Anpassung (Elektrotechnik)

Innen- und Außenwiderstand eines elektrischen Gerätes mit Spannungsquelle

Unter Anpassung zwischen einer elektrischen Last und einer direkt verbundenen elektrischen Quelle wird die Bedingung verstanden, unter der ein Ziel in Blick auf Stromstärke, Spannung, Leistung oder Reflexion erreicht wird. Ferner wird darunter eine Handlung verstanden, mit der das Ziel durch Einfügung eines Zweitors oder durch Dimensionierung erreicht wird. Beispielsweise in der Messtechnik kann es sich um die Anpassung eines elektrischen Signals an den Messbereich eines Messgerätes handeln.

Arten der elektrischen Anpassung

Ausgangsleistung einer Spannungsquelle in Abhängigkeit vom Widerstandsverhältnis $R_{\text{a}}/R_{\text{i}}$

Entscheidend für die Art der Anpassung ist das Verhältnis von linearer Ausgangsimpedanz $Z_{\text{i}}$ (auch Innenwiderstand $R_{{\text{i}}}$ oder Quellwiderstand genannt) der energieliefernden Stufe zur linearen Eingangsimpedanz $Z_{\text{a}}$ (auch Außenwiderstand $R_{\text{a}}$ oder Eingangswiderstand genannt) der folgenden Stufe. Von Impedanz wird gesprochen, wenn an einem Widerstand auch induktive oder kapazitive Anteile beteiligt sind.

Spannungsanpassung

Ist $|Z_{\text{i}}|$ wesentlich kleiner als $|Z_{\text{a}}|$ , also $|Z_{\text{i}}|\ll |Z_{\text{a}}|$ , wird von Spannungsanpassung gesprochen, weil dann eine Änderung von $Z_{\text{i}}$ die Ausgangsspannung an den Verbindungspunkten kaum ändert. Die beim Verbraucher ankommende Spannung soll maximal sein in Bezug auf die von der Quelle erzeugte Spannung. Der Ausgang wird dann auch als leerlauffest bezeichnet.

Anwendungen: Das Stromnetz und die Mehrzahl aller Elektrogeräte wie beispielsweise Computer, Motoren. Gegen zerstörerischen Überstrom müssen Sicherungen eingebaut werden.

Stromanpassung

Beim umgekehrten Fall, also $|Z_{\text{i}}|\gg |Z_{\text{a}}|$ , wird von Stromanpassung gesprochen, weil eine Änderung von $Z_{\text{a}}$ die Ausgangsstromstärke in der Verbindungsleitung kaum ändert. Die beim Verbraucher ankommende Stromstärke soll maximal sein in Bezug auf die von der Quelle abgegebene Stromstärke. Der Ausgang wird dann auch als kurzschlussfest bezeichnet.

Anwendungen: 20-mA-Einheitssignal in der Automatisierungstechnik, Meldelinien bei Alarmanlagen.

Leistungsanpassung (Wirkleistungsanpassung)

Wenn $Z_{\text{i}}=Z_{\text{a}}^{*}$ (konjugiert komplex) ist, handelt es sich um Leistungsanpassung, genau gesagt um Wirkleistungsanpassung. Die Blindanteile von $Z_{\text{i}}$ und $Z_{\text{a}}$ kompensieren sich. Die beim Verbraucher an $R_{\text{a}}$ ankommende Leistung soll maximal sein in Bezug auf die von der Quelle abgebbare Leistung. Dieses wird unter der Einschränkung erzielt, dass der Wirkungsgrad bei Leistungsanpassung nur 50 % beträgt. Die Hälfte der erzeugten Leistung wird an den Verbraucher abgegeben, die andere Hälfte wird in der Quelle an $R_{{\text{i}}}$ in Wärme verwandelt.

Leistungsanpassung wird immer dann verwendet, wenn es beispielsweise bei Sensoren oder Antennen gilt, geringe Leistung vollständig auszunutzen. Die Anpassung kann mit Transformatoren oder Resonanztransformatoren erfolgen.

Leitungsanpassung (Scheinleistungsanpassung)

Wenn $Z_{\text{i}}=Z_{\text{a}}$ ist, wird von Reflexions- oder Leitungsanpassung gesprochen und zugleich von Scheinleistungsanpassung. In diesem Falle ist die Übertragungsstrecke homogen, und die reflektierte Leistung wird minimal. Im allgemeinen Falle wird gleichwohl nicht die maximal mögliche Wirkleistung übertragen.

Bezeichnungen zur Anpassung: zwischen zwei Geräten, alternativ an einem Gerät

Fehlanpassung

Bei jeder digitalen oder analogen Schnittstelle entsteht durch das Verhältnis zwischen Ausgangsimpedanz der Quelle und der Eingangsimpedanz der Last eine Anpassungsdämpfung. In der Hochfrequenztechnik und in der Nachrichtentechnik wird immer Reflexionsanpassung mit $Z_{\text{i}}=Z_{\text{a}}$ verwendet, wobei Blindanteile vermieden werden und sich damit gleichzeitig eine Leistungsanpassung ergibt. Jeder andere Fall gilt als Fehlanpassung, bei der die von der Last nicht aufgenommene Leistung zur Quelle reflektiert wird und dort Störungen verursacht.

Siehe auch

Literatur

Michael Dickreiter, Volker Dittel, Wolfgang Hoeg, Martin Wöhr: Handbuch der Tonstudiotechnik. 7. völlig neu bearbeitete und erweiterte Auflage. Herausgegeben von der ARD.ZDF medienakademie, Nürnberg. 2 Bände. K G Saur, München 2008, ISBN 978-3-598-11765-7.
Otto Zinke, Heinrich Brunswig: Hochfrequenztechnik. 6. Auflage. Band 1. Springer Verlag, Berlin 2000, ISBN 3-540-66405-X.

Basierend auf einem Artikel in:

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