Az osztott antenna tekercs, vagy tágabb értelemben a tekercsek és antennák világa az elektromágneses hullámok kibocsátásának és vételének alapvető eszköze, melynek nagy a jelentősége. Az elektronikus kommunikációban és számos más technológiai alkalmazásban is kulcsszerepet játszik. A tekercsek az elektronikus áramkörök szerves részei, amelyek az elektromágneses mezők létrehozásáért és kezeléséért felelősek, míg az antennák az elektromágneses hullámok térbe való kisugárzására, illetve a térből való vételére szolgálnak. Ez a cikk részletesen tárgyalja a tekercsek és antennák működését, típusait, alkalmazásait, valamint az ezekhez kapcsolódó alapvető fogalmakat és technológiákat.
A tekercsek szerepe az elektronikában
Minden elem, melyet az elektronikai készülékek és berendezések felépítéséhez felhasználnak, lényegi fontosságú. Az alkatrészek egy része kereskedelmi áruként szerezhető be, másokat az áramkört tervező mérnöknek kell megtervezniük, mint például transzformátorok, indukciós tekercsek, vékony- és vastagréteg áramkörök alkatrészei, valamint mechanikai alkatrészek. Funkciójukat illetően három főcsoportba sorolhatók: elektromos alkatrészek, mechanikai alkatrészek és egyéb alkatrészek. Az elektromos alkatrészek nagyrészt mechanikai szerkezetek, mégis az áramkörök szerves részei, és üzem közben feszültség alatt állnak, például a forgókondenzátorok. A mechanikai alkatrészek nem vesznek részt közvetlenül a jelátvitelben, de a készülék konstrukciójához szükségesek, esetleg az áramkörök zavartalan működését biztosítják klimatikus és mechanikai igénybevétellel szemben is.
A tekercs az elektronikai áramkörök egyik alapvető passzív eleme, amely az áram változásával mágneses mezőt hoz létre, és energiát tárol ebben a mezőben. Az induktivitása révén a tekercsek alapvető szerepet játszanak szűrőkben, oszcillátorokban, transzformátorokban és számos más áramkörben.
Hogyan működnek a gyújtótekercsek?
Bifiláris tekercs
A bifiláris tekercs egy olyan tekercs, melyet két huzal párhuzamos tekercselésével készítenek, például transzformátor céljára. Az egyik huzal lesz a primer, a másik a szekunder. Egy másik megközelítés szerint olyan tekercs, amelynek készítésekor két huzalszálat szorosan egymás mellett tekercselnek fel, majd az így kapott kettős tekercs egyik végén a két huzalvéget összeforrasztják, s a másik vég két kivezetése képezi a tekercs csatlakozási pontjait. A bifiláris tekercsnek a külső mágneses térrel nincs kapcsolata, induktivitásmentes (természetesen a tekercselési technológia által megszabott toleranciahatáron belül). Ez a tulajdonsága különösen hasznossá teszi olyan alkalmazásokban, ahol az önindukció minimalizálása a cél, például pontos ellenállások vagy szűrők készítésekor.
Tekercsek az antennaillesztésben
Egy antenna egy adott tápvezetékkel akkor működik optimálisan, ha a rendszer rezonanciában van. Ezt rendszerint azzal lehet elérni, ha a betáplálási pontban kiküszöböljük a reaktanciát és ezzel lesz rezonanciában az antenna. Ha a reaktancia induktív, kondenzátort kapcsolunk a táppontra; ha kapacitív, soros tekercset kell alkalmazni. Rezonanciában csak a sugárzási ellenállás marad fenn. Ez nem szükségszerűen azonos a tápvonaléval, ezért állóhullámok elkerülésére transzformátort kell beiktatni. Gyakori frekvenciaváltásnál ezért célszerű egy antennaillesztőt alkalmazni (vonaltranszformátor).
Hőtekercs mint biztosító
A hőtekercs egy kis tekercs, amelyet a védendő áramkörbe iktatnak. Tartós vagy túláram esetén a tekercsben keletkező hő a tekercs Wood-fém forrasztását kiolvasztja, s a tekercset feszítő rugó megszakítja az áramkört. Ez egy lomha biztosító, ami azt jelenti, hogy az áram megszakítása a névleges érték túllépésekor bizonyos késleltetés után következik be. Az ilyen típusú biztosítók kulcsfontosságúak az elektronikus berendezések védelmében a túláram és túlterhelés ellen.
Transzformátorok és autotranszformátorok
A vonal és a berendezés vagy a kábel és a légvezeték közé iktatott transzformátor egyik feladata illesztés az összekötendő áramkörök között. Másik feladata lehet, hogy a berendezést a vonaltól galvanikusan elválassza, s ezáltal védje a berendezést és a kezelőket a vonalon esetleg fellépő nagyfeszültség ellen. A takarékosabban kivitelezett transzformátor az autotranszformátor, melynek lényege, hogy a primer és szekunder tekercsek egy része közös. Csak olyan helyen használható, ahol nem kötelező a hálózat tökéletes galvanikus leválasztása.
Ferritantenna
Tranzisztoros rádiókban ún. ferritantenna van, ami lényegében egy vasmaggal ellátott tekercs. A ferritmag növeli a tekercs induktivitását, lehetővé téve, hogy kisebb fizikai méret mellett is hatékony antennaként működjön, különösen az alacsonyabb frekvenciákon.
Antennák: az elektromágneses kommunikáció kapui
Az elektromágneses hullámok kibocsátására, illetve vételére szolgáló eszközök, az antennák létfontosságúak a rádiókommunikációban. Megfelelnek a kisugározni, illetve venni kívánt hullámhossz hosszának. Rádióvételhez egy huzaldarab is elegendő. Kétpólusú, ún. félhullámhosszú dipólantenna a rádiókommunikáció egyik alapvető antennatípusa. A televíziós adás vétele további elemekkel (ún. reflektorral és direktorral) kiegészített dipólantennával lehetséges kielégítő minőségben, amit Yagiantennaként ismerünk. A dipólantenna, illetve Yagiantenna a legjobb vétel elérése érdekében gyakran forgatni szükséges. Az antennák formája vagy mérete nincs hatással arra, hogy vevő vagy adó, elméletileg bármelyiket fel lehet használni bármelyik célra.
Dipólantenna
Olyan sugárzó elem, melynek mérete szabad térben a hullámhossz felének felel meg. Legegyszerűbb alakja a dipól. Elméleti hosszát a 150/f képlet adja meg méterben, ha az f frekvenciát MHz-ben írjuk be. A gyakorlatban egy rövidülési tényezőt kell alkalmazni, minthogy az antenna fém anyagában a rádióhullám valamivel lassabban terjed, mint a szabad térben. Gyakorlati célokra a tényező 0,95 lehet, de ha nem huzal antennáról van szó, hanem csőről, ez valamivel kisebb lesz, 0,90 körül alakul. Az antenna számított hossza lerövidíthető önindukciós tekercs beiktatásával és hosszabbítható, ha kondenzátort kapcsolunk sorba. Ez az impedancia-illesztés és az antenna rezonanciafrekvenciájának beállítása szempontjából kiemelten fontos.
Balun transzformátor
Ha egy szimmetrikus terhelést kapcsolunk rá egy aszimmetrikus áramforrásra, balunt szoktak használni. A balun mesterséges szó: balanced/unbalanced (szimmetrikus/aszimmetrikus) összevonása. Egy közönséges transzformátor is lényegében balun, minthogy a primer és szekunder tekercs egymást nem befolyásolja a szimmetria tekintetében. Balun készíthető koaxiális kábelből, de gyakori a toroid vasmagon kialakított balun is, nagy frekvenciák esetében. Áttétel általában 1:1, de előfordul 1:4 is. Leggyakoribb alkalmazás az aszimmetrikus koaxiális kábel és dipól, Yagi, vagy GP antennák összekapcsolása, melyek közül a Yagi és dipól mindig szimmetrikus, a GP nem, de impedancia illesztés miatt itt is indokolt a balun.
Csatolásmentesítés antennáknál
Amikor a nemkívánatos csatolási hatásokat minimálisra kell csökkenteni, alkalmazzák a csatolásmentesítést. Például egy többfokozatú erősítő begerjed a fokozatok közötti csatolás miatt. A begerjedés csökkentésére a fokozatok között a csatolást lazára kell kialakítani, az üzemi frekvencia figyelembe vételével. Ugyancsak erre szolgál az antennáknál alkalmazott, negyedhullám hosszúságú csatolásmentesítő rúd (stub). A csatolásmentesítésnek tekinthető a többsávos antennákban alkalmazott hullámcsapda is, bizonyos frekvenciákon lekapcsolja a terhelést a tápvonalról.
Frekvenciamérés és hangolás
A rádiófrekvencia mérésére szolgáló eszköz egy tekercsből és egy kondenzátorból áll, melyet laza csatolásba kell hozni a mérendő rezgőkörrel, vezetékkel. Műszerrel lehet indikálni a rezonancia helyét, a frekvenciát, például a forgókondenzátorról lehet leolvasni. Fontos, hogy a csatolás kellően laza legyen, ellenkező esetben a műszer befolyásolhatja a vizsgált rezgőkört, pontatlanná válik a mérés. Ha a műszernek saját oszcillátora van, nagyobb pontosság érhető el, ezt a műszert nevezzük grid-dip mérőnek.
Automatikus frekvenciavezérlés (AFC)
Televízió és rádióvevőkészülékek oszcillátorfrekvenciájának önműködő finomhangolása. Megkönnyíti a készülék állomásra hangolását, mert a finomhangolást nem kell kézzel elvégezni, és csökkenti az oszcillátorfrekvenciának a külső tényezők (melegedés, nedvesség, tápfeszültség-változás) hatására bekövetkező esetleges vándorlását. A kapcsolás két lényeges eleme a diszkriminátor és a változtatható reaktancia. A diszkriminátor a vevőkészülék pillanatnyi középfrekvenciáját hasonlítja annak helyes értékével és a frekvenciaeltérés függvényében (előjel helyesen) egyenfeszültséget szolgáltat. Az oszcillátorkörben levő változtatható reaktancia értékét a diszkriminátor szolgáltatta feszültség szabályozza. Diszkriminátorként a frekvenciamodulációs vételtechnikában ismertek használatosak. Változtatható reaktanciaként régebben reaktanciacsövet (mint változtatható induktivitást), valamint vasmagos tekercset (amelynek induktivitását előmágnesezéssel változtatták) használtak. Volt olyan megoldás is, amikor egy kondenzátort diódán keresztül kapcsoltak párhuzamosan az oszcillátorkörrel, és a dióda áramáteresztő idejét változtatták az egyenfeszültséggel, tehát tulajdonképpen a folyási szöget és ezáltal a kapacitás értékét.
Csatornaváltó a televíziókban
A tv-vevőkészülék hangolóegysége, amellyel a készülék antenna, modulátor és oszcillátor rezgőkörei a kívánt állomás vételéhez szükséges frekvenciára beállíthatók. A csatornaváltó elnevezés onnan ered, hogy a tv-műsorszórás céljaira nemzetközileg engedélyezett frekvenciasávokat frekvenciacsatornákra osztották fel (tv-szabványok). A magyar szaknyelv csak a VHF frekvenciatartományba eső állomások beállítására alkalmas szerelvényt nevezi csatornaváltónak. Leggyakoribb típus a forgódobos csatornaváltó. A forgódobon vannak elhelyezve az egyes csatornák rezgőköri tekercsei, a rezgőkörök kondenzátorait pedig az állórészre szerelik. A forgódobra szerelt tekercsek ezüstözött felületű kapcsolószemekkel érintkeznek az állórész rugólemez érintkezőihez.
Egyéb tekercs alkalmazások
Dinamikus hangszóró és mikrofon
A dinamikus hangszóró egy olyan eszköz, amely a váltóáramot hanggá alakítja át. Általában állandó mágnes erőterében elhelyezett kis méretű tekercsbe vezetik be a váltóáramot, erre van felerősítve a membrán, amely a levegőt mozgásba hozza. A dinamikus mikrofon hasonló felépítésű, mint a dinamikus hangszóró, azonban a hangot alakítja át váltófeszültséggé. A hangrezgés hozza mozgásba a membránt, ez mozgatja a tekercset, amely állandó mágnes erőterében lévén, villamos feszültséget hoz létre. Ma ez a leggyakrabban használt mikrofonfajta.
Elektromechanikai hangrögzítés
A mechanikai hangrögzítés továbbfejlesztett, modern változata, jelenleg is alkalmazott hangrögzítési eljárás. A rögzítés folyamata: a vivőközegben terjedő hangrezgéseket mikrofon fogja fel, amely a hangrezgésnek megfelelő hangfrekvenciás feszültséget állít elő. Ezt a feszültséget erősítővel felerősítve a vágófejbe vezetik, amely a vágótűvel forgó viasz- vagy lakklemezbe vágja a spirális alakú hangbarázdát. A vágófej alapvető eleme a horgony. Ehhez rögzítik a vágótűt. A horgony állandómágnessel létesített erős mágneses térben van és egy rögzített tekercs veszi körül. Felvételkor ebben a rögzített tekercsben folyik a mikrofon által előállított hangfrekvenciás áram. Ha a tekercsben nem folyik áram, a vágótű és a horgony nyugalmi helyzetben van. Ha a tekercsbe egyenáramot vezetünk, a horgony könnyedén elmozdul forgástengelye körül, a vágótű hegye pedig az egyenáram polaritásának megfelelően jobbra vagy balra tér ki. Ha a tekercsbe a felvett hangképnek megfelelő hangfrekvenciás váltakozó áram folyik, akkor a horgony és vele együtt a vágótű is jobbra-balra gyors kilengéseket végez, az áramingadozások arányában. Ezt a folyamatos rezgéssorozatot vágja lemezbe a vágótű.
Mágneses hangrögzítő fej
A mágneses hangrögzítőben az az alkatrész, amely az előtte elhaladó jelhordozóra rögzíti a hangfrekvenciás rezgések keltette mágneses jeleket. Ez egy lágyvasmagra csévélt tekercs, amely elektromágnesként működik, ha a tekercsbe áramot vezetünk. A vasmag alakja lehet háromszög, sokszög vagy gyűrű alakú, amelynek folytonosságát kisméretű légrés szakítja meg. A légrést nem mágnesezhető anyagú vékony fémfóliával töltik ki.
Relé és differenciáljelfogó
Az elektromágneses kapcsoló esetében a gerjesztés megszüntetésétől az érintkezők átváltásáig (a záróérintkezők áramkörének bontásáig, illetve a bontóérintkezők áramkörének zárásáig) eltelt idő részben a tekercsben fellépő induktív késleltetésből, részben a mechanikus elmozduláshoz szükséges időből tevődik össze. A jelfogó tekercsén átfolyó áram azon értéke, melynél a meghúzott jelfogó horgonya biztosan alapállapotba kerül.
A differenciáljelfogó egy kéttekercses jelfogó, amelyben a két tekercs gerjesztése egymás ellenében hat. Két azonos tekercs esetén tehát differenciáljelfogó csak akkor kapcsol, ha csak az egyik kap gerjesztést. Mindkét tekercs egyidejű gerjesztése egymás hatását ellensúlyozza, és a differenciáljelfogó nem működik.
Cryotron
A cryotron egy kapcsoló, amelyet Dudley és Buck amerikai fizikusok fejlesztettek ki. A cryotron azon az elven működik, hogy ha egy egyenes huzaldarabot a tekercs belsejében elhelyezünk, és létrehozzuk a szupravezetés állapotát, igen kis feszültség képes a huzaldarabon keresztül az állandó áramot fenntartani. A szupravezető állapot függ a hőmérséklettől (le kell hűteni a szupravezetési hőmérsékletig) és a mágneses tértől. Így a tekercsben folyó áramot megváltoztatva, a huzal szupravezető állapotából normális (ellenállásos) állapotába billenthető át. A cryotront elektronikus számítógépekben memória- és kapcsolóelemként lehet használni, de a hűtőberendezés helyigénye és a súlya miatt az egyéb (pl. félvezetős) megoldások terjedtek el.
Transzponder tekercs az autóknál
A transzponder tekercs egy vékony rézszálból készített tekercs, az immobilizer rendszer része, tulajdonképpen egy antenna, ami az immobilizer jelet továbbítja a gyújtáskapcsolóban lévő másik tekercsnek, ami összeköttetésben van az autó komputerével. A transzponder tekercs igen fontos alkatrésze az autókulcsodnak. Ha csak egyszerűen kulcsmásoló géppel lemásolod a kulcsod, akkor az ajtót ki tudod nyitni vele, de az autót indítani már nem tudod. A transzponder vagy immobiliser chip - ki hogy nevezi - indukciósan kommunikál a kulcslyuk mögött lévő tekerccsel. Néhány autókulcsban nincs külön immobiliser chip, hanem az elektronikára van integrálva. Ebben az esetben egy mini rézhuzal tekercs is található az elektronikán, mely antennaként továbbítja az indításhoz szükséges jelet. Ezek a transzponder antennák sérülékenyek és idővel cserére szorulhatnak. Jó hír viszont, hogy ezek a tekercsek szükség esetén cserélhetőek.
Elektromágneses jelenségek és alapelvek
Az antennák elektromágneses hullámokkal kommunikálnak egymással. Az elektromágneses hullámokat el tudjuk képzelni olyan jelenségként, mint amikor az vízbe dobott kő hullámmozgást végez és vízgyűrűket generál. A hullámoknak három alapvető tulajdonsága van: rendelkeznek hullámhosszal, frekvenciával és terjedési sebességgel. Sugárzási módszerben egyszerűen kifejezve kommunikálhatnak az antennák közvetlenül vagy közvetetten egymással.
Energia ingázása tekercs és kondenzátor között
A kondenzátor töltése generálja az elektromos erőteret, a tekercs továbbá a mágneses erőteret generálja - ezek hatását együttesen elektromágneses erőtérnek nevezzük. Bármely áramköri elemmel való energiaközléskor az energia ingázni kezd az áramköri elemek között, így pedig a tekercs és a kondenzátor egymást váltva működnek energiaforrásként és energiatárolóként. Ideális esetben, amikor a feltöltött kondenzátor kisül a tekercsen keresztül, akkor mágneses erőteret hoz létre a tekercsen keresztül az energia kiapadásáig. A valóságban, mint nem ideális esetben viszont az energia amplitúdója csökkenni fog, mivel a tekercs ellenállása miatt némi energia hővé alakul, a kondenzátor vesztesége miatt pedig további energia vész el.
Dielektrikumok
Villamos szigetelőanyag, melyet kábelek, kondenzátorok, tekercstestek előállítására használnak. Anyaguk lehet papír, fa, üveg, gumi, műanyag, stb. Dielektrikum a desztillált víz is, a közönséges víz azonban sói, szennyeződései miatt már nem. Váltófeszültség hatására a dielektrikumban frekvenciától függő veszteségek keletkeznek, ezek alapján osztályozhatók a dielektrikumok.
Félvezető anyagok és integrált áramkörök
Tulajdonképpen félvezető anyag, melyre az integrált áramkört készítik, de magát az IC-t is nevezik gyakran chipnek. A félvezető anyagra különféle eljárásokkal viszik fel az alkotóelemeket, mint ellenállások, kondenzátorok, diódák, tranzisztorok, tekercsek, stb. Ez a technológia tette lehetővé a mai modern elektronika rendkívüli miniatürizálását és komplexitását.
Felüláteresztő szűrő
Kondenzátorokból, tekercsekből és esetleg ellenállásokból összeállított eszköz, amely egy bizonyos frekvencia felett és az adott frekvencián mindent átenged, míg az ennél kisebb frekvenciákat erősen csillapítja, azaz nem engedi át. Vágási frekvenciának azt nevezik, ahol a szűrő 3 dB csillapítást nyújt, ez alatt sokkal nagyobbat. A legegyszerűbb ilyen szűrő egy párhuzamosan kapcsolt tekercs, vagy egy sorosan kapcsolt kondenzátor. Korszerű TV-készülékek antenna bemenetén található 40 MHz-es felüláteresztő szűrő.
Metalpapír (MP-kondenzátor)
Tekercselt kondenzátor, amelynek két fegyverzete a szalag formájú dielektrikumra vákuumgőzöléssel felvitt, igen vékony fémréteg (horgany vagy alumínium). Így azonos kapacitás lényegesen kisebb térfogatban valósítható meg, mint a fémfólia fegyverzetek alkalmazásával. További előnye, hogy a dielektrikum átütésekor keletkező hő az átütési hely környezetéről a fegyverzetet elpárologtatja, önjavító mechanizmust biztosítva.
