Radiospire (coil) N48R

Der kürzliche Beitrag "Oszillatoren: "Springen" und "Reißen" der Frequenz" wurde zum Anlass genommen, die Oszillatorspule des DUCRETET Supermodula à 5 lampes ein wenig näher zu untersuchen und an diesem einfachen Beispiel zu demonstrieren, welche Messfehler einem bei der Parameterbestimmung hochfrequenter Komponenten unterlaufen können, wenn man die realistischen Einsatzbedingungen unberücksichtigt lässt.

Zunächst noch ein paar Bilder der Spule und ihres Innenlebens:

Öffnet man den Schraubdeckel der Spule, so sieht man zunächst die Sekundärspule (mittleres Bild), also diejenige, die zwischen der Anode der Bigrille Röhre und dem 1. ZF-Filter liegt. Es handelt sich um eine Korbspule mit d_i=40mm und d_a=90mm. Die Spule ist bewickelt mit umsponnenem Cu-Draht (keine Litze).

Kippt man diese Spule aus der Einhausung heraus (rechtes Bild), so sieht man die dahinter liegende Primärspule, die zwischen dem Gitter 1 der Bigrille und Masse liegt. Innen- und Außendurchmesser entsprechen denen der Sekundärspule.

Ein Pappering von 14,3mm Dicke liegt als Abstandshalter zwischen den beiden Spulen.

Hier sieht man die Stiftbelegung der Oszillatorspule:

Der Primärwickel liegt zwischen Stift I und II, der Sekundärwickel zwischen Stift III und IV.

Zwecks Reduzierung der kapazitiven Kopplung zwischen Primär-und Sekundäspule stehen sich die Anschlüsse der heißen und kalten Spulenenden nicht direkt gegenüber: Beim Primärwickel liegt der heiße Anschluß I am inneren Spulenende, beim Sekundärwickel liegt der heiße Anschluss III am äußeren Spulenende.

 

 

Als erstes wurden die Induktivitätswerte der beiden Spulen jeweils mit offener und kurzgeschlossener Gegenspule gemessen und der Kopplungsfaktor berechnet, der sich zu 0,44 ergab. Die Widerstandswerte liegen aufgrund der wenigen Windungen bei nur wenigen Ohm.

Das Übersetzungsverhältnis

Will man das Übersetzungsverhältnis Ü, also das Spannungstransformationsverhältnis z.B. eines NF-Übertragers, eines Ausgangstransformators oder eines Netztransformators messen, so füttert man die Primärwicklung  mit einer Wechselspannung bekannter Größe und misst im Leerlauf die Spannung am Sekundärwickel. Geht man so bei einem HF-Transformator vor, so erhält man ein überraschendes Ergebnis:

Zunächst wurde die Primärspule mit dem Ausgangssignal eines Sinusgenerators mit R_i=50Ω beaufschlagt und mit einem Tastkopf 10MΩ ||14pF das an der Sekundärspule erscheinende Signal für Frequenzen zwischen 300kHz und 1,8MHz gemessen, also in einem Bereich, der beiderseits etwas über den Abstimmbereich des DUCRETET Oszillators hinausreicht. Dabei erhält man folgendes Resultat:

Das so ermittelte Übersetzungsverhältnis startet bei 300 kHz zwar bei einem als realistisch anzusehenden Wert von 0,65, steigt dann kontinuierlich an, durchläuft bei ca. 1,1MHz ein Zwischenmaximum - offensichtlich eine Resonanz, und steigt bei weiterer Frequenzsteigerung schnell auf sehr hohe Werte, die bis auf einen Faktor 4 höher als der Anfangswert sind.

Will man diesen unerwarteten Kurvenverlauf verstehen, muss man sich zunächst klar machen, dass hier zwischen Primär- und Sekundärspule keine rein induktive Kopplung stattfindet - wie man es von einem Transformator zunächst erwarten würde, sondern daß dieser induktiven Kopplung eine flächig verteilte kapazitive Kopplung überlagert ist, was die resultierenden Kopplungsverhältnissse schwer durchschaubar macht.

Als Anschauung soll hier ein Bild dienen, das einer Literaturstelle über die verteilte Kapazität von Antennengebilden entnommen wurde. Stellt man sich vor, dass die Antenne die Sekundärspule und die Erdebene die Primärspule repräsentiert, so sieht man recht anschaulich, dass über die gesamte Ausdehnung hin eine kapazitive Kopplung auftritt. Nun sind beim vorliegenden Transformator zwar die heißen und kalten Anschlüsse der Spulen so gegen einander verdreht worden, dass sie sich nicht direkt gegenüber stehen, die kapazitive Kopplung also reduziert wurde. Das bedeutet aber nicht, dass sie vollständig unterdrückt wurde. Immerhin muss man bedenken, dass radial über die Spulen gesehen, eine gewisse elektrische Feldstärkevertelung vorliegt und dass diese selbstverständlich auf die Gegenspule überspricht.

Nun stellte sich natürlich die Frage, ob und wie man diese Kopplungskapazität messtechnisch ermitteln kann. Eine näherungsweise Bestimmung kann man mit dem Exciter durchführen, indem man die Anschlüsse II und IV (die kalten Enden der Spulen) miteinander verbindet und den Exciter an die heißen Punkte I und III anschließt. Die gemessene Resonanzfrequenz von 1,56 MHz ergibt sich dann aus der kombinierten Induktivität der Primär- und Sekundärspule und der Kopplungskapazität zwischen ihnen. Die Induktivität lässt sich wiederum dadurch bestimmen, dass man die Resonanzfrequenz derselben Anordnung misst, aber zusätzlich einen großen Kondensator bekannter Größe (>> Koppelkapazität) zwischen I und III anschließt. Solange die Koppelkapazität klein gegenüber diesem Zusatzkondensator ist, wird die Resonanzfrequenz in guter Näherung durch letzteren bestimmt. Im vorliegenden Fall wurde ein Glimmerkondensator von 3000pF verwendet und es ergab sich eine Resonanzfrequenz von ca. 115kHz, woraus eine Induktivität von 630µH folgt. Aus der Resonanzfrequenz der 1. Messung von 1,56MHz folgt dann eine Koppelkapazität von 16,5pF.

Neben der räumlich verteilten Kopplungskapazität muss man natürlich berücksichtigen, dass die beiden Spulen des Transformators eine gewisse Eigenkapazität aufweisen. Auch diese konnte mit Hilfe des Exciters aus der Resonanzfrequenz der jeweiligen Spule ermittelt werden. Es ergaben sich primär: 19pF und sekundär 17pF.

Mit der Kenntnis der Kapazitätswerte kann man nun ein Ersatzschaltbild des Transformators und seiner Beschaltung erstellen:

C4 und R2 simulieren den Tastkopf des Oszillografen.

Ein häufiger Reflex bei Messergebnissen, die nicht den anfänglichen Erwartungen entsprechen ist der, dass man durch losere Ankopplung an das gemessene Objekt versucht, den gemessenen Wert weniger zu verfälschen. Es wurde also nun in einem 2. Schritt nicht direkt mit dem Tastkopf an der Sekundärspule gemessen, sondern über einen Entkopplungskondensator von 0,4pF. Das Ergebnis sah folgendermassen aus (blaue Kurve; die neue Kurve wurde auf den Anfangswert 0,65 der vorhergehenden Kurve normiert):

Wie man sieht, hat sich der generelle Anstieg des Messwertes zwar abgeschwächt, jedoch ist zu der ersten Resonanz bei 1,1 MHz nun noch eine zweite bei bei 1,6 MHz dazugekommen. 

Es ist also offensichtlich, dass diese Messstrategie zu keinen schlüssigen Ergebnissen führt, da man nicht das ursprünglich anvisierte Übersetzungsverhältnis des Transformators misst, sondern eine Superposition dieses Parameters mit den Auswirkungen von Serien- und Parallelresonanzen der verschieden induktiven und kapazitiven Schaltkreiskomponenten.

Als letzter Schritt wurde nun der Sekundärwicklung als realistische Simulation des Innenwiderstandes der Bigrille-Röhre ein 20kΩ Widerstand parallel geschaltet und wiederum mit 0,4pF ausgekoppelt. Damit ergab sich der grüne Verlauf (Anfangswert wiederum auf 0,65 normiert) :

Die zuvor beobachteten Resonanzen sind nun verschwunden. Nur diese zuletzt unter realistischen Lastbedingungen gemessene Kurve vermittelt den für  den praktischen Anwendungsfall relevanten frequenzabhängigen Verlauf des Übertragungsfaktors.

Bei näherer Betrachtung erkennt man hier eine deutliche Parallele zu den Resultaten des kürzlichen Beitrags zum Aufbau und Resnanzverhalten früher ZF-Filter. Dort hatten die EXCITER Messungen an der Primärseite von nur sekundär abgestimmten ZF-Transformatoren Resonanzfrequenzen im Bereich einiger hundert Kilohertz gezeigt - also weitab der Zwischenfrequenz-, die dadurch zustande kamen, dass die Primärwickel mit ihrer eigenen Wickelkapazität resonierten. Auch die Speki-Messungen hatten zunächst diese Resonanzen bestätigt, wenn auch aufgrund etwas anderer kapazitiver Lastverhältnisse auf etwas anderen Frequenzen. Erst als die Speki-Messungen mit einer Simulation der realen Quellimpedanz - also dem Inenwiderstand der treibenden Röhre von ca. 20kΩ - parallel zu den Primärwickeln wiederholt wurden, ergaben sich realistische Resonanzverläufe.

Harald Giese, 28.Mar.16

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