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Elektrotechnik

Beispiel: Parallelschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators

Anwendungsbeispiel 4

Im vierten und letzten Anwendungsbeispiel betrachten wir wieder einen Widerstand und einen Kondensator. Beide befinden sich auch nicht mehr in einer Reihen-, sondern in einer Parallelschaltung.

Parallelschaltung eines Widerstandes und einer Induktivität

Parallelschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators
Parallelschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators

Beispiel

Hier klicken zum Ausklappen In der obigen Abbildung sehen Sie erneut einen Widerstand $ R $ und einen Kondensator $ C $. Beide sind diesmal innerhalb eines Wechselstromkreises parallel geschaltet. Anders als bisher ist nun nicht mehr der Strom identisch für $ R $ und $ L $, sondern die gemeinsame Spannung $\underline{U} $. Die vorliegenden Ströme sind $\underline{I}, \underline{I}_R, \underline{I}_C $. 
Wir möchten nun wissen, welchen Betrag der Netzstrom $ I $ aufweist, welches Maß der Phasenverschiebungswinkel aufweist und wie groß die aufgenommene Leistung ist.

Zusammengefasst: Gesucht sind $ I, \varphi, P $.

1. Entwerfe Schaltplan mit Zeigerbild

Im ersten Schritt wird der oben abgebildete Schaltplan vervollständigt, indem alle in der Schaltung auftretenden Spannungen und Ströme inklusive ihrer Zählpfeile eingetragen werden.

Parallelschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators (vollständig)
Parallelschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators (vollständig)

Nach der Knotenregel ist $\underline{I} = \underline{I}_R + \underline{I}_C $.

Wie im vorangegangenen Beispiel erzeugen wir nun wieder ein Zeigerbild nach der bekannten Vorgehensweise.

Wie im anderen Anwendungsbeispiel wird der Spannungszeiger $\underline{U} $ von links nach rechts eingezeichnet.  Dabei liegt $ \underline{I}_R $ auch in Phase mit $\underline{U} $. Im nächsten Schritt setzt man den Stromzeiger $\underline{I}_C $ an die Zeigerspitze von $ \underline{I}_R $ mit der Spitze nach oben.
Erneut erhält man durch diese Vorgehensweise den Stromzeiger $\underline{I} $ des Netzstroms. Betrachtet man die vollständige Abbildung [4.], so sieht man, dass die Netzspannung $ \underline{U} $ dem Netzstrom voreilt.

Entstehung eines Zeigerbildes in vier Schritten
Entstehung eines Zeigerbildes in vier Schritten

Im letzten Schritt ergänzen wir die Abbildung wieder um den Phasenverschiebungswinkel $\varphi $ und sehen, dass dieser negativ ist. 

Phasenverschiebungswinkel im Zeigerbild
Phasenverschiebungswinkel im Zeigerbild

Nun liegen wieder alle notwendigen Angaben zur Bestimmung des Netzstroms $ I $ und des Phasenverschiebungswinkels $\varphi $ vor.

2. Berechne den Netzstrom und den Phasenverschiebungswinkel

Beide Größen können aus dem rechtwinkligen Stromdreieck ermittelt werden. In den nachfolgenden Gleichungen sind die Beträge der Zeiger, also ihre Effektivwerte, enthalten:

1. $ I_R = \frac{U}{R}  $ und 

2. $ I_C = \frac{U }{X_C} $

Aus dem rechtwinkligen Stromdreieck erhält man unter Anwendung des Satzes von Pythagoras 

$ I = \sqrt{I_R^2 + I_C^2} $

Setzt man die obigen beiden Gleichungen nun in den Pythagorassatz ein, so erhält man:

Merke

Hier klicken zum Ausklappen Netzstrom $ I = U \sqrt{\frac{1}{R^2} + (\frac{1}{X_C})^2} \rightarrow I = \frac{U}{Z} $

Unter Verwendung der Gleichung $ Z = \frac{U}{I}$ erhält man als Scheinwiderstand [$ U $ kürzt sich dabei weg]

Merke

Hier klicken zum Ausklappen Scheinwiderstand $ \frac{1}{Z} = \sqrt{\frac{1}{R^2} + \frac{1}{\omega \cdot C}^2}$

Der Phasenverschiebungswinkel errechnet sich aus dem Zeigerbild

Merke

Hier klicken zum Ausklappen Phasenverschiebungswinkel $ tan \varphi = - \frac{I_L}{I_R} = -R \cdot \omega \cdot L $ 

Mit den bisher aufgestellten Beziehungen sind $ I $ und $\omega $ bekannt. Auch die Ströme $ I_R $ und $ I_C $ lassen sich auf diesem Weg bestimmen. 

3. Berechne die Leistung und die Arbeit

Um die Leistungen, die von der Schaltung aufgenommen werden, bestimmen zu können, verwendet man erneut die bisherigen Formeln:

$ P = U \cdot I cos\varphi $,

$ Q = - U \cdot I sin\varphi $ sowie

$ S = U \cdot I $.

Zur Bestimmung der Arbeit greift man auf folgende Formeln zurück:

$ W = P \cdot t $ 

$ W_q = - Q \cdot t \rightarrow $ Blindarbeit