Netzwerk (Elektrotechnik)

Das Netzmodell mit konzentrierten Elementen, englisch lumped element model, beschreibt elektrische Schaltkreise mit einzelnen Elementen, in welchem die bestimmenden Parameter konzentriert sind. Die Verbindungsleitungen sind als ideal, also ohne Verluste oder sonstige Einflussnahme, angenommen. Feldgrößen wie beispielsweise das elektrische oder die magnetische Flussdichte kommen nicht direkt vor. Die physikalischen Eigenschaften des Netzwerkes wird durch die Eigenschaften und Parameter in den einzelnen Bauelementen in Näherung abgebildet, was die Modellbeschreibung dieses Netzwerkmodells vereinfacht und unter anderem Anwendung im Rahmen der Kirchhoffschen Regeln (u. a. Maschenregel und Knotenregel) findet. Beispiele für konzentrierte Elemente sind unter anderem ideale Widerstände, Kondensatoren, Spulen und Spannungs- und Stromquellen.

In mathematischen Bezug kann durch diese Vereinfachung die Zustandsraumdarstellung auf eine endliche Anzahl von Parametern reduziert werden. Die partiellen Differentialgleichungen werden dabei auf gewöhnliche Differentialgleichungen mit einer endlichen Anzahl von Parametern überführt.

Die Gültigkeit dieses Modells und die Vereinfachung ist in Näherung dann gegeben, wenn die Bedingung

${\displaystyle l_{c}\ll \lambda }$

erfüllt ist. ${\displaystyle l_{c}}$ beschreibt die charakteristische räumliche Ausdehnung des Netzwerkes, ${\displaystyle \lambda }$ die in dem Netzwerk auftretenden Wellenlängen. Eine andere Möglichkeit um die Zulässigkeit des Modells zu prüfen ist die Signallaufzeiten innerhalb des Netzwerkes zu betrachten: Können diese Signallaufzeiten in einem Anwendungsfall vernachlässigt werden, kann das Netzwerkmodell mit konzentrierten Elementen verwendet werden.

Kommt die charakteristische räumliche Ausdehnung ${\displaystyle l_{c}}$ des Netzwerkes in die Größenordnung der darin auftretenden Wellenlänge ${\displaystyle \lambda }$, der Übergang ist fließend und durch zunehmenden Fehler im Modell gekennzeichnet, muss auf das Netzwerkmodell mit verteilten Elementen übergangen werden.

Netzwerkmodell eines infinitesimalen Leitungsstücks mit seinen Leitungsbelägen

Das Netzwerkmodell mit verteilten Elementen, englisch distributed element model, oder auch als Übertragungsleitungsmodell bezeichnet, beschreibt elektrische Schaltkreise in infinitesimal kleinen und räumlich quasi „verschmierten“ Bauelementen in Form von Leitungsbelägen. Die dabei auftretenden Beläge sind der Widerstandsbelag R', der Kapazitätsbelag C', der Induktivitätsbelag L' und der Ableitungsbelag G'. Auch die Verbindungsleitungen innerhalb des Netzwerkes werden aus diesen räumlich verteilten Belägen modelliert und Leitungen werden nicht mehr als ideal angenommen. Im Gegensatz zu dem einfacheren Netzwerkmodell mit konzentrierten Elementen können auch die auf der Vereinfachung basierenden Verfahren wie die Kirchhoffsche Regeln nicht mehr angewendet werden, stattdessen erfolgt die Systembeschreibung über partielle Differentialgleichungen. Auch ist eine grafische Darstellung in Schaltplänen mit konzentrierten Bauelementen im Allgemeinen nicht mehr möglich.

Anwendung dieses Modells ist unter anderem die Leitungstheorie, wie sie unter anderem im Rahmen der Telegraphengleichung zum Ausdruck kommt. Die Anwendung dieses Netzwerkmodells kann auch bei kleinen räumlichen Strukturen mit der charakteristischen Ausdehnung ${\displaystyle l_{c}}$ notwendig sein, wenn die dabei auftretenden Wellenlängen ${\displaystyle \lambda }$ in etwa in der gleichen Größenordnung oder darunter liegen. Dieser Fall ist gleichbedeutend mit dem Auftreten hoher Frequenzen. Aus diesem Grund findet das Netzwerkmodell mit verteilten Elementen im Bereich der Hochfrequenztechnik, wie der Modellierung von Streifenleitungen, Anwendung.