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Einrichtung zur Änderung des Scheinwiderstandes eines Kondensators
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Änderung des Scheinwiderstandes eines
Kondensators, insbesondere der wirksamen Kapazität des Kondensators. Bei dieser
Einrichtung ist der Kondensator mit einem ferromagnetischen Dielektrikum, insbesondere
aus Ferrit, ausgestattet. Die Änderung des Scheinwiderstandes soll bei hohen Frequenzen,
z. B. über 100 MHz, stattfinden.
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Die Abstimmung von Schwingkreisen bei hohen Frequenzen wird teilweise
mit Hilfe von Magnetvariometern durchgeführt. Diese Magnetvariometer besitzen Spulenwicklungen,
die um ferromagnetische Kerne gelegt sind. Die Induktivität einer Hauptspulenwicklung
wird durch die Magnetisierung des Spulenkerns gesteuert. Eine derartige Vormagnetisierung
kann z. B. derart erfolgen, daß zusätzliche Spulenwicklungen ein magnetisches Feld
in dem betreffenden Kernteil erzeugen. Derartige Magnetvariometer sind für verschiedene
Zwecke verwendbar. So kann mit ihrer Hilfe beispielsweise eine Modulation durchgeführt
werden. Frequenzmodulationen, insbesondere Frequenzwobbelungen, sind auch bereits
mit Hilfe einer veränderbaren Kapazität durchgeführt worden, wobei dem Schwingkreis
sogenannte Blindröhren zugeschaltet sind.
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Es sind auch bereits LC-Schwingkreise bekannt, bei denen das Dielektrikum
eines Plattenkondensators aus Ferrit besteht, das neben den elektrischen Eigenschaften
auch ferromagnetische Eigenschaften aufweist. Bei diesem Dielektrikum werden nach
der bekannten Anordnung auch die ferromagnetischen Eigenschaften insofern ausgenutzt,
als durch die Dielektrikumsscheibe ein Leitungsdraht geführt ist, dessen Induktivität
infolge der Permeabilität des Dielektrikums, das hierbei als ferromagnetische Ummantelung
des Leitungsstücks dient, erhöht wird. Bei dieser Einrichtung erfolgt die Änderung
der Kapazität des Kondensators durch Mittel, mit deren Hilfe der Plattenabstand
veränderbar eingestellt werden kann.
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Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, den Scheinwiderstand
eines Kondensators unabhängig von mechanisch verstellbaren Mitteln zu ändern. Mechanische
Verstellorgane haben bekanntermaßen den Nachteil, daß sie nur bis zu einer verhältnismäßig
niedrigen Frequenz Änderungen des Scheinwiderstandes zulassen. Bei der erfindungsgemäßen
Einrichtung soll durch den Verzicht auf derartige mechanische Verstellorgane die
Einsatzfähigkeit dieser Einrichtung bei sehr hohen Frequenzen möglich sein.
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Gemäß der Erfindung sind bei der Einrichtung zur Änderung des Scheinwiderstandes
eines Kondensators Mittel zu seinem Betrieb bei hohen Frequenzen f in der Nähe der
Raumresonanzfrequenz f,., so daß das Quadrat des Verhältnisses
gegenüber 1 nicht vernachlässigbar klein ist, und Mittel zur Veränderung der Vormagnetisierung
des Dielektrikums vorhanden. Unter Vormagnetisierung wird die Magnetisierung des
Kondensatordielektrikums durch ein von außen auf dieses Dielektrikum einwirkendes
magnetisches Feld verstanden.
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Gestatten die genannten Mittel in weiterer Ausbildung der Erfindung
den Betrieb des Kondensators bei einer Betriebsfrequenz f unterhalb der ohne Vormagnetisierung
gemessenen Raumresonanzfrequenz f,., dann erfolgt eine Änderung der wirksamen Kapazität
des Kondensators bei einer Änderung der Vormagnetisierung.
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In sehr einfacher Weise wird eine erfindungsgemäße Einrichtung derart
ausgebildet, daß der Kondensator aus einem Plattenkondensator besteht, dessen Dielektrikum
hochpermeables Ferrit darstellt, und daß die Mittel zur Vormagnetisierung derart
angeordnet sind, daß das Vormagnetisierungsfeld im Dielektrikum im wesentlichen
senkrecht zu dem zwischen den Kondensatorplatten erzeugten elektrischen Feld verläuft.
Eine derartige Einrichtung dient in weiterer Ausbildung der Erfindung zur Verwendung
für Modulatoren, insbesondere für Frequenzwobbler.
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Die Erfindung bedient sich der bekannten Eigenschaften ferromagnetisch
und dielektrisch wirkender Werkstoffe, deren Dielektrizitätskonstante in der Nähe
der Raumresonanzfrequenz stark frequenzabhängig ist. Durch eine Vormagnetisierung
erfolgt
eine Verschiebung der Raumresonanzfrequenz. Diese Raumresonanzfrequenz
ist sowohl von der Dielektrizitätskonstante als auch von der Permeabilität des Materials
abhängig. Aus diesen Verhältnissen folgt, daß der Scheinwiderstand eines mit einem
derartigen Material ausgerüsteten Kondensators bei hohen Frequenzen in der Nähe
der Raumresonanzfrequenz im Sinne der Aufgabe der Erfindung steuerbar ist.
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Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, daß alle hochpermeablen
Ferrite im Hoch- und Höchstfrequenzgebiet im allgemeinen eine Dielektrizitätskonstante
a' von der Größe,-' = 10e, aufweisen. Bei der sogenannten Raumresonanzfrequenz
f,. fällt die wirksame Dielektrizitätskonstante eu. eines derartigen Ferritdielektrikums
auf den Wert Null ab. Der Kondensator wirkt dort wie ein Kurzschluß für die betreffende
Frequenz. Dieser Fall tritt also dann ein, wenn der induktive Widerstand c)Li dem
kapazitiven Widerstand 1/(,)C gleich wird. Die Größe der Raumresonanzfrequenz entspricht
der bekannten Formel
Li ist die innere Induktivität des Kondensators und C seine Kapazität. Die wirksame
Dielektrizitätskonstante eu, steigt von dieser Raumresonanzfrequenz f,
vom
Wert Null nach niedrigeren Frequenzen zum Wert a' an. Die wirksame Dielektrizitätskonstante
ist also frequenzabhängig.
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Dieses Verhalten läßt sich folgendermaßen erklären: Bekanntlich kann
im Wechselstromkreis die Wirkung eines Kondensators dargestellt werden als Hintereinanderschaltung
einer reinen Kapazität C, einer lnduktivität Lt und eines dem Wirkverlust entsprechenden
Reihenwiderstandes R" Bezeichnet man die angelegte Wechselspannung mit E und den
Gesamtstrom mit J, so gilt, wenn für die Kreis, frequenz (,) = 2:r
- f gesetzt wird,
Nach dem Ohmschen Gesetz wird der komplexe Leitwert 12)p als reziproke Größe des
Scheinwiderstandes Rs aufgefaßt:
Der Imaginäranteil Jm (%) ergibt sich daraus folgendermaßen
Unter Berücksichtigung der wirksamen Reihenkapazität
Bei Einführung der Normierungsfunktion
unter Berücksichtigung des kapazitiven Verlustfaktors tg@c=c)-C-R erhält man aus
(4) und (5)
Man kann andererseits den Blindleitwert auch so auffassen, als ob er allein durch
die wirksame Kondensatorkapazität C", ohne die Wirkung einer Selbstinduktion Li
und/oder eines Ohmschen WiderstandesR bedingt wäre. Dann gilt
Die Kondensatorkapazität C ist der Dielektrizitätskonstante e' proportional. Außerdem
stellt sie eine Funktion der Kondensatorbemessung dar und wird im folgenden als
eine für den Kondensator charakteristische Größe mit D bezeichnet. Man kann also
setzen C =e' D. (10) Für den Blindleitwert Yp ergibt sich dann Yp=(,)-C-=i"-e'.D.
(11) Dabei ist vorausgesetzt, daß der Kondensator selbstinduktionsfrei ist und keinen
Ohmschen Widerstand R,. aufweist. In der Praxis ist jedoch für die Berechnung des
Blindleitwertes Yp an einem Kondensator stets auch die Wirkung einer Selbstinduktion
Li und eines Ohmschen Widerstandes R,- zu berücksichtigen, wie es in den Gleichungen
(4) und (5) zum Ausdruck kommt.
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Man kann die Gleichung (11) formal auch für den oben dargestellten
Fall verwenden, wenn man die Einwirkung der Selbstinduktion, des Ohmschen Widerstandes
und der Kapazität in einer wirksamen Kapazität Cu. des Kondensators zusammenfaßt
und schreibt: Yp = e> - C" = e) - e. - D. (12)
Dabei
stellt s" die wirksame Dielektrizitätskonstante dar:
Somit resultiert aus den Gleichungen (8), (11) und (13)
Bei kleinen Verlusten, d. h. tg b, << 1, und in größerer Frequenzentfernung
von der Raumresonanzfrequenz f << f,-, d. h. % -- 1, entspricht die wirksame
Dielektrizitätskonstante E";, wie oben bereits angegeben, etwa der Dielektrizitätskonstante
E'. Wird die Betriebsfrequenz f gleich der Raumresonanzfrequenz dann wird die wirksame
Dielektrizitätskonstante Ew=O.
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Durch Vormagnetisierung ändert sich die komplexe Permeabilität des
Kondensatordielektrikums. So sinken beispielsweise bei niederen Frequenzen sowohl
der Realteil als auch der Imaginärteil ab. Nun ist die innere Induktivität eines
Kondensators der Wirkpermeabilität Ic' des Dielektrikums proportional. Für den Plattenkondensator
gilt dann beispielsweise
Mit d ist der Plattenabstand bezeichnet.
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Das hat zur Folge, daß sich durch Vormagnetisierung mit der Permeabilität
,u' auch die Induktivität Li und gemäß der Gleichung (1) die Raumresonanzfrequenz
f,. des erfindungsgemäßen Kondensators ändert. Nach Gleichung (14) bewirkt dies
eine entsprechende Veränderung der wirksamen Dielektrizitätskonstante E",. Da nun
die wirksame Kondensatorkapazität C" der wirksamen Dielektrizitätskonstante Ew proportional
ist, steht die wirksame Kapazität C, in Abhängigkeit vom Vormagnetisierungsfeld.
Sie ist von diesem Feld steuerbar. Soll der Kondensator in der erfindungsgemäßen
Einrichtung als Kapazität wirken, soll also die Kapazität änderbar sein, dann ist
darauf zu achten, daß die Betriebsfrequenz f im Bereich der Raumresonanzfrequenz
f,. kleiner als diese ist. Andernfalls ergibt sich eine negativ wirksame Dielektrizitätskonstante
e"" so daß der Kondensator bei einer größeren Betriebsfrequenz f als der Raumresonanzfrequenz
f,. wie eine Induktivität wirkt, deren Scheinwiderstand mit steigender Frequenz
abnimmt.
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An Hand der F i g. 1 bis 3 ist die Erfindung näher erläutert.
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In F i g. 1 ist als Beispiel eine erfindungsgemäße Einrichtung dargestellt,
bei der die wirksame Dielektrizitätskonstante ew durch Änderung der Vormagnetisierung
bei einer Frequenz in der Nähe der Raumresonanzfrequenz änderbar ist. Die Spulenwicklung
1, die beispielsweise aus 3000 Windungen eines 0,04 cm dicken Kupferlegierungsdrahtes
besteht, ist um ein aus Weicheisen bestehendes Erregersystem 2 zur Erregung eines
magnetischen Feldes angeordnet. Zwischen den Schenkeln des Erregersystems ist über
die Verbindungsstellen 2' und 2" eine Ferritplatte 4 eingesetzt,
die als Dielektrikum zwischen den Kondensatorbelegungen 3 wirkt. Diese Ferritplatte
ist 1 mm dick und mit einem Plattendurchmesser von 17 mm ausgebildet. Die Mittel
zum Betrieb des Kondensators bei einer Frequenz f in der Nähe der Raumresonanzfrequenz
f,. sind in dieser Figur nicht dargestellt. In F i g. 2 ist die Abhängigkeit der
wirksamen Dielektrizitätskonstante sw vom Vormagnetisierungsstrom bei zwei verschiedenen
Betriebsfrequenzen, nämlich bei 160 MHz und bei 200 MHz, dargestellt. Danach fällt
die wirksame Dielektrizitätskonstante bei beiden Betriebsfrequenzen mit wachsendem
Vormagnetisierungsstrom ab. Der Abfall bei der Frequenz f = 200 MHz ist größer
als bei der Frequenz f
= 160 MHz. Die Wirkpermeabilität,u' steigt mit wachsender
Vormagnetisierung zunächst an. Dadurch wird die Raumresonanzfrequenz kleiner, wodurch
gemäß Gleichung (15) ein Absinken der wirksamen Dielektrizitätskonstante ew erfolgt.
Der Verlustwinkel b, des Kondensatordielektrikums setzt sich aus zwei Anteilen zusammen,
den dielektrischen Verlusten b, in der Platte und den von den magnetischen Verlusten
R - co - C infolge des Verschiebungsstroms verursachten Verlusten. Dabei gilt
stellt das Verhältnis der Blind- zur Wirkpermeabilität dar und wird als Verlustfaktor
bezeichnet. Somit beträgt tgb, = tgbE + R - a) - C (17) oder unter Berücksichtigung
der Gleichungen (15) und (1)
Aus der Gleichung (18) folgt, daß der Verlustwinkel 8c und sein Einfluß dann klein
gehalten werden kann, wenn ein ferromagnetisches Ferritmaterial verwendet wird,
bei dem der Verlustfaktor
niedrig ist. Aus der F i g. 3 folgt, daß der Verlustfaktor tg b, mit wachsendem
Vormagnetisierungsstrom erheblich abnimmt und beinahe Werte erreicht, die nur noch
50 °/o des ursprünglichen Verlustfaktors betragen.
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Eine erfindungsgemäße Einrichtung, die insbesondere für Frequenzwobbler
verwendet wird, weist gegenüber einem Magnetvariometer beachtliche Vorteile auf,
da der Verlustwinkel 8,, klein gehalten werden kann, wenn ein Ferritmaterial mit
einem geringen Verlustfaktor
benutzt ist. Außerdem kann der Einfluß der Vormagnetisierung auf die Steuerung der
wirksamen Kapazität größer als bei einem Magnetvariometer gemacht werden.