Topfkreis

Ein Topfkreis ist ein allseitig geschlossener koaxialer Leitungskreis, der sich wie ein Parallelschwingkreis verhält^[1]. Im Gegensatz zu einem Schwingkreis aus diskreten Bauteilen ist seine Resonanzfrequenz nicht eindeutig, da die Resonanzeigenschaft durch die Ausbildung von stehenden Wellen längs des Innenleiters zur Zylinderwandung verursacht wird. Der Topfkreis ist daher verwandt mit Gebilden wie abgestimmten Antennendrähten oder Lecherkreisen.

Topfkreis als Filter

Topfkreis als Oszillator

geöffneter Topfkreis eines FMCW-Radars (Sowjetunion, ca. 1973):
1 – Justageschrauben Mittenfrequenz und Frequenzhub
2 – Scheibentriode (GS13-1)
3 – Auskoppelschleife

Beschreibung

Beim Topfkreis bilden sich Resonanzen bei Vielfachen von λ/4(2n+1). Maßgebend ist somit die geometrische Länge in Bezug auf die Wellenlänge λ auf dem koaxialen Leitungsabschnitt (engl. stub, siehe auch Leitungstheorie#Sonderfall_Kurzschluss und Leitungskreis).

Beim diskret aufgebauten Schwingkreis werden die Werte von Kondensator und der Spule mit der thomsonschen Schwingungsformel berechnet, ihre geometrischen Abmessungen müssen klein im Vergleich zur gewünschten Wellenlänge sein. Bei hohen Frequenzen im Ultrakurzwellen-Bereich lassen sich die Bauelemente nicht beliebig verkleinern und die Verluste eines diskret aufgebauten Schwingkreises sind aufgrund des Skineffektes und der Abstrahlung elektromagnetischer Wellen so hoch, dass sich keine hohen Gütefaktoren erreichen lassen. Mit Topfkreisen lassen sich dagegen Leerlauf-Gütefaktoren von 1000 erreichen, da sie allseitig geschlossen sind und bei ihnen eine große Oberfläche an der Stromleitung beteiligt ist und keine Energie abstrahlen.

Elektrische Beschreibung

Ein Topfkreis ohne zusätzliche diskrete Kapazität hat eine Baulänge von λ/4. Um die geometrische Länge zu verkleinern und eine Frequenzabstimmung zu ermöglichen, ist vom freien Ende des Innenleiters meist ein variabler Kondensator (Trimmer) gegen Masse (Außenwandung) geschaltet. Oft wird auch mit einem Kurzschlussschieber die geometrische Länge verändert.

Die Ankopplung zu anderen Schaltungsteilen erfolgt entweder kapazitiv oder induktiv (Abgriff in der Nähe des Fußpunktes oder durch eine Drahtschleife). Bei als Bandfilter zusammengeschalteten Topfkreisen dient eine Öffnung oder ein Kurzschlussbügel zwischen beiden Kreisen als Kopplung.

Um Elektronenröhren in Topfkreisen betreiben zu können, wurden Scheibentrioden und Bleistiftröhren entwicklelt.

Da bei noch höheren Frequenzen (SHF) die kleine Oberfläche des Innenleiters weiter erhöhte Verluste durch den Skineffekt verursacht, verwendet man dann Hohlraumresonatoren, bei denen der Innenleiter entfällt.

Ausführungsformen und Beispiele

Topfkreise können auch aus beidseitig offenen Innenleitern gebildet werden – die Resonanzlänge des unbeschalteten Innenleiters beträgt dann λ/2. Oft sind diese Kreise beidseitig mit Kapazitäten beschaltet, zum Beispiel in manchen UHF-Tunern (Empfangssteile in Fernsehempfängern) an einer Seite mit einem Trimmer, an der anderen mit einer Kapazitätsdiode.

Scheibentrioden und auch Transistoren werden in Topfkreisen in Gitterbasisschaltung beziehungsweise Basisschaltung betrieben. Der Gitteranschluss von Scheibentrioden ist hierfür als Ring herausgeführt und liegt auf Massepotential (Topfboden). Transistoren besitzen hierfür oft zwei Basisanschlüsse. Die Kathode und die Anode einer Scheibentriode besitzen oft je einen Topfkreis, die Ein- und Auskopplung erfolgt mit Koppelschleifen, die beispielsweise an Koaxialkabel angeschlossen sind.

Im Beispiel eines älteren FM-Radar-Oszillators (Bild) liegen beide Leitungskreise doppelt koaxial ineinander und sind durch eine Koppelöffnung miteinander verbunden (Rückkopplung). Die Frequenzvariation erfolgt durch einen kleinen motorbetriebenen Sektor, der eine kapazitive Frequenzverstimmung in Form einer Dreieckkurve bewirkt.

Siehe auch

• Reflexklystron
• Resonator
• Beschleunigerphysik
• Laufzeitröhre
• Klystron
• Rumbatron
• Topfantenne
• Scheibentriode

Einzelnachweise

1. ↑ K. Lange, K.-H. Löcherer: Taschenbuch der Hochfrequenztechnik. Springer-Verlag, 1992, S. L46, ISBN 3-540-54715-0.

Weblinks

• radartutorial.eu
• Bauanleitung für einen Topfkreis mit Resonanz bei 435 MHz
• Abbildung mehrerer Topfkreis-Filter