Wechselstromkreisen

Wechselstromkreise sind elektrische Schaltungen, in denen Spannung und Strom zeitlich wechselnd auftreten, meist mit sinusförmiger Wechselspannung aus dem Netz. Im Gegensatz zu Gleichstromkreisen ändern sich Betrag und Phasenlage von Strom und Spannung je nach Frequenz.

Grundlegende Bauelemente sind Widerstände (R), Induktivitäten (L) und Kapazitäten (C). Diese Eigenschaften werden durch die Impedanz Z beschrieben, die im sinusförmigen Zustand Z = R + j(X_L − X_C) gilt, wobei X_L = ωL und X_C = 1/(ωC) und ω = 2πf ist. Die Strom- und Spannungsgrößen lassen sich als Phasoren darstellen, wobei Ṽ = ĨZ gilt. Die effektiven RMS-Werte folgen dem Zusammenhang P = V_rms I_rms cosφ, Q = V_rms I_rms sinφ und S = V_rms I_rms, wobei φ der Phasenwinkel zwischen V und I ist.

Serielle und parallele Schaltungen sind die häufigsten Grundarten: In einer Serienschaltung ist der Strom durch alle Bauteile gleich, und die Summe der Spannungen entspricht der Gesamtspannung; in einer Parallelschaltung ist die Spannung über alle Bauteile gleich, der Gesamtstrom ist die Summe der Ströme. Die Gesamtimpedanz in Serie ist Z_total = Z1 + Z2 + ..., in Parallel gilt 1/Z_total = 1/Z1 + 1/Z2 + ...

Resonanz tritt auf, wenn X_L = X_C; der Gesamtwiderstand wird minimal (Serie) bzw. der Gesamtwiderstand wird hoch (Parallel), was charakteristische Frequenzabhängigkeiten erzeugt. Typische Filterfunktionen sind RC-, RL- und RLC-Netzwerke, die als Hochpass, Tiefpass, Bandpass oder Bandsperre wirken.

Zur Analyse werden Phasen- oder Laplace-Methoden verwendet: Die sinusförmige Grundschwingung wird als komplexe Größe dargestellt; Transienten erfordern die Lösung von Differentialgleichungen. Anwendungen finden sich in der Netztechnik, Audiotechnik, Signalverarbeitung und Impedanzanpassung. Messungen erfolgen mit Multimetern, LCR-Messgeräten und Oszilloskopen. Sicherheitsaspekte umfassen geeignete Erdung, Isolation und die Beachtung von Netzspannungen (typisch 50/60 Hz).