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Hochfrequenz-Magnetvariometer Die Erfindung bezieht sich auf ein Magnetvariometer
für Hochfrequenzabstimmzwecke. Hierbei handelt es sich um durch Vormagnetisierung
steuerbare Eisenkerndrosselspulen, die im allgemeinen eine Arbeitswicklung aufweisen,
in der ein Wechselstrom fließt, und eine Steuerwicklung, in der ein Vormagnetisierungsstrom
fließt, insbesondere ein Gleichstrom. Durch diesen wird der Arbeitsstrom auf dem
Wege über eine Veränderung der Permeabilität des Eisenkernes gesteuert. Ein Variometer
kann außerdem mit weiteren Wicklungen versehen sein, z. B. Hilfsvormagnetisierungswicklungen,
sowie mit Übertrager-oder Kopplungswicklungen zur induktiven Einspeisung des Arbeitswechselstromes.
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Die jüngste Entwicklung bei Magnetvariömetern, wie sie sowohl das
in- als auch das ausländische Schrifttum wiederspiegelt, hat zu einer bisher als
günstigste bezeichneten Bauform geführt, bei der je ein Kern für Magnetisierungs-
und Arbeitswicklung vorgesehen ist. Die beiden Kerne sind körperlich voneinander
getrennt, wobei die beeinflußte Arbeitswicklung zwischen den Polen des die Vormagnetisierungswicklung
tragenden Kernes angeordnet ist. Trotz der Anwendung moderner Werkstoffe, wie Ferrite,
für den Kern der Arbeitswicklung im Gegensatz zu den früher vorhandenen Massekernen,
fallen die Anordnungen, insbesondere der Vormagnetisierungskreis und die zugehörige
Wicklung, verhältnismäßig groß aus.
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Die bekannten Magnetvariometer arbeiten auch nicht ohne weiteres rückwirkungsfrei,
sie benötigen vielmehr besondere Maßnahmen zur Vermeidung induktiver Rückwirkungen
vom Steuerkreis auf den Arbeitskreis und umgekehrt. Eine bekannte Ausführung verwendet
Doppelkernanordnungen, bei denen eine Wicklungsgruppe in bezug auf die andere gegensinnig
geschaltet ist. Ferner hat man den Arbeitswicklungskern als Ringkern so zwischen
den Polen des Vormagnetisierungskernes angeordnet, daß der Hochfrequenzfluß im Ringkern
geschlossen ist und im wesentlichen nicht in den Vormagnetisierungskern eintritt.
Dies ist jedoch nur im begrenzten Arbeitsbereich wirklich der Fall. Auch durch Anordnung
der Arbeitswicklung im Innern eines allseits geschlossenen Schalenkernes bringt
in dieser Richtung nicht völlig befriedigende Ergebnisse. Man verwendet daher an
den Stellen, an denen der Arbeitswicklungskern in den Vormagnetisierungskern eingefügt
ist, Zwischenschichten in Form von Kupferfolien.
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Eine Verringerung der Rückwirkung ist durch die bekannte Quervormagnetisierung
möglich, bei denen die Arbeits- und Steuerwicklungen senkrecht zueinander angeordnet
sind, so daß auch die von den Wicklungen erzeugten Magnetflüsse senkrecht zueinander
verlaufen. Die Anwendung derartiger Magnetkerne mit Quermagnetisierung ist an sich
für verschiedene Zwecke bekannt; so bei auf der Grundlage gleichstromvormagnetisierter
Drosselspulen beruhenden Gleichstromwandlern. Es ist ferner eine regelbare Induktivität
bekannt mit einem Kern, dessen Schenkel von der einen von zwei Wicklungen längsmagnetisiert
und von der anderen Wicklung regelbar quermagnetisiert werden. Bei dieser Anordnung
sind die die längsmagnetisierenden Spulen tragenden Schenkel aus Blechen in Form
längsgeschlitzter Zylinder hergestellt. Auch findet hier eine Rückwirkung des Feldes
der Längsmagnetisierung auf das Feld der Ouermagnetisierung statt, so daß zur Beseitigung
der Rückwirkung besondere Mittel erforderlich sind, beispielsweise die Anwendung
einer Kurzschlußwindung oder einer zusätzlichen kompensierenden Erregung.
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Zur Steuerung von Selbstinduktion in elektrischen Kreisen ist es weiterhin
bekannt, die Gleichstromwicklung im Innern eines ringförmigen Kernes und die Arbeitswicklung
als äußere Kernwicklung anzuordnen. Hierbei werden für den Aufbau des Kernes vier
ringförmige, aus Blechen geschichtete Teile verwendet, die zu einem hohlen Ringkern
zusammengesetzt werden, wobei vier Luftspalte entstehen. Zur Vermeidung von Wirbelströmen
hat der Kern außerdem noch einen Radialluftspalt. Diese Bauform hat den Vorteil
kompakten Aufbaus, da kein besonderer Außenkern für die Vormagnetisierung erforderlich
ist. Da sie mit Quervormagnetisierung arbeitet, tritt auch im wesentlichen keine
Rückwirkung auf. Wegen der vielen Luftspalte im Eisenweg ist jedoch neben hoher
Steuerleistung auch keine reproduzierbare Abhängigkeit der gesteuerten Induktivität
von der Temperatur gegeben, so daß der Temperaturkoeffizient nicht kompensiert werden
kann.
Bei allen bekannten Bauformen verursacht die Streuung der
Steuer- und Arbeitswicklung im praktischen Betrieb erheblichen Aufwand an Abschirmmitteln.
Dies gilt auch für die zuletzt genannte Bauform, da die zahlreichen Luftspalte im
Ringkern keine wirksame Abschirmung ermöglichen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hochfrequenzmagnetvariometer
zu schaffen, das diesen Nachteil vermeidet. Das Magnetvariometer nach der Erfindung
ist gekennzeichnet durch die Kombination folgender, an sich bekannter Merkmale:
a) Die Induktivität der Arbeitswicklung wird durch Quervormagnetisierung mittels
einer gleichstromdurchflossenen Steuerwicklung geändert.
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b) Die Steuerwicklung ist im Innern eines ringförmigen Magnetkernes
angeordnet, während die Arbeitswicklung als äußere Kernwicklung ausgeführt ist.
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c) Verwendung eines die innere Wicklung allseitig einschließenden
Schalen- oder Topfkernes mit Mittelbohrung aus einem Ferrit mit einer Anfangspermeabilität
von mindestens 1000.
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Da der Kern die Erregerwicklung als allseitig und ohne merklichen
Luftspalt umschließt, dient er selbst als wirksames Abschirmmittel für den Gleichfluß.
Außerdem tritt auch beim Hochfrequenzfluß fast keine Streuung auf, da die Arbeitswicklung
gleichmäßig über den ganzen Umfang verteilt werden kann: Dies ist auch vorteilhaft
für die Verwendung des Variometers bei relativ niedrigen Frequenzen, wo man größere
Windungszahlen unterbringen muß. Bei dem bekannten Magnetvariometer mit in einem
Vormagnetisierungskern eingesetzten ringförmigen Arbeitskern können dagegen große
Teile des Arbeitskernes nicht bewickelt werden.
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Der Erfindungsgegenstand vereinigt somit alle Vorteile bekannter Bauformen
in sich, wie beispielsweise geringsten Raumbedarf, Rückwirkungsfreiheit ohne besondere
Maßnahmen, Fortfall magnetischer Nebenschlüsse für den Hochfrequenz- und Steuerfluß
sowie geringe Steuerleistung, und bringt darüber hinaus den Fortschritt, daß praktisch
keine magnetische Streuung auftritt.
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Die verwendeten Kerne haben im allgemeinen Zvlinderform und bestehen
aus zwei Halbschalen mit einer Trennfläche in der Mitte des Zylinders (sogenannte
Schalenkerne) oder aus einem ausgeprägten Topfteil und einem deckelförmigen Abschlußteil
(sogenannte Topfkerne). Bei diesen bekannten Kernen dient zumeist die '.Mittelbohrung
zur Aufnahme eines Abgleichstiftes. Für die Zwecke der Erfindung wird der Kern entfernt
und in die dann offene Mittelbohrung des Kernes die Arbeitsfrequenzentwicklung hindurchgeführt,
während die Vormagnetisierungswicklung in die Ringkammer des Kernes, beispielsweise
auf einem Spulenkörper aufgewickelt, eingelegt wird.
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Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines etwa aus zwei gleichen Hälften
1 und 2 bestehenden Kernes. In der im Querschnitt beispielsweise viereckigen Ringkammer
3 im Inneren des Kernes ist eine Steuerwicklung 4 untergebracht. Zusätzlich können
sich dort auch noch eine oder mehrere Hilfs- oder Vormagnetisierungswicklungen befinden.
Durch die Mittelbohrung 5 des Kernes, die bei üblicher bekannter Anwendung desselben
manchmal von einem verstellbaren Gewindeabgleichkern eingenommen wird, ist die Arbeitswicklung
6 gewickelt. Die Berührungsflächen zwischen den beiden Kernteilen 1 und 2 sind zur
Erzielung eines geringen magnetischen Widerstandes für den Fluß der Steuerwicklung
4 und damit im Sinne der Erzielung einer geringen Steuer-Amperewindungszahl planpoliert.
Der Kern kann zusätzlich mit mechanischen Mitteln zum Abgleich versehen, beispielsweise
kann ein in der Mitte des Kernes befindlicher Gewindeabgleichkern hohl ausgebildet
und durch diesen die Arbeitswicklung S hindurchgeführt sein.
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Fig. 2 zeigt die Schaltung der Wicklungen des Kernes nach Fig. 1.
Die Steuerwicklung 4 ist beispielsweise über ein Potentiometer 7 an eine Gleichstromquelle
8 angeschlossen. Die Arbeitswicklung 6 bildet mit einem Kondensator 9 einen Schwingkreis,
der auf nicht näher dargestellte Weise mit einem Wechselstrom gespeist wird, beispielsweise
transformatorisch durch eine Hilfswicklung, die in der gleichen Weise wie die Arbeitswicklung
6 durch die Mittelbohrung 5 des Kernes gewickelt ist.
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Fig. 3 zeigt die bei Ausführungsbeispielen mit Kernen aus verschiedenen
Werkstoffen erzielten Ergebnisse an Hand von drei Kurven I bis III. Diese stellen
in Abhängigkeit von der an der Steuerwicklung 4 vorliegenden Gleichspannung US,
die in Volt aufgetragen ist, die erreichten Induktivitätswerte L in mH dar. Bei
den einzelnen Kurven I bis III lagen Massekerne aus bekannten Ferriten zugrunde
mit den aus der nachstehenden Tabelle ersichtlichen Handelsbezeichnungen und Kenndaten
Material BS [kG] |
HK[A/cm]I ,uA |
I Si-Ferrit 2000 Tr7 2,4 0,08 2000 |
II Si-Ferrit 1100 N22 3,3 0,2 1100 |
III Si-Ferrit 700 L21 4,4 0,25 700 |
Darin bedeutet BS die Sättigungsinduktion, HK die Koerzitivkraft und ,uA die Anfangspermeabilität.
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Es wurden, wie auch die Kurven I bis III in Fig. 3 zeigen, nutzbare
Induktivitätsänderungen und entsprechende Frequenzänderungen bei induktiver Schwingkreisabstimmung
in folgenden Bereichen erzielt:
Variation der |
Variation der Frequenz bei Windungszahl |
induktiver der |
Induktivität Schwingkreis- Arbeitswicklung |
abstimmung |
I 1 : 4 1 : 2 10 Windungen |
1I 1 : 2,6 1 : 1,62 19 Windungen |
III 1 : 2,25 1 : 1,5 21 Windungen |
Die Windungszahlen der Gleichstrornvormagnetisierungswicklungen betrugen in jedem
Fall 5500Windungen, der Widerstand 860 Ohm. Dies entspricht bei einem Induktivitätsänderungsbereich
von 1:4 im Falle der Kurve I einer Steuerleistung von maimal 50 mW. Im Falle der
Kurven II und III ist eine etwas größere Steuerleistung erforderlich. Auch ist in
diesem Falle, wie die Kurven im linken oberen Teil zeigen, ein nicht in allen Fällen
ausnutzbarer doppelsinniger Bereich infolge Hy steresis vorhanden. Für die Zwecke
der Erfindung werden daher Kerne aus dem unter I genannten Material bevorzugt.
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Fig. 4 zeigt .ein Anwendungsbeispiel des Magnetvariometers nach der
Erfindung zur Frequenzäbstimmung eines Rundfunkgerätes. Die Schaltung, die im
übrigen
selbst ebenfalls nur als Beispiel anzusehen ist, zeigt zwei abstimmbare Hochfrequenzverstärkerstufen
A und B mit je einer nicht näher bezeichneten Verstärkerröhre, an
deren Stelle auch ein anderes Verstärkerelement, beispielsweise ein Transistor,
verwendet werden kann. Die Eingangskreise der Stufen 1 und 2 enthalten je ein Magnetvariometer
nach Fig. 1 bzw. 2, dessen Arbeitswicklungen entsprechend jeweils mit 6 und dessen
Steuerwicklungen jeweils mit 4 bezeichnet sind. Die Steuerwicklungen 4 der beiden
Magnetvariometer werden in Parallelschaltung vom Spannungsabfall eines als Potentiometer
ausgebildeten Widerstandes gespeist, das im Anodenstromkreis der Röhren liegt und
gleichzeitig ein den Siebwiderstand eines zugehörigen Netzteiles bildet. Von diesem
ist außerdem ein Ladekondensator 11 und ein Siebkondensator 12 dargestellt. Bei
Magnetvariometern ist es an sich bekannt, die Steuerwicklungen über Potentiometer
zu speisen. Außerdem ist eine Reihenschaltung der Steuerwicklungen mehrerer Variometer
zur gleichzeitigen Abstimmung mehrerer Schwingkreise bekannt. Mit 13 sind in beiden
Stufen zusätzliche, beispielsweise aus einer Windung bestehende Ankopplungswicklungen
bezeichnet, die in der gleichen Weise wie die Wechselstromwicklungen 6 (vgl. Fig.
1) auf den Kernen angeordnet sind.
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Das Potentiometer 7 kann anstatt in der Anodenzuleitung der Röhren
auch in die Kathodenzuleitung derselben eingeschaltet sein. Dies ergibt den Vorteil,
daß die Steuerwicklungen 4 der Variometer praktisch auf demselben Potential liegen
wie die zwischen Gitter und Kathode liegenden Arbeitswicklungen 6 und gestattet
eine gefahrlose Bedienung der Abstimmkreise, was insbesondere für Fernbedienungszwecke
wichtig ist.
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Streuungen durch unterschiedliche Kennlinien der Ferrite oder durch
Kapazitätsunterschiede können mit Hilfe der Widerstände 14 bzw. der Trimmer 15 auskompensiert
werden. Außerdem können Kondensatoren mit kompensierenden Temperaturbeiwerten zu
denen der Ferrite verwandt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungs- und Anwendungsbeispiele
beschränkt. Beispielsweise können auch Kerne verwendet werden, die aus zwei insbesondere
ringförmigen Schalen mit kreisförmigen Schnittflächen senkrecht zur Ringebene bestehen
können. Als Anwendungsgebiet kommt nicht nur das Gebiet der Nachrichtenübertragungstechnik,
sondern auch das der industriellen Anwendung von Mittel- und Hochfrequenzschwingungen
in Frage.
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Besonders vorteilhaft ist es, die vorbeschriebenen Variometer in an
sich bekannter Weise als bandspreizende zusätzliche Abstimmittel für Schwingkreise
zu verwenden, als sogenannte Lupe. Außer als Abstimmittel kann das Magnetvariometer
nach der Erfindung ferner als Modulator verwendet werden. In diesem Fall wird die
Steuerwicklung anstatt mit Gleichstrom mit einem Modulationsstrom gespeist.