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Hochfrequenzspule aus mehreren Teilen Die Erfindung bezieht sich auf
eine ;Hochfrequenzspule, die aus mind-estens zwei in Reihe geschalteten, in axialer
Richtung nebeneinander angeordneten Teilspulen besteht, von denen jede infolge ihrer
Ausführung eine ungleichmäßig über den Spulenleiter verteilte Kapazität und/oder
Induktivität besitzt. Die erfindungsgemäße Hochfrequenzs.pule ist besonders zur
Anwendung in abgestimmten Schwingungskreisen oder auch als Drosselspule geeignet.
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Alle praktisch verwendeten Arten von EI@o,chfreque;nzspulen sind in
ihrem Aufbau innhomogen und weisen daher auch eine mehr oder weniger große Ungleichförmigkeit
der hapazitäts- und Induktivitätsverteilung auf. Solche Ungleichmäßigkeiten der
Reaktanzverteilung sind beispielsweise vorhanden; wenn die einzelnen Windungen einer
Hochfrequenzspule von verschiedener Größe sind oder wenn sich in der Nähe der Spule
ein Leiter von festem Potential befindet. Die elektrische Ungleichförmigkeit der
Spule oder elektrische Verschiedenheit der Spulenelemente hat Nebenerscheinungen
in der Wirkungsweise zur Folge, die gewöhnlich störend sind. Es treten nämlich Verschiebungen
der Resonanzstellen für die Oberschwingungen wid infolgedessen zusätzliche Ausgleichsströme
zwischen den einzelnen Spulenelemetiten auf. Theoretisch wurde bereits die elektrische
Inliomogenität einer Spule von einfachem Wicklungsaufbau vollkommen'erfaßt. Insbesondere
wurden eingehenZle Untersuchungen über die Wirkungsweise einer aus zwei Teilen zusammengesetzten
Spule mit Windungen von gleichem Durchmesser und mit gleichmäßig verteilter Kapazität
angestellt. Dabei ergab es sich, .daß sogar sehr weit gehende Verschiebungen von
Oberton-Resonanzstellen möglich sind. Die Nebenschlußkapazitäteiner Hochfrequenzspule
kann bei bestimmten Frequenzen . überriormal große Werte erhalten, wodurch der Gebrauchswert
der Spule erheblich eingeschränkt wird. Bisher wunden keine wirksamen Mittel zur
VerhIuderung der schädlichen Auswirkungen der ungleichmäßigen Reaktanzverteilung
gefunden. Es kann jedoch erwähnt werden, daß zur Verringerung einer anderen an Hochfrequenzsp.ulen
stets vorhandenen Nebenwirkung, nämlich des Nebenschlusses infolge der zwischen
den einzelnen Windungen vorhandenen verteilten Kapazität, die Maßnahme angewendet
wurde,
eine Spule in zwei oder mehr Teile zu unterteilen.
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Die Erfindung befaßt sich damit, bei praktisch verwendeten Spulenkonstruktionen,
die also in ihrem Aufbau nicht vollkommen homogen sind, die Ausbildung der als schädlich
erkannten Ausgleichsströme bei Erregungen entsp,re.chend den Oberfrequenzen zu vermeiden,
und gibt als Mittel dazu eine in bewußter Weise herbeigeführte gegenläufige Inhomogenität
der Kapazität mehrerer Teilspulen gegeneinander oder gegenüber einem benachbarten
Leiter an. An mindestens zwei in Reihe geschalteten, in axialer Richtung nebeneinander
angeordneten Teilspulen werden erfindungsgemäß diejenigen Endwindungen miteinander
verbunden, für welche das Produkt aus Induktivität und Kapazität den kleineren Wert
besitzt, und der Abstand "der Teilspulen voneinander und gegebenenfalls von einem
benachbarten elektrischen Leiter festen Potentials, insbesondere einer Abschirmung,
werden so gewählt, daß die sonst vorhandenen Ungleichmäßigkeiten des Produktes aus
Induktivität und Kapazität durch die zwischen den Teilspulen ivirlzsaimen Streukapazitäten
für mindestens zwei Teilspulen im wesentlichen ausgeglichen sind.
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Die Berücksichtigung der Kapazitätsverhältnisse ,gegenüber dem benachbarten
elektrischen Leiter gestattet den weitgehenden Ausgleich der Ungleichmäßigkeiten
auch bei unsymmetrisicher Anordnung der beiden in Reihe ,geschalteten Teilspulen
gegenüber einer zu der Achse des Wickelkörpers senkrechten, zwischen je zwei Teilspulen
liegenden Ebene. In einem solchen Fall söll ein Wicklungsende der die kleinere Induktivität
aufweisenden Teilspule mit dem benachbarten Leiter elektrisch verbunden sein. Die
Anordnung wird zweckmäßigerweise so getroffen, daß die Teilspule von - kleinerer
Induktivität eine größere verteilte Kapazität in bezug auf den benachbarten Leiter
besitzt, wobei das äußere Wicklungsende dieser Teilspule mit dem Leiter verbunden
ist, -während die inneren Wicklungsenden der Teilspulen miteinander verbunden sind.
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Unter Benutzung des Prinzips der Erfindung läßt sich eine Spulengruppe
für mehrere Frequenzbereiche aufbauen, in welcher mit der Hochfrequenzspule nach
der Erfindung mindestens eine Selbstiaduktion kleinerer Induktivität in einem gewissen
Abstand zu der genannten Ho.chfrequenzspule konstruktiv vereinigt ist.
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An Hand der einzelnen Figuren der Zeichnungen sei nun die Erfindung
noch genauer beschrieben. Bei der Besprechung der Fig. i bis q: sollen auch die
theoretischen Grundlagen der Erfindung, soweit sie zur Klärung nötig sind, noch
etwas genauer erörtert werden. Dabei wird in Fig. i für die Untersuchung der durch
die Unhomagenität eintretenden Folgen die betrachtetem Spule in Einzelelemente zerlegt
und dafür das elektrische Ersatzschema unter Berücksichtigung .der Kapazitäten aufgestellt.
An Hand von Fig.3 werden die Verhältnisse bei Anwesenheit eines benachbarten elektrischen
Leiters und unsymmnetrischer Ausbildung der Spulenanordnun.g untersucht. Die Fig.
5 stellt Meßengebnisse an einer Spulenanordnu,ng dar und zeigt den durch die Erfindung
erzielten Vorteil, nämlich das Verschwinden der störenden Ausgleichsströme bzw.
der dadurch verursachten Erhöhung der scheinbaren Nebenschlußkapazität. Die Fig.6
-zeigt eine unter Benutzung -der Erfindung aufgebaute Spulengruppe mit einem umgebenden
Schirm für mehrere Frequenzbereiche. Die Spule io in Fig. i 'ist -entsprechend der
Erfindung ausgeführt. Im rechten Teil der Figur ist die Spulenkonstruktion im Schnitt
gezeigt, während im linken Teil die einzelnen Impedanzelemente in Form eines elektrischen
Ersatzschaltbildes schematisch dargestellt sind. Die Spule besteht aus zwei auf
der gleichen Achse angeordneten kreisringförmigen Teilen Jod und Job mit
den äußeren Enden 12 und 1,1 und den inneren Enden 13 und 15. Die inneren Enden
13 und 15 sind durch die Leitung 16 miteinander verbunden, so daß die Teile ioa
und lob in Reihe geschaltet sind. Beide Spulenteile sind auf dem Zylinder i i symmetrisch
in bezug auf eine dazwischenliegende Ebene, welche durch die Linie 17 angedeutet
ist, angeordnet. Die Spulenteile sind ,mit entgegengesetztem Wicklungssinn hergestellt,
so daß die Gegeninduktivität zwischen beiden die Selbstinduktivität der gesamtem
Spule vergrößert; dabei ist der Ab-
stand der beiden Spulenteile voneinander
kleiner als ihr größter Radius, so daß sich eine wesentliche Gegeninduktivität ergibt.
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Wenn .man die Ungleichmäßigkeiten der Reaktanzverteälung untersuchen
will, so ist es zweckmäßig, sich die beiden Spulenteile noch weiter unterteilt zu
denken, beispielsweise in je zwei Elemente", wie dies im linken Teil der Fig. i
angedeutet ist. Der Spulenteil 1oa ist aufgeteilt in die Elemente L, und L2, und
der Spulenteillob ist aufgeteilt in die Elemente Ll' und L2. Die Eigenkapazitäten
der eben genannten Elemente sind angedeutet durch .die Kondensatoren C, und. C2
sowie C,' und C2. Es ist ferner eine Kapazität C3 zwischen .den beiden Spulentellen
und eine Kapazität C4 zwischen den äußeren Enden der beiden Spulenteile vorhanden.
Für eine feinere Untersuchung der Gleichmäßigkeitsverhältnisse müßte man sich die
Spulenteile
i oa und Job in ,eine noch größere Anzahl von
Elementen unterteilt denleen, wobei sich prinzipiell ähnlich aufgebaute Ersatzschaltbilder
ergeben würden. Für die hier anzustellenden Überlegungen genügt jedoch die Aufteilung
in je zwei. Elemente, auf Grund welcher das Prinzip für den Entwurf einer Spule
.nach der Erfindung schon erläutert werden kann.
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Das Ersatzschema des linken Teils der Fig. i ist in Fig. 2 noch .einmal
umgezeichnet, um das Verständnis zu erleichtern. Es wurde bereits erklärt, daß die
bemerkten Störungen bei ungleichmäßigen Spulen dann eintreten, wenn örtliche Ausgleich
ströme innerhalb von Spulenteilen zum Fließen kommen. Solche Ströme können in der
Anordnung nach Fig.2 in den Leiterna und b auftreten. Im Leiter-a wird kein Stroni
fließen, wenn die ganze Anoirdnung bezüglich ihrer Mitte symmetrisch ausgebildet
ist. Wenn in den Leitern b kein Strom fließen soll, so @muß die Resonanzfrequenz
des Kreises L1, Li ,
die gleiche sein wie die der 'Kreise L, C2 und LJ,
C2'. Wenn nämlich die Resonanzfrequenz eines der Kreise L2, C2 und L2
; C2 von der des Kreises La, Li , Cl, Ci , C3 verschieden ist, so
muß es eine Frequenz zwischen diesen beiden Frequenzen geben, bei welcher die Reaktanz
der beiden Kreise L2, C2 und L2', C2 gleich und entgegengesetzt der des Kreises
La, Ll; Cl, Ci C3 ist; da alle drei betrachteten Kreise zwischen den Hauptklennnen
12 und 1q. der Spule in Reihe liegen, bilden sie dann einen Kurzschluß für Ströme
dieser Frequenz. Aus diesen Betrachtungen _,erk ennt ,man, daß dann kein Strom in
den Leiternb fließen wird, wen der Abstand zwischen den Windungsteilen, welcher
die Kapazität C3 bestimmt, .so gewählt ist, daß die folgende Beziehung befriedigt
wird L1 (Ca -I,-- z C3) = L2 C2 ( i Wenn die Spulenteile ioa und Job
mit ihren inneren Enden verbunden sind, ist Li, CL gewöbazlich kleiner als L2, C2,
so daß keine Schwierigkeit besteht; diese Gleichung zu erfüllen. Dabei sei darauf
hingewiesen, daß .die Kapazität C., direkt zwischen den Klemmen 12 und i q. auftritt
und die Verteilung von Kapazität und Induktivität über die Windungen der Spule nicht
beeinflußt. Die Wahl des Abstaxides entsprechend der angegebenen Bedingung (i) bewirkt
eineUnterdrü:ckurng des zweiten Obertones.
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Bei diesen Betrachtungen wurde die Gege;ninduktivi:tät zwischen den,
beiden Spulenteilen vernachlässigt. Das'gl.eiche Prinzip ist jedoch auch für eine
Anordnung mit Gegeninduktivität ohne weiteres anwendbar. Derartige ,symmetrisch
aufgebaute Spulen sind besonders in Schaltungen anwendbar, die zwei symmetrisch
in bezug auf ein festes Potential arbeitende Teile besitzen, z. B. Gegentaktanordnungen.
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Die Fig.3 und q. stellen entsprechende Zeichnungen für den Fall einer
iulsymm-etrisch.aufgeteilten Spule mit umgebender Ab-
schirmung ;dar. Auch
in diesem Fall bleibt der erwähnte Zusammenhang zwischen den natürlichen Resonanzfrequenzen
der einzelnen Sp ulenelemente mit seinen Auswirkungen auf die Güte der Spule im
Prinzip erhalten. Die obenerwähnte Bedingung der Symmetrie ist aber zunächst durch
die Konstruktion nicht vorhanden, und es sei hier untersucht, wie diese Bedingung
elektrisch wiederhergestellt w erden. kann. Fig. 3 zeigt die Spulenanordnung mit
den Spulenteilen 20a und tob, die auf dem Zylinder 21 angebracht sind. Die Spulenteile
besitzen .die äußeren Enden 22 und 24 und .die inneren Enden 23 und 25. Die inneren
Enden sind durch die Leitung 26 .miteinander verbunden. Die Teile 20a, und tob sind
in bezug auf die dazwischenliegende Ebene, welche durch die Linie 27 angedeutet
ist, unsymmetrisch angeordnet. Zur Abschirmung ist die Hülle 28 vorgesehen, welche
die Spule in gebräuchlicher Weise umgibt. Die äußere KleniMe 22 ist direkt -mit
der Abschirmung 28 verbunden. Der äußere Anschluß, welcher zu dieser Klemme führt,
ist bei 22a an .der Abschirmung angebracht. Die beiden Spulenteile sind mit entgegengesetztem
Wicklungssiiln gewickelt, so daß die Gegenül.duktivität die Selbstin.duktivität
der Gesamtanordnung erhöht.
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In den Fig. 3 und ¢ konnte auf die UnteT-teilung der Spulenteile im
Elemente verzichtet werden, weil für diese Unterteilung die gleichen Prinzipien
maßgebend sind wie bei den Ausführungen zu Fig. i und 2. Es soll im vorliegenden
Fall ja auch lediglich der Einfluß, der Unsymmetrie und der Abschirmung untersucht
werden, wobei die schon gewonnenen Ergebnisse für die Verhältnisse innerhalb eines
Spulenteils gültig bleiben. Es ergibt sich dann ein gegenüber den Fig. i und 2 vereinfachtes
Ersatzschaltbild, in welchem die Spulenteile 20a und tob durch die Induktivitäten
L¢ und L5 und die zugehörigen Kapazitäten C4 und C5 dargestellt werden. -Die Kapazität
zwischen den äußeren Teilen der Teilspulen L,1 und L5 wird durch die Kapazität C7
dargestellt. Die Kapazität zwischen den inneren` Teilen der Teilspulen und der Abschirmung
28 wird durch die Kapazität C6 gebildet. Ferner ist noch eine Kapazität zwischen
den äußeren Teilen und der Abschirmung 28 vorhanden, welche durch die KapazitätC$
angedeutet ist. Damit in der Anordnung
nach Fig. q. keine örtlichen
Ausgleichströme fließen, ist es erforderlich, daß der Leiter c stromlos ist. Dies
ist der Fall, wenn die Resonanzfrequenz des Kreises I_4, C4, CE die gleiche ist
wie die des Kreises L5, C5. Die Kapazitäten C7 und Cg liegen direkt zwischen den
Hauptklemmen 22 und 24 und beeinflussen daher die Verteilung vom In@duktivität und
Kapazität nicht. Wenn die Spulenteile ton und 2ofi eine gleiche Zahl von Windungen
hätten und ihre Induktivitäten L4 und L5 und die Kapazitäten C4 und C5 gleich wären,
so würde es unmöglich sein, die erwähnte Bedingung bezüglich der Gleichheit der
Resonanzfrequenzen zu erfüllen: Durch Herabsetzung der Windimgszahl im Spulenteil
L4 kann es jedoch erreicht werden, daß der Resonanzkreis L4, C4, CE die gleiche
Resonanzfrequenz erhält wie der Kreis L5, C5. Dies wird erfüllt, wenn die folgende
Beziehung besteht: L4 (C4-@Cc)=L" C5 (2) Diazu ist es also erforderlich, dem Spulenteil
2ou eine kleinere Windungszahl zugeben, als dem Spulenteil 20v. Wird die erwähnte
Bedingung (2) auf diese Weise erfüllt, so ergibt sich eine Unterdrückung des ersten
Ober; topes. Auch bei dieser überlegung wurde die Gegeninduktivität zwischen den
beidenTeilen vernachlässigt, was jedoch die Richtigkeit dies Ergebnisses nicht stört.
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In Fig.5 sind einige Meßergeb.nsise gezeigt, die mit einer Spule von
3o mH aufge; nommen worden sind, die entsprechend der Erfindung konstruiert war.
Die KurveA stellt den Verlauf der scheinbaren Nebenschlußkapazität in Abhängigkeit
von der Frequenz dar, wobei die beiden Spulenteile entsprechend der Lehre der Erfindung
:mit ,ihren inneren Enden :miteinander verbunden waren. Die Spule hatte eine Resonanzfrequenz
von 42okHz und wirkte im wesentlichen wie,eine Induktivität von 3o mH mit parallel
geschalteter Kapazität von 4,8 PF« Die Kurve B stellt den .entsprechenden Verlauf
der Kapazität bei -einer solchen Spule dar, bei welcher die Verbindung zwischen
den beiden Teilen nicht entsprechend der Regel nach der Erfindung ausgeführt war.
Es- waren nämlich, wie in dem kleinen Schema unterhalb der Kurven von Fig. 5 angedeutet
ist, die äußeren Enden der beiden Spulenteile @mit-.einander verbunden. Die Kurve
ß weist ganz erhebliche Unregelmäßigkeiten :des Kapazitätsverlaufes in der Gegend
des ersten, zweiten und dritten Obertones auf. Es ist ferner die entsprechende Charakteristik
für die gleiche Spule gezeigt, wobei das innere Ende der kleineren Spule mit dem
äußeren Ende der größerdn Spule verbunden wurde. Die Kurve C zeigt das Ergebnis.
Man erkennt die gleichen UnregelmäßigkeItem des Verlaufes wie bei der Kurve B.
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Die Unregelmäßigkeiten des Kapazitätsverlaufes können bei einer Spule
der beschriebenen Art noch weiter dadurch verringert werden, daß die Spulen mit
einem magnetischeul Kern, vorzugsweise aus dünnblättrigem pulverisiertem oder sonst
zerkleinertem Eisen, versehen werden.
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Die Erfindung läßt sich mit Vorteil für ,die Konstruktion von Spulensätzen
,gebrauchen, die in Verbindung mit Hochfrequenzkreisen zur Abstimmung über mehrere
Frequenzbänder geeignet sind. In Fig.6 ist eine solche Konstruktion dargestellt,
in welcher die Hochfrequenzspule für den niedrigsten Frequenzbereich entsprechend
der Erfindung ausgeführt ist; diese Spule besteht aus den Teilen 30a und 3oG. Beide
Teilspulen sind auf dem Zylinder 3 i angebracht, der auch die übrigen Spulenteil.e32,
33 und 3:1 für die höheren Frequenzbereiche trägt. Die einzelnen Spulen sind in
Reihe geschaltet und die Spulen-.enden mit den Kontakten 35 des Schalters 36 verbunden.
Der Schalter ist so eingerichtet, daß er der Reihe nach die einzelnen unbenutzten
Spulen kurzschließt. Der Abstimmkondensator 37 liegt parallel zur ganzen Spulengruppe,
@d. h. zwischen den äußeren Klemmen der Spul,enteile 3oa und 3q.. Die Spulengruppe
wird umgeben von dem Abschirmbehälter 38. Zwischen dem Spulen.teil 4.o" und der
Deckfläche des AbschirmbehälteÜs 38 ist derrt Hilfsschirm 39 vorgesehen, durch dessen
Wirkung es möglich ist, unabhängig von der Form des Abschirmbehälters die Kapazität
der Spule 3oa gegenüber Erde auf den richtigen Wert zu bringen Ünd die Gleichung
(2) durch Anpassung des Wertes von C,3 zu erfüllen.