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Versuche

Strommesser - Bereichserweiterung

Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Versuchsaufbau
Joachim Herz Stiftung
Abb. 2 Schaltungsskizze zum Versuchsaufbau

Gegeben ist ein Messinstrument mit Vollausschlag \(I_{\rm{m}}=2,00 \, \rm{mA}\) und Innenwiderstand \(R_{\rm{m}} = 50,0 \, \Omega\). Es soll durch externe Beschaltung mit einem Widerstand so verändert werden, dass der Messbereich zwischen \(0\) und \(50,0\; \rm{mA}\) liegt.
Die Lösungsidee ist, einen Stromweg parallel zum Messinstrument zu öffnen (vgl. Bypass bei Artierenverengung), in dem die "überschüssigen" \(50,0 \, \rm{mA} - 2,00 \, \rm{mA} = 48,0 \, \rm{mA}\) vorbeigeleitet werden. Der Widerstand des zusätzlichen Stromweges kann wie folgt berechnet werden:

Am ursprünglichen Messgerät (im Foto schwarz) fällt die Spannung \(U_{\rm{m}} = R_{\rm{m}} \cdot I_{\rm{m}}\) ab. Dies sind in dem Beispiel \(0,10 \, \rm{V}\). Diese Spannung liegt auch an dem parallel zu schaltenden (Shunt-)Widerstand \(R_{\rm{S}}\), durch den der Strom \(48,0 \, \rm{mA}\) fließen soll. Nun kann \(R_{\rm{S}}\) berechnet werden:

\[{R_{\rm{s}}} = \frac{{{U_{\rm{m}}}}}{{{I_{\rm{s}}}}}\quad \Rightarrow \quad {R_{\rm{s}}} = \frac{{{R_{\rm{m}}} \cdot {I_{\rm{m}}}}}{{{I_{\rm{s}}}}}\quad \Rightarrow \quad {R_{\rm{s}}} = \frac{{50,0 \cdot 2,00 \cdot {{10}^{ - 3}}}}{{48,0 \cdot {{10}^{ - 3}}}}\frac{{\Omega \cdot {\rm{A}}}}{{\rm{A}}} = 2,08\Omega \]

Hinweise:

  • Zur Überprüfung der erfolgreichen Bereichserweiterung, dient das (rote) Kontrollgerät.
  • Der Widerstand \(R\) z.B. (\(50,0 \, \Omega\)) dient als Strombegrenzer in dem ansonsten sehr niederohmigen Kreis.
Aufgabe
Aufgabe

Aufgabe 1

Der Parallelwiderstand (Shuntwiderstand) \(R_{\rm{S}}\) soll durch einen Chrom-Nickel-Draht vom Durchmesser \(1,0\rm{mm}\) hergestellt werden.

Berechne die Länge des Drahtes, wenn der spezifische Widerstand von Chrom-Nickel \(1,1\frac{{\Omega \cdot {\rm{m}}{{\rm{m}}^2}}}{{\rm{m}}}\) ist.

Lösung

\[{{R_{\rm{S}}} = \rho \cdot \frac{l}{A} \Leftrightarrow l = \frac{{{R_{\rm{S}}} \cdot A}}{\rho } = \frac{{{R_{\rm{S}}} \cdot {{\left( {\frac{d}{2}} \right)}^2} \cdot \pi }}{\rho } \Rightarrow l = \frac{{2,08\Omega \cdot {{\left( {\frac{{1,00{\rm{mm}}}}{2}} \right)}^2} \cdot \pi }}{{1,1\frac{{\Omega \cdot {\rm{m}}{{\rm{m}}^2}}}{{\rm{m}}}}} = 1,48{\rm{m}}}\]

Aufgabe 2

Zeige allgemein, dass für eine Vergrößerung des Strommessbereiches um den Faktor \(n\), der Shuntwiderstand den Wert

\[{R_{\rm{S}}} = \frac{{{R_{\rm{M}}}}}{{{\rm{n}} - 1}}\]

haben muss.

Lösung

Für den Strom in der Hauptleitung gilt

\[{{I_{\rm{K}}} = {I_{\rm{S}}} + {I_{\rm{M}}}\;\left( 1 \right)\;{\rm{und}}\;{I_{\rm{K}}} = {\rm{n}} \cdot {I_{\rm{M}}}\;{\mkern 1mu} \left( 2 \right) \Rightarrow {I_{\rm{S}}} + {I_{\rm{M}}} = {\rm{n}} \cdot {I_{\rm{M}}} \Leftrightarrow {I_{\rm{S}}} = \left( {n - 1} \right) \cdot {I_{\rm{M}}}\;(3)}\]
Da die Spannung an \({{R_{\rm{M}}}}\) und \({{R_{\rm{S}}}}\) gleich ist, gilt

\[{R_{\rm{S}}} \cdot {I_{\rm{S}}} = {R_{\rm{M}}} \cdot {I_{\rm{M}}} \Leftrightarrow {R_{\rm{S}}} = \frac{{{R_{\rm{M}}} \cdot {I_{\rm{M}}}}}{{{I_{\rm{S}}}}}\;\left( 4 \right)\]

Aus \((3)\) und \((4)\) ergibt sich dann

\[{R_{\rm{S}}} = \frac{{{R_{\rm{M}}} \cdot {I_{\rm{M}}}}}{{\left( {{\rm{n}} - 1} \right) \cdot {I_{\rm{M}}}}} = \frac{{{R_{\rm{M}}}}}{{{\rm{n}} - 1}}\]