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Maschinensender

 
In der Zeit vor der Entwicklung der Elektronenröhren wurde neben dem Lichtbogensender noch eine weitere Möglichkeit verfolgt ungedämpfte elektrische Schwinungen zu erzeugen. Die Idee war ganz einfach. Die erzeugte Frequenz eines Wechselstromgenerators hängt von der Drehzahl des Rotors ab. Wird diese erhöht steigt auch die Frequenz. Auf diese Art wäre es einfach hohe Frequenzen mit hoher Leistung zu erzeugen. So einfach die Idee, so schwierig war auch die technische Umsetzung.
Wird wie im rechen Bild ein Stabmagnet zwischen einem Spulenpaar gedreht ensteht in den Spulen eine Induktionsspannung welche im oberen Bildteil zu sehen ist. Diese Spannung hat sinusförmigen Verlauf wobei die Frequenz der Umdrehungzahl des Magneten entspricht.Um eine Frequenz von 100 kHz zu erzeugen müßte sich demnach der Magnet mit einer Drehzahl von 6 Millionen Rpm drehen.
Technisch ist das nicht machbar. Schon bei einer Magnetlänge von einem Millimeter würden sich die äußeren Enden mit Schallgeschwindigkeit bewegen und ebenso die Fliehkräfte enorme Werte erreichen. Technisch ist das weder damals noch heute machbar.

Einer der ersten Erbauer von Maschinensendern, der schwedische Ingenieur Alexanderson beschritt deshalb einen anderen Weg. Ersetzt man den Stabmagnet des Generators durch ein Art Magnetkreuz wie im rechten Bild ist leicht zuzu sehen, daß nun pro Umdrehung 6 Polwechsel stattfinden und damit die dreifache Frequenz erzeugt wird. Wird als Rotor ein Zahnrad verwendet dessen Zähne abwechselnd magnetisiert sind beträgt die Ausgangfrequenz das Produkt aus Drehzahl x Zahnzahl / 2. So lassen sich auch mit moderaten Drehzahlen hohe Frequenzen erreichen. Allerdings wurden damals keine Permanentmagnete verwendet,NdFeB gab's noch nicht, sondern auf dem Rotor waren Erregerwicklungen aufgebracht.
Der deutsche Ingenieur Goldschmidt kam nun auf die Idee diese Erregerwicklung mit Wechselstrom statt mit Gleichstrom zu speisen. So war es möglich schon in der Maschine eine Vervielfachung der Ausgangsfrequenz zu erreichen.

Die damals gebauten Maschine waren Geräte mit riesigen Abmessungen. Die Rotoren hatten einen Durchmesser von über einem Meter bei Drehzahlen von 2000 bis 3000 Umdrehungen pro Minute. die erzeugten Frequenzen bei 5 bis 30 kHz. Die Ausgangsleistungen betrugen bis zu mehreren Megawatt. Um höhere Frequenzen zu erreichen wurde das Ausgangssignal mit passiven Vervielfachern (Spulen mit Eisenkern) vervielfacht.
Will man selber einen kleinen Maschinensender bauen hat man es heute viel einfacher. Man kann einen einfach erhältlichen Schrittmotor als Generator verwenden. Ein übliches Model mit mit einem Schrittwinkel von 1,8°, also 200 Schritte pro Umdrehung im Vollschrittbetrieb besitzt einen Rotor mit 50 magnetisierten Zähnen, wie im Bild rechts zu sehen ist. Die zweite Rotorscheibe ist um einen Zahn versetzt auf der Achse fixiert. Durch eine geschickte Beschaltung der Spulen kann man auch die doppelte Frequenz erhalten.
Ein Testaufbau, bestehend aus einem kleinen Schrittmotor, angetrieben durch einen Gleichstrommotor erzeugt Sinusschwingung mit einer Frequenz von 25,5 kHz, schon gut im Längstwellenbereich.
Für das zu bauende Funktionsmodell eines Maschinensenders wurde ein großer Schrittmotor besorgt. Den Antrieb übernimmt ein kräftiger Reihenschlussmotor aus einem Staubsauger. Unten im Bild der Versuchsaufbau, links der Schrittmotor, rechts der 1kW Staubsaugermotor.
Ein erster Test mit dem Regeltrafo unter der Kontrolle des Motorstroms zeigt die erzeugte Frequenz und den Spitze-Spitz-Wert der Wechselspannung. Die Messung wurde ohne Last gemacht, am Ausgang des Schrittmotors war nur das Oszi (10MOhm) angeschlossen.
Geht man langsam auf einen Motorstrom von 3,1 Ampere werden zwar einige Resonanzstellen durchlaufen aber bei der Endgeschwindigkeit läuft der Generator zwar mit einem pfeifenden Geräusch aber ohne stärkere Vibrationen. Die Ausgangsspannung beträgt mehr als 200 V bei einer Frequenz von 14,6 kHz. Schon mal nahe am berühmten SAQ-Sender. Dieser, in Schweden stehende, letzte betriebsfähige Maschinensender arbeitet auf einer Frequenz von 17,2 kHz.
Will man noch höhere Frequenzen erreichen muss man das Ausgangssignal vervielfachen. Bei einem Schrittmotor als Generator bietet sich an die zweite Wicklung die eine um 90° in der Phasen versetzte Spannung liefert, sodass schon mal die doppelte Frequenz entsteht. Die eigentliche Vervielfachung geschieht aber mit einem Transformatorl dessen Eisenkern in die Sättigung gefahren wird. Dadurch wird die Sinusspannung stark verzerrt und es bilden sich Oberwellen die einen angekoppleten Schwingkreis auf der höheren Frequenz anregen. Um bei der hohen Frequenz Wirbelströme zu vermeiden muss der Eisenkern aus vielen extrem dünnen Lamellen bestehen. Solche Bleche, mit Dicken von 0,1 mm standen nicht zu Verfügung. Deswegen wurden statt des Eisenkerns ein Ringkern aus Ferrit verwendet.
Der fertige Sender, rechts im Bild die Versorgungsbox mit Regeltrafo und Einschalter. In der Mitte die Schwingkreisspule, links die Morsetaste, der Schwingkreiskondensator und der HF-Stromindikator, ein Glühlämpchen.
Die Messung unten im Bild zeigt die stark verzerrte Generatorspannung (rote Kurve) zusammen mit der Spannung am Schwingkreis (blaue Kurve). Die Generatorfrequenz beträgt 14,5 kHz, die Amplitude ca. 80V. Der Schwingkreis schwingt auf der 5. Oberwelle mit einer Frequenz von 72,5 kHz und einer Amplitude von ca. 5 V. Der Wirkungsgrad ist also nicht gerade beeindruckend.