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Was versteht man unter "Frequenz"?

3. Mär 2021 | Elektrik
Was versteht man unter "Frequenz"?

Die meisten Digitalmultimeter sind mit einer Funktion zur Frequenzmessung ausgestattet.

 
 

Die Frequenz bei Wechselstrom bzw. Wechselspannung ist die Anzahl von Zyklen einer Wechselstrom-Sinuskurve pro Sekunde.

Anders ausgedrückt ist die Frequenz die Häufigkeit, mit der der Strom seine Richtung pro Sekunde ändert. Sie wird in der internationalen Maßeinheit Hertz (Hz) gemessen, wobei 1 Hertz gleich 1 Zyklus pro Sekunde ist.

Im Grunde genommen ist die Frequenz ein Maß dafür, wie oft sich ein Vorgang ändert. Im Falle von elektrischem Strom ist die Frequenz die Anzahl der Wiederholungen einer Sinuswelle bzw. wie oft ein Positiv-Negativ-Zyklus ausgeführt wird.

Beispiel: Wenn ein Wechselstrom eine Frequenz von 3 Hz hat (siehe folgende Abbildung), gibt dies an, dass sich dessen Signal 3 Mal in 1 Sekunde wiederholt.

Frequenz

Je mehr Zyklen pro Sekunde stattfinden, desto höher die Frequenz.

Die folgende Liste enthält einige Begriffe im Zusammenhang mit der Frequenz:

Hertz (Hz): Ein Hertz entspricht einem Zyklus pro Sekunde.
Zyklus: Eine vollständige Kurve eines Wechselstroms oder einer Wechselspannung.
Halbwelle: Eine Hälfte eines Zyklus.
Periode: Die Zeit, die zur Erzeugung eines vollständigen Zyklus eines Signals benötigt wird.

Der Begriff der Frequenz wird üblicherweise zur Beschreibung des Betriebs elektrischer Anlagen verwendet. Nachfolgend sind einige übliche Frequenzbereich aufgeführt:

  • Netzfrequenz (normalerweise 50 Hz oder 60 Hz)
  • Frequenzumrichter, bei denen normalerweise ein Trägerfrequenzbereich zwischen 1 kHz und 20 kHz (Kilohertz) verwendet wird
  • Audiofrequenz: 15 Hz bis 20 kHz (der Bereich, der mit dem menschlichen Ohr wahrgenommen werden kann)
  • Funkfrequenz: 30 kHz bis 300 kHz
  • Niederfrequenz: 300 kHz bis 3 MHz (Megahertz)
  • Mittelfrequenz: 3 MHz bis 300 kHz
  • Hochfrequenz: 30 MHz bis 300 MHz

Stromkreise und Anlagen sind oftmals auf den Betrieb mit einer festen oder veränderlichen Frequenz ausgelegt.

Anlagen, die für den Betrieb mit einer festen Frequenz ausgelegt sind, verhalten sich beim Betrieb auf einer anderen als der festgelegten Frequenz unnormal.

Beispiel: Ein Wechselstrommotor, der für den Betrieb mit 60 Hz ausgelegt ist, läuft bei einer Frequenz von unter 60 Hz langsamer und bei einer Frequenz von über 60 Hz schneller.

Bei Wechselstrommotoren bewirkt eine Frequenzänderung eine proportionale Änderung der Motordrehzahl.

Beispiel: Eine Verringerung der Frequenz um 5 % führt zu einer Verringerung der Motordrehzahl von 5 %.

Ein Digitalmultimeter (DMM), das mit einer Funktion zur Zählung von Impulsen ausgestattet ist, kann die Frequenz von Wechselstromsignalen messen. Außerdem kann ein DMM die folgenden Messarten bieten:

  • MIN/MAX-Aufzeichnung: ermöglicht die Aufzeichnung sich ändernder Frequenzmesswerte:
    1. während eines vorgegebenen Zeitraums
    2. zusammen mit der Aufzeichnung von Spannungs-, Strom- oder Widerstandsmesswerten
  • Automatische Bereichswahl: zur automatischen Auswahl des Frequenzbereichs (sofern die gemessene Spannung nicht außerhalb des Frequenzmessbereichs liegt)

Energieversorgungsnetze unterscheiden sich von Land zu Land. In den USA liefert das Energieversorgungsnetz ein sehr stabiles 60-Hertz-Signal, d. h. mit 60 Zyklen pro Sekunde.

In den USA werden Haushalte aus einem einphasigen 120-V-Wechselstromnetz mit Strom versorgt. An den Steckdosen in Häusern und Wohnungen in den USA sind an den Sinusschwingungen Spitzenspannungswerte zwischen 170 V und -170 V messbar, wobei der Effektivwert der Spannung 120 V beträgt. Die Häufigkeit der Schwingungen beträgt 60 Zyklen pro Sekunde.

Die Maßeinheit Hertz ist nach dem deutschen Physiker Heinrich Hertz (1857 bis 1894) benannt, dem es als erstem gelang, Funkwellen zu senden und zu empfangen. Funkwellen breiten sich mit einem Zyklus pro Sekunde (1 Hz) aus. (Uhren ticken mit einer Frequenz von 1 Hz.)

Referenz: Digital Multimeter Principles von Glen A. Mazur, American Technical Publishers.