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Elektrischer Schwingungskreis, dessen Frequenz von der Temperatur
nahezu oder völlig unabhängig ist Es ist bereits bekannt, die Frequenz eines aus
einer Spule und einem dazu parallel geschaltetenAbstimmkondensator bestehenden elektrischen
Schwingungskreises dadurch temperaturunabhängig zu halten, daß die Änderungen der
Selbstinduktivität der Spule mit den Temperaturänderungen durch Änderungen der Kapazität
des Kondensators ausgeglichen werden, die im entgegengesetzten Sinne zu den Temperaturänderungen
verlaufen. Dabei müssen z. B. die Temperaturen der Spule und des Kondensators übereinstimmen.
Sind die Temperaturen dieser Schaltelemente voneinander verschieden, so bleibt die
Frequenz eines solchen Schwingungskreises gleichwohl temperaturabhängig. Die Erfindung
setzt nun mit der Maßnahme ein, im Schwingungskreis einen für sich ganz oder annähernd
temperaturunabhängigen, in seinen Kapazitätswerten festen oder regelbaren Abstimmkondensator
zu verwenden. Zu diesem Abstimmkondensator wird ferner erfindungsgemäß eine Spule
parallel geschaltet, deren Windungen in an sich bekannter Weise auf einen keramischen
dielektrisch verlustarmen, z. B. zylindrischen Trägerkörper aufgebracht, z. B. als
dünne, flache Edelmetallwendel oder -wirbel auf diesen aufgebrannt sind, wobei dieser
Trägerkörper entweder ganz oder teilweise aus keramischem Werkstoff negativen dielektrischen
Temperaturkoeffizienten besteht und/oder mit einer Glasur oder
organischen
Überzugsschicht negativen dielektrischen Temperaturkoeffizientens versehen ist,
die auch die Spulenwindungen deckt oder umschließt. Die Eigen-oder Selbstkapazität
der Spule wird nun erfindungsgemäß, z. B. durch auf den Spuienkörper aufgebrachte
Hilfsbeläge, so abgeglichen, daß die durch Wärmedehnungen des Trägerkörpers und
Änderungen der Stromverteilung in den Windungen der Spule bei Temperaturänderungen
bedingten Änderungen der Selbstinduktivität der Spule in ihren Wirkungen auf die
Frequenz des Schwingungskreises ganz oder nahezu ausgeglichen werden durch die im
entgegengesetzten Sinne zu den Temperaturänderungen der Spule verlaufenden Änderungen
der Eigenkapazität der Spule, d. h. der Kapazität der Spulenwindungen gegeneinander
und gegen die auf den Spulenkörper aufgebrachten Hilfsbeläge.
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Dadurch gelingt es, die Frequenz des Schwingungskreises völlig oder
nahezu vollkommen unabhängig von den Temperaturänderungen der Spule und des Kondensators
zu halten. Insbesondere können dabei auch im Gegensatz zu anderen, bekanntenAnordnungen
des Schwingungskreises beliebige Temperaturunterschiede zwischen der Spule und dem
Kondensator die Frequenz des Schwingungskreises nicht mehr störend beeinflussen.
Der Schwingungskreis, dessen Spule und Kondensator für sich temperaturunabhängig
sind, ist für die vorgeschriebene Frequenz in jedem beliebigen Zeitpunkt verwendbar,
unabhängig davon, ob die Temperaturen dieser elektrisch leitend miteinander verbundenen,
räumlich jedoch voneinander getrennten Schaltelemente sich z. B. vollkommen ausgeglichen
haben oder nicht. In Abb. x ist ein Schwingungskreis nach der Erfindung schematisch
dargestellt. Als Abstimmkondensator, dessen Dielektrikum z. B. aus einem der unter
den Handelsbezeichnungen »Tempaa, »Tempa Ncc, »Tempa S« bekanntgewordenen keramischen
Werkstoffen bestehen kann, dient ein solcher, dessen Kapazität Cl für sich völlig
oder nahezu temperaturunabhängig ist. (Temperaturkoeffizient k1 dieses Kondensators
ist gleich Null). Er enthält also ein z. B. bekanntes, dichtgesintertes, dielektrisch
verlustarmes keramisches Dielektrikum, dessen Dielektrizitätskonstante sich mit
der Temperatur nicht oder nur ganz geringfügig ändert.
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Die Gesamtkapazität C des Schwingungskreises setzt sich zusammen aus
der Kapazität Cl des vorerwähnten temperaturunabhängigen Kondensators, der parallel
zur Spule mit der Selbstinduktivität I_ geschaltet ist und der Selbst- oder Eigenkapazität
C, dieser Spule. Der negative dielektrische Temperaturkoeffizient dieser Kapazität
C, sei - ke. Es sei ferner angenommen, daß weitere Kapazitäten dieser Schaltelemente
und deren Verbindungsleitungen gegen den umgebenden Raum oder gegen Erde nicht bestehen
oder vernachlässigt werden dürfen. Aus der wohlbekannten Beziehung für die Frequenz
f, eines elektrischen Schwingungskreises bei einer bestimmten Ausgangstemperatur
to:
folgt für die Frequenz f t bei einer gegenüber to um t
geänderten Temperatur:
Soll die Frequenz bei dieser geänderten Temperatur dieselbe wie im Ausgangszustand,
d. h. f, = f, und der Temperaturkoeffizient kf der Frequenz oder die Frequenzabweichung
z = kf # t also gleich Null sein, so muß, wie sich leicht zeigen läßt,
unter Vernachlässigung eines Gliedes zweiter Ordnung die Bedingung erfüllt werden:
Ci.ki-Ce.kP+(C,+Ce)ks=0, woraus sich unter Beachtung, daß k1, der dielektrische
Temperaturkoeffizient der temperaturunabhängigen Kapazität Cl, voraussetzungsgemäß
gleich Null ist, für den negativen dielektrischen Temperaturkoeffizienten k, der
Eigenkapazität C, der Spule die Beziehung ergibt:
Bei dieser Ableitung ist ferner vorausgesetzt, daß die Spulenwindungen und ihr Träger
dieselbe Temperaturänderung t° erfahren. Diese Bedingung wird aber, besonders wenn
die Spulenwindungen als dünne Edelmetallbeläge auf einem keramischen Trägerkörper
verhältnismäßig guter Wärmeleitfähigkeit aufgebrannt sind, jederzeit weitgehend
erfüllt werden. Es ist bekannt, daß der Temperaturkoeffizient k, der Selbstinduktivität
einer eisenlosen Spule einerseits durch die lineare Wärmedehnungszahl rx des Trägerkörpers
der Spulenwindungen und andererseits durch die frequenz- und temperaturabhängigen
Änderungen der Stromverteilung im Querschnitt der Spulenwindungen bedingt ist. Diese
letztgenannten Änderungen werden auch durch die Änderungen des Leitwiderstandes
mit der Temperatur hervorgerufen. Sie können bei Drähten von o,o2 bis 4 mm Durchmesser
in bestimmten Frequenzgebieten bekanntlich recht erhebliche Beträge erreichen und
bis zu einem vom Drahtdurchmesser und der Frequenz wenig abhängigen Höchstwert ansteigen.
Sie sind aber innerhalb eines weiten, sich über mehrere Größenordnungen erstreckenden
Frequenzbandes zwischen z - roß bis etwa 8 - ros Hz nur geringfügig bei solchen
Spulen, deren Windungen als flache Metallbänder geringer Schichtdicke von wenigen
Hundertstel, z. B. o,o3 bis 0,04 mm auf einem zylindrischen Trägerkörper aufgebracht,
z. B. aufgebrannt sind, dessen axiale Länge etwa gleich dem doppelten Zylinderdurchmesser
ist oder etwas über oder unter diesem Verhältnis liegt. Für die theoretischen Betrachtungen
könnte daher auch k,, in erster Annäherung gleich der linearen
Wärmedehnungszahl
a des keramischen Trägerkörpers gesetzt werden. In der Regel ist, wie Messungen
bei höheren Frequenzen ergaben, k$ größer als a, jedoch in dem vorerwähnten Frequenzgebiet
nahezu unveränderlich. Soweit die folgenden theoretischen Betrachtungen die Unveränderlichkeit
des Temperaturkoeffizienten zur Voraussetzung haben, gelten sie daher auch für Spulen
der zuletzt genannten Art.
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Bei einer Spule, deren Windungen z. B. als Drahtwicklung mit Vorspannung
frei auf den Trägerkörper gewickelt sind, ändert sich der Temperaturkoeffizient
k, außerdem mit der von der Temperatur abhängigen Vorspannung in kaum vorausbestimmbarer
Weise. Derartige Spulen sind im allgemeinen für temperaturunabhängige Schwingungskreise
in jedem Frequenzgebiet unbrauchbar. Für den erfindungsgemäßen Zweck erscheinen
jedoch weiterhin solche Spulen sehr geeignet, deren Windungen als ein- oder mehrlagige
Wicklung dünnen eingeglasten oder allseitig mit Glasur überzogenen Metallbandes
oder Drahtes derart auf einem keramischen Trägerkörper aufgeschmolzen sind, daß
sie mit diesem nach dem Erkalten einen völlig starren Körper ergeben, dessen Wärmedehnung
im wesentlichen durch diejenige des keramischen Trägerkörpers bestimmt ist. Spulen
dieser Art haben innerhalb eines größeren Frequenz-und Temperaturbereiches ebenfalls
einen nahezu unveränderlichen Temperaturkoeffizienten der Selbstinduktivität und
können vor allem für annähernd oder völlig temperaturunabhängige Schwingungskreise
größerer Wellenlänge, d. h. geringerer Frequenz, in Betracht kommen.
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Die Selbst- oder Eigenkapazität C, der Spule ergibt sich ihrerseits
als Nebeneinanderschaltung, Ca + Cb, von zwei Kapazitäten, nämlich der Kapazität
Ca eines Luftkondensators mit dem dielektrischen Temperaturkoeffizienten Null, dessen
Belegungen die Spulenwindungen sind und eines Kondensators Cb mit dem negativen
dielektrischen temperaturkoeffizienten -kb, wobei wiederum die Spulenwindungen die
Belegungen darstellen, der Werkstoff des Trägerkörpers jedoch das Dielektrikum bildet.
Haben die Spülenwindungen außerdem gegen die Umgebung eine nennenswerte Teilkapazität,
so ist C, auch durch diese Teilkapazität mit bestimmt. Sind insbesondere Hilfsbelegungen
auf dem Trägerkörper aufgebracht, so ergibt sich C, in bekannter Weise aus der Zusammenfassung
der durch die Spulenwindungen und diese Hilfsbelegungen gebildeten Teilkapazitäten,
deren Dielektrikum aus dem Werkstoff des Trägerkörpers besteht. Teilkapazitäten
der Spule mit Luft als Dielektrikum sind als temperaturunabhängig und als zur temperaturunabhängigen
Kapazität des Abstimmkondensators im Nebenschluß liegend zu betrachten.
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Bei einer gegenüber to um t° geänderten Temperatur ergibt sich die
Eigenkapazität der Spule aus
oder unter Einführung der Teilkapazitäten Ca und C, auch aus: C.c ' Ca -f-
Cb (I - kb ' t) ° Ca + Cb - Cb ' kb t ° C.
- Cb kb t .
Aus der Gleichsetzung der rechten Seite dieser Gleichungen
folgt (Ce +. Cl) Cb kb oder unter Berücksichtigung von (I) auch: C. k,
- Cb kb,
Aus den Beziehungen (I) und (2) lassen sich für die Ausführung der Selbstinduktionsspulen
des erfindungsgemäßen Schwingungskreises wichtige Folgerungen ziehen.
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Die Spule wird insbesondere durch Aufbringen von verhältnismäßig dünnen,
flachen Hilfsbelegungen auf den Trägerkörper oder z. B. auch durch vollständiges
Einbetten der Spulenwindungen in den Werkstoff des Trägerkörpers oder in eine auf
diesen aufgebrachte Glasur oder Überzugsschicht, deren dielektrischer Temperaturkoeffizient
möglichst negativ ist, derart ausgeführt, daß die Teilkapazität Ca mit Luft
als Dielektrikum gegenüber der Teilkapazität Cb mit dem Werkstoff des Trägerkörpers
als Dielektrikum negativen dielektrischen Temperaturkoeffizientens zurücktritt.
Wenn auch sonst die Kapazität der Spulenwindungen gegen die Umgebung, z. B. gegen
die Erde, sehr gering ist, darf dann C, annähernd gleich Cb gesetzt werden. In diesem
Fall ist der negative Temperaturkoeffizient der Eigenkapazität in großer Annäherung
gleich dem negativen dielektrischen Temperaturkoeffizienten des Trägerkörpers bzw.
seiner Glasur- oder Überzugsmasse.
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Als keramischer Werkstoff für den Trägerkörper können z. B. die Abarten
Condensa N und Condensa C der unter dem eingetragenen Warenzeichen »Condensa« bekannten,
dielektrisch verlustarmen, titandioxydhaltigen Sondermasse dienen, deren negativer
dielektrischer Temperaturkoeffizient durch die Zusammensetzung der Masse in weiten
Grenzen beliebig regelbar ist und die außerdem im Vergleich mit anderen keramischen
Massen, wie Porzellan u. dgl., eine verhältnismäßig hohe Wärmeleitfähigkeit hat,
was für den Temperaturausgleich zwischen den z. B. aufgebrannten Spulenwindungen
und dem Trägerkörper sehr günstig ist.
Es ist im Mittel für:
Dielektrizitätskonstante = 40
Dielektrizitätskonstante = 8o.
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Beide Sondermassen bestehen aus keramischen Gemischen, die wenigstens
2o('/, Titandioxyd und zur Erzielung eines kleinen Verlustwinkels außer Titandioxyd
noch alkalifreie Flußmittel enthalten. Das keramische Gemisch kann ferner Erdalkaliverbindungen,
wie Anorthit, Magnesiumglimmer, Magnesit, Kalkspat, Speckstein, als Flußmittel oder
auch die Dielektrizitätskonstante erhöhende Flußmittel in Gestalt alkalifreier oder
alkaliarmer Verbindungen, wie Wulfenit, enthalten.
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Die besonders verlustarme Sondermasse Condensa C ist im wesentlichen
wie die vorbeschriebene zusammengesetzt und erreicht durch einen entsprechend hohen
Zusatz von Titandioxyd eine Dielektrizitätskonstante zwischen 2o bis etwa ioo.
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Eine weitere dielektrisch verlustarme, titandioxydhaltige keramische
Sondermasse ist unter der Handelsbezeichnung vCondensa Fr,bekanntgeworden. Sie enthält
geringe Zuschläge von Verbindungen der 6. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente,
insbesondere Wolfram- oder/und Molybdänverbindungen, z. B. Wolfram- oder/und Molybdänsäureanhydrid.
Diese ebenfalls zur Anfertigung von Trägerkörpern für Spulen des erfindungsgemäßen
Schwingungskreises hervorragend geeignete Masse hat geringe, von der Frequenz wenig
abhängige dielektrische Verlustwinkel. Ihre Dielektrizitätskonstante liegt bei etwa
65 und ihr dielektrischer Temperaturkoeffizient im Temperaturgebiet von 2o bis 8o°
C etwa zwischen -70o bis -7qo - io-e, also in demselben Bereich wie der dielektrische
Temperaturkoeffizient von Condensa C. Auch ihre lineare Wärmedehnungszahl a ist
annährend dieselbe wie von Condensa C.
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Durch geeignete Wahl und Zusammensetzung des Werkstoffes für den Trägerkörper
kann also der Temperaturkoeffizient der Eigen- oder Selbstkapazität der Spulen sehr
weitgehend geregelt werden. Für den allgemeineren Fall ist zu beachten, daß von
der Zusammensetzung des Werkstoffes insbesondere auch dessen Dielektrizitätskonstante
und damit gemäß Gleichung (2) das Verhältnis k, jkb u. a. auch von der Dielektrizitätskonstante
des Werkstoffes, aus dem der Trägerkörper besteht, abhängig ist.
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Außer der zweckmäßigen Auswahl des Betrages des negativen dielektrischen
Temperaturkoeffizientens des keramischen Trägerkörpers für die Spulenwin-Jungen
stehen zur Erfüllung der erfindungsgemäßen Bedingungen weitere Möglichkeiten offen.
Es kann die Eigenkapazität C8 der Spule und die durch das keramische Dielektrikum
des Trägerkörpers bedingte Teilkapazität Cb auch durch zweckentsprechende Wr._hl
der Wandstärke d (vgl. Abb. 2 und 3) des z. B. zylinderförmigen keramischen Trägerkörpers
oder dessen Dielektrizitätskonstante oder durch die Breite und Ganghöhe der z. B.
aufgebrannten Spulenwindungen weitgehend beeinfiußt werden. Dabei wirkt sich bekanntlich
ein größerer gegenseitiger Abstand der Windungen auf den Temperaturkoeffizienten
k, der Selbstinduktivität der Spule insofern günstig aus, als dessen frequenz- und
temperaturabhängiger, durch die Stromverdrängung bedingter Anteil kleiner wird.
Auch kann durch Aufbringen eines zweckentsprechend bemessenen Hilfsbelages, z. B.
gemäß Abb. 2, in Form eines auf die Innenwandung des zylindrischen, keramischen
Trägerkörpers io aufgebrannten, von den Spulenwindungen ii isolierten metallischen
Belagstreifens 12, oder gemäß Abb. 3, in Form eines von den Spulenwindungen ii isolierten
Wendels 13, der durch das keramische Dielektrikum bedingte Anteil Cb der Eigenkapazität
der Spule geregelt werden, ohne dabei deren Eigenkapazität selbst wesentlich zu
erhöhen. Eine derartige Regelung der Spulenkapazität ist z. B. durch nachträgliches
Abschaben oder Abschleifen eines Teiles des Belagstreifens oder -wendels möglich.
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Bei Verwendung von Condensa-Massen darf die Teilkapazität Cb allerdings
nur einen geringen Bruchteil der temperaturunabhängigen Kapazität Cl des zur Spule
parallel geschalteten Abstimmkondensators sein; denn aus den Gleichungen (i) und
(2) folgt nach der bei Verwendung von Spulen mit dünnen, flach auf dem Trägerkörper
aus Condensa N, Condensa C oder Condensa F aufgebrannten Windungen in der Rechnung
statthaften Vernachlässigung von Ca gegen C, und von Eins gegen kb/ks die Beziehung:
Wird z. B. in einen für hohe Frequenzen bestimmten Schwingungskreis eine nur kleine
Abstimmkapazität Cl eingeschaltet, so kann die Teilkapazität Cb der Spule für den
genannten Abgleich auch selbst unter Weglassen jedes Hilfsbelages auf dem Trägerkörper
schon an und für sich zu groß sein, wenn dieser vollständig aus Condensa N, Condensa
C oder Condensa F besteht. In solchen Fällen empfiehlt es sich, den Trägerkörper
nur zum Teil aus derartigen Werkstoffen negativen dielektrischen Temperaturkoeffizientens
und verhältnismäßig hoher Dielektrizitätskonstante zu fertigen.
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Beispielsweise kann gemäß Abb. q der Trägerkörper aus zwei mittig
zueinander angeordneten und durch Zusammenglasieren oder -garnieren fest miteinander
verbundenen Zylindern 2o und 21 bestehen, von denen jeder nur einen Teil, z. B.
nur die Hälfte der Wandstärke des in Abb. 2 und 3 beispielsweise dargestellten vollständig
aus Condensa gefertigten Trägerkörpers hat. Der Zylinder 2o, auf den die
Spulenwindungen
22 aufgebrannt sind, ist dabei aus einem dielektrisch verlustarmen keramischen Werkstoff
vergleichsweise niedriger Dielektrizitätskonstante, z. B. aus dem unter dem eingetragenen
Warenzeichen »Calit« bekannten Magnesiumetasilikat (Dielektrizitätskonstante 6,5)
und der Zylinder 21 aus keramischem Werkstoff höherer Dielektrizitätskonstante,
z. B. aus Condensa C (Dielektrizitätskonstante 8o), gefertigt. Ein durch Abschaben
oder Abschleifen veränderbarer, auf die Innenwandung des Zylinders 21 aufgebrannter
Hilfsbelag 23 dient zum genauen Abgleichen der Spulenkapazität. Da die linearen
Wärmedehnungszahlen von Calit und Condensa C annähernd übereinstimmen (a = 7,8 -
io e bzw. 7,3 - 1o-6), verhält sich der in dieser Weise zusammengesetzte Windungsträger
wie ein einheitlicher Körper. Durch die Reihenschaltung der Dielektrika Calit und
Condensa ergibt sich jedoch eine wesentlich geringere Teilkapazität Cb der Eigen-
oder Selbstkapazität C8 der Spule, als wenn der Trägerkörper wie im Fall der Abb.
2 und 3 nur aus Condensa bestünde.
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Statt aus zwei mittig zueinander angeordneten Zylindern kann der Windungsträger
auch, wie dies Abb. 5 und 6 zeigen, aus einer z. B. kreisförmigen Scheibe
30 aus Calit bestehen, die mit einer gleichartigen Scheibe 31 aus Condensa
C zusammengarniert und -glasiert ist. Die metallischen Spulenwindungen sind in diesem
Fall als Wirbel 32 auf die freie Seite der Calitscheibe 30, z. B. äls dünne Edelmetallbeläge,
aufgebrannt. Die freie Seite der Condensascheibe 31 trägt aufgebrannte metallische
Hilfsbeläge 33 und 34 zum Abgleichen der Spulenkapazität.
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Anstatt den Trägerkörper aus zwei hintereinandergeschalteten Dielektrika
aus verschiedenen keramischen Werkstoffen unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante
zusammenzusetzen, von denen das eine Dielektrikum einen negativen dielektrischen
Temperaturkoeffizienten haben muß, kann der Trägerkörper zwecks Verringerung der
Spulenkapazität auch aus zwei derartigen, nebeneinander angeordneten Dielektrika
bestehen. So zeigt z. B. die Abb. 7 einen zylindrischen Trägerkörper, dessen Teil
35 aus einem Stück Rohr aus Condensa C gefertigt ist, das mit dem z. B. aus Calit
bestehenden Rohrteil 36 zusammengarniert oder -glasiert ist. Das Rohrstück 35 trägt
auf der Innenwandung einen aufgebrannten Abgleichbelag 37. Die aufgebrannten Spulenwindungen
38 sind wendelförmig auf die Außenfläche beider Rohrteile aufgebrannt. Die Hintereinanderschaltung
der Dielektrika des Trägerkörpers ist jedoch, wie die Nachrechnung ergibt, im allgemeinen
zur Minderung der Spulenkapazität wirksamer als die Nebeneinanderschaltung der Dielektrika.
Statt eines ganzen Zylinders 21, wie in dem Beispiel nach Abb. 4, könnte in das
Rohr 2o auch nur ein Zylinderausschnitt aus Condensa eingarniert oder -glasiert
werden.
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Da die Teilkapazität der Spulenwindungen, für die der aus Calit mit
positiven dielektrischen Temperaturkoeffizienten (+i6o - :[o-6) gefertigte Teil
des in der vorbeschriebenen Weise zusammengesetzten Trägerkörpers das Dielektrikum
darstellt, sich mit den Temperaturänderungen im gleichen Sinne ändert, müssen die
Änderungen der Teilkapazität durch die im entgegengesetzten Sinne mit den Temperaturänderungen
verlaufenden Änderungen derjenigen Teilkapazität der Spulenwindungen, für die der
aus Condensa gefertigte Teil dieses Trägerkörpers das Dielektrikum bildet, ebenso
aufgehoben werden, wie die Änderungen der Selbstinduktivität der Spule bei den Änderungen
der Temperatur. Es ist dies durch eine entsprechende Bemessung des aus Condensa
gefertigten Teiles des Spulenkörpers zu erreichen.
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Zur Vereinigung der einzelnen Teile eines keramischen Trägerkörpers
können außer z. B. leicht schmelzenden und dielektrisch verlustarmen Glasuren auch
organische, dielektrisch verlustarme Bindemittel, wie das unter der Handelsbezeichnung
»Trolitul« bekanntgewordene Polystyrol (C.H.CH # CHa) u. dgl. verwendet werden.
Auch kann die mit den aufgebrannten Spulenwindungen versehene Fläche des keramischen
Trägerkörpers mit einer solchen verlustarmen Glasur oder einem solchen organischen
Mittel überzogen werden.
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Bei Verwendung des vorerwähnten, dielektrisch verlustarmen Styrolwerkstoffes
Trolitul, der einen negativen dielektrischen Temperaturkoeffizienten (etwa -ioo
# io e) hat, ergibt sich die Möglichkeit, den keramischen Trägerkörper statt aus
Condensa aus einem anderen dielektrisch verlustarmen Werkstoff, z. B. aus Calit,
zu fertigen und die darauf aufgebrannten dünnen und flachen metallischen Spulenwindungen
mit Trolitul zu überziehen bzw. darin einzubetten. Dabei ist wiederum der Anteil
der Eigenkapazität der Spulenwindungen, dessen Dielektrikum der Trolitulüberzug
darstellt, so zu bemessen, daß durch ihn sowohl die Änderungen der Selbstinduktivität
der Windungen mit den Änderungen der Temperatur als auch die im gleichen Sinne mit
den Temperaturänderungen verlaufenden Änderungen derjenigen Teilkapazität der Spulenwindungen
aufgehoben werden, für die der z. B. aus Calit gefertigte Trägerkörper mit positivem
dielektrischen Temperaturkoeffizienten (+ 16o # iö e) das Dielektrikum bildet. Die
Erhöhung der Eigenkapazität der Spule ist infolge der verhältnismäßig niedrigen
Dielektrizitätskonstante (2 bis 3) des Trolituls sehr gering.
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Keramische Glasuren können durch einen geeignet bemessenen Zusatz
von Titandioxyd einen negativen dielektrischen Temperaturkoeffizienten erhalten
und sodann ebenfalls vorteilhaft zur Einbettung der Spulenwindungen oder als Überzug
auf Spulenkörpern für den erfindungsgemäßen Schwingungskreis benutzt werden, die
aus Calit od. dgl. hergestellt sind.
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Die Abb. 8 zeigt einen z. B. aus Condensa gefertigten zylindrischen
Trägerkörper 40, bei dem die dünnen Edelmetallwindungen 41 der Spule in den Grund
der in den Trägerkörper eingeschnittenen und z. B. hohlkehlartig geformten Wendelnuten
flach eingebrannt sind, ohne jedoch diesen Windungsbelag in den Hohlkehlen besonders
hoch zu ziehen. Die äußere Mantelfläche des Trägerkörpers ist mit einer dielektrisch
verlustarmen Glasur 42 oder einem dielektrisch verlustarmen organischen Mittel überzogen,
so daß die Windungen 41 vollständig in Isolierstoff eingebettet sind. Der Hilfsbelag
43 auf der Innenwandung des
Rohres 4o dient zur Abgleichung. Besteht
der keramische Trägerkörper 4o statt aus Condensa oder einem sonstigen auf der Grundlage
von Titandioxyd aufgebauten keramischen Werkstoff mit negativem dielektrischem Temperaturkoeffizienten
z. B. Calit, so muß eine Glasur negativen dielektrischen Temperaturkoeffizientens
oder Trolitul als Überzug 42 verwendet «-erden.
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Als weiteres Ausführungsbeispiel stellt die Abb. 9 einen z. B. aus
Calit gefertigten zylindrischen Trägerkörper 4o dar, bei dem die dünnen Spulenwindungen41
in den Grund hohlkehlenartiger Wendelnuten flach eingebrannt sind. Der Trägerkörper
40 ist von einem z. B. aus Condensa bestehenden Rohr 44 umschlossen, das mit dem
Trägerkörper 40 z. B. durch eine dielektrisch verlustarme, leicht schmelzende Glasur
fest verbunden wird, die auch den Hohlraum der Wendelnuten vollständig ausfüllt.
Der Hilfsbelag 45 zum Abgleichen der Spulenkapazität ist in diesem Fall z. B. auf
der Außenfläche des Rohres 44 aufgebrannt. Das Einbrennen der Metallbelegungen 41
und 45 und das Zusammenglasieren der Zylinder 40 und 44 kann unter Umständen in
ein und demselben Arbeitsgang erfolgen.
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Der negative dielektrische Temperaturkoeffizientke der Selbst- oder
Eigenkapazität der Spule ist, wie sich aus Gleichung (r) ergibt, außer durch den
Temperaturkoeffizienten k,, der Selbstinduktivität auch maßgeblich durch das Verhältnis
Ci/Ce bestimmt. Damit ein in seiner Frequenz vollkommen temperaturunabhängiger Schwingungskreis
erhalten wird, kann eine in der vorbeschriebenen Weise mit einem bestimmten Verhältnis
ke!ks und bestimmter Eigenkapazität C, ausgeführte Spule jeweils nur mit einem temperaturunabhängigen
Abstimmkondensator zusammengeschaltet werden, dessen Kapazität Cl lediglich einen
einzigen, fest gegebenen Wert hat, für den die Gleichung (i) erfüllt wird.
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Für die tatsächlich auftretenden Bedürfnisse ist die strenge Einhaltung
dieser Bedingung jedoch nicht in allen Fällen unerläßlich. Kann nämlich innerhalb
eines gewissen Temperaturbereichs eine geringe Abweichung der Frequenz von ihrem
vorgeschriebenen Wert als erträglich angesehen werden, so ergibt sich damit sogar
die Möglichkeit, ein und dieselbe Spule in einem dann nahezu temperaturunabhängigen
Schw=ingungskreis zu verwenden, dessen Frequenz mindestens im selben Größenordnungsbereich
des Frequenzbandes durch eine stufenweise oder stetig vorzunehmende Änderung der
Kapazität Cl eines temperaturunabhängigen Regelkondensators im Schwingungskreis
innerhalb gewissen Grenzen willkürlich eingestellt werden kann.
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In diesem Zusammenhang läßt die folgende Betrachtung über die Abhängigkeit
des Temperaturkoeffizientens kf der Frequenz von dem Verhältnis Cl/Cb die Vorteile
der erfindungsgemäßen Verwendung eines keramischen Trägerkörpers mit negativem dielektrischen
Temperaturkoeffizienten statt bisher üblicher Trägerkörper mit positivem dielektrischen
Temperaturkoeffizienten besonders klar erkennen.
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Zwischen dem Temperaturkoeffizienten k" der Frequenz, dem Temperaturkoeffizienten
k" der Selbstinduktivität der Spule und dem dielektrischen Temperaturkoeffizienten
k, ihres Trägerkörpers besteht bekanntlich in einem Schwingungskreis mit temperaturunabhängiger
Abstimmkapazität C, ganz allgemein die aus der Frequenzformel:
für den Temperaturkoeffizienten k f der Frequenz f
leicht abzuleitende
Beziehung:
oder in dem besonderen Fall der Verwendung eines Trägerkörpers mit der Teilkapazität
Cb' negativen dielektrischen Temperaturkoeffizientens k,,' auch:
Im vollkommen temperaturunabhängigen Schwingungskreis (k,'= 0) mit einer
für sich selbst temperaturunabhängigen Abstimmkapazität Clo bei der Frequenz f.
ist:
Damit ergibt sich:
Den Kapazitätswerten Cl und CIa sind die Frequenzen f und f. zugeordnet, und es
verhält sich:
Unter Einführung der vorstehend für Clo / C6' und Cl/ Cb' erhaltenen Ausdrücke
folgt:
Beispielsweise zeigen die Schaulinien in Abb. io für eine Spule mit ks = 2o # iö
e in Abhängigkeit von kf bzw. von kf' das Verhältnis Ci/Cb bzw. das Verhältnis Cl/Cb'
und das gemäß dieser Beziehung nach der Gesetzmäßigkeit einer Parabel verlaufende
Verhältnis f / fo, wobei für, den keramischen Trägerkörper einmal kb = +16o
# io s und das andere Mal kb' = -16o # io-g zugrunde gelegt wurde. In beiden Fällen
ist für Cl = oo (Spule kurzgeschlossen) kf = k"' = -k$/2 (= -io #
iö g). Wird ein Trägerkörper z. B. aus Calit mit positivem dielektrischem Temperaturkoeffizienten
kb (= +16o # iö g) verwendet, so ist k" stets negativ und steigt mit sinkendem Verhältnis
Cl / Cb ständig, bis schließlich der Wert
im vorliegenden Fall also k" = -9o - io s bei der
natürlichen
oder Eigenfrequenz der Spule (Cl = 0) erreicht wird.
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BeiVerwendung einesTrägerkörpers negativen dielektrischen Temperaturkoeffizientens
kb' (= -16o # io e) sinkt dagegen k f' mit Verringerung des Verhältnisses
Cl / C,' von dem negativen Grenzwert -k.,/2 bei dem Verhältnis
d. h. in diesem Beispiel bei Clo / Cb' = 7, auf Null, wechselt darauf das Vorzeichen
und endet schließlich bei dem positiven Grenzwert
d. h. in diesem Fall kf = +7o # io e, sobald die Abstimmkapazität Cl = 0 ist. Die
Spule schwingt dann in ihrer Eigenfrequenz:
Während also jede Verringerung der Abstimmkapazität Cl bei Verwendung eines Spulenwindungsträgers
mit positivem dielektrischem Temperaturkoeffizienten kb in jedem Fall eine Zunahme
des negativen Temperaturkoeffizientens k f der Frequenz zur Folge hat, vermindert
sich der negative Wert des Koeffizientens kf bei Verwendung eines Trägerkörpers
mit negativem dielektrischem Temperaturkoeffizienten kb' = -kb bis auf Null
und erreicht schließlich einen positiven Grenzwert.
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Die Beträge von k f' im positiven Gebiet sind stets
um den Betrag von k$ kleiner als die Beträge von kf, und es sind ferner die Beträge
von kf im negativen Gebiet jeweils um (k8 - k f) kleiner als k".
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Die Verwendung eines Trägerkörpers mit negativem dielektrischem Temperaturkoeffizienten
bietet daher den bemerkenswerten Vorteil, daß in jedem Fall, also auch im nicht
oder nur annähernd temperaturunabhängigen Schwingungskreis, die sich mit den Temperaturänderungen
ergebenden Abweichungen der Frequenz von ihrem Sollwert geringer sind, als bei Verwendung
eines Trägerkörpers mit positivem dielektrischem Temperaturkoeffizienten.
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Die Schaulinien der Abb. io lassen weiter erkennen, daß mit einem
Spulenwindungsträger, dessen dielektrischer Temperaturkoeffizient positiv ist, Temperaturkoeffizienten
kf, die kleiner als -1/2 k8, im vorliegenden Fall also kleiner als --io # io-e sind,
überhaupt nicht verwirklicht werden können. Dagegen lassen sich bei Verwendung eines
Spulenwindungsträgers, dessen dielektrischer Temperaturkoeffizient negativ ist,
beliebig geringe, zwischen 0 und 1/z k8 liegende, positive und negative Temperaturkoeffizienten
k f' einhalten. Es läßt sich ferner, was bei einem Spulenwindungsträger mit
positivem dielektrischem Temperaturkoeffizienten ebenfalls nicht möglich ist, die
Kapazität Cl des für sich temperaturunabhängigen Abstimmkondensators in einem bestimmten
Spielraum beliebig verändern, ohne daß dabei kf einen geringeren, positiven oder
negativen Wert überschreitet und die Frequenz des Schwingungskreises bei Temperaturänderungen
der Schaltelemente in einem gegebenen Temperaturbereich um einen größeren Betrag
abweicht, als zulässig erachtet werden kann.
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Die aus Abb. io abgeleiteten Schaulinien Abb. ii und 12 zeigen in
Abhängigkeit von k,' das Verhältnis f"/ f' der kleineren Frequenz f" zur
größeren Frequenz f' bzw. das umgekehrte Verhältnis f'/ f"
dieser Frequenzen
eines Schwingungskreises nach der Erfindung, die durch Änderung der Abstimmkapazität
Cl in einen bestimmten Spielraum eingestellt werden können. Außerdem ist das dem
Verhältnis f"/ f' zuzuordnende Verhältnis Cl'/Cl" und das dem Verhältnis
f'/ f" zuzuordnende Verhältnis Cl"/ Cl' der den Frequenzen f' und
f"
entsprechenden Werte Cl' und Cl" des regelbaren Abstimmkondensators über
± k"' aufgetragen. Es ergibt sich beispielsweise, daß in dem betrachteten Schwingungskreis
die Frequenz bis zu einem Verhältnis f"/ f' = o,82 bzw. bis zu dem Verhältnis
f'/ f" = 1,2 durch Änderungen der Abstimmkapazität Cl im Verhältnis Cl"lCl'
= 1,6 bzw. im Verhältnis Cl'/ Cl" --- o,63 geregelt werden kann, ohne daß
kf den Wert -1- 2 - io e überschreitet. Für Temperaturänderungen zwischen
z. B. ± 5o° C würden hiernach die größten Frequenzabweichungen [z = (± kf)
# (± t)] nicht mehr als ioo Hz bei ioooooo Hz betragen.
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Der durch Veränderungen der Abstimmkapazität Cl unter Einhaltung eines
bestimmten Temperaturkoeffizienten ± k f' zu erzielende Regelbereich der
Frequenz wird um so größer, je kleiner kg ist. Es werden für diesen Zweck
also solche Ausführungsformen der Spulen vorteilhaft sein, bei denen sowohl der
auf die Stromverdrängung als auch auf die Wärmedehnung des Trägerkörpers zurückzuführende
Anteil des Temperaturkoeffizientens der Selbstinduktivität gering ist. Insbesondere
empfiehlt sich die Verwendung von Condensa N mit der verhältnismäßig niedrigen Wärmedehnungszahl
a = 6,7 # iö '' als Baustoff für den Trägerkörper. Damit k$ möglichst klein und
innerhalb eines großen Frequenzgebietes auch unveränderlich ist, müssen ferner die
Spulenwindungen auf dem z. B. zylindrischen keramischen Trägerkörper als flache
metallische Bänder oder Fäden aufgebracht, also z. B. aufgebrannt sein. Für die
Verwendung in bestimmten Frequenzgebieten kann es zur Erzielung eines möglichst
unveränderlichen Temperaturkoeffizientens k8 auch vorteilhaft sein, diese metallischen
Bänder in ihrer Breite zu unterteilen, d. h. statt eines verhältnismäßig breiten
Windungsbandes ein solches aufzubrennen, das aus mehreren, elektrisch nebeneinandergeschalteten
schmäleren Bändern oder Fäden besteht. Grundsätzlich werden daher auch derartige
Spulen in den Frequenzbereichen, in denen k8 nur sehr geringen Änderungen unterliegt,
für nahezu temperaturunabhängige Schwingungskreise verwendet werden können, deren
Frequenz durch einen in der Kapazität regelbaren, für sich temperaturunabhängigen
Kondensator innerhalb eines gewissen Spielraumes beliebig einstellbar ist. Die Grenzen
dieser Einstellmöglichkeit sind dann wieder durch die zulässigen Abweichungen der
Frequenz
vom Sollwert, d. h. von der Frequenz des vollkommen temperaturunabhängigen Schwingungskreises
festgelegt.
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Soll der in seiner Frequenz durch willkürliche Änderungen der Kapazität
Cl wahlweise einzustellende Schwingungskreis jedoch vollständig unabhängig von der
Temperatur sein, so kann dies, wie es im Schaltbild Abb. 13 schematisch angedeutet
ist, z. B. zweckmäßig so geschehen, daß mit dem regelbaren,- für sich temperaturunabhängigen
Abstimmkondensator Cl ein mit der Spule elektrisch und räumlich zu einem Ganzen
verbundener, die Teilkapazität Cb und damit auch die Selbst- oder Eigenkapazität
C. = Ca + Cb der Spule beeinflussender Zusatzkondensator Ces negativen dielektrischen
Temperaturkoeffizientens gekuppelt wird, dessen Kapazität bei einer Zunahme von
Cl um einen bestimmten Betrag die Kapazität C, zwangläufig um einen entsprechenden
Betrag vergrößert, so daß in jeder beliebigen Regelstellung das sich aus den Gleichungen
(i) und (2) jeweils ergebende Verhältnis:
eingehalten ist.
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Es war bereits darauf hingewiesen worden, daß sich bei einem vollkommen
temperaturunabhängigen Schwingungskreis für die Teilkapazität Cb mit dem Werkstoff
des Trägerkörpers der Spule als Dielektrikum aus den Gleichungen (i) und (2) mit
sehr großer Annäherung ergibt:
wenn der sehr kleine Anteil der Teilkapazität Ca zwischen den Spulenwindungen mit
Luft als Dielektrikum vernachlässigt werden kann. Daraus folgt weiter, daß für einen
in jeder Regelstellung temperaturunabhängigen Schwingungskreis die durch Zuschalten
einer regelbaren Zusatzkapazität C., vorzunehmenden Änderungen der Teilkapazität
Cb verhältnisgleich sein müssen den willkürlichen Änderungen der Kapazität C1 des
Abstimmkondensators, vorausgesetzt, daß dabei in dem betrachteten Regelbereich der
Frequenz der Temperaturkoeffizient k. selbst unveränderlich bleibt. Beispielsweise
ist diese Voraussetzung im Frequenzband von i # ioe bis etwa 8 # iog Hz bei solchen
Spulen erfüllt, deren Windungen als dünne flache Metallbänder auf einem z. B. zylindrischen
keramischen Trägerkörper in inniger, molekularer Bindung mit diesem aufgebracht,
also z. B. aufgebrannt sind.
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Für einen mit einer derartigen Spule ausgerüsteten Schwingungskreis
ist in Abb. 14 eine dem Schaltbild Abb.13 entsprechende Anordnung nach der Erfindung
schematisch dargestellt. Der der temperaturunabhängigen, regelbaren Kapazität Cl
entsprechende Kondensator ist ein Kreisscheibenkondensator, dessen feststehende
keramische Scheibe 50 mit dem z. B. halbringförmigen, aufgebrannten Edelmetallbelag
51 und dessen verdrehbare keramische Scheibe 52 mit dem gleichfalls aufgebrannten
halbringförmigen Edelmetallbelag 53 versehen ist. Beide das Dielektrikum des Kondensators
bildende Kreisscheiben 5o und 52 bestehen z. B. aus der Abart temperaturunabhängiger
Dielektrizitätskonstante des unter dem eingetragenen Warenzeichen nTempaa bekannten
Magnesiumtitanates. Die verdrehbare Kreisscheibe 52 ist durch eine Welle 54 mit
der verdrehbaren Kreisscheibe 55 des der Kapazität Ces im Schaltbild Abb. 13 entsprechenden
Zusatzkondensators gekuppelt. Diese mit dem aufgebrannten halbringförmigen Edelmetallbelag
56 versehene Kreisscheibe 55 ist auf dem Boden 57 des in diesem Fall in Form eines
zylindrischen Topfes 58 ausgeführten keramischen Spulenwindungsträgers verdreh.bar
gelagert. Der Boden 57 trägt auf seiner Innenseite den als Edelmetallbelag aufgebrannten
halbringförmigen Kondensatorgegenbelag 59, der mit dem auf derzylindrischen
InnenwandungdesTrägers58 aufgebrannten Hilfsbelag 6o leitend verbunden ist. Die
Spulenwindungen 61 sind auf der zylindrischen Außenfläche des Trägers 58 als dünne,
flache Edelmetallwindungen aufgebrannt. Sowohl der Träger 58 als auch die Kreisscheibe
55 bestehen aus keramischem Werkstoff negativen Temperaturkoeffizientens der Dielektrizitätskonstante,
z. B. aus Condensa N oder Condensa C. Beim Verdrehen der Kreisscheibe 52 um einen
beliebigen Winkel innerhalb des Regelbereiches wird gleichzeitig die Kreisscheibe
55 um den gleichen Winkel verdreht, wobei die Änderungen der Kapazität C", des Zusatzkondensators
verhältnisgleich sind den Änderungen der Kapazität Cl des temperaturunabhängigen
Abstimmkondensators. Die Abgleichung kann in der Weise erfolgen, daß in einer bestimmten
Anfangsstellung der Kreisscheiben 52 und 55, bei der die Zusatzkapazität C., gleich
Null und nur ein Teil Cl' = Cl /n der größten Kapazität Cl des regelbaren
Hauptkondensators in den Schwingungskreis eingeschaltet ist, das durch die Gleichung
(3) geforderte Verhältnis C= /C. durch das Verhältnis (C,/,n) : C6 gerade
erfüllt wird, was durch Beeinflussung der Eigenkapazität der Spule, z. B. am einfachsten
durch zweckentsprechende Bemessung des Hilfsbelages 6o, erreicht werden kann. Die
Temperaturunabhängigkeit des Schwingungskreises ist dann in jeder Regelstellung
des Kondensators Cl gewährleistet.
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Eine weitere sehr zweckmäßige Ausführungsform der Spule für den Schwingungskreis
nach der Erfindung zeigt schematisch die Abb. 15. In diesem Fall ist in einer Verlängerung
des zylindrischen Trägerkörpers 7o aus keramischem Werkstoff negativen dielektrischen
Temperaturkoeffizientens ein aus dem gleichen Werkstoff gefertigtes Röhrchen 71
mit dem innen aufgebrannten Belag 72 verdrehbar gelagert, der gegen einen, auf die
Außenwandung des Trägerkörpers 7o aufgebrannten, mit den Spulenwindungen 73 zusammenhängenden
Hilfsbelag 74 die regelbare Zusatzkapazität C., bildet. Die Röhrenkörper
7o und 71 werden möglichst zügig ineinander geschliffen, um zu erreichen, daß der
Luftspalt zwischen ihnen äußerst gering ausfällt. Das Röhrchen 71: wird mit dem
verdrehbaren Teil des temperaturunabhängigen Abstimmkondensators im Schwingungskreis
starr gekuppelt, damit die Änderungen der Kapazität C.s, ebenso wie im vorbeschriebenen
Beispiel
nach Abb. 14, verhältnisgleich zu den Änderungen der Kapazität Cl des Abstimmkondensators
vor sich gehen, so daß in jeder Regelstellung die Bedingung (3) erfüllt wird.
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An Stelle eines verdrehbaren Röhrchens könnte der Röhrchenkörper 71
auch z. B. als Tauchkolben ausgeführt sein, wobei die Änderungen der Zusatzkapazität
C" durch axiale Verschiebungen des Röhrchenkörpers 71 in dem ihn umschließenden
Trägerkörper 70 erfolgen. Zwischen dem Röhrchenkörper 71 und dem verstellbaren
Teil des temperaturunabhängigen Abstimmkondensators wäre auch in diesem Fall eine
zweckentsprechende Kupplung anzubringen.