Bei einem Schwingkreis handelt es sich um einen Kondensator und eine Induktivität (Spule), die miteinander verbunden sind. Bei einem LC-Schwingkreis wird Energie zwischen dem magnetischen Feld der Spule und dem elektrischen Feld des Kondensators periodisch ausgetauscht, wodurch abwechselnd hohe Stromstärke oder hohe Spannung vorliegen. Der Schwingkreis verhält sich also wie ein Pendel, das von links nach rechts schwingt.
Schwingkreise werden in der Elektronik genutzt, um bestimmte Frequenzen zu erzeugen, z.B. als Signalgenerator, klassisch in den Radiotechnik oder zum Bau von Tief-/Hochpassfiltern.
Im Physikunterricht oder Studium wird der Schwingkreis über Mathematik und Physik hergeleitet, meist mit dem Erfolg, dass danach keiner je wieder etwas damit zu tun haben will.
Für mich ist jedoch primär interessant, dass der Schwingkreis eine Sinuswelle mit einer bestimmten Frequenz erzeugen kann. Deshalb gehen wird das Thema wieder mit einem Versuchsaufbau an:
Dieses Schaltbild ist bereits um einen Taster (S1) zum Laden des Kondensators und einen Taster (S2) zum Starten des Schwingkreises ergänzt. Zum Messen wird am Punkt TP das Oszilloskop angeschlossen. Durch einen kurzen Druck auf den Schalter S1 wird der Kondensator aufgeladen (der Widerstand dient der Strombegrenzung).
Das Oszilloskop wurde mit einem Single-Trigger darauf vorbereitet, bei ansteigender Flanke das Signal aufzuzeichnen. Beim Schließen des Schalters S2 ergibt sich nun folgendes Bild am Oszilloskop:
Wir können sehen, dass das Signal mit abfallender Amplitude mit 147 kHz sinusförmig schwingt. Die abfallende Amplitude ist damit begründet, dass in der realen Welt natürlich die Induktivität, Leitungen und auch im geringen Maße der Kondensator einen Widerstand haben. Entgegen den mathematischen Modellen, die mit idealen L und C rechnen, schwingt der Aufbau nicht unendlich.
Stellt sich als nächstes die interessante Frage, wieso 147,1 kHz. Zunächst auch hier der Hinweis, dass die verwendeten Bauteile Toleranzen haben. Die Induktivität und der Kondensator sind mit +/-10% angegeben. Die Frequenz kann mit folgender Formel ermittelt werden:
$$f= \frac{1}{2\pi \sqrt{L\cdot C}}$$
Wer das nicht mit dem Taschenrechner durchexerzieren möchte, kann dies auch bequem online machen: Resonanzfrequenz berechnen (engl.)
Das Ergebnis ist für obige Schaltung eine Frequenz von 159 kHz bei idealen Werten der Bauteile. Die Abweichung zur gemessenen Frequenz ergibt sich aus den Bauteiltoleranzen.
Um solch einen Schwingkreis z.B. als Signalgenerator nutzen zu können, muss in der Praxis die Schwingung immer wieder angeregt werden. Das wird Bestandteil einer meiner nächsten Versuche sein.