Drei grundlegende Parameter-Widerstand, Induktivität und Kapazität

Widerstände (R), Induktivitäten (L) und Kondensatoren (C) sind die drei Hauptkomponenten und Kernparameter in allen Schaltkreisen. Kein Stromkreis kann ohne mindestens eines davon funktionieren. Es ist erwähnenswert, dass sich ideale Schaltkreiselemente von realen physikalischen Komponenten unterscheiden. Ein Schaltkreiselement ist ein vereinfachtes Idealmodell, das eine spezifische elektrische Eigenschaft eines physikalischen Geräts darstellen soll. Kurz gesagt, in Schaltplänen werden standardisierte Symbole verwendet, um die elektrischen Eigenschaften tatsächlicher Geräte und Komponenten widerzuspiegeln. Beispielsweise können Heizgeräte wie Widerstandslasten, Elektroöfen und Heizstäbe alle durch das Widerstandselementmodell in der Schaltkreisanalyse dargestellt werden.

 

Dennoch können bestimmte elektrische Geräte nicht durch ein einzelnes Schaltkreiselement allein modelliert werden. Als typisches Beispiel dienen Motorwicklungen. Im Wesentlichen Spulenstrukturen, Wicklungen können durch einen Induktor dargestellt werden. Allerdings bringen sie auch einen inhärenten Widerstand mit sich. Aus diesem Grund muss ein Widerstand hinzugefügt werden, um diese Widerstandseigenschaft widerzuspiegeln. Dementsprechend werden beim Aufbau eines Schaltungsmodells für Motorwicklungen diese als Reihenkombination aus Widerstand und Induktivität ausgedrückt.

 

Der Widerstand ist der einfachste und intuitivste elektrische Parameter. Gemäß dem Ohmschen Gesetz lautet seine Berechnungsformel (R=U/I). In einem Stromkreis wirkt der Widerstand als Hindernis für den Stromfluss. Je höher der Widerstandswert, desto stärker ist die Hemmung des elektrischen Stroms. Da die Eigenschaften des Widerstands relativ einfach sind, werden wir uns nun näher mit Induktivität und Kapazität befassen.

 

1. Was sind Induktivität und Kapazität?

Wie oben erwähnt, sind Induktivität und Kapazität ebenso wie der Widerstand wesentliche Schaltungsparameter und -komponenten, sie haben jedoch unterschiedliche Maßeinheiten.

 

Die Induktivität wird mit dem Buchstaben bezeichnetL, mit der Einheit Henry (H). Es definiert die Fähigkeit einer Spule, ein Magnetfeld zu erzeugen. Mit anderen Worten: Wenn der Eingangsstrom konstant bleibt, erzeugt eine Spule mit größerer Induktivität ein stärkeres Magnetfeld. Im Vergleich dazu charakterisiert der Widerstand den Widerstand einer Komponente gegenüber dem Strom. Bei fester Spannung führt ein höherer Widerstand zu einem geringeren Betriebsstrom.

 

Die Kapazität ist mit dem Buchstaben gekennzeichnetC, gemessen in Farad (F). Es beschreibt die Fähigkeit eines Kondensators, elektrische Ladung und elektrische Energie zu speichern. Bei konstanter angelegter Spannung kann ein Kondensator mit größerer Kapazität mehr elektrische Energie speichern.

 

Ebenso besitzen induktive Komponenten auch Energiespeicherfähigkeiten. Ein stärkeres Magnetfeld trägt mehr magnetische Energie. Da Magnetfelder Energie enthalten, können sie mechanische Kraft auf nahegelegene Magnete ausüben und an ihnen Arbeit verrichten.

 

2. Die Beziehung zwischen Induktivität, Kapazität und Widerstand

Im Wesentlichen haben Induktivität und Kapazität keinen inhärenten Zusammenhang mit dem Widerstand und ihre Maßeinheiten sind völlig unabhängig. Dieser Unterschied tritt jedoch in Wechselstromkreisen (AC) deutlich hervor.

 

In Gleichstromkreisen (DC) fungieren Induktivitäten als Kurzschlüsse, während Kondensatoren als offene Stromkreise fungieren. In Wechselstromkreisen erzeugen jedoch sowohl Induktoren als auch Kondensatoren einen frequenzabhängigen Widerstand zum Strom. Diese Art der strombegrenzenden Wirkung wird nicht als Widerstand bezeichnet, sondern Reaktanz, dargestellt durch das Symbol

 

Sowohl die induktive als auch die kapazitive Reaktanz haben dieselbe Einheit wie der Widerstand: Ohm. Alle drei Größen hemmen den Stromfluss in Stromkreisen. Der Hauptunterschied liegt in der Frequenzabhängigkeit: Der Widerstand bleibt unabhängig von der Frequenz konstant, während sich induktive und kapazitive Reaktanzen ändern, wenn die Frequenz schwankt. Grundsätzlich entsteht die Reaktanz in Wechselstromkreisen durch kontinuierliche Energieschwankungen, die durch Spannungs- und Stromänderungen verursacht werden.

 

Bei Induktoren führen schwankende Ströme zu kontinuierlichen Änderungen ihrer Magnetfelder und der gespeicherten Energie. Dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion folgend wirkt ein induziertes Magnetfeld stets Veränderungen des ursprünglichen Magnetfeldes entgegen. Mit zunehmender Betriebsfrequenz verstärkt sich dieser gegenwirkende Effekt, was zu einem höheren induktiven Blindwiderstand führt.

 

Wenn die Spannung an einem Kondensator schwankt, verschiebt sich die elektrische Ladung auf seinen Platten entsprechend. Je schneller sich die Spannung ändert, desto schneller und intensiver bewegt sich die Ladung zwischen den Platten. Der gerichtete Fluss elektrischer Ladung ist genau elektrischer Strom. Einfach ausgedrückt erzeugen schnellere Spannungsschwankungen einen größeren kapazitiven Strom, was eine schwächere Stromhemmung durch den Kondensator und eine geringere kapazitive Reaktanz bedeutet.

 

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die induktive Reaktanz direkt proportional zur Frequenz ist, während die kapazitive Reaktanz umgekehrt proportional zur Frequenz ist.

 

3. Leistungsunterschiede zwischen Induktivität, Kapazität und Widerstand

Widerstandselemente verbrauchen sowohl in Gleich- als auch Wechselstromkreisen kontinuierlich Strom, wobei Spannung und Strom perfekt in Phase bleiben. Das folgende Kurvendiagramm veranschaulicht die Spannungs-, Strom- und Leistungseigenschaften eines Widerstands in einem Wechselstromkreis. Wie in der Grafik dargestellt, ist die Widerstandsleistung immer größer oder gleich Null, was darauf hinweist, dass Widerstände ständig elektrische Energie absorbieren und verbrauchen.

 

 

In Wechselstromkreisen wird die von Widerständen abgegebene Leistung als Durchschnittsleistung oder häufiger als Wirkleistung mit dem Großbuchstaben P bezeichnet. Die Wirkleistung spiegelt ausschließlich den Energieverbrauch elektrischer Komponenten wider. Für jedes Gerät, das Strom verbraucht, quantifiziert die Wirkleistung das Ausmaß und die Rate seines Energieverlusts.

 

Im Gegensatz dazu verbrauchen Induktivitäten und Kondensatoren keine elektrische Nettoenergie. Sie speichern und geben Energie nur zyklisch ab. Induktoren absorbieren elektrische Energie und wandeln sie in magnetische Feldenergie um. Anschließend geben sie die gespeicherte magnetische Energie in einem wiederholten Zyklus wieder in elektrische Energie ab. Ebenso wandeln Kondensatoren eingehende elektrische Energie in elektrische Feldenergie um und geben diese Energie später in Form von Elektrizität an den Stromkreis zurück.

Dieser zyklische Energieaustausch zwischen Komponenten und der Stromversorgung ist mit keinem tatsächlichen Energieverbrauch verbunden und kann daher nicht durch Wirkleistung quantifiziert werden. Um diese besondere Form des Leistungsaustausches zu definieren, führten Physiker den Begriff der Blindleistung ein, dargestellt durch den Großbuchstaben Q.

 

Sowohl Wirkleistung als auch Blindleistung fallen unter die Definition von „Leistung“, die die Geschwindigkeit der Energieübertragung oder -umwandlung beschreibt. Die Wirkleistung gibt an, wie schnell ein Widerstand elektrische Energie verbraucht. Beispielsweise verbraucht eine 100-Watt-Glühbirne doppelt so schnell Energie wie eine 50-Watt-Glühbirne.

Die Blindleistung hingegen misst die Geschwindigkeit des zyklischen Energieaustauschs zwischen induktiven/kapazitiven Komponenten und dem Stromnetz. Es ist wichtig, den Begriff Energieaustausch hervorzuheben. Eine höhere Blindleistung bedeutet, dass Induktoren und Kondensatoren mehr Wechselenergie aus der Stromversorgung beziehen, obwohl diese Energie nur zur periodischen Speicherung und Abgabe verwendet und nicht verbraucht wird.