Meißner-Schaltung

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Die Autor*innen

Jakob Köbner

Meißner-Schaltung

lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Grundlagen zum Thema Meißner-Schaltung

In diesem Video wird die sogenannte Meißner-Schaltung vorgestellt. Sie bildet die Grundlage für heutige Nachrichtenübertragung in Rundfunk und Fernsehen. Mit ihrer Hilfe kann eine ungedämpfte elektromagnetische Schwingung erzeugt werden. Zunächst erfährst du wie die ursprüngliche Meißner-Schaltung aufgebaut ist und aus welchen Elementen sie besteht. Anschließend lernst du, wie durch Rückkopplung mit Hilfe einer Vakuumtriode dem Schwingkreis periodisch Energie zugeführt wird. Dies geschieht in der Eigenfrequenz des Schwingkreises, so dass eine ungedämpfte elektromagnetische Schwingung entsteht.

Transkript Meißner-Schaltung

Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle. Wir beschäftigen uns heute mal wieder auf dem Gebiet Schwingungen und Wellen mit dem dritten Teil der Reihe zum elektrischen Schwingkreis, indem wir uns die Meißner-Schaltung genau ansehen wollen. Für dieses Video solltet ihr bereits die beiden vorhergehenden Teile über den Schwingkreis gesehen haben. Wir lernen heute, was die Meißner-Schaltung ist und wofür man sie braucht, und wie das Ganze aufgebaut wird und funktioniert. Die Meißner-Schaltung, die man auch Meißner-Oszillator oder Rückkopplungsschaltung nennt, erzeugt in einem Schwingkreis eine ungedämpfte, sinusförmige Schwingung. Mit der Meißner-Schaltung konnten also erstmals höherfrequente stabile elektrische Schwingungen erzeugt werden, was in der Kommunikationstechnik ein deutlicher Fortschritt war. Sie erzeugt diese stabilen Schwingungen mit einer periodischen Energiezufuhr, die duch Rückkopplung erreicht wird. Dazu nimmt man heutzutage meistens Transistoren her. Meißner hat in seinem ursprünglichen Versuchsaufbau eine Elektronenröhre als Verstärker verwendet. Wie der Aufbau der Meißner-Schaltung genau aussieht, das wollen wir uns jetzt im nächsten Kapitel ansehen. Wir fangen mal an mit einer Gleichstromquelle, sagen wir mal ungefähr 100V und einem Schwingkreis. Dieser besteht aus einer Spule und einem Kondensator, parallel geschaltet, und ich markiere ihn mal blau, damit wir ihn nicht aus den Augen verlieren. Das nächste Bauteil ist die gerade eben schon angesprochene Elektronenröhre, die als Verstärker genutzt wird. Man nennt sie dann eine Vakuumtriode. Und die müssen wir uns ein wenig genauer ansehen. Durch die Heizspannung Uh treten in der Vakuumtriode, in der, wie der Name schon sagt, Vakuum herrscht, Elektronen aus. Durch unsere Spannung von ca. 100V werden die Elektronen eigentlich zur Kathode hin beschleunigt. Wie der Name Triode schon sagt, hat unsere Elektronenröhre aber nicht 2, sondern 3 Anschlüsse. Und das ist der Trick. In der Nähe der Kathode wurde ein Gitter installiert, und zwischen dem Gitter und der Kathode liegt eine Bremsspannung an. Das heißt, das von den Elektronen, die von der Kathode ausgehen, nur sehr sehr wenige wirklich die Kathode erreichen, die meisten werden von dem Gitter abgefangen. Im gleichen Stromkreislauf wie die Bremsspannung, befindet sich eine zweite Spule, die so angeordnet ist, dass sich das Magnetfeld der ersten auf sie auswirkt. Und damit ist die Meißner-Schaltung auch schon fertig aufgebaut. Jetzt wollen wir mal sehen, wie das Ganze funktioniert. Wenn ich meine Spannungsquelle nun anschalte, fließt ein kleiner Strom durch meine Spule. Und der reicht auch schon, denn dadurch gerät mein Schwingkreis in eine kleine Schwingung. Und was nun passiert, ist folgendes: Wenn im Schwingkreis der Strom in der richtigen Richtung durch die Spule fließt, in unserem Falle wäre das, angegeben in der physikalischen Stromrichtung, das heißt, der Richtung, in der die Elektronen fließen, von oben nach unten, dann wird in der zweiten Spule eine Spannung induziert, die die Bremsspannung schwächt. Dadurch fließt ein viel stärkerer Strom durch die Vakuumtriode, und dem Schwingkreis wird Energie zugeführt. In der anderen Hälfte der Schwingunsdauer fließt der Strom in der falschen Richtung durch die Spule, sodass die Bremsspannung noch verstärkt wird. Dann fließt noch weniger Strom durch die Triode. So wird die Schwingung also in jeder Periode angeregt. Und da mein Schwingkreis seine Verstärkung selbst steuert, geschieht sie auch in seiner Eigenfrequenz. Das Ergebnis ist eine ungedämpfte, sinusförmige Schwingung. Wir wollen nochmal wiederholen, was wir heute gelernt haben: In der Meißner-Schaltung wird einem Schwingkreis periodisch Energie zugeführt. Man nennt dies eine erzwungene Schwingung und sie sieht aus wie eine ungedämpfte sinusförmige Schwingung. Die Funktionsweise der Meißner-Schaltung ist wie folgt: Das Magnetfeld der Schwingkreisspule induziert in einer zweiten Spule eine Spannung. Diese Spannung steuert einen Verstärker. Heutzutage nimmt man meistens Transistoren, damals war es eine Vakkuumtriode, sodass in einer Hälfte jeder Schwingungsdauer dem Schwingkreis Energie zugeführt wird. So, das war es schon wieder für heute, ich hoff, ich konnte euch helfen. Vielen Dank für's Zuschauen, vielleicht bis zum nächsten Mal Euer Kalle

4 Kommentare

Vielen Dank für eure Kommentare, @Pollmann Ralf, @Franzi und @Amse! Ihr habt natürlich vollkommen Recht. Leider ist uns das bis jetzt durchgerutscht. Nun habe ich zumindest mal zwei Kommentare an den betreffenden Stellen im Video eingefügt, um die nötigen Korrekturen zu vermerken. Nochmal vielen Dank!

Von Lukas Schwarz, vor mehr als 2 Jahren
Hallo, ich glaube (ebenso wie Herr Pollmann vor 9 Jahren), dass im Video ein Fehler vorliegt:
1. Bei 02:07 heißt es: "...werden die Elektronen zur Kathode hin beschleunigt..."
2. Bei 02:31 heißt es: "...nur sehr wenige die Kathode erreichen...".
In beiden Fällen muss es vermutlich die Anode sein und nicht die Kathode.

Von Amse, vor fast 3 Jahren
Pollmann hat Recht, die Elektronen gehen von der Kathode zur Anode. Danke für die Verwirrung.

Von Franzi, vor mehr als 3 Jahren
Warum erreichen die Elektronen, die von der Kathode aus gehen danach die Kathode? Die Elektronen sollten doch, nachdem sie die Kathode verlassen haben, die Anode erreichen... !?!?

Von Pollmann Ralf, vor fast 12 Jahren

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.