CN101300649B - 变压器 - Google Patents

Abstract

本发明总体上涉及接口技术领域。已经知道接口技术领域中包含诸如用于测量技术、控制技术和控制工程的模块化转换器这样的电子元器件，具体来说是隔离放大器。这些隔离放大器可以用于对标准信号进行电流隔断、转换、放大和滤波并且用于匹配模拟信号。这些隔离放大器在输入、输出和馈电电路中在电流上是彼此分离的。按照本发明，为达到隔断的目的，使用SMD安装技术将变压器作为独立部件整体安装到隔离放大器的电路板中，其中变压器包含由磁芯和绕组构成的感应部件与包含形成平面鼠笼式绕组的内部印制导体的基板的组合。

Description

变压器

技术领域

本发明总体上涉及接口技术领域。已经知道接口技术中包含诸如用于测量控制和调节技术的模块化转换器这样的电子元器件，尤其是隔离放大器。这样的隔离放大器可以用于标准常规信号的电流隔断、转换、放大和滤波并且用于匹配模拟信号。这些隔离放大器在输入、输出和馈电电路方面在电流上是彼此隔断的。这一隔断防止了不同的传感器电路和致动器电路因为由不同电路的接地造成的接地环路的干扰而相互影响。

背景技术

电流隔断是由功率转换中使用的感应无源元器件实现的。变压器是电子工程中一种重要的无源元器件。借助变压器，可以提升或降低AC电压。如本例中那样，如果变压器并非用于功率转换，而是用于模拟信息传递，则变压器的恰当称谓是耦合变压器。也有可能将变压器既用于功率转换也用于信号传递。这两种电子元器件都按照相同的感应元器件原理操作。隔离放大器的电子元器件，包括变压器，通常安装在电路板上；可以将该电路板安放在绝缘材料的外壳内并且可以配备有螺旋、插入式或弹簧线夹端子。可以按照EN 50022将绝缘材料外壳夹持到承载轨道上，并且这样安装在例如开关机箱中。不过开关机箱中的总可用空间是有限的。由于这一限制，就存在着使电子元器件(包括绝缘材料外壳)的总尺寸最小和更加经济地制造它们的研发要求。

从现有技术中可以充分地了解配备有一个或多个无源变压器的隔离放大器，例如，从Phoenix Contact GmbH & Co.KG的产品目录《Signal converter interface 2002》(TNR 5123474/04.01.02-00)和《new product catalog 2004》(TNR 5154139/04.15.04-00)中就可以找到这样的隔离放大器。

这样的隔离放大器由多个电子元器件组成。这些电子元器件之一是用于实现信息信号的电流隔断的变压器。如果不存在载流子从一个电路流入另一个直接相邻电路的路径，则称这两个电路是电流隔断的。电流隔断电路之间的信息交换可以经由变压器实现。变压器由例如软磁材料的环形芯构成，该环形芯缠绕有至少两匝绝缘导线。困难的是例如如何将变压器快速、经济并且以节省空间的方式安装在隔离放大器的电路板上。因此在电路板上安装变压器对安装技术设立了较高的要求。为了安装变压器，使用了SMD安装技术(SMD＝表面安装装置)，其中借助吸管把持要安装的元器件并且将其安装在电路板的表面上，EP1104931A2提出了使用经过改造的环形芯，该环形芯在其较窄的外侧上具有形成接触表面的两个表面区域，这些区域起到将环形芯放在载体板上并且将其安装在上面的作用。可以继而将载体板安装在电路板上。DE3834590A1介绍了类似的情况。这些结构布置的缺点在于，由电路板、载体板和安放在上面的变压器造成的总高度并不适合于减小隔离放大器的总宽度。

DE20309843U1提出了使用可以用SMD技术进行处理的变压器；它具有带安放支撑脚的环形芯，从而不需要载体板并且可以将环形芯直接安装在电路板上。按照这种设计，通过消除载体板减小了总高度，但是仍然存在本质的缺点：变压器的环形芯是垂直安放在电路板上的并且这样会造成总高度过高。

DE4214789C1因此采用了将变压器的环形芯水平安装在电路板上的途径。这种设计的最大缺点是，线圈只能在安装好环形芯之后利用电路板上的调节孔来固定，因此不适合于SMD安装。

DE3318557A1提出适合于用在电路板上的以水平方式实现的结构安排。这也不可能实现总高度的减小。

DE19615921A1介绍了在电路板中包含用来容纳环形芯的切口的构造。这会得到较低的总高度，应该适合于隔离放大器的使用。最大的缺点在于，以将元件安装成平坦的结构形态并不适合于SMD安装技术，因此不适合于大规模批量生产。这一结构设计也不满足EX标准对空气间隙和漏电路径的较高要求。

因此本发明基于如何创造用于上述类型的隔离放大器的避免了前述已知方案的缺点的感应元器件或变压器的问题、如何对使得为具有简单有效的几何机构的隔离放大器生产经济型变压器成为可能的技术方案进行规定的问题，这种变压器具有较低的总高度并且能够利用SMD安装技术安装在电路板上，而且尽管如此依然满足EX标准对空气间隙和漏电路径的较高要求。

按照本发明，这一问题通过按照权利要求1表述的特征得到了解决。从随后的从属权利要求和下面的介绍可以得出本发明的优选实现方式和细化。

发明内容

为了以能够利用SMD安装技术的结构形态和实现窄绝缘材料外壳的小型化设计来创造具有本发明的这些特点的变压器，提出了生产这样的隔离放大器：在第一实施方式中，该隔离放大器在其电路板中具有开口，用于变压器的独立整体安装的部件，该部件代表隔离放大器构造中的功能部分。在第二实施方式中，能够独立整体安装的部件是预先安装的并且仅仅在安装在隔离放大器的电路板上之后才构成变压器。第二实施方式中的变压器仅仅是通过在焊接期间闭合短路线圈来完成的。短路线圈的至少一部份位于主板或电路板上，有可能成为平坦的短路线圈。按照另外一种可选方案，这也可以预先借助单独的焊接桥来完成。

模拟信号的传输非常容易受到工业环境中噪声的影响。用于测量、控制和调节技术的模块化转换器可以避免由于外部噪声参数造成的模拟信号失真。这样通过模拟信号的精确转换、隔离和匹配确保并提高了传输质量，并且因此提高了控制环的质量。为了满足这一质量标准或者相应的法定标准，需要开发出一种变压器部件，这种变压器部件满足前述要求或者可以借助SMD安装技术整体安装到电路板的开口中，并且因此可以整体安装到隔离放大器的窄小绝缘外壳内。

这一问题是按照本发明通过下述技术规范解决的。

技术问题在于将两个或多个传统绕线式环形芯连接成具有初级绕组和一个或多个次级绕组的变压器，其中感应部件可以是并联连接或者串联连接的。在最简单的结构等级上，初级绕组是缠绕在第一环形芯上的，并且次级绕组缠绕在第二环形芯上。两个成套的磁芯安装在具有在内部层内的一个或多个印制导体的一个单片基板上。安装可以利用SMD安装机器人来完成。绕组的导体末端可以缠绕在接触面的线圈区域上。与驱动电路的电接触，例如，是经由接触面提供的。将设置在基板的连接臂上的线圈区域插入到隔离放大器的电路板中，从而变压器的整体或者预制部件可以平坦地处于电路板上并且因此适于SMD焊接。真空吸合装置可以经由处于变压器中央的吸合面对该部件施加吸力，运送它，使它位于电路板上方并且将它放下。此外，隔离放大器的印制导体是利用接触面(例如通过镀锡)连接到隔离放大器的电路板上的，以形成完整的线圈，该线圈代表感应初级部件的输出线圈和感应次级部件的输入线圈。基板的材料借助它的结构建立了绕组之间的隔离。内部印制导体由至少0.5mm的绝缘材料包裹。这样，能够实现针对受EX保护的产品有关隔离的高要求。EX场所需要的间隔以及用于确保初级和次级绕组的安全标准隔离的空气和漏电间隙是由中央辐板和中央层中的印制导体到基板边缘的距离固有地决定的。利用基板中印制导体的适当安排能够实现两个或更多短路线圈，其中，短路线圈可以均匀地分布在感应部件的两侧，这样会同时得到感应部件接合的改善。

附图说明

在附图中纯粹示意性地给出了本发明的一些实施方式并且将在下文中详细介绍。附图1-3中给出的印制导体11是正常地包含在基板10中的，并且是看不见的。为了更好地理解和说明，在基板10的表面上示出了印制导体11。

图1表示整体安装到电路板中的变压器的示意图的平面图，和

图2表示变压器的另一种布置方式，在两个感应部件之间具有隔挡零件，和

图3表示变压器的另一种安排方式，具有三个并联连接的感应部件，和

图4表示图1的侧视图。

具体实施方式

在图1的示意图中示出了整合在电路板20的开口22中的变压器1，其中变压器1包括部件2’，本文中此后也称为具有软磁材料的磁芯4、4’和基板10的套装件，磁芯4、4’具有中心孔5(未示出)，一个或多个绝缘线7的线圈6、6’穿过该中心孔5，基板10具有内部印制导体11，基板10是一个或多个成套的磁芯4、4’和6、6’的支撑；它包括一个或多个辐板12、12’以及一个或多个连接臂13，一个或多个内部印制导体11设置在辐板12、12’中，连接臂13具有接触面14和金属化线圈接触区域15，在接触面14的上侧48和下侧49上进行了金属化，用于将感应部件3、3’与设置在电路板20上的电子元器件(未示出)相连接，金属化线圈接触区域15用于固定线圈6、6’的起始匝16和末尾匝17，其中套装件2给出了适合于表面安装的可小型化SMD部件，并且配备有至少两个感应部件3、3’。为了使变压器1的套装件2能够利用SMD技术安装，基板10是平的。平面基板10包含用于由吸管19(未示出)将其安装到电路板20上的表面18。吸管19在表面18处抓住变压器1的部件2并且运送部件2，以将其安装到电路板开口22中，在电路板开口22中，通过焊接、粘接等经由金属化接触面14使部件2与电路板20成为一个整体并且与电路板20连接。将电路板开口22的切口23设计成这样：在安装了套装件2之后，使得两个感应部件3、3’以感应部件3、3’不可能发生向外的横向位移的方式固定在电路板开口22中。由于辐板的边缘或末端的作用，两个感应部件3、3’同样也不可能朝向基板的中心发生向内的位移。平面基板10此外还包括两个沿着基板10的纵方向处于基板中间的辐板12、12’，这两个辐板12、12’处于同一中心轴上并且沿着相反的方向彼此背离，绕线式环形芯被按压到这两个辐板12、12’上。还有这样的设计：安装可以由SMD安装机器人来完成。因此可以预先制造好基板10。辐板12、12’穿过感应部件3、3’的中心孔5，其中感应部件3’形成初级部件，而另一个感应部件3’形成次级部件。这样感应部件3包括具有初级绕组6的磁芯4，并且感应部件3’包括具有次级绕组6’的磁芯4’，其中磁芯4、4’由环形芯8、8’形成。按照另外一种可选方案也可以将磁芯4、4’还形成为矩形铁氧体芯。两个成套的磁芯4、6和4’、6’由基板10内部穿过环形芯8、8’的中心孔5的印制导体11相连，基板中的印制导体11是由印制电路形成的。基板10中设置的另外两条印制导体24、25在感应部件3、3’外侧穿行。印制导体11、24、25在基板10的端面31、31’露出，并且通过例如焊接连接到电路板20上，由此得到了线圈。如图1中所示，如果三个印制导体11、24、25在基板10上相互连接，则得到两个线圈32、37。各个线圈32和37形成平面短路线圈33，该线圈将初级绕组6与次级绕组6’连接起来。穿过基板10内部的产生两个感应部件3、3’的耦合的印制导体11、24、25由至少0.5mm的绝缘材料35包裹，并且具有与标准EN 50020和EN 50014的规定相应的边缘距离，从而变压器1的部件2满足固有安全性的要求。

图2中给出的变压器1表示针对图1的构造的另一种配置，并且可以类似地预先制造。如果在环形隔挡套筒27的上侧产生供吸管使用的小平坦表面(未示出)，就可以实现能够采用SMD的安装。基板10上的辐板12不能象图1中那样从两侧到达(从两侧到达会导致需要两个辐板12、12’)，而是仅能够从一侧到达，从而结果得到一个较长的辐板12。因此辐板12是两个感应部件3、3’的载体。感应部件3、3’是一个跟在另一个后面地安放的，并且由零件26间隔开。零件26最好是由绝缘材料34制成的隔挡套筒27，并且是在组装期间在两个感应部件3、3’之间按压到辐板12上的。借助隔挡套筒27上的平坦表面(平化表面，未示出)，可以使用安装机器人来进行安装。借助不同长度的隔挡套筒27，两个感应部件3、3’之间的距离可以适合于各种各样的标准规格，并不仅仅是EX规格。如图1中所示，两个感应部件3、3’经由印制导体11、24、25借助两个平面线圈32、37彼此连接，从而得到了两个短路线圈。如按照另外一种可选方案，如图2所示，印制导体11、24、25可以包括具有微小间隔的两条平行印制导体11和29、印制导体24和29以及印制导体25和29，用来连接两个感应部件3、3’。这一套装件2的其它特性，例如连接臂13的特性，与图1中介绍的特性一致。

图3表示变压器1的构造的另一种配置。变压器1的套装件2沿着虚线画出的外轮廓39大体上相当于具有相互间隔120°的三个切口41的对称六边形40。沿着切口41的中心线设置有各个垂直向外指向的起到接纳感应部件3、3’的作用的辐板12、12’。切口41的两个平行内侧42、42’是由连接臂13、13’加上的，连接臂13、13’类似地平行于辐板12并且与图1中一样，是由接触面14和线圈接触区域15形成的。展开的连接臂13、13’按照本发明是以这样的方式安排的：它们类似地彼此间隔120°，以便在供绝缘线7、7’或线圈6、6’使用的线圈接触区域15、15’之间达到最大地可能距离“X”。这个距离“X”确保两个电流隔断的区域之间有必要的间隔，以保护变压器1的“固有安全性”，并且这样满足了标准EN 50020的准则。这个部件或套装件2与三个感应部件3、3’构成一个整体，其中的一个感应部件3配备有初级绕组4，并且与之平行设置的两个感应部件3’配备有次级绕组4’。可以由吸管(未示出)在基板10的中心对变压器1施加吸力并且可以借助SMD安装机器人21来安装它。为了安装带有初级感应元件3的基板10，用标识号“1”或者用管脚号44的形式为辐板12和/或接触臂13加上标号。标识号“1”使得SMD安装机器人21能够在将套装件2安装在电路板20的开口22中期间实现部件2的安全定位。在将带有初级绕组6的输入侧感应部件3安装在辐板12上之后，将两个带有次级绕组6’的输出侧感应部件3’安装在辐板12’上。辐板12、12’和基板10形成有连续的内部印制导体11，如从图1中了解到的那样。印制导体11可以是一个或多个印制导体11。在本结构布置中，有两个相互平行并且间隔开微小距离的印制导体11、29。印制导体11、29的特殊功能是，印制导体11、29在初级输入侧46的输出侧上沿着两个方向45、45’岔开，以便与两个次级输出侧47、47’连接。在本实现方式中也是一样，短路线圈仅仅是通过焊接到电路板20上完成的。这一部件2的其它特性，例如连接臂13的特性，与图1中介绍的相当。

图4以侧视图表示整合到电路板20中的具有按照图1的套装件2的变压器1，从图中可以看出，非常明显较低的总高度“Y”小于或等于4.6mm。总高度“Y”是由磁芯4及其绕组6决定的。基板10内部的印制导体11在基板10的端面31处相互连接。这一部件2的其它特性，例如连接臂13的特性，与图1中介绍的特性一致。

标记数字列表

1变压器

2部件或套装件

3感应部件(初级)

3’感应部件(次级)

4磁芯(初级)

4’磁芯(次级)

5中心孔

4绕组(初级)

6’绕组(次级)

7绝缘线

8环形芯

8’环形芯

9未使用

10基板

11印制导体

12辐板

12’辐板

13连接臂

13’连接臂

14接触面

14’接触面

15线圈接触区域

15’线圈接触区域

16起始匝

17末尾匝

18表面

19吸管

20电路板

21SMD安装机器人

22电路板开口

23切口

24印制导体

25印制导体

26零件

27隔挡套筒

28未使用

29印制电路

30端面

31端面

31’端面

32绕组I

33短路线圈

34材料

35绝缘材料

36总高度

37绕组II

38未使用

39外部轮廓

40六边形

41切口

42内部侧

42’内部侧

43未使用

44管脚号

45方向

45’方向

46输入侧

47输出侧

48端侧

49下侧

50上侧

51未使用

52未使用

53未使用

Claims (12)

1.变压器(1)，包括套装件(2)，该套装件(2)被形成为适合于插入电路板(20)的开口(22)中并固定在其上的小型化电子部件，该套装件包括：

-基板(10)，其被形成有一个或多个辐板(12)以及一个或多个连接臂(13)，一个或多个连接臂(13)被提供有接触面(14)和接线区域(15)，基板(10)包括部分延伸通过辐板(12)的内部印制导体(11，24，25，29)，

-至少两个感应部件(3，3’)，每个感应部件包括具有中心孔(5)的软磁材料磁芯(4)和穿过该中心孔的一个或多个绝缘线(7)绕组(6)以形成成套磁芯(4，4’，6，6’)，

其中所述基板(10)形成成套磁芯(4，4’，6，6’)的载体，每个辐板(12)被推过各自的成套磁芯(4，4’，6，6’)并从该成套磁芯(4，4’，6，6’)中穿过，所述内部印制导体(11，24，25，29)形成所述成套磁芯(4，4’，6，6’)的连接，所述接线区域(15)固定所述绕组(6)的起始匝(6)和末尾匝(7)，并且所述接触面(14)将所述感应部件(3，3’)与设置在所述电路板(20)上的电子元器件连接起来。

2.按照权利要求1所述的变压器，其中套装件(2)被预先安装并且包括形成短路线圈的一部分的所述内部印制导体(11，24，25，29)，短路线圈的另一部分位于电路板(20)上。

3.按照权利要求1所述的变压器，

其中所述基板(10)为平面基板，以针对SMD安装技术实施套装件(2)。

4.按照权利要求3所述的变压器，

其中平面基板(10)具有供吸管(19)啮合的平坦表面(18)。

5.按照权利要求1所述的变压器，

其中至少两个感应部件(3，3’)中的一个感应部件为包括磁芯(4)和初级绕组(6)的初级感应部件，另一个感应部件为包括磁芯(4’)和次级绕组(6’)的次级感应部件。

6.按照权利要求1所述的变压器，

其中磁芯(4，4’)为环形芯(8)。

7.按照权利要求1所述的变压器，

其中磁芯为矩形芯。

8.按照权利要求1所述的变压器，

其中所述内部印制导体包括至少一个内部印制导体(11)，该内部印制导体(11)在基板(10)中和电路板(20)上实现线圈(32)以便将设置在辐板(12)上的成套磁芯(4，6；4’，6’)连接起来。

9.按照权利要求8所述的变压器，

其中线圈(32)形成至少一个平面短路线圈(33)，该线圈将初级绕组(6)与次级绕组(6’)连接起来。

10.按照权利要求1所述的变压器，

其中基板(10)中的内部印制导体(11，24，25，29)由至少0.5mm的绝缘材料(35)包裹。

11.按照权利要求1所述的变压器，

其中套装件(2)在固有安全性方面满足标准EN 50020。

12.按照权利要求1所述的变压器，

其中套装件(2)的总高度(36)小于或等于4.6mm。

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