16.Erzeugung ungedämpfter elektromagnetischer Schwingungen

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1 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.

2 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 finden. Dies soll hier aber nicht Thema sein. Im Folgenden wird der Transistor als regelbarer Widerstand angesehen: (Bild 1)

3 Der Basisstrom fließt ausgehend von der Spannung U B durch den Anschluss B des Transistors und kommt bei E wieder heraus. Je Höher die Stromstärke bei B, desto kleiner der Widerstand R CE, was wiederum zu einer hohen Kollektorstromstärke I C führt. Entsprechend wird der Widerstand R CE bei einer sehr kleinen Basisstromstärke sehr groß, daher ist I C ungefähr 0. Überprüfung der Funktionsweise eines Transistors (Bild 2) Mit dem Potentiometer P wird ein Teil der Betriebsspannung U 0 angegriffen. Diese entspricht der U B im ersten Bild. Sie erzeugt den Basisstrom I B, 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)

4 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. 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 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 Transistor Meißner-Rückkopplungsschaltung mit Triode Beispiel einer ungedämpften Schwingung durch eine Meißner-Rückkopplungsschaltung

5 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 Rückkopplung Regelgröße Beim ungedämpften Schwingkreis: Störgröße: ohmscher Widerstand Regelgröße: Amplitude der Kondensatorspannung Regler: Triode oder Transistor 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.

6 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.