Grundlagen der Elektrotechnik: Zeit, Frequenz und Spannung

Zeit und Frequenz

Wenn ein Signal im Laufe der Zeit wiederholt wird, besitzt es eine Frequenz (f). Die Frequenz wird in Hertz (Hz) gemessen und entspricht der Anzahl der Signalwiederholungen pro Sekunde. 1 Hz bedeutet dabei eine Schwingung pro Sekunde.

Ein wiederholtes Signal hat einen weiteren wichtigen Parameter: die Periodendauer (T), also die Zeit, die das Signal benötigt, um einen Zyklus vollständig zu durchlaufen. Frequenz und Periodendauer sind reziprok zueinander.

Spannung

Die elektrische Spannung ist die Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten in einer Schaltung. In der Regel ist einer dieser Punkte das Bezugspotenzial (GND, 0V), dies ist jedoch nicht immer der Fall.

Die Spitzenspannung (Vpp) wird beispielsweise als Differenz zwischen dem maximalen und dem minimalen Wert eines Signals definiert. Im Allgemeinen beschreibt der Begriff die Differenz zwischen dem maximalen Amplitudenwert eines Signals und dem Massepotenzial.

Phase

Die Phase lässt sich am besten anhand einer Sinus-Wellenform erklären. Die Sinuswelle kann aus der Bewegung eines Punktes auf einem Kreis von 360 Grad abgeleitet werden. Ein Sinussignal-Zyklus umfasst somit 360 Grad.

Beim Vergleich zweier Sinussignale gleicher Frequenz kann es vorkommen, dass diese nicht in Phase sind, d. h. die äquivalenten Punkte beider Signale treten nicht zeitgleich auf. In diesem Fall sind die Signale phasenverschoben. Die Differenz lässt sich mit einem einfachen Dreisatz berechnen, wobei t die zeitliche Verzögerung zwischen den Signalen darstellt.

Messung von Spannungen

Wenn wir von Spannung sprechen, meinen wir in der Regel die elektrische Potenzialdifferenz in Volt zwischen zwei Punkten. Zur Vereinfachung wird oft ein Punkt als Masse (0 Volt) definiert, sodass man von der Spannung an Punkt A spricht (obwohl es die Differenz zwischen Punkt A und GND ist).

Spannungen können auch als Spitze-Spitze-Wert (zwischen dem maximalen und minimalen Wert des Signals) gemessen werden. Es ist essenziell, bei einer Messung immer anzugeben, welche Art der Spannung gemessen wurde.

Das Oszilloskop ist das ideale Gerät, um Spannungen direkt zu messen. Weitere Größen (wie Stromstärke oder Leistung) können daraus durch Berechnungen abgeleitet werden. Die Berechnungen für AC-Signale können komplex sein, doch der erste Schritt ist immer die Messung der Spannung.

In der obigen Abbildung sind folgende Werte dargestellt:

• Vp (Spitzenwert): Der maximale Ausschlag.
• Vpp (Spitze-Spitze-Wert): In der Regel das Doppelte von Vp.
• Vrms (Effektivwert): Der Root Mean Square-Wert, der zur Berechnung der Leistung eines AC-Signals verwendet wird.