Generatoren zur Schwingungserzeugung

Die elektromagnetischen Schwingungen in einem Schwingkreis klingen nach einmaliger Anregung relativ schnell wieder ab, weil elektromagnetische Energie durch den ohmschen Widerstand des Leitungsdrahtes in Wärme umgewandelt und dadurch dem Schwingkreis entzogen wird. Möchte man die Schwingung aufrechterhalten, dann muss man dem Schwingkreis im Takt der Eigenschwingung und in der richtigen Phase Energie zuführen. Das geschieht in Generatoren zur Erzeugung elektromagnetischer Schwingungen.

Ein einfacher Generator zur Schwingungserzeugung

Will man in einem Schwingkreis ungedämpfte elektromagnetische Schwingungen erhalten, dann müssen ähnlich wie bei den Schwingungen eines Federschwingers zwei Bedingungen erfüllt sein:

• Die Feldenergie, die durch den ohmschen Widerstand im Schwingkreis und auch durch die Streuverluste verloren geht, muss jeweils ersetzt werden.
• Die Zufuhr an Energie muss im richtigen Takt erfolgen.

Eine elegante Lösung dieses Problems hat der deutsche Techniker ALEXANDER MEISSNER (1883-1958) im Jahre 1913 entwickelt. Es handelt sich dabei um die nach ihm benannte meißnersche Rückkopplungsschaltung. Während MEISSNER für seine Schaltung eine Elektronenröhre (Triode) nutzte, verwendet man heute anstelle von Röhren Transistoren oder andere verstärkende Bauelemente (Tetrode, Pentode, Magnetron, Klystron). Bild 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer meißnerschen Rückkopplungsschaltung mit einem Transistor.
Die Basis des Transistors ist mit dem Schwingkreis induktiv gekoppelt. Fließt in der Spule des Schwingkreises ein Strom, so wird auch im Basisstromkreis des Transistors ein Strom induziert. Mit diesem Basisstrom fließt ein Kollektorstrom, der dem Schwingkreis Energie zuführt. Durch die Anordnung wird also erreicht, dass im Rhythmus der Schwingungen im Schwingkreis dem Schwingkreis selbst Energie zugeführt wird. Dies geschieht solange, bis die Verluste im Schwingkreis gerade durch die zugeführte Energie ausgeglichen werden. Die Frequenz der Schwingungen ist dabei genau wie im einfachen Schwingkreis durch die thomsonsche Schwingungsgleichung festgelegt. Sie hängt also nur von der Kapazität des Kondensators und der Induktivität der Spule ab. Im Schwingkreis entstehen ungedämpfte, sinusförmige elektromagnetische Schwingungen, also Schwingungen konstanter Amplitude.

Für die technische Realisierung einer meißnerschen Rückkopplungsschaltung sind einige zusätzliche Dinge zu beachten:

• Durch entsprechende Widerstände müssen zweckmäßige Spannungen am Transistor anliegen.
   
• Von einem Verstärker in Emitterschaltung ist bekannt: Das Ausgangssignal am Kollektor und das Eingangsignal an der Basis sind stets in entgegengesetzter Phase. Damit die für die Mitkopplung entscheidende Phasengleichheit von Eingangssignal und rückgekoppeltem Signal erreicht wird, muss in der Kopplungsstufe eine Phasendrehung von 180° erfolgen. Das erreicht man durch die induktive Kopplung. Möglich wäre auch eine Kopplung mit einer RC-Kombination.
   
• Weil die Schwingkreisinduktivität auch von einem Gleichstrom durchflossen wird, hängt die Vormagnetisierung des Kerns sehr von dieser Stromstärke ab. Das hat Einfluss auf die Frequenz. Die Anordnung ist nicht sonderlich frequenzstabil. Um diesen Mangel zu beseitigen, wählt man den in Bild 2 dargestellten Parallelbetrieb, bei dem der Schwingkreis nur von Wechselströmen durchflossen wird.

Tongeneratoren

Tongeneratoren, auch Tonfrequenzgeneratoren genannt, sind Geräte, mit denen meist sinusförmige elektromagnetische Schwingungen im hörbaren Bereich, also mit Frequenzen zwischen 16 Hz und 20 000 Hz, erzeugt und in Form von Schall abgegeben werden. Die Frequenz und damit die Tonhöhe kann fest oder stetig veränderbar sein. Die Amplitude und damit die Lautstärke ist meist einstellbar.

Aufbau und Wirkungsweise

Tongeneratoren werden als Oszillatoren mit Schwingkreisen oder als RC-Oszillatoren ausgeführt. Bei größerer Leistung bezeichnet man solche Oszillatoren auch als Generatoren. Daher stammt die Bezeichnung Tongenerator für Anordnungen, die Töne im hörbaren Bereich erzeugen.
Bild 3 zeigt den Aufbau einer einfachen Oszillatorschaltung. Sie besteht im Wesentlichen aus einem Schwingkreis, der über eine meißnersche Rückkopplungsschaltung mit einem Transistor verbunden ist.
Die Eigenfrequenz des Schwingkreises ist von der Kapazität C des Kondensators und der Induktivität L der Spule im Schwingkreis abhängig. Für die Frequenz f gilt die thomsonsche Schwingungsgleichung:

$f=\frac{1}{2\pi \sqrt{L\cdot C}}$

Demzufolge kann man die Frequenz der entstehenden elektromagnetischen Schwingungen durch Veränderung der Kapazität des Kondensators und der Induktivität der Spule ändern. Das kann man realisieren durch Verwendung von Drehkondensatoren (veränderbare Kapazität) oder durch Verändern der Induktivität der Spule (Veränderung der Windungszahl, Verschiebung des Eisenkerns).
Die erzeugten elektromagnetischen Schwingungen werden verstärkt, einem Lautsprecher zugeführt und als Schallwellen abgestrahlt.

Zur Erzeugung bestimmter Frequenzen nutzt man RC-Oszillatoren. Anstelle des Schwingkreises treten dort Widerstände (R) und Kondensatoren (C), so wie es in Bild 4 dargestellt ist. Die Frequenzabhängigkeit des Widerstandes dieser Bauelemente hat zu Folge, dass nur bei einer bestimmten Frequenz die Energiezufuhr in der richtigen Phase erfolgt. Genau mit dieser Frequenz schwingt der RC-Oszillator.

Anwendungen

Angewendet werden Tongeneratoren vor allem in der Messtechnik (z.B. Prüfung von Verstärkern und Lautsprechern) und als Grundelemente elektronischer Musikinstrumente (z.B. elektronische Orgeln, Synthesizer). Genutzt werden können sie auch, um den Hörbereich (Hörvermögen) von Personen zu überprüfen, also um eine Hörprüfung durchzuführen.