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Schaltung für einen Hochfrequenztransformator Die Erfindung bezieht
sich auf eine Schaltung für einen Hochfrequenztransformator und bezweckt eine derartige
Ausbildung, daß eine Kennlinie erzielt wird, die über einen breiten Frequenzbereich
glatt verläuft.
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Es ist bekannt, daß eine Selbstinduktionsspule nicht ausschließlich
als Träger einer konzentrierten Selbstinduktion aufgefaßt werden darf, sondern daß
insbesondere bei hohen Frequenzen dem Umstand Rechnung getragen werden muß, daß
die Spule verteilte Selbstinduktion und Kapazität besitzt und daß infolgedessen
der Strom in der Spule nicht über die ganze Länge dieselbe Phase aufweist. Es ist
allgemein bekannt, daß eine Selbstinduktionsspule eine eigene Wellenlänge hat, die
durch die verteilte Selbstinduktion und Kapazität bestimmt wird. Die Selbstinduktionsspule
kann in diesem Fall als eine Leitung aufgefaßt werden, auf der durch Reflexion an
den Enden stehende Wellen auftreten. Mit der sogenannten Strahlenspule kann dieses
Auftreten von stehenden Wellen deutlich nachgewiesen werden.
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Es ist verständlich, daß, wenn auf der Spule z. B. eine ganze Wellenlänge
vorhanden ist, die induzierende Wirkung auf eine zweite Spule praktisch Null ist.
Ist die Spule so geschaltet, daß ah den Enden Spannungsknoten auftreten, so wird
die Spule auch dann, wenn sie eine halbe Wellenlänge enthält, praktisch nicht mehr
auf eine zweite Spule induzieren, die z. B. die Sekundärwicklung eines Transformators
bildet, dessen Primärwicklung die erstgenannte Spule ist. Wird die Frequenz, mit
der die Primärspule erregt wird, größer, so daß mehr als eine halbe Wellenlänge
auf ihr liegt, so wird in der Sekundärwicklung wieder Spannung induziert. Es ist
jedoch ersichtlich, daß jedesmal, wenn die Spule eine ganze Anzahl von Halbwellenlängen
enthält, die Sekundärwicklung praktisch unwirksam ist.
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Es ist bekannt, eine gleichmäßige Transformierung über einen breiten
Frequenzbereich dadurch zu erhalten, daß man die Wicklungen des Transformators aus
Widerstandsdraht herstellt, wodurch die Dämpfung vergrößert und die Resonanzkurve
abgeflacht wird. Weiter ist es bekannt, im Ausgangskreis einer Hochfrequenzverstärkerröhre
eine Selbstinduktion üxid einen Widerstand in Reihe zu schalten, um durch Abzweigungen
von diesem Widerstand und der Selbstinduktion eine Spannung beliebiger Phase erhalten
zu können. Mittels dieser bekannten Anordnungen wird jedoch der oben geschilderte
Nachteil nicht beseitigt, ,weil noch immer stehende Wellen auftreten können.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Wicklungen eines
Transformators als Übertragungsleitungen
behandelt werden können.
Um den Frequenzbereich, für den der Transformator wirksam ist, zu vergrößern, wird
erfindungsgemäß mit dem kathodenseitigen Ende mindestens einer Wicklung des Transformators
ein von dieser Wicklung getrennter, mit ihr in dem ihr zugeordneten Arbeitskreis
in Serie liegender Widerstand verbunden, der gleich dem Wellenwiderstand dieser
Wicklung ist. Unter Wellenwiderstand versteht man bekanntlich die Quadratwurzel
aus dem Quotienten von Selbstinduktion und Kapazität der Längeneinheit.
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Wird als Sekundärwicklung eine Spule mit geringer Windungszahl benutzt,
deren Eigenwellenlänge sehr klein ist, so kann für alle Frequenzen unterhalb der
Frequenz, bei der die Primärwicklung eine ganze Wellenlänge enthält, eine große
Stromstärke erhalten werden, da infolge der Reihenschaltung des erwähnten Widerstandes
der Strom in der Primärwicklung des Transformators ein Strom konstanter Amplitude
wird, während die Phase des Stroms nicht wie bei stehenden Wellen in jedem Leiterstück
dieselbe ist, sondern sich allmählich längs der Leitung ändert, und zwar derart,
daß die Phase nach jeder Wellenlänge einmal um 36o' gedreht worden ist. Der Primärstrom
ist nunmehr von der Frequenz völlig unabhängig, da sich die Wicklung auf Grund des
Reihenwiderstandes, durch den Reflexionen vermieden werden, wie eine unendlich lange
Leitung verhält und ihre Impedanz für alle Frequenzen gleich groß; nämlich gleich
dem Wellenwiderstand der betreffenden Wicklung ist.
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Es kann gemäß der Erfindung auch die Sekundärwicklung zu einer Übertragungsleitung
gemacht werden, die über ihren charakteristischen Widerstand geschlossen ist. Es
kann z. B. die Sekundärwicklung an einer Anzahl von Stellen mit Kapazitäten verbunden
werden, deren andere Enden mit einem gemeinsamen Leiter verbunden sind, während
die Enden der Sekundärwicklung je über einen Widerstand, dessen Wert gleich dem
Wellenwiderstand ist, mit demselben gemeinsamen Leiter verbunden sind. Es kann gewünschtenfalls
einer der Widerstände ein beliebiger sein, dem man z. B. den Wert Null oder Unendlich
geben kann.
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Gemäß der Erfindung kann ferner ein Schirm aus leitendem Stoff vorgesehen
sein, der als der zweite Leiter der Übertragungsleitung betrachtet werden kann,
deren erster Leiter durch die Spule gebildet wird. Dieser Schirm ist in bekannter
Weise so eingerichtet, dalS er keine geschlossenen Teile aufweist, die einen Teil
des magnetischen Kraftflusses umfassen; er kann. z. B. mit Längsschlitzen versehen
sein.
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Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert,
in der einige Ausführungsformen beispielsweise dargestellt sind. Fig. i stellt einen
Hochfrequenztransformator dar, der zum Liefern einer, großen Stromstärke dient.
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Fig. 2 ist eine abgeänderte Ausführungsform der Fig. i.
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Fig. 3 stellt einen Transformator dar, bei dem in der Primär- sowie
in der Sekundärwicklung der Strom laufend, d. h. sich (ohne Reflexion) fortpflanzend,
gemacht ist. ' In Fig. i ist i eine Dreielektrodenröhre, und L, bezeichnet die Primärwicklung
eines Transformators. In Reihe mit dieser Primärwicklung ist ein Widerstand R geschaltet,
der mit der Erde A verbunden ist. In Fig. i sind mit C die Kapazitäten der verschiedenen
Teile der Wicklung L1 in bezug auf die Erde angegeben. Die Primärwicklung kann also
als eine Übertragungsleitung mit verteilter Kapazität und Selbstinduktion aufgefaßt
werden. Wird die Kapazität und die Selbstinduktion der Längeneinheit C bzw. L genannt,
so ist der Wellenwiderstand der Leitung Wird der Widerstand R dem Wellenwiderstand
gleich gemacht, so verhält sich die Primärwicklung wie eine Übertragungsleitung
von unendlicher Länge mit einem Wellenwiderstand R. In der Fig. i ist die Sekundärwicklung
mit L2 bezeichnet. Wird angenommen, daß die Anzahl der Windungen der Wicklung L2
viel geringer als die der Wicklung Lt ist, dann kann die Wicklung L2 als eine konzentrierte
Selbstinduktion betrachtet werden. Solange die elektrische Länge der Primärwicklung
kleiner als eine Wellenlänge ist, wird in der Wicklung L2 Spannung induziert. Wird
die elektrische Länge der Wellenlänge gleich, so ist die gesamte in der Wicklung
L2 induzierte elektromotorische Kraft gleich Null. Ohne den Widerstand R würde jedoch
bereits auch bei, einer der halben Wellenlänge entsprechenden Länge der Primärwicklung
die induzierte elektromotorische Kraft gleich Null sein. Die Einrichtung gemäß Fig.
i ermöglicht also die Übertragung eines breiteren Frequenzbereiches.
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In Fig. a ist ein Schirm S vorhanden, der als der zweite Leiter der
Leitung betrachtet werden kann. Der Schirm kann innerhalb oder außerhalb der Primärwicklung
angeordnet sein, aber es muß selbstverständlich dafür gesorgt werden, daß er nicht
als Kurzschlußring für die Primärwicklung wirken kann. Der Schirm weist daher in
bekannter Weise Längsschlitze auf, und es wird dafür gesorgt, daß er keine Teile
aufweist, die in einer geschlossenen Windung das Kraftfeld der Primärspule umschließen.
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In Fig. 3 ist auch die Sekundärwicklung als Übertragungsleitung ausgebildet.
Es sind zu diesem Zweck an verschiedenen Stellen der Sekundärwicklung. kleine künstliche
Kapazitäten K vorgesehen, die andererseits mit einem
gemeinsamen
Leiter 2 verbunden sind. Die Enden der Sekundärwicklung sind über Widerstände R
mit diesem Leiter verbunden. Es ist selbstverständlich, daß auch die Enden der Widerstände
R unmittelbar miteinander verbunden sein können und daß die nicht mit der Spule
verbundenen Enden der Kapazitäten alsdann in demselben Punkt vereinigt werden. Die
Sekundärspannung kann von einem der Widerstände R abgezweigt werden. Die Widerstände
R werden wieder dem Wellenwiderstand der Spule gleichgemacht.
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Der Transformator gemäß Fig. 3 arbeitet wie folgt.
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In der Spule L1 tritt ein laufender Strom auf. Betrachtet man zwei
einander gerade gegenüberliegende Teile der Primär- und der Sekundärspule, z. B.
die Teile an den Punkten 3 und q., so ruft der Teil am Punkt 3 im Teil am Punkt
q. eine elektromotorische Kraft hervor, die einen Strom erzeugt, der sich vom Punkt
q. äus in zwei Richtungen fortpflanzt. - Wenn in Fig. 3 die Ströme sich in der Pfeilrichtung
fortpflanzen, so tritt, wie aus den später zu gebenden Formeln ersichtlich ist,
im Widerstand R am Ende 5 der Sekundärspule ein Strom auf, welcher der Frequenz
proportional ist, während im Widerstand R am Ende 6 der Sekundärspule ein Strom
auftritt, der mit der Frequenz nicht glatt verläuft und der eine rasche Aufeinanderfolge
von Höchst- und Mindestwerten zeigt. Aus diesem Grunde wird die Spannung dem Widerstand
R am Spulenende 5 entnommen.
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Selbst wenn die Fortpflanzungsgeschwindigkeit längs der Sekundärwicklung
derjenigen längs der Primärwicklung nicht gleich ist, wird gegenüber den bekannten
Transformatoren eine Verbesserung erzielt, aber in diesem Fall ist an keinem der
beiden Enden der Strom von der Frequenz unabhängig. Da die Anzahl der künstlichen
Kapazitäten K stets beschränkt ist, kann natürlich praktisch keine vollkommene Unabhängigkeit
von der Frequenz erzielt werden, aber es hat sich herausgestellt, daß sogar bei
einer verhältnismäßig beschränkten Anzahl von Kapazitäten K die Frequenzabhängigkeit
nur gering ist.
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Auf die folgende Weise können die Erscheinungen erklärt werden, die
in den Widerständen R an den Enden der Sekundärwicklung des in Fig. 3 dargestellten
Transformators auftreten.
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Der Strom in der Primärwicklung ist ein laufender Strom, und die Fortpflanzung
findet nur in einer einzigen Richtung statt. Es wird also in der Sekundärwicklung
eine elektromotorische Kraft induziert, die sich gleichfalls nur in einer einzigen
Richtung fortpflanzt.
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Wenn h die ganze Länge der Sekundärwicklung, cl die Fortpflanzungsgeschwindigkeit
in der Primärwicklung, c2 die in der Sekundärwicklung, E die Amplitude der induzierten
elektromotorischen- Kraft und a die Frequenz ist, so kann, wenn x als Längskoordinate
der Sekundärwicklung angenommen wird, die induzierte elektromotorische Kraft in
einem Element dx zur Zeit t durch
dargestellt werden.
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Diese elektromotorische Kraft erzeugt zwei sich in entgegengesetzter
Richtung mit einer Geschwindigkeit c2 fortpflanzende Ströme 1, und J2, deren
Amplitude a . E gesetzt werden kann, wobei a eine Proportionalitätskonstante ist.
Wenn die Gesamtlänge der Wicklung mit lt bezeichnet wird, so daß die Enden die Koordinatenwerte
o und h besitzen, kann man zur Berechnung der resultierenden Stromstärke am Ende
lt wie folgt vorgehen: die Stromstärke 12 im Element d x zur Zeit
herrscht im Augenblick t am Ende h.
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Der Beitrag des Elements dx zu der Stromstärke in
h im Augenblick t ist also
und wenn cl = c2 = c,
Die gesamte Stromstärke in lt ist also
Da E durch magnetische Induktion entsteht, ist E proportional zu a), so daß die
Amplitude des Stroms im Widerstand R der Frequenz proportional ist.
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Für das obere Ende der Sekundärwicklung x = o ergibt sich für
den Strom im Augenblick t,
der von dem Element dx herrührt.
wenn also cl = c2 = c, dann wird
Der Gesamtstrom ist also
Die Amplitude weist also Höchstbeträge für die Frequenzen
und Mindestbeträge für
auf. Das Auftreten von Höchst- und Mindestbeträgen bei x = lt wird nur vollkommen
unterdrückt, wenn die Fortpflanzungsgeschwindigkeit in der Sekundärwicklung derjenigen
in der Primärwicklung entspricht.