DE69108862T2 - Drossel, insbesondere für Kurzwellen. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Drossel. Sie betrifft insbesondere den Bereich der Kurzwellen für die Übertragung erheblicher Leistungen wie z.B. 100 kW und mehr, wie sie beispielsweise in einem Rundfunksender vorkommen.
• Ein Beispiel eines Kurzwellensenders, der zwischen 6 und 30 MHz arbeitet, enthält insbesondere einen Anpasserblock mit einer Drossel in Form einer aus mehreren entlang einer Achse nebeneinanderliegenden Windungen bestehenden Spule.
• Die Herstellung einer solchen Drossel, die in einem großen Frequenzbereich arbeiten soll, stellt immer ein delikates Problem dar. Diese Schaltung behält nämlich ihre rein induktive Impedanz nur in einem engen Frequenzbereich bei, da die Störkapazitäten, die mit zunehmender Frequenz auftreten, die Resonanzfrequenz der so gebildeten Schaltung erheblich absenken. Die Schaltung hat aber nur unterhalb dieser Resonanzfrequenz die induktive Impedanz.
• Dies gilt besonders im vorliegenden Beispiel, bei dem die Abmessungen der Schaltung erheblich sind und durch die großen Werte des durchfließenden Stroms, die hohen Spannungen an den Klemmen der Drossel usw. bedingt sind. Diese Dimensionen sind nicht vernachlässigbar gegenüber der Wellenlänge bei den verwendeten Frequenzen.
• Außerdem befindet sich bei einer solchen Drossel, die durch Kurzschließen eines einstellbaren Teils der Länge der Spule regelbar ist, ein von dieser Teillänge der Spule gebildetes totes Ende im Magnetfeld axialer Richtung, das die Spule durchquert. Es ergeben sich dann induzierte Ströme in diesem toten Ende, die das Verhalten der ganzen Drossel verändern.
• Aus der Druckschrift EP-A-0 290 928 ist eine Drossel bekannt mit einem zentralen leitenden Zylinder, mit einem den Zylinder in einer gegebenen Entfernung umschließenden spiralförmigen Leiter, mit einem zwischen dem Zylinder und dem spiralförmigen Leiter einstellbaren Kurzschluß und mit Mitteln, um einen Punkt des spiralförmigen Leiters auszuwählen und an Masse anzuschließen. In dieser Drossel sind vier Säulen um den Zylinder herum parallel zu diesem angeordnet und besitzen Schlitze, die die Windungen des spiralförmigen Leiters festhalten sollen. Eine solche Drossel ist schwierig herzustellen und erfordert sehr viel Genauigkeit bei der Herstellung der Teile und der Montage der Windungen in den Schlitzen.
• Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diese Mängel zu beheben oder zumindest zu verringern.
• Erfindungsgemäß wird dies durch eine Drossel gemäß der Definition von Anspruch 1 erreicht.
• Andere Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines nicht beschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiels anhand der bei liegenden Zeichnungen hervor.
• Figur 1 zeigt schematisch eine variable Drossel gemäß dem Stand der Technik.
• Figur 2 zeigt schematisch im Axialschnitt eine erfindungsgemäße variable Drossel.
• Figur 3 zeigt im einzelnen die Drossel aus Figur 2 mit der Verteilung der magnetischen und elektrischen Feldlinien.
• Figur 4 zeigt im Schnitt eine bevorzugte Ausführungsform der Drossel.
• Figur 5 zeigt eine Schnittansicht gemäß V-V in Figur 4.
• Die in Figur 1 gezeigte bekannte Drossel 1 enthält eine Spule aus einem versilberten Kupferrohr, das spiralförmig gerollt ist und mehrere entlang einer Achse 5 der Spule 1 nebeneinanderliegende Windungen 2 bis 4 definiert. Das Kupferrohr ist hinreichend dick, um eine merkbare Verformung der Spule 1 zu verhindern.
• Ein oberes Ende 6 der Spule 1 ist elektrisch isoliert mit einem Motor 8 verbunden, der auf einer oberen Erdungsplatte 10 über ein Kugellager 9 montiert ist, während ein unteres Ende 7 der Spule in einem Kugellager 13 montiert ist, das seinerseits mit einer unteren Erdungsplatte 14 über einen Kondensator 15 verbunden ist. Ein ortsfester senkrechter Arm 16 erstreckt sich parallel zur Achse 5 der Spule 1 und ist am oberen Ende 6 der Spule 1 befestigt. Ein Gleitkontakt 17 erstreckt sich zwischen dem Arm 16 und der Spule 1 und ist an dieser in einer in Figur 1 nicht gezeigten Form befestigt.
• Zwischen einer Klemme 20 am unteren Ende 7 der Spule und einer Klemme 21 am freien Ende des Arms 16 ergibt sich eine Induktivität regelbarer Größe. Die Regelung der Induktivität ergibt sich folgendermaßen: Beim Einschalten des Motors 8 wird die Spule um ihre Achse 5 in Drehung versetzt, was eine vertikale Verschiebung des Gleitkontakts 17 entlang des Arms 16 zur Folge hat. Daraus ergibt sich eine Veränderung der genutzten Länge der Spule 1.
• Gewisse bei einer solchen Spule auftretende Probleme sind mechanischer Art. Da die Spule nicht über ihre ganze Länge gehalten wird, ergibt sich ihre Steifheit durch einen großen Durchmesser oder eine große Dicke des Kupferrohrs. Außerdem können Verformungen der Spule nicht ganz vermieden werden, die bei deren Drehung die Qualität der elektrischen Verbindung zwischen dem Gleitkontakt 17 und der Spule oder dem Arm verschlechtern.
• Andere Probleme sind elektrischer Natur. Bei hohen Frequenzen reicht oft nur eine Windung, wie z.B., die Windung 4, um den gewünschten Induktivitätswert zu erhalten. Unter diesen Bedingungen bilden die nicht verwendeten Windungen 2 und 3 sowie ein nicht verwendeter Bereich des Arms 16 ein totes Ende, das in dem durch Magnetfeldlinien 22 definierten Magnetfeld H eintaucht. Diese Feldlinien 22 erstrecken sich im ganzen inneren Querschnitt der Spule koaxial zu dieser und schließen sich über die Außenseite der Spule. Das tote Ende verändert also den Induktivitätswert derart, daß er praktisch nicht mehr berechenbar ist, so daß eine genaue Korrektur nicht erfolgen kann.
• Diese Störung ist noch deutlicher bei höheren Frequenzen, wenn die Länge eines solchen toten Endes gegenüber der verwendeten Wellenlänge nicht mehr vernachlässigbar ist. Außerdem verändern die mechanischen Verformungen der Spule den Wert der Störkapazitäten zwischen den Windungen oder zwischen Windungen und dem Arm.
• Beim Gebrauch zeigen sich Störfrequenzen und es treten Störerscheinungen bei harmonischen Vielfachen der Nutzfrequenz auf.
• Daher kommt es, daß es weder durch Messung noch durch Berechnung praktisch möglich ist, das Verhalten einer solchen Drossel vorherzusagen, die in einem Frequenzverhältnis von etwa 4,3 bis 8,6 verwendet wird.
• Eine Drossel 30 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Figur 2 dargestellt. Sie enthält einen zur Achse 32 koaxialen Zylinder 31 aus einem leitenden Material wie z.B, Kupfer. In diesem Beispiel hat der Zylinder einen kreisförmigen Querschnitt und ist an seinen beiden Enden offen.
• Eine Spule 33 ist koaxial im Zylinder 31 angeordnet. Sie besteht aus einem spiralförmig gerollten Leiter, so daß sich zwei Windungen ergeben. In diesem Beispiel ist der Leiter ein Kupferrohr 34.
• Die Spule 33 nimmt bezüglich des Zylinders 31 eine bestimmte Position ein, um eine starke elektromagnetische Kopplung zwischen dem Rohr 34 und dem Zylinder zu fördern und zugleich eine elektromagnetische Entkopplung zwischen den beiden Windungen zu sichern. Dieses Ergebnis wird erreicht, indem ein gegenüber dem Abstand d zwischen einem Zentrum des Rohrs 34 und einer Innenoberfläche 35 des Zylinders 31 großer Abstand D zwischen den Windungen gewählt wird. Versuche haben gezeigt, daß ein Wert D, der mindestens dreimal, und vorzugsweise viermal so groß wie d ist, zufriedenstellende Ergebnisse liefert.
• Die Spule 33 ist auf der Innenseite 35 des Zylinders 31 mit Hilfe von mehreren isolierenden Stützen 36 befestigt, die über ihre Länge verteilt sind, wobei jede Stütze sich senkrecht zur Innenfläche 35 des Zylinders 31 erstreckt und diese mit dem Rohr 34 verbindet. Die isolierenden Stützen sind insbesondere aus Keramik.
• Ein oberes Ende 37 des Rohrs 34 ist unmittelbar auf der Innenfläche 35 des Zylinders 31 befestigt, während ein unteres Ende 40 eine Anschlußklemme bildet. Eine zweite Anschlußklemme 41 ist am Zylinder 31 in der Nähe der Anschlußklemme 40 befestigt. Zwischen den Anschlußklemmen 40 und 41 ergibt sich also eine elektrische Reihenschaltung aus der Spule 33 und dem Zylinder 31.
• Die Drossel 30 ist mechanisch mit einer Erdungsplatte 42 verbunden, aber elektrisch durch isolierende Stützen 43 gegen diese isoliert, die an einem oberen Endrand des Zylinders 31 befestigt sind. Diese isolierenden Stützen sind insbesondere aus Keramik.
• Ein Motor 44 ist an der der Drossel 30 abgewandten Seite der Erdungsplatte 42 fixiert. Er besitzt eine insbesondere metallische Antriebswelle 45, die an einem freien Ende einen Querstab 46 aus isolierendem Material trägt. Der Querstab 46 besitzt an einem freien Ende einen Gleitkontakt 47 mit einer U-ähnlichen Form, dessen Basis 50 am Querstab 46 befestigt ist, und zwei Zweige 51, 52.
• Die Basis 50 und die Zweige 51 und 52 des Gleitkontakts 47 stehen mit dem Rohr 34 in Kontakt, wobei die Zweige weiter mit einem freien Ende auf der Innenseite 35 des Zylinders 31 aufliegen. Der Gleitkontakt 47 bildet eine elektrische lokalisierte Verbindung zwischen der Spule 33 und dem Zylinder 31 und schließt einen oberen Teil der Drossel 30 kurz.
• Der Motor 44 kann der Antriebswelle 45 eine kombinierte Dreh- und axiale Translationsbewegung entsprechend einer Verschiebung des Gleitkontakts 47 auf dem Rohr 34 verleihen. Nicht dargestellte Mittel sind vorgesehen, um Wasser innerhalb des Rohrs 34 umlaufen zu lassen, wenn die Drossel unter Spannung steht.
• Der Betrieb der Drossel wird nachfolgend erläutert. Im Querschnitt gemäß Figur 3 bildet das Rohr 34 mit dem von dem Zylinder 31 gebildeten ebenen Leiter eine unsymmetrische Leitung, deren Länge L der Länge des Rohrs 34 gleicht, wobei diese Leitung kurzgeschlossen ist.
• Bekanntlich verhält sich die unsymmetrische Leitung als eine Induktivität, deren Wert proportional zu L ist, solange L < &lambda;/4 ist, wobei &lambda; die Wellenlänge des Signals auf der Leitung ist.
• Zwischen dem Rohr 34 und dem Zylinder 31 erstrecken sich elektrische Feldlinien 53, die diese beiden Elemente miteinander verbinden, und das Rohr 34 umgebende magnetische Feldlinien 54 senkrecht zu den elektrischen Feldlinien.
• Die Feldlinien werden in einer peripheren Zone 55 um das Rohr 34 herum (siehe Figur 3) eingeschlossen, so daß durch Wahl eines ausreichend großen Abstands D zwischen zwei aufeinanderfolgenden Windungen die peripheren Zonen 55 bezüglich jeder dieser beiden Windungen sich nicht überlagern. Außerdem sind die Feldlinien radial betrachtet in der Nähe des Zylinders 31 eingeschlossen und lassen eine Zone entlang der Achse der Drossel frei von jeder elektromagnetischen Strahlung.
• Die elektromagnetische Strahlung ist also auf einen Raum beschränkt, der durch ein das Rohr 34 umgebendes und auf dieses zentriertes Solenoid definiert ist. Diese Strahlung ergibt sich im übrigen nur entlang eines unteren Teils des Rohrs 34, der nicht kurzgeschlossen ist, und erstreckt sich zwischen dem Gleitkontakt 47 und der Anschlußklemme 40.
• Daher kommt es, daß ein oberer Teil der Drossel, der sich axial zwischen dem Gleitkontakt 47 und dem oberen Ende 37 des Rohrs 34 befindet, in überhaupt kein magnetisches Feld eingetaucht ist und damit den durch einen unteren Teil des Rohrs definierten Induktivitätswert nicht beeinflußt.
• Aufgrund der erheblichen elektromagnetischen Kopplung zwischen dem Rohr 34 und dem Zylinder 31 und der elektromagnetischen Entkopplung zwischen zwei beliebigen benachbarten Windungen der Spule 33 ergibt sich außerdem zwischen dem Rohr und dem Zylinder eine Kapazität, die gegenüber der Kapazität groß ist, die zwischen zwei benachbarten Windungen der Spule 33 existieren könnte, so daß diese letztere Kapazität praktisch gegenüber der ersteren vernachlässigbar ist.
• So verändern die Kapazitäten zwischen Windungen der Spule 33 praktisch nicht den Wert der Induktivität, selbst nicht bei hohen Frequenzen von z.B. 150 MHz.
• Ein anderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Motor 44 und die Antriebswelle 45 nicht in einem Magnetfeld liegen, da sie in einer Zone in der Nähe der Achse der Drossel angeordnet sind. Sie können also keine Störeffekte hervorrufen. Daraus folgt, daß der Motor 44 nicht unbedingt von der Drossel 30 durch die Erdungsplatte 42 getrennt sein muß.
• Der Motor 44 kann entweder als ein von der Drossel 30 getrenntes Teil, das auf einem für diese Bauteile gemeinsamen Träger befestigt ist, oder als ein in die Drossel integriertes Teil ausgebildet sein, das auf einem isolierenden Chassis der Drossel befestigt ist.
• Im Rahmen einer Variante könnte das Rohr 34 außerhalb des Zylinders 31 angeordnet und auf einer äußeren Oberfläche dieses Zylinders befestigt sein.
• Gemäß einer anderen Variante kann die Drossel 30 nicht geregelt werden und enthält daher weder Gleitkontakte noch Mittel zu deren Bewegung.
• In dem in den Figuren gezeigten Beispiel bildet der Zylinder 31 einen Rückleiter für die Drossel 30. In Form einer Variante ist der Rückleiter entlang der Antriebsmittel des Gleitkontakts 47 angeordnet, d.h. entlang des Querstabs 46 und der Antriebswelle 45.
• Eine praktische Ausführungsform der Drossel aus Figur 2 ist in den Figuren 4 und 5 dargestellt. Eine Drossel 60 enthält einen Zylinder 61, in dem ein Rohr 63 einer Spule 62 befestigt ist. Die Drossel 60 ist an einer Platte 64 aufgehängt.
• Ein geschlitztes Rohr 65 mit einem Längsschlitz 66 ist über Kugellager 70, 71 drehbar an seinen beiden Enden auf der Platte 64 und einer weiteren Platte 68 montiert, die auf einem isolierenden Boden 67 der Drossel 60 ruht. Eine Endlosschraube 72 ist koaxial innerhalb des geschlitzten Rohrs 65 angeordnet und erstreckt sich über eine größere Länge als der des geschlitzten Rohrs. Sie ist mit Hilfe von Kugellagern 75, 74 drehbar an ihren beiden Enden auf dem Grund 67 der Drossel 60 und auf einer Platte 73 montiert, die auf der Platte 67 ruht.
• Ein Motor 76 ist auf der Platte 73 befestigt und treibt zwei Ritzel an, nämlich ein Ritzel 81 großen Durchmessers und ein Ritzel 82 kleinen Durchmessers, die mit zwei angetriebenen Ritzeln zusammenwirken, nämlich einem Ritzel kleinen Durchmessers 83, das sich in der Nähe eines Endes der Endlosschraube 72 in der Nähe des Motors 76 befindet, und einem Ritzel großen Durchmessers 84, das an einem Ende des geschlitzten Rohrs 65 in der Nähe des Motors 76 befestigt ist. So ergibt sich eine Vervielfachung der Drehgeschwindigkeit der Endlosschraube 72 und eine Untersetzung der Drehgeschwindigkeit des geschlitzten Rohrs 65.
• Eine Gleitkontakteinheit 90 enthält einen Y-förmigen Läufer 91 mit einem "Stamm" 92 und zwei "Zweigen" 93 und 94. Der Stamm 92 hat eine geringfügig kleinere Dicke als die Breite des Schlitzes 66 im geschlitzten Rohr, und er durchquert diesen Schlitz. Ein freies Ende des Stamms 92 trägt einen mit Gewinde versehenen Zylinder 95, der von der Endlosschraube 72 durchdrungen wird und mit dieser zusammenwirkt. Die beiden Zweige 93, 94 gleichen einander und werden anhand des Zweigs 94 beschrieben, der einen querliegenden Zylinder 96 trägt, in dem ein hohler und an einem Ende offener Kolben 97 angeordnet ist. Von einem Boden 100 des Zylinders 96 aus erstreckt sich im Inneren des Kolbens 97 ein Kern 101. Eine Schraube 102 dringt frei durch den Boden 100 des Zylinders 96 und den Kern 101 und wirkt mit einem Gewinde zusammen, das in den Boden 103 des Kolbens 97 eingearbeitet ist. Eine Spiralfeder 104 liegt zwischen dem Kern 101 und dem Boden 103 des Kolbens 97.
• Eine Außenseite des Bodens 103 des Kolbens 97 trägt eine Lasche 105, die eine Welle 106 trägt. Ein Gleitkontaktträger 107 mit einer allgemein V-förmigen Gestalt ist drehbar auf der Welle 106 in einer mittleren Zone montiert. Der Gleitkontaktträger 107 trägt an jedem seiner beiden Enden einen Gleitkontakt 111, 112, der auf der Innenseite des Zylinders 61 der Drossel 60 und auf dem Rohr 63 dieser Drossel aufliegt. Die Feder 104 drückt elastisch die Gleitkontakte 111, 112 auf die Drossel 60. Die Schraube 102 begrenzt die Bewegung des Kolbens 97 in Richtung aus dem Zylinder 96 heraus.
• Der Gleitkontaktträger 107 ist hohl und kann von einem Kühlfluid durchquert werden (in Figur 4 nicht zu sehen).
• Im Betrieb führt die Drehung des Motors 76 zu einer Drehung der Endlosschraube 72, d.h. zu einer translatorischen Verschiebung der Gleitkontakteinheit 90 entlang der Endlosschraube. Zugleich ergibt sich eine Drehung des geschlitzten Rohrs 65, d.h. eine gleiche Drehung der Gleitkontakteinheit 90 um die Endlosschraube herum. Die Ritzel 81 bis 84 sind so gewählt, daß sie Über- bzw. Untersetzungsverhältnisse erzeugen, mit denen die Gleitkontakteinheit 90 eine Spiralbahn entsprechend der Spiralform des Rohrs 63 der Drossel 60 durchläuft.

Claims (7)

1. Drossel vom unsymmetrischen Leitungstyp,

- mit einem ersten Leiter (31) in Form eines Zylinders,

- mit einem zweiten Leiter (34) in Form einer zum ersten Leiter koaxialen Spirale, die sich in der Nähe des ersten Leiters (31) erstreckt und ein erstes und zweites Ende besitzt,

- und mit Mitteln (36) zum Halten des zweiten Leiters (34) in einer bestimmten Position bezüglich des ersten Leiters (31), dadurch gekennzeichnet, daß das erste Ende des zweiten Leiters (34) mit dem ersten Leiter (31) kurzgeschlossen ist und daß die Haltemittel n isolierende Elemente (36) enthalten, wobei n eine ganze positive Zahl größer 1 ist, und daß diese Elemente den zweiten Leiter (34) in n entlang des zweiten Leiters verteilten Zonen mit dem ersten Leiter (31) verbinden.

2. Drossel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leiter einen Zylinder (31) mit einer Achse (32), einer Innenseite und einer Außenseite besitzt und daß der zweite Leiter (34) sich in der Nähe einer der Seiten des ersten Leiters erstreckt.

3. Drossel nach Anspruch 2, in der der zweite Leiter (34) eine Spule (33) bildet, die im Inneren des Zylinders (31) angeordnet ist, wobei die Windungen der Spule axial voneinander einen Abstand aufweisen.

4. Drossel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei beliebige benachbarte Windungen der Spule (33) axial zueinander einen Abstand (D) von mindestens gleich viermal einem radialen Abstand (d) zwischen dem zweiten Leiter (34) und dem Zylinder (31) aufweisen.

5. Drossel nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine erste Anschlußklemme (40), die vom ersten Ende des zweiten Leiters (34) gebildet wird, und eine zweite Anschlußklemme (41) aufweist, die der ersten benachbart ist und mit dem ersten Leiter (31) verbunden ist.

6. Drossel nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Kurzschlußmittel (65, 72, 76, 90) aufweist, um einen Kurzschluß zwischen dem ersten Leiter (61) und dem zweiten Leiter (63) an einem beliebigen Punkt entlang des zweiten Leiters herzustellen.

7. Drossel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie Kurzschlußmittel (65, 72, 76, 90) aufweist, um einen Kurz schluß zwischen dem Zylinder (61) und der Spule (62) an einem beliebigen Punkt entlang der Spule herzustellen, und daß diese Kurzschlußmittel aufweisen:

- ein geschlitztes Rohr (65) mit einem Längsschlitz (66), wobei dieses Rohr koaxial zum Zylinder (61) liegt und drehbar um die Zylinderachse montiert ist,

- eine Endlosschraube (72), die zum Zylinder (61) koaxial liegt und in dem geschlitzten Rohr (65) um die Zylinderachse drehbar montiert ist,

- einen Läufer (91), der mit der Endlosschraube (72) durch den Schlitz (66) des geschlitzten Rohrs (65) hindurch zusammenwirkt und sich entlang der Endlosschraube (72) bei deren Drehung sowie um die Zylinderachse aufgrund der Drehung des geschlitzten Rohrs (65) verschiebt,

- und Kontaktmittel (90), die auf dem Läufer (91) angeordnet sind, um einen elektrischen Gleitkontakt zwischen einem beliebigen Punkt der Spule (62) und einem benachbarten Punkt des Zylinders (61) herzustellen.