Was ist ein Resonanzkreis?
Ein Resonanzkreis, auch LC-Kreis, Tankkreis oder Schwingkreis genannt, ist ein Kreis, der Energie speichert und wiederholt hin und her transportiert, ähnlich einem Pendel. Die Energie fließt zwischen einem Induktor, einer Schaltungskomponente, die Energie in einem Magnetfeld speichert, und einem Kondensator, der Energie in einem elektrischen Feld speichert. Wenn die beiden auf der gleichen Frequenz arbeiten, spricht man von einer Abstimmung der Schaltung. Solche Abstimmschaltungen werden in Tunern und Verstärkern verwendet.
Der Induktor und der Kondensator arbeiten zusammen. Der Kondensator speichert Energie in Form von Spannung und gibt sie dann in Form von Strom ab. Der Induktor speichert Energie aus dem Strom in seinem Magnetfeld und gibt die Energie dann an den Kondensator zurück. Die beiden Schaltungskomponenten leiten ihre gespeicherte Energie hin und her, ein Phänomen, das als Oszillation bezeichnet wird. Die Häufigkeit, mit der die Energie pro Sekunde hin und her übertragen wird, wird als Frequenz des Schwingkreises betrachtet.
Ein Schwingkreis ist wie ein Pendel. Eine Person zieht das Pendel zur Seite und speichert so potenzielle Energie, da das Pendel höher ist als zuvor. Beim Loslassen des Pendels wird die potentielle Energie in kinetische Energie, die Bewegungsenergie, umgewandelt. Die kinetische Energie bewirkt, dass das Pendel die neutrale Position passiert und sich auf der anderen Seite erhebt, wodurch wiederum potenzielle Energie gespeichert wird. Das Pendel pendelt hin und her, bis ihm die Energie ausgeht.
Wie ein Pendel arbeitet ein Resonanzkreis am effizientesten, wenn er mit seiner bevorzugten Frequenz oder Resonanzfrequenz schwingt. Die Geschwindigkeit, mit der Kondensator und Induktor jeweils Energie aufnehmen und abgeben, ist eine Funktion der Zeit. Wenn man versucht, den Stromkreis schneller als mit seiner Resonanzfrequenz anzusteuern, kann entweder der Kondensator oder die Induktivität die Energie nicht schnell genug aufnehmen und abgeben. Die Resonanzfrequenz des Schaltkreises wird durch die Gleichung 1 dividiert durch die Quadratwurzel von L x C definiert. L repräsentiert die Induktivität in Henries und C repräsentiert die Kapazität in Farad.
Wie ein Kind auf einer Schaukel verlieren Schwingkreise etwas Energie, wenn die Energie hin und her geleitet wird. Daher muss neue Energie hinzugefügt werden, um den Stromkreis am Laufen zu halten. Drähte haben Widerstand. Kondensatoren setzen nicht so viel Energie frei, wie sie aufnehmen. Der Verlust in einem Schwingkreis wird durch den Qualitätsfaktor oder Q-Faktor gemessen. Ein höherer Q-Faktor zeigt an, dass mit jeder Schwingung weniger Energie verloren geht.
Der Q-Faktor wird berechnet als das Verhältnis der Amplitude oder Stärke der Schwingungen, die aus dem Schaltkreis kommen, im Vergleich zu dem, was in den Schaltkreis gelangt ist. Ein höherer Q-Faktor bedeutet, dass zur Aufrechterhaltung der Schaltung weniger Energie benötigt wird und für jeden Eingang mehr Ausgang erzeugt wird. In Analogie dazu kann bei einem Kinderschaukel verglichen werden, wie weit sich die Schaukel nach dem Stoß des Elternteils bewegt, und wie weit sich die Hand des Elternteils bewegt hat, während das Kind geschoben wurde.
Ein Oszillator ist eine spezielle Art von Schaltung, die den Energieverlust eines nicht idealen Q-Faktors ersetzt. Wenn ein Kind eine Schaukel mit der richtigen Frequenz pumpt und dem System in regelmäßigen Abständen Energie zuführt, um den Verlust aufgrund von Reibung und Windwiderstand zu überwinden, kann das Kind unbegrenzt schwingen. Ein Radiotuner ist ein Resonanzkreis mit einem hohen Q-Faktor. Durch Drehen des Knopfes wird die Kapazität eines variablen Kondensators geändert. Wenn der Resonanzkreis auf die gleiche Frequenz wie der Radiosender abgestimmt ist, erzeugt der Kreis eine hohe Amplitude und eine klare Audiosendung.