DE378793C - Magnetischer Verstaerker zur Beeinflussung von Hochfrequenzstroemen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Weiterbildung
der bekannten Vorrichtungen, die in einer
Drosselspule bestehen, deren Induktanz durch
Überlagerung einer von dem zu verstärkenden Strom erzeugten Magnetisierung ver- ■ änderlich ist. Solche magnetische Verstär- : ker sind insbesondere in der drahtlosen TeIephonie und Telegraphie anwendbar. Die
Zeichnung zeigt in Abb. 1 die Schaltung für ', eine beispielsweise Ausführungsform des Er- 1 findungsgegenstandes. In der Abb. 2 ist die j bevorzugte Ausführungsform des magneti- ; sehen Verstärkers und seiner Wicklungen j dargestellt. Abb. 3 zeigt schaubildlich die !

Volt-Ampere-Charakteristik des Verstärkers .' unter verschiedenen Betriebsverhältnissen. Abb. 4 zeigt die vereinigten Volt-Ampere-Charakteristiken eines Hochfrequenzerzeugers und eines magnetischen Verstärkers für verschiedene Werte des Regelstromes und Abb. 5 zeigt eine abgeänderte Schaltung.

In Abb. ι bezeichnet 1 die Ankerwicklung des Hochfrequenzerzeugers, 2 seinen Läufer, welcher von einem Motor 3 angetrieben wird. Die Ankerwicklung 1 speist mittels des Transformators 4 induktiv die Antenne 5. Die Wechselstromwicklungen 6 und 7 des magnetischen-Verstärkers sind im Nebenschluß zur Sekundärwicklung des Transformators 4 und untereinander parallel geschal-

tet. Ein regelbarer Kondensator 8 ist in Reihe mit beiden Wicklungen und Kondensatoren 9 und io sind mit den Wicklungen 6 und 7 einzeln in Reihe geschaltet. Ein weiterer Kondensator ii kann im Nebenschluß zu beiden Wechselstromwicklungen geschaltet sein. Durch Änderung des die Wicklungen 6 und 7 durchsetzenden Kraftflusses kann die Spannung an den Klemmen der Sekundärwicklung des Transformators 4 und entsprechend die Stärke des zur Antenne fließenden Stromes verändert werden. Zu diesem Zweck dienen zwei Regelwicklungen 12 und 13. Die Wicklung 12 wird aus einer Gleichstromquelle 14 konstanter Spannung gespeist und der Wert des Stromes in diesem Kreise durch einen Regelwiderstand 15 derart eingestellt, daß sich im Magnetkreis des Verstärkers der gewünschte Sättigungsgrad ergibt. Die Wicklung 13 wird von dem zu übermittelnden bzw. zu verstärkenden Strom gespeist, welcher beispielsweise von der Sekundärwicklung eines Transformators 16 geliefert wird, dessen Primärkreis einen TeIephonübertrager 17 und die übliche Ortsbatterie 18 enthält. In den Stromkreis der Wicklung 12 ist vorzugsweise ein hoher induktiver Widerstand 19 eingeschaltet, um zu verhüten, daß in diesen Stromkreis durch die Wicklung 13 stärkere Ströme induziert werden. Es ist ferner wünschenswert, daß- der Stromkreis der Wicklung 13 auf die häufigste Frequenz jenes Stromkreises abgestimmt ist, und hierzu dient ein regelbarer Kondensator 20 im Stromkreis der Wicklung 13. Dieser Kondensator wird vorzugsweise durch einen Widerstand 21 überbrückt, damit der Stromkreis nicht zu stark anspricht.

Durch die beschriebene Anordnung können durch die kleinen Energieschwankungen, die im Telephonkreis durch Änderung des Widerstandes des Übertragers iy hervorgerufen werden, viel größere Schwankungen der von der Antenne ausgestrahlten Energie erzeugt werden. Theoretisch kann die Verstärkung der Stromschwankungen so groß werden, wie das Verhältnis zwischen der Frequenz des in den Wechselstromwicklungen fließenden ! Hochfrequenzstromes zur Frequenz des in ' der Regelwicklung 13 fließenden, zu verstär- ; kenden Stromes. j

Abb. 2 zeigt eine für den magnetischen \ Aufbau des Verstärkers besonders geeignete ^! Bauart, welche im Patent 310907 angegeben ist. Die beiden Wechselstromwicklungen 6 und 7 sind auf Magnetkernen 22 und 23 so untergebracht, daß die von beiden Wicklungen erzeugten Kraftflüsse entgegengesetzte 1 Richtung haben, so daß der von beiden zu- | sammen erzeugte Kraftfluß auf die beiden Kerne und auf die kleinen benachbarten Teile 24 des Magnetgestelles beschränkt ist. Die Wicklung 25, die den Regelstrom führt, ist I um beide Kerne gewickelt, und der von ihr ■ erzeugte Kraftfluß durchsetzt beide Kerne 22 ι und 23 in der gleichen Richtung und durch- : setzt auch die äußeren Schenkel 26 des Ma- ', gnetgestelles. Von den Kraftflüssen der Wicklungen 6 und 7 wird jede Windung der Regelwicklung 25 in entgegengesetzten Riehj tungen durchsetzt, so daß alle in dieser Wicklung durch den Hochfrequenzkraftfluß j erzeugte elektromotorischen Spannungen sich j innerhalb jeder Windung aufheben. Die I Regelwicklung 25 kann auch, wie Abb. 1 j zeigt, aus zwei Teilen 12 und 13 zusammenj gesetzt sein.

! Magnetische Verstärker der beschriebenen Art können in zwei verschiedenen Weisen betrieben werden. Wenn die beiden Hochfrequenzwicklungen 6 und 7 in der bisher üblichen Weise in Reihe geschaltet sind, dann ist der Strom in diesen beiden Wicklungen jederzeit gleich groß und der resultierende Kraftfluß kann sich selbst gemäß der Permeabilität des Eisens einstellen, so daß die an den Klemmen der Hochfrequenzwicklung erscheinende Spannung eine veränderliche ; Funktion wird, die von der Stromverteilung j abhängt. Wenn dagegen die beiden Spulen — und dies bildet den Gegenstand der Erfindung — zueinander parallel geschaltet sind, wie Abb. 1 zeigt, dann ist das Verhältnis der Ströme in den beiden Wicklungen ό und 7 unbestimmt, dagegen ist die Kraftflußschwankung in beiden Zweigen des mittleren Schenkels zwangsweise die nämliche. In der Abb. 3 zeigt die Schaulinie A die Volt-Ampere-Charakteristik der Wechselstromwicklungen für die erste Schaltung und die Schaulinie B für die zweite Schaltung. Diese beiden Schaulinien wurden durch Messungen in beiden Schaltungen erhalten, wobei die Regelerregung in beiden Fällen denselben konstanten Wert hatte. Die beiden Schaulinien zeigen nun, daß die Volt-Ampere-Charakteristik für die Parallelschaltung eine geringere Krümmung aufweist, wie für die Reihenschaltung und einer geringeren Impedanz entspricht. Die Parallelschaltung ist daher vorteilhafter, denn geringere Impedanz für eine bestimmte Regelerregung bedeutet größere Empfindlichkeit und geringere Krümmung bedeutet, daß größere Ströme geführt werden könen, ohne eine Instabilität zu verursachen, wie noch später gezeigt werden wird.

Bei der Parallelschaltung werden die Kraftflußschwankungen durch den Strom erzwungen, welcher in dem durch die zwei parallel geschalteten Wicklungen gebildeten Kurzschlußkreis fließt. Der in diesem Kurzschlußkreis induzierte Strom sucht jeder An-

derung des mittleren Kraftflusses entgegenzuwirken. Der Telephonstrom der Regelwicklung verursacht daher einfach nur einen entsprechenden Kurzschluß zwischen den .beiden Hochfrequenzwicklungen, ohne die gewünschten Kraftnußschwankungen hervorzurufen. Diese Schwierigkeit kann jedoch überwunden werden, indem man sich den Umstand zunutze macht, daß die Hochfrequenzwicklungen nur bei Radiofrequenzen wirksam sein müssen, die viel höher sind als die Frequenz des Telephonstromes. Es läßt sich daher für die Kondensatoren 9 und ro ein Wert finden, bei welchen der Stromkreis der beiden Hochfrequenzwicklungen für die Hochfrequenzströme als Kurzschluß und für den Telephonstrom praktisch wie ein offener Stromkreis wirkt.

Der Strom der Hochfrequenzwicklung sucht den mittleren Kraftfluß herabzudrükken, weil der Kraftfluß schneller abnimmt, wenn der Hochfrequenzstrom dem Regelstrom entgegengesetzt ist, als er zunimmt, .wenn der Hochfrequenzstrom mit der Regelerregung gleichgerichtet ist. Das Ergebnis ist, daß, je größer der Strom der Hochfrequenzwicklung ist, desto geringer ihr mittlerer Kraftfluß ist, obgleich die Regelerregung konstant gehalten wird. Es wurde ferner oben gezeigt, daß das Maß, in welchem sich der Kurzschlußkreis Änderungen des mittleren Kraftflusses entgegensetzt, durch die Einfügung geeigneter Kondensatoren beeinflußt werden kann, und es kann dies ferner durch Widerstände, Induktanzen oder Kondensatoren im Regelkreis oder in einem besonderen mit dem Kraftfluß verketteten Stromkreis beeinflußt werden.

Um zu zeigen, daß der magnetische Verstärker vorteilhaft zur Überwachung der Spannung eines Hochfrequenzerzeugers benutzt werden kann, sei auf die in Abb. 4 dargestellten Charakteristiken des Erzeugers Bezug genommen. In dieser Abbildung ist die Spannung des Wechselstromerzeugers als Ordinate und die Stromstärke im Nebenschlußkreis als Abszisse aufgetragen/und es stellen die Schaulinien G₁ G', G" die Charakteristiken des Wechselstromerzeugers für verschiedene Energieabgaben dar. Der magnetische Verstärker sei wie bei Abb. 1 im Nebenschlußkreis angeordnet und seine VoIt-Ampere-Charakteristiken für verschiedene Grade der übergelagerten Erregung seien durch die Schaulinien H, H', H" ... - dargestellt. Die Schaulinie H bezieht sich auf den Fall, daß die Regelwicklung nicht erregt ist. Die Schnittpunkte beider Kurvenscharen geben die Spannungen des Wechselstromerzeugers bei den entsprechenden Erregungen des Verstärkers. Die Schaulinien zeigen, daß sich die Spannung des Wechselstromefzeugers bei zunehmender Erregung des Verstärkers dem Werte Null nähert, und es ist auf diese Weise möglich, eine wirksame Übertragung, z. B. telegraphischer Zeichen, zu erzielen, ohne die Stromaufnahmefähigkeit der Regelwicklung des Verstärkers zu überschreiten. Dies genügt aber noch nicht für eine telephonische Übermittlung, weil noch die lineare Proportionalität zwischen der Spannung des Wechselstromerzeugers und dem Regelstrom des Verstärker fehlt. Die beschriebenen Verbesserungen in der Charakteristik des Verstärkers haben die Wirkung, nicht nur diese lineare Proportionalität zu gewährleisten, sondern auch einen viel höheren Grad der Empfindlichkeit. Das Wesen dieser Verbesserungen kann gleichfalls aus den VoIt-Ampere-Charakteristiken erklärt werden. Diese Volt-Ampere-Charakteristiken bilden eine vom Koordinatenursprung ausstrahlende Kurvenschar, deren jede einer bestimmten Regelerregung entspricht. Für die vollständige Regelung des Hochfrequenzerzeugers, d. h. für die Änderung seiner Spannung von Null bis zu einem Höchstwert wäre es erwünscht, daß die erste Kurve der genannten Schar mit der Y-Achse und die letzte mit der X-Achse zusammenfällt und daß die übri- _go gen Kurven gleichförmig auf die Zwischenfläche zwischen diesen Grenzlagen verteilt sind. Statt dessen fallen aber die Verstärkercharakteristiken in einen bestimmten Winkelraum, welcher nur wenig mehr als die Hälfte des beschriebenen Winkelraumes deckt. Dieser Übelstand kann zu einem großen Teil überwunden werden, indem ein Teil der Spannung der Verstärkerwicklung durch einen geeigneten Reihenkondensator 8 neutralisiert wird, derart, daß der Stromkreis mittönt, wenn die Antennenstrahlung ihren Höchstwert hat, und indem ein Teil des Stromes durch einen geeigneten Nebenschlußkondensator 11 neutralisiert wird, derart, daß der die Wechselstromwicklungen und den Nebenschlußkondensator umfassenden Stromkreis mittönt, wenn die Antennenstrahlung ibren Mindestwert hat. Wenn der Kondensator so gewählt ist, daß er die Induktanz der Verstärkerwicklung bei einem bestimmten Wert der übergelagerten Erregung genau neutralisiert, dann ist die resultierende Impedanz bei dieser Erregung ein Minimum und bei jeder schwächeren Erregung ist die Impedanz bestimmt durch die Differenz zwischen der induktiven Reaktanz der Verstärkerwicklung und der kapazitiven Reaktanz des Reihenkondensators. Je kleiner die Differenz ist, desto niedriger wird die Verstärkererregung, welche die geringste Impedanz liefert, und der entsprechende Mindestwert der Spannung des Wech-

selstromerzeugers. Dies bedeutet, daß die Empfindlichkeit des Verstärkers erhöht ist, da eine geringere Erregung erforderlich ist, um die Spannung des Wechselstromerzeugers herabzusetzen. Die auf diese Weise erhältliche Zunahme der Empfindlickeit ist jedoch nicht unbegrenzt. Wenn nämlich die kleinste Impedanz durch das Zusammenwirken einer großen induktiven und einer großen kapazitiven Reaktanz erreicht ist, dann werden die Kernverluste durch Hysteresis und Wirbelströme merkbar und erscheinen als äquivalenter Widerstand, welcher nicht neutralisiert werden kann.

Die Spannung, die sich durch das Zusam- : menwirken von Wechselstromerzeuger und ; Verstärker ergibt, bestimmt sich durch den Schnittpunkt der Erzeuger- und Verstärkercharakteristiken. Wenn diese Schaulinien scharf bestimmte Schnittpunkte aufweisen, : dann entspricht jeder Erregung des Verstärkers eine bestimmte Spannung des Erzeugers. Wenn dagegen der Verlauf dieser Schaulinien ein derartiger ist, daß sie an einer bestimmten Stelle zueinander parallel werden oder sich berühren, dann ist der Schnittpunkt unbestimmt, und das Ergebnis ist eine Instabilität und die Erzeugung selbsterregter Schwingungen. Die Bedingungen für die In-Stabilität können durch die in Abb. 4 gestrichelt eingezeichneten Schaulinien dargelegt werden. Wenn ein Reihenkondensator von solchem Wert benutzt wird, daß seine \ Spannungscharakteristik durch die Schau- | linie C dargestellt wird, dann wird die resul- j tierende Charakteristik des Nebenschlußkrei- ; ses für verschiedene Werte der Erregung durch die Differenz zwischen dieser Schaulinie und den Schaulinien H, H', Ji" ... dargestellt. Hierdurch wird beispielsweise die Schaulinie H auf die durch die Schaulinie H₁ dargestellte Lage herabgedrückt, und die Schaulinie H"" wird praktisch mit der X-Achse zusammenfallen. Die neuen Schaulinien haben sämtlich scharf bestimmte Schnittpunkte mit den Schaulinien des Stromerzeugers, und der Betrieb wird daher ! bei allen dargestellten Belastungen stabil sein. ! Wenn dagegen ein Kondensator von solcher Kapazität benutzt wird, daß seine Span- ■ nungscharakteristik durch die Schaulinie C" | dargestellt wird, dann wird die Resultierende der Schaulinie H und der Kondensatorcharakteristik durch die Schaulinie H₂ dargestellt. Diese Schaulinie berührt die Charakteristik G des Stromerzeugers, und daher ist für diese Energieabgabe des Stromerzeugers und diesen besonderen Wert der Erregung der Betrieb nicht stabil. Bei größerer Erregung des Verstärkers wird ersichtlich der Instabilitätspunkt bereits bei kleinerer Energieabgabe des Stromerzeugers erreicht.

Die in Abb. 5 dargestellte Ausführungsform stimmt zum größten Teil mit derjenigen der Abb. 1 überein, nur ist in diesem Fall auf dem Hochfrequenzerzeuger eine getrennte Ankerwicklung 27 vorgesehen, die den Strom für den Betrieb eines zweiten Verstärkers 28 liefert. Der Kraftfluß durch die Hochfrequenzwicklungen dieses Verstärkers wird in derselben Weise überwacht wie derjenige des Verstärkers der Abb. 1. Die auf diese Weise in der Sekundärwicklung eines Transformators 29 erzeugten, veränderlichen Hochfrequenzströme werden durch einen Gleichrichter 30 gleichgerichtet und der Regelwicklung 13 des ersten Verstärkers als pulsierender Gleichstrom geliefert. Auch bei dieser Ausführungsform könnten die Verstärker je eine zweite Regelwicklung mit konstanter Erzeugung besitzen wie bei Abb. 1. Diese konstante Gleichstromerregung kann erforderlichenfalls auch derselben Wicklung zugeführt werden, welche den veränderlichen, zu verstärkenden Strom führt, wie in der Abb. 5 für die Regelwicklung 31 des Verstärkers gezeigt ist.

Claims (4)

Patent-Ansprüche:

1. Magnetischer Verstärker zur Beeinflussung von Hochfrequenzströmen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wechselstromwicklungen des Verstärkers untereinander parallel geschaltet sind.

2. Magnetischer Verstärker nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß den W echselstromwicklungen Einzelkondensatoren vorgeschaltet sind.

3. Magnetischer Verstärker nach An-Spruch ι oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Wechselstromwicklungen des Verstärkers gemeinsam ein Kondensator vorgeschaltet und ein Kondensator parallel geschaltet ist.

4. Kaskadenschaltung magnetischer Verstärker nach Anspruch i, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die verstärkten Ströme eines solchen Verstärkers nach ihrer Gleichrichtung der Regel wick- no lung eines zweiten Verstärkers zugeführt werden.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen.