Inhalt des Dokuments
zur Navigation
Herausforderung High Speed Teil 1
Dieses Projekt wurde im WS2005/6 durchgeführt.
Die Motivation.
Der Ausgangspunkt.
- Heutige Elektronik arbeitet mit sehr hohen Taktfrequenzen, bis in den GHz-Bereich hinein
- Die üblichen Abstraktionen wie ideale Bauelemente und "dielektrisch eigenschaftslose" Verbindungen gelten schon im MHz-Bereich nicht mehr uneingeschränkt
- Fehler beim Leiterplattenentwurf sind nachträglich nicht mehr zu korrigieren und schwer zu diagnostizieren
- © TUB/EMSP
- © TUB/EMSP
Hochfrequenz-Leiterplatten, links aus einem Radargerät von Siemens, rechts aus einem Messgerät von Hewlett-Packard.
Die Wissenslücke.
- Die allgemeingültigen Formeln, die uns allen aus "TET" bekannt sind, wie etwa die Maxwellschen Gleichungen, lassen sich in realen Entwurfssituationen meist nicht praktisch anwenden, da der nötige Rechenaufwand bei der Komplexität realer Situationen nicht mehr sinnvoll zu bewältigen ist und die Modellierung dieser Objekte nicht praktikabel ist.
- Auf der anderen Seite befriedigt die Verwendung der bekannten "Kochbuchregeln" (Design Guides) den TU-Ingenieur nicht, denn er will wissen, was er warum tut. Die "Kochbuchregeln" helfen nur in schon einmal von anderen gelösten Situationen weiter. Ein TU-Ingenieur will aber neue, noch nie dagewesene Dinge erschaffen.
- Ein intuitives, aber tiefgründiges Verständnis von Feldern und Wellen würde hingegen das schnelle und erfolgreiche Lösen einer Vielzahl von hochfrequenztechnischen Problemstellungen ermöglichen.
Mehr Informationen zu diesem Thema stehen hier zum Download bereit:
Einführung und Konzept (PDF, 293,6 KB)
Die Vorgehensweise.
- Experimentelle Beobachtung von Feldern und Wellen bei gleichzeitiger theoretischer Betrachtung.
- Beginn mit statischen Feldern, dann Übergang zu zeitveränderlichen Feldern und Wellen.
- Hierbei auch Wiederholung klassischer, historischer Experimente.
- Selbstbau aller Versuche unter Verwendung einfacher, elementarer Bauteile.
- Analyse vorhandener Leiterplatten ( im Folgesemester)
- Eigenentwurf und messtechnische Analyse einer HF-Leiterplatte ( im Folgesemester)
- © TUB/EMSP
- © TUB/EMSP
Verblüffende Experimente mit stehenden Wellen
Die Übersicht über die Versuche im WS 2005/6.
Versuche zu statischen Feldern:
- Elektrisches Feld am Plattenkondensator
- Dielektrische Absorption am Plattenkondensator
- Magnetfeld einer Luftspule
- Bogenentladungen in Luft
Versuche zu zeitveränderlichen Feldern.
- Kraftwirkung eines impulsförmigen Magnetfelds
- Erzeugung gedämpfter HF-Schwingungen in einer Funkenstrecke
- L/C Parallelschwingkreis
- Tesla-Transformator (lose gekoppelte Schwingkreise)
- HF-Leistungsoszillatoren 70 und 140 MHz
Versuche zu Wellen.
- Stehende Wellen an einer Lecherleitung
- Abstrahlung und Empfang mit Dipolen
- HF-Leistungsoszillator mit Lecherkreis
Einige ausgewählte Versuche sind im Folgenden dargestellt.
Die ausführlichen Beschreibungen der einzelnen Versuche stehen hier zum Download bereit:
Einführung und Konzept (PDF, 293,6 KB)
Die Vorversuche (PDF, 709,8 KB) (Kraftwirkung elektrischer und magnetischer Felder
Der Tesla-Trafo (PDF, 3,0 MB)
Die Röhrenoszillatoren und die Versuche damit (PDF, 1,6 MB)
Die Netzteile (PDF, 945,7 KB)
Die Schaltpläne, die nicht in den Berichtsteilen selbst dargestellt sind. (PDF, 84,3 KB)
Kraftwirkung eines impulsförmigen magnetischen Feldes.
- Aufladung einer großen Kapazität mit der verdoppelten Netzspannung.
- Entladung über eine Luftspule.
- Auf der Luftspule befindet sich ein Kurzschlussring.
- Kurzzeitiger Stromfluss in der Luftspule in der Größenordnung 4kA.
- Kurzzeitiger Stromfluss im Kurzschlussring in der Größenordnung 16 kA.
- Der Kurzschlussring wird mit großer Kraft an die Decke geschleudert.
Das Schaltbild:
- © TUB/EMSP
Der Versuchsaufbau:
Erzeugung gedämpfter HF-Schwingungen mit einer Funkenstrecke.
Das Prinzip.
- Ein Kondensator wird über einen Widerstand von einer 14kV-Spannungsquelle aufgeladen.
- Der Spannungsanstieg am Kondensator führt zum Durchschlagen der Funkenstrecke.
- Es entsteht ein sehr steilflankiger Stromimpuls.
- Der Stromfluss durch die Funkenstrecke entlädt den Kondensator
- Damit Abreißen des Funkens und erneuter Spannungsanstieg
- Es entsteht eine periodische Kippschwingung mit ca. 20 Überschlägen pro Sekunde.
- Die steilflankigen Stromimpulse verursachen eine gedämpfte HF-Schwingung mit ca. 7 Mhz, da der Kondensator und die Auskoppelspule einen Schwingkreis bilden.
- Auskopplung der hochfrequenten Energie mit zwei gekoppelten Luftspulen
Das Schaltbild:
- © TUB/EMSP
Der Versuchsaufbau:
Dieses Bild zeigt den Versuchsaufbau:
- © TUB/EMSP
Dieses Bild in höherer Auflösung (JPG, 148,7 KB)
Die Ergebnisse.
Es zeigt sich ein scheinbar paradoxes Phänomen:
- Parallel zur durch die HF-Energie leuchtende 6V-Glühlampe springt ein Funke über eine Strecke von ca. 1mm über, es lässt sich also eine Spannung von ca. 1kV über der Lampe nachweisen.
Dieses Phänomen lässt sich wie folgt erklären:
- Die hochenergetischen Impulse treten nur ca. 20 mal pro Sekunde auf. Ihre Augenblicksleistung ist zwar im kW-Bereich, die mittlere Leistung ist jedoch kleiner als 1W. Daher tritt trotz der kurzzeitigen hohen Leistung keine thermische Zerstörung der Lampe ein.
Dieses extreme Verhältnis von Augenblicks- zur mittleren Leistung ist für die Funktionsweise des im folgenden Text beschriebenen Tesla-Transformators von grundlegender Bedeutung.
- © TUB/EMSP
- © TUB/EMSP
Der Funkenüberschlag parallel zur Glühlampe
Der Teslatrafo.
Das Prinzip.
- Zwei lose gekoppelte Schwingkreise.
- Resonanzfrequenz beider Kreise identisch (ca. 300 kHz).
- Primärkreis: großes C, kleines L => geringe Impedanz.
- Sekundärkreis: kleines C, großes L => hohe Impedanz.
- Impulsförmige Speisung des Primärkreises mit ca. 10 kV.
- Gedämpfte Schwingung mit ca. 250 kV (!) Scheitelwert
- © TUB/EMSP
- Primärkondensator Cp wird aufgeladen.
- Spannung über Funkenstrecke steigt.
- Funkenstrecke bricht durch.
- Ionisierte Luft in Funkenkanal schließt den Primärschwingkreis.
- In Cp gespeicherte Energie wird in gedämpfte Schwingung umgesetzt.
- Sehr hohe Impulsleistung, ca. 100 kW.
- Ca. 20 Anregungen / Sekunde.
- Mittlere Leistungsaufnahme aus dem Netz ca. 0,5 kW.
- © TUB/EMSP
- Funkenstrecke als einziges aktives Bauelement (Schwellwertschalter mit Hysterese)
- Impulsleistungen im 100kW-Bereich können mit Halbleitern oder Röhren nur schwer beherrscht werden.
- Schnelles Löschen der Funkenstrecke wichtig, um Rückspeisung Sekundär => Primär zu minimieren.
- Daher spezielle Konstruktion der Funkenstrecke notwendig.
- © TUB/EMSP
- Ausführung der sekundärseitigen Kapazität als Metallkugel.
- Kugel verhindert Kreisverstimmung durch Erdkapazität der Blitzkanäle.
- Kugelkapazität wesentlich größer als Kapazität er Blitzkanäle zur Erde.
- Kugel mit d = 15cm hat eine Kapazität von ca. 8 pF zur Erde.
Die Ausführung.
Die Gesamtansicht des Teslagenerators:
- © TUB/EMSP
Dieses Bild in höherer Auflösung (JPG, 154,8 KB)
Der Netztrafo.
- Verwendung eines Neon-Transformator 6,3kV / 50 mA
- Das Joch wurde ausgebaut, um die Leistung zu erhöhen.
- © TUB/EMSP
Dieses Bild in höherer Auflösung (JPG, 234,6 KB)
Die Funkenstrecke.
- Reihenschaltung von 6 Teilfunkenstrecken für schnelle Löschung.
- Große Elektroden aus Cu-Vollmaterial für gute Wärmeableitung.
- Homogenes Feld im Überschlagsbereich durch orthogonale Anordnung der Rundstäbe. Dadurch keine Vorionisation des Überschlagskanals.
- Abstände einstellbar.
- © TUB/EMSP
Dieses Bild in höherer Auflösung (JPG, 188,9 KB)
Der Primärkondensator.
- Reihenschaltung von 12 handelsüblichen Polypropylenkondensatoren 150nF / 750V AC zur Erzielung der nötigen Spannungsfestigkeit.
- Resultierender Kondensator: 12,5 nF / 9kV AC
- © TUB/EMSP
Dieses Bild in höherer Auflösung (JPG, 159,2 KB)
Die Primärspule.
- Helixausführung mit 30° Anstiegswinkel.
- Kompromiss zwischen enger magnetischer Kopplung (Energieeintrag) und geringer kapazitiver Kopplung (Energieabführung)
- Kapazität wird nach oben hin schädlicher
- Feinabgleich der primärseitigen auf die sekundärseitige Resonanzfrequenz durch primärseitigen Abgriff.
- Verwendung halbstarrer Litze mit großer Oberfläche (Skineffekt)
- © TUB/EMSP
Dieses Bild in höherer Auflösung (JPG, 146,3 KB)
Die Sekundärspule.
- Länge ca. 55 cm, Durchmesser 11,5 cm.
- ca. 1100 Windungen.
- Kanalrohr aus dem Baumarkt als Spulenkörper.
- Verwendung von Lackdraht 0,5mm.
- Spule wurde von Hand gewickelt, 3 Personen haben 4 Stunden dazu gebraucht.
- Schutz gegen Koronaentladungen durch Kaptonband.
- © TUB/EMSP
Dieses Bild in höherer Auflösung (JPG, 131,1 KB)
Die Ergebnisse.
- Auch ohne Gegenelektrode bauen sich baumförmige Entladungen (Streamer) auf.
- Entstehung durch kapazitive Blindströme im Bereich der Kugel.
- Bei Gleichspannung würden keine Streamer entstehen.
- Verzweigung der äußeren Blitzkanäle entsteht durch unterschiedliche Wege bei aufeinanderfolgenden Entladungen.
- "Haupkanäle" in der Nähe des Ursprungs bleiben auch in den Pausen zwischen den Entladungen ionisiert und sind daher stationär.
- Auf Basis der Hauptkanäle wächst der Streamer vom Ursprung aus in die Höhe, bis sich bei ca. 40 cm Höhe ein Gleichgewicht einstellt.
- Erzeugung einer sehr hohen lokalen Feldstärke am Ursprungspunkt durch auf der Kugel befestigtes Drahtstück.
- Nach ca. 30s Betriebszeit beginnt das Drahtstück an der Spitze zu glühen und zu schmelzen.
Einige Ansichten der Streamer:
- © TUB/EMSP
Dieses Bild in höherer Auflösung (JPG, 221,0 KB)
Dieses Bild zeigt das typische Aussehen der Streamer. In der linken unteren Bildhälfte erkennt man deutlich die Überschläge in der Funkenstrecke.
- © TUB/EMSP
Dieses Bild in höherer Auflösung (JPG, 211,0 KB)
Einzelne Entladungen erreichen erstaunliche Höhen.
- © TUB/EMSP
Dieses Bild in höherer Auflösung (JPG, 249,0 KB)
Die Gestalt der Entladungen verändert sich ständig. Es werden immer neue Formen der Entladungskanäle mit faszinierender, filigraner Ästhetik sichtbar.
- © TUB/EMSP
Dieses Bild in höherer Auflösung (JPG, 154,4 KB)
Auch ohne feldvestärkendes Drahtstück kommt es zur Bildung von Streamern, deren Entladungsstärke allerdings stark schwankt.
- © TUB/EMSP
Dieses Bild in höherer Auflösung (JPG, 150,0 KB)
Aufgrund der sehr langen Belichtungszeit erscheinen nacheinander auftretende Entladungen im obigen Bild nebeneinander.
Die folgenden Bilder wurden dagegen mit sehr kurzer Belichtungszeit aufgenommen:
- © TUB/Elke Weiß
Dieses Bild in höherer Auflösung (JPG, 3,1 MB)
Deutlich ist die Baumstruktur der Streamer zu erkennen.
Das folgende Bild zeigt einen Ausschnitt der Entladung im Detail. Deutlich sind die verschiedenen Ionisationskanäle der aufeinanderfolgenden Entladungen zu erkennen.
- © TUB/Elke Weiß
- Mit geerdeter Gegenelektrode ergeben sich kräftige Bogenentladungen von ca. 25 cm Länge.
- Daher Abschätzung der Spannung auf 250 kV.
- © TUB/Elke Weiß
Dieses Bild in höherer Auflösung (JPG, 123,1 KB)
Man erkennt wieder gut die verschiedenen Ionisationskanäle der aufeinanderfolgenden Entladungen.
Nochmal eine Detailaufnahme einer Entladung zur Erde, die das Aufeinanderfolgen der Entladungen besonders gut veranschaulicht:
- © TUB/Elke Weiß
Die HF-Leistungsoszillatoren und die Experimente damit.
Die Vorgehensweise.
- Entwurf und Aufbau eines Oszillators für 50..70 MHz mit ca. 30W HF-Leistung mit handelsüblichen Zeilenendröhren.
- Experimente mit diesem Oszillator zu den Themen Nahfeld, stehende Wellen und Wellenabstrahlung / Empfang
- Auswertung der Erfahrungen mit diesem Oszillator und Aufbau eines verbesserten Oszillators mit 140 MHz und ca. 30W HF-Leistung mit einer UHF-Senderöhre.
- Experimente mit diesem Oszillator zu den Themen Nahfeld und stehende Wellen.
Der Oszillator 50..70 Mhz.
- Klassischer astabiler Multivibrator
- Schwingkreis mit konzentrierten L/C-Elementen als Arbeitswiderstand.
Der (vollständige) Schaltplan des Ozillators:
- © TUB/EMSP
Die Ansicht des Oszillators:
- © TUB/EMSP
Dieses Bild in höherer Auflösung (JPG, 162,3 KB)
Warum verwendet man hier Röhren?
Röhren sind durch kurzzeitige Überlastung praktisch unzerstörbar:
- Sie reagieren lediglich mit beschleunigter Alterung.
- Halbleiter legieren dagegen durch, sie werden dauerhaft niederohmig
- Dadurch entstehen Folgeschäden durch Kurzschlussströme
- Überlastungen durch Fehlanpassung (Reflexion von HF-Energie in die Quelle) tritt jedoch bei unseren Experimenten ständig auf.
Röhren haben eine sehr hohe Eingangsimpedanz:
- Eingangsimpedanz der EL504: 5 pF = 600 Ohm bei 50 MHz
- Eingangsimpedanz eines Power-Mosfets: 500 pF = 6 Ohm bei 50 Mhz
- Damit wesentlich geringere Bedämpfung von Schwingkreisen durch Röhren
Durch die Verwendung von Röhren ergibt sich eine stark vereinfachte Schaltungstechnik, durch ihre hohe Eingangsimpedanz und durch den Wegfall von Schutzbeschaltungen.
- Unser Oszillator besteht aus nur 12 (!) Bauelementen
- Er hat bereits beim ersten Einschalten funktioniert.
Einge interessante Details:
- Die Koppelkondensatoren (Von der Anode zum gegenüberliegenden Steuergitter) sind hohen Beanspruchungen ausgesetzt.
- Geeignete Kondensatoren sind im Handel nicht erhältlich, daher Eigenbau der Kondensatoren.
- Erster Versuch mit isolierten Drähten war untauglich, die Isolierung schmolz durch die dielelektrische Erwärmung innerhalb weniger Minuten.
- Zweiter Versuch mit auf dem Röhrenkolben aufgebrachter Cu-Folie und Nutzung des Röhrenvakuums als Dielelektrikum brachte gute Ergebnisse.
- Die Oberflächen des Drahtes der Schwingkreisspule und der Zuleitungen zum Schwinkreiskondensator mussten stark vergrößert werden, da sich der zunächst verwendete Draht durch ohmsche Verluste (Skineffekt) sehr stark erwärmte.
- Blick auf die Schwingkreisspule und auf einen Koppelkondensator
- © TUB/EMSP
Dieses Bild in höherer Auflösung (JPG, 142,3 KB)
Die Experimente mit dem Oszillator 50..70 MHz:
Das Nahfeld.
- In einem Bereich von ca. 10 cm um die Schwingkreisspule des Oszillators leuchten an Leiterschleifen angeschlossene Glühlampen auf.
- In einem Bereich von ca. 3 cm im den Schwinkreiskondensator herum leuchtet eine Energiesparlampe auf.
- Wenn man einen Parallelschwingkreis, in den eine 6V-Glühlampe eingeschleift ist, auf die Oszillatorfrequenz abstimmt, dann kann man die Glühlampe damit in einem Bereich von etwa 15cm um den Schwinkreis herum zum Leuchten bringen.
- An eine Luftspule mit 4 Windungen und ca. 6 cm Durchmesser wird eine 230V / 25W Glühlampe angeschlossen. Wenn man die Luftspule in die Schwinkreisspule einführt, dann leuchtet die Glühlampe sehr hell auf. Damit ist gezeigt, dass eine HF-Leistung von ca. 30W abgegeben wird. Dies funktioniert jedoch nur bis ca. 60 MHz, da die Eigenresonanz der Luftspule bereits in diesem Frequenzbereich liegt.
- Beim Berühren der Anschlüsse der leuchtenden 230V-Glühbirne bekommt man keinen elektrischen Schlag, man hat die (schnell unangenehm werdende) Empfindung, eine sehr heiße Metalloberfläche zu berühren, wobei die Wärme auf eine seltsame Weise in der Haut selbst entstehen zu scheint. Wenn man die Anodenspannung abschaltet, dann erscheint die Oberfläche sofort wieder als kalt. Die Erkärung: 50 MHz sind zu schnell, um noch direkte Reaktionen der Nervenzellen auf den Stromfluss zu verursachen. Es entsteht aber eine dielelektrische Erwärmung der Haut, die wahrnehmbar ist.
Sicherheitshinweis: Bei höheren HF-Leistungen, als hier vorhanden, können derartige Berührungen von HF-Stromkreisen zu unangenehmen Verbrennungen führen, also Vorsicht.
Stehende Wellen in einem Lambda/4 - Lecherkreis
Bei einer Frequenz von 60 MHz hat man eine Wellenlänge von 5m. Es wurde ein Lambda/4-Lecherkreis mit einer Länge von 1,25m an den Oszillator angekoppelt. Der Lecherkreis besteht aus 4qmm-Massivkupferdraht.
- Der Oszillator wird auf die Resonanzfrequenz des Lecherkreises abgestimmt. Hier fällt sofort die im Vergleich zum konzentrierten L/C-Schwingkreis aus dem vorherigen Experiment wesentlich höhere Selektivität des Lecherkreises ins Auge.
- Das magnetische Feld wurde mit einer an eine Leiterschleife angeschlossenen Glühlampe nachgewiesen. Das elektrische Feld wurde mit einer Glühlampe, die an zwei ca. 30 cm lange Elektroden aus ca. 5mm breiter Kupferfolie verbunden war und einer Neonröhre nachgewiesen. (Die Glühlampe leuchtet in einem straken elektrischen HF-Feld aufgrund der kapazitiven Kopplung in die Elektroden ohne metaliischen Kontakt zu einem Stromkreis auf)
- Es konnte die erwartete Feldverteilung nachgewiesen werden. Die Felder sind wesentlich stärker als bei den vorhergehenden Versuchen im Nahfeld des Oszillators.
Die Feldverteilung im Lambda/4 Lecherkreis:
- © TUB/EMSP
- © TUB/EMSP
Der Nachweis des elektrischen Felds am offenen Ende der Lecherleitung:
- © TUB/EMSP
Der Nachweis des magnetischen Felds in der Nähe des Einspeisepunkts:
- © TUB/EMSP
Helles Aufleuchten einer einseitig mit dem offenen Ende der Lecherleitung verbundenen Glühlampe:
- © TUB/EMSP
Abstrahlung und Empfang von Wellen mit Dipolen.
- Ankopplung eines Lambda/2 Dipols als Sendeantenne
- Nachweis der empfangenen HF-Leistung mit einem zweiten Lamda/2-Dipol mit mittig eingeschleifter Glühlampe.
- Die Feldverteilung am Sendedipol entsprach der theoretisch zu erwartenden Feldverteilung. Das magnetische Feld wurde mit einer an eine Leiterschleife angeschlossene Glühlampe nachgewiesen, das elektrische Feld wurde durch eine Leuchtstoffröhre nachgewiesen.
- Auffällig war die hohe Selektivität des Dipols, die sich beim Abstimmen des Oszillators zeigte. Ebenfalls bemerkenswert waren die außerordentlich hohen Feldstärken in seiner Umgebung.
- Beeindruckend war, dass die Glühlampe des Empfangsdipols bei "richtiger" Abstimmung in einer Distanz von ca. 2m zum Sendedipol beinahe durchbrannte.
- Da der Dipol keinen "Rückleiter" hat, findet, im Gegensatz zur Lecherleitung, keine Kompensation des magnetischen Fernfeldes statt, daher Wellenausbreitung in den Raum hinaus.
Sicherheitshinweis: Dieses Experiment darf, wie auch hier geschehen, nur in einem vollständig metallisch abgeschirmten Raum durchgeführt werden, damit keine Funkdienste gestört werden. Die Reichweite eines 30W-Senders im 50 MHz-Band geht, nach Aussage eines Amateurfunkers, bei guter Wetterlage bis nach Nordamerika!
Skizze der Feldverteilung am Dipol:
- © TUB/EMSP
Skizze des Empfangsdipols:
- © TUB/EMSP
Glühende Lampe am Empfangsdipol:
- © TUB/EMSP
Die Weiterentwicklung zum Oszillator 140 MHz.
Die Gründe für die Begrenzung der Frequenz bei unserem "ersten" Oszillator:
- Zu hohe Kapazitäten der Röhrenelektroden untereinander und zur Erde. Die verwendete Röhre EL504 ist für 16 Khz-Zeilenablenkung konstruiert worden.
- Zu hohe Streukapazitäten durch räumlich zu großen Aufbau.
- Eigenresonanz der Gitterzuleitungen bereits bei 130 MHZ, da zu lang.
- Der Schwingkreis mit konzentriereten L/C-Elementen hat bei Frequenzen größer 100 MHz eine zu geringe Güte.
Die Lösungsansätze, um höhere Frequenzen zu erreichen:
- Verwendung einer speziellen Senderöhre, der UHF-Doppeltetrode QQE 06/40. Diese hat sehr kleine Röhrenelektroden und damit nur kleine Kapazitäten.
- Die Integration von zwei Röhrensystemen in einem Glaskolben führt zu einem räumlich konzentrierten Aufbau.
- Als Schwingkreis wird ein Lambda/4-Lecherkreis eingesetzt, dadurch höhere Güte im oberen Frequenzbereich.
Die sonstige Schaltung des Oszillators wurde unverändert belassen, lediglich die Betriebsspannung wurde von 350V auf 700V erhöht und das Schirmgitter wurde an eine stabilisierte Spannung von +250V gelegt.
Die Ergebnisse:
- Bis zu 140 MHz im stabilen Betrieb
- Mindestens 30W HF-Leistung
- Die tatsächliche Frequenz ist nur etwa halb so hoch, wie man aus der Länge der Lecherleitung errechnen würde. Grund: Die Kapazitäten zwischen den Anodenblechen und von den Anodenblechen zur Erde sowie die Kapazität der Kreuzkopplung.
Die Gesamtansicht des Oszillators:
- © TUB/EMSP
Dieses Bild in höherer Auflösung (JPG, 211,0 KB)
Detailansicht der Kreuzkopplung, die Koppelkondensatoren sind mittels Stegen aus Kupferfolie realisiert.
- © TUB/EMSP
Dieses Bild in höherer Auflösung (JPG, 133,9 KB)
Die Grenzen:
Eine Erhöhung der Frequenz über 140 MHz hinaus, durch Verkürzen des Lecherkreises, führt zu mit der Frequenz zunehmender Fehlanpassung. Der im Lecherkreis zirkulierende Strom nimmt immer mehr zu, während der Spannungsabfall entlang der Lecherleitung immer mehr abnimmt. Dies führt dann dazu, dass der Spannungsabfall immer mehr über der Röhre auftritt. Diese wird dadurch thermisch überlastet, was an den rotglühenden Anodenblechen gut zu sehen ist.
Das Problem liegt darin, dass die Lecherleitung durch die Kapazitäten der an sie angeschlossenen Anoden und der Kreuzkopplung "elektrisch verlängert" wird. Wäre dies nicht der Fall, dann würde die Frequenz proportional mit der (mechanischen) Verkürzung des Lecherkreises zunehmen. Dann wäre der Spannungsabfall über dem Lecherkreis immer gleich, da mit steigender Frequenz das di/dt in ihm proportional zunimmt. (Halbe Länge { = Induktivität } bei doppeltem di/dt = gleicher Spannungsabfall) Da nun aber die röhrenseitigen Kapazitäten mit der Verkürzung des Lecherkreises nicht kleiner werden, sinkt der Wellenwiderstand des Lecherkreises mit steigender Frequenz ab. Er wird immer kleiner gegenüber dem Innenwiderstand der Röhre. Damit ergibt sich eine mit der Frequenz zunehmende Fehlanpassung, immer mehr Leistung wird in der Röhre umgesetzt.
Die mögliche Weiterentwicklung:
Es gilt, um höhere Frequenzen zu erreichen, den Wellenwiderstand des Lecherkreises möglichst hoch zu halten. Dies kann dadurch geschehen, dass die röhrenseitigen Kapazitäten weiter verkleinert werden und dass der Abstand des Lecherkreises weiter vergrößert wird. Weiterhin ist es denkbar, den Resonanzwiderstand ( = Arbeitswiderstand) dadurch zu erhöhen, dass der zweidimensionale Lecherkreis durch einen dreidimensionelen Topfkreis ersetzt wird. Eventuell ist auch der Einsatz von Scheibentrioden (wie 2C39) sinnvoll.
Die Experimente mit dem Oszillator 140 MHz
Nahfeld
- In der Nähe dem der Röhre zugewandten Ende des Lecherkreises Nachweis des elektrischen Feldes durch Energiesparlampe, Neonröhre und kapazitiv gekoppelte Glühlampe.
- Am der Röhre gegenüberliegenden Ende der Lecherleitung Nachweis des magnetischen Feldes durch an Leiterschleife angeschlossene Glühlampe
Nachweis des magnetischen Feldes:
- © TUB/EMSP
Nachweis des elektrischen Feldes mit einer Energiesparlampe:
- © TUB/EMSP
Nachweis des elektrischen Feldes mit einer kapazitiv gekoppelten Glühlampe:
- © TUB/EMSP
Es handelt sich hier im eine 28V-Glühlampe, die mit zwei Elektroden aus Kupferfolie mit den Abmessungen 30 x 5 mm verbunden ist. Wenn man die Glühlampe, wie hier zu sehen, etwa 5 cm an den Lecherkreis annähert, dann leuchtet sie hell auf. Und dies ohne metallischen Kontakt zu einem der Leiter oder zur Erde!
Das elektrische Feld ist über den Anoden der Röhre am stärksten:
- © TUB/Elke Weiß
Dieses Bild in höherer Auflösung (JPG, 3,1 MB)
Stehende Wellen im Lecherkreis:
Der Oszillator wurde mit einem 3/4 Lambda-Lecherkreis verbunden, in dem stehende Wellen nachgewiesen wurden. Da der Oszillator nicht abstimmbar ist, wurde der Lecherkreis dadurch abstimmbar gemacht, dass er teilweise aus Teleskopantennen aufgebaut ist.
Da hier keine Zusatzkapazitäten vorhanden sind, entsprach die Länge des Lecherkreises, bei der Resonanz auftrat, der aus der Formel Lambda = C / f errechneten Länge.
Die Feldverteilung im Lecherkreis:
- © TUB/EMSP
- © TUB/EMSP
Der Nachweis eines Strommaximums:
- © TUB/EMSP
- © TUB/EMSP
Die Glühlampe ist ca. 5mm von den Leitern entfernt, sie hat keine metallische Verbindung zum Lecherkreis oder zur Erde.