Leistung beim Wechselstrom

Bei sinusförmigen Wechselstromsignalen wird die Leistung aus den Effektivwerten von Strom und Spannung berechnet. Es darf somit nicht einfach stattdessen die Spannung von Spitze zu Spitze $U_\text{SS}$, oder die Spitzenspannung $\hat{U}$ stattdessen eingesetzt werden.

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Kurzfassung: Diagramm einer orangefarbenen Sinusspannung U über der Zeit t mit Markierungen T, Û, U_eff und U_ss.

Detailbeschreibung: 
- Links eine vertikale Achse mit Pfeil nach oben und Beschriftung U; durch das Bild verläuft eine horizontale Achse mit Pfeil nach rechts und Beschriftung t. Auf der t-Achse sind mehrere kleine, gleichmäßig verteilte Teilstriche. 
- Oben über der Grafik ein waagerechter Doppelpfeil über die gesamte Breite, beschriftet T. 
- Eine orangefarbene Sinuskurve beginnt links bei U=0, steigt zu einem positiven Scheitel links der Mitte, fällt durch U=0 rechts der Mitte, erreicht ein negatives Minimum weiter rechts und kehrt am rechten Rand zu U=0 zurück (eine volle Periode). 
- Am positiven Scheitel steht ein senkrechter Doppelpfeil vom Nulllinie‑Niveau bis zur Scheitelhöhe, beschriftet Û; auf Scheitelhöhe verläuft eine feine graue waagerechte Hilfslinie. 
- Weiter rechts auf der fallenden Flanke zeigt ein kürzerer senkrechter Doppelpfeil vom Nulllinie‑Niveau zur Kurve, beschriftet U_eff; seine Höhe ist mit einer kurzen grauen waagerechten Hilfslinie angedeutet. 
- Rechts der Mitte ist eine senkrechte Linie durch die t-Achse eingezeichnet; daran ein langer senkrechter Doppelpfeil mit Spitzen nach oben und unten, beschriftet U_ss, dessen obere und untere Spitze in etwa die positive Scheitelhöhe bzw. die negative Talhöhe markieren.
Abbildung A-2.5.1: Effektivwerte für die Leistungsberechnung

Somit ergibt sich für die Berechnung der Leistung

$$P_\text{Wechselstrom} = U_\text{eff} \cdot I = \dfrac{{U_\text{eff}}^2}{R} = I_\text{eff}^2 \cdot R$$

Bei sinusförmigen Signalen gilt:

$$U_\text{eff} = \dfrac {\hat{U}} {\sqrt{2}} = \dfrac {U_\text{SS}} {2 \cdot \sqrt{2}}$$ $$I_\text{eff} = \dfrac {\hat{I}} {\sqrt{2}} = \dfrac {I_\text{SS}} {2 \cdot \sqrt{2}}$$

Entsprechend ergibt sich für sinusförmige Signale

$$P_\text{Wechselstrom} = \dfrac {\hat{U} \cdot \hat{I}} {\sqrt{2} \cdot \sqrt{2}}= \dfrac {\hat{U} \cdot \hat{I}} {2} = U_\text{eff} \cdot I_\text{eff} =\dfrac {U_\text{eff}^2} {R}= \dfrac {\hat{U}^2} {2 \cdot R}$$
AB301: Ein sinusförmiger Wechselstrom mit einer Amplitude $I_{\textrm{max}}$ von 0,5 Ampere fließt durch einen Widerstand von 20 Ohm. Wieviel Leistung wird in Wärme umgesetzt?

Der Lösungsweg für die Frage AB301 ergibt somit:

$$P=I_\text{eff}^2 \cdot R = \left(\dfrac{0,5 \text{A}} {\sqrt{2}}\right)^2 \cdot 20 \Omega = 0,125 \cdot 20 = 2,5 \text{W}$$

Im Amateurfunkbereich haben wir es mit Spannungen mit unterschiedlichen Frequenzen (z. B. Kilo- oder Gigahertz) und Wellenformen (Rechteckspannung, sinusförmige Spannung, Gleichspannung) zu tun. Diese können auch verzerrt sein und nicht als z. B. reine Sinusspannung vorliegen. Diese unterschiedlichen Spannungen erzeugen in einem Stromkreis unterschiedliche elektrische Ströme. Prinzipiell würde man nun verschiedene Geräte benötigen um diese Bandbreite an elektrischen Strömen mit einer vernüftigen Messgenauigkeit messen zu können.

Im Amateurfunkbereich verwendet man dazu oft einen sogennanten Thermoumformer. Man nutzt hierbei aus, dass der Stromfluss den Leiterdraht erwärmt (vgl. Widerstand von Drähten). Je mehr Strom dabei fließt desto wärmer wird der Draht. Die Erwärmung ist also proportional zur Stromstärke. Der Thermoumformer misst diese Erwärmung und zeigt sie als Stromstärke an. Zu beachten ist dabei, dass wir mit dieser Messmethode den Effektivwert der Stromstärke erhalten. Der Vorteil dabei ist nun, dass sich die Stromstärke nahezu unabhängig von der Wellenform oder Frequenz bestimmen lässt. Der Thermoumformer kann damit eine großen Bereich an Signalen abdecken.

AI105: Zur genauen Messung der effektiven Leistung eines modulierten Signals bis in den oberen GHz-Bereich eignet sich ...

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