Einfache Experimente mit Schwingkreisen verbinden Grundlagen der Elektronik mit anschaulicher Praxis. An LC- und RLC-Schaltungen lassen sich Resonanz, Güte, Dämpfung und Frequenzverhalten nachvollziehen. Mit preiswerten Bauteilen und Messmitteln entstehen Versuche für Unterricht und Hobbylabor, die systematisches Vorgehen, Fehleranalyse und sicheres Arbeiten fördern.
Inhaltsverzeichnis
- Basiswissen zu LC-Schwingungen
- Bauteilauswahl und Toleranzen
- Resonanzfrequenz messen
- Güte und Verluste minimieren
- Sicherer Aufbau und Betrieb
- Häufige Fragen
Basiswissen zu LC-Schwingungen
LC-Schwingkreise speichern Energie abwechselnd im elektrischen Feld des Kondensators (C) und im magnetischen Feld der Spule (L); es entsteht ein periodischer Energieaustausch, das Energiependel. Ideal schwingt der Kreis sinusförmig mit Resonanzfrequenz f0 = 1/(2π√(LC)); reale Verluste führen zu Dämpfung, die Amplitude klingt ab. Die Güte Q charakterisiert das Verhältnis von gespeicherter zu pro Periode verlorener Energie und bestimmt die Bandbreite (Q ≈ f0/Δf).In Serienkreisen sind Strom und Gesamtspannung nahezu phasengleich, während die Spannungen an L und C um ±90° verschoben sind; im Parallelkreis kehrt sich die Phasenlage um. Parasitäre Widerstände, Leitungsinduktivitäten und Sondenkapazitäten verschieben f0 und reduzieren Q, ebenso die Kopplung an Signalquelle und Messgerät.
- Wichtige Größen: L [H], C [F], R [Ω], f0 [Hz], ω0 [rad/s], Q [-].
- Einflussfaktoren: Größeres L oder C → niedrigere f0; höherer R → stärkere Dämpfung und kleinere Q; parasitäre Elemente verändern Resonanz.
- Typische Bauteile: Luftspulen für geringe Verluste,Ferritkerne für kompakte Bauform; Folien- und NP0/C0G-Kondensatoren für stabile f0.
- Phänomene: Einschwing- und Abklingvorgänge (Ringdown), Schwebungen bei gekoppelten Kreisen, Spannungsüberhöhung bei hoher Q.
- Messtechnik: 10:1-Tastköpfe mit geringer C, kleine Anregungspegel, lose Kopplung zur Quelle zur Minimierung der Last.
| L | C | f0 (≈) | Hinweis |
|---|---|---|---|
| 1 mH | 100 nF | 15,9 kHz | Audio-Bereich, gut sichtbar am Oszilloskop |
| 10 mH | 10 nF | 15,9 kHz | Gleiches LC-Produkt → gleiche f0 |
| 100 µH | 1 nF | 503 kHz | Höhere Frequenzen, kurze Leitungen nötig |
Bauteilauswahl und Toleranzen
Für stabile und reproduzierbare Schwingkreisexperimente empfiehlt sich die Auswahl verlustarmer Bauteile mit definierter Temperaturstabilität, um Frequenzdrift und Güteverluste zu minimieren: NP0/C0G-Keramikkondensatoren oder Folie (PP, PET) für den eigentlichen Resonanzkondensator, Luft- oder HF-Ferritspulen mit hoher Güte und ausreichender Selbstresonanzfrequenz sowie Metallfilm-Widerstände mit geringer Toleranz für Dämpfung und Messpfade; die Toleranzkette beider Hauptkomponenten (L und C) sollte bewusst budgetiert werden, wobei kleine Abgleichreserven (z. B. Trimkondensatoren oder Spulen mit Abgleichkern) Frequenzgenauigkeit sichern; parasitäre Kapazitäten und Serienwiderstände (ESR, Rdc) sind bei kHz-MHz entscheidend, ebenso DC-Bias-Effekte bei Keramikkondensatoren der Klassen X7R/X5R, die für die Resonanzfunktion zu vermeiden sind; eine kurz gehaltene Verdrahtung, thermisch ruhige Umgebung sowie Vorselektion und Messung der Istwerte (LCR-Meter) erhöhen die Wiederholbarkeit, während E24/E96-Reihen und parallele/serielle Kombinationen eine feine Kapazitäts- oder Induktivitätsanpassung ermöglichen.
- Kondensatoren: NP0/C0G (±1-5 %) oder PP-Folie; X7R nur für Entkopplung, wegen Kapazitätsabfall unter DC-Bias ungeeignet für den Resonanzzweig.
- Induktivitäten: Luftspulen für geringe Verluste und hohe Linearität; Ferritkerne für kompakte Bauform – Kernmaterial und AL-Wert beachten; SRF oberhalb Arbeitsfrequenz.
- Abgleich: Trimmer 2-30 pF oder Spule mit Ferrit-/Messingkern; Frequenzfenster mit 5-10 % Reserve auslegen.
- Dämpfung: Metallfilm 1 % für definierte Güte; hoher Rdc der Spule reduziert Q und verschiebt die Bandbreite.
- Temperatur: NP0/C0G ~0 ppm/°C; X7R bis ±15 % über Temperatur; Ferritkerne besitzen nichtlineare Drift – kurze Aufwärmzeit einplanen.
- Parasitika: Kurze Leitungen, kleine Bauformen, Buchsen/Krokoklemmen mit geringer Zusatzkapazität; Layoutkapazitäten in die Toleranzkette einrechnen.
- Messstrategie: L/C vorab messen und paaren; bei Bedarf Kapazität mit kleiner Parallelplatte feintrimmen.
| Bauteil | Technologie | Toleranz | Tempko | Hinweis |
|---|---|---|---|---|
| C (Resonanz) | NP0/C0G oder PP | ±1-5 % | ≈0 ppm/°C | Geringer ESR, kein DC-Bias-Verlust |
| C (Abgleich) | Trimmer 2-30 pF | ±10-20 % | niedrig | Mechanisch stabil fixieren |
| L (Spule) | Luft oder HF-Ferrit | ±2-10 % | gering-mittel | SRF > Betriebsfrequenz, hoher Q |
| R (Dämpfung) | Metallfilm | ±1 % | niedrig | Thermisches Rauschen beachten |
| Versorgung | X7R/X5R | ±10-20 % | mittel | Nur als Puffer/Entkopplung |
Resonanzfrequenz messen
Die Bestimmung der Eigenfrequenz eines LC-Schwingkreises gelingt praxisnah durch Anregung und Beobachtung des Amplituden- bzw. Phasenverlaufs: Ein Frequenz-Sweep macht das Maximum (Parallelkreis) oder Minimum/Maximum des Stroms (Serienkreis) sichtbar, die Phasenverschiebung wechselt in der Nähe des Nullpunkts, und eine Impulsanregung liefert die freie Ausschwingung, aus deren Periodendauer direkt f0 ablesbar ist; der theoretische Vergleich über f0 ≈ 1/(2π√(LC)) hilft bei Plausibilitätschecks und Bauteiltoleranzen. Für schmalbandige Kreise empfiehlt sich eine feine Schrittweite sowie schwache Kopplung, um Dämpfung und Verstimmung zu minimieren; aus der -3-dB-Bandbreite folgt der Gütefaktor Q ≈ f0/(f2−f1), der die Messschärfe bestimmt.
- Serienkreis: Anregung über kleinen Quellwiderstand; Strommaximum via Shunt-Spannung oder Stromzange erkennbar.
- Parallelkreis: Speisung über Koppelkondensator; Spannungsmaximum am Schwingkreisknoten.
- Impulsverfahren: kurzer Rechteckstoß; Periodendauer der Ringing-Schwingung → Frequenz und Dämpfung.
- Audio-/USB-Generator: Chirp 100 Hz-20 kHz für große L/C; Auswertung per Oszi oder Spektrumanalyse.
- Phasenmethode: Lissajous-Figuren an X/Y-Oszi; Resonanz nahe gerader Linie (Phasenwinkel ≈ 0° bzw. 90°, je nach Topologie).
| Methode | Signal | Kriterium | Hinweis |
|---|---|---|---|
| Sweep (Serienkreis) | Sinus, 10 Hz-1 MHz | Strommaximum | Kleiner Shunt, geringes Cmess |
| Sweep (Parallelkreis) | Sinus, schwach gekoppelt | Spannungsmaximum | Koppelkondensator >> C |
| Impuls | Rechteckstoß | Periodendauer T | f0 = 1/T, Hüllkurve → Q |
| Phase | Zwei Kanäle | Phase ≈ 0°/90° | Lissajous linearisiert |
Güte und Verluste minimieren
Die Güte (Q) eines Schwingkreises bestimmt Selektivität, Effizienz und Abklingverhalten; maßgeblich sind Kupferverluste (Rcu), Kernverluste (Hysterese, Wirbelströme), dielektrische Verluste des Kondensators (ESR, tan δ), Strahlung und Kontakt-/Leiterbahnwiderstände. Kurze Leitungen, kleine Schleifenflächen und geringe Kopplung verhindern zusätzlich unnötige Belastung. Praktisch lässt sich Q einfach über die Bandbreite bestimmen (Q = f0 / Δf) oder per Ausschwingversuch mit kurzer Anregung und logarithmischer Dekrementanalyse; selbst Audio-Frequenzen erlauben Messungen mit Soundkarte und Oszilloskop.
- Kondensatoren: C0G/NP0, Glimmer oder PP-Folie für niedrige ESR und stabile Kapazität; Elektrolyt- und X7R-Typen bei Resonanzexperimenten meiden.
- Spulen: Große Leiterquerschnitte zur Reduktion von Rcu; ab ≥100 kHz Litzendraht zur Minderung von Skin-/Proximity-Effekt; bei hohen Q oft Luftkern, Ferrite nur mit niedrigem Verlustfaktor.
- Layout: Leitungen kurz, Schleifenfläche klein, saubere Lötverbindungen; Federsteckbretter über ~100 kHz vermeiden; Abstand zu Metallflächen gegen Wirbelströme.
- Kopplung: Primär-/Sekundärspulen lose koppeln, Pufferverstärker mit hoher Eingangsimpedanz einsetzen, um Messgerätebelastung zu minimieren.
- Abschirmung: Nur wo nötig; geschlitzte oder geeignete Schirme gegen geschlossene Wirbelstrompfade.
- Temperaturstabilität: Thermisch stabile Dielektrika und Kerne wählen; Erwärmung durch ohmsche Verluste begrenzen.
| Frequenz | Spule | Kondensator | Hinweis | Q (typ.) |
|---|---|---|---|---|
| 1-20 kHz | Cu 0,5-1 mm | PP-Folie | Kern mit niedrigen Verlusten | 50-150 |
| 20-200 kHz | Litze 100×0,05 | C0G/NP0 | Luftkern bevorzugt | 100-250 |
| 0,2-5 MHz | Litze 660×0,04 | Glimmer/C0G | Metallabstand groß | 150-350 |
Sicherer Aufbau und Betrieb
Robuste Versuchsanordnungen mit LC-Schwingkreisen basieren auf niedrigen Spannungen,definierter Strombegrenzung und mechanischer Stabilität; ausschließlich isolierte Kleinspannung (SELV) aus Labornetzteilen oder Batterien,keine direkte Netzverbindung. Bauteile werden mit ausreichenden Reserven dimensioniert, Kondensatoren erhalten Bleeder-Pfade zur sicheren Entladung, Spulen genügend Abstand zu Metallflächen und empfindlichen Medien. Leitungswege bleiben kurz, Kopplungen kontrolliert, Wärmeentwicklung begrenzt; Messaufbauten minimieren Zusatzkapazitäten und Schleifen, um Schwingbedingungen nicht zu verfälschen und Überspannungen zu vermeiden.
- Versorgung: SELV ≤ 24 V, aktive Strombegrenzung, nahequellige Sicherung; keine Netzteillosen-Aufbauten.
- Kondensatoren: Spannungsfestigkeit ≥ 2× Betriebsspannung; Bleeder 100 kΩ-1 MΩ; Entladung stets über Widerstand, kein Kurzschluss.
- Spulen: Wicklungen vor Überhitzung schützen; formstabile Träger; Abstand zu Magnetkarten und medizinischen Implantaten einhalten.
- Aufbau: Kurze, sauber geführte und ggf. verdrillte Leitungen; feste Fixierung; Berührschutz an offenen Klemmen; scharfe Kanten vermeiden.
- Messung: x10-Tastkopf mit kleiner C_last; sternförmige Masseführung; keine gemeinsamen Masseclips an empfindlichen Knoten; Pegel vor dem Anschluss prüfen.
- EMV: Ab >1 MHz Abschirmung und Dämpfungsglieder vorsehen; Abstrahlung und Rückwirkungen auf benachbarte Geräte minimieren.
| Aspekt | Schule | Hobbylabor |
|---|---|---|
| Versorgungsspannung | ≤ 12 V SELV | ≤ 24 V SELV |
| Stromlimit | ≤ 100 mA | ≤ 200 mA |
| Bleeder-Ziel | τ ≈ 3-5 s | τ ≈ 5-10 s |
| Frequenzbereich | Audio-200 kHz | Audio-5 MHz |
| Abschirmung | nicht erforderlich | empfohlen ab > 1 MHz |
Häufige Fragen
Was ist ein Schwingkreis und wie funktioniert er?
Ein Schwingkreis besteht aus Induktivität (L) und Kapazität (C). Energie pendelt zwischen Magnetfeld der Spule und elektrischem Feld des Kondensators. Bei der Resonanzfrequenz f0=1/(2π√(LC)) entstehen hohe Ströme/Spannungen mit geringer Dämpfung.
Welche Materialien und Werkzeuge werden benötigt?
Für grundlegende Versuche genügen Spulen, Kondensatoren, Widerstände, Breadboard oder Platine, Funktionsgenerator oder Audioquelle, Multimeter, optional Oszilloskop. Krokoklemmen, Trimmer-C, Ferritkerne und Batterien erleichtern Variationen.
Welche einfachen Experimente eignen sich für den Einstieg?
Reihenschwingkreis aufbauen, Resonanzfrequenz per Sweep finden, Kurven von Spannung über C und L beobachten. Dämpfung mit Serienwiderstand variieren. Zwei LC-Kreise locker koppeln und Schwebungen untersuchen. Ferritkern einführen und f0-Verschiebung messen.
Wie lassen sich Frequenz und Güte bestimmen?
Resonanzfrequenz per Sweep aus Generator und Spannungsmaximum über dem Widerstand bestimmen oder mit Oszilloskop/FFT messen.Güte aus Bandbreite: Q=f0/Δf bei -3 dB. Alternativ Ausklingkurve aufnehmen und logarithmisches Dekrement auswerten.
Welche Sicherheitsaspekte sind zu beachten?
Resonante Spannungen können deutlich über der Speisespannung liegen; Bauteile auf Spannungs- und Leistungsgrenzen prüfen.Elektrolytkondensatoren korrekt polen. Netzspannung vermeiden, galvanisch getrennt arbeiten.Spulen können warm werden; Brandgefahr beachten.