1 Vorbereitung - Fakultät II

HS Hannover Fakultät II – Labor Elektrotechnische Grundlagen
E-Labor im WS / SS
Versuch 1M
Grundlagen der Labor-Schaltungstechnik
Gruppe:
Name
Vorname
Matr.-Nr.
Semester
Professor(in) / Lehrbeauftragte(r):
Datum der Durchführung:
Vortestat
HS Hannover E-Labor
Abschlusstestat
17.02.2017
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Laborschaltungstechnik
Versuch
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1M
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1. Versuchsvorbereitung
Alle Aufgaben der Versuchsvorbereitung sollen vor Beginn des Laborversuches gründlich
durchgearbeitet werden. Bringen Sie Ihre ausführlichen Berechnungen und schriftlichen
Antworten zum Labortermin mit.
1.1. Arbeiten Sie folgende Materialien vor dem Labortermin gründlich durch:
a) Beschreibung „Wie verdrahte ich eine Schaltung“
b) Kurzbedienungsanleitung „Grundlagen Messen“
c) Kurzbedienungsanleitung „Digitalmultimeter Fluke 73III“
1.2. Bearbeiten Sie folgende Aufgaben vor dem Labortermin:
a) Berechnen Sie für die Versuchsschaltung nach Bild 1 die Spannungen 𝑈1 bis 𝑈4 , die
Ströme 𝐼, 𝐼2 , 𝐼3 und den Gesamtwiderstand 𝑅Gesamt unter Vernachlässigung der
Innenwiderstände des Netzteils und der Meßgeräte. Tragen Sie ihre Ergebnisse in die
zugehörigen Tabellen unter Aufgabe 2.3, 2.4 und 2.5 ein.
b) Welcher Schalter des Schaltplans aus Bild 1 muss betätigt werden um den Widerstand
𝑅1 zwischen den Klemmen B und C messen zu können? Begründen Sie Ihre Aussage.
c) An welchem Widerstand aus dem Schaltbild Bild 1 (Schalterstellungen nach Aufgabe
2.5) wird die größte Leistung abgegeben? Begründen Sie Ihre Aussage.
d) Bestimmen Sie rechnerisch die Spannungen 𝑈5 und 𝑈6 aus Bild 3 und tragen Sie diese
in die entsprechende Spalte in Tabelle 6 ein.
e) Bestimmen Sie rechnerisch die Ströme 𝐼7 und 𝐼8 aus Bild 4 und tragen Sie diese in die
entsprechende Spalte in Tabelle 7 ein.
1.3. Bearbeiten Sie die folgenden Aufgaben zum Verdrahtungsplan der Schaltung und
beantworten Sie die dazugehörigen Fragen schriftlich:
Bild 1: Versuchsschaltung
a) Vervollständigen Sie den Schaltplan in Bild 2.
Dabei ist folgendes zu beachten:
 Zeichnen Sie mit Lineal und farbigen Stiften die Verdrahtung.
 Die Verbindungen zwischen den Bauteilen sollen die gleichen Farben bekommen,
wie die Leitungen (Rot, Blau, Gelb, Schwarz, Grün) im Labor.
 Zeichnen Sie alle Strom- und Spannungsmesser in den Schaltplan ein, die zur
Messung von Aufgabe 2.3 notwendig sind.
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Bild 2: Schaltplan
b) Wäre es in der Praxis sinnvoll alle Strommesser anzuschließen? (mit Begründung)
c) Wo würden Sie den Gesamtwiderstand messen und was muss dabei beachtet werden?
(mit Skizze und Begründung)
2. Versuchsdurchführung
Tabelle 1: Verwendete Geräte
Gerät
Digitalmultimeter
Digitalmultimeter
Digitalmultimeter
Schiebewiderstand 𝑅1
Widerstand 𝑅2
Widerstand 𝑅3
Widerstand 𝑅4
Widerstand 𝑅9
Netzteil 𝑈q
Gerätenummer
31999/
31999/
31999/
31999/
31999/
31999/
31999/
31999/
31999/
2.1. Messen Sie den Innenwiderstand des Strommessers 𝑅iM im Messbereich 300 mA und des
Spannungsmessers 𝑅uM sowie 𝑅1 , 𝑅2 , 𝑅3 und 𝑅4 . Tragen Sie die gemessenen Werte in
Tabelle 2 ein.
Tabelle 2: Messwerte der Widerstände
𝑅iM / Ω
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𝑅uM / Ω
𝑅1 / Ω
𝑅2 / Ω
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𝑅3 / Ω
𝑅4 / Ω
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2.2. Verdrahten Sie die Versuchsschaltung nach Bild 1 unter Verwendung flexibler
Labormessleitungen! Nutzen Sie die von Ihnen vorgesehenen Leiterfarben.
Achten Sie auf Leitungslängen und Farben!
Messen Sie für die Versuchsschaltung nach Bild 1 und die Schalterstellungen gemäß Tabellen
3 bis 5 𝑈1 bis 𝑈4 sowie 𝐼, 𝐼2 , 𝐼3 und 𝑅Gesamt . Tragen Sie die Messwerte in die zugehörigen
Zeilen der Tabellen 3 bis 5 ein. Stellen Sie für Aufgabe 2.4 und 2.5 den Widerstand 𝑅1 so
genau wie möglich ein und notieren Sie den tatsächlich eingestellten Wert.
Hinweis: Messen Sie möglichst effizient, indem Sie das Messgerät, zur Messung eines
Wertes (z.B. 𝑈1 ), an der entsprechenden Stelle in die Schaltung einbringen und dann alle
Schalterstellungen durchgehen.
2.3. Messung und Berechnung nach Bild 1
Tabelle 3: Schaltung 1
S1 S2 S3 Uq
U1/V U2/V U4/V I/mA I2/mA I3/mA RGesamt/ Ω
Schalterstellung 1 1 1 14,0 V
berechnet
Schalterstellung 1 1 1 14,0 V
gemessen
2.4. Messung und Berechnung nach Bild 1 und 𝑅1 = 250 Ω
Eingestellt:
Ω
Tabelle 4: Schaltung 2
S1 S2 S3 Uq
U1/V U2/V U4/V I/mA I2/mA I3/mA RGesamt/ Ω
2
1
1
14,0
V
Schalterstellung
Schalterstellung 2 1 1 14,0 V
2.5. Messung und Berechnung nach Bild 1 und 𝑅1 = 250 Ω
Eingestellt:
berechnet
gemessen
Ω
Tabelle 5: Schaltung 3
S1 S2 S3 Uq
U1/V U2/V U4/V I/mA I2/mA I3/mA RGesamt/ Ω
1 2 14,0 V
berechnet
1 2 14,0 V
gemessen
Schalterstellung 2
Schalterstellung 2
2.6. Verdrahten Sie nun die Schaltung, die in Bild 3 abgebildet ist, und messen Sie
nacheinander mit einem Messgerät die Spannungen 𝑈5 und 𝑈6 und tragen Sie die
gemessen Werte in Tabelle 6 ein. Die Quellspannung 𝑈q beträgt dabei 10 V.
Bild 3: Spannungsmessung in einer Reihenschaltung
Tabelle 6: Spannungsmessung in einer Reihenschaltung
berechnet
gemessen
𝑈5 / V
𝑈6 / V
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2.7. Verdrahten Sie nun die Schaltung, die in Bild 4 abgebildet ist, und messen Sie
nacheinander mit einem Messgerät die Ströme 𝐼7 und 𝐼8 und tragen Sie die gemessen
Werte in Tabelle 7 ein. Die Quellspannung 𝑈q beträgt dabei 10 V.
Bild 4: Strommessung in einer Parallelschaltung
Tabelle 7: Strommessung in einer Parallelschaltung
berechnet
gemessen
𝐼7 / A
𝐼8 / A
3. Versuchsnachbereitung
Alle Aufgaben der Nachbereitung sollen nach der Versuchsdurchführung sauber und
vollständig bearbeitet und dokumentiert werden.
3.1. Beschreiben Sie anhand der Messwerte drei wesentliche Effekte, die zu Abweichungen
zwischen gemessenen und berechneten Werten führen. Ordnen Sie diese Effekte den
Abweichungen aus Tabelle 3 bis 5 zu.
3.2. Berechnen Sie unter Berücksichtigung der Innenwiderstände der Messgeräte die
Spannungen und Ströme aus Tabelle 6 und Tabelle 7 erneut. Begründen Sie unter
Berücksichtigung dieser berechneten Werte eventuelle Abweichungen zwischen den
berechneten Werten aus 1.2.d und 1.2.e und den gemessenen Werten aus 2.6 und 2.7.
Wichtig: Sollten Sie im Laufe der Versuchsdurchführung festgestellt haben, dass Ihre
Vorbereitung unvollständig oder falsch ist, korrigieren Sie diese!
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Wie verdrahte ich eine Schaltung?
Im Sinne einer größtmöglichen Übersichtlichkeit sind zu beachten:







Der +Pol der Quelle und das angeschlossene Bauelement werden mit roter Messleitung verbunden
Der -Pol der Quelle und das angeschlossene Bauelement werden mit blauer Messleitung verbunden
Die Farben Rot und Blau werden nur benutzt, wenn das Messgerät oder das Bauteil direkt mit der
Spannungsquelle verbunden sind
Messleitungen von externen Messgeräten können beliebig farbig angeschlossen werden
Zum weiteren Verdrahten werden die Farben der Messleitung so gewählt, dass die Schaltung für einen
Außenstehenden übersichtlich wird
Messleitung soll knickfrei und so kurz wie möglich verwendet werden
Messleitungen müssen isoliert verlegt werden (Bild 1)
Bild 1: Der Stecker der Messleitung darf aus Sicherheitsgründen (Gefahr bei Berührung von
Spannungen) nicht ohne Isolierung auf dem Labortisch liegen.

Es sollen maximal zwei Stecker auf einer Buchse stecken (Bild 2)
Bild 2: Eine Steckeranhäufung an einer Buchse ist aus mechanischen Gründen zu vermeiden

Anschluss eines Schiebewiderstands mit Schleifkontakt (Bild 3)
C
C
A
B
A
B
Bild 3: Schiebewiderstand mit Schleifkontakt
 Nachdem die Schaltung verdrahtet ist, wird sie vom aufsichtführenden Personal überprüft. Erst danach
darf die Spannungsversorgung eingeschaltet werden!
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So wird folgende Messschaltung verdrahtet:
B
C
S1
A
1
Uq
V
1
2
L1
R1
A A1
A A2
Bild 4: Stromlaufplan der Messschaltung

Die Bauteile werden so auf den Labortisch platziert, wie sie im Stromlaufplan eingezeichnet sind.
Bild 5: Platzierung der Bauteile

Wenn Sie keine Erfahrung mit dem Verdrahten von Schaltungen haben, dann sollten Sie einen
Verdrahtungsplan erstellen. Im Verdrahtungsplan wird angegeben, von wo nach wo eine Verbindung
mit welcher Farbe der Messleitung ausgeführt wird.
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Tabelle 1: Verdrahtungsplan
Farbe von
nach
Rot
Rot
Blau
Blau
Blau
Blau
Schwarz
Gelb
Gelb
Grün
Grün
Spannungsmesser, +Pol
Schiebewiderstand, Buchse B
Spannungsmesser, -Pol
Schiebewiderstand, Buchse A
Strommesser A1, -Pol
Strommesser A2, -Pol
Schalter S1, Eingang
Lampe L1, Buchse A
Strommesser A1, +Pol
Widerstand R1, Buchse A
Strommesser A2, +Pol
Netzteil, +Pol
Spannungsmesser, +Pol
Netzteil, -Pol
Spannungsmesser, -Pol
Schiebewiderstand, Buchse A
Strommesser A1, -Pol
Schiebewiderstand, Buchse C
Schalter S1 - Stellung 1, Ausgang
Lampe L1, Buchse B
Schalter S1 - Stellung 2, Ausgang
Widerstand R1, Buchse B
B
C
S1
A
1
Uq
V
1
2
L1
R1
A A1
A A2
Bild 6: Stromlaufplan mit Farbkennzeichnung der Messleitungen
Bild 7: Vollständig verdrahtete Messschaltung
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Grundlagen
Messen
Bild 1: Messschaltung
Spannungsmessung
Aufgabenstellung:
Messen Sie die Spannung U2 der Messschaltung Bild 1
Was ist zu beachten?
Drehschalter am Messgerät in die richtige Messposition stellen
Messleitungen in die korrekten Messbuchsen stecken
Bei der Spannungsmessung wird das Messinstrument parallel zum
Verbraucher geschaltet.
Bei Spannungen > 330 mV muss der Drehschalter auf V stehen.
Bei Spannungen < 330 mV wird der Drehschalter auf 330 mV gestellt.
Bild 2: Praktischer Aufbau der Spannungsmessung
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Labor E-Grundlagen
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Strommessung
Aufgabenstellung:
Messen Sie den Strom I der Messschaltung Bild 1
Was ist zu beachten?
Schaltung Spannungsfrei schalten
Drehschalter am Messgerät in die richtige Messposition stellen
Messleitungen in die korrekten Messbuchsen stecken
Strommesser in den Stromkreis schalten (Reihenschaltung)
Bei Strömen > 330 mA muss der Drehschalter auf A stehen und die Buchse 10 A beschaltet
werden.
Bei Strömen < 330 mA muss der Drehschalter auf A stehen und die Buchse 330 m A
beschaltet werden.
Bild 3: Praktischer Aufbau der Strommessung
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Labor E-Grundlagen
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Widerstandsmessung
Aufgabenstellung:
Messen Sie den Widerstand R2 der Messschaltung Bild 1
Was ist zu beachten?
Schaltung Spannungsfrei schalten
Drehschalter am Messgerät in die richtige Messposition stellen
Messleitungen in die korrekten Messbuchsen stecken
Den zu messenden Widerstand / Widerstandsgruppe vom Rest der
Schaltung trennen
Widerstandsmesser parallel zum Widerstand/Widerstandsgruppe
schalten
Bild 4: Praktischer Aufbau der Widerstandsmessung
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Labor E-Grundlagen
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Weitere Regeln zum Messen

Bei unbekannten Spannungen oder Strömen immer mit dem größten
Messbereich beginnnen, das Messgerät könnte sonst Schaden nehmen.

Wenn Sie annähernd den Meßwert im großen Messbereich bestimmt haben,
dann wenn möglich, den Messbereich wählen, der die Genauigkeit erhöht.

Bei Wechselspannungen und Wechselströmen die Messbereiche mit dem
Sinussymbol wählen. Es wird immer der Effektivwert angezeigt.
Bild 5: Messgerät
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Labor E-Grundlagen
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German
73 Series III Instruction Sheet.
Panel 1
®
73
Series III Multimeter
Gebrauchsanweisung
Bitte zuerst lesen: Sicherheitsinformationen
W Zur Vermeidung von Beschädigung des Messgeräts,
Stromschlag oder Verletzungen folgende Vorschriften einhalten:
• Das Gerät nicht in Betrieb nehmen, falls das Gerät oder die
Messleitung beschädigt sind oder falls eine Fehlfunktion
vermutet wird.
• Sicherstellen, dass die Prüfspitzen und der Drehschalter in der
passenden Stellung für die jeweilige Messung sind.
• In einem stromführenden Stromkreis niemals Widerstand messen.
• Niemals eine Spannungsquelle mit den Prüfspitzen berühren,
wenn die Messleitung an der 10 A- oder 300 mAEingangsbuchse angeschlossen sind.
• Das Messgerät nie in Stromkreisen mit über 4800 Voltampere
verwenden.
• Niemals eine höhere Spannung als die Nennspannung
zwischen den Eingangsbuchsen und Erde anlegen.
• Besondere Vorsicht ist bei Spannungen über 60 V
Gleichspannung rms oder 30 V Wechselspannung rms
geboten. Derartige Spannungen können Stromschläge
auslösen.
• Die Finger bei der Durchführung von Messungen stets hinter
dem Fingerschutz der Prüfspitzen belassen.
WAchtung
Zur Vermeidung falscher Messwerte, die zu
Stromschlag oder Verletzungen führen können, die
Batterien ersetzen, sobald der Anzeiger für
schwache Batterie (M) eingeblendet wird.
Symbole
W
Vorsicht: Wichtige Informationen. Siehe Anleitungsblatt.
Manueller Bereich.
Schutzisolierung
T
Schwache Batterie. Batterie ersetzen.
M
CAT II Überspannungsinstallationskategorie gemäß IEC 610101-95. CAT II-Geräte schützen gegen Spannungsspitzen
durch über eine Festinstallation versorgte Geräte, z.B.
Fernseher, PCs und andere Haushaltsgeräte.
MAN
February 2002 (German)
 1997, 1998, 2002 Fluke Corporation. All rights reserved.
German
73 Series III Instruction Sheet.
Panel 2
Anschlüsse
Ampere
Volt, Ohm, Diodenprüfung
V
10A
600V CAT
300
mA
COM
FUSED
Gemeinsamer Anschluss
Milliamp
ht2f.eps
Hinweise zum Überlastungsschutz siehe den Abschnitt
„Technische Daten“.
Drucktaste
Die Drucktaste wird verwendet, um einen festgelegten Bereich zu
wählen oder um das Gerät in die automatische Betriebsart Touch
Hold (Halten des Messwerts) zu schalten.
Automatische Bereichswahl
Beim Einschalten wählt das Gerät automatisch die automatische
Bereichswahl.
Manuelle Bereichswahl
Die manuelle Bereichswahl ist in den Betriebsarten
V Wechselspannung, V Gleichspannung, Ohm, A Wechselstrom
und A Gleichstrom verfügbar.
Die manuelle Bereichswahl und die Betriebsart Touch Hold
können nicht gleichzeitig verwendet werden. Wenn das
Messgerät auf manuelle Bereichswahl eingestellt ist, wird MAN
angezeigt.
MAN
Kurzzeitig
V
+
_
ht14f.eps
Um auf automatische Bereichswahl zurückzuschalten, R eine
Sekunde lang drücken oder die Messfunktion wechseln.
German
73 Series III Instruction Sheet.
Panel 3
Automatische Betriebsart Touch Hold
(Messwert halten)
W Warnung
Um Stromschläge zu vermeiden, die Betriebsart
Touch Hold nicht verwenden, um festzustellen, ob
ein Hochspannungskreis stromführend ist. Die
Betriebsart Touch Hold kann keine Messwerte
halten, die instabil oder rauschgestört sind.
In der Betriebsart Touch Hold werden stabile Messwerte
automatisch erfasst und in der Anzeige gehalten. R zwei
Sekunden lang drücken. Wenn das Messgerät die Betriebsart
Touch Hold verwendet, wird HOLD angezeigt.
HOLD
HOLD
V DC
HOLD
V DC
V DC
V
V
V
2 Sekunden
+
_
_
+
_
Einzelton
ht3f.eps
Wenn das Gerät neue Messdaten erfasst, ertönt ein einzelnes
Tonsignal und ein neuer Messwert erscheint in der Anzeige.
Hinweis
Streuspannungen können eine neue Messung auslösen.
Um die Betriebsart Touch Hold auszuschalten, R drücken
oder die Messfunktion wechseln. Die Betriebsart Touch Hold und
die manuelle Bereichswahl können nicht gleichzeitig verwendet
werden.
Balkenanzeige
Die Balkenanzeige zeigt die Messwerte im Verhältnis zum
Skalenendwert des angezeigten Messbereichs und gibt die
Polarität an.
hr16f.eps
German
73 Series III Instruction Sheet.
Panel 4
Betriebsbereitschaft
Wenn das eingeschaltete Gerät eine Stunde lang (bzw.
20 Minuten lang in einer Diodenprüfung) inaktiv ist, erscheint
eine leere Anzeige mit einigen Balkensegmenten. Um den
Betrieb wieder aufzunehmen, den Drehschalter betätigen oder
die Taste R drücken.
Wechselspannung und
Gleichspannung (K L mL)
Volt Wechselstrom
Volt Gleichstrom
V AC
Millivolt Gleichstrom
V DC
V
V
+
_
_
+
mV
+
_
ht4f.eps
Widerstand (e)
Das Gerät ausschalten und alle Kondensatoren entladen. Falls
an einer Komponente eine externe Spannung anliegt, ergibt die
Widerstandsmessung ungültige Werte.
k
+
_
hr6f.eps
German
73 Series III Instruction Sheet.
Panel 6
Durchgangsprüfung ( R )
_
+
_
+
hr5f.eps
Falls Durchgang besteht (Widerstand < 210 Ω), werden
wiederholte Tonsignale abgegeben. In der Betriebsart Touch
Hold gibt das Gerät zwei Tonsignale ab.
Strom (? A)
W Warnung
Um Verletzungen zu vermeiden, keine Strommessungen durchführen, wenn die Spannung des unterbrochenen Stromkreises die Nennspannung des
Messgeräts übersteigt.
Um zu vermeiden, dass die Eingangsstromsicherung
durchbrennt, zuerst die 10 A-Buchse verwenden, bis feststeht,
dass der Strom unter 300 mA ist.
Die Stromversorgung des Stromkreises ausschalten. Den
Stromkreis auftrennen (Für Stromkreise über 10 Ampere eine
Stromzange benutzen). Das Gerät wie in der Abbildung gezeigt
in Reihe zum Stromkreis schalten und die Stromversorgung
einschalten.
DC
1
A
V
+
4
2
_
3
hr8f.eps
German
73 Series III Instruction Sheet.
Panel 11
Genauigkeitsspezifikationen
Die Genauigkeit wird für einen Zeitraum von einem Jahr nach der
Kalibrierung bei 18 °C bis 28 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit bis 90 % angegeben.
Wechselstrom wird unter Wechselstromfilterkopplung und
Mittelwertbildung konvertiert und ist gegen die mittlere
quadratische Abweichung einer Sinuskurve kalibriert.
Technische Daten für die Genauigkeit:
±([% des Messwertes] + [Anzahl der niederwertigsten Stellen])
Funktion
Bereich
Genauigkeit
L
3,200 V, 32,00 V, 320,0 V
600 V
±(0,3 %+1)
±(0,4 %+1)
mL
320,0 mV
±(0,3 %+1)
K (45 bis 500 Hz,
3,200 V, 32,00 V,
320,0 V, 600 V
±(2 %+2)
±(2 %+2)
320,0 Ω
3200 Ω, 32,00 kΩ,
320,0 kΩ, 3,200 MΩ
32,00 MΩ
±(0,5 %+2)
±(0,5 %+1)
±(0,5 %+1)
±(2 %+1)
2,0 V
±(1 % typisch)
3,2 V-Bereich. Andere
Bereiche 45 bis 1 kHz)
e
GR
Genauigkeit
Typische
Lastspannung
Funktion
Bereich
? (45 Hz
bis 1 kHz)
32,00 mA, 320,0 mA
10,00 A *
±(2,5 %+2)
±(2,5 %+2)
6 mV/mA
50 mV/A
A
32,00 mA, 320,0 mA
10,00 A *
±(1,5 %+2)
±(1,5 %+2)
6 mV/mA
50 mV/A
* 10 A kontinuierlich oder 20 A Überlast für maximal 30 Sekunden.
Schaltzeichen nach DIN EN 60617 die im Labor Elektrotechnische Grundlagen benötigt werden