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Hochfrequenzspule Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Hochfrequenzspule mit einem in ihrer mittleren Öffnung angeordneten stabförmigen,
axial durchbohrten Kern aus Hochfrequenzeisen, in dem ein zur Änderung der Selbstinduktion
dienender Regelstift aus Hochfrequenzeisen verschiebbar angeordnet ist.
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Unter Hochfrequenzeisen sind alle ferromagnetisehen Stoffe zu verstehen,
die auch bei hohen Frequenzen niedrige Verluste haben.
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Eine solche Spule ist aus der britischen Patentschrift 433 366 bekannt.
Sowohl der Kern als auch der Stift beistehen hier aus gepreßtem Eisenpulver (gegeneinander
isolierte Eisenteilchen). Es wurde gefunden, daß die in dieser Patentschrift beschriebene
Spule, wenn die Flansche der Spule aus Isoliermaterial hergestellt werden, keine
befriedigende Wirkung ergibt, da die durch Hinausschieben des Regelstifts erzielbare
Änderung der Selbstinduktion nur sehr gering ist.
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Es wurde ferner gefunden, daß dies, wie weiter unten näher erläutert
wird, auf die verhältnismäßig niedrige Permeabilität (io bis 2o) des verwendeten
Hcchfrequenzeisens zurückzuführen ist. Gemäß der Erfindung sind gute Ergebnisse
erzielbar, wenn wenigstens der Kern, vorzugsweise jedoch auch der Regelstift, aus
Hochfrequenzeisen mit einer Permeabilität ,u von wenigstens ioo besteht und das
Ende
des. Kerns, aus dem der Regelstift hinausgeschoben werden kann, höchstens um eine
Länge gleich dem halben Durchmesser des Kerns über die Spulenwicklung vorsteht.
Besonders zweckdienlich ist gesintertes, keramisches, ferroma@gnetisches Material,
z. B. gewisse Ferritarten. Solche Werkstoffe haben ein ,u. von annähernd 40o.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der Fig.
i und 2 zur Erläuterung der durch die Erfindung erzielten Wirkung dienen, Fig.3
ein in einem Spulensystem verwendetes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäß ausgebildeten
Spule darstellt.
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Die Selbstinduktion L einer Spule kann durch die Formel
dargestellt werden, in der K eine Konstante, n die Anzahl der Windungen und R",
den magnetischen Widerstand des Kraftlinienkreises der Spule bezeichnen. Dieser
magnetische Widerstand ist bekanntlich von der Länge und vom Querschnitt des Kraftlinienkreises
und von der Permeabilität y des in ihm vorhandenen Materials abhängig.
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Fig. i stellt das Kraftlinienfeld einer von einem Strom durchflossenen
Spulenwicklung i ohne Kern dar. Bekanntlich werden in der mittleren Öffnung der
Wicklung die Kraftlinien stark zusammengedrängt und ist der größere Teil des magnetischen
Widerstands in dieser Öffnung und in den unmittelbar anstoßenden, in Fig. i gestrichelt
dargestellten zwei Zonen 3 und 5 beiderseits der Wicklung i konzentriert. Der von
der Wicklung i und den äußeren gestrichelten Linien umfaßte Teil des Magnetkreises
enthält 8o bis 90% des gesamten magnetischen Widerstands. Indem in diesem Teil des
Feldes ferromagnetisches Material (Material mit geringem magnetischem Widerstand,
z. B. Eisenpulver) angeordnet wird, können der gesamte magnetische Widerstand R",
des Kreises auf einen Bruchteil gemindert und die 'Selbstinduktion der Spule wesentlich
gesteigert werden.
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Angenommen, daß 90% des magnetischen Widerstands in der Spulenöffnung
konzentriert ist, so läßt sich, wenn man den gesamten magnetischen Widerstand auf
ioo beliebig gewählte Einheiten setzt, der Widerstand in der Spulenöffnung mit 9o
und der Widerstand außerhalb der Spule mit ioEinheiten bezeichnen. Wird in der Spule
ein Pülvereisenkern (A etwa 15) vorgesehen., so wird der Widerstand an dieser
Stelle 90/i5=6 und der gesamte magnetische Widerstand io+6=i6 Einheiten. Die Selbstinduktion
ist dann um einen Faktor ioo/i6 = etwa 6 gestiegen.
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Besteht der Kern aus einem rohrförmigen Kernteil und einem hineinpassenden
Stift, wie in der britischen Patentschrift 433 366 beschrieben, so kann durch Ausziehen
des Stifts der Kerndurchmesser z. B. um 20% verringert und so der magnetische Widerstand
des Kerns von 6 auf 7,5 erhöht werden. Der gesamte magnetische Widerstand des Magnetkreises
steigert sich dabei von 16 auf 17,5,
so daß sich in diesem Fall die Selbstinduktion
um gut 8,50/0 verringern müßte.
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Bei der Ausmessung aber enveist sich die Änderung als wesentlich kleiner.
Der Grund dafür wird in Fig. 2 näher erläutert.
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In Fig. 2 ist in der mittleren Öffnung der Spulenwicklung i ein .durchbohrter
Kern 7 aus Hochfrequenzeisen angebracht, innerhalb dessen ein passender Stift 9
aus dem gleichen Material verschiebbar ist. An einem Ende steht der Kern 7 nicht
über die Spulenwicklung vor, und aus diesem Keirnen,de kann der Stift 9 nach außen
ausgeschoben werden.
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Da der Kern 7 die Zone 3 großer Kraftlinienkonzentration nicht füllt,
ist die Selbstinduktion der Spule bei völlig eingeschobenem Stift 9 bedeutend kleiner,
als wenn auch das Gebiet 3 vom Kerneisen ausgefüllt wäre. Durch das Ausschieben
des Stifts 9 kann die Selbstinduktion wieder vergrößert werden, da ein Teil der
Kraftlinien, wie dies dargestellt ist, seinen Weg .durch den Stift nehmen, der übrige
Teil hingegen weniger stark zusammengedrängt wird. Indem Maße, wie der Stift weiter
ausgeschoben wird, nimmt die Konzentration der Kraftlinien in der Zone 3 ab, so,daß
der magnetische Widerstand geringer wird.
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Aus vorstehendem ergibt sich, daß bei :der Einrichtung nach der britischen
Patentschrift 433 366 zwei sich widerstrebende Wirkungen auftreten, die sich größtenteils
aufheben. Dies erklärt, weshalb diese Einrichtung keine befriedigende Wirkung ergeben
kann.
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Doch ist dies mit einer Einrichtung möglich, bei der sich die in der
britischen Patentschrift beabsichtigte Wirkung allein ergibt. Solche Einrichtungen
sind z. B. aus den britischen Patentschriften 449450 und 450286 und aus der
schweizerischen Patentschrift 182 818 bekannt, wobei an den Kernenden Flansche aus
Hochfrequenzeisen vorgesehen sind. Aus vorstehendem ist sofort ersichtlich, daß
bei diesen Einrichtungen von einer Zusammendrängung der aus .dem Kern austretenden
Kraftlinien nicht die Rede sein kann. Beim Ausschieben des Kerns wird also die Selbstinduktion
infolge der Verringerung des Kernquerschnitts abnehmen.
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Die Erfindung schlägt einen anderen Weg ein, und zwar den, bei dem
die Zusammendrängung der austretenden Kraftlinien nahe einem der Kernenden (oder
beider) benutzt und Minderung der Selbstinduktion infolge der Herabsetzung des Kernquerschnitts
verhütet wird. Letzteres wird durch Verwendung eines Kernmaterials mit einem ,u
von wenigstens ioo vorzugsweise gesinterten, keramischen Hochfrequenzeisens, wie
Ferrit, ermöglicht, das ein ,u von annähernd 40o hat. Sind in diesem Fall die Bedingungen
derart, .daß der magnetische Widerstand (ohne Kern) in der Spulenöffnung und in
den anstoßenden Zonen 3 und 5 9o Einheiten und außerhalb derselben io Einheiten
beträgt, so wird beim Anbringen eines Kerns mit einem ,u von ioo der Widerstand
in dem vom Kern eingenommenen
Gebiet auf go/ioo=o,9 und der Gesamtwiderstand
auf io+o,g=io,9 gemindert werden. Verringerung des Eisenquerschnitts um 20010 wird
den Gesamtwiderstand auf io+5/q.Xo,g.=ii,i2 bringen, eine Änderung von nur 2 0/0,
während bei einem p. von 40o diese Änderung nur annähernd 0,5010
beträgt.
Diese Zunahme des magnetischen Widerstands ist unwesentlich gegenüber der Abnahme
z. B. um 5o% infolge des Ausschiebens des Regelstifts in eine Zone zusammengedrängter
Kraftlinien.
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Es wurde gefunden, daß die hierdurch erzielbare Selbstinduktionsvergrößerung
anhält, wenn der Stift g bis außerhalb -der Zone 3 ausgeschoben wird, so daß eine
allmähliche und glatte Regelung der Selbstinduktion bis z. B. i5°/0 über dem Mindestwert
bei völlig in den Kern geschobenem Stift möglich ist. Eine noch größere Änderung,
jedoch eine niedrigere Höchstselbstinduktion ergibt sich, wenn die, Stirnfläche
des Kerns auf einer gewissen Tiefe innerhalb der Spulenöffnung liegt. Es hat sich
jedoch auch gezeigt, daß, wenn der Kern bereits um eine den halben Kerndurchmesser
übersteigende Länge über die Spulenwicklung i vorsteht, durch Ausschieben eines
Stifts praktisch keine Änderung der Selbstinduktion bewirkt wird. Die Zone 3 ist
dann vom Kern bereits erfüllt, so daß eine bedeutende Kraftlinienzusammeudrängung
außerhalb des Kerns 7 nicht mehr auftritt. Es ist ersichtlich, daß das Ausschieben
des Regelstifts hierbei nur besonders wenig wirksam ist.
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Ein praktisch brauchbarer Regelbereich ergibt sich auch nicht, wenn
der Kern aus Material mit niedrigem ,u, z. B. Pulvereisen, besteht; aber eine Herabsetzung
es Eisenquerschnitts beim Ausschieben. des Stifts wird vermieden, z. B. durch Anwendung
eines langen Stifts, wobei der Kern entsprechend der Erfindung bemessen ist. Die
beschriebene Wirkung tritt dann freilich auf, aber nicht in genügendem Maße, um
praktisch von Bedeutung zu sein.
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Ein röhrenförmiger Ferritkern mit einem in ihm angebrachten Stift
ist an sich bereits vorgeschlagen worden in der Absicht, bei der Herstellung auftretende
Abweichungen des ,u-Wertes zu korrigieren. Der Stift wird -dabei vor dem Anbringen
des Kerns in der Spule im Kern festgestellt.
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Ein noch anderer Grundsatz liegt der mit einem offenen, ferromagnetischen
Mantel versehenen Spule gemäß der französischen Patentschrift 921324 zugrunde,
bei welcher der Kern gleichfalls durchbohrt ist und einen Regelstift enthält. Die
von den Kernenden ausgehenden Kraftlinien verlaufen hierbei je in radialer Richtung
nach dem gegenüberliegenden Punkt der Innenseite des Mantels und sind also alle
gleich lang, auch die, welche vom ausgeschobenen Stift ausgehen. Es ist hier praktisch
unwesentlich, wie weit der Kern über die Spule vorsteht, solange der ausgeschobene
Stift sich innerhalb oder wenigstens nahezu innerhalb des Mantels befindet. Diese
Spule ist infolge des Vorhandenseins des ferromagnetischen Mantels wesentlich teurer
als die erfindungsgemäß ausgebildete Spule und beansprucht mehr Raum. Fig. 3 stellt
eine besonders praktische, bauliche Gestaltung eines erfindungsgemäß ausgestalteten
Spulensystems mit zwei gegenseitig gekoppelten Spulen dar, die in bezug auf die
Gestalt der wirksamen Teile der Spule nach Fig. 2 entsprechen. Bei der Bauart nach
Fig. 3 ist die Wicklung i, z. B. durch Kitt, in einem passenden zylindrischen Gehäuse
i i befestigt, das aus Preßmaterial hergestellt sein kann. Die Stirnfläche der Wicklung
i und das Ende des Kerns 7, dessen Stirnfläche sich mit der Stirnfläche der Wicklung
i deckt, liegen an der Bodenwand 12 :des Gehäuses i i an. In diesem Boden ist eine
mittlere Öffnung 13 ausgespart, durch die der Regelstift 9 hindurchgehen
kann. Das Ende dieses Stifts ist in einem kurzen Schraubenbolzen 15 aus nichtmagnetischem
Preßstoff befestigt, der in einen äußeren, rohrförmigen Ansatz 17 der Bodenwand
12 einschraubbar ist. Das zylindrische Gehäuse i i ist gemeinsam mit dem Gehäuse
i i' der zweiten Spule als Ganzes mit einer langgestreckten, mit einer rinnenförmigen
Vertiefung versehenen Platte ig gepreßt, .die als Träger für die beiden Spulen dient,
wobei die Spulenachsen senkrecht zur Trägerplattes verlaufen. Eines der Enden der
Platte ig ruht in einer angemessenen Aussparung 21 in der oberen Fläche einer metallenen
Abschirmbuchse 2.3, während das andere Ende der Platte ig in einer ähnlichen Aussparung
im isolierenden, mit Anschlußzungen 2.1. versehenen Fuß 25 des Spulensystems befestigt
ist. Die Buchse 23 ist mit Öffnungen 29 versehen, durch welche hindurch .die Kerne
9 mittels eines Schraubenziehers einstellbar sind.
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Die Platte ig dient auch dazu, die Zuführungsdrähte der Anschlußzungen
24 zu den beiden Spulen voneinander getrennt zu halten. Dies ist erwünscht, da die
Spulen in manchen Fällen, z. B. bei der Verwendung als Zwischenfrequenzbandfilter
in einem Überlagerungsempfänger, verschiedenes Gleichspannungspotential haben. Die
Platte ig, welche die Buchse 25 in zwei Teile zerlegt, schließt gegenseitige Berührung
verschiedene Spannungen führender Verbindungsdrähte aus und sichert einen genügenden
Abstand zwischen diesen Drähten, wodurch die Kapazität zwischen den Drähten innerhalb
zulässiger Grenzen gehalten wird.
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Die Spulen sind mittels eines Stifts 27, vorzugsweise gleichfalls
ausFerrit, magnetisch miteinander gekoppelt, wobei der Stift einen Teil der Kraftlinien
von der einen zu der anderen Spule führt. Der Stift 27 ist z. B. durch ein Stückchen
Klebeband an. der Platte ig befestigt. Durch Wahl der Länge oder der Lage dieses
Stifts kann die Kopplung der Spulen auf den richtigen Wert eingestellt werden.
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Die Abmessungen der Wicklung, des Kerns und des Regelstifts können
etwa wie folgt gewählt werden. ,Axiale Erstreckung der Wicklung i = 6,5 mm, äußerer
Durchmesser der Wicklung 9,5 mm, Länge des Kerns 7 = 7,5 mm, Außendurchmesser des
Kerns 7 = q. mm und Durchmesser des Regelstifts 9 = 1,5 mm.
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Der Kern und der Regelstift bestehen vorzugsweise aus gesintertem,
keramischem, ferromagnetischem Hochfrequenzeisen, z. B. Ferrit, von der in
der
französischen Patentschrift 887 083 beschriebenen Art. Dieses Material hat
eine .besonders hohe ' Permeabilität (annähernd 40o). Dies bewirkt, daß der dünne
Regelstift trotz des kleinen Eisenquerschnitts dennoch einen geringen magnetischen
Widerstand aufweist. Dies ist erwünscht, da sonst der ausgeschobene Regelstift von
nur einem geringen Kraftlinienfluß durchflossen wäre und die Selbstinduktion infolge
des Ausschiebevorgangs nur wenig vergrößert werden könnte. Außerdem ist Ferrit ein
verhältnismäßig festes Material, das sich zur Herstellung der Kerne und Stiftei
mit den angegebenen, besonders geringen Abmessungen gut eignet.
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Bei der Verwendung des Ferrits, der einen hohen Leitwiderstand hat,
als Kernmaterial ist es möglich, die Spulen ohne irgendwelche besondere Zwischenisolierschicht
unmittelbar auf den Kern, und zwar vorzugsweise mit in axialer Richtung hin und
her gehenden Windungen, aufzuwickeln, wobei die Spule keine Stützflansche benötigt.
Dies hat verschiedene Vorteile: es ist kein Spulenkörper erforderlich, und zudem
kann infolgedessen .die Spulenwicklung und somit auch deren Verlustwiderstand sehr
klein. sein. Beim Wickelvorgang müssen jedoch die beiden Kernenden wenigstens um
etwa i mm über die Spule vorstehen, um zu vermeiden, daß der Draht vom Kern abläuft.
Es wurde jedoch gefunden, daß nach Imprägnierender Spule, wobei die Spule und der
Kern gemeinsam in ein Imprägniermittel, z. B. Wachs, getaucht werden, es bedenkenfrei
möglich ist, den Kern in,die Spule hineinzudrücken, bis eines der Kernenden in einer
Stirnfläche der Spule liegt.