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übertrageranordnung mit ferromagnetischem Kernmaterial Die Erfindung
betrifft eine übertrageranordnung mit ferromagnetischem Kernmaterial.
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Die bekannten, in der Hochfrequenztechnik verwendeten übertrager,
die in der Regel einen mit Primär- und Sekundärwicklung versehenen ferromagnetischen
Kern aufweisen, dienen vorzugsweise zur Übersetzung von Spannungen und Strömen,
zur Widerstandsanpassung, Symmetrierung und Potentialtrennung. Die Auswahl eines
bestimmten Kernmaterials für solche Übertrager richtet sich. unter anderem nach
dem gewünschten Frequenzbereich, in dem Signale unverzerrt übertragen werden sollen.
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Daneben kennt die Hochfrequenztechnik Schaltungsanordnungen, sogenannte
Filter- oder Siebschaltungen, die, aus meist mehreren elektrischen Bauelementen
bestehend, geeignet sind, aus einem weiten Frequenzbereich Schwingungen bestimmter
Frequenz bevorzugt zu übertragen oder zu unterdrücken. Auch sind in dieser Kategorie
Schaltungsanordnungen bekannt, die unter bestimmten Voraussetzungen die Anpassung
von Wellenwiderständen aneinander ermöglichen.
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An vielen Stellen der Nachrichtentechnik, wie im Verstärkerbau, in
der Empfangstechnik od. dgl., werden Kombinationen von übertragern und Siebschaltungsanordnungen
verwendet. Doch bedarf es sorg-' fältiger Abstimmungen dieser Baugruppen aufeinander.
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Aufgabe der Erfindung ist, eine übertrageranordnung zu schaffen, die
mit geringem Aufwand die Eigenschaften obengenannter Baugruppenkombinationen in
sich vereinigt.
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Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß bei Betrieb mit
zwei oder mehr verschiedenen Frequenzen bzw. Frequenzbereichen das magnetische Kernmaterial
so ausgewählt oder beeinf(ußt ist, daß die Permeabilität und damit der magnetische
Widerstand des Kernes, bei den verschiedenen Frequenzen bzw. Frequenzbereichen in
starkem Maß unterschiedlich groß ist, daß die Primär- und/oder Sekundärwicklung
des übertragers in eine Haupt- und eine Nebenwicklung derart aufgeteilt ist, daß
die auf den ferromagnetischen Kern aufgebrachte Hauptwicklung mit dem Hauptfluß,
die Nebenwicklung mit dem Nebenfiuß verkettet ist, und daß durch die so bei den
verschiedenen Frequenzbereichen erzielten unterschiedlichen Kopplungen zwischen
der nicht aufgetrennten, gemeinsamen Wicklung und der Haupt- und Nebenwicklung jeweils
unterschiedliche übersetzungsverhältnisse auftreten. Der Übertrager arbeitet somit
infolge seines frequenzabhängigen übersetzungsverhältnisses gleichzeitig auch als
Filterschaltung. Bisher fand bei der Nutzung von ferromagnetischen übertragerkernen
ausschließlich das Frequenzgebiet Beachtung, in den die relative Permeabilität des
jeweils verwendeten Kernmaterials einen großen Wert aufweist und von der Frequenz
nahezu unabhängig ist. Die Funktion, Signale in bestimmten Frequenzbereichen zu
übertragen bzw. züz sperren, fiel stets besonderen Siebschaltungsanordnungen zu.
Die erfindungsgemäße Ausführung einer übertrageranordnung verwirklicht zum Unterschied
davon durch den vergleichsweise sehr geringen Aufwand speziellen Wicklungsaufbaues
in Frequenzbereichen mit stark unterschiedlichen Permeabilitäten charakteristische
übertragungsmerkmale gebräuchlicher Siebschaltungen, ohne wesentliche Eigenschaften
herkömmlicher Hochfrequenzübertrager, wie Potentialtrennung, Anpassung und Symmetrietang,
aufzugeben.
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Insbesondere ist zur Erzielung spezieller übertragungscharakteristiken
von Vorteil, wenn in einem Sonderfall Haupt- und Nebenwicklung gleichsinnig gewickelt,
in einem anderen Sonderfall Haupt- und Nebenwicklung gegensinnig gewickelt sind.
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Bei einem übertrager ohne Unterteilung in Haupt-und Nebenwicklungen
entsteht eine Tiefpaßcharakteristik infolge der Streuung und der Wicklungskapazitäten.
Die Grenzfrequenz des Tiefpasses ist abhängig von der Grenzfrequenz fn des Kernes
und vom Aufbau der Wicklungen. Von besonderem Vorteil ist es, wenn bei unterteilter
Sekundärwicklung mit gegensinnigen Wicklungshälften der in der Hauptwicklung induzierte
Spannungsanteil auch oberhalb der Grenzfrequenz fg überwiegt. In der Übertragungscharakteristik
tritt dann kein Dämpfungspol auf, oberhalb dessen bei höheren Frequenzen die Sekundärspannung
wieder ansteigen würde.
Zur Erreichung einer Hochpaßcharakteristik
ist es zweckmäßig, die gegensinnigen Wicklungsteile so zu bemessen, daß die Windungszahl
des mit dem Nebenfluß verkoppelten Wicklungsteiles sehr groß ist gegen die Windungszahl
des mit dem Hauptfluß verkoppelten Wicklungsteiles, so daß für eine Frequenz, die
kleiner als die Grenzfrequenz des ferromagnetischen Materials ist, der in der Hauptwicklung
induzierte Spannungsanteil gleich dem in der Nebenwicklung induzierten Spanungsanteil
wird.
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Dagegen werden vorteilhaft zur Erreichung einer Bandsperrencharakteristik
die gegensinnigen Wicklungsteile so bemessen, daß die Windungszahl des mit dem Nebenfluß
verkoppelten Wicklungsteiles gleich oder größer als die Windungszahl des mit dem
Hauptfluß verkoppelten Wicklungsteiles ist, so daß für eine Frequenz, die größer
als die Grenzfrequenz des ferromagnetischen Materials ist, der in der Hauptwicklung
induzierte Spannungsanteil gleich dem in der Nebenwicklung induzierten Spannungsanteil
wird. Weitere spezielle übertragungseigenschaften lassen sich auch dadurch erreichen,
daß die mit dem Nebenfluß verkettete Wicklungshälfte auf einem zweiten Kern anderer
Permeablitätscharakteristik als die des Kernes für die Hauptwicklung aufgewickelt
wird, des weiteren dadurch, daß im Primär-oder Sekundärkreis zusätzliche Schaltelemente,
vorzugsweise Kapazitäten, Induktivitäten od. dgl. einzufügen sind. Auch kann das
Verhältnis der Größe von Haupt- zu Nebenfluß, das unter anderem für die beschriebenen
Funktionen maßgeblich ist, durch geeignete Maßnahmen, wie Vormagnetisierung des
Kernes der übertrageranordnung, vorzugsweise mit Gleichstrom, beeinflußt werden.
Dieses Verhältnis kann auch dadurch verändert werden, daß der magnetische Widerstand
für den vorwiegend im ferromagnetischen Kern verlaufenden Hauptfluß durch einen
Luftspalt vergrößert wird. Die Kopplung der einzelnen Wicklungsteile untereinander
hängt außerdem von ihrer räumlichen Lage zueinander ab.
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Im folgenden sind an Hand von Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele
der Erfindung sowie deren Arbeitsweise im einzelnen näher erläutert. Es zeigt F
i g. 1 eine übertrageranordnung gemäß der Erfindung, F i g. 2 den Permeabilitätsverlauf
eines Ferromagnetikums, F i g. 3 und 4 den Spannungsverlauf einer übertrageranordnung
gemäß F i g. 1, F i g. 5 eine weitere Übertrageranordnung, F i g. 6 und 7 den Spannungs-
und Dämpfungsverlauf der Anordnung gemäß F i g. 5, F i g. 8 und 9 einen anderen
Spannungs- und Dämpfungsverlauf einer Übertrageranordnung, F i g. 10 und 11 einen
weiteren Spannungs- und Dämpfungsverlauf einer Übertrageranordnung.
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In F i g.1 ist auf einen Kern 1, beispielsweise einen U-Kern, eine
Primärwicklung 2 mit der Windungszahl w1 und ein Teil der Sekundärwicklung 3 a mit
der Windungszahl w2' aufgebracht; der übrige Teil der Sekundärwicklung 3 b mit der
Windungszahl w2" wird außerhalb des Kernes mit gleichem Wicklungssinn gewickelt.
Bei genügend großer Permeabilität der verwendeten Eisensorte und entsprechend tiefer
Frequenz wird das übersetzungsverhältnis ü im wesentlichen durch das Windungsverhältnis
w1/W2' bestimmt. Der von der Wicklung w1 herrührende Fluß durchsetzt nur den Wicklungsteil
3 a, nicht aber 3 b. Der übertrager verhält sich wie ein Transformator mit entsprechend
großer sekundärer Streuinduktivität. Wird nun die Frequenz der auf der Primärseite
angelegten Spannung U1 über die Frequenz fg hinaus - der Verlauf der relativen Permeabilität
u,R eines Ferromagnetikums in Abhängigkeit von der Frequenz ist in F i g. 2 dargestellt
- gesteigert, so steigt entsprechend dem Absinken der Permeabilität der magnetische
Widerstand des Eisens. Der Fluß durchsetzt mehr und mehr auch die Wicklung w." (in
F i g. 1 gestrichelt angedeutet) und ändert damit das Übersetzungsverhältnis des
Übertragers. Eine entsprechende Anordnung ergibt sich, wenn die Wicklungsaufteilung
nicht auf der Sekundär-, sondern auf der Primärseite erfolgt. Der Spannungsverlauf
in Abhängigkeit von der Frequenz ist für den speziellen Fall, daß die Windungszahlen
w1, w2 und w2 " der Anordnung nach F i g. 1 etwa gleich sind, in den F i g. 3 und
4 aufgetragen. Die Spannung U2 steigt im Bereich von fg an (F i g. 3), weil der
Anteil von U,' konstant bleibt und U2" zunimmt (F i g. 4). Es ergibt sich also oberhalb
von fg eine größere Sekundärspannung als unterhalb, insgesamt also eine Hochpaßcharakteristik.
Bei der Wahl eines geeignet ten Kernmaterials läßt sich so zusammen mit einer entsprechenden
Windungszahlkombination auf der Primär- und/oder Sekundärseite in einem bestimmten
Frequenzbereich z. B. eine Anpassung an einen veränderlichen Widerstand erzielen.
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Man kann auch, wie in F i g. 5 dargestellt, bei einem übertrager die
beiden Wicklungsteile mit den Windungszahlen w2 und w2" einander gegensinnig wickeln.
Wird in diesem Fall w2 ' < w2 gemacht, so verhält sich der übertrager entsprechend
der Darstellung in F i g. 6 und 7 wie ein Tiefpaß, sofern der in w2 induzierte Spannungsanteil
den von w2 ' überwiegt. Dabei ist infolge der gegensinnig zu U2 induzierten Spannung
U." der Abfall der resultierenden Spannung U2 bzw. der Dämpfungsanstieg a abhängig
von der Frequenz steiler als bei einem übertrager ohne die in F i g. 5 gezeigte-Unterteilung
in Haupt und Nebenwicklung der Sekundärseite. Der Spannungs- und Dämpfungsverlauf
eines solchen übertragers ist in den F i g. 6 und 7 gestrichelt angedeutet.
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Wird bei gegensinnigen Teilwicklungen iv, " > w2 gemacht, dann ergibt
sich oberhalb der Frequenz f, eine Frequenz fp, bei der die induzierten Teilspannungen
U2' und U," gerade entgegengesetzt gleich groß werden (F i g. 8 und 9). Die resultierende
Sekundärspannung U, des Übertragers wird dadurch zu Null erzwungen, die Dämpfung
a geht nach unendlich. Ist 'V2"' > W2" so steigt die Spannung U, oberhalb f, wieder
an, wobei gemäß dem Wicklungssinn von w," gegenüber Frequenzen f < f, eine Phasenumkehr
eintreten muß. Der übertrager wirkt gemäß F i g. 8 und 9 in der Umgebung von f"
als Bandsperre.
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Die Frequenz f" hängt vom Verhältnis der Windungszahlen w2 /w2' sowie
vom Kernmaterial ab, die Änderung der Ausgangsspannung (Flankensteilheit der Dämpfungspole)
vom Übersetzungsverhältnis w1/ w2 und der Steilheit des Permeabilitätsverlaufs oberhalb
von fg.
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Bei Windungszahlen w2' ) w2 und gegensinnigen Teilwicklungen kann
man erreichen, daß bereits unterhalb fg, also im Bereich konstanter Permeabilität,
Kompensation der beiden Teilspannungen U2 und U2" eintritt. In diesem Fall wird
nach F i g. 1 und 11
mit der übertrageranordnung Hochpaßverhalten
erzielt.
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Um weitergehend Freiheiten in der Wahl der Übersetzungsverhältnisse
und Kerncharakteristiken zur Erzeugung vorgesehener Strom- und Spannungscharakteristiken
in einem bestimmten Frequenzbereich zu erhalten, kann die Nebenwicklung der unterteilten
Wicklung auf Kernmaterial anderer Permeabilität als die des magnetischen Hauptkreises
aufgebracht werden.
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Auch kann durch eine Vormagnetisierung, vorzugsweise mit Gleichstrom,
der Permeabilitätsverlauf verändert und damit Einfluß auf die beschriebenen Funktionen
genommen werden. Ferner lassen sich durch die Breite eines Luftspaltes im ferromagnetischen
Kreis oder durch die räumliche Lage der Wicklungen zueinander die Kopplungen der
einzelnen Wicklungsteile untereinander und damit ebenfalls die beschriebenen Charakteristika
verändern.
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Es kann durch entsprechende elektrische Schaltelemente auf die Steilheit
der Flanken Einfluß im Sinn eines gewünschten Dämpfungsanstieges oder -abfalles
genommen werden.