Gütefaktor

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Der Gütefaktor, auch Güte, Kreisgüte, Filtergüte, Schwingkreisgüte, Resonanzschärfe oder Q-Faktor genannt, ist in der Technik ein Maß für die Dämpfung bzw. den Energieverlust eines zu Schwingungen fähigen Systems (z. B. eines Schwingkreises).[1] Eine hohe Güte eines Systems besagt, dass das System schwach gedämpft ist.

In einer zweiten Bedeutung ist der Gütefaktor ein Kennzeichen für den Energieverlust eines zweipoligen elektrischen Bauelementes oder Netzwerks.[2]

Der Kehrwert des Gütefaktors heißt in beiden Bedeutungen Verlustfaktor.[3]

Elektrischer Schwingkreis[Bearbeiten]

Hauptartikel: Schwingkreis

Definition[Bearbeiten]

Der Gütefaktor Q eines Resonanzkreises bei einer gegebenen Frequenz wird definiert als

Q=2\pi\ \frac WV

mit

W=\text{gespeicherte Energie zu Beginn einer Schwingungsperiode}
V=\text{Energie, die innerhalb dieser Periode in thermische Energie übergeht}.[1]

Ein Gütefaktor von 0,5 (oder ein Dämpfungsgrad von 1 oder ein Verlustfaktor von 2) entspricht dem aperiodischen Grenzfall, bei dem es gerade keine Schwingung mehr gibt. Eine hohe Güte erfordert also ein Q deutlich über 0,5.

Reihenschaltung[Bearbeiten]

In einem Reihenschwingkreis werden ein elektrischer Widerstand R, eine Spule der Induktivität L und ein Kondensator der Kapazität C von demselben sinusförmigen Strom i mit dem Effektivwert I und der Amplitude \hat \imath=\sqrt2\;I durchflossen. Die Resonanzfrequenz des idealen Schwingkreises und des realen Reihenschwingkreises beträgt

f_0 =\frac{\omega_0}{2\pi}=\frac1{2\pi}\ \frac1{\sqrt{LC}}

mit der Resonanzkreisfrequenz \omega_0. Die Periodendauer beträgt 1/f_0. Eingesetzt in die Definition von Q ergibt sich

W=\frac12 L\;\hat\imath^2
V=I^2\;R\cdot \frac1{f_0}
Q=2\pi\ \frac{L\,f_0}R =\frac1R\;\sqrt{\,\frac LC\,}

Die Differenzialgleichung des Reihenschwingkreises lautet (siehe Hauptartikel)

LC\cdot\frac{\mathrm d^2i}{\mathrm dt^2}+ RC\cdot\frac{\mathrm di}{\mathrm dt}+ \cdot i=0 \qquad\text{oder allgemein}\qquad \frac{\mathrm d^2i}{\mathrm dt^2}+2D\omega_0\cdot\frac{\mathrm di}{\mathrm dt}+\omega_0^2\cdot i=0

mit dem Dämpfungsgrad D. Nach Division durch LC führt ein Koeffizientenvergleich auf

\frac RL=2D\omega_0 \quad ;\qquad \frac1{LC}=\omega_0^2,

und man kommt auf eine Beziehung zwischen Dämpfungsgrad und Gütefaktor

2D=\frac R{L\omega_0}=\frac1Q.

Parallelschaltung[Bearbeiten]

Parallelschwingkreis

In Analogie dazu liegt in einem Parallelschwingkreis an R, L, C dieselbe sinusförmige Spannung u an. Beim realen Parallelschwingkreis liegt die Resonanzfrequenz f_r geringfügig niedriger als f_0. Für die Berechnung der thermische Energie, die in der Periodendauer abgegeben wird, kann der Unterschied unbeachtet bleiben.[4]

W=\frac12 C\;\hat u^2
V=\frac{U^2}R\cdot \frac1{f_0}
Q=2\pi\ C\,R\,f_0 =R\;\sqrt{\,\frac CL\,}

Bandbreite[Bearbeiten]

Resonanzkurve bei einer logarithmischen Auftragung der Amplitude über der Erregerfrequenz

Der Gütefaktor eines Resonanzkreises ist ein Maß für die Schärfe der Resonanz.[1] Diese drückt man aus durch die Bandbreite[4]

B =f_2-f_1= \frac{f_0}Q .

Die obere Grenzfrequenz f_2 und die untere Grenzfrequenz f_1 sind diejenigen Frequenzen, bei denen die Spannung \hat u bzw. der Strom \hat\imath auf den \frac1{\sqrt2} \approx 0{,}707-fachen Wert des Maximalwertes zurückgehen. An dieser Stelle ist die Leistung im Schwingkreis nur noch halb so groß wie bei der Resonanzfrequenz des verlustlosen Schwingkreises. Bei Darstellung des Pegels in Abhängigkeit von der Frequenz ist die Bandbreite gleich dem Frequenzbereich, an dessen Grenzen die Leistungswurzelgröße um 3 dB abnimmt. Die Grenzfrequenzen können berechnet werden aus

f_1 = \frac{ \sqrt{R^2 + 4\frac LC} - R}{4 \pi L}   und   f_2 = \frac{\sqrt{R^2 + 4\frac LC} + R}{4 \pi L}.

Sie sind mit der Resonanzfrequenz des idealen Schwingkreises verbunden durch

f_0 = \sqrt{f_1\,f_2}.

Mechanischer Schwingkreis[Bearbeiten]

In der Mechanik geht man bei einem Federpendel (Masse-Feder-System) aus von den Differenzialgleichungen

m \ddot x + d \dot x + k x = 0 \qquad\text{oder}\qquad \ddot x + 2 D\omega_0 \dot x + \omega_0^2 x = 0.

mit der Auslenkung x aus der Ruhelage, der Masse m, der vorzugsweise durch Reibung bestimmten Dämpfungskonstanten d, der Federkonstanten k, dem Dämpfungsgrad D und der Eigenkreisfrequenz \omega_0= \sqrt{k/m} des ungedämpften Systems.

Dieselbe Definition des Gütefaktors wie beim elektrischen Schwingkreis führt auf [5][6]

Q = \omega_d\;\frac md \approx \frac{\sqrt{m\cdot k}}d =\frac1{2D}

mit der gegenüber \omega_0 leicht verminderten Eigenkreisfrequenz des schwach gedämpften Systems

\omega_d= \sqrt{\frac km -\frac{d^2}{4m^2}}=\omega_0\sqrt{1-D^2}

Elektrisches Bauelement[Bearbeiten]

Der Gütefaktor Q eines linearen abstrahlungsfreien zweipoligen Netzwerkelementes oder Netzwerkes bei sinusförmigen Vorgängen wird definiert als das Verhältnis der Beträge von Blindleistung P_B und Wirkleistung P_W oder gleichwertig als das Verhältnis der Beträge von Blindwiderstand X und Wirkwiderstand R.[2]

Q= \frac{|P_B|}{P_W}= \frac{|X|}R .

Der Gütefaktor ist ein Maß für – gewöhnlich unerwünschte – Verluste, insbesondere in einem Kondensator oder einer Spule.[2] Beispielsweise ist die Spulengüte

Q_L= \frac{2\pi f\,L}R .

Diese Gleichung ähnlich der entsprechenden Gleichung beim Reihenschwingkreis, gilt aber für beliebige Frequenz f und nicht bei einer (gar nicht vorhandenen) Resonanzfrequenz f_0. Eine hohe Spulengüte ist erforderlich, wenn in einem Schwingkreis eine geringe Bandbreite angestrebt wird.

Der Gütefaktor ist bei Netzwerk(element)en zugleich der Kotangens des Verlustwinkels.[7]

Beispiele[Bearbeiten]

In der folgenden Tabelle sind einige Größenordnungen von Gütefaktoren bei verschiedenen schwingenden Systemen angegeben.

System Gütefaktor Q
Aperiodischer Grenzfall 0{,}5
Elektrodynamischer Lautsprecher typ. 0{,}2 \, \ldots \, 1{,}2
Elektrischer Schwingkreis 10^2
Pendeluhr 10^4
Schwingungstilger 10^5
Schwingquarz 10 MHz (3 \,\ldots \, 10) \cdot 10^5
Frequenzstabilisierter Laser 10^9
Supraleitender Hohlraumresonator 10^9 \, \ldots \, 10^{11}
Cäsium-Atomuhr 10^{13}
Mößbauer-Effekt bei Gammastrahlung 10^{15}

Weblinks[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  •  Bernd Girod, Rudolf Rabenstein, Alexander Stenger: Einführung in die Systemtheorie. 4. Auflage. Teubner, Wiesbaden 2007, ISBN 978-3-8351-0176-0.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b c IEC 60050, siehe DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE: Internationales Elektrotechnisches Wörterbuch – IEV, Eintrag 151-15-46
  2. a b c IEV, Eintrag 151-15-45
  3. IEV, Eintrag 151-15-47
  4. a b Erwin Böhmer, Dietmar Ehrhardt, Wolfgang Oberschelp: Elemente der angewandten Elektronik: Kompendium für Ausbildung und Beruf. Vieweg+Teubner, 16. Auflage, 2010, S. 69
  5. Dieter Meschede (Hrsg.), Christian Gerthsen: Gerthsen Physik. Springer; 21. Auflage, 2013, S. 150f
  6. Alan M. Portis, Hugh D. Young: Physik im Experiment. Vieweg, 1978, S. 34
  7. IEV, Eintrag 151-15-48