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Schwingkreis Artikel
Ein elektrischer Schwingkreis ist eine Baugruppe aus einer
Spule und einem Kondensator,
die elektrische Schwingungen ausführen kann. Hierbei wird die Energie zwischen Spule und Kondensator periodisch ausgetauscht, wodurch abwechselnd hoher Strom oder hohe Spannung vorliegen.
Beim Schwingkreis steht Q für die Güte oder den Gütefaktor. Q = f0 / B = Resonanzfrequenz geteilt durch die Bandbreite.
B = f2 - f1.
f0 darf nicht als arithmetisches Mittel der oberen Grenzfrequenz f2 und unteren Grenzfrequenz f1 berechnet werden. Hier gilt ca. die Berechnung für das "geometrische Mittel". [1] (http://www.sengpielaudio.com/Rechner-geommittel.htm)
Wenn der Kondensator geladen ist, liegt maximale Spannung vor, die Energie ist in dem elektrischen Feld des Kondensators gespeichert. Dann entlädt sich der Kondensator über die Spule, bis er entladen ist; der Strom ist dann maximal und die Energie ist in das Magnetfeld geströmt. Wegen der Trägheit der Spule gegen Stromänderung sorgt die Induktion dafür, dass der Strom nun noch weiter fließt (die Energie wird dem Magnetfeld entnommen) und den Kondensator in umgekehrter Polung wieder auflädt. Schließlich ist wieder die Spannung maximal, aber mit umgekehrter Polung. Nun verläuft der Ablauf wieder zurück und so weiter.
Je nach Anordnung unterscheidet man den Parallelschwingkreis und den
Serienschwingkreis. Der Schwingkreis schwingt mit unendlicher Periodendauer.
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Spule und Kondensator bilden eine Parallelschaltung. Dadurch liegt an beiden Bauteilen immer die gleiche Spannung, jedoch können in ihnen unterschiedliche Ströme fließen.
Bei einer Spule ist die Spannung in der Phase um 90° dem Strom voraus, in dem Zeigerdiagramm:
U ^
|
|
|90°
+======>
IL
Bei einem Kondensator ist der Strom in der Phase um 90° der Spannung voraus, d.h. die Spannung um 90° hinter dem Strom zurück; in dem Zeigerdiagramm:
^ U
|
|
90°|
<=========+
IC
Da die Spannungen in dem Parallelschwingkreis bei Spule und Kondensator übereinstimmen, ist der resultierende Gesamtstrom die Summe aus IL und IC:
^ U
|
|
|
IC <=========+======> IL
<===+
Iges
Das Verhältnis von U und I wird durch den kapazitiven und induktiven Blindwiderstand XC bzw. XL bestimmt. Für eine Spule mit der Induktivität L gilt bei der Frequenz f:
Für einen Kondensator mit der Kapazität C gilt bei der Frequenz f:
Daraus ergibt sich, dass bei einer bestimmten Frequenz f0 die beiden Blindwiderstände und damit die beiden Ströme betragsmäßig gleich sind und sich aufheben, der Gesamtstrom wird dann 0. Der Gesamtwiderstand des Schwingkreises ist dann unendlich groß. Diese Frequenz ergibt sich aus der Bedingung
zu
(Thomsonsche Schwingkreisformel). Man bezeichnet f0 die Resonanzfrequenz des Schwingkreises. Ein nichtidealer Schwingkreis enthält neben der Spule und dem Kondensator stets noch den Ohmschen Widerstand der Leitungen und der Spulenwicklung, es verbleibt dann ein restlicher Strom IR, der mit U
phasengleich ist und daher in dem Falle der Resonanz übrig bleibt.
^
U |
|^
|! IR
|!
++
Daher wird beim realen Parallelschwingkreis der Resonanzwiderstand nicht unendlich, sondern ca. maximal groß.
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Beim LC-Reihenschwingkreis sind Spule und Kondensator in Reihe geschalten.
Diese auch Saugkreis oder Sperrkreis genannte Form des LC-Schwinkreises wird benutzt, um bestimmte Frequenzen herauszufiltern. Es werden ca. Frequenzen herausgefiltert, die der Resonanzfrequenz des Schwingkreises entsprechen.
Die Funktionsweise ist folgende: Bei Resonanzfrequenz haben die kapazitiven und induktiven Blindwiderstände Werte die gegen 0 gehen. Liegt die Frequenz oberhalb der Resonanzfrequenz ist der induktive Blindwiderstand (Spule) größer 0. Daher wirkt die Spule wie ein Widerstand für diese Frequenz. Der Kondensator wirkt hierbei in dem Prinzip wie ein Kurzschluss. Zusammenfassend kann man sagen, das diese Frequenz durch den höheren induktiven Blindwiderstand der Spule durchgelassen wird.
Ist die Frequenz unterhalb der Resonanzfrequenz ist der kapazitive Blindwiderstand des Kondensators höher als der Induktive der Spule (die Spule wirkt hier wie ein Kurzschluss).
Siehe auch: Oberwellenfilter
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Sich selbst überlassen schwingt ein Schwingkreis mit seiner Resonanzfrequenz f0. Infolge der Verluste (Dämpfung durch den Ohmschen Widerstand) flacht die Schwingung jedoch in dem Laufe der Zeit ab ("gedämpfte Schwingung"), wenn nicht durch eine aktive Schaltung (zum Beispiel einen Transistorverstärker) regelmäßig wieder Energie zugeführt wird. Eine solche Schaltung bildet dann einen Oszillator (Schwingungserzeuger), z.B. bei der Meissner-Schaltung.
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Die Resonanzkurve stellt den Gesamtwiderstand eines Schwingkreises in Abhängigkeit von der Frequenz dar. Sie weist beim Parallelschwingkreis einen niedrigen Wert auf, der in der Umgebung der Resonanzfrequenz ansteigt. Beim Serienschwingkreis ist der Wert hoch und sinkt in der Umgebung der Resonanzfrequenz ab.
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Die Breite B oder Δ f des Minimums bzw. Maximums der Resonanzkurve in der Umgebung der Resonanzfrequenz f0 wird durch den Ohmschen Widerstand verursacht. Dieses kann ausgenutzt werden um die Güte eines Schwingkreises zu definieren.
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Das Verhältnis
bezeichnet man die Güte des Serienschwingkreises, die demnach durch den Ohmschen Anteil R bestimmt wird. Dieser konzentriert sich weitgehend auf die Spule L. B = f2 - f1. Es gilt
Buch-Tipp: Hochfrequenztechnik. Vom Schwingkreis bis zum Farbfernsehen Die Beschreibung für das Buch " Hochfrequenztechnik. Vom Schwingkreis bis zu dem Farbfernsehen" fehlt leider. Weitere informatione finden Sie auf der Seite des Buchhändlers. Klicken Sie dafür auf den Link über diesem Text. Die Seite des Händlers öffnet sich in neuem Fenster. |
Güte eines Parallelschwingkreises | |
Beim Parallelschwingkreis ist die Güte als
definiert. B = f2 - f1. Für einen Parallelschwingkreis mit einem weiteren parallel geschalteten Widerstand ergibt sich
Buch-Tipp: Schwingkreis-Tabellen Eine Beschreibung zum Buch " Schwingkreis-Tabellen" finden Sie auf der Seite des Buchhändlers. Um dorthin zu gelangen klicken Sie bitte auf den Link oberhalb von diesem Text. Sie werden automatisch zu diesem Buchtitel weiter geleitet. |
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Die Resonanzfrequenz hängt von L und von C ab und kann daher durch ändern von L oder C beeinflusst werden. Der Schwingkreis wird hierdurch auf eine bestimmte Frequenz
abgestimmt. Induktivität L kann verändert werden, indem ein Kern aus Eisen oder Ferrit mehr oder weniger weit in die Spule eingeschoben
wird. Die Kapazität C kann verändert werden, indem die Plattengröße oder der Plattenabstand des Kondensators verändert wird. Beim Drehkondensator geschieht das, indem man die Platten seitlich gegeneinander verdreht, so dass der Anteil der sich gegenüberliegenden Flächen verändert wird. Moderne Schaltungen benutzen anstelle eines Drehkondensators eine Kapazitätsdiode.
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Die Frequenzabhängigkeit des Widerstandes, der ca. in der Nachbarschaft der Resonanzfrequenz extremal (minimal bzw. maximal) wird, wird angewendet, um aus einem Gemisch von Signalen unterschiedlicher Frequenz eine bestimmte Frequenz herauszufiltern, entweder um sie allein durchzulassen, oder um sie allein zu unterdrücken.
Mit ersterem werden zu dem Beispiel Rundfunkempfänger auf den gewünschten Sender abgestimmt; mit letzterem kann zu dem Beispiel eine Störung aus dem Rundfunksignal ausgefiltert werden.
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