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Die Erfindung betrifft einen Transformator mit einem Kern aus
weichmagnetischem Material, mit einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung, die damit
stark gekoppelt ist, wobei jede Wicklung aus wenigstens einem drahtförmigen Leiter
besteht.
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Ein Beispiel eines derartigen Transformators ist aus PIRE 47 Nr. 8
(August 1959), S. 1337...1342, bekannt. In vielen Fällen ist es wunschenswert, die
Streuinduktivität des Transformators zu minimisieren, d.h. die Kopplung zwischen den
Wicklungen ist möglichst hoch. Diese Anforderung muß in einem großen
Frequenzbereich erfüllt werden, wenn der Transformator in einem System mit einer großen
Bandbreite zu verwenden ist. Die erwähnte Veröffentlichung gibt eine Beschreibung von
Schritten zum Vergrößern der Kopplung, beispielsweise durch die Verdrillung der
Leiter, die die Wicklungen bilden. Außerdem kann die Verwendung eines
Toroidtransformatorkerns ebenfalls zur Vergrößerung der Kopplung beitragen. In der Praxis wurde
jedoch gefunden, daß Gesamtkopplung der Wicklungen sich nicht auf geeignete Weise
erzielen läßt, so daß etwas Streuinduktivität unvermeidbar ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Transformator eingangs
erwähnter Art zu schaffen, in dem der Effekt der Streuinduktivität in einem großen
Frequenzbereich beseitigt werden kann. Zur Lösung dieser Aufgabe ist der
erfindungsgemäße Transformator dadurch gekennzeichnet, daß er eine dritte Wicklung enthält, die
mit der ersten Wicklung und mit der zweiten Wicklung gekoppelt ist und mit Klemmen
versehen ist, die über einen Kondensator miteinander verbunden werden, wobei die
Leiter, die die erste Wicklung, die zweite Wicklung und die dritte Wicklung bilden,
über wenigstens einen Abschnitt ihrer Länge zur Vergrößerung der Kopplung zwischen
den Wicklungen verdrillt werden.
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Wenn der Wert des Kondensators geeignet gewählt wird, kann der Effekt
der Streuinduktivität in einem vorgegebenen Frequenzbereich durch den Effekt des
Kondensators auf geeignete Weise beseitigt werden. An sich ist bekannt, daß die
Verdrillung der Leiter die Kopplung zwischen den Wicklungen vergrößert, so daß
einerseits die mit Hilfe des Kondensators auszugleichende Streuinduktivität minimisiert
wird, während zum anderen der Kondensator möglichst wirksam mit der
Streuinduktivität in Reihe geschaltet wird, und eine Belastung mit der zweiten Wicklung verbunden
wird, was weiter unten näher erläutert wird.
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Es sei bemerkt, daß ein Transformator mit einer dritten Wicklung mit
einem zwischen seinen Klemmen angeschlossenen Kondensator an sich aus US-A-4 339
706 bekannt ist. Jedoch muß in diesem Transformator die Streuinduktivität einen gut
definierten Wert haben, die nicht möglichst klein ist. Magnetische Nebenschlüsse
werden zum Vergrößern der Streuinduktivität vorgesehen.
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Es kann vorteilhaft sein, den Kondensator variabel herzustellen.
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Für hohe Frequenzen läßt sich annehmen, daß der Kondensator in Reihe
mit der Streuinduktivität und mit der Belastung angeschlossen wird. Daher ist es
vorteilhaft, wenn die Anzahl der Windungen der dritten Wicklung gleich der der
zweiten Wicklung ist. Der Kondensator hat dabei seinen wirklichen Wert in der
Reihenschaltung statt eines durch Transformation erhöhten oder verringerten Werts.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen
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Fig. 1 einen Schaltplan eines bekannten Transformators und einer damit
verbundenen Belastung,
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Fig. 2 ein gleichwertiges Diagramm des in Fig. 1 dargestellten
Transformators,
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Fig. 3 ein gleichwertiges Diagramm einer abgewandelten Ausführung des
Transformators nach Fig. 1,
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Fig. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Betriebs der Abwandlung
nach Fig. 3,
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Fig. 5 ein gleichwertiges Diagramm eines Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Transformators,
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Fig. 6 einen Schaltplan einer Schaltung, in der zwei Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Transformators verwendet werden, und
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Fig. 7 den Aufbau eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Transformators.
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In Fig. 1 ist ein Schaltplan eines bekannten Transformators 1 mit einer
ersten Wicklung 3 und einer zweiten Wicklung 5 dargestellt, die auf einem Kern 7 aus
einem weichmagnetischen Material, beispielsweise Ferrit, angebracht sind. Eine
Belastung 11 ist über die Ausgangsklemmen 9 mit der zweiten Wicklung 5 verbunden.
Die erste Wicklung 3 ist mit den Eingangsklemmen 13 verbunden. Wenn der Strom in
der ersten Wicklung 3 gleich i&sub1; zu einem vorgegebenen Zeitpunkt und in der zweiten
Wicklung 5 gleich i&sub2; ist, ist der Magnetfluß in der ersten Wicklung und in der zweiten
Wicklung gleich Φ&sub1; bzw. Φ&sub2;, wobei folgende Beziehung gilt:
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Hierin ist M die gegenseitige Induktivität der zwei Wicklungen, ist K der
Kopplungsfaktor und sind L&sub1; und L&sub2; die Induktivitäten der ersten bzw. der zweiten Wicklung. Für
einen idealen Transformator ist K = 1. Jedoch ist K in der Praxis immer kleiner als 1,
da die Kopplung zwischen den zwei Wicklungen nicht einwandfrei ist. Im
gleichwertigen Diagramm nach Fig. 2 ist der Transformator 1 als idealer Transformator 15 mit
einer ersten Wicklung 17, mit der eine Spule 19 mit einer Induktivität L&sub1;
parallelgeschaltet ist, und mit einer zweiten Wicklung 21 dargestellt, mit der eine Spule 23 in
Reihe geschaltet ist. Die Spule 23 stellt den Effekt des Kopplungsfaktors K dar. Ihre
Induktivität Ls ist gleich L&sub2; (1-K²). Dies wird mit Streuinduktivität bezeichnet.
Der ideale Transformator 15 besitzt einen Koppelfaktor K gleich 1 und ein
Transformationsverhältnis gleich L&sub1;/M:1. Wenn die Belastung beispielsweise ein Widerstand
R ist, wird die zwischen den Eingangsklemmen 13 gemessene Leitfähigkeit Y wie folgt
aussehen:
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Hierin ist ω = 2πf, worin f die Frequenz einer an die Eingangsklemmen 13 gelegte
Sinuswechselspannung ist. Aus obiger Gleichung ist ersichtlich, daß die Leitfähigkeit Y
bei ansteigender Frequenz f abfällt. Dieser Abfall ist größer, wenn K kleiner ist. Die
Änderung von Y kann Reflektionen verursachen, da bei höheren Frequenzen die
Impedanz der vom Transformator mit der Belastung R gebildeten Schaltung immer
weiter abweicht von der Impedanz einer mit den Eingangsklemmen 13 verbundenen
Quelle, beispielsweise eines Leiters eines Zentralantennensystems.
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Der Effekt der Streuinduktivität kann grundsätzlich durch Anschließen
eines geeigneten Kondensators 25 in Reihenschaltung mit der Spule 23 nach Angabe im
gleichwertigen Diagramm nach Fig. 3 reduziert werden. Der Wert Cs des Kondensators
25 wird derart gewählt, daß für eine vorgegebene Frequenz f&sub0; folgendes gilt:
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ω20LsCs = 1
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Fur die Frequenz f&sub0; ist die über die Eingangsklemmen 13 gemessene Impedanz dabei
gleich R, wenn der Transformator 15 ein Übersetzungsverhältnis 1 : 1 besitzt. Die
Änderung der Impedanz Z = 1/Y abhängig von der Frequenz f ist in Fig. 4 dargestellt.
Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß die Impedanz einen Mindestwert R für die gewählte
Frequenz f&sub0; hat und für höhere und niedrigere Frequenzen ansteigt. Dies ist
unerwünscht, wenn die Schaltung auch bei verhältnismäßig niedrigen Frequenzen richtig
arbeiten soll. Daher kann unter derartigen Umständen die beschriebene Lösung unter
Verwendung eines Kondensators 25 in Reihenschaltung mit der Belastung 11 nicht
benutzt werden.
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In Fig. 5 ist ein Schaltplan eines Transformators 27 dargestellt, der nicht
die beschriebenen Nachteile hat. Neben einer ersten Wicklung 29 und einer zweiten
Wicklung 31 enthält der Transformator 27 eine dritte Wicklung 33, der mit
Verbindungsklemmen 35 ausgerüstet ist, die über einen Kondensator 37 miteinander
verbunden sind, der vorzugsweise entsprechend der Darstellung variabel ist. Die
Kopplung zwischen den drei Wicklungen 29, 31 und 33 ist möglichst groß, wodurch die
Streuinduktivität minimisiert wird. Da der Kondensator 37 mit der dritten Wicklung 33
verbunden ist, ist er nicht mit der Belastung 11 für niedrige Frequenzen in Reihe damit
geschaltet, so daß die über die Eingangsklemmen 3 gemessene Impedanz bei niedrigen
Frequenzen nicht ansteigt. Jedoch können bei hohen Frequenzen der Kondesnator 37,
die Belastung 11 und die Streuinduktivität 23 als in Reihenschaltung betrachtet werden,
so daß für die gewählte Frequenz beim Einstellen des Kondensatorwerts die über die
Eingangsklemmen gemessene Impedanz gleich R ist (vorausgesetzt, das
Übersetzungsverhältnis ist 1 : 1). Durch diese große Kopplung zwischen den drei Wicklungen ist der
Wert der Streuinduktivität Ls sehr niedrig, so daß die Schaltungsqualität ω0Ls/R
ebenfalls sehr niedrig ist. Dadurch ist die vom Kondensator 37 eingeführte
Streuinduktivitätausgleich in einem verhältnismäßig großen Frequenzbereich wirksam.
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In Fig. 6 ist ein Beispiel einer Schaltung mit zwei Transformatoren
dargestellt, deren Streuinduktivität auf die anhand der Fig. 5 beschriebene Weise
ausgeglichen wird. Die Schaltung enthält ein Modul 39 für ein Zentralantennensystem,
das über einen Eingangstransformator 41 und einen Ausgangstransformator 43 mit dem
System gekoppelt ist. Die Belastung 11 wird durch das ausgehende Kabelsystem
dargestellt. Das ankommende Antennensystem wird mit einer Spannungsquelle 45 mit
einer Innenimpedanz 47 dargestellt. Der Eingangstransformator 41 enthält eine
Primärwicklung 49, eine Sekundärwicklung 51 und eine Ausgleichswicklung 53, an die ein
variabler Kondensator 55 angeschlossen ist. Das Transformationsverhältnis ist ungleich
1 (beispielsweise 6 : 5) und zum Reduzieren der Streuinduktivität besteht die
Sekundärwicklung aus zwei drahtförmigen Leitern auf die in der vorangehenden niederländischen
Patentanmeldung 90 02 005 (PHN 13.437) beschriebene Weise. Die Ausgleichswicklung
53 enthält die gleich Windungszahl wie die Primärwicklung 49. Die die Wicklungen
bildenden Leiter werden über einen möglichst großen Abschnitt ihrer Länge verdrillt,
um die Kopplung zwischen den Wicklungen auf ein Maximum zu bringen. Der
Ausgangstransformator 43 enthält eine Primärwicklung, eine Sekundärwicklung 59 und
eine Ausgleichswicklung 61, an die ein variabler Kondensator 63 angeschlossen ist. Die
Sekundärwicklung 59 und die Ausgleichswicklung 61 enthalten dieselbe Windungszahl
und die Primärwicklung 57 besteht aus zwei reihengeschalteten Unterwicklungen mit
einem Mittenabzweig 65, an die eine Gleichspannung zum Speisen des Moduls 39 gelegt
wird.
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Der Aufbau des Ausgangstransformators 43 ist in Fig. 7 dargestellt. Der
Ausgangstransformator 43 enthält einen Toroidkern 7 aus Ferrit, auf dem vier
drahtförmige Leiter 69, 71, 73 und 75 gewickelt sind, die möglichst weit verdrillt sind. Die
Leiter 69 und 71 bilden die Primärwicklung 57, der Leiter 73 bildet die
Sekundärwicklung 59 und der Leiter 75 bildet die Ausgleichswicklung 61. Die Isolation wurde von
den freien Enden der Leiter 69...75 entfernt und diese Enden wurden mit Zinn bedeckt.