Schwingkreis
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.
Wenn der Kondensator geladen ist, liegt maximale Spannung vor, die Energie ist im 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 ins 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 Vorgang wieder zurück und so weiter.
Je nach Anordnung unterscheidet man den Parallelschwingkreis und den Serienschwingkreis.
Parallelschwingkreis
Spule und Kondensator bilden eine Parallelschaltung. Dadurch liegt an beiden Bauteilen stets die gleiche Spannung, jedoch können in ihnen unterschiedliche Ströme fließen.
Bei einer Spule ist die Spannung in der Phase um 90° dem Strom voraus, im 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; im Zeigerdiagramm:
| U
|
|
90°|
<=========+
IC
Da die Spannungen im 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:
- XL = 2 * π * f * L .
Für einen Kondensator mit der Kapazität C gilt bei der Frequenz f:
- XC = 1 / ( 2 * π * f * C ) .
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
- 2 * π * f0 * L = 1 / ( 2 * π * f0 * C )
zu
- f0 = 1 / ( 2 * π * √( L * C ) ) .
(Thomson'sche Schwingkreisformel). Man nennt f0 die Resonanzfrequenz des Schwingkreises. Ein nichtidealer Schwingkreis enthält neben der Spule und dem Kondensator immer noch den Ohm'schen Widerstand der Leitungen und der Spulenwicklung, es verbleibt dann ein restlicher Strom IR, der mit U phasengleich ist und daher im Falle der Resonanz übrig bleibt.
| U
|
|! IR
|!
++
Daher wird beim realen Parallelschwingkreis der Resonanzwiderstand nicht unendlich, sondern nur maximal groß.
Serienschwingkreis
Spule und Kondensator bilden eine Serienschaltung (Reihenschaltung). Dadurch ist der Strom in beiden gleich, aber die Spannung kann unterschiedlich sein. Im Zeigerdiagramm ist nun also ein gemeinsamer Strompfeil zu zeichnen und unterschiedliche Spannungspfeile. Sie summieren sich zu einer Gesamtspannung.
| I
|
|
90°|90°
UL <=========+======> UC
<===+
Uges
Im Falle der Resonanz f = f0 wird nun die Spannung 0, d.h. der Serienschwingkreis hat dann den Widerstand 0. Im Falle des realen Schwingkreises mit Ohm'schem Widerstand bleibt ein Spannungsanteil übrig, der mit I in Phase ist. Er sorgt dafür, dass der Schwingkreis einen minimalen (aber nicht verschwindenden) Widerstand behält.
Oszillator
Sich selbst überlassen schwingt ein Schwingkreis mit seiner Resonanzfrequenz f0. Infolge der Verluste (Dämpfung durch den Ohm'schen Widerstand) flacht die Schwingung jedoch im 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).
Resonanzkurve
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.
Kreisgüte
Die Breite Δf des Minimums bzw. Maximums der Resonanzkurve in der Umgebung der Resonanzfrequenz f0 wird durch den Ohm'schen Widerstand verursacht. Das Verhältnis
- Q = f0 / Δf
nennt man die Güte des Schwingkreises, die demnach durch den Ohm'schen Anteil R bestimmt wird. Dieser konzentriert sich weitgehend auf die Spule L. Es gilt
- Q = 2 * π * f * L / R .
Abstimmung
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. Die 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 verwenden anstelle eines Drehkondensators eine Kapazitätsdiode.
Anwendung
Die Frequenzabhängigkeit des Widerstandes, der nur 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 zum Beispiel Rundfunkempfänger auf den gewünschten Sender abgestimmt; mit letzterem kann zum Beispiel eine Störung aus dem Rundfunksignal ausgefiltert werden.
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