Frage von Usedefault, 108

LC-Schwingkreis und LED?

Hallo!

Ich habe einen LC-Schwingkreis aufgebaut, der mit 1H und 1,5mF mit 4Hz schwingen sollte.

Wenn ich den C auflade und den Schwingkreis über eine Dual-LED schließe, warum wird dann die LED nichtheller und dunkler, bzw. die Spannung am C nicht einmal höher und dann wieder weniger?

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von atoemlein, 33

Ohne genauere Angaben kann man dir wohl nicht helfen.

  • Auf welche Spannung lädtst du auf?
  • Was hat die LED für Grenzdaten? Entweder bekommt sie zuwenig Saft, oder vermutlich ist die schon über den Jordan gegangen.
  • Ist gross ist der ohmsche Widerstand der 1H-Drossel?
  • Der rel. kleine Strom der LED wird wohl gar nie dazu führen, dass viel Energie vom Kondensator in die Drossel rüberwandert.
Kommentar von Usedefault ,

1.) Auf ca. 9V.

2.) Nein kaputt ist die nicht. Das Datenblatt kenn ich nicht. Ist rot - grün.

3.) Die Spule hat sehr wenig Ohm. Wie funktioniert das überhaupt mit der Spule, also warum fließt der Strom durch das Kabel überhaupt durch, wenn sich die Windungen berühren?

Kommentar von atoemlein ,

zu 3) Die Windungen der Spule sind ja hoffentlich isoliert gegeneinander, sonst hast du einfach einen Klotz Kupfer und sicher nicht eine Spule mit 1H Induktivität.
Vermutlich ist der Draht aber wie üblich mit Lack isoliert. Sieht ähnlich aus wie nacktes Kupfer.

Leuchtet denn die LED überhaupt mal auf, wenn du den "Schwingkreis" schliesst?
Falls nicht, dann ist der Kreis unterbrochen oder die Spannung zu tief oder die LED falsch angeschlossen!

Ich denke, im besten Fall bekommst du eine LED, die 1x aufleuchtet und einfach langsam schwächer wird, analog der Entladung des Kondensators.
Denn mit der LED hast du im Schwingkreis eigentlich einen sehr hohen (nicht-ohmschen) Widerstand, der die Güte des Schwingkreises massiv herabsetzt.
Eine perodische Schwingung wird da nicht zustande kommen, weil du mit dieser Kombination wohl jenseits des aperiodischen Grenzfalls bist.

Kommentar von Usedefault ,

Ja die LED wird mit scheinbar linear schwächer. Kennst du eine sehr einfache Schaltung, um meinen LED-Scheingkreis zu realisieren? Die Spule ist dann anscheinend lackiert, weil sie von Conrad ist und beim Spannungswandler auch funktioniert.

Kommentar von atoemlein ,

Nicht ohne Fremdenergie und eine erweiterte elektronische Schaltung.
Versuch mal statt einer LED eine Glühlampe entsprechend der Spannung, auf die zu aufgeladen hast.
Die 4Hz sollte man noch sehen mit einer Glühlampe.

Kommentar von Usedefault ,

Ich habe aber kein Lämpchen, das bei 9V und ein paar mA leuchten würde.

Kommentar von atoemlein ,

Vielleicht eins vom Fahrrad mit 6V oder von der Taschenlampe mit 3,5V, dann den C auf diese Spannung laden. Oder falls der C das erträgt eine 12V-Lampe und auf 12V laden.

Noch eine kleine Überschlagsrechnung, die zeigt, dass dein Verscuh mit einer LED wohl scheitert:
Energieinhalt des Kondensators ist U^2*C/2 = 61mJ = 61mWs.

Wenn diese Energie 4x pro Sekunde hin und her schwingen sollte (= 8 Verschiebungen pro Sekunde oder 1 Verschiebung in 125ms), musst du pro Verschiebung ein halbes Watt Leistung aufwenden können. Bei 9V ergibt das einen Durchschnittsstrom von 54mA.
Der maximale Strom müsste demnach noch höher sein, grob gegen 100mA.
Ferner sollte dein Verbraucher möglichst wenig Spannungsabfall bewirken. Eine LED nimmt schon mal 2-4V.

Was auch noch gehen könnte ist folgendes:
Nimm statt eines Lämpchens einen niederohmigenLautsprecher (8 Ohm), dessen Membran du siehst.
Dann siehst du ev. die Membran ein paar mal schwingen, bis das ganze abklingt (schätzungsweise 1-2 Sekunden).

Expertenantwort
von TomRichter, Community-Experte für Physik, 40

> mit einem polaren C

Du meinst einen gepolten Kondensator, Elektrolyt- oder Tantal-Kondensator als Beispiel?

Natürlich nicht - wenn man den falsch herum anschließt (bei einem funktionierenden Schwingkreis wäre das die halbe Zeit der Fall), wirkt er nicht als Kondensator, sondern als niederohmiger Widerstand (und geht dabei kaputt).

Um einen gepolten Kondensator einzusetzen, bräuchtest Du eine kompliziertere Schaltung, die bewirkt, dass die Spannung am C nicht von -5V bis +5V schwingt, sondern von 0V bis +10V.

Bevor ich eine LED anschließe, würde ich übrigens mittels Messgerät (idealerweise Oszi) schauen, ob der Schwingkreis schwingt.

Wenn es ohne LED dann geht und mit LED nicht: Die Schaltung so ändern, dass der Schwingkreis einen Transistor steuert, der dann wiederum die LED steuert.

Kommentar von Usedefault ,

Was ist mit dem Trick mit 2 Elkos spiegelverkehrt auf (-) (-)? Ist das schlecht für die C's?

Wie soll das mit dem T funktionieren, wenn der eine Halbwelle durch die interne Diode absägt?

Oszi habe ich nicht, darum wollte ich ja mit der LED austesten, ob der Schwingkreis schwingt.

Kommentar von TomRichter ,

> Was ist mit dem Trick mit 2 Elkos spiegelverkehrt auf (-) (-)?

Mangels Schaltbild kann ich nur vermuten, dass Du jenen "Trick" meinst, beim Gleichrichten einer Wechselspannung die Spannung zu verdoppeln mittels zweier Dioden plus zweier Kondensatoren.

Ich glaube nicht, dass sich das auf einen Schwingkreis übertragen lässt.

> Wie soll das mit dem T funktionieren,

am einfachsten zu verstehen: Nimm' zwei Transistoren und 2 LEDs, je einen für die positive und die negative Halbwelle. Steuere den Transistor über eine Diode so an, dass er nur "seine" Halbwelle bekommt.

> Oszi habe ich nicht,

bei 4 Hz reicht auch eine Diode plus ein einfaches analoges Voltmeter.

Die Diode würde bei Deiner Anordnung auch funktionieren, im allgemeinen sind aber die paar Milliampere, die die Diode braucht, schon zu viel Belastung der Schaltung.

Kommentar von Usedefault ,

Mit dem Trick meine ich 2 Cs auf gleichem Pol zu verbinden, sodass sich insgesamt 1C ohne Polarität ergibt.

Kommentar von TomRichter ,

Schalte die zusammen (nur im Schaltplan, nicht in echt), lege eine Gleichspannung an und berechne die an jedem anliegende Spannung.

Kommentar von Usedefault ,

Dann ist ein doppelt so hoch, oder?

Antwort
von Halswirbelstrom, 49

Die LED ist ein nichtlinearer unsymmetrischer Widerstand, der die Schwingung zudem in Sperrrichtung "unterbricht". Das ist ein etwas komplizierter Fall für die Differentialrechnung und kein eigentliches Thema in diesem Plenum.

Gruß, H. 

Kommentar von Usedefault ,

Das ist ein Dualled, die in beide Richtungen leitet.

Ist ein LC-Schwingkreis eigentlich mit einem polaren C überhaupt möglich?

Kommentar von Halswirbelstrom ,

Ich denke, dass auch mit einem Paar antiparallel geschaltete LED (Dual-LED) keine freie harmonische Schwingung im Schwingkreis zustande kommt. In Durchlassrichtung muss erst die nicht unbeachtliche Schwellspannung überwunden werden und somit sind wir wieder beim Thema Differentalrechnung. Zudem sind (gepolte) Elkos nicht für elektrische Schwingkreise geeignet.

Gruß, H.

Kommentar von TomRichter ,

> keine freie harmonische Schwingung

Nö, natürlich nicht.

Aber irgendeine Schwingung, mit einer Amplitude knapp über der Durchlassspannung der LED, sollte sich ergeben, wenn keine weiteren Fehler in der Schaltung stecken.

Kommentar von Halswirbelstrom ,

Mit einem Simulationsprogramm per Computer könnte man sich ggf. mehr Klarheit verschaffen. Leider kenne ich keine Quelle für ein solches Programm.

Gruß, H.

Kommentar von Usedefault ,

Muss beim Radioempfänger der Schwingkreis genau mit der Frequenz der Radiowellen schwingen? Z. B. 105 Mhz?

Bedeutet 105 Mhz, dass eine Welle mit 105 * 10^6 Schwingungen pro Sekunde ausgestrahlt wird?

Kommentar von Halswirbelstrom ,

Beim Empfang eines Rundfunksignals müssen (theoretisch) Sende- und Empfangsfrequenz gleich groß sein. Bei einem Geradeausempfänger z.B. erfolgt die Selektion der Frequenz mit einem Parallelschwingkreis. Ein solcher Schwingkreis hat aber je nachdem wie groß die Dämpfung ist eine bestimmte Bandbreite. Das bedeutet, dass die Resonanzfrequenz des Eingangskreises eines Empfängers nicht unbedingt genau mit der zu empfangenden Frequenz des Senders übereinstimmen muss. Empfang ist deshalb auch noch bei kleiner Verstimmung in etwas abgeschwächter Form möglich. Im UKW Bereich ist es der Frequenzbereich von 87,5 MHz bis 108 MHz. Das Kurzzeichen M bedeutet Mega, ergo das Millionenfache bzw. den Faktor 10^6.

Gruß, H.

Kommentar von Usedefault ,

Warum ist eigentlich V definiert als J/C? Inwiefern geht aus dieser Definition hervor, dass mehr Spannung mehr Stromfluss bedeutet? Energie ist ja eine reine Mengengröße.

Kommentar von Halswirbelstrom ,

Ich kann leider nicht nachvollziehen, welche physikalischen Größen sich hinter den Formelzeichen V, J und C verbergen. Bitte um verbale Beschreibung.

Kommentar von Usedefault ,

Die Spannung U in V ist ja definiert als Energie in J pro Ladungsmenge in C. Inwiefern geht aus dieser Definition hervor, dass bei mehr Spannung um den Faktor R mehr Strom fließt? Es geht nur hervor, dass man mehr Energie braucht bzw. mehr Energie beim Abfall der Spannung umgewandelt wird.

Kommentar von Halswirbelstrom ,

Die Definitionsgleichung für die elektrische Spannung lautet:

U = W / Q

Die elektrische Spannung ist der Quotient aus der Verschiebungsarbeit W, die an einer elektrischen Ladung Q im elektrischen Feld verrichtet wird, und der verschobenen elektrischen Ladung Q.

Das hat mit elektrischem Strom zunächst nichts zu tun, sondern man beschreibt lediglich die energetische Wechselwirkung zwischen der elektrischen Ladung Q und dem elektrischen Feld. Damit eröffnet man sich die Möglichkeit, bei gegebenen Anlass die Energieumwandlung im elektrischen Feld beschreiben zu können.

So komme ich zur eigentlichen Beantwortung Deiner Frage:

Aus  U = W / Q  erhält man durch Umformung:  W = U · Q     (1)

Mit der im elektrischen Feld durch die Spannung U verschobene elektrische Ladungsmenge  Q  je Zeit  t  kann die elektrische Stromstärke  I  definiert werden.

Die Definitionsgleichung dazu lautet:  I = Q / t    →   Q = I · t

Dieser Term wird in (1) an der Stelle von Q eingesetzt und man erhält die Formel für die elektrische Arbeit:   W = U · I · t

Damit kann die vom elektrischen Strom verrichtete Arbeit, die elektrische Arbeit W berechnet werden, wenn die Spannung U, die Stromstärke I und die Zeit t gegeben sind. Das ist prinzipiell die elektrische Arbeit, die mit dem Kilowattstundenzähler (Stromzähler) im Haushalt gemessen wird. 

Gruß, H.
  

Kommentar von atoemlein ,

Das tut hier nichts zur Sache. Hilft bei deinem Problem nicht.
Definitionen sind so, weil sie so sind. Die Interpretation lautet:
Wenn es 1J Energie braucht, um eine Ladung von 1C von A nach B zu transportieren, so herrscht zwischen A und B eine Spannung von 1V.

Kommentar von Usedefault ,

Ja aber aus der Definition geht nicht hervor, wie schnell man die 1J benötigt um 1C gegen 1V zu bewegen. Man kann den ganzen Tag brauchen, wenn man immer nur wenig Energie investiert. Und Stromstärke ist Ladung pro Zeit.

Und trotzdem hängen die Größen über I = U/R aus irgendeinem Grund zusammen.

Kommentar von atoemlein ,

Stimmt, man kann die energie über so lange Zeit verteilen, wie man will. Längere Zeit heist klelinere Leistung, und kleine Leistung heisst kleiner sichtbarer Effekt (oder eben keiner).

Kommentar von Usedefault ,

Ja und wo geht bei 1V = 1J/1C hervor, dass bei mehr Volt die Stromstärke I wächst?

Kommentar von atoemlein ,

Ja.
Aber das ist eine andere Frage, auch diese hat nichts mit deinem Problem zu tun.
Die Frequenz deines Schwingkreises ist die Eigenfrequenz und wird nur durch L und C bestimmt, soweit hast du richtig gerechnet.

Kommentar von atoemlein ,

Mit LED wohl kaum eine periodische Schwingung. Siehe meine Antwort.

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