DE2548001A1

DE2548001A1 - Induktive reaktanzschaltung mit hohem q-wert

Info

Publication number: DE2548001A1
Application number: DE19752548001
Authority: DE
Inventors: Karl Bo Lindell
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1974-11-15
Filing date: 1975-10-27
Publication date: 1976-05-20
Also published as: GB1516158A; DK514175A; DE2548001C3; DE2548001B2; SE378954B

Description

Telefonaktiebolaget L M Ericsson, Stockholm, Schweden

Induktive Reaktanzschaltun j mit hohem Q-Wert

Die Erfindung betrifft eine induktive Reaktanzschaltung mit hohem Q-Wert mit einer aus einer ersten und einer zweiten induktiven Wicklung bestehenden Gegeninduktivität, wobei die Wicklungen gegenseitig magnetisch miteinander gekoppelt sind. Insbesondere betrifft die Erfindung eine induktive reaktanzschaltung mit hohem Q-Wert insbesondere innerhalb des Tonfrequenzbereiches, wobei die Schaltung durch eine Gegeninduktivität gebildet wird, die als Rückführungsnetzwerk mit einem aktiven Verstärkerelement verbunden ist, wie beispielsweise einem Operationsverstärker .

Die Erfindung ist hauptsächlich bestimmt zur Verwendung in einem Tonempfänger eines mobilen Radiosystems, in dem eine Tonspule in einer Resonanzschaltung enthalten ist, um den gewünschten Ton durchzulassen; als Beispiel wird auf die schwedische Patentschrift 356.197 verwiesen. Die Erfindung kann jedoch ebenfalls beispielsweise in Filterschaltungen angewendet werden, in denen die darin enthaltenen Induktivitäten jede eine derartige Kerngröße und einen derartigen Q-Wert aufweisen, daß die Kupferverluste vorherrschen. Mittels des Erfindungsgedankens kann eine Verbesserung und eine Stabilisierung des Q-Wertes ohne wesentliche Erhöhung der Kosten erzielt werden. Der Erfindungsgedanke läßt sich somit auf solche Induktivitäten anwenden, die dasselbe Äquivalent- bzw. Ersatzschaltbild aufweisen, wie ein Luftspalt-Transformator mit Reihenverlusten.

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Ein Beispiel für eine Induktivität, die innerhalb des Tonfrequenzbereiches verv/endet wird, ist eine zur Erreichung eines hohen Q-Wertes auf einen Ferritkern gewickelte* Spule. Die Größe des Q-Wertes hängt dann von der Größe des Kernes ab, und es sollte zur Erzielung eines hohen Q-Wertes ein Kern mit relativ großem Querschnitt verwendet werden, der jedoch zu Platzschwierigkeiten führen kann. Wenn kleinere Kerngrößen verwendet werden, so können Schwierigkeiten wegen zu niedriger Q~Werte entstehen.

Es ist bereits bekannt, zur Erhöhung des Q-Wertes einer Tonfrequenzspule diese Spule an einen Oszillatorkreis anzuschließen, der einen Rückkopplungsverstärker enthält. Auf diese Weise wird ein äquivalenter negativer Widerstand in Reihe mit dem Wicklungswiderstand der Spule eingeführt. Die Größe dieses negativen Widerstandes, d.h. der Rückkopplungsgrad, kann dann so eingestellt werden, daß der gewünschte Q-Wert erzielt wird. Nachteilhaft ist jedoch bei dieser bekannten Schaltung, daß der so erzielte Q-Wert gegen VerstärkungsSchwankungen in dem im Oszillator enthaltenen Rückkopplungsverstärker empfindlich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Induktivität zu schaffen, die einen hohen und stabilen Q-Wert innerhalb des Tonfrequenzbereiches aufweist.

Diese Aufgabe wird durch eine induktive Reaktanz der eingangs beschriebenen Art gelöst, die gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß die erste Wicklung teilweise oder als Ganzes an den Steuereingang eines Verstärkerelements mit hoher Eingangsimpedanz angeschlossem ist und ein Endpunkt der zweiten Wicklung mit dem Ausgang des Verstärkerelements verbunden ist, wobei der Eingang der Schaltung durch wenigstens einen der Endpunkte der induktiven Wicklungen gebildet ist. Der Erfindungsgedanke basiert auf der Beobachtung, daß eine Induktivität, bei-

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spielsweise eine Ferritkernspule, innerhalb des Tonfrequenzbereiches einen Wicklungswiderstand aufweist, der zu einem widerstandsmäßigen Gleichspannungsabfall führt, welcher eine erniedrigende Auswirkung auf den Q-Wert der Spule zeigt. Gemäß dem Erfindungsprinzip kann jedoch dieser Gleichspannungsabfall durch Bildung einer Schaltung kompensiert werden, die aus einer Gegeninduktivität in einer Rückkopplungsschleife mit negativer Rückkopplung (Gegenkopplung) besteht. Durch Verwendung der unbelasteteten Blindspannung auf der unbelasteten Sekundärseite der Gegeninduktivität als Referenzspannung kann die Eingangsimpedanz fast vollständig reaktiv gemacht werden, wodurch ein sehr hoher Q-Wert erzielt werden kann.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 das Ersatzschaltbild einer Gegeninduktivität zur Erläuterung des grundlegenden Erfindungsgedankens;

Fig. 2 ein Schaltbild einer induktiven Reaktanzschaltung gemäß der Erfindung zur Erläuterung des Prinzips; und

Fig. 3 eine Ausftihrungsform der erfindungsgemäßen Reaktanzschaltung für den Fall der Verwendung eines Operationsverstärkers .

Zur detaillierten Erläuterung cies grundlegenden Erfindungsgedankens wird Bezug auf Figur 1 genommen, welche ein Ersatzschaltbild eines Luft-Transformators mit auf der Sekundärseite unbelasteten Kupferverlusten zeigt. Diese Ersatz- oder Äuqivalentschaltung ist anzuwenden auf eine Spule mit einem Ferritkern im Tonfrequenzbereich, d.h. Frequenzen bis zu etwa 100 kHz, in der die Kupferverluste dominieren. Der Widerstand und die Induktivität der

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Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators sind jeweils mit R1 , L1 und R2, L2 bezeichnet. Die Gegeninduktivität ist mit M bezeichnet. Wenn die Eingangsimpedanz des Transformators mit 7Λ bezeichnet wird, so ist Z1 = R1 + jw (L1 + M). Wenn zur Vereinfachung LI = L-M gewihlt wird, so ist Z1 = R1 + JwL. Wenn ein Strom 11 durch die Primärseite des Transformators fließt, so ist die Eingangaspannung U1 = R1.I1 + jwL.I1. Diese Spannung hat somit eine rein widerstandsmäßige Spannungskomponente. Wenn angenommen wird, daß der Transformator unbelastet ist, so ist der Sekundärstrom = O,und die Sekundärspannung U2 = jwM.I1 weist nur eine Blxndspannungskomponente auf. Nach dem Erfindungsgedanken wird diese Blindspannungskomoonente als Referenzspannung in einem Rückführungskreis verwendet, in dem die Eingangsspannung so gesteuert wird, daß sie gleich der Referenzspannung ist. Somit wird eine Eingangsspannung U1 = jwM.I1 erhalten, die im Idealfall eine reine Blindkomponente umfaßt, wodurch ein hoher und stabiler Q-Wert erzielt wird.

Das Schaltbild geraSS Fi-gxar 2 aeigt die Ersatzschaltung einer Gegeninduktivität, <3ie mit einer Steuerschaltung verbunden ist» um das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip ζό erläutern. Wie in der Schaltung nach Figur 1 besteht die Gegen!nduktivitat aus einer Primärwicklung mit der Induktivität L1 und dem Widerstand R1 -und einer Sekundärwicklung mit der Induktivität L2 und dein Widerstand R2« Ein Ende dieser Wicklung bildet den Eingang des gemeinsamen Kreises« Ein Ende der Sekundärwicklung ist mit dem Eingang einer Verstärkereinheit AF verbunden _t deren Eingangsimpedanz so hoch angenommen werden soll, daß ihr Eingangsstrom vernachlässigbar im Vergleich zum Eingangs strom I ist. Die Verstärkereinheit AF besitzt eine Verstärkung -F, wobei das Minuszeichen andeutet, daß das ankommende Signal um 180° phasenverschoben wird. Die beiden anderen Abgriffe der GegeninduktivitSt sind an den gemeinsamen Verbindungspunkt bzw. an den Ausgang der Verstärkereinheit AF angeschlossen. %ut Vereinfachung der nach-

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stehend angegebenen Berechnungen wird angenommen, daß L1 = L - M. Der gemeinsame Erdungspunkt der Schaltung ist in Figur 2 mit O bezeichnet. Zur Bestimmung der Eingangsimpedanz Z der Schaltung wird angenommen, daß eine Spannung U zwischen dem Eingangsanschluß und dem Erdpunkt erscheint, wenn der Strom I in der Schaltung fließt. Der Strom zum Eingang des Verstärkers wird vernachlässigt, weil dessen Eingangsimpedanz hoch ist. Dann können die folgenden Gleichungen angegeben werden:

U = jwM.I + Jw(L-M)I + R1.I + U2 ü = jwM.I + U1
U2= F.U1

Nach Zusammenfassung dieser Gleichungen ist die Eingangsimpedanz Z gegeben zu

_ _ U jwL + R1 + jwM.F
^Z ~ I " 1 + F

Aus diesem Ausdruck ergibt sich der Q-Wert zu

η W(L + M.F) W MF
Q _ ^ -j—

Da der Faktor F in einer normalen Verstärkereinheit hoch ist, ist es ersichtlich, daß eine Reaktanz mit hohem Q-Wert durch Anwendung des Prinzips gemäß Figur 2 erzielt werden kann. Als Beispiel wird ein Vergleich mit einer Spule durchgeführt, die die Induktivität M und den Wicklungswiderstand R1 sowie einen Q-Wert Qo = ipr aufweist. Es stellt sich heraus, daß der Q-Wert in der Schaltung nach Figur 2 gleich Qo.F ist, d.h. F-mal größer ist. Wenn die Verstärkung F konpLex ist, so ist der oben errechnete Wert der Eingangsimpedanz Z immer noch richtig, und der Q-Wert wird ungefähr

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Bei der Ausführungsform gemäß Figur 3 ist eine induktive Reaktanzschaltung gemäß der Erfindung dargestellt. In dieser Schaltung wird als Verstärkerelement ein Operationsverstärker GP verwendet» Die Gegeninduktivität wird durch zwei Spulenwicklungen S1 und S2 gebildet, die jede jeweils einen Wicklungswiderstand ΡΛ bzw, R2 und die Induktivitäten Li bzw. L2 aufweist. Die Wicklung S2 ist mit Abgriffen versehen, die schematisch durch Punkte im S.quivalenzschaltbild der Induktivität L2 angegeben sind/ wodurch diese Induktivität verändert werden kann, Dann ändert sich auch der Wicklungswiderstand R2, zur Klarheit wurde jedoch dies nicht dargestellt, da diese Änderung die Funktion der Schaltung nicht beeinflußt* Durch Ändern der Induktivität 1.2 kann die Reaktanz der gesamten Schaltung geändert werden, wie aus der folgenden Erläuterung deutlich wird«

Die Wicklung R2, L2 ist mit dem positiven Eingang des Verstärkers und mit dem gemeinsamen Erdungsanschluß O verbunden, und die Wicklung R1 _f L1 ist mit dem Eingang der Schaltung und mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden. Einerder Abgriffe eines Widerstandsspannungsteilers SP ist mit dem negativen Eingang des Verstärkers verbunden, und die anderen swei Abgriffe des Spannungsteilers sind zwischen den Eingang der Schaltung und den Erdüiugsanschluß O geschaltet. Die Tel!widerstände des Spannungsteilers sind mit Ra und Rb bezeichnet. Der Widerstand der Widerstände Ra und Rb wird dann so gewählt, daß Ra + Rb ^> Q . X, worin Q den gewünschten Q-ifert und X die Reaktanz der Schaltung bezeichnen*

%vx Bestimmung der Eingangsiinpedans der Schaltung wird angenommen , daß eine Spannung υ an ihrem Eingang erscheint, wenn der Strom I durch diese fließt. Der Strom zu den beiden Eingängen des Operationsverstärkers ist vernachlässigbar» da dessen Eingangsimpedanz als groß angenommen wird. Aufgrund der magnetischen Kopplung zwischen den Spulenwicklungen wird in der Wicklung L2 eine elektromotorische Kraft induziert, wobei der Spannungsabfall

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an dieser Wicklung U2 = jwkL.I beträgt, worin der Faktor k den Kopplungsfaktor wie auch die Induktivität des Teiles der gesamten Wicklung L2 enthält, der angeschlossen ist.

Die folgenden Gleichungen können angegeben werden:

U - U1 + (JWL1 + R1 ) .1
U1= F(jwk.L2.I - Ub)

Unter der Annahme, daß L1 = L2 = L und wenn Ub = aU, so erhält man die Eingangsimpedanz Z als

7=2= RI + jwL(kF + 1) .._ R1 + jwL.kF I 1+F.a ~~ F. a

Der Blindteil X der Eingangsimpedanz ist— wL und der Q-Wert der Schaltung ist . Wenn die Verstärkung F komplex ist, so gilt der oben erwähnte Ausdruck r!ür die Eingangsimpedanz Z auch weiterhin und der Ausdruck für den Q-Wert wird ersetzt durch seinen Absolutwert /F/. Es ist ersichtlich, daß die Induktivität der Schaltung entweder durch Ändern des Widerstandsquotienten Ra/Rb des Spannungsteilers SP oder durch Verändern der Verbindung der Abgriffe an einer der Wicklungen, d.h. durch Ändern des Faktors k, geändert werden kann. Wenn der Faktor k.L nicht zu klein ist, so kann ein hoher Q-Wert der Schaltung erhalten werden. Es ist somit möglich, eine variable induktive Reaktanz mit hohem Q-Wert mit der Schaltung gemäß Figur 3 zu erzielen. Dies ist beispielsweise von Bedeutung für einen Tonempfänger in einem mobilen Radiosystem, bei dem eine Tonspule in einem Resonanzkreis enthalten ist, um einen gewünschten Ton in einem bestimmten Toncode durchzulassen.

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Claims

Patentansprüche

1. Induktive Reaktanzschaltung mit hohem Q-Wert mit einer aus einer ersten und einer zweiten induktiven Wicklung bestehenden Gegeninduktivität, wobei die Wicklungen gegenseitig magnetisch miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wicklung (R2, L2) teilweise oder alt Ganzes an den Steuereingang eines Verstärkerelements (AF) mit hoher Eingangsimpedanz angeschlossen ist und

ein Endpunkt der zweiten Wicklung (R1 , L1) mit dem Ausgang des Verstärkerelements verbunden ist, wobei der Eingang der Schaltung durch wenigstens einen der Endpunkte der induktiven Wicklungen gebildet ist.

2. Induktive Reaktanzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkerelement (AF) aus einem Operationsverstärker (OP) mit einem ersten und einem zweiten Steuereingang besteht, wobei der erste Steuereingang mit einem Anschluß der ersten Wicklung (R2, L2) und der zweite Steuereingang mit einem der Endpunkte der zweiten Wicklung (R1, L1) verbunden sind und wobei dieser Endpunkt gleichzeitig einen der Eingangsanschlüsse der Schaltung bildet

und der andere Eingangsanschluß der Schaltung durch den ersten Endpunkt der ersten Wicklung gebildet ist.

3. Induktive Reaktanzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spannungsteiler (SP) zwischen die Eingangsanschlüsse der Schaltung gelegt ist und ein Anschluß des Spannungstellers rait einem der Steuereingänge des Operationsverstärkers (OP) verbunden ist.

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