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Transformatorsystem mit Leitungscharakter
Ia sind Systeme lwkanut, welche mehr oder |
weniger stetig verteilte Leitungskonstanten. auf- |
weisen und die c1(#sh"ill) zur Leitungsnachbildung |
verwendet @vc@rdcn können. So lii(.4t sich beispiels- |
weise eine I.crhcrlcitu»g zur Verminderung der |
räumlichen Ausclehnung auf einen Zylinder auf- |
wickeln, so dal@ die Leiter auf dein Zylindermantel |
wenigstens annähernd rcgelin@il5ig verteilt sind und |
Hin- und Rückleiter abwechselnd aufeinanderfolgen. |
Durch geeignete Zusanunenschaltung derartiger |
Spulenancirchtungen, z. 13. Scrieschaltung der Spufen- |
eingän gc und 1'arallclschaltung der Spulenausgänge, |
künucnhransfccrinatorsystcmc gebildet werden. Ein |
Nachteil scch-her Systeme liegt im `,-erhälttiismäl,#ig |
kleinen Abstand zwischen den heideii nebeneinander- |
liegcn<@en I.eitc,rii, wodurch bei grül;eren Span- |
nungen l`hcrschlagsgefahr besteht. |
Gegenstand tler (?rlindung ist ein Transformator- |
system mit Leitungscharakter, bei welchem die geschilderten Nachteile vermieden
werden, indem erlindtuigsgemäl5 das System aus mindestens einem Spulenpaar aus gleichsinnig
gewickelten Spulen besteht, in welchem die Spulen in räumlicher Beziehung mit -#,bstatid
gegeneinander gruppiert sind. und in welchem die Wicklungsanfänge beider Spulen
mit den beiden Transformatoreingangsklemmen, die Wicklungsenden beider Spulen aber
mit den Transformatorausgangsklemmen verbunden sind.
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Ausführungsbeispiele zur Erläuterung der Wirkungswcisc der Erfindung
und ihrer Anwendung sind in Fig. t bis t t schematisch dargestellt.
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Beim Beispiel nach Fig. t ist eine Zylindersptilc lt', innerhalb eines
Isolierzylinders R und eine zweite Zvlindersptile l1,'= auläerhalb dieses Zylinders
angebracht. Die Anfänge und Enden der Zylinderwicklungen sind mit t, 2 bziv. 3,
4 bezeichnet. Ein
mit ausgezogenen Pfeilen eingetragener Strom i,
fließt in beiden Zylinderspulen mit entgegengesetzter Richtung, so daß der entsprechende
Fluß in der Spulenachse vernachlässigbar klein ist. Dementsprechend ist auch der
beispielsweise aus der ersten Windung beider Spulen .entstehende Fluß, welcher die
von dieser Windung weiter weg liegenden Windungen der gleichen Spule durchsetzt,
vernachlässigbar klein, d. h. die Gegeninduktivität zwischen den weiter auseinander
liegenden Windungen kann vernachlässigt werden, solange es sich um symmetrische
Ströme handelt. Eine gewisse Induktivität verbleibt dabei zwischctt den aufeinanderfolgenden
Windungen jeder Spule. Diese Gegeninduktivität Lann ersetzt werden durch eine entsprechende
Erhöhung der Eigeninduktivität beider Spulenleiter, solange die abgewickelte Leiterlänge
nvischen den sich noch merklich beeinflussenden Windungen klein ist gegenüber t
t der Wellenlänge. Wenn es sich dagegen um eitlen unsymmetrischen Strom i2 handelt,
der gemäß gestrichelten Pfeilen in beiden Zylinderspulen gleichsinnig fließt, so
kann man sich die beiden Spulen parallel geschaltet denken, und es ist ohne weiteres
ersichtlich, da13 das Spulenpaar für solche Ströme eine erhebliche Induktivität
darstellt und die Wirkung einer Drossel aufweist. Denn die gleichsinnig flieLlkenden
Ströme beispielsweise der ersten Windung beider Spulen unterstützen sich in ihrer
Wirkung und ergeben einen entsprechenden Magnetfluh in Richtung der Spulenachse,
welcher auch die weiter weg liegenden Spulenwindungen durchsetzt, so daß mit einer
erheblichen Gegeninduktivität zwischen allen Windungen zu rechnen ist.
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Bei geringeren Betriebsspannungen kann der [solierzylinder R unter
Umständen weggelassen werden. Zur Erhöhung der Drosselwirkttttg bei unsymmetrischen
Strömen kann ein Magnetkern innerhalb beider Spulen vorgesehen werden.
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An Stelle der Zylinderspulen können zum Aufbau des Spulenpaares Scheibenspulen
gemäß Fig. 2 a, 21> verwendet werden, wobei wieder die Wirkung der entgegengesetzt
fließenden Ströme in benachbarten Windungen beider Spulen sich weitgehend aufhebt,
so daß das Spulenpaar für, solche Ströme gleiche Wirkung wie eine Leitung aufweisen,
während gegenüber gleichsinnig fließenden, d. h. unsymmetrischen Strömen wieder
erhebliche Drosselwirkung auftritt.
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In beiden Fällen kann das Transformatorsystem in der in Fig.3 gezeigten
Weise schematisch dargestellt werden. Die beiden Spulen sind wieder mit IV, W2 bezeichnet.
Die mit den Klemmen t, 2 verbundenen Anfänge beider Spulen sind unmittelbar benachbart,
so da13 sich ihre Wirkung auf weiter entfernte Windungen praktisch aufhebt. Das
gleiche gilt für die mit den Spulenenden verbundenen Klemmen 3, 4. Da das Spulenpaar
für den symmetrischen Strom il eine Leitung darstellt. kann im Ersatzbild Fig. .l
eine künstliche Leitung A,; für die gegensinnig fließenden Ströme i, eingeführt
werden, welche mit den idealen Transformatoren T,, T_ übertragen werden. Für den
unsynnnetrischc@tt Strom i2 stellt das Spulrnpaar cktgegen eine Drossel dar. Dieser
Strom wird deshalb itn Ersatzbild über die Mittelanzapfungen 5, 6 der Transformatoren
und die Drossel B geleitet. Die Induktivität von B ist bei genügender
Windungszahl sehr groß, so daß B in vielen Fällen überhaupt vernachlässigt werden
kann.
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Wird beispielsweise gemäß Fig.5 im Eingangsstromkreis des Spulenpaares
eine ttttsy-mmetrische Erdung, z. B. der Klemme 2, und im Ausgangskreis eine symmetrische
Erdung, z. B. des Anzapfungspunktüs 6, vorgesehen, so kann man sich die Impedanz
ZB der Drossel B zwischen dem Anzapfpunkt 5 und der Klemme 2 liegend
denken, Diese Impedanz kann auch durch die gestrichelt eingezeichnete vierfache
Impedanz zwischen den Klemmen 1., 2 ersetzt werden. Das Transformatorsvstem weist
demnach beim L`bergang von ttnsyntmetrischcr auf symtnetrische Schaltung eine zusätzliche
Eingangsimpedanz von .l ZB auf, welche in den meisten Fällen zu vornachlässigen
ist.
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Bei Vernachlässigung der Impedanz ZB sind auch Serie-Parallel-Schaltungen
mehrerer Spulenpaare möglich, wodurch eine Anpassung zw ische,t ungleichen Betriebswiderständen
zustande kommt. Die beiden benachbarten Spulen eines Spttlenpaares weisen für symmetrisch
fliehende Ströme gemäß Fig. t einen bestimmten Wellenwiderstand auf, welcher mit
dem Wellenwiderstand der entsprechenden Ersatzleitung übereinstimmt. Dieser Wellenwiderstand
Z ist beim Anschluß der Eingangs- und Ausgangsklemmen zu berücksichtigen. Bei der
Anordnung nach Fig.6 tritt zwischen den Eingangsklemmen t, 2 ein Widerstand Z_ auf,
während bei den Ausgangsklemmen 3, .l tnit einem Widerstand von
zurechnen ist. Pci Set-ie-I'arallel-Scltaltuttg von n Spulenpaaren S, . . . S" mit
dem Wellenwiderstand Z erhält man somit einen I@.ittgangsw iderstattd rt #
Z und einen Ausgangswiderstand
. Man kann die Serie-Parallel-Schaltung gemäß Fig. ; auch in mehreren aufeinanderfolgenden
Gruppen vornehmen. Bei richtiger Anpassung beträgt der h-ingangswiderstand der eingangs
in Serie geschalteten in Spulensysteme S1 mit dem Wellenwiderstand Z, Rt=nr#Z,
,
der Ausgangswiderstand der gleichen Gruppe beträgt dagegen
Für eine zweite Spulengruppe mit n Spulen S2, deren Wellenwiderstand Z_2 1>etr;it,
gilt für den Eingangswiderstand
R:, = r1 #
Z,
und für den Ausgangswiderstand
Zur richtigen Anpassung bvicIcr Gruppen tnul5
R2= R1 gesetzt werd('n,
d. h. das Widerstandsverhältnis der gesamten F_inrichtun, beträgt
( @1(#iclzeiti gilt für die Well(eliwiderstände der ein- |
zvlllen S@,t(#me |
Hin< :\Illlen(lung solcher Transiormatorsysteine |
ist in Fig. @S gcitigt. Ein Gegentaktsender mit den |
:@usgangsriilretl V1, V= und delle S(-li\viiigkreis L, C |
ist Über @x#ispielsweisc vier se'rie-parallel-gc'schaltetci |
Splll('ilpaal'e .51 . . . S, finit dein Antennenkabel
K an- |
Per Innenwiderstand des R<ilirensendcrs |
ZU isch(1l (ICH Klcllll1lctl 1, 2 ist verhältliismäßig |
gr(@I@, z. l). 1000 ()111i, %1-iiliretld der Kabelwiderstand |
zwischen den klemmen ,;, 4 nur etwa 6o Ohm |
ixtrügt. Dic :\Ilpassung im Widerstandsverhältnis |
1() : I (.rfo@lgt durch (1i(' Spulenpaare, deren Wellen- |
wide' st;lll(l in- v. @rliel;crnlel, Fall `°°° <111m
- 250 Ohtn |
beträgt. |
In analoger Weise sind Alipassungen von nieder- |
ohniigell auf li(@(-li(@linii"e 13etricl>swidcrst:inde tuüK |
lieh, lvolx#i die l:ingünge der Spulenpaare parallel |
t11 i(1 die Ausgänge in Serie /Lt schalten sind. |
I11 vicleti Fället- empfiehlt es sich, zur Erhöhung |
der wirks@uncn Spuleninduktivität ZB einen ferro- |
mag@et@sc@eo Kern züi verwenden, z. B. einen Mantel- |
kerb Al gell1ält Fig. (). |
11:s kiioti<#li auch mehrere SIitiletip2tare mit ge- |
iliellläiiillc't" Achse 7LIia@lllllellg('ba@lt werden,
wie dies |
beispielsweise in I# i-. 1 o gezeigt wird. Irin Spulen- |
paar besteht aus den iihereinanderlicgenden Zylinder- |
spulc°n 6V,, lt,.> Ltnd ein weiteres System aus den |
daninterlicgenden Spulen lV,. Die Spulen I11 |
und Il'_ sind, Lvie an Hand von Fig. 1 erläutert, |
glc@ichsintlig g(#Ltickrlt, -was durch die leiden cin- |
gezeichiletcn -Zeichen angedeutet ist. Auch |
die Spulen 1V1 und IV, sind untereinander gleich- |
sinnig gewickelt. Beide Spulenpaare müssen jedoch |
untereinander Lillgleicheil Wicklungssinn besitzen, |
was durch negative Vorzeichen in W;1, W< angei- |
deutet ist, cLlinit durch den über t und ,- den NVick- |
lungcii U', und IV, zufiielienden Strom I in den |
Spulen 4y'," IV.; eire Strom i induziert wird, so da(-'> |
zwischen den Klenlnlen 2, S ein Strom i2 auftritt. |
In Fig. i i ist eitre -weitere An-venduilg gezeigt, |
wobei das Transf(Irinatorsystem in einer Send@er- |
schU-lltLtllg an Stelle eines Modulationstransfor- |
nuitors ver\vundet wird. Die verstärkte \ F wird |
deine @pulcopaar S v(111 den Röhren V.., V, über die |
K(rndensat(Ireii C,s, C, zugeführt. Für den Anoden- |
ist die Drossel D, mit Mittelanzapfung |
v(Irgeselu'n. 1)1e :\usgangsklenime 3 des Spulen- |
pa.al-es, Ist 1171t d('1' @<-lllt'lll@@kl"('IS@plll('
1- (leb' Ho(-h- |
frequenzausgangsstufe und die Ausgangsklemme 4 ist mit Erde verbunden. Zur Zuführung
des Anodenstromes für die HF-Endstufe ist die Drossel D2 vorgesehen. Der Vorteil
des Transformatorsystems S gegenüber gewöhtilichen`Iodulationstransforinatoren besteht
vor allem darin, dali bei richtiger Allpassung auch die höheren Signalfrequenzen
cillwandfrei ü1--ertragen werden und daß keine geilehmen Resonanzerscheinungen auftreten.
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Wenn die leiden Zylinderspulen des Spulenpaares, wie in Fig. i angedeutet,
mit ungleichem Durchmesser ausgeführt sind, so ist die elektriscliL' Svmnietrie
zwischen beiden nicht ohne weiteres gewährleistet, da die Leiterlängen beider nornialerweis,e
nicht übereinstimmen. Es empfiehlt sich des, halb, die innere Zylinderspule mit
gröl,#erei' Witidungszahl auszuführen als die äußere. 1?ili anderes Mittel zur Erzielung
der Symmetrie besteht darin, daß für die innere Zylinderspule eine etwas geringere
Drahtstärke verwendet wird.
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Der Wellenwiderstand des Spurenpaares ist lx'i eng gewickelten Spulen
verhältnismäl)ig grob), d-i die Längsinduktivität durch die magnetisch(' Kopplung
benachbarter Windungen gegenüber gestrcckten Drähten wesentlich vergrößert ist,
während die Querkapazität »ormalcrw-cise keine nennenswerte Vergrölkrung erfährt.
Eine Verminderung des Wellenwiderstandes ist möglich durch Vergriil.i,ertuig der
(@ucrkapazität, indem beispielsweise beide Spulen durch ein Material mit großer
Diefektrizitätsk(>nstante getrennt werden, oder indem z-visclic'ii lxideli Wicklungen
zusätzliche Kondensatoren als Querkapazitäten verteilt -werden.
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Die Transformatorsysteme können auch zur Anpassung zwischen ungleichen
Betriebswiderständen ausgebildet -werden, indem der Wellenwiderstand längs der Spulen
veränderlich gestaltet -wird, ähnlich wie dies bei den bekannten LxpotieiitialleitLllI-gen
der Fall ist. Dies -wird bei Zylinderspulen beispielsweise erreicht durch längs
den Spulen veränderliche Windungsganghöhe oder durch veränderlichen Spulenabstand.
Auch durch veränderlich(' Drahtstärke oder veränderliche Bemessung bzw. Verteilung
voll zusätzlichen Querkapazitäten ist das gleiche Ziel zu erreichen. Bei diesen
Vorkehrungen ist es allerdings nötig, daß die Laufzeit des Spulenpaares für symmetrische
Ströme mindestens in der gleichen Gröl-ienordnung wie die Schwingungsdauer der übertragenen
Vorgänge liegt. Im übrigen gelten für die Verteilung des WelLenwiderstandcs längs
den Spulen die gleichen Gesichtspunkte und Regeln -wie für die entsprechende Verteilung
bei den 1>ekannten Erponentialleitungen.
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Eine interessante Anwendungsmöglichkeit solcher Transformatorsysteme
besteht in der Bildung von künstlichen Verzögerungseinrichtungen, wo sich der Vorteil
ergibt, da15 für die Verzögerung eine Spulenpaares keine eingrenzenden Vorschriften
bestehen, -während bei den bekannten Verzögerunpseinrichtungen mit getrennten Längsinduktivitätcn
und Querkapazitäten bekanntlich dafür zu sorgen ist, d<aIt die Verzögerung jedes
Einzelkreises klein bleibt ;gegenüber einer Schwingungsdauer, weil sonst
unerwünschte
Reflexionen und frequenzabhängi ge L@bertragungsverhältnisse auftreten.
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Bei Verwendung von ferromagnetischen Kernen empfiehlt sich die Abschirmung
dieser Kerne durch eine leitende Isolierhülle mit mindestens einem Längsschlitz
zwecks Vermeidung von zusätzlichen Verlusten infolge kapazitiver Ströme. Zur Erzielung
der nötigen Symmetrie kann dabei auch aulerhalb der beiden Spulen eine weitere metallische
Abschirmung vorgesehen werden, die so dimensioniert ist, daß die Eingangsklemmen
und die Ausgangsklemmen gegenüber dem Schirm elektrisch symmetrische Eigenschaften
.aufweisen.
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Es kann auch eine zusätzliche Abschirmung zwischen beiden Spulen vorgesehen
werden, welche beispielsweise am Erdpotential liegt. Auch bei dieser zusätzlichen
Abschirmung ist durch Längsschlitzung oder andere bekannte Maßnahmen dafür zu sorgen,
daß die für unsymmetrische Spulenströme wirksame Induktivität nicht wesentlich vermindert
wird. Diese zusätzliche leitende Anordnung zwischen beiden Spulen kann auch aus
einer zusätzlicheil Spule, einer Zylinderspule bei Zylinderspulen bzw. einer Scheibenspule
bei Scheibenspulen, bestehen. Der zwischen den Eingangswindungen beider Spulen liegende
Anfang dieser Zusatzspule stellt darin den elektrischen Symmetriepunkt zwischen
den Eingangsklemmen, und das Ende dieser zusätzlichen Spule stellt den Symmetriepunkt
zwischen den Ausgangsklemmen des gesamten Systems dar. Die Verwendung einer solchen
Zusatzspule ist besonders dann zweckmäßig, wenn die Eingangsklemmen und oder Ausgangsklemmen
gegenüber Erdpotential nicht symmetrisch betrieben werden. Zur Symmetrierung der
Eingangs- oder Ausgangsspannung gegenüber Erde oder einem bestimmten Bezugspotential
wird dann einfach das betreffende Ende der Zusatzwicklung mit Erde oder dem betreffenden
Bezugspotential verbunden, wobei das Bezugspotential auch eine Wechselspannung sein
kann.
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Die ertindungsgemäße Ausbildung des Transformatorsystems bietet zufolge
der damit zu erzielenden Stromsymmetrierung den Vorteil, dal3 es beispielsweise
durch Serie-Parallel-Schaltung der Spulen zur Spannungstransformation ausgenutzt
werden kann. Zufolge seines Leitungscharakters besitzt das Transformatorsystem eine
weitgehende Resonanzfreiheit, so daß sich bei allen seinem Anwendungsmöglichkeiten
ein bedeutender technischer Vorteil ergibt.
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Falls sehr große Längsinduktivität bei unsymmetrischen Strömen gefordert
wird, namentlich bei tieferen Frequenzen, können die Spulen auch in gedrängterer
Wicklungsart ausgeführt werden, wobei mehrere aufeinanderfolgende Windungen jeweils
lxs Zylinderspulen übereinander- bzw. bei Scheibenspulen nebeneinanderliegen. Die
Spulen können beispielsweise mehrlagig gewickelt werdrn. PATENTANSPRCCHE: i. Transforniatorsystem
reit Leitungscharakte#,-, dadurch gekennzeichnet, daß das System aus mindestens
einem Spulenpaar aus glcichsiniüg gev#ickelten Spulen besteht, in welchem die Spulen
in räumlicher Beziehung mit Abstand gegeneinander gruppiert sind und in welchem
die Wicklungsanfänge beider Spulen mit den beiden Transformatoreingangsklemmen,
die Wicklungsenden leider Spulen aber mit den Transformatorausgangsklemincn verbunden
sind.
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2. Transformatorsystetn nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß
das Spulenpaar aus zwei Zylinderspulen 1>cstcht, die ineinandergcschoben sind.
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3. Transformatorsystem nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, drill
das Spulenpaar aus zwei Scheibenspulen besteht.
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4. Transformatorsystcm nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, dal5
die beiden Spulen eines Spulenpaares durch eine isolierende Zwischenlage getrennt
sind.
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5. Transformatorsystem stach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Verminderung des Wellenwiderstandes zwischen den Spulen eines Spulenpaares ein
Isoliermaterial mit hoher Dielektrizitätskonstante vorgesehen ist.
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6. Transformatorsystem nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß
bei aus Zylinderspulen bestehenden Spulenpaaren die Windungszahl der inneren Spule
größer ist als die Windungszahl der äußeren Spule.
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7. Transformatorsystem nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß
bei Zylinderspulen die Leiterstärke der inneren Spule kleiner ist als die Leiterstärke
der äußeren Spule.
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B. Transformatorsystem nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß
bei Zylinderspulen die Ganghöhe längs den Spulen veränderlich ist zur Erzielung
.einer Impedanztransformation.
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9. Transformatorsystem nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß
bei Zylinderspulen der Abstand längs den Spulen veränderlich ist zur Erzielung einer
Impedanztransformation.
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j o. Transformatorsystem nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet,
daß bei Zylinderspulen die Leiterstärke längs den Spulen veränderlich ist zur Erzielung
einer Impedanztransformation.
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i i. Transformatorsystem nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet,
daß bei Zylinderspulen die Querkapazität zwischen beiden Spulen veränderlich ist
zur Erzielung einer Impxdanztransforrnatiot.
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12. Transformatorsystem nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Verminderung des Wellenwiderstandes zusätzliche Querkapazitäten zwischen beiden
Spulen vorgesehen Nverden.
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t ;. Transformators\ stctn nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet,
dafi zwischen leiden Spulen eines Spulenpaarcs ein leitender, geschlitzter Abschii-mzylinder
vorgesehen ist.
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14. Transformatorsystein nach Anspruch 13. dadurch gekennzeichnet,
daß der Abschirmzylinder zur Erzielung einer symmetrischen Spannungsübertragung
gccIrclct ist.
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15. Transformators@stem stach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet.
dctfi die Spulen einen