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Schaltungsanordnung für magnetische Modler, Modulatoren, Relais, Verstärker
usw. Steuerbare Induktivitäten können durch eine entsprechende Anordnung in einfachen
Schaltungen oder auch in komplizierten Netzwerken die verschiedensten Funktionen
ausüben und dabei vorteilhaft bisherige Einrichtungen ersetzen. Die magnetische
Beeinflussung erfordert nur geringen Leistungsaufwand, und es ergeben sich recht
brauchbare Modler, Modulatoren, Relais usw.
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Modler sind nun Schaltorgane in Wechselstromkreisen. Ein Telegraphiemodler
hat beispielsweise die Aufgabe, eine Ton- oder Hochfrequenz im Takt von Telegraphiezeichen
zu tasten. Hierbei kommt es im wesentlichen nur auf die Grenzwerte an (keine Wechselspannung,
maximale Wechselspamrnung), während der Übergang dazwischen von geringerer Bedeutung
ist.
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Einem Modulator wird dagegen eine ganz bestimmte Kennlinie als Abhängigkeit
der gesteuerten Wechselspannung von der Steuerspannung vorgeschrieben.
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Solche Modler und Modulatoren werden meist mit Sperrschichtzellen
als nichtlinearen Elementen aufgebaut, Elektronenröhren werden wegen ihrer begrenzten
Lebensdauer und zeitlichen Inkonstanz nach Möglichkeit vermieden.
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Gegenüber diesen Anordnungen mit steuerbaren Wirkwiderständen haben
solche mit steuerbaren Blindwiderständen, insbesondere Induktivitäten mit
Eisenkernen,
deren Permeäbilität durch Vormagnetisierung verändert werden kann, eine Reihe von
Vorteilen. Ihr Aufbau ist sehr einfach, ebenfalls ihr Abgleich. Ihre zeitliche und
thermische Konstanz ist sehr groß, und sie sind bis zu den höchsten Frequenzen verwendbar.
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Eine Besonderheit dieser Anordnungen gegenüber solchen mit gesteuerten
Wirkwiderständen liegt darin, daß hier die Ausgangsleistungen ein Vielfaches der
Steuerleistungen betragen können: Zur Magnetisierung ist prinzipiell nur ein Strom
erforderlich, Leistung wird lediglich in dem Ohmschen Widerstand der Wicklung verbraucht
und in einem unter Umständen erforderlichen Vorschaltwiderstand, der dazu dient,
den Eingang für den Steuerstrom bis zu einer oberen Grenzfrequenz nahezu reell zu
machen.
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Richtet man die Ausgangsspannung eines Mo.dlers gleich, so erhält
-man eine Spannung bzw. einen Strom, der dem Magnetisierungsstrom entspricht. Da
bei einem magnetischen Modler die Ausgangsleistung größer sein kann als die Steuerleistung,
so kann man diese Anordnung als Relais verwenden.
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Aus dem-Modulatorwird ebenfalls durch Hinzufügung eines Gleichrichters
ein magnetischer Verstärker. Aus dem Verstärker läßt sich durch Anwendung einer
Rückkopplung ein Sinus- oder Kipposzillator machen usw.
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In Fig. i ist als Beispiel eine sehr zweckmäßige Schaltung für einen
magnetischen Modler oder Modulator dargestellt.
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i und 2 bezeichnen die Wechselspannungsquelle und ihren Innenwiderstand,
6 den Verbraucherwiderstand. Der Modler selbst besteht im wesentlichen aus einem
Brücken-T-Glied, das aus der Induktivität 3. der Kapazität 4. und dem Widerstand
5 gebildet wird. Durch Einstellen der Werte von 4 und 5. kann man nun immer erreichen,
daß die Ausgangsspannung des Modlers exakt Null wird. Zur Veranschaulichung dient
das Vektorbild Fig. i b. Die Eingangsspannung UE, teilt sich in Ui und U3. U2 ist
gleich U3 und entgegengesetztgerichtet, so daß U" gleich Null wird.
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Wird durch einen Magnetisierungsstrofn durch die Wicklung 7 die Resonanz
gestört, so entsteht sofort eine Ausgangsspannung entsprechend dem Vektorbild Fig.
i c. Da es sich hier um eine Phasensteuerung handelt, ist die Empfindlichkeit sehr
groß; es genügen schon sehr kleine Magnetisierungen, um das Phasengleichgewicht
zu stören.
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Um die Ausgangsspannung bei wachsendem Magnetisierungsstrom möglichst
stark anwachsen zu lassen, kann der Kondensator io vorgesehen werden, der bei einer
bestimmten Vormagnetisierung in Resonanz reit der Induktivität 3 kommt. Die Ausgangsspannung
U" wird dann größer als die Eingangsspannung U, Die Kennlinie dieser Anordnung ist
in Fig. 2 a dargestellt. Die Rundung der Kurve bei i = o ist durch die Mägnetisierungskurve
des Kernmaterials bedingt.
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Verlagert man den Arbeitspunkt durch einen Gleichstrom über die Magnetisierungswicklung
oder durch einen Permanentmagneten in den geradlinigen Teil der Kennlinie, so erhält
man einen magnetischen Modulator. Die abgegebene Hochfrequenzspannung ist über einen
bestimmten Bereich dem Magnetisierungsstrom proportional. Da die Magnetisierungswicklung
einen vorwiegend induktiven Widerstand hat, steigt die Modulationsspannung linear
mit der Frequenz an. Steht nicht ein Modulationsstrom, sondern eine Modulationsspannung
zur Verfügung, so würde ohne besondere Maßnahmen der Modulationsgrad ebenfalls wegen
des induktiven Eingangswiderstandes mit der Modulationsfrequenz abfallen. Um dies
zu vermeiden, ist in Reihe mit der Magnetisierungswicklung ein Widerstand 8 geschaltet,
der für die höchsten Frequenzen durch den Kondensator 9 überbrückt ist. Man kann
sich diese Schaltung auch als Tiefpaßglied mit der Längsinduktivität 7, der Querkapazität
9 und dem Ohmschen Abschluß 8 vorstellen. Bei konstanter Eingangsspannung ist der
Strom durch die Wicklung 7 bis zu einer oberen Grenzfrequenz nahezu konstant und
fällt dann schnell ab, der Ein-' gangswiderstand ist bis zur Grenzfrequenz nahezu
reell.
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Wird das Brückengleichgewicht erst bei einem bestimmten Magnetisierungsstrom
i2 erreicht, so entsteht die Kennlinie nach Fig. 2b. Wählt man auf dieser Kennlinie
den Arbeitspunkt zu -L- i2 oder -i..., so erhält man bei Schwankungen des Steuerstromes
um diesen Punkt herum eine Gegentaktmodulation mit unterdrücktem Träger, wie sie
beispielsweise ein Ringmodulator liefert. Die Wirkungsweise ist bei Betrachtung
der Fig. i c leicht zu übersehen. Gegenüber dem Ringmodulator, der mindestens zwei
übertrager erfordert, ist dieser magnetische Modulator überraschend einfach, auch
der Abgleich ist sehr bequem, man kompensiert den Träger am Ausgang mit dem Kondensator
q. und dem Widerstand 5 nach Betrag und Phase.
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Es soll nun zunächst auf Ausführungsmöglichkeiten magnetisch steuerbarer
Induktivitäten eingegangen werden. Der Aufbau soll im allgemeinen immer so erfolgen,
daß die Magnetisierungswicklung die Hochfrequenzspüle nicht dämpft. Man bildet deshalb
meist aus beiden Spulen eine magnetische oder elektrische Brücke. Als Material für
den Kern sind außer speziellen Eisenlegierungen die Ferrite besonders geeignet.
Sie sind billig, besitzen höhe Permeabilitäten bei geringen Verlusten, sind bis
zu hohen Frequenzen verwendbar und wegen ihrer niederen Sättigungsfeldstärken magnetisch
leicht zu steuern.
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Für die Bauform einer magnetisch steuerbaren Induktivität ist ein
Beispiel in Fig. 3 dargestellt. Der Kern besteht aus den beiden Hälften i i und
12. Die Hochfrequenzwicklung besteht aus zwei Teilen und befindet sich auf den Außenschenkeln,
ihre Anschlüsse sind mit 13, 14 und 15 bezeichnet. Der Windungssinn ist so, daß
der Fluß $i entsteht, der den Mittelschenkel nicht durchsetzt. Die Magnetisierungsspule
7 mit den Anschlüssen 16 und 17 ist auf diesen Mittelschenkel aufgebracht und erzeugt
den Fluß 02. Der Mittelschenkel enthält einen Spalt 18, der mit einem magnetisch
harten Material gefüllt
werden kann, wenn eine magnetische Vorspannung
erforderlich ist. Hierzu kann ebenfalls ein Ferrit verwendet werden. Man vermeidet
dann auch hier Wirbelstromverluste in einfachster Weise und kann hohe Modulationsfrequenzen
zulassen.
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Ein Beispiel einer anderen Bauform ist in Fig. q. gezeichnet. Die
Hochfrequenzspule mit .den Anschlüssen 13, 1q. und 15 wird ebenso wie die Magnetisierungsspule
mit den Anschlüssen 16 und 17 von einem Topf aus Ferrit umgeben, der aus
den Scheiben 18, 20 und 22, aus den Ringen i9 und 21 und den Stiften 23 und
24 besteht. Der Windungssinn ist so, daß sie sich wieder gegenseitig nicht dämpfen;
die Wicklungen bilden gewissermaßen eine elektrische Brücke. Die Kernteile werden
zusammengehalten durch zwei eiserne Druckplatten 25 und 26 und die Schraubbolzen
28 aus unmagnetischem Material. Zur Erzeugung der magnetischen Polarisation dienen
die zwei an gegenüberliegenden Ecken eingelegten Magnetstäbe 27. Es können aber
auch hier Teile des Ferrittopfes, beispielsweise die Ringe, aus magnetisch hartem
Material bestehen. Statt der Magnetstäbe können an den Ecken dann Stiftschrauben
als magnetische Nebenschlüsse angeordnet werden, um den magnetischen Arbeitspunkt
bequem einstellen zu können.
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Die von einem Modler abgegebene Leistung kann, wie schon erwähnt,
erheblich größer sein als die für die Magnetisierung erforderliche Steuerleistung.
Man erhält demnach ein magnetisches Relais ohne mechanische Kontakte und bewegliche
Teile, wenn man die von dem Modler abgegebene Spannung beispielsweise mit einer
Sperrschichtzelle gleichrichtet. Die Kennlinie entspricht der in Fig. 2 a gezeichneten.
Durch die gleichen Maßnahmen, wie sie bei mechanischen Relais üblich sind, kann
man auch hier beliebige Ansprech- und Abfallverzögerungen erzielen. Die Arbeitsgeschwindigkeit
kann jedoch durch Wahl einer geeigneten Hochfrequenzspannung erheblich größer sein.
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In Fig.5 ist ein einfaches magnetisches Relais dargestellt. Die Hochfrequenzenergie
wird von einer zentralen Quelle 28 an die Sammelschiene 29 geliefert, an die eine
große Zahl von Relais und anderen magnetischen Apparaten angeschlossen ist. Der
Hochfrequenzgenerator wird im allgemeinen ein Röhrensender sein, seine Überwachung
macht aber keine Schwierigkeiten, da er ja nur einmal vorhanden zu sein braucht.
Die Vielzahl der angeschlossenen magnetischen Apparate ist dafür röhrenlos und erfordert
keine Überwachung.
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Die Grundschaltung des Relais ist wieder die der Fig. i. Hinzugekommen
ist lediglich der Gleichrichter 30 und der Glättungskondensator 31. Die Gleichrichterschaltung
kann natürlich noch in mancherlei Weise abgewandelt werden, um besonderen Anforderungen
gerecht zu werden; es würde aber zu weit führen, auf alle diese Variationen näher
einzugehen.
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Von dieser Relaisschaltung ist nur ein kleiner Schritt zum magnetischen
Verstärker, wenn man annimmt, daß die Magnetisierungsspule 7 der Fig. 5 von dem
niederfrequenten Sprechstrom durchflossen wird und am Ausgang des Gleichrichters
der verstärkte Niederfrequenzstrom auftritt. Es würde dann eine weitere Stufe folgen
und von dem verstärkten Strom wiederum die nächste Spule 7 gespeist werden und so
fort.