Resonanten Schwingkreis bauen: Spule, Kondensator & praktische Einblicke

Bauteile & Materialien

• Oszilloskop (hochspannungstauglich)
• Nicht polarisierte Kondensatoren (0,1 µF–10 µF)
• Schritt-Down-Leistungstransformator (120 V / 6 V) – nur eine Wicklung als Induktor nutzen
• 10-kΩ-Widerstände
• 6-V-Batterie

Der Transformator dient ausschließlich als Induktor; lassen Sie die ungenutzte Wicklung offen. Falls eine dedizierte Drossel verfügbar ist, kann sie den Transformator ersetzen, doch Drosseln sind in Hobby-Kits seltener.

Querverweise

Lessons In Electric Circuits, Band 2, Kapitel 6: „Resonance“

Lernziele

• Einen resonanten Schwingkreis (Tank Circuit) aufbauen
• Verstehen, wie der Kondensatorwert die Resonanzfrequenz beeinflusst
• Antiresonanz (Dämpfung) in den Kreis einführen lernen

Schaltplan

Aufbauillustration

Anleitung

Schließen Sie eine Spule und einen Kondensator parallel an. Laden Sie das Netzwerk kurz mit einer Gleichspannungsquelle (Batterie) auf. Die gespeicherte Energie pendelt zwischen dem elektrischen Feld des Kondensators und dem magnetischen Feld der Spule, wodurch gedämpfte Schwingungen entstehen. Beobachten Sie die Wellenform auf einem quer angeschlossenen Oszilloskop.

Sicherheitshinweis: Verwenden Sie keinen PC oder Soundkarte als Oszilloskop. Induktiver Rückschlag kann Spannungen erzeugen, die empfindliche Audioeingänge leicht zerstören.

Die natürliche (Resonanz-)Frequenz eines Schwingkreises ergibt sich aus:

Bei vielen kleinen Leistungstransformatoren beträgt die Primärinduktivität ca. 1 H; nutzen Sie dies als Ausgangspunkt zur Frequenzabschätzung. Höherwertige Spulen (höherer Q-Faktor) erhalten Schwingungen länger.

Experimentieren Sie durch Variation des Kondensatorwerts. Notieren Sie die resultierenden Frequenzverschiebungen und Abklingzeiten. Mit bekannter Kapazität (aus Messung) und gemessener Resonanzfrequenz (vom Oszilloskop) können Sie die Formel umstellen, um die Induktivität zu bestimmen:

$$L = \frac{1}{(2\pi f)^2 C}$$

Das bewusste Hinzufügen von Widerstand – entweder in Reihe oder parallel – führt Antiresonanz ein und dämpft die Schwingungen ähnlich einem Stoßdämpfer im Auto.

Computersimulation

Der Schaltplan enthält einen Streuwiderstand (R_stray), um reale Verluste nachzubilden. Eine Verringerung von R_stray verlängert den Abklingprozess, dessen Entfernen führt zu ungedämpfter Dauerschwingung.

Netlist für SPICE-Simulation

tank circuit with loss
l1 1 0 1 ic=0
rstray 1 2 1000
c1 2 0 0.1u ic=6
.tran 0.1m 20m uic
.plot tran v(1,0)
.end

Zugehörige Arbeitsblätter

• Resonance Worksheet
• Passive Filter Circuits Worksheet
• Oscillator Circuits Worksheet