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Einrichtung zur Dämpfung der von einem elektrischen Generator ausgehenden Hochfrequenzstörwellen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Dämpfung der von einem elektrischen Generator ausgehenden Hochfrequenzstörwellen. wobei in die von dem Generator zu einem von den Störwellen zu befreienden Verbraucher führende Leitung ein die Störwellen dämpfender Vierpol eingeschaltet ist.
Durch die Einführung sich ständig erweiternder Frequenzbereiche in die Nachrichten- und Fernwirktechnik werden auch an die Sieb- und Entstörmittel, durch welche Störwellen von Empfangsgeräten ferngehalten werden, immer höhere Anforderungen gestellt. Es genügt nicht mehr, dass die Rundfunkwellen bereiche von Störwellen freigehalten werden, vielmehr muss auch im Bereich der Fernsehbänder ein störungsfreier Empfang der ausgestrahlten Sendungen sichergestellt werden. Es ist durchaus absehbar, dass die auf einen störungsfreien Empfang der drahtlosen Nachrichtenübermittlung und Bildübertragung gerichteten Bemühungen der Fachleute auf einem Frequenzbereich von 0, 1 bis 1000 MHz erstreckt werden müssen.
Diesen Anforderungen genügen die bekannten Einrichtungen, welche Hochfrequenzenergie durch Spannungsteilung schwächen oder durch geeignete Mittel (z. B. Hochohmwiderstände) in Wärme umwandeln, nicht mehr.
Wesentlich bessere Empfangsverhältnisse sind dagegen zu erzielen, wenn der zur Dämpfung der Störwellen in die Leitung von dem Generator zu einem von den Störwellen zu befreienden Verbraucher eingeschaltete Vierpol gemäss der Erfindung die vom Generator ausgehenden Störwellen mit einem auf 60 Ohm bezogenen Reflexionsfaktor von mindestens 0,96 reflektiert.
Der Reflexionsfaktor errechnet sich an der Übergangsstelle aus einer Leitung mit dem Wellenwiderstand Zl in eine Leitung mit dem Wellenwiderstand Z2 zu
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Dabei ist die Reflexion umso grösser, je grösser der Unterschied zwischen den beiden Wellenwiderständen ist. Ist z.
B. der eine Wellenwiderstand :. 100 und der andere = l, so beträgt die Reflexion 98%. es gelangen also nur 21o der störenden Hochfrequenzenergie von der Leitung mit dem Wellenwiderstand Z. in die Leitung mit dem Wellenwiderstand Z. Besteht diese zweite Leitung aus einem als Siebglied in die Leitung eingeschalteten Vierpol, so wird die beim Eintritt in den Vierpol auf 21o geschwächte Störspannung beim Austritt aus dem Vierpol infolge der hier ebenfalls eintretenden sprunghaften Änderung des Wellenwiderstands in dem gleichen Masse erneut geschwächt, so dass nur noch 0, 0410 der von dem Generator ausgehenden Störspannung in die an den Vierpol anschliessende Leitung gelangen kann.
Mit einem bekannten Vierpol (DBP 974340), bei dem auf die Wellenwiderstände keine Rücksicht genommen ist, kann eine derartige Wirkung nicht erzielt werden.
In einer Zündanlage zum Betrieb einer Brennkraftmaschine z. B. ist die Hauptstörquelle der zwischen den Elektroden der Zündkerzen überspringende Zündfunke. Von ihm ausgehende Hochfrequenzstorwellen wandern über die Mittelelektroden der Zündkerzen zum Zündkerzenanschlusskabel, das einen Wellenwi-
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derstand von etwa 200 Ohm hat. Erfindungsgemäss wird nun zwischen Zündkerze und Anschlussleitung ein Vierpol mit hohem Wellenwiderstand eingeschaltet. Ein derartiger Vierpol kann z. B. als Wenaelleiter mit einem Metallmantel als Aussenleiter ausgebildet sein.
Der Wellenwiderstand eines derartigen Vierpols ist proportional zur Windungszahl pro Zentimeter des Wendelleiters. Der Wendelleiter muss also eine hohe Windungszahl haben, wenn sein Wellenwiderstand gross sein und eine nennenswerte Retlexion durch ihn erreicht werden soll.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt, u. zw. in
Fig. 1 eine Zündkerzenanschlusskappe mit eingebautem Wendelleiter und Metallummantelung, in Fig. 2 der Aufbau einer als Dämpfungsvierpol zu verwendenden Bandleitung und in Fig. 3 der Aufbau einer als Siebglied zu verwendenden konzentrischen Leitung. Schliesslich zeigt Fig. 4 ein Schaltbild einer Lichtanlage mit einer konzentrischen Leitung gemäss Fig. 3 als Siebglied.
Der in Fig. 1 dargestellte Anschlussstecker für Zündkerzen besteht aus einer Kunstharzhülse 10, die von einem auf eine Zündkerze aufsteckbaren Metallmantel 11 umgeben ist. Innerhalb der Hülse 10 befindet sich ein auf einen Isolierstoffträger mit einem Durchmesser von 4 mm aufgewickelter Wendelleiter 12 mit Anschlusskappen 13 und Kontaktstücken 14 und 15. Der Wendelleiter 12 erstreckt sich zwischen den Anschlusskappen 13 über eine Länge von etwa 16 mm und umfasst 650 Windungen eines 0,02 mm dicken Kupferdrahtes mit einem Widerstand von 450 Ohm. Er ist innerhalb der Kunstharzhülse 10 lufteinschlussfrei von einem Giessharzmantel 16 umgeben.
Der Wellenwiderstand dieser Anordnung errechnet sich bei einem Durchmesser des Wendelleiters von 4 mm, einem Innendurchmesser des Metallmantel von 13 mm und einer Dielektrizitätskonstanten des Bakelits von-6 zu 9600 Ohm ; unter Zugrundelegung des Wellenwiderstandes von 60 Ohm für den inner-
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Austritt aus dem Kerzenstecker bzw. aus dem Dämpfungsvierpol in das Anschlusskabel wird die Hochfre- quenz erneut auf 1, 25% geschwächt, so dass nur noch etwa 0, 015% der von den Zündfunken ausgehenden Störspannung in die weiterführenden Leitungsabschnitte gelangen kann.
Beachtlich ist dabei, dass der errechnete Wellenwiderstand frequenzunabhängig ist. Seine Wirkung wird lediglich durch geometrische Grössen begrenzt. Der als Ausführungsbeispiel beschriebene Zündkerzenstecker mit Dämpfungsvierpol siebt z. B. alle Störwellen im Bereich von etwa 10 bis 500 MHz.
Die obere Grenze hängt dabei vom mittleren Durchmesser der konzentrischen Leitung ab. Die untere Grenze kann noch durch eine grössere Drahtlänge verschoben werden oder dadurch, dass der Wendelleiter auf einen Ferritkern aufgewickelt wird, anstatt auf einen keramischen Träger. Durch einen Ferritkern mit einer relativen Permeabilität von etwa 9 und einer Länge von 5 cm können Störwellen im Frequenzbereich von 1 bis 500 MHz unschädlich gemacht werden. Der ohmsche Widerstand eines derartigen Dämpfungsgliedes ist kleiner als 1500 Ohm.
Zur Vermeidung stehender Wellen im unteren Frequenzbereich ist es zweckmässig, wenn der Dämpfungsvierpol mit ohmschen, magnetischen oder dielektrischen Verlusten derart behaftet ist, dass die am Vierpolausgang reflektierte Störenergie bis zu ihrer Rückkehr zum Vierpoleingang praktisch verzehrt ist.
Dadurch kann die Siebwirkung des Vierpols noch gesteigert werden.
Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel entsteht die Reflexion der Störwellen dadurch, dass der in eine Leitung eingeschaltete Vierpol einen im Vergleich zu demjenigen der Leitung sehr grossen Wellenwiderstand hat. Dasselbe kann aber auch durch einen Vierpol mit extrem niederem Wellenwiderstand erreicht werden. In diesem Fall wird dann eine von einem relativ hochohmigen Leitungsabschnitt (Wellenwiderstand z. B. 100 Ohm) kommende Hochfrequenzwelle beim Übergang auf den Vierpol zum ersten Mal und vor dem Austritt aus dem Vierpol zum zweiten Mal reflektiert.
Schaltelemente, welche derartig kleine Wellenwiderstände haben, können z. B. als Bandleitung oder besonders gestaltete konzentrische Leitungen ausgebildet sein. Bei einer Bandleitung besteht der einen Betriebsstrom und einen hochfrequenten Störstrom führende Leiter aus einem breiten Band 20 gemäss Fig. 2, dem ein gleich breites Band 21 als Rückleitung gegenübersteht. Der Zwischenraum zwischen den beiden Bändern ist durch eine dünne Schicht 22 eines Dielektrikums mit möglichst hoher Dielektrizitäts - konstante ausgefüllt. Der Wellenwiderstand einer Bandleitung ergibt sich im wesentlichen aus der Breite der beiden Bänder, der Dicke des Dielektrikums zwischen ihnen und der Dielektrizitätskonstanten dieses Dielektrikums. Er kann leicht auf 0,02 Ohm gebracht. werden.
Wird eine derartige Bandleitung als Dämpfungsvierpol in eine Leitung mit einem Wellenwiderstand von 60 Ohm eingeschaltet, so verhalten sich die Wellenwiderstände der beiden Leitungsabschnitte zueinander wie 1 : 3000, der Reflexionsfaktor ist 99, 90/0. Da bei der Bandleitung verhältnismässig grosse Flächen und Querschnitte, aber nur geringe
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Device for damping the high-frequency interference waves emanating from an electrical generator
The invention relates to a device for damping the high-frequency interference waves emanating from an electrical generator. wherein a four-pole attenuating the interference waves is switched on in the line leading from the generator to a consumer to be freed from the interference waves.
With the introduction of ever-expanding frequency ranges in communications and telecontrol technology, ever higher demands are placed on the screening and interference suppression means, which keep interference waves away from receiving devices. It is no longer sufficient that the radio wave areas are kept free of interference waves; rather, interference-free reception of the broadcasts must also be ensured in the area of the television bands. It is quite foreseeable that the efforts of the experts aimed at interference-free reception of wireless message transmission and image transmission will have to be extended to a frequency range from 0.1 to 1000 MHz.
The known devices, which weaken high-frequency energy by dividing voltage or converting it into heat by suitable means (e.g. high-ohmic resistors), no longer meet these requirements.
Much better reception conditions can be achieved, however, if the quadrupole according to the invention switched on to dampen the interference waves in the line from the generator to a consumer to be freed from the interference waves, the interference waves emanating from the generator with a reflection factor of at least 0.96 based on 60 ohms reflected.
The reflection factor is calculated at the transition point from a line with the characteristic impedance Z1 to a line with the characteristic impedance Z2
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The greater the difference between the two wave resistances, the greater the reflection. Is z.
B. the one wave resistance:. 100 and the other = 1, the reflection is 98%. So only 21o of the interfering high-frequency energy from the line with the wave impedance Z. into the line with the wave impedance Z. If this second line consists of a quadrupole connected as a filter element in the line, the interference voltage is weakened to 21o when entering the quadrupole when exiting the quadrupole due to the sudden change in the characteristic impedance, which also occurs here, weakened again to the same extent, so that only 0.0410 of the interference voltage emanating from the generator can reach the line connecting to the quadrupole.
Such an effect cannot be achieved with a known quadrupole (DBP 974340), in which the wave resistance is not taken into account.
In an ignition system for operating an internal combustion engine z. B. the main source of interference is the spark jumping between the electrodes of the spark plugs. High-frequency gate waves emanating from it travel over the center electrodes of the spark plugs to the spark plug connection cable, which has a wave
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that is about 200 ohms. According to the invention, a four-pole terminal with a high wave resistance is now switched on between the spark plug and the connection line. Such a quadrupole can, for. B. be designed as a wave conductor with a metal jacket as the outer conductor.
The wave resistance of such a quadrupole is proportional to the number of turns per centimeter of the helical conductor. The helical conductor must therefore have a high number of turns if its wave resistance is to be large and a noticeable reflection is to be achieved through it.
In the drawing, embodiments of the subject invention are shown, u. betw. in
1 shows a spark plug connection cap with built-in helical conductor and metal sheathing, in FIG. 2 the structure of a strip line to be used as a damping quadrupole, and in FIG. 3 the structure of a concentric line to be used as a strainer element. Finally, FIG. 4 shows a circuit diagram of a lighting system with a concentric line according to FIG. 3 as a filter element.
The connector plug for spark plugs shown in FIG. 1 consists of a synthetic resin sleeve 10 which is surrounded by a metal jacket 11 that can be slipped onto a spark plug. Inside the sleeve 10 there is a helical conductor 12 wound onto an insulating material carrier with a diameter of 4 mm with connection caps 13 and contact pieces 14 and 15. The helical conductor 12 extends between the connection caps 13 over a length of about 16 mm and comprises 650 turns of a 0 .02 mm thick copper wire with a resistance of 450 ohms. It is surrounded by a cast resin jacket 16 within the synthetic resin sleeve 10 without air inclusion.
The wave resistance of this arrangement is calculated with a diameter of the helical conductor of 4 mm, an inner diameter of the metal jacket of 13 mm and a dielectric constant of the Bakelite of -6 to 9600 ohms; based on the characteristic impedance of 60 ohms for the internal
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Exiting the spark plug connector or the quadrupole attenuation in the connection cable, the high frequency is weakened again to 1.25%, so that only about 0.015% of the interference voltage emitted by the ignition sparks can get into the line sections continuing.
It is noteworthy that the calculated characteristic impedance is frequency-independent. Its effect is only limited by geometric dimensions. The spark plug connector described as an embodiment with damping four-pole seven z. B. all interference waves in the range of about 10 to 500 MHz.
The upper limit depends on the mean diameter of the concentric line. The lower limit can be shifted by increasing the length of the wire or by winding the helical conductor onto a ferrite core instead of a ceramic carrier. A ferrite core with a relative permeability of about 9 and a length of 5 cm can render interference waves in the frequency range from 1 to 500 MHz harmless. The ohmic resistance of such an attenuator is less than 1500 ohms.
To avoid standing waves in the lower frequency range, it is useful if the attenuation quadrupole is subject to ohmic, magnetic or dielectric losses in such a way that the interference energy reflected at the quadrupole output is practically consumed by the time it returns to the quadrupole input.
This allows the screening effect of the quadrupole to be increased.
In the exemplary embodiment described, the reflection of the interfering waves arises from the fact that the quadrupole connected to a line has a very large wave resistance compared to that of the line. The same can also be achieved with a quadrupole with an extremely low wave resistance. In this case, a high-frequency wave coming from a relatively high-resistance line section (characteristic impedance, e.g. 100 ohms) is reflected for the first time when transitioning to the quadrupole and for the second time before exiting the quadrupole.
Switching elements that have such small wave resistances can, for. B. be designed as a ribbon line or specially designed concentric lines. In the case of a ribbon line, the conductor carrying an operating current and a high-frequency interference current consists of a wide ribbon 20 as shown in FIG. 2, which faces a ribbon 21 of the same width as a return line. The space between the two strips is filled by a thin layer 22 of a dielectric with the highest possible dielectric constant. The characteristic impedance of a ribbon line results essentially from the width of the two ribbons, the thickness of the dielectric between them and the dielectric constant of this dielectric. It can easily be brought to 0.02 ohms. will.
If such a ribbon line is connected as a quadrupole attenuation in a line with a characteristic impedance of 60 ohms, the characteristic impedances of the two line sections are related to one another as 1: 3000, the reflection factor is 99.90 / 0. Since the ribbon line has relatively large areas and cross-sections, but only small ones
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