de wet van Ohm): U = I x R, spanning = stroom x weerstand). Die weerstand is bewust enorm klein gehouden, omdat anders deze het circuit te veel zou verstoren (spanning te veel zou laten dalen). De spanning over de shunt is recht evenredig met de stroomsterkte door de shunt. Dus door de spanning over de shunt te meten kan je de stroomsterkte "afleiden", vandaar het woord shunt.

We maken het even praktisch, stel we hebben een 48 Volt accu die gebruikt wordt om een inverter van energie te voorzien, die op zijn beurt van die 48 Volt gelijkspanning 230 Volt wisselspanning maakt.

Wanneer op de inverter een apparaat wordt aangesloten, bijvoorbeeld een waterkoker met een vermogen van 2000 Watt, dan zal de inverter het benodigde vermogen uit de accu onttrekken.

In dit voorbeeld wordt de 48 Volt accu belast met 2000 Watt^[2]. Als we dat inzichtelijk, meetbaar, willen maken dan kan dat door een shunt toe te passen.

De shunt wordt in serie geschakeld met accukabel die verbonden is met de "min" van de accu^[3]. Dus: accukabel doorknippen en beide kanten van de opengeknipte kabel verbinden met de aansluitingen van de shunt (die heeft twee aansluitingen).

De shunt heeft, als voorbeeld, een weerstand van 1 milliohm (0,001 Ohm). Als een stroom vloeit van 10 Ampère, dan zal over die weerstand een spanning vallen van U = I x R, dus U = 10 Ampère x 0,001 Ohm, dus U = 0,01 Volt (10 millivolt).

De shunt meet met een digitale spanningsmeter (een zogenaamde AD converter (ADC) een analogue naar digital converter), de spanning over die weerstand. In ons voorbeeld waarbij een waterkoker van 2000 Watt wordt gebruikt, zal een stroom gaan vloeien van P = U x I, dus 2000 = 48 Volt x I, I is dus 2000 / 48, en dat is 41,6 Ampère.

Die 41,6 Ampère vloeit dus niet alleen uit de accu naar de inverter, maar ook via de shunt. Over die shuntweerstand valt dan een spanning van U = I x R, dus U = 41,6 Ampère x 0,001 Ohm, dat is dus een spanning van 0,0416 Volt.

De elektronica in de shunt hoeft nu die waarde van 0,0416 Volt alleen maar met 1000 te vermenigvuldigen en te tonen aan de gebruiker van de shunt, die krijgt dan 0,0416 x 1000 = 41,6 te zien, en dat is de stroom die door de shunt heen vloeit: 41,6 Ampère.

Zoals gezegd, een shunt is een (kleine) weerstand. Hieronder zie je een foto van vier verschillende shunts (het zijn goedkope aliexpress shunts maar hier alleen ter illustratie). De shunts hebben allen (in dit geval) een spanningsval van 75 mV bij de maximale stroom. Bij de bovenste shunt is die maximale stroom 10 Ampère. Dus de weerstand van die shunt is dan R = U / I, R = 0,075 Volt / 10 Ampère, R = 0,0075 Ohm (7,5 milliohm).

De shunt daaronder heeft een maximale stroom van 20 Ampère. De weerstand van die shunt is R = U / I, R = 0,075 Volt / 20 Ampère, R = 0,00375 Ohm (3,75 milliohm). Voor de 30 Ampère shunt is dat 2,5 milliohm en voor de 50 Ampère shunt is dat 1,5 milliohm.

Merk op dat in alle vier de shunts kleine zaagsnedes te zien zijn. Die zaagsnedes zijn bewust gemaakt tijdens het kalibreren van de shunt. Tijdens de productie van de shunt zorgt men er voor dat de weerstand van de shunt nét te hoog is. Door achteraf een zaagsnede in de shunt te maken, kan men de weerstandwaarde verlagen. Tijdens het zagen wordt continue de weerstand gemeten en als deze de gewenste waarde heeft bereikt dan stop men met zagen.

Hoe nauwkeurig die weerstandsmeting uitgevoerd wordt, is bepalend voor de nauwkeurigheid van de shunt. Hoe nauwkeuriger de shuntweerstand is, hoe nauwkeuriger de stroom gemeten kan worden. Hoe nauwkeuriger de shunt, hoe hoger de prijs zal zijn.

Welke extra functies heeft een shunt mogelijk nog meer?

Een shunt kan de stroom meten. Maar als de shunt voorzien wordt van een extra spanningsmeter en die verbonden is met een extra draadje met de plus van de accu, dan kan dus ook de accuspanning gemeten worden, en daarmee kan de shunt ook gebruikt worden als vermogensmeter, Ah-meter, Wh-meter (energie) en SoC meter.

Hoe nauwkeurig is een shunt?

Ieder meetinstrument heeft een bepaalde nauwkeurigheid, zo ook de shunt. Iedere fabrikant die een shunt maakt zal een bepaalde nauwkeurigheid nastreven. Om je een gevoel te geven, de door zelfbouwers van een EOS veel toegepaste en relatief nauwkeurige SmartShunt van Victron heeft een afwijking van 0,4% wat betreft stroom en 0,3% wat betreft de spanning.

Wat is het nadeel van een shunt?

Een shunt is vrij kostbaar, tenminste als dit met een redelijke nauwkeurigheid gemeten moet worden. Daarnaast verlies je over de shunt altijd een bepaalde spanning en dat is minder wenselijk, want dat vertaalt zich in een (klein) vermogensverlies. Bij hoge stromen kán de shunt dus goed warm worden. De warmte ontwikkeling neemt immers kwadratisch toe met de stroomsterkte.

Het andere nadeel is dat je één van de stroomvoerende draden moet onderbreken en daarin een shunt moet opnemen. Als deze meting maar één keer uitgevoerd moet worden is dit niet de juiste keuze. Een shunt is wel de juiste keuze als regelmatig of zelfs continue de stroom gemeten moet worden.

Is een stroomtang, current transformer, CT-clamp of hall-effect sensor ook een shunt?

Nee, een stroomtang, current transformer, CT-clamp of hall-effect stroommeter, kunnen wel de stroom door een kabel meten, maar zijn geen shunts.

De shunt meet "in het circuit", dus direct, de stroom. Maar je kan ook indirect de stroomsterkte meten door de sterkte van het magnetisch veld te meten rond een stroomvoerende draad. De sterkte van het magnetisch veld is namelijk gerelateerd aan de stroomsterkte door een geleider, zoals een accukabel of een net-kabel.

Het voordeel van deze meetmethode is dat de kabel niet onderbroken hoeft te worden. Dit is vooral handig als kortstondig een stroommeting uitgevoerd moet worden. De gebruikte technieken zijn de stroomtransformator of een meting met een hall-effect sensor.

Beide technieken gebruiken het magnetisch veld dat door een stroomvoerende draad wordt gemaakt (rond die draad). Met een openklapbare ring (of een vorm die daar veel op lijkt) wordt het magnetisch veld gemeten en op basis daarvan kan de stroomsterkte afgeleid worden omdat het magnetisch veld rond een stroomvoerende draad en de stroomsterkte een vaste relatie met elkaar hebben. Het nadeel van deze meting is dat deze doorgaans wat onnauwkeuriger is als de meting met een shunt.

De stroomtransformator, in het Engels current transformer, in deze uitvoering ook genoemd CT-klem of CT-clamp (CT=current transformer), wordt veel toegepast om de stroom te meten in een netspanningskabel in een groepenkast. Wil je met een EOS NOM bereiken, dan zal continue de stroom door de kabel van de netaansluiting gemeten moeten worden. Die kan immers positief zijn (afname) of negatief zijn (teruglevering).

Het gebruik van een shunt zou dan betekenen dat de kabel naar het net doorgeknipt moet worden. Dat is niet zo prettig. Daarom wordt dan gekozen voor een stroomtransformator rond een fase (of fases) van de netaansluiting aan te brengen, te klemmen, vandaar dat het een CT-klem of CT-clamp wordt genoemd. Die stroomtransformator is weliswaar niet heel nauwkeurig, maar voor het doel nauwkeurig genoeg.

Ook bij de installatie van een laadpaal wordt gebruik gemaakt van een stroomtransformator CT-klem, want deze kan de stroom meten vanuit het net, en de laadpaal kan dynamisch de stroomsterkte aanpassen afhankelijk van de afname van stroom in de woning om zodoende te voorkomen dat een té grote stroom uit het net zal vloeien (en de zekering zal trippen).