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16.Erzeugung ungedämpfter elektromagnetischer Schwingungen
Wird bei einem elektromagnetischen Schwingkreis eine Schwingung erzeugt, so tritt stets das
Problem auf, dass diese gedämpft wird. Es werden jedoch z. B. in der Nachrichtentechnik
Schwingungen benötigt, die ungedämpft sind.
1.
Erzeugung der ungedämpften Schwingungen mit Hilfe eines Tasters:
Bei diesem Verfahren wird eine ungedämpfte elektromagnetische Schwingung dadurch erzeugt, indem durch das Betätigen eines Tasters der Schwingkreis wieder etwas aufgeladen wird. Am günstigsten ist es, wenn der Taster beim Nulldurchgang der
Spannungskurve betätigt wird.
(wie bei einer Schaukel, dort ist es auch
am günstigsten, wenn in dem Moment
beschleunigt wird, wenn sie sich ganz
unten befindet.)
Meßgerät
aufladen
2. Erzeugung der ungedämpften Schwingungen mit Hilfe einer Triode:
Da es bei einer höheren Frequenz nicht mehr
möglich ist, die ungedämpfte Schwingung mit einem
Taster zu erzeugen, wurde eine andere Methode entwickelt, um diese Schwingung zu erzeugen. Bei
diesem Verfahren erfolgt das aufladen des
Schwingkreises durch eine Triode. Die Triode wird
durch einen Funktionsgenerator (FG) gesteuert. Da
ein Funktionsgenerator eine Wechselspannung
erzeugt, wechselt die Spannung die am Gitter der
Triode anliegt ständig ihre Polung. Immer wenn am
Gitter eine positive Spannung anliegt werden die
Elektronen, die die Glühwendel emittiert in Richtung
der Annode beschleunigt, und können so den
FG
Schwingkreis aufladen. Wird der Funktionsgenerator
so eingestellt, dass er in der gleichen Frequenz
schwingt, wie der Schwingkreis, so erhält man eine
ungedämpfte elektromagnetische Schwingung.
Exkurs: Triode
Eine Dreielektronenröhre (Triode) ist ein
elektronisches Bauelement, dass zur Verstärkung elektrischer Signale dient. An einem
Glühwendel
werden dabei
Elektronen
emittiert.
Ist
das
Gitter
positiv
Geladen,
so
werden die negativen Elektronen vom positiven Gitter
„angezogen“ und beschleunigt, wodurch sie zur
Anode gelangen. Legt man dagegen eine negative
Spannung an, so werden die Elektronen abgestoßen
und gelangen nicht zur Anode. Auf diese Weise kann
am
bei
der
Triode
durch
kleine
Spannungsänderungen an dem Gitter große
Stromstärkeänderungen.
3. Erzeugung ungedämpfter Schwingungen mit einem Transistor
Ein Transistor ist ein Bauelement, welcher in vielen technischen Geräten als Stromverstärker verwendet.
Transistoren werden auch in der Computersteuerung verwendet, da die Ströme hier zu klein sind, um mit Relais
zu arbeiten. Nur ein Beispiel: ein heutzutage moderner Mikroprozessor enthält 42 Millionen Transistoren auf
einer Größe von nur 217 mm².
Die genaue Funktionsweise kann man z.B. unter
http://www.elektronikinfo.de/strom/bipolartransistoren.htm
finden. Dies soll hier aber nicht Thema sein.
Im Folgenden wird der Transistor als regelbarer Widerstand angesehen:
(Bild 1)
Der Basisstrom fließt ausgehend von der Spannung UB durch den Anschluss B des Transistors und kommt bei E
wieder heraus. Je Höher die Stromstärke bei B, desto kleiner der Widerstand RCE, was wiederum zu einer hohen
Kollektorstromstärke IC führt.
Entsprechend wird der Widerstand RCE bei einer sehr kleinen Basisstromstärke sehr groß, daher ist IC ungefähr 0.
Überprüfung der Funktionsweise eines Transistors
(Bild 2)
Mit dem Potentiometer P wird ein Teil der Betriebsspannung U0 angegriffen. Diese entspricht der UB im ersten
Bild. Sie erzeugt den Basisstrom IB, welche über den Widerstand R, der Basis B und über den Emitter E zurück
zum Potentiometer fließt (Basisstromkreis). Die Strecke Kollektor-Emitter befindet sich im gleichen Stromkreis
wie das Glühlämpchen G. Wenn man nun den Widerstand des Potentiometers ändert, kann man sehen, dass sich
die Helligkeit des Lämpchens ändert.
Nun wird die Verbindung (1)-(2) durch einen Funktionsgenerator ersetzt, der eine sinusförmige Wechselspannung mit ca. 1 Hz erzeugt.
Dadurch, dass der Basisstrom durch den Funktionsgenerator periodisch verändert wird, kann man eine periodische Schwankung der Helligkeit des Lämpchens beobachten.
Erzeugung eines elektromagnetischen Schwingkreises
Um mit dieser Schaltung einen ungedämpften elektromagnetischen Schwingkreis realisieren zu können, wird
nun das Glühlämpchen durch einen elektromagnetischen Schwingkreis mit einem Kondensator C und einer Spule
L ersetzt:
(Bild 3)
Man verbindet nun die Anschlüsse des Kondenstors C mit einem Oszilloskop.
Nachdem man die Frequenz des Funktionsgenerators auf die Eigenfrequenz des Schwingkreises einstellt, kann
man auf dem Bildschirm des Oszilloskops eine ungedämpfte elektromagnetische Schwindung mit maximaler
Amplitude erkennen.
Selbststeuerung mit Hilfe einer Meißner-Rückkopplungsschaltung
Alexander Meißner erfand hier eine
Möglichkeit, die Steuerung der Energiezufuhr bei einem ungedämpften
Schwingkreis durch ihn selbst zu
erhalten. Anstelle eines Funktionsgenerators verwendet man zur Steuerung der Triode oder des Transistors
die Spannung einer zweiten Spule, die
induktiv mit der Spule des Schwingkreises gekoppelt ist. Das Resultat
ist eine Rückkopplung des Schwingkreises auf sich selbst.
Meißner-Rückkopplungsschaltung mit Transistor
Alexander Meißner, geboren
1883 in Wien, studierte Maschinenbau an der TH in Wien und
Physik an der Uni Wien. Er erlang
1908 den technischen Doktortitel.
1913 erfand Meißner die rückgekoppelte Verstärkerröhre zur
Erzeugung ungedämpfter
Schwingungen, eine der Grundlagen der drahtlosen
Nachrichtentechnik („Meißner-Patent“).
Kurz bevor er 1958 in Berlin, wo er seit 1928 als Professor tätig war, starb, wurde er 1954 zum Ehrendoktor der TH Wien ernannt.
Meißner-Rückkopplungsschaltung mit Triode
Beispiel einer ungedämpften Schwingung durch eine Meißner-Rückkopplungsschaltung
Bei dieser Methode wird ein Teil des Ausgangssignals auf den Eingang der Schaltung (Basisstromkreis) zurückgeführt. In so einem Fall spricht man von einer Rückkopplung.
Die gleichmäßige Schwingung wird hier erreicht, indem dem Schwingkreis, der beim Einschalten
zunächst schwach schwingt, so lange Energie zugeführt wird, bis der Energieverlust im
Ohm’schen Widerstand so groß geworden ist, wie die ständige Energiezufuhr (Mitkopplung). Polt
man die Rückkopplungsspule um, so wird die vorhandene Schwingung geschwächt, somit schwingt
der Kreis wie unter einer sehr starken Dämpfung aus (Gegenkopplung).
Rückkopplungsschaltung als Regelkreis
Schema eines Regelkreises:
Störgröße
Regler
Regelgröße
Beim ungedämpften Schwingkreis:
• Störgröße: ohmscher Widerstand
• Regelgröße: Amplitude der Kondensatorspannung
• Regler:
Triode oder Transistor
Rückkopplung
Ziel eines Regelkreises ist es, eine bestimmte Regelgröße konstant zu halten, die von einer oder
mehreren Störgröße(n) beeinflusst wird. Dazu benötigt man einen Regler, der, wenn er durch
eine Rückkopplung erfährt, dass die Regelgröße von der Norm abweicht, diese Regelgröße entsprechend anpassen kann.
Ein einfaches Beispiel dazu ist ein Thermostat am Heizkörper. Er wird auf eine bestimmte Temperatur eingestellt. Wird
es zu kalt, dann schließt ein Metallplättchen, das aus zwei unterschiedlich auf Wärme reagierenden Schichten besteht,
durch verschiedene Ausdehnung dieser Schichten einen Kontakt, so dass warmes Wasser in den Heizkörper fließen kann.
Ist die gewünschte Temperatur erreicht, verbiegt sich das Plättchen so weit, dass der Kontakt geöffnet wird und der
Heizkörper zu heizen aufhört.
Beim ungedämpften Schwingkreis ist der ohmsche Widerstand, der für eine Abnahme der Spannungen führt, die Störgröße. Deshalb gebraucht man eine Triode oder einen Transistor zur Regelung der Amplitude der Kondensatorspannung.
Exkurs – Regelkreise in Biologie und Wirtschaft:
Biologie:
Ein für das Sehen wichtiger Regelkreis ist die Pupillenreaktion. Hier ist die Beleuchtungsstärke auf der Netzhaut die
Regelgröße.
Fällt mehr Licht auf die Netzhaut, dann wird die von der Regenbogenhaut (Iris) umschlossene Blendenöffnung, die Pupille,
kleiner. Nimmt die Beleuchtungsstärke auf der Netzhaut ab, dann vergrößert sich die Pupille. Durch die Pupillenänderung
wird also die Beleuchtungsstärke auf der Netzhaut reguliert.
Durch Regelkreise werden auch Körpertemperatur, Blutdruck und Körperhaltung auf einem konstanten Wert gehalten.
Treten Störungen auf, dann dauert es eine bestimmte Zeit, bis durch Rückkopplung die Regelgröße beeinflusst wird.
Diese Zeit (Totzeit) ist kleiner als eine Sekunde. Bei starker Alkoholeinwirkung ist die Totzeit verlängert. Deshalb treten bei Betrunkenen in dem Regelkreis, der die aufrechte Körperhaltung stabilisiert, deutliche Schwankungen auf.
Wirtschaft:
Die bisherige währungspolitische Aufgabe der Deutschen Bundesbank war es, die Währung stabil zu halten. Dies verlangt
ein Gleichgewicht zwischen dem als Nachfrage auftretenden Geldvolumen und dem zur Verfügung stehenden Güterangebot. Größere Abweichungen vom Gleichgewicht führen zu krisenhaften Entwicklungen: Ist das Geldvolumen größer als die
angebotene Gütermenge, ergibt sich eine inflationäre Tendenz. Im umgekehrten Fall handelt es sich um eine deflationäre
Entwicklung; sie führt zu einer Schrumpfung des Sozialproduktes. Auf Gütermengen und Preise hat die Bundesbank keinen direkten Einfluss; diese Faktoren werden in einer Marktwirtschaft von der jeweiligen Situation am Markt bestimmt
(Störeinflüsse). Mit der Steuerung des Geldvolumens hat die Notenbank allerdings die Möglichkeit auf die Entwicklung
des Preisniveaus einzuwirken. Die Festlegung und Variation der Prozentsätze der Einlagen (Mindestreservesätze), die
Geschäftsbanken zinslos bei der Bundesbank halten müssen, oder attraktive Zinssätze von Geldmarktpapieren oder die
Variierung des Diskontsatzes sind Maßnahmen, mit denen die Bundesbank das Geldvolumen beeinflussen kann.
Das Wirtschaftssystem (ökonomisches System) kann nur durch die stabilisierende Wirkung des Regelvorgangs bestehen
und funktionieren, wobei die Rückkopplung durch die Maßnahmen der Bundesbank, gelegentlich auch in Zusammenarbeit
mit der Regierung, vorgenommen wird. Weltweite wirtschaftliche Abhängigkeiten bedingen, dass die landinterne Regelung
der Währung nicht genügt um Weltwirtschaftskrisen abzuwenden. Die erwähnten währungspolitischen Maßnahmen reichen dann nicht mehr aus.
In Zukunft wird die Regelung zur Stabilisierung der Währung vom Europäischen System der Zentralbanken und ihrem
Spitzeninstitut, der Europäischen Zentralbank, wahrgenommen.