Für den fehlerfreien Betrieb eines elektronischen Bausteins kann es unter Umständen sehr wichtig sein zu wissen, wie viel Strom in einen oder aus einem Knoten in einer Schaltung fließt. In vielen Fällen lässt sich dies am einfachsten feststellen, indem ein Widerstand in den Schaltungspfad zu diesem Knoten platziert wird. Am Widerstand wird ein Spannungsabfall feststellbar sein, der gemessen werden kann, möglicherweise durch Einsatz eines Operationsverstärkers. Daraufhin kann der Mikrocontroller der Schaltung den Strom gemäß dem Ohmschen Gesetz, I = U/R, berechnen. Um weder Leistung zu verschwenden noch die Funktion der Schaltung zu verändern, muss dieser Widerstand – der Strommesswiderstand – extrem klein sein, wird also normalerweise wenige Hundertstel (0,01) Ohm betragen.
Dieses Verfahren wird häufig angewendet, um sehr kleine Ströme zu messen. Die im Widerstand entweichende Strommenge wird also äußerst gering sein. Das Problem bei diesem Verfahren ist, dass bei derart kleinen Widerstandselementen der elektrische Widerstand in den Leitungen zu und von diesem Bauelement im Vergleich zu dem Widerstandselement selbst ganz erheblich ist. Somit besteht die Möglichkeit, dass die Messung verfälscht wird.
Beispiel: Für ein Widerstandselement) ist ein Wert von 0,001 Ohm angegeben. Durch den elektrischen Widerstand in den Leitungen können 0,002 Ohm hinzukommen. In diesem Fall geht das System von einem Spannungsabfall über 0,001 Ohm aus, tatsächlich handelt es sich jedoch um einen Spannungsabfall über 0,001 Ohm plus 0,002 Ohm oder sogar 0,003 Ohm. Aufgrund der inversen Beziehung zwischen Strom und Widerstand (I = U/R) ist der berechnete Stromwert wesentlich höher als der tatsächliche Wert.
Warum für die Stromerfassung spezielle Widerstände benötigt werden
Der Weg aus diesem Dilemma führt über ein zusätzliches Leiterpaar, das eigens für die Spannungsmessung vorgesehen ist und zusätzlich zu den ursprünglichen zwei Leitern bereitgestellt wird, über die Strom in den und aus dem Knoten fließt.
Die zusätzlichen zwei Leiter werden für die Messung des Spannungsabfalls verwendet. Da außerdem davon ausgegangen wird, dass am Operationsverstärker — oder einem anderen Baustein, der die Spannung erfasst — eine sehr hohe Eingangsspannung anliegt, ist der Spannungsabfall über dieses zweite Leiterpaar unbedeutend und der tatsächliche Stromwert kann zutreffend berechnet werden. Diese spezielle Widerstandskonfiguration mit vier Leitern statt zwei wird als Kelvin-Verbindung bezeichnet.
Die Vierleitungs-Strommesswiderstände der Baureihe LVK von Ohmite werden von Arrow Electronics angeboten. Im Datenblatt wird eine Serie oberflächenmontierter Widerstände vorgestellt. Die Abbildung unten zeigt vier separate Pads, zwei für die Strom- und zwei für die Spannungsmessung.
Die zu dieser Baureihe gehörigen Bausteine werden mit unterschiedlichen Verlustleistungen, Widerstandsbereichen und Toleranzen angeboten. Die Temperaturkoeffizienten dieser Bausteine sind gut, obwohl ihre Widerstandswerte kleiner als 1 Ohm sind.
Man mag kaum glauben, dass der Spannungsabfall über einen kurzen Leiter eine Strommessung verfälschen kann, angesichts der für die Messung verwendeten, extrem kleinen Widerstandswerte kann der Effekt allerdings gravierend sein. Glücklicherweise haben die Entwickler eine kostengünstige Lösung gefunden, um dieses Problem zu vermeiden.