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Eine Kippschwingung[1][2][3] ist ein nicht notwendig periodischer, zeitlicher Verlauf einer physikalischen Größe (Signalverlauf), der von der Über- bzw. Unterschreitung eines oder zweier Schwellwerte bestimmt wird.

Ein anschauliches Beispiel ist eine Schale auf einem Waagebalken, die über ein Rohr mit Wasser gefüllt wird. Wenn ihr Gewicht das Gegengewicht überschreitet, kippt der Waagebalken mit der Schale von der annähernd waagerechten Lage in eine fast senkrechte Lage. Dabei wird die Schale entleert und die nun wieder leichtere Seite mit der Schale bewegt sich wieder nach oben. Die Frequenz dieser Bewegungen ist stark von der Menge des pro Zeiteinheit zuströmenden Wassers abhängig.

Kippschwingungen sind im Unterschied zu harmonischen Schwingungen von einer ständigen Energiezufuhr abhängig und werden in der Technik vielseitig angewandt.[2] Insbesondere Sägezahnsignale werden oft auch dann als Kippschwingung bezeichnet, wenn es sich nicht um Kippschwingungen im strengen Sinne der obigen Definition handelt.

Beispiele für die Anwendung und für die Abgrenzung Bearbeiten

Tongenerator mit einer Glimmlampe Bearbeiten

Ein Tongenerator für geringste Ansprüche besteht aus einer Glimmlampe mit einem Vorwiderstand, der ein Kondensator parallel geschaltet ist.[4] Die Betriebsspannung muss die Zündspannung der Glimmlampe übersteigen und kann der Stromversorgung (Netzteil) z. B. eines Volksempfängers entnommen werden. Der Vorwiderstand muss so groß sein, dass der durch die Lampe fließende Strom für die Erhaltung der Glimmentladung nicht ausreicht.

Nach dem Anlegen der Betriebsspannung steigt die Spannung am Kondensator an, bis die Zündspannung erreicht ist. Die Glimmlampe zündet nun und entlädt den Kondensator bis die Löschspannung unterschritten ist. Der Vorgang wiederholt sich. An der Glimmlampe kann ein Spannungssignal mit weitgehend sägezahnförmigen Verlauf abgenommen werden. Dessen Frequenz wird meist durch die Kapazität des Kondensators grob festgelegt und durch die Änderung des Widerstandes (Potentiometer) feiner eingestellt. Der Gleichanteil wird durch einen Koppelkondensator unterdrückt (Hochpass).

Die Anordnung kann auch als ein übersteuerter Verstärker interpretiert werden, bei dem der Bereich des negativen Widerstandes der Kennlinie der Glimmlampe für die Verstärkung genutzt wird. Der Arbeitspunkt wird mit dem Widerstand eingestellt.

Verstärker auf der Grundlage eines Abschnitts der Kennlinie mit negativem Widerstand gibt es schon mit einem Detektor und später mit einer Tunneldiode. In Kombination mit einem Schwingkreis, der durch sein Verhalten die Form des Signalverlaufs bestimmt (Differentialgleichung 2. Ordnung), erzeugen solche Schaltungen bei geeignetem Arbeitspunkt keine Kippschwingungen, sondern weitgehend harmonische Schwingungen (z. B. in einem mit einer Tunneldiode bestückten UHF-Konverter für den Fernsehempfänger). Die Beschränkung der Schwingungsweite durch den Aussteuerungsbereich ist eine normale Eigenschaft fast aller Oszillatorschaltungen.

Frequenzvervielfachung Bearbeiten

Zur Verfügung stehe eine hochgenaue Frequenz. Für hochgenaue Zeitmessungen sei ein Signal mit der zehnfachen Frequenz gefordert.

Grundsätzlich kann ein Vielfaches einer Grundfrequenz durch Filterung des nichtlinear verzerrten Signals gewonnen werden. Aber ein durch Begrenzung gewonnenes, symmetrisches Rechtecksignal enthält die zehnte Oberschwingung nicht (keine geraden Vielfachen in der Fourier-Zerlegung). Deshalb wird das Rechtecksignal differenziert und die so z. B. aus den steigenden Flanken gewonnenen Nadelimpulse stoßen eine einzelne Kippschwingung mit einer Dauer an, bei der die zehnte Oberschwingung in ausreichender Größe zur Verfügung steht.

Die Zeitpunkte der Vorderflanke werden also von der hochgenauen Frequenz abgeleitet, während die Zeitpunkte der Rückflanke wegen der grundsätzlich geringeren Genauigkeit von Kippschwingungen nur als hinreichend gute Schätzung betrachtet werden können. Die Schätzung wäre nicht hinreichend, wenn die Vorderflanken und die Rückflanken des begrenzten Signals durch einen vor der Begrenzung überlagerten Gleichanteil so manipuliert würden, dass die zehnte Oberschwingung im begrenzten Signal enthalten ist.

Frequenzteilung Bearbeiten

Bis zur Einführung des Farbfernsehens wurde im Taktgeber eine quarzstabile Mutterfrequenz von 31250 Hz mit einer Genauigkeit von 10-4</sub> erzeugt, die zur Gewinnung der Zeilenimpulse durch den Faktor 625 zu teilen war. Ein binärer Teiler hätte für die Speicherung des Zählstandes 20 Elektronenröhren bzw. später bipolare Transistoren erfordert. Dieser technische Aufwand wurde durch die Verwendung monostabiler Kippschaltungen wesentlich vermindert.

Ähnlich, wie bei der Frequenzvervielfachung werden von den Flanken Nadelimpulse abgeleitet, die eine Kippschwingung anstoßen. Diese ist in diesem Fall jedoch so lang, dass sie zusammen mit einer gewissen Relaxationszeit[2] mindestens vier Nadelimpulse, aber weniger als fünf überdeckt. Als Relaxationszeit wird jene Zeitspanne bezeichnet, in der die Schaltung auf Impulse noch nicht reagiert, obwohl die Kippschwingung den Ruhezustand bereits erreicht hat.

Auf ähnliche Weise wurden auch wichtige Zeitdauern für das Fernsehsignal gewonnen (Zeiten der Vortrabanten, der Hauptimpulse und der Nachtrabanten). Diese Technologie wurde auch beim SECAM-Verfahren verwendet, um die zeitliche Begrenzung der neun Identifikationsimpulse zu gewinnen.

Frequenzerzeugung Bearbeiten

Einstimmige Kinderspielzeuge nach Art eines Tasteninstruments erzeugen oberschwingungsreiche Töne mittels eines astabilen Multivibrators.

Der Frequenzmodulator für das SECAM-Farbartsignal ist oft vorteilhaft als gesteuerter, astabiler Multivibrator ausgeführt.

Ablenkschaltung bei Fernsehgeräten Bearbeiten

Bei frühen Fernsehgerären werden die Ablenksignale mit Hilfe einer Kippschaltung unmittelbar von dem vorausgehenden Zeilenimpuls bzw. Bildimpuls ausgelöst. Der Bildinhalt hat einen starken Einfluss auf die Erkennung insbesondere des Zeilenimpulses. Deshalb treten am oberen Bildrand und bei vertikalen Sprüngen des Bildinhalts Abweichungen auf, die als Verformung senkrechter Linien auf dem Bildschirm sichtbar werden.

Dieser Mangel wurde durch die Einführung eines Sinusgenerators vermindert: Seine Phasenlage wird nicht mehr durch einen einzelnen Impuls sondern durch den Mittelwert über die Lage der vorhergehenden Impulse bestimmt. Daraus eribt sich ein träges Verhalten des Empfängers (Einschwingverhalten), das auf der Studioseite berücksichtigt werden muss. Für die Studiotechnologie bedeutete das, dass der Sprecher zwischen den Umschaltungen zwischen örtlich unterschiedlichen Bildquellen eine Zeit überbrücken musste, in der sich der Taktgeber des Studios auf den Taktgeber der neuen Quelle einläuft. Zur Verkürzung der Zeitspanne für den vertikalen Einlauf wurden Zeilen eingefügt oder ausgelassen.

Man kann in beiden Fällen nur sehr bedingt davon sprechen, dass die Signale periodisch sind, obwohl die Mutterfrequenz (ggf. außerhalb der Einlaufzeit) mit sehr guter Näherung als im mathematischen Sinn periodisch angenommen werden kann.

Ablenkschaltung bei Oszillografen Bearbeiten

Diese Ablenkschaltung hat unterschiedliche Betriebsarten, sie kann selbstschwingend oder synchronisiert betrieben werden. Im Fall der Zeilenlupe wird das die Kippschwingung auslösende Signal mit größerem Aufwand gewonnen, damit der Signalverlauf einer ganz bestimmte einzelnen Zeile oder eines Teils davon untersucht werden kann.

Wagnerscher Hammer Bearbeiten

Die Ruhelage ist durch die den Anker tragende Feder bestimmt, die schwächere Kontaktfeder hat nur geringen Einfluss.

Nach dem Einschalten baut sich etwas verzögert ein magnetisches Feld auf, denn die Magnetspulen haben eine Induktivität. Der durch die Spulen fließende Strom bewirkt eine Kraft, die den Anker als Teil eines Feder-Masse-Systems in Richtung des Spulenkerns beschleunigt. Dieser Teil der Bewegung entspricht dem Signalverlauf einer Schwingung. Dabei wird die Kontaktfeder zunehmend entspannt und unterbricht den Stromkreis mit gewisser Verzögerung. Aufgrund der gespeicherten Energie (Schwung) setzt der Anker die Bewegung fort und schlägt gegen den Kern oder mit dem Klöppel gegen eine Glocke. Damit wird der der Schwingung entsprechende Signalverlauf abgebrochen. Weil sich aber der Anker nun nicht in der Ruhelage befindet, beginnt ein freier Schwingungsvorgang vom Kern weg, bei dem die Kontaktfeder den Stromkreis wieder schließt. Diesmal ist der Schwung vom Kern weg gerichtet, und die Kontaktfeder wird stärker durchgebogen, als es in der Ruhelage der Fall ist. Durch die Kraftwirkung des einsetzenden Stromes wird diese Bewegung abgebremst und umgekehrt. Es entsteht eine Reihe von Kippschwingungen, deren Frequenz von der Betriebsspannung stark beeinflusst ist.

Es gibt für die Betriebsspannung eine untere Grenze, bei der die Kraft des Elektromagneten gerade ausreicht, um die Kontaktfeder zu entspannen, aber nicht mehr ausreicht, um den Strom zu unterbrechen. Bei geringfügig höherer Spannung wird der Strom zwar unterbrochen, aber der Anker schlägt nicht an und führt deshalb ähnlich einer mechanischen Uhr immer wieder angestoßene, freie Schwingungen aus, deren Frequenz vorwiegend vom Feder-Masse-System bestimmt ist. Es handelt sich dabei um Kippschwingungen, die vom Feder-Masse-System gesteuert und gefiltert werden.

Mechanische Uhr Bearbeiten

Im strengen Sinne vollführt auch die mechanische Uhr Kippschwingungen. Diese werden von dem schwingungsfähigen System (Pendel, Unruh) gefiltert und können in der Regel vernachlässigt werden. Die Kippschwingungen erklären aber die gewisse Abhängigkeit der Frequenz vom Grad des Aufziehens der Antriebsfeder.

Schwingungen, harmonische Schwingungen und Kippschwingungen Bearbeiten

Die Schwingung ist ein Oberbegriff für jede beobachtbare, insbesondere sich wiederholende Veränderung einer physikalischen Größe.

Harmonische Schwingungen werden mit der ständigen Umwandlung zwischen zwei Energieformen verbunden und mathematisch durch eine Differentialgleichung 2. Ordnung beschrieben. Zur Erzeugung kontinuierlicher harmonischer Schwingungen wird das schwingungsfähige System der mechanischen Uhr vom Gangrad immer wieder leicht angestoßen. Im Modell der Schwingungserzeugung mit Hilfe eines rückgekoppelten Verstärkers wird davon ausgegangen, dass die Verstärkung gerade ausreicht, um die Verluste auszugleichen.

Die Vorstellung des Wechsels zwischen Energieformen ist in einem solchen Maße prägend, dass auch von Kippschwingungen behauptet wird: „Sie treten dann auf, wenn zwischen der Speicherung der potentiellen Energie und ihrer Umsetzung in kinetische Energie eine gewisse Relaxationszeit liegt.“[2] Die konkreten Vorgänge z. B. innerhalb eines logischen Gatters sind jedoch unerheblich. Es wird eine hinreichend große Verstärkung im Bereich des Schwellwertes benötigt. Die Verzögerung ist nicht an eine Relaxation gebunden, es genügt z. B. eine Verzögerung über eine lange Leitung (z. B. auch eine Verbindung über Nachrichtensatelliten). Das bedeutet, dass auch ein „exponentieller Anstieg und Abfall“[1] nicht das bestimmende Merkmal einer Kippschwingung ist. Beide Erscheinungen sind allerdings in vielen Fällen beteiligt und haben deshalb Einfluss auf die Versuche einer Definition.

Quellen und Anmerkungen Bearbeiten

  1. 1,0 1,1  HANDBUCH FÜR HOCHFREQUENZ- UND ELEKTRO-TECHNIKER, V. BAND, Fachwörterbuch mit Definitionen und Abbildungen. VERLAG FÜR RADIO-FOTO-KINOTECHNIK GMBH, Berlin-Borsigwalde 1957/1970. Seite 386:
    Kippschwingung f (Imp) ist eine periodische Schwingung, die aus einem exponentiellen Anstieg und Abfall hervorgeht und in verschiedenen Formen als Dreieck-, Sägezahn- und Trapezschwingung auftreten kann. Sie wird mit einem RC-Glied durch Anlegen einer Gleichspannung von Impulsgeneratoren oder passiven Kippgeneratoren erzeugt. Unter K. versteht man überwiegend eine Sägezahn- oder Sägezahnkippschwingung als Zeitablenkspannung (-strom), die den Ablenkplatten (-spulen) einer Braunschen Röhre zugeführt wird. ...
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3  Brockhaus abc Physik. VEB F. A. Brockhaus Verlag, Leipzig 1973. Seite 764:
    Kippschwingung, Relaxationsschwingung, gelegentlich auch Sägezahnschwingung, Schwingung mit sägezahnförmigen Verlauf. Im Idealfall zeigen die K.gen einen linearen Anstieg mit der Zeit und plötzlichen Abfall der veränderlichen Größe (Abb.). K.en sind von einer ständigen Energiezufuhr abhängig. Sie treten dann auf, wenn zwischen der Speicherung der potentiellen Energie und ihrer Umsetzung in kinetische Energie eine gewisse Relaxationszeit liegt. Mechanisches Beispiel einer K. ist das Knarren von einer Tür. K.en werden in der Technik vielseitig angewandt, z. B. zur Zeitablenkung des Elektronenstrahls im Oszillographen und in der Bildröhre des Fernsehempfängers.
    Seite 1304:
    Relaxation, Relaxationsprozeß, Nachwirkungserscheinung, Prozeß der Reaktion eines Systems auf äußere Einwirkungen, bei denen die Reaktion gegenüber der der Wirkung verzögert eintritt. Handelt es sich bei der äußeren Einwirkung um eine einmalige Störung des Systems, so kehrt das System nach einer bestimmten Zeit wieder in seinen alten Gleichgewichtszustand zurück. ...
  3.  HANDBUCH FÜR HOCHFREQUENZ- UND ELEKTRO-TECHNIKER, V. BAND, Fachwörterbuch mit Definitionen und Abbildungen. VERLAG FÜR RADIO-FOTO-KINOTECHNIK GMBH, Berlin-Borsigwalde 1957/1970.
    Relaxation f (Werkst) Bei plastischen Materialien wird die durch Anlegen einer äußeren mechanischen Spannung Spannung hervorgerufene Gegenspannung im Material mit der Zeit immer kleiner, weil ein Platzwechsel der Moleküle eintritt. Diese Erscheinung heißt R. Die Zeitspanne, innerhalb der die innere Gegenspannung auf einen bestimmten Bruchteil der Anfangsspannung abgesunken ist, heißt R.-Zeit. Ähnlich wie mechanische Spannungen führen auch elektrische Felder zu Spannungszuständen, d.h. zu Veränderungen der elektrischen Ladungen, die ebenfalls durch eine R.-Zeit gekennzeichnet sind. Da die R. temperaturabhängig ist, hat man die Möglichkeit, den R.-Vorgang in seiner Substanz in weiten Grenzen zu verändern. Hieraus ergeben sich Möglichkeiten zum meßtechnischen Erfassen der R.
  4. http://vorsam-server.physik.uni-ulm.de/Versuche/EM/html/EM038V00.htm


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