Informations- und Kommunikationstechnik

Der elektrische Schwingkreis

Die Funktion eines elektrischen Schwingkreises kann mit dem mechanischen Modell einer Schaukel oder eines Fadenpendels verglichen werden. Beim Pendel hängt ein Massekörper an einem gespannten Faden. Wird die Masse nach einer Seite ausgelenkt und dadurch angehoben, so erhält das System potenzielle Energie (Lageenergie). Nach dem Loslassen bewegt sich die Masse auf einem Kreissegment an ihren Ausgangspunkt zurück. Dort angekommen hat sie ihre maximale Geschwindigkeit erreicht. Die potenzielle Energie ist am tiefsten Punkt vollständig in kinetische Energie umgewandelt worden.

Frei schwingend pendelt die Masse jetzt zur anderen Seite hoch und wandelt ihre Bewegungsenergie erneut in Lageenergie um. Das Pendel erreicht eine neue maximale Höhe, sobald sich alle kinetische Energie erneut in potenzielle Energie umgewandelt hat. Der Vorgang setzt sich in umgekehrter Richtung periodisch fort, bis das System durch Reibungsverluste zur Ruhe kommt.

Mechanische Schwingungen entstehen durch abwechselnde Umwandlung zweier Energiearten.
Potenzielle Energie wird in kinetische Energie und wieder in potenzielle Energie überführt.

Das Prinzip der gegenseitigen Energieumwandlung kann zu elektrischen Schwingungen führen. Die potenzielle Energie entspricht der Energie eines elektrischen Feldes. Zwischen den Belägen eines geladenen Kondensators herrscht elektrische Feldkraft, die an den Anschlüssen als elektrische Spannung messbar ist.

Ein zweiter Energiespeicher muss die elektrische Energie dieser ruhenden Ladungsträger in eine gerichtete Bewegung, den elektrischen Strom durch bewegte Ladungsträger wandeln. Das geeignete Bauteil ist eine Spule. Fließt elektrischer Strom durch eine Spule, so nimmt der Strom langsam zu und erzeugt ein magnetisches Feld. Das elektrische Feld und damit die Spannung am Kondensator wird abgebaut, sodass kein weiterer Stromfluss durch die Spule mehr erfolgen kann. Die elektrische Energie ist jetzt im maximalen magnetischen Feld der Spule gespeichert.

Mit der Selbstinduktion bei Spulen sowie dem Induktionsgesetz und der Lenzschen Regel lässt sich das dynamische Prinzip der elektrischen Schwingung verstehen. Die Spule versucht dem beendeten Stromfluss entgegen zu wirken. Die Energie kommt aus ihrem Magnetfeld, die Spule wird zur Stromquelle und hält den Stromfluss in der gleichen Richtung aufrecht. Dadurch wird der Kondensator mit umgekehrtem Vorzeichen erneut aufgeladen. Ist die Energie des Magnetfelds abgebaut, kommt der Stromfluss zum Erliegen und im Kondensator ist erneut elektrische Feldenergie gespeichert. Dieser Vorgang setzt sich solange periodisch fort, bis die Energie am Wirkwiderstand des Drahtes in Wärme(verlust) umgewandelt worden ist. Das System eines geladenen Kondensators mit parallel angeschlossener Spule erzeugt eine gedämpfte, abklingende Schwingung.

Elektrische Schwingungen entstehen durch abwechselnde Umwandlung zweier Energiearten.
Elektrische Energie wird in magnetische Energie und wieder in elektrische Energie überführt.

Der folgende Videoclip veranschaulicht die beschriebenen Vorgänge. Im ersten Teil wird das Entstehen der gedämpften Schwingung über die Dauer von zwei Perioden gezeigt. Danach werden in 45° Schritten die Zustände von Spannung und Strom gezeigt. Um die dazu folgenden Texterklärungen in Ruhe zu lesen, kann der Film durch die Steuerung mit Pause und Play unterbrochen werden..

0 Grad
Der Kondensator ist aufgeladen und hat ein maximales elektrisches Feld (Spannung als Potenzialenergie). Es fließt kein Strom. Die Spule hat kein Magnetfeld.
45 Grad
Das elektrische Feld treibt einen durch die Spule gebremsten zunehmenden Strom. Das Magnetfeld der Spule wird aufgebaut.
90 Grad
Das elektrische Feld im Kondensator ist abgebaut (Nullduchgang der Spannungskurve) und das Magnetfeld der Spule hat den Maximalwert erreicht. Vom Kondensator kann kein weiterer Erregerstrom fließen.
135 Grad
Die Spule induziert jetzt mit der Energie ihres Magnetfelds einen Stromfluss in gleicher Richtung. Das Magnetfeld wird zunehmend abgebaut. Der Strom nimmt mit der Magnetfeldstärke ab und generiert am Kondensator ein neues elektrisches Feld mit umgekehrter Polarität.
180 Grad
Das Magnetfeld ist abgebaut und es fließt kein Strom (Nulldurchgang der Stromkurve). Der Kondensator hat ein neues maximales elektrisches Feld mit entgegengesetzter Polarität.
225 Grad
Die Spannung am Kondensator lässt den Strom in anderer Richtung durch die Spule fließen. Die Spule baut ein neues umgepoltes Magnetfeld auf.
270 Grad
Das elektrische Feld am Kondensator hat sich abgebaut (Nulldurchgang der Spannungskurve), das Magnetfeld hat ein neues Maximum erreicht.
315 Grad
Die Spule treibt mithilfe ihres Magnetfelds einen Induktionsstrom in der zuvor gleichen Richtung weiter. Der Kondensator wird erneut geladen.
360 Grad
Das Magnetfeld ist abgebaut und der Ladestrom ist beendet (Nulldurchgang der Stromkurve). Der Kondensator hat ein neues elektrisches Feld mit der gleichen Polarität wie zu Beginn der Periode bei 0 Grad. Der Vorgang setzt sich periodisch fort, bis sich die Feldenergien in Wärme umgewandelt haben.

Die ausführlichen Beschreibungen und Eigenschaften elektrischer Schwingkreise sind in den Kapiteln zum Parallelschwingkreis und Reihenschwingkreis zu finden.