Waarom een stroomsensor gebruiken?
Het analoog meten van stroom
Vroeger, in het analoge tijdperk, was het geen probleem een stroom te meten. Het volstond immers, zie de onderstaande figuur, een draaispoel mA-meter in de leiding op te nemen en klaar was kees.
 |
| Het meten van een stroom met een analoge meter. (© 2026 Jos Verstraten) |
Het digitaal meten van stroom
Geen probleem want er zijn reeds voor een tientje bouwpakketjes van digitale meetmodules in de handel, met een uitlezing tot '9999'. Maar al deze digitale modules zijn in principe spanningsmeters. De te meten stroom moet dus in ieder geval omgezet worden in een spanning. Op zich is dat geen probleem, want dank zij de wet van Ohm kunt u een stroom omzetten in een spanning, die recht evenredig is met de stroom. Het volstaat een kleine stroomsensor weerstand in de leiding op te nemen. De spanningsval over deze weerstand is recht evenredig met de stroom die door de weerstand vloeit.
Geen massa-referentie
Het probleem is echter dat een dergelijk meetsysteem geen referentie aan de massa heeft. Zoals uit de onderstaande figuur blijkt, zijn beide aansluitingen van de stroomsensor weerstand 'heet'. U kunt dus niet zonder meer de twee ingangen van de digitale meter over de sensor aansluiten. Een van die twee ingangen ligt waarschijnlijk in de meter aan de aarde en een behoorlijke kortsluiting kan het gevolg zijn. Het enige dat er op zit is de twee aansluitingen van de sensorweerstand te verbinden met de twee ingangen van een hoog-ohmige verschilversterker, die het verschil berekent tussen de linker en rechter spanning en nadien dit spanningsverschil refereren naar de massa.
Dat wil zeggen dat een spanningsval van 1 V over een sensorweerstand van 1 Ω uiteindelijk wordt omgezet naar een spanning van 1 V ten opzichte van de massa.
Alleen op deze manier zal de digitale module een indicatie van '1.000' geven als de te meten stroom gelijk is aan 1 A. Een tamelijk ingewikkelde klus!
 |
| Het meten van een stroom met een digitale meter. (© 2026 Jos Verstraten) |
Speciale IC's
Gelukkig zijn er IC-fabrikanten die zich van dit probleem bewust zijn geworden en in één IC een stroomsensor weerstand en de noodzakelijke verschilversterker plus massa-referentie hebben ingebouwd. De interessantste en veelzijdigste IC's zijn zonder meer de MAX471 en MAX472. Met deze IC's kunt u de spanningsval over een interne (MAX471) of externe (MAX472) sensorweerstand zonder extra schakelingen omzetten in een naar de massa gerefereerde spanning. Deze spanning kunt u dan digitaal meten en is een maat voor de stroom.
Hoewel de originele IC-fabrikanten deze IC's al lang geleden 'obsolete' hebben verklaard zijn er blijkbaar nog voldoende 'second sources' die deze schakelingen op de markt brengen. Misschien zijn dat wel de originele wafelbakkers, die de wafers aan Maxim en Analog Devices leverden. Op de bekende Chinese sites kunt u deze IC's, vaak op een kant-en-klaar printje, nog steeds voor een paar euro kopen.
De MAX471
Ingebouwde stroomsensor weerstand
De MAX471 is een bidirectionele stroomsensor die u overal kunt inzetten waar het nauwkeurig meten van een gelijkstroom van groot belang is. Het IC heeft een ingebouwde stroomsensor weerstand met een waarde van 35 mΩ en kan stromen verwerken tot ±3 A. Een SIGN-uitgang met open collector geeft de stroomrichting aan, zodat bij het bewaken van accumulatoren de schakeling duidelijk maakt of de accu geladen dan wel ontladen wordt. Het eigen stroomverbruik is kleiner dan 100 µA, waarbij de stroom via een standby-modus tot 5 µA terug gebracht kan worden. Op de uitgang ontstaat een gelijkspanning die recht evenredig is met de stroom die door de sensorweerstand vloeit. De omzettingsfactor bedraagt 1 V per ampère. De MAX471 is bruikbaar in systemen met voedingsspanningen tussen +3 V en +36 V.
Technische gegevens
- Behuizing: DIL-8
- Voedingsspanning: 3 V min., 36 V max.
- Voedingsstroom actief: 50 µA typisch, 100 µA max.
- Voedingsstroom standby: 5,0 µA max.
- Meetstroom: ±3,3 A max.
- Verschilspanning over sensor: ±0,3 V max.
- Sensorweerstand: 35 mΩ typisch, 70 mΩ max.
- SIGN-drempel: +/-6,0 mA
- SIGN-stroom: 0,1 mA min.
- SIGN-lekstroom: 1,0 µA max.
- SHDN ingangsspanning: 'L': 0,3 V max., 'H': 2,4 V min.
- SHDN ingangsstroom: 1,0 µA max.
- OUT spanning: VBB - 1,5 V max.
- OUT weerstand: 3 MΩ typisch
- OUT stijgtijd: 4 µs typisch
- OUT daaltijd: 15 µs typisch
 |
| Aansluitgegevens en intern blokschema van de MAX471. (© 1996 Maxim) |
Werkingsbeschrijving
Aan de hand van het intern blokschema is de werking van de schakeling vrij gemakkelijk te doorgronden. De stroom vloeit door de interne RSENSE weerstand en wordt via de weerstanden RG1 en RG2 aangeboden aan een verschilversterker, die afhankelijk van de stroomrichting een van de twee interne transistoren in geleiding stuurt. Een interne schakeling verhindert dat beide transistoren gezamenlijk in geleiding komen. De uitgangsspanning op OUT is recht evenredig met de door de sensorweerstand vloeiende stroom. De OUT moet worden afgesloten met een belastingsweerstand. Heeft deze een waarde van exact 2 kΩ, dan levert de uitgang een spanning van 1 V per Ampère stroom.
De algemene formule voor het berekenen van de uitgangsspanning wordt gegeven door:
VOUT = [RSENSE • ROUT • ILOAD] / RG
SIGN levert een signaal dat afhankelijk is van de stroomrichting door de sensorweerstand. Deze uitgang heeft een open-collector structuur en moet afgesloten worden met een weerstand naar een positieve spanning.
Praktijkschakelingen rond de MAX471
In de onderstaande figuur is de standaardschakeling rond de MAX471 getekend, met een schaalfactor van 1 V/A en laad/ontlaad indicatie. De open-collector uitgang SIGN moet via een weerstand verbonden worden met een voedingsspanning van maximaal +40 V. Bij het ontwerpen van een print moet u er rekening mee houden dat de aansluitpennen RS+ en RS- met zo groot mogelijke kopervlakken verbonden moeten worden. De in de sensorweerstand opgewekte warmte wordt namelijk via de aansluitpennen 2, 3, 6 en 7 afgevoerd naar de buitenwereld en de kopervlakken op de print zorgen voor de koeling.
Zoals u ziet wordt de RS+ verbonden met de positieve voeding van de schakeling. Het zal duidelijk zijn dat deze voeding los moet staan van het systeem waarin u de stroom meet. U moet bovendien de MAX471 invoegen in de 'hete' verbinding tussen deze voeding en de verbruiker waarvan u de opgenomen stroom wilt meten.
 |
Standaard schema rond de MAX471. (© 1996 Maxim) |
Door het parallel schakelen van meerdere MAX471 IC's kunt u de te meten stroom opvoeren. In het voorbeeld van onderstaande figuur bedraagt de te meten stroom ±6 A. De OUT- en SIGN-uitgangen worden parallel geschakeld.
Let er wel op dat de weerstand tussen de OUT-pennen en de massa nu verlaagd moet worden als u prijs stelt op de handige schaalfactor van 1 V/A. De standaardwaarde van 2 kΩ moet worden gedeeld door het aantal IC's dat u parallel schakelt.
 |
| Het verhogen van de maximaal te meten stroom. (© 1996 Maxim) |
Belangrijke opmerking
U moet de MAX471 rechtstreeks in de print solderen, dus zonder gebruik te maken van een IC-voetje. Het gebruik van een IC-voetje verhindert dat de pennen 2, 3, 6 en 7 de intern gegenereerde warmte goed afvoeren naar de koperen sporen op de print.
De MAX471 op een printje
Zoals reeds geschreven worden er via AliExpress en consorten diverse printjes aangeboden met daarop een MAX471 en printkroonsteentjes voor de in- en uitgangen. In de onderstaande foto zit u zo'n printje dat u voor € 2,99 (inclusief verzending!) kunt bestellen. U ziet dat ook noodzakelijke weerstandjes reeds aanwezig zijn.
 |
| Een goedkoop printje met een MAX471. (© AliExpress) |
In het onderstand schema ziet u hoe u, met zo'n printje, de stroom die door een belastingsweerstand LOAD vloeit met een Arduino kunt meten.
 |
Aansluiten van het printje op een Arduino. (© vseplus.com) |
De MAX472
Externe stroomsensor weerstand
De MAX472 is vrijwel identiek aan de MAX471. Het IC heeft echter géén ingebouwde stroomsensor weerstand en RG-weerstanden, zodat u deze extern moet aanbrengen en afstemmen op de maximale waarde van de te meten stroom. Ook nu geeft een SIGN-uitgang met open collector de stroomrichting aan, zodat bij het bewaken van accumulatoren de schakeling duidelijk maakt of de accu geladen dan wel ontladen wordt. Op de uitgang ontstaat een meetspanning die recht evenredig is met de stroom die door de externe sensor vloeit. Het eigen stroomverbruik is kleiner dan 35 μA, waarbij de stroom via een standby-modus tot 3 µA terug gebracht kan worden.
Een tweede, vrij belangrijk, verschil is dat de MAX472 een voedingsaansluiting Vcc heeft. De twee sensor-ingangen staan nu dus helemaal los van de rest van de schakeling. De MAX472 is tevreden met een voedingsspanning tussen 3 Vdc en 36 Vdc.
 |
| Aansluitgegevens en intern blokschema van de MAX472. (© 1996 Maxim) |
Technische gegevens
- Behuizing: DIL-8
- Voedingsspanning: 3 V min., 36 V max.
- Voedingsstroom actief: 20 µA typisch, 35 µA max.
- Voedingsstroom standby: 3,0 µA max.
- Offsetspanning: 140 µV max.
- Ingangsstroom: ±3,0 µA max.
- SIGN-drempel: ±140 µV max.
- SIGN-stroom: 0,1 mA min.
- SIGN-lekstroom: 1,0 µA max.
- SHDN ingangsspanning: 'L': 0,3 V max., 'H': 2,4 V min.
- SHDN ingangsstroom: 1,0 µA max.
- OUT stroom: 1,5 mA max.
- OUT spanning: Vcc - 1,5 V max.
- OUT weerstand: 3 MΩ typisch
- OUT stijgtijd: 4 µs typisch
- OUT daaltijd: 15 µs typisch
Werking van de MAX472
De stroom die vloeit door de externe RSENSE weerstand wordt via de weerstanden RG1 en RG2 aangeboden aan een interne verschilversterker die, afhankelijk van de stroomrichting, een van de twee interne transistoren in geleiding stuurt. Een interne schakeling verhindert dat beide transistoren gezamenlijk in geleiding worden gestuurd. De uitgangsspanning op OUT is recht evenredig met de door de sensorweerstand vloeiende stroom. De OUT moet worden afgesloten met een belastingsweerstand. De algemene formule voor het berekenen van de uitgangsspanning wordt gegeven door:
UOUT = [RSENSE • ROUT • ILOAD] / RG
SIGN levert een signaal dat afhankelijk is van de stroomrichting door de sensorweerstand. Deze uitgang heeft een open-collector structuur en moet afgesloten worden met een weerstand naar een positieve spanning.
De MAX472 in de praktijk
In de onderstaande figuur is de standaardschakeling rond de MAX472 met laad/ontlaad-indicatie getekend.
 |
| Standaardschakeling rond de MAX472. (© 1996 Maxim) |
De MAX472 kan ook gebruikt worden voor het meten van de stroom die door een koperbaan op een print vloeit. De RSENSE is dan uiteraard de weerstand van het printspoortje, dat tussen de aansluitingen van de twee RG-weerstanden is opgenomen. Een dergelijke toepassing is getekend in de onderstaande figuur.
 |
| Meten van de stroom door een printspoortje. (© 1996 Maxim) |
De keuze van RG1 en RG2
Nadat u een waarde voor RSENSE hebt gekozen, moet u de waarde van RG1 en RG2 selecteren om de stroom-versterkingsverhouding (RSENSE/RG) te definiëren. Kies RG = RG1 = RG2 op basis van de volgende criteria.
Ingangsweerstand van 1 Ω
De minimale RG-waarde wordt beperkt door de ingangsweerstand van 1 Ω en ook door de beperking van de uitgangsstroom (zie hieronder). Naarmate RG wordt verlaagd, wordt de ingangsweerstand een groter deel van de totale versterkingsinstelweerstand. Met RG = 50 Ω produceert de ingangsweerstand een verschil van 2 % tussen de verwachte en de werkelijke stroom-versterkingsverhouding. Dit is een versterkingsfout die de lineariteit niet beïnvloedt en kan worden verholpen door RG of ROUT aan te passen.
Het rendement
Naarmate u RG verlaagt, wordt IOUT groter voor een gegeven belastingsstroom. Het vermogen dat in ROUT wordt gedissipeerd, gaat niet naar de belasting en vermindert daardoor het algehele rendement. Dit is alleen significant wanneer de meetstroom klein is.
Maximale uitgangsstroombeperking
IOUT is beperkt tot 1,5 mA, wat vereist dat RG ≥ VSENSE / 1,5 mA. Voor VSENSE = 60 mV moet RG ≥ 40 Ω zijn.
Praktisch voorbeeld
Voor het meten van een stroom tot 5 A worden door de fabrikant de volgende waarden aanbevolen:
- RSENSE = 10 mΩ
- RG1 = RG2 = 100 Ω
- ROUT = 10 kΩ max.
De keuze van RSENSE
In principe staat het u vrij de waarde van de externe sensorweerstand te kiezen. Toch is er een aantal zaken waar u rekening mee moet houden.
De spanningsval
Hoe groter de waarde van de sensorweerstand, hoe meer spanning de stroom er over zal opwekken. Dat is niet alleen vervelend vanwege de warmtedissipatie in de weerstand, maar ook omdat hierdoor de inwendige weerstand van de leiding waarin u de stroom meet gaat stijgen. U doet er verstandig aan de kleinst mogelijke waarde voor deze weerstand te kiezen!
De nauwkeurigheid
Een hogere waarde voor RSENSE heeft echter wél tot gevolg dat de nauwkeurigheid van de uitgangsspanning bij het meten van kleine stromen toeneemt. Dit is logisch, immers de interne niet te compenseren offset-spanningen van de operationele versterkers hebben dan veel minder invloed.
De kostprijs
Draadgewonden weerstanden met kleine toleranties (±1 %) zijn vrij prijzig. Wilt u de stroom met voldoende nauwkeurigheid meten om de toepassing van een digitaal meetmodule echt zinvol te maken, dan zult u toch dergelijke prijzige weerstanden moeten toepassen. Speelt de nauwkeurigheid niet zo'n grote rol, dan kunt u de weerstand vervangen door een stukje printspoor.
Omdat het vrijwel onmogelijk is een dergelijke weerstand met een kleine tolerantie te etsen, wordt in dit geval aanbevolen een potentiometer in de schakeling op te nemen, waarmee de schaalfactor geijkt kan worden. In het getekende schema van is deze potentiometer reeds aanwezig.
Een standaard printplaat met 64 μm koper heeft, bij een spoorbreedte van 2,5 mm, een soortelijke weerstand van 1,05 mΩ/cm. Wilt u een stroom van 10 A meten, dan moet u dus een printspoortje van 2,5 mm breed en 10 cm lengte als sensor inzetten. Rekening moet worden gehouden met de tamelijk grote temperatuurscoëfficiënt van koper. Deze bedraagt 0,39 %/°C, hetgeen betekent dat een temperatuursverhoging van het koperen sensorspoortje met slechts 2,5 °C al een meetfout van 1 % oplevert!
Smart DIY robot car kits
