Telekommunikation: Formeln anwenden (parallel & Reihe)

Grundregel: erst zusammenfassen, dann rechnen

Hast du mehrere Bauteile, ersetzt du sie zuerst durch ein einziges Ersatzbauteil (Ersatz-C oder R_ges). Erst danach nimmst du die normalen Formeln (τ, Laden, Entladen, …).

Kondensatoren: parallel und in Reihe

Parallel addierst du die Kapazitäten, in Reihe addierst du die Kehrwerte.

Parallel (nebeneinander, gleiche Spannung)

  • Bild: zwei Tanks nebeneinander mit gleichem Füllstand, zusammen fassen sie mehr.
  • Die Spannung ist überall gleich, die Ladung teilt sich auf.
  • Das Ergebnis ist größer als jeder einzelne Kondensator.
  • Beispiel: 10 µF ∥ 22 µF ergibt C = 32 µF.

In Reihe (hintereinander, gleicher Weg)

  • Bild: zwei Tanks hintereinander, die Gesamtkapazität sinkt.
  • Die Ladung Q ist überall gleich, die Spannung teilt sich auf.
  • Das Ergebnis ist kleiner als der kleinste einzelne Kondensator.
  • Beispiel: 10 µF und 22 µF in Reihe ergeben C = (10 · 22) / 32 = 6,875 µF.
  • Probe: Ist dein Ergebnis in Reihe größer als der kleinste Kondensator, ist etwas falsch.

Spannungen bei Reihenschaltung (typische Testaufgabe)

  1. Ersatz-C ausrechnen.
  2. Gesamtladung berechnen: Q = C · U.
  3. Jeder Kondensator hat dieses Q, also U₁ = Q / C₁, U₂ = Q / C₂, usw.

Beispiel: 4 µF, 6 µF und 12 µF in Reihe an 12 V.

  • 1/C = 1/4 + 1/6 + 1/12 = 6/12, also C = 2 µF
  • Q = 2 µF · 12 V = 24 µC
  • U₁ = 24/4 = 6 V, U₂ = 24/6 = 4 V, U₃ = 24/12 = 2 V (Summe 12 V)
  • Am kleinsten Kondensator liegt die größte Spannung.

Vergleich mit Widerständen (nicht verwechseln)

ParallelReihe
KondensatorenC = C₁ + C₂1/C = 1/C₁ + 1/C₂
Widerstände1/R = 1/R₁ + 1/R₂R = R₁ + R₂

Es ist genau vertauscht.

Danach: τ mit dem Ersatz-C

Beispiel mit R = 1 kΩ:

SchaltungErsatz-Cτ = R · C
parallel32 µF32 ms
in Reihe6,875 µF6,9 ms

Parallel dauert es länger (mehr Tank), in Reihe geht es schneller.

Reihe und parallel in anderen Formeln

Auch bei Spule und Innenwiderstand steckt eine Reihenschaltung von Widerständen in der Formel.

  • Spule ausschalten: Spulendraht und Lämpchen bilden einen Kreis, also in Reihe: R_ges = R_L + R. Damit rechnest du U_ind = I₀ · R_ges und τ = L / R_ges.
  • Innenwiderstand: R_i und R liegen in Reihe, die Spannung teilt sich: û_R = û₀ · R / (R_i + R).

Wann welche Formel?

Suche in der Aufgabe das Stichwort und nimm die passende Formel aus der rechten Spalte.

In der Aufgabe steht …Formel
Kondensator, Zeitkonstante, wie schnellτ = R · C
Kondensator wird geladen, Spannung nach tu_C = U₀ · (1 − e^(−t/τ))
Kondensator wird entladen, Spannung nach tu_C = U₀ · e^(−t/τ)
Strom beim Laden / Entladeni = ±(U₀/R) · e^(−t/τ) (beim Entladen Minus)
Kondensator war schon geladen (z. B. Umschalter)u_C = U₀ − (U₀ − U₁) · e^(−t/τ)
Wann ist ein Wert erreicht?t = τ · ln(U₀ / u_C) (Entladen)
mehrere Kondensatorenerst C parallel/Reihe, dann weiter
Spule, Zeitkonstanteτ = L / R
Spule einschalteni = (U₀/R) · (1 − e^(−t/τ)), u_L = U₀ · e^(−t/τ)
Spule ausschalten, Funke, Spitzei = I₀ · e^(−t/τ), U_ind = I₀ · R_ges
Windungen, Aufbau der SpuleL = μ₀ · μr · N² · A / l
Spannung wegen schneller Stromänderungu = −L · Δi/Δt
gespeicherte EnergieW_C = ½ · C · U², W_L = ½ · L · I²
Frequenz, Periode, ωT = 1/f, ω = 2π · f
Gleichung eines Sinus, Wert zu einer Zeitu = U_s · sin(ωt + φ) + U₀ (Rechner auf RAD)
Netzspannung, effektivU_eff = û / √2 (mit Offset: √(U₀² + U_AC²))
Leistung am WiderstandP = U_eff² / R = û² / (2R)
Spannung bricht unter Last einû_R = û₀ · R / (R_i + R)

Ablauf bei jeder Aufgabe

Gehe jede Aufgabe in diesen vier Schritten durch.

  1. Gegeben und gesucht notieren, Einheiten umrechnen (µF = 10⁻⁶ F, mH = 10⁻³ H, kΩ = 10³ Ω).
  2. Mehrere Bauteile? Zuerst Ersatz-C oder R_ges bilden (parallel/Reihe).
  3. τ ausrechnen: R · C beim Kondensator, L / R bei der Spule.
  4. Passende Formel einsetzen und das Ergebnis prüfen.

Plausibilitätsprüfung:

  • Laden: u_C liegt zwischen 0 und U₀.
  • Nach 5 τ ist praktisch alles fertig.
  • Reihen-C ist kleiner als der kleinste Kondensator.
  • U_ind beim Ausschalten der Spule ist größer als U₀.