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Meißner-Schaltung

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Die Autor*innen
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Jakob Köbner
Meißner-Schaltung
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Meißner-Schaltung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Meißner-Schaltung kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib an, welche Bauteile in der Meißner-Schaltung integriert sind.

    Tipps

    Die Meißner-Schaltung ist ein erweiterter elektrischer Schwingkreis.

    Mit der Meißner-Schaltung kann eine ungedämpfte Schwingung erzeugt werden.

    Lösung

    Die Meißner-Schaltung besteht aus einem elektrischen Schwingkreis und einigen zusätzlichen Bauteilen.

    Neben einer Spannungsquelle, einem Kondensator und einer primären Spule müssen hier noch eine weitere Spule, welche sich im Magnetfeld der ersten Spule befindet, sowie eine Vakuum-Triode und eine weitere Spannung $U_b$ vorhanden sein.

    Die Vakuum-Triode ist ein Glaskolben, in dem sich ein Draht befindet, der an einer Spannung angelegt ist, sowie ein weiterer Draht am gegenüberliegenden Ende des Kolbens.

    Zwischen Kathode und Anode befindet sich dazu ein Gitter, an dem die Bremsspannung $U_b$ anliegt.

    Dabei wird der Stromfluss in der Triode umso mehr behindert, je größer die Spannung am Gitter $U_b$ ist.

    Wir können die Meißner-Schaltung als einen erweiterten elektrischen Schwingkreis verstehen.

    Durch den Aufbau mit Vakuum-Triode, Bremsspannung und sekundärer Spule, kann dem elektrischen Schwingkreis periodisch Energie zugeführt und so eine ungedämpfte Schwingung erzeugt werden.

  • Bestimme die richtigen Aussagen über die Meißner-Schaltung.

    Tipps

    $E = \frac{1}{2} \cdot C \cdot U^2 $

    Die Bremsspannung verhindert einen Stromfluss in der Triode.

    Lösung

    Die Meißner-Schaltung oder der „Meißner-Oszillator“ erzeugt in einem elektrischen Schwingkreis eine ungedämpfte, sinusförmige Schwingung.

    Die Meißner-Schaltung ist eine Möglichkeit, eine elektrische Schwingung auf einem konstanten Energielevel zu halten.

    Zunächst wirkt das Magnetfeld der Spule des Schwingkreises auf die sekundäre Spule. Es wird eine Spannung im Verstärkerkreis induziert, die der Bremsspannung $U_B$ entgegengerichtet ist.

    So wird die Bremsspannung verringert und es kann ein Strom in der Triode fließen. Auf den Fluss in der Triode folgt eine Spannung an den Platten des Kondensators im Schwingkreis.

    Mit der Spannung können wir ja den Energiezustand eines Kondensators berechnen, denn für diesen gilt

    $E = \frac{1}{2} \cdot C \cdot U^2 $.

    Da sich dieser Vorgang periodisch wiederholt, wird ebenfalls periodisch Energie zum Schwingkreis hinzugefügt, nämlich immer, wenn ein Strom durch die Triode fließt. So kann der Schwingkreis scheinbar ungedämpft schwingen.

  • Gib die Voraussetzungen an, die in der Meißner Schaltung erfüllt sein müssen.

    Tipps

    Ziel ist es, dem Schwingkreis periodisch Energie hinzuzufügen.

    Jedesmal, wenn ein Strom in der Triode fließt, wird dem Schwingkreis Energie hinzugefügt.

    Lösung

    Damit die Meißner-Schaltung auch ihren Zweck erfüllen kann, müssen einige Voraussetzungen erfüllt sein.

    Damit überhaupt eine Interaktion zwischen Schwingkreis und Verstärker stattfinden kann, muss es ja eine Schnittstelle geben. Diese finden wir an den beiden Spulen.

    Die Magnetfelder der Spulen interagieren miteinander.

    Ist das Magnetfeld der Spule des Schwingkreises maximal, so wird in der Spule des Verstärkerkreises eine Spannung induziert. Und zwar immer dann, wenn die Energie des Schwingkreises in dessen Magnetfeld gespeichert ist.

    Mit anderen Worten: Die Eigenfrequenz des Schwingkreises bestimmt die des Verstärkers.

    Die Heizspannung steht dabei in keinem direkten Zusammenhang mit dem elektrischen Feld des Kondensators.

    Die Heizspannung ist eine separate Spannung, die lediglich dazu dient, freie Elektronen zu erzeugen.

    Aus diesem Grund kann ein elektrischer Strom in der Vakuum-Triode beobachtet werden und dem Schwingkreis wird Energie hinzugefügt.

  • Analysiere die Vakuum-Triode.

    Tipps

    Solange das Gitter elektrisch neutral ist, ist dessen Bremswirkung gering.

    Die am Gitter anliegende Spannung bestimmt dessen elektrische Durchlässigkeit.

    Lösung

    Die Vakuum-Triode besteht aus einem Glaskolben, in welchem eine Kathode, eine Anode und ein Gitter angebracht sind.

    Das Gitter befindet sich dabei zwischen Kathode und Anode. Außerdem ist es an eine Bremsspannung $U_b$ angeschlossen.

    Solang diese Spannung groß genug ist, ist der Strom von der Kathode zur Anode unterbrochen.

    Denn die Durchlässigkeit des Gitter ist zumindest für Elektronen durch die am Gitter anliegende Spannung festgelegt.

    Je größer die Spannung am Gitter, desto schwerer ist es für ein Elektron durchzukommen.

    Wird die Bremsspannung jedoch abgeschaltet, verhält sich das Gitter elektrisch neutral und ein Strom kann ungehindert fließen.

    Die Anode wird in der Regel als Heizspule realisiert. Hier werden freie Elektronen erzeugt, welche auf die Kathode hin beschleunigt werden, ein Kontakt an der anderen Seite der Triode.

    In der Meißner-Schaltung ist die Vakuum-Triode mit der an ihr angelegten Spannung der wesentliche Bestandteil, um dem elektrischen Schwingkreis immer wieder Energie hinzuzufügen.

    Es geht also um die periodische Wiederholung der Energiezufuhr zum Schwingkreis.

    Die Vakuum-Triode selegiert dabei zeitlich, wann das Gitter für Elektronen durchlässig ist und wann nicht.

  • Erkläre den Ablauf der Energiezufuhr.

    Tipps

    Wird $U_b$ verringert, kann ein ungehinderter Strom in der Triode fließen.

    Die Verringerung von $U_b$ findet periodisch mit der Änderung des Magnetfeldes der Spule im Schwingkreis statt.

    Lösung

    Damit eine ungedämpfte Schwingung entstehen kann, muss man dem Schwingkreis periodisch Energie hinzufügen.

    Das ist durch den Aufbau mit der Vakuum-Triode möglich.

    Das Magnetfeld in der Spule des elektrischen Schwingkreises induziert in der sekundären Spule zunächst eine Spannnung, die der Bremsspannung $U_b$ entgegengesetzt ist.

    Somit wird $U_b$ verringert.

    Damit wird auch die Bremswirkung durch das Gitter in der Triode geringer und es fließt ein größerer Strom von der Heizspule zur Kathode.

    Als Folge des zunehmenden Stroms in der Triode wird eine Spannung an dem Kondensator des elektrischen Schwingkreises aufgebaut.

    Es gilt $ W = \frac{1}{2}\cdot C \cdot U^2$. Mit der Spannung muss also auch die Energie im Kondensator erhöht werden.

    Da die Wirkung der Bremsspannung periodisch verringert wird, wenn das passende Magnetfeld in der Spule des elektrischen Schwingkreis vorliegt, wird auch periodisch Energie hinzugefügt und so eine ungedämpfte, sinusförmige Schwingung erzeugt.

  • Gib an, wie die Meißner-Schaltung genau funktioniert.

    Tipps

    Die Meißner-Schaltung erzeugt in einem elektrischen Schwingkreis eine ungedämpfte, sinusförmige Schwingung.

    Es wird periodisch Energie hinzugefügt.

    Solange die Bremsspannung in der Triode hoch ist, wird dem Schwingkreis keine Energie hinzugefügt.

    Lösung

    Die Meißner-Schaltung oder der Meißner-Oszillator erzeugt in einem elektrischen Schwingkreis eine ungedämpfte, sinusförmige Schwingung.

    So konnten erstmals höherfrequente elektrische Schwingungen erzeugt werden, was ein großer Fortschritt in der Kommunikationstechnik war.

    Erreicht wird die ungedämpfte Schwingung durch eine periodische Energiezufuhr durch Rückkopplung mit einem Verstärker.

    Bekannt ist, dass ein normaler elektrischer Schwingkreis unter normalen Bedingungen eine gedämpfte Schwingung ausführen würde.

    Eine gedämpfte Schwingung kann jedoch durch periodische Energiezufuhr ungedämpft werden. Indem man immer wieder Energie hinzufügt, verhält sich das System also so, als würde es nicht an Energie verlieren.

    So in etwa, als würdest du eine Schaukel immer dann anstoßen, wenn die Amplitude der Schwingung geringer würde. Durch periodische Zufuhr von Energie wird auch hier das System konstant auf einem Energieniveau gehalten.

    Die Meißner-Schaltung ist eine Möglichkeit, eine elektrische Schwingung auf einem konstanten Energielevel zu halten.

    Zunächst wirkt das Magnetfeld der Spule des Schwingkreises auf die sekundäre Spule. Es wird eine Spannung im Verstärkerkreis induziert, die der Bremsspannung $U_B$ entgegengerichtet ist.

    So wird die Bremsspannung verringert und es kann ein Strom in der Triode fließen.

    Da sich dieser Vorgang periodisch wiederholt, wird ebenfalls periodisch Energie zum Schwingkreis hinzugefügt, nämlich immer wenn ein Strom durch die Triode fließt.

    So kann dieser scheinbar ungedämpft schwingen.

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