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Hochfrequenzdrossel für sehr kurze Wellen Da die Windungen von Hochfrequenzspulen
nicht fest gekoppelt sind und die Kapazität verteilt ist, findet man bei den Hochfrequenzspulen
nicht nur eine, sondern eine ganze Reihe von Resonanzfrequenzen. Langgestreckte
Drosseln verhalten sich ganz ähnlich wie Antennen oder Lecherleitungen. Bei solchen
Drosseln ist nämlich erstens die Kopplung der Spulenteile besonders gering, zweitens
überwiegt die Kapazität der Spulenteile gegen »Erde« jene der Spulenteile untereinander.
Man kann also annehmen, daß langgestreckte Drosseln über ihrer ersten Eigenwelle
(f,1), bei der ein Spannungsknoten (und ein Strombauch) in der Mitte. der Drossel
auftritt, weitere Resonanzfrequenzen aufweisen, und zwar wie bei einer Dipolantenne
etwa in den Abständen fol : fkl : f,12: fk2.. . = z : 2 : 3
: 4...
Dabei werden Leerlaufresonanzen (f.1, f02 ... ) mit Spannungsbauch
und Stromknoten an den Spulenenden und Kurzschlußresonanzen (fkl, fk,..) mit Spannungsknoten
und Strombauch an den Spulenenden abwechseln. Für die Leerlaufresonanzfrequenzen
erreicht der Scheinwiderstand der Spule einen Höchstwert, die Drosselwirkung ist
besonders gut. Für die Kurzschlußresonanzfrequenzen wird die
Drossel
meist unbrauchbar, sie .wirkt mehr öder weniger als Kurzschluß.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine Hochfrequenzspule
gegebener Induktivität so auszubilden, daß sie in einem großen Frequenzbereich lückenlos
als Hochfrequenzdrossel wirksam wird, insbesondere im Dezimeterwellengebiet, wobei
die erste Kurzschlußresonanzfrequenz möglichst hoch liegen soll. In einem größeren
Frequenzgebiet lückenlos wirksame Drosseln sind besonders wichtig bei Meßgeräten,
z. B. Meßsendern, die meist einen größeren Bereich überstreichen sollen als die
Betriebssender.
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Die Erfindung geht zur Lösung der Aufgabe dabei davon aus, daß bei
Verkleinerung einer gegebenen Drossel in allen Längendimensionen (also auch Drahtdurchmesser
und Drahtisolation) z. B. im Verhältnis :r: 2 Induktivität und Eigenkapazität auf
die Hälfte sinken, weil beide Größen die Dimension einer Länge haben. Wird nun die
Windurigszähl bei gleichen Spulendimensionen um den Faktor 1/-2 erhöht, so verdoppelt
sich die Induktivität wieder, erreicht also ihren alten Wert, während die Eigenkapazität
unverändert auf dem halben Ausgangswert bleibt. Die Spulenkapazität hängt dabei
in weiten Grenzen nicht von der Windungszahl und Drahtstärke, sondern nur von den
Abmessungen der Drossel ab.
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Als einlagige Zylinderspulen ausgebildete Hochfrequenzdrosseln für
kurze Wellen, insbesondere Dezimeterwellen, sollen daher gemäß der Erfindung geometrisch
so klein als möglich gebaut und dabei dünnster Draht verwendet werden, und zwar
soll der verwendete Draht so dünn gewählt werden, daß sich im Betrieb durch den
die Spule durchfließenden Gleichstrom (Heizstrom bzw. Anodenstrom der Röhre) eine
dicht an der Grenze der für den Draht zulässigen Erwärmung liegende Temperatur ergibt.
Für eine vorgegebene Induktivität werden dann die Spulenabmessungen äußerst klein.
Beispielsweise soll die Spulenlänge kleiner als io mm werden. Durch die Ausbildung
gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe weitgehend gelöst. Für die Erwärmung
ist dabei wegen der einlagigen Wicklung nicht die Stromdichte, sondern die Verlustleistung
je Oberflächeneinheit maßgebend.
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Um die Wärmebeständigkeit der Spulen zu erhöhen bzw. um die Spulenabmessungen
noch kleiner halten zu können, kann es zweckmäßig sein, eloxierten Aluminiumdraht
zu verwenden, der eine Erwärmung bis etwa 400° C zuläßt. Ebenso könnte auch blanker
Kupferdraht in inaktiver Atmosphäre, z. B. Wasserstoff, verwendet werden, wodurch
eine Erwärmung bis zur Rotglut, also etwa 8oo bis goo° C, zulässig wird. Zwecks
Verkleinerung der Spulenkapazität könnte dabei die Wicklung ohne Wickelkörper frei
tragend ausgeführt werden.
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Für Spulen aus Kupferlackdraht in Luft zeigt ein Versuch, daß man
bei nicht zulangen Drosseln
eine Oberflächenbelastung von 0,4 W/cm2 zulassen kann. Dabei wird eine Übertemperatur
von etwa ioo° C erreicht. In der folgenden Tabelle sind die danach zulässigen Ströme
für verschiedene Stärken von Kupferlack-(CuL-)Draht berechnet:
| Durchmesser in mm ........................... 0,03 0,04 0,05
o,o6 o,o8 o,1 |
| Drahtlänge in m je cm2 Oberfläche ............. 2,38 i,92 1,61
1,33 i,05 o,87 |
| Widerstand in Ohm/cmz bei i2o° C . . . . . . . . . . . . .
84,0 38,o 20,4 11,7 5,2 2,75 |
| Strom in mA bei 0,4 W/cm2-Belastung . . . . . . . . 69 103
140 185 277 382 |
| Stromdichte in A/mm2 ................ ......... 98
82 71 65 55 49 |
Man wird also z. B. für eine Kathodendrossel mit 0,03 bis 0,04 CuL-Draht und für
Heizdrosseln mit 0,04 bis o,o8 CuL-Draht auskommen.
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Bei gegebener Induktivität und Drahtstärke der Drossel hängt die Lage
der Resonanzfrequenzen noch von der Form der Drossel ab. Die relative Lage dieser
Frequenzen, also ihr Verhältnis zueinander, ist dabei unabhängig von der geometrischen
Größe und Windungszahl; Eine Drossel von gegebener Form wird bei ihren Resonanzfrequenzen
ein ganz bestimmtes räumliches Bild des magnetischen und elektrischen Feldes zeigen,
unabhängig von ihrer Größe und von der Größe der verteilten Kapazität und Induktivität:
Man kann also die relative Lage der Resonanzfrequenz auf Grund von Modellversuchen
an großen Drosseln bestimmen.
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Eine solche Meßreihe an drei Drosseln etwa gleicher Induktivität (etwa
=3 rnH) und gleicher Drahtstärke (0,05 CuL) zeigen die Fig. i und 2 für die Formen:
damit die erste Eigenfrequenz in der Gegend i MHz
Die Induktivität wurde so groß gewählt, liegt und die Drossel bis weit -über diese
Frequenz untersucht werden kann. Man erhält dann für die Spule a (Fig. i a und 2
a) den Durchmesser D = 25 mm und die Länge L = ioo mm bei n = 16o8
Windungen, für die Spule b (Fig. i b und 2 b) D = 32 mm, L = 64 mm und
n = 1046 Windungen, während für die Spule c (Fig. i c und 2 c) D = 43 mm,
L = 43 mm und n = 697 Windungen ist. Fig. i zeigt die Ortskurven des Scheinleitwertes,
wobei die Frequenz in MHz als Parameter eingetragen ist. Der erste Schnittpunkt
der Kurven mit der reellen Achse ist- die erste Leerlaufresonanz, sie liegt bei
Wie zu erwarten, liegt die Frequenz desto tiefer, je kürzer die Spule ist. Doch
ist der Unterschied zwischen a und b noch gering.
Die
erste Kurzschlußresonanzfrequenz entspricht den Punkten, in denen der Scheinleitwert
sein erstes Maximum erreicht. Nach Fig. i erhält man für
Es tritt also der Effekt auf, daß das Verhältnis fl,l/fo1 bei kurzen Spulen größer
ist als bei langen, trotzdem liegt bei dem Meßbeispiel die erste Kurzschlußresonanzfrequenz
bei der langen Spule am höchsten, nur die Unterschiede sind kleiner geworden. Im
übrigen ist bemerkenswert, daß das Verhältnis fr",/f", auch bei noch unter 2 liegt,
d. h. f1,1 liegt näher als eine
Oktave an fol. Die Annahme der ganzzahligen Verhältnisse zwischen Grundwelle und
Oberwellen gilt übrigens auch bei der Dipolantenne nur näherungsweise.
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Wenn sich die erste Kurzschlußresonanz nur wenig von der Form der
Drossel abhängig zeigt, obwohl die in diesem Schwingungsfall entgegenwirkenden Magnetfelder
beider Spulenhälften sich bei der kurzen Drossel viel weitergehend aufheben müssen
als bei der langen, so folgt daraus ein entsprechend rasches Anwachsen der wirksamen
Eigenkapazität.
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Man erkennt aber aus Fig. i, daß die Größe der Leitwertkreise der
ersten Kurzschlußresonanz desto kleiner wird, je kürzer die Drossel ist. Es ist
auch anschaulich, daß sich die Kurzschlußresonanz bei der kurzen Drossel schlechter
ausbilden kann als bei der langen. Dieses grundsätzliche Verhalten ist auch bei
den Drosseln des Ultrakurzwellengebietes zu erwarten, doch werden sich in diesem
Gebiet die Resonanzen sehr viel stärker ausbilden (die Kreise vergleichsweise größer
sein), weil die Güte der Spulen entsprechend höher ist.
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Eigentümlicherweise zeigt die zweite Kurzschlußresonanz (f7;,2), der
der zweite Leitwertkreis der Fig. i entspricht, genau das umgekehrte Verhalten.
Diese Resonanz bildet sich um so besser aus, je kürzer die Drossel ist. In noch
höherem Maße gilt dies für die höheren geradzahligen Kurzschlußresonanzen, die sich
bei der kurzen Drossel viel besser ausbilden als die ungeradzahligen, während bei
der langen Drossel zunächst ein gleichmäßiger Abfall der Resonanzgüte mit der Ordnungszahl
der Kurzschlußresonanz beobachtet wird und erst bei hohen Ordnungszahlen, wo die
Drossel in kurzen Teilstücken schwingt, wieder das typische Verhalten der kurzen
Drosseln sich ausbildet. Eine Erklärung dieses Verhaltens fehlt bisher. Danach findet
man folgende Regeln für die Wahl der Form von Hochfrequenzdrosseln: i. Wenn es möglich
ist, die erste Kurzschlußresonanz der Drossel über das Arbeitsgebiet z. B. des Meßgerätes
zu legen, wählt man zweckmäßig eine Form:
Die Drossel länger als zu machen, hat wenig Wert, da die Kurzschluijresonanzfrequenz
kaum mehr, der Gleichstromwiderstand dagegen rascher wächst. 2. Wenn man einige
Kurzschlußresonanzen in das Arbeitsgebiet der Drossel fallen lassen muß, z. B. weil
dieses Gebiet sehr groß ist, so ist die Form
am günstigsten, wie ein Blick auf Fig. i zeigt. Ob die Drossel für den jeweils vorliegenden
Fall auch brauchbar ist, hängt von der Güte ab, die möglichst gering sein soll.
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Man erkennt auf Fig. i besonders bei Spule c, daß die Leitwertkreise
nicht konzentrisch liegen, sondern mit wachsender Frequenz nach oben in das Gebiet
kapazitiver Leitwerte rücken. Die hier vorliegende Gesetzmäßigkeit ergibt sich noch
deutlicher aus Fig. 2. Diese zeigt die scheinbare Kapazität der Spulen in Abhängigkeit
von der Frequenz. Als scheinbare Kapazität ist dabei sinngemäß der Quotient
bezeichnet, der in einer Meßbrücke unmittelbar als Kapazität abgelesen wird. Den
Leitwertkreisen entsprechen dabei Schwankungen der scheinbaren Kapazität, die nicht
symmetrisch zur Nullachse liegen, sondern um einen festen Wert herumpendeln, der
gleichzeitig der Grenzwert der scheinbaren Kapazität bei hohen Frequenzen ist. Dieser
als »innere Kapazität« Ci bezeichnete Betrag verhält sich also so, als wäre er der
Spule parallel geschaltet. Es handelt sich aber dabei nicht etwa um die Klemmenkapazität,
denn diese wurde sorgfältig bestimmt und abgezogen. Die »innere Kapazität« ist vielmehr
die wirksame Summe der Teilkapazitäten der Spulenteile gegeneinander und dementsprechend
wesentlich von der Form der Spule abhängig.
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Da die Spule einseitig geerdet gemessen wurde - wie es auch der praktischen
Anwendung entspricht -, muß man zu der »inneren Kapazität« noch etwa 1/2 (genau
0,45) der statisch gemessenen Kapazität der Spule gegen Erde addieren. Man erhält
dann die wirksame Gesamtkapazität richtig, d. h. so, daß sie zusammen mit der niederfrequent
gemessenen Spuleninduktivität die erste Eigenresonanzfrequenz richtig ergibt. Der
Faktor 0,45 ist durch die ungleichförmige Spannungsverteilung an der Spule bedingt.
Dies zeigt die folgende Tabelle:
| Induktivität "Innere" Stat. Kapazität Wirksame i. Eigenresonanzfrequenz |
| Spule bei iooo Hz Kapazität gegen Erde Kapazität |
| mH PF PF PF berechnet gemessen |
| a 12,8 0,4 1,7 1,15 1.31 1,30 |
| b 13,2 0,75 1,6 1,47 1,14 1,17 |
| c 13,7 44 1,5 2,08 0,94 0,93 |
Die Annahme, daß die Spulenkapazität, die sich wie eine die Klemmen
der Spulen überbrückende Kapazität verhält und als »innere« Spulenkapazität bezeichnet
sein möge -und im wesentlichen durch die Reihenschaltung der Einzelkapazitäten Cw
von Windung zu Windung gegeben sei, trifft hier nicht zu. Wäre dies der Fall, dann
würde sich ihr Wert im wesentlichen ergeben als Quotient
wobei n die Windungszahl ist. Cw hängt nur vom Umfang (Durchmesser D) der Spule
ab. Die Messung ergibt für 0,05 CuL-Draht den Wert Für eine Spule mit dem Durchmesser
D = 25 mm und der Länge L = ioo mm erhält man z. B. bei der gegebenen Induktivität
L" = 12,8 mH
während die innere Kapazität Ci = 0,4 pF beträgt. Es zeigt sich also, daß die Kapazität
von Windung zu Windung bei Spulen mit großer Windungszahl überhaupt keine Rolle
spielt, nur die Kapazität über ganze Windungsgruppen z. B. erstes gegen letztes
Spulenviertel ist maßgebend. Daraus folgt aber, daß die Spulenkapazität praktisch
unabhängig von der Windungszahl, Drahtstärke und Drahtisolation sein muß und nur
von der absoluten Größe und von der Form der Spule abhängt.
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Um die Schlußfolgerung, daß die Spulenkapazität praktisch unabhängig
von der Windungszahl und Drahtstärke ist, nachzuprüfen, wurden die drei Modellspulen
mit stärkerem Draht (o,i CuL) bewickelt und nochmals gemessen. Die Ergebnisse zeigen
Fig.3 und 4.
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Fig. 3 enthält die Ortskurven des Scheinleitwertes. Ein Vergleich
mit Fig. i ergibt eine bis in die Einzelheiten gehende Übereinstimmung des Kurvenverlaufes.
Die Kurven unterscheiden sich nur im Maßstab und in den Parameterwerten der Frequenz.
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Fig. 4 zeigt die scheinbare Kapazität und bringt den Beweis, daß die
Spulenkapazität praktisch unabhängig von Windungszahl und Drahtstärke ist.
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Bildet man das Verhältnis der entsprechenden Resonanzfrequenzen der
zugehörigen Spulen, die in den Fig. 2 und 4 angegeben sind, so muß sich für jede
Spule eine Konstante ergeben, die der Wurzel aus dem Induktivitätsverhältnis entspricht,
wenn die Kapazität der entsprechenden Spulen gleichgeblieben ist. Wieweit dies der
Fall ist, zeigt die folgende Tabelle. Der aus dem Induktivitätsverhältnis errechnete
Sollwert ist dabei als relativ ungenau zu betrachten, da bei der L-Messung bei iooo
Hz der Widerstand weit überwiegt.
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Die Resonanzfrequenzen sind dabei als jene Punkte der Ortskurve definiert,
in denen die Kurve parallel zur imaginären Achse verläuft (also nicht als Schnittpunkte
mit der reellen Achse, die bei hohen Ordnungszahlen nicht mehr auftreten). Es sind
dies gleichzeitig jene Frequenzen, bei denen die scheinbare Kapazität (Fig. 2 und
4) gleich der »inneren« Kapazität Ci wird.
| Ordnungszahl Resonanzfrequenzverhältnis |
| der Resonanz- |
| frequenz Spule r Spule 2 Spule 3 |
| o= 1,734 i,go6 1,956 |
| ki 854 889 945 |
| 02 833 934 935 OX...x-te |
| k2 842 894 938 Leerlauf- |
| 03 834 894 999 resonanz |
| k3 859 884 914 |
| 04 850 896 946 kX ... x-te |
| k4 842 892 949 Km'zschluß- |
| 05 850 952 964 resonanz |
| k5 855 905 964 |
| o6 844 895 954 |
| k6 830 915 958 |
| 1/i 7141 |
| 1'772 1:,834 9o9 |
Hochfrequenzdrosseln gemäß der Erfindung sind beispielsweise in den Fig. 5 und 6
dargestellt. Die Fig. 5 zeigt eine frei tragend ausgeführte Drossel und Fig. 6 eine
auf einem Tragekörper, z. B. einem Keramikkörper, aufgebrachte Drossel. Die LängenabmessungL
der Drossel, die aus dünnem Kupferlackdraht von z. B. 0,04 mm Durchmesser gewickelt
sein kann, soll dabei z. B. kleiner als 1o mm sein. Das Verhältnis von Spulenlänge
L zu Spulendurchmesser
D ist dabei vorzugsweise zwischen etwa 3 und
4 zu wählen. Es kann jedoch auch gegebenenfalls zweckmäßig sein, für das Verhältnis
einen anderen Wert zu wählen. So ist es vorteilhaft, das Verhältnis zu etwa 2 zu
wählen, wenn einige Kurzschlußresonanzen in das Arbeitsgebiet der Drossel fallen
können, z. B. könnte die Länge L = 3 mm und der Durchmesser D = 1,5 mm sein.