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Spulenanordnung mit zwei gegeneinander beweglich angeordneten Wicklungsteilen.
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Spulenanordnung mit mindestens zwei gegeneinander beweglich angeordneten Wicklungsteilen zur Änderung der zwischen zwei Anschlusspunkte liegenden
Induktivität, die besonders zur Verwendung als Abstimmungselement in den Resonanzkreisen eines
Hochfrequenzgerätes geeignet ist.
In Hochfrequenzgeräten ist es erwünscht, die Resonanzwiderstände der Kreise bei der Abstim- mung über den gesamten Frequenzbereich recht hoch zu halten, damit bei allen Einstellungen eine grosse Verstärkung erzielt werden kann. Wenn man einen Kondensator als veränderliches Abstimm- element in einem Schwingungskreis verwendet, so wird seine Kapazität bei den tieferen Frequenzen des Abstimmbereiches so gross, dass das L/C-Verhältnis im Kreise und der Resonanzwiderstand'des Kreises recht klein werden, so dass die Verstärkung bei diesen Frequenzen in unerwünschter Weise verringert wird. Wenn man jedoch feste Kondensatoren und veränderliche Induktivitäten in den Reso- nanzkreisen verwendet, ergibt sich ein hoher Resonanzwiderstand innerhalb des gesamten Abstimm- bereiches.
Gegen die Brauchbarkeit der bisher bekannten einstellbaren Induktivitätsspulen können ver- schiedene Einwände erhoben werden. Es handelt sich dabei gewöhnlich um solche, die eine feste Wick- lung und einen gegenüber dieser Wicklung beweglichen Schirm enthalten, oder um solche, die zwei gegeneinander bewegliche Spulen aufweisen. Beide Arten besitzen gewöhnlich nur kleine Induktivität-
Variationsbereiche, und die Art mit dem beweglichen Schirm weist ausserdem eine verhältnismässig hohe Dämpfung auf. Bei einem einstellbaren Reaktanzelement, das zur Abstimmung über einen weiten
Frequenzbereich, z. B. das Rundfunkband, verwendet werden soll, muss ein Variationsbereioh der
Induktivität von ungefähr 9 : 1 gefordert werden.
Die bekannten derartigen Induktivitätselemente der Variometertype weisen daher einen sehr geringen Abstand zwischen den beiden Spulen auf, w8I ! grosse Kapazitäten zwischen den Spulen bedingt, die mit der Bewegung der Spulen mitverändert werden und den Abstimmungsbereich einengen. Ferner waren die früher angegebenen Induktivität- elemente der Variometertype verhältnismässig kompliziert und mechanisch nicht einwandfrei.
Die Erfindung hat das Ziel, ein veränderliches Induktivitätselement zu schaffen, dessen Induk- tivität innerhalb eines weiteren Bereiches eingestellt werden kann, als dies bei den bekannten derartigen
Elementen möglich war. Ausserdem soll das Element einfach sein, gedrungenen Aufbau besitzen und leicht und reproduzierbar eingestellt werden können.
Es ist bereits eine Spulenanordnung mit zwei gegeneinander beweglich angeordneten zylin- 'drischen Wicklungssteilen zur Induktivitätsänderung bekannt geworden, bei welcher bei Zuführung eines Stromes an den beiden Anschlusspunkten der Induktivität jeder der Wicklungsteile allein ein magnetisches Feld erzeugen soll, welches dem durch den anderen Wicklungsteil erzeugten"Fetd in
Gestalt und Stärke praktisch gleicht, jedoch die entgegengesetzte Richtung hat. Dabei wurde ange- nommen, dass die Identität der beiden zusammenwirkenden Felder auch bei verschiedenen mittleren
Spulendurchmesser schon ausreichend ist, um den angestrebten Effekt zu ergeben. Demgemäss sind bei dieser bekannten Anordnung keine besonderen Massnahmen getroffen, um die bisher erzielbare
Identität der beiden erzeugten Felder noch weiter zu verbessern.
Letzteres ist erst bei der Anordnung nach der Erfindung der Fall, welche von der eben angeführten
Art ist, aber ausserdem noch das Kennzeichen aufweist, dass der eine Wicklungsteil aus zwei koaxial
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zueinander angeordneten und nicht gegeneinander beweglichen Zylinderspulen besteht, während der andere Wicklungsteil den gleichen mittleren Windungsdurchmesser wie die Anordnung der beiden zum erstgenanuten Wieklungsteil gehörenden Zyinderspulen besitzt und in deren Zwischenraum axial verschiebbar angeordnet ist.
Bei den praktischen Ausführungsformen der Erfindung ist es vorteilhaft, diese Bewegung zwischen zwei Lagen zu begrenzen, wobei in der einen Lage die beiden zugehörigen magnetischen Felder nicht mehr wesentlich ineinandergreifen, während in der anderen Lage die beiden Fe : der praktisch zur Koinzidenz gebracht sind. Auf diese Weise wird in der erstgenannten Lage die Summe der einzelnen Induktivitäten der Wicklungen als Gesamtinduktivität vorhanden sein, während in der zweiten Lage die Felder sich gegenseitig auslöschen, so dass praktisch nur eine sehr geringe Gesamtinduktivität übrig bleibt.
Bei einer erprobten Ausführungsform der Erfindung sind drei Spulen einzeln auf je einem zugehörigen Spulenkörper angeordnet, wobei die einzelnen Spulenkörper koaxial zueinander liegen. Die Spulenkörper sind so angeordnet, dass sie sich teleskopartig ineinander bewegen lassen, u. zw. der eine in den Zwischenraum zwischen den beiden andern hinein. Die Spulen sind dabei so bemessen, dass die beiden Spulen auf dem äusseren und inneren Körper zusammen den einen Wicklungsteil und die Spule auf dem mittleren Körper den anderen Wicklungsteil entsprechend der Erfindung darstellen, wobei der eine Wick'ungsteil a'so aus zwei nicht gegeneinander beweg ichen Spulen besteht, die zusammen das erste magnetische Feld erzeugen, während die Zwischenspule, die den andern Wiek'ungs- teil darstellt, das zweite Feld erzeugt.
Durch eine sichere Führung wird ein stets gleichartiges Zusammenwirken der beweg'ichen und der festen Spulen gewährleistet, und die Drehbewegung am Steuerelement wird auf die bewegliche Zwischenspule so übertragen, dass gleich grosse Verstellungen des Steuerelementes auf dem gesamten Einstellbereich verschieden grosse Verstellungen der Zwischenspule gegenüber der äusseren und inneren Spu e bewirken. Auf diese Weise wird die Anordnung zum Gebrauch a s Abstimmungse : ement besonders geeignet, weil die Verhältnisse so gewäh. t werden können, dass g eich grosse Verstellungen des Einstellorgans jeweils gleiche Veränderungen der Resonanzfrequenz des Kreises hervorrufen.
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die beiden Spulen 10 und 11 gemeinschaft ich erzeugt wird, im wesent ichen von derselben Form und Intensität ist, wie das von der Spu e 12 erzeugte Fe, d.
Ausserdem soll auch der Durchmesser des Drahtes der Spu'en ? und 11 im Verhä. tnis zum mittleren Durchmesser der Spu'en kein sein.
In der Anordnung der Fig. l ist die Spu e 12 in entgegengesetztem Sinne zu den Spulen 10 und 11 gewickelt, so dass auch die Richtungen der beiden Felder entgegengesetzt sind. Die Spulen 10 und 11 sind einander para lel gescha tet und die Spule 12 liegt zu der Para lelscha tung in Serie. Die drei Spulen sind so bemessen, dass sie im wesent ichen gleich grosse Induktivitäten haben, so dass sich der Strom durch die Spu'e 12 g eichmässig auf die Spulen 10 und 11 vertei t. Wie in Fig. 2 gezeigt, erzeugen die Spu en 10 und 11 zusammen ein erstes magnetisches Fe d von vorbestimmter Form, Intensität und Richtung, während die Spule 28 ein zweites magnetisches Fed von im wesent. ichen derse ben Form und Intensität, jedoch von entgegengesetzter Richtung erzeugt.
Die Spule 12 ist axial in bezug auf die Spulen 10 und 11 beweg ich, ausgehend von einer ersten Stellung ausserhalb dieser Spulen, in welcher die beiden Felder im wesentlichen nicht ineinandergreifen, bis zu einer zweiten Stellung, bei welcher die Spule 12 sich teleskopartig zwischen die Spulen 10 und 11 einschiebt, in welcher die beiden Felder im wesentlichen koinzidieren.
Die Gesamtinduktivität dieser Anordnung zwischen den beiden Anschlusspunkten kann nach folgender Formel bestimmt werden :
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worin L die Gesamtinduktivität der Einheit bedeutet ; L1, L2 und Ls sind die Selbstinduktivitäten der Spulen 10, 11 und 12 ; M1 ist die Gegeninduktivität zwischen den Spulen 10 und 11, und M2 ist die Gegeninduktivität zwischen dem Spulenpaar 10 und 11 und der Spule 12.
Die Bemessung der einzelnen Elemente soll so erfolgen, dass der Maximalwert von 2M2 sich so nahe wie möglich dem Ausdruck annähert :
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Es ist daraus zu ersehen, dass fast keine gegenseitige Induktivität zwischen der Spule 12 und den Spulen 10 und 11 vorhanden ist, wenn die Spule 12 sich in der Stellung befindet, in welcher die beiden Felder sich gegenseitig aufheben ; der Wert von Ms ist annähernd Null. Daher hat in dieser Stellung die Gesamtinduktivität der Anordnung ein Maximum. Umgekehrt ist in der erwähnten andern Endstellung der Spule 12, wo beide Felder im wesentlichen koinzidieren, die Gegeninduktivität
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Es ist hervorzuheben, dass bei der Anordnung der Fig. 1 das gegen Erde Spannung führende Ende der Spule 12 den gegenüber Erde gleichfalls Spannung führenden Enden der Spulen 10 und 11 benachbart ist, wenn die Spule 12 innerhalb der beiden anderen Spulen liegt. Durch diese Anordnung sind die Potentialdifferenzen benachbarter Teile der Spule 12 und der beiden andern Spulen verhältnismässig klein für alle Einstellungen und die Veränderung der Kapazität zwischen den Spulen hat nur einen geringen Einfluss auf die Wirkungsweise der Anordnung. Es muss dafür Sorge getragen werden, dass die Verlustwinkel und Impedanzen der Spulen 10 und 11 im wesentlichen für den gesamten Frequenzbereich gleich sind, so dass durch die beiden Spulen bei allen Frequenzen gleiche Ströme fliessen.
In Fig. 3 ist eine abgeänderte Ausführungsform der Erfindung gezeigt, welche mit der nach Fig. 1 identisch ist, ausser, dass alle drei Spulen gleichsinnig gewickelt sind, und dass der Richtungsunterschied der Felder durch umgekehrte Verbindungen erhalten wird. Wenn auch für manche Zwecke befriedigende Resultate mit dieser Anordnung erzielt werden können, so ist doch darauf hinzuweisen, dass sich bei vollständig ineinandergeschobenen Spulen das geerdet zu denkende Ende der Spule 12 gegenüber den gegenüber Erde Spannung führenden Enden der andern Spulen befindet, so dass die Kapazität zwischen den gegeneinander beweglichen Wicklungsteilen von grösserem Einfluss ist als in der Ausführungsform nach Fig. 1.
In den Fig. 4 und 5 sind zwei weitere abgeänderte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, welche den Ausführungsformen der Fig. l und 3 gleich sind, ausser dass alle drei Spulen in Reihe geschaltet sind und dass die Spulen dementsprechend anders dimensioniert sind. In Fig. 4 wird der Richtungunterschied der Felder wie in Fig. 1 durch entgegengesetzte Wick'ung gegenüber den Spulen 10 und 11 erhalten. In Fig. 5 wird der Richtungsunterschied wieder wie in Fig. 3 durch Vertauschen der Ansch. üsse der Spule 12 hergestellt.
In den Ausführungsformen beider Fig. 4 und 5 entspricht, weil alle Spulen in Serie geschaltet sind, die Gesamtinduktivität dem Ausdruck :
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In den Ausführungsformen der Fig. 4 und 5 sind ebenfalls die Induktivitäten jeder der Spulen 10 und 11 einander gleich ; weil jedoch die Summe der Induktivitäten der Spulen Ll+Ls+2M1 aI1Ilähernd gleich 4Li ist, hat die Gesamtinduktivität der Anordnung den Wert 4Ll +Ls-2Mz. Es ist daher notwendig, dass die Induktivität der Spu'e 12 annähernd viermal so gross ist wie die jeder einzelnen Spule 10 und 11, damit die Gesamtinduktivität auf nahezu Null reduziert werden kann, wenn die beiden Felder koinzidieren bzw. M seinen grössten Wert erreicht hat.
In Fig. 6 ist noch eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Darin sind alle drei Spulen einander parallel geschaltet und die Spule 12 ist in entgegengesetztem Sinne zu den Wicklungen 10 und 11 gewickelt, um den notwendigen Richtungsunterschied zwischen den beiden Feldern zu erha : ten. In diesem Falle hat die Spule 12 eine Selbstinduktivität nahezu gleich der jeder Spule 10 und 11, damit die Gesamtinduktivität von ihrem Maximalwert bis zu einem Minimalwert nahe bei Null verändert werden kann.
Die Induktivität der Anordnung nach Fig. 6 kann durch die Formel bestimmt werden :
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und für die maximale Gesamtinduktivität, wobei M2 gleich Null ist, die folgende Gleichung :
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Diese Ausführungsform hat den besonderen Vorteil, dass die Wirkung der Kapazität zwischen 'den Wicklungsteilen auf ein Minimum reduziert wird, weil kein Potentialunterschied zwischen benach- barten'Teilen der Spulen vorhanden ist.
In Fig. 7 ist eine mechanische Konstruktion für eine Anordnung nach der Erfindung dargestellt.
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Durchmesser, der zwischen den Durchmessern der Körper 13 und 14 liegt, und kann teleskopartig dazwischen eingeschoben werden. Ein Endstück 17 ist mit dem von der Grundplatte 16 entfernten Ende des Körpers 15 verbunden und mit Führungsdurchlässen 18 und 19 versehen. Ferner ist ein fester Träger 20 mit Bohrungen 21 und 22 vorgesehen, die den Bohrungen 18 und 19 in dem Endstück 17 entsprechen. Ein Führungsstab 23 ist in der Bohrung 21 parallel zur gemeinsamen Achse der Spulenkörper befestigt und erstreckt sich durch die Durchlassöffnung 18, um eine Drehung des Körpers 15 zu verhindern, jedoch seine axialen Bewegungen zu führen.
Ein Schaft 24 erstreckt sich durch die Bohrung 22 und den Durchlass 19 und ist mit einem Knopf 25 und ringförmigen Wulsten 26 versehen, um seine Bewegung in der Längsrichtung zu verhindern. Ein Sehraubengewindegang 27 von allmählich zunehmender Steigung ist in dem Schaft 24 ausgebildet ; in diesen Gang greift der Stift 28 des Endstückes Jfy ein. Diese Anordnung ermöglicht eine ungleichmässige Bewegungsübertragung zwischen dem Knopf 25 und der Zwischenspule. Die Spulen 10, 11 und 12 sind entsprechend den Ausführungsformen der Fig. 1, 3,4, 5 oder 6 ausgebildet und geschaltet.
Zur Einstellung der Anordnung nach Fig. 7 wird der Knopf 25 und damit der Schaft 24 gedreht und infolge des Eingriffes des Stiftes 28 im Schraubengewindegang 27 wird der Körper 15 axial gegen- über den Körpern 13 und 14 bewegt. Die Begrenzungen der Bewegung des Körpers 15 sind durch seine innerste Stellung, in welcher die durch die Wicklungen entwickelten Felder im wesentlichen koinzidieren, und seine äusserste Stellung festgelegt, in welcher die magnetischen Felder nicht mehr ineinandergreifen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Spulenanordnung mit zwei gegeneinander beweglich angeordneten zylindrischen Wicklungsteilen zur Änderung der zwischen zwei Anschlusspunkten liegenden Induktivität, bei welcher bei Zuführung eines Stromes an den beiden Anschlusspunkten jeder der genannten Wicklungsteile allein ein magnetisches Feld erzeugen soll, welches dem durch den anderen Wicklungsteil erzeugten Feld in Gestalt und Stärke praktisch gleicht, jedoch die entgegengesetzte Richtung hat, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Wicklungsteil aus zwei koaxial zueinander angeordneten und nicht gegeneinander beweglichen Zylinderspulen besteht, während der andere Wicklungsteil, den gleichen mittleren Windungsdurchmesser wie die Anordnung der beiden zum erstgenannten Wicklungsteil gehörenden Zylinderspulen besitzt und in deren Zwischenraum axial verschiebbar angeordnet ist.