DE2218856A1

DE2218856A1 - Hauteffekt-Filter zum Absperren von Strom von einer Last

Info

Publication number: DE2218856A1
Application number: DE19722218856
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Schlachter, Donald A., Fredricksburg, Va. (V.StA.)
Priority date: 1971-04-20
Filing date: 1972-04-19
Publication date: 1972-11-09
Also published as: US3704434A; GB1341365A; SE376135B; IT951066B; AU465741B2; JPS5531644B1; AU4096072A; CA972814A; FR2134987A5

Description

PATENTANWXLTt

DR. E.WIEGAND DIPUNG. W. NIEMANN DR.M. KÖHLER DIPL-ING. C GERNHARDT

MÖNCHEN HAMBURG

TELEFON= 395314 2000 HAMBURG 50, J7· 4.

TELEGRAMME: KARPATENT KONIGSTRASSE 28-

W.41 031/72 8/bl

Donald A. Schlachter Fredericksbürg, Virginia (V. St. A.)

Hauteffekt-Filter zum Abpserren von Strom von einer Last.

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Filter und insbesondere auf Filter für den Schutz ele'ktroexplosiver Vorrichtungen gegenüber Hochfrequenzenergie.

Bei den meisten Tiefpassfiltern werden Kombinationen aus resistiven, kapazitiven und induktiven Elementen in Stromkreisanordnungen verwendet, die keine Brückenstromkreise sind. In üblichster Weise werden T-, L- und TX -förmige Netzwerke wie auch mit Verlust arbeitende Dielektrika bei Breitwandanwendungen benutzt. Diese Filter sind für den Schutz * elektroexplosiver Vorrichtungen gegen störende Hochfrequenzenergie unannehmbar, weil ihre Wirkungsweise von ihrer Fähigkeit abhängt, eine Impedanzfehlanpassung (impedance mismatch) zwischen Generatoren und Lasten zu verursachen. Eine Impedanz fehlanpassung kann mit diesen Filtern nicht gewährleistet v/erden, weil zum Schutz elektroexplosiver Vorrichtungen die Generatorimpedanz nicht genau bestimmt v/erden kann. Die Impedanz von störenden elektromagnetischen Generatoren kann irgendeinen Wert zwischen einigen Zehnern Ohm und Megohm haben und ist im allge«

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meinen komplex.

Bei anderen bekannten Vorrichtungen zum Schutz gegen schädliche Hochfrequenzstrahlung ist um die Last ein elektrostatischer Schirm angeordnet, während ein Pfad geringen Widerstands zu den Zündkreisdrähten geschaffen ist» oder es wird ein Transformator mit einer dünnen Metallschranke verwendet, um die Primär- und Sekundärwicklung voneinander zu trennen und so die Hochfrequenzenergieübertragung zu vermindern. Obwohl diese Vorrichtungen wirksam sind, weisen sie den Nachteil auf, daß sie sperrig und teurer als die gewöhnlichen Filter sind.

Der allgemeine Zweck der Erfindung besteht darin, eine viel einfachere Ausführung eines Filters zu schaffen, das Strom von einer Lastjabsperrt und daher dazu- verwendet werden kann, elektroexplosive Vorrichtungen gegen Schädigung durch störende Hochfrequenz-^energie zu schützen. Das Filter hat die Form einer tfheatstone' sehen Brücke oder eines Gitternetzwerks und enthält Widerstandselemente, die aus einem Metalleiter bestehen, der mit einem zweiten Metall überzogen ist. Bei einer vorbestimmten Frequenz wird das Filter unter Ausnutzung des Hauteffektes zu einer ausbalancierten Brücke und sperrt auf diese V/eise Strom von einer Last ab. Durch zweckentsprechende Ausbildung kann das Filter gemäß der Erfindung entweder hochfrequenten oder niederfrequenten Strom von einer Last absperren.

Ein Zweck der Erfindung besteht darin, ein Filter zu schaffen, welches Strom von einer Last bei bestimmten Frequenzen absperrt.

Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, ein Filter zu schaffen, das ausgebildet werden kann, daß es entweder hohe oder niedrige Frequenzen dämpft.

Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin,

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ein billiges und unkomnpliziertes Filter zu schaffen, welches elektroexplosive Vorrichtungen gegen störende Hochfrequenzenergie zu schützen vermag.

Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, ein Filter für den Schutz elektroexplosiver Vorrichtungen zu schaffen, welches genügend klein hergestellt werden kann, um einen integralen Teil eines Zündmechanismus zu bilden.

Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, ein Filter zu schaffen, welches die schädlichen Effekte der gleichrichtenden Wirkung von Hochfrequenzlichtbögen und Glimmentladung herabsetzt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Fig. 1 stellt in scheraatischer Weise ein Hauteffekt-Hochfrequenzbrückenfilter gemäß der Erfindung dar.

Fig. 2 zeigt im Querschnitt viiderstandselemente, die in dem Hauteffekt-Brückenfilter Verwendung finden·

Fig· 3 gibt die in einer symmetrischen V/eise angeordneten Brückenelemente wieder.

Die Erfindung schafft eine Vorrichtung, die drart ausgebildet ist, daß sie den bekannten Haut- , effekt ausnutzt, um Hochfrequenzenergie zu dämpfen.

Der Hauteffekt ist eine Eigenschaft, die in der Technik bekannt ist, die jedoch gewöhnlich nur einem besonderen Filter eigen ist und keinen Teil des Entwurfs bildet. Wenn ein Wechselstrom in einem Leiter fließt, erzeugt der wechselnde magnetische Fluß innerhalb des Leiters eine EMK, die im Zentrum des Leiters am größten ist und sich gegen die äußere Haut vermindert. Diese induzierte EMK bewirkt, daß die Stromdichte an der Oberfläche des Leiters größer ist und gegen sein Zentrum abnimmt» Wenn die

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Frequenz des Wechselstroms erhöht wird, wird der Strom innerhalb des Leiters zunehmend gegen die Außenhaut konzentriert. Diese Erscheinung ist als "Hauteffekt" bekannt. Der Hauteffekt ist für den Umstand verantwortlich, daß der Widerstand eines Leiters sich kontinuierlich mit der Frequenz vergrößert, während sich seine innere Induktanz sich kontinuierlich vermindert« Die Änderung des Widerstands und der inneren Induktanz wird für Frequenzen oberhalb eines minimalen Wertes sehr ausgeprägt, der von der Stärke, der magnetischen Permeabilität und der Leitfähigkeit des Leiters abhängig ist.

Die ^ssHauttie£e" wird als die von der Oberfläche des Leiters einwärts gemessene Strecke definiert, in welcher äsr Strom in dem Leiter sich um 1 Neper vermindert j» d.h. die Stromdichte das 1/e-fache der Dichte an der Oberfläche des Leiters wird, wobei e die Basis des natürlichen Logarithmus ist. Die Hauttiefe ist durch die Gleichung

gegeben, in welcher bedeuten:

CO die Kreisfrequenz 2

U> die Permeabilität des Materials, und ß' die Leitfähigkeit des Materials.

Wird ein Metalleiter mit einem zweiten Metall überzogen, dannlwird bei genügend hohen PYequenzen der in dem überzogenen Leiter fließende Strom zufolge des Hauteffekts hautpsächlich auf das Überzugsmaterial begrenzt. In diesem Fall ist zwischen dem überzogenen Leiter und einem aus dem Überzugsmaterial hergestellten massiven Leiter eine vernachlässigbare Differenz in der Impedanz vorhanden. Um die Gefahr der Beschädigung elektroexplosiver Vorrichtungen durch Hochfre-

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quenzenergie auszuschließen, ist es erforderlich, die elektrischen Zündkreise gegen zufällig induziert® Energien bei allen Frequenzen oberhalb einer Nennfrequenzim Bereich von 10 bis 100 kHz zu schützen»

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Widerstandselemente, die in Form einer Wheats tone·-'-sehen Brücke oder eines Gitternetzwerks angeordnet sind« Zwei Widerstandselemente R_ bestehen aus einem ferromagnetischen Überzug auf einem Kern wn hohem Widerstandswert, undjzwei Widerstandselemente R, bestehen aus einem ferromagnetischen Überzug auf einem Kern von geringem Widerstandswert«, E ist eine Quelle elektrischer Enegie, und L ist eine elektroexplosi-ve Vorrichtung oder eine andere Last.

Die Brücke befindet sich bei Gleichstrom und niedrigen Frequenzen zufolge der unterschiedlichen Niederfrequenzwiderstandswerte der Elemente R und R^ im Ungleichgewicht» Wenn die Frequenz erhöht wird, wird ein größerer Anteil des Gesamtstroms zufolge des Hauteffekts auf den Überzug begrenzt. Bei Frequenzen, für welche die Überzugsdicke ungefähr gleich der Hauttiefe ist, werden sowohl die Widerstandswerte als auch die Werte der inneren Induktanz der Elemente R.J und R^ gleich. Bei gegebener äußerer Symmetrie , befindet sich die Brücke dann im Gleichgewicht, und der Strom wird von der Last abgesperrt.

Fig. 2 zeigt die Widerstandselemente R_a und R^ im Querschnitt. Bei der bevorzugten Ausführungsform weist das Element R_Q einen 25,4 mm langen, von einem

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aus einer Chromnickellegierung bestehenden Draht Nr. 36 gebildeten Kern 12 von hohem Widerstandswert mit einem Eisenüberzug 10 auf. Das Element R^ weist einen 25,4 mm langen, von einem aus Kupfer bestehenden Draht Nr. 36 gebildeten Kern 14 von geringem Widerstandswert mit einem Eisenüberzug 10 auf. Die >\^rider-

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Standselements können auch dadurch hergestellt werden» daß ein Leiter mit einem ferromagnetischen Rohr überzogen wir el« Das Verhältnis des Radius 16 der tfiderstandselemente zu der KauttiefeO kann über einen weiten Bereich -variieren« Beispielsweise stellt ein Verhältnis von 5 · 1 einen annehmbaren Wert dar.

Die dargestellte Ausführungsform würde eine Wirksamkeit von etwa 50 % bei niedrigen Frequenzen und eine Dämpfung von etwa 40 db bei hohen Frequenzen unter der Voraussetzung haben, daß die effektiven Widerstandswerte der Leiter bei hohen Frequenzen innerhalb von 2 % der Gleichheit gehalten werden. Die Dämpfung ist natürlich proportional der Genauigkeit, mit welcher die effektiven Widerstandswerte der vier Leiter übereinstimmen.

Der ferromagnetische Überzug könnte auch als Nickel oder Kobalt oder aus einer ferromagnetischen Legierung bestehen* Ein v/ahlweise verwendbares Material für den Kern von hohem tfiderstandswert würde Konstantan oder irgendein anderes Material von hohem itfiderstandswert sein»

Der Vorteil der Verwendung von ferromagnetischen. Metallen für den überzug besteht darin, dai3 sie eine hohe Per.-sabilxtät und eine kleinere Hauttiefe als paramagnetische und diamagnetische Materialien haben. Das Ergebnis ist, daß die Überzugsdicke, die zum Erzielen einer im Gleichgewicht befindlichen Brücke bei einer besonderen Frequenz erforderlich ist, beträfchtlich herabgesetzt ist.

Für die Ausbildung des Stromkreises ist es auch wichtig, daß die verteilte Kapazitanz und Induktanz ausbalaciert sind, um eine hohe Dämpfung aufrechtzuerhalten, wenn die Frequenz erhöht wird. Beispielsweise muß, wenn die Leiter zu Spulen gewickelt werden,

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die Induktanz aller Spulen gleich

Fig. 3 zeigt, wie die Leiter in sehen Weise angeordnet werden können₀ Dl© Brücken- zweige sollen in einer geometrisch symmetrischen Kon·= figuration gehalten werden, um ©ine maximale Dämpfung zu erzielen.

Bei einer anderen spezifischen Ausführraigsform wire für die BrUckenzweigelemente R von hohem Widerstands= wert-ein aus einer 52 % igen Nick©l°Eisen~Legierung bestehender massiver Darlit von der AWG-Hr₀ 26 verwendet. Die BrUckenzweigelemente R, von geringem Widerstandswert sind aus einer ähnliehen Nickel-Eisen-Legierung gebildet und haben einen Kupferkerns, der ungefähr 1/3 des gesamten Drahtdurehraessers einnimmt. Alle vier Brückende ige sind spiralförmig^ zusammengedreht, um ein einziges Kabel von etwa 61 cm ( 2 ft ) Länge zu bilden· Das Zusammendrehen hat den Zweck, dem Gebilde* mechanische Festigkeit und Biegsamkeit zu verleihen sowie den Stromkreis gegenüber äußeren Magnetfeldern auszubalancieren₀ Diese Ausführungsform ist brauchbar, um den am hinteren Ende eines Raketenmotors befindlichen Zündkr^iskostakt mit der am vorderen Ende befindlichen Zündladung zu verbinden. ,

Für das BrUckenfilter sind auch andere alternative Ausführungen möglich, indem zweckentsprechende Materialien für den Kern und den Überzug gewählt werden und die Überzugsdicke, der Außendurchmesser der Brückendrähte und die Länge der Brückenzweige geändert werden. Die Brückenelemente von hohem Widerstandswert könnten auch mit Eisenrohr oder mit einem Eisenüberzug versehene dielektrische Fäden sein»

Es können zum Ändern oder Optimieren der Permeabilität, der Leitfähigkeit und des Curie-Punktes Eisenlegierungen sowie leitende Ferrite verwendet

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werden, um das Filter an Lasten von höheren Widerstandswerten anzupassen. Im letzteren Fall würden die Brückenzweigelemente R_ Ferritrohre sein, während bei den beiden Brückenzweigelementen R^ von geringem Widerstandswert Metalleiter durch das Zentrum des Rohres geführt sind. Ferner würden mit stärkeren Leitern niedrigere Absperr/frequenzen und höhere Wirksamkeiten möglich sein, und das Filter könnte in Form eines Dämpfungskabels oder einer Übertragungsleitung verwendet werden.

Mit ähnlichen Ausführungen sind auch Hochpassund Kerbfilter möglich. Beispielsweise würden zwei aus einer Chromnickellegierung bestehende Drähte und zwei Eisendrähte mit gleichen Gleichstromwiderständen bei Gleichstrom und niederen Frequenzen ausbalanciert sein, jedoch würde die Brücke, wenn der Hauteffekt auftritt, ins Ungleichgewicht gelangen und hohe Frequenzen durchlassen. Es könnten auch zwei oder mehrere Filter in Kaskade geschaltet werden, um die Dämpfung in bestimmten Frequenzbändern oder die Leistungszerstreuungscharakteristiken zu optimieren.

Um die Leistungssireuungsfähigkeiten zu erhöhen, könnten die Brückenelemente in ein Material von niedrigem Schmelzpunkt mit einer hohen Schmelzwärme eingebettet werden. Wenn dieses Material metallisch ist, kann es, wenn es schmilzt, einen Kurzschluß herbeiführen, so daß sich eine "Selbstschutz"-Eigenschaft ergibt. Dies würde auch ein schmelzbares Reihenelement bewirken.

Das Filter könnte auch so ausgebildet werden, daß es eine sichtbare V/arnanzeige liefert, indem die Leiter in eine Glashülle eingeschlossen v/erden. Für diese Ausführungsform sollten die Glühwärme und die Kernmaterialien so gewählt v/erden, daß bei der Curie-Temperatur des magnetischen Überzugs die spezifischen

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Widerstände der Kernmaterialien gleich sind, so daß das Gleichgewicht aufrechterhalten wird, obwohl der Hauteffekt vermindert wird. Diese Technik würde auch brauchbar sein, um die Brücke für Gleichstrom und niedere Frequenzen bei einem kritischen Hochfrequenzpegel abzugleichen, so daß die Gleichstromkomponente von Hochfrequenzlichtbögen keine Gefahr bedeuten würde. Platin und Konstanten sollten dies bei etwa 900⁰C tun sowie Eisen und eine Chromnickellegierung bei irgendeiner anderen Temperatüre

Es ist somit ein Hauteffekt-Brückenfilter geschaffen, welches die Vorteile einer einfachen Ausbildung und geringer Kosten besitzt und eine angemessene Gleichstromwirksamkeit zu liefern vermag, während es eine hohe Radiofrequenzdämpfung aufrechterhält. Offensichtlich sind im Rahmen der Erfindung zahlreiche Abwandlungen und Änderungen möglich.

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Claims

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Patentansprüche

Hauteffekt-Filter zum Absperren von Strom von einer Last, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Mehrzahl von vviderstandseleraenten aufweist, die in Form einer Wheatstone'sehen Brücke geschaltet sind, und daß wenigstens ein Teil der in den beiden ersten sich gegenüberliegenden Zweigen der Brücke liegenden Widerstandselemente aus einem anderen Material als die in den beiden zweiten sich gegenüberliegenden Brückenzweigen liegenden Widerstandselemente besteht, so daß die effektiven Widerstandselemente der betreffenden Brückenzweige bei einer vorbestimmten Frequenz alle gleich sind.
2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandselemente einen aus einem leitenden Material bestehenden zentralen Kern aufweisen, der mit einem zweiten leitenden Material überzogen ist, und daß der zentrale Kern der beiden ersten sich gegenüberliegenden Elemente einen höheren Widerstandswert als der zentrale Kern der beiden zv/eiten sich gegenüberliegenden Elemente hat.
3. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ersten sich gegenüberliegenden Widerstandselemer.te einen zentralen Kern aus einer Chromnickellegierung und die beiden zweiten sich gegenüberliegenden Widerstandselemente einen zentralen Kern aus Kupfer aufweisen.
4. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des leitenden Überzugs gleich der Hauttiefe ist.
5. Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der leitende Überzug aus einem ferromagnetischen

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Material besteht.
6. Filter nach Anspruch 5_t dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Oberzugsmaterial Eisen ist.
7. Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Überzugsmaterial Nickel ist.
8. Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Überzugsmaterial Kobalt ist,
9. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die tfiderstandselemente in den beiden ersten sich gegenüberliegenden Brückenzweigen aus Ferritrohren bestehen und daß die Widerstandselemente in den beiden zweiten sich gegenüberliegenden Brückenzweigen aus Ferritrohren bestehen, die einen zentralen Metallleiter enthalten.
10. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandselemente so ausgebildet sind, daß sie einen gleichen Widerstandswert oberhalb einer Frequenz von etwa 10 kHz besitzen.
11. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Last eine elektroexplosive Vorrichtung ist, für die das Filter einen Schutz gegen zufällig induzierte Hochfrequenzenergie schafft. -
12. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ersten sich gegenüberliegenden Widerstandselemente einen aus einer Chromnickellegierung bestehenden Draht aufweisen und die beiden zweiten sich gegenüberliegenden Widerstandselemente einen Eisendraht aufweisen, der einen Gleichstromwiderstandswert besitzt, welcher gleich demjenigen der beiden ersten sich gegenüberliegenden Widerstandselemente ist, so daß das Brückenfilter sich bei niedrigen Frequenzen im Gleichgewicht und bei hohen Frequenzen im Uingleichgewicht befindet.

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13· Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandselemente der beiden ersten sich gegenüberliegenden Brückenzweige massive Leiter sind und daß die Widerstandselemente der beiden zweiten sich gegenüberliegenden Brückenzweige einen äußeren Teil aus dem gleichen Material wie die Elemente in den beiden ersten sich gegenüberliegenden Brückenzweigen und einen Kern aus einem zweiten leitenden Material aufweisen.
14. Filter nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandselemente der beiden
ersten sich gegenüberliegenden Brückenzweige aus einer Nickeleisenlegierung bestehen.
15. Filter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandselemente der beiden
zweiten sich gegenüberliegenden Brückenzweige einen aus Kupfer bestehenden Kern aufweisen.

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