CN1231094A - 采用回波补偿原理的u型接口脉冲变压器 - Google Patents

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Abstract

在ISDN－通信系统中数字式本地交换机和网络终端设备之间的通信联系是通过公共的双线回路实现的,在这个双线回路的末端设置了一个所谓的U形－变压器。网络终端设备连到一个最终用户,就是人们所说的UKO－接口,对于这个接口变压器之间的导线长度可以达到8Km。传送脉冲的位错率必须小于10－7,在这里用于给最终用户远距离供电的直流电流叠加了这个脉冲,这个直流电流可以达到80mA。本发明对于这种UKO－变压器给出了一个由软磁性非晶形无磁致伸缩的合金带构成的环行带状磁芯。这个被制造的环行带状磁芯在磁场中被热处理,在这里这种热处理是在保护性气氛中实现的。

Description

采用回波补偿原理的U型接口脉冲变压器
本发明涉及了一个采用回波补偿原理的U型接口脉冲变压器。
在一个数字式的通信系统里，特别是一个ISDN-通信系统里，在数字式本地交换机和网络终端设备之间的通信是通过一个公共的双线回路来实现，在这个双线回路的末端设置了一个所谓的UK0-或UHDSL-变压器。这种ISDN-通信系统的大概观点由图1可以得出。一个这样的ISDN-通信系统在这里是由一个网络终端设备(NTBA1)，一个ISDN-本地中继局2，一个UK0-变压器3，一个带电流补偿的双重阻流圈4，一个集成开关电路5举例如一个IEC PEB 2090，以及一个带有DC/DC-换能器的电源6组成。
对于UK0-接口根据编码和脉冲重复频率f0来区别4B3T-系统和2B1Q-系统。4B3T-系统有一个60KHz的脉冲重复频率f0和一个在3个三进制符号上的4位编码。2B1Q-系统与此相反给出了一个40KHz的脉冲重复频率f0和一个在四进制状态的2位编码。这个差别对于UK0变压器的磁化电流的频谱分布有影响。这个对于磁化电流频谱分布的影响在图2中被给出。就象在图2中看到的那样，相对于在4B3T编码中高频分量占优势的情况，在2B1Q-编码的频谱中带有大电流振幅的低频分量占了很大部分。在UK0-4B3T-接口的情况下在变压器间的线路长度最多能够是5Km.。对于UK0-2B1Q-接口和UHDSL-接口在变压器之间的线路长度原则上要少一些。这个所传送的COS2形式的脉冲的故障率必须小于10-7。
如果对于所观察的系统(4B3T，2B1Q)这个直流电流达到80mA，在HDSL方式下甚至于还要大一些时，这个用于给终端用户远距离供电的直流电流叠加信息脉冲就变得困难了。这个供电电流产生接口变压器磁芯的恒场预加负载Hdc，接口变压器磁芯的高度是由变压器磁芯的结构形式和所用磁芯材料的结构方式来作出决定性的判断。在这里一个基本的条件是，这个在规定标准中确定的通信技术的特征参数，例如脉冲时标和阻抗时标，在最大可能的直流预加负载或在变动的直流预加负载情况下必须被保持。
对于被安装在线路两边的接口变压器来说提出了下面的要求：
a)最小的结构体积，
b)传输码系统的性能，
-4B3T-Uk0(vg1.FZT 1 TR 220和ETSI-标准ETR80；
          60KHz，120k波特)
-2B1Q-Uk0(vg1.ANSI-T1.601和ETSI-标准ETR80；
          40KHz，80波特)
-2B1Q和CAP-HDSL(vg1.ETSI-标准ETR152；2M位/秒)
c)根据已布好线的集成电路主电感是1到80mH，
d)远距离供电的直流叠加
--0到60mA对于4B3T-接口变压器
--0到80mA对于2B1Q-接口变压器
(根据Anzieh标准决定)
e)传送有效范围＞800km(对于4B3T)或者15个回路根据ANSI(对于2B1Q)
f)微弱的芯软化和SMD(表面固定装置)性能。
一直到现在都采用铁氧体作为变压器铁芯材料，特别采用由铁氧材料N27和N28制成的铁氧体。这个必不可少的直流预加负载特性借助于磁滞曲线修正系数通过铁氧体磁环磁芯的缝隙来达到。通过磁路的这个大的磁滞曲线修正系数铁氧体材料原有的非线性BH-环被强烈的线性化了，以使变压器满足所要求的有效作用范围或误码率。在这里其缺点是，这个磁滞曲线修正系数产生影响把实际有效的磁导率的值降低到200。为了获得这个必不可少的在1到80mH之间的主电感对于铁氧体磁环磁芯来说构造条件是其体积必须被设计的非常大。
此外在应用铁氧体磁环磁芯时有一个缺点是，要求有高匝数的初级侧和次级侧绕组，而这种绕组就产生了电阻损耗和由电容引起的寄生效应。
本发明的任务就是，对于数字式传输系统给出了一个可预加直流负载的接口变压器，这个变压器指明了一个尽可能小的结构体积同时利用一个简单的绕组结构和很少的匝数保证了一个高的无故障的传输有效范围，特别是保证传输范围大于8km。
根据本发明这个任务通过一个可预加直流负载的接口变压器得以解决，这个接口变压器有一个在2到80mH之间的主电感和很小的对于有初级次级绕组的磁芯的数字式传输系统所产生的小寄生电容，变压器在此给出了一个由至少70％非晶形的具有平坦线性的BH-环的软磁体合金组成的磁芯同时指出了这个合金具有的成份，该成份由下面公式得出
          Coa(Fe1-cMnc)bNidMeSixByCz。
其中的一个或多个元素的M是来自V，Nb，Ta，Cr，Mo，W，Ge，P的集合，指数a到z给出了原子的百分比并且满足下述要求：
40≤a≤82                  0≤e≤5
3≤b≤10                   0≤x≤15
0≤c≤1                    8≤y≤26
0≤d≤30                   0≤z≤3
并附有条件15＜e+x+y+z＜30。
通过应用非晶形的铁磁性材料接口变压器的磁芯能够被制造出来，这个磁芯出色之处是有很小的结构体积。此外对于这个类似金属的磁芯来说放弃了高匝数，这样就不会带来大电阻的损失和电容引起的寄生效应。
这种具有上面提到的成分且满足下面条件的合金已证明了特别适用，
50≤a≤82                   e≤3
c≤0.5                      x≥1
d≤20                       y≤20
并附有条件18＜e+x+y+z＜25.
在本发明的一个优选实施例中环形铁芯被规定作为磁芯，特别是环形带状铁芯。根据这种类似金属的合金的在开始时特别提到的特性环形带状铁芯不需要被纵切。因此在优选的设计中环形带状铁芯是一个没有被纵切的环形带状铁芯。
根据当前发明的环形带状铁芯的磁带以优先的方式给出中等程度的小于8％磁带厚度的磁带上表面和下表面的峰-谷深度Ra。
本发明是以下面的知识为依据的，即接口变压器的特性是利用非晶形的，几乎没有磁致伸缩的钴基合金来达到最好，这种合金具有至少0.7特斯拉，在有利的情况下多于0.8特斯拉的饱和感应，以及一个BH-环，并且这种BH-环给出了至少1A/cm，在有利的情况下高于2A/cm的场强，给出了一条线性的曲线。一个这样的BH-环在图3中得以描述。这种线性BH-环举例来说可以通过下面描述的制造工艺过程来得到。
一个非晶形铁磁性磁带是用快速凝固的釉质浇铸而成，在这里如上面进一步描述的特性被确定。快速凝固方法或具备快速凝固的连续铸锭都被充分的了解。这里采用的原则性的工艺过程和设备在DE3731 781 C1中有详细的实例描述。这个文件的对象在此明确的包含在当前的申请中(“与参考资料共同”).
接着这种在一个特殊机器上的软磁体非晶形磁带以无应力方式被绕在一个环形铁芯上。这种磁性特征的设置，也就是说磁芯的这种线性平坦的BH-环是通过特殊的在磁场中的热处理得以实现，这个磁场是和环形带状铁芯的旋转对称轴平行的，也就是说跟磁带的方向是垂直的。
然后热处理被开始如下进行，在热处理期间在正向改变饱和磁致伸缩λS的值以便达到一个取决于合金成分的数值，直到这个值处在范围|λS|＜0.5ppm里，有利的情况下处在|λS|＜0.1ppm范围里。象表2得出的那样，如果λS的数值在磁带的猝熄状态下明确的超出了这个范围，那么这个磁带也能实现。在这里重要的是根据所使用的合金利用气流，利用还原性的或钝态的保护气体来清洗磁芯，以便于在磁带表面实现氧化或其他的反应。根据所用合金的成分在所建立的磁场中以1到10K/min的温升变化速率在220℃到400℃温度之间加热这个铁芯，在0.5和48小时之间在所建立的磁场中该铁芯保持在这个温度间隔里然后接着以0.1到5K/min的速率被冷却。
接着这个铁芯被表面钝化、被涂上层、被旋转烧结或在一个槽中被镀膜，给初级或次级绕组装上这个铁芯并且可能被粘在或浇铸在元件保护盒中。
根据预先确定的主电感和直流负载容量在下表1中可以获得利用当前发明可达到的铁芯尺寸或铁芯质量。
  主电感Lhaupt[mH]   直流负载容量Idc，max[mA]     磁芯尺寸[mm3]   磁芯质量[g]
    5.2     100     9.8×6.5×4.5     1.19
    5.2     60     7.4×5.0×3.0     0.45
    5.2     44     7.0×5.0×2.0     0.24
    6.0     80     9.8×6.5×4.5     1.18
    7.0     60     9.8×6.5×4.5     1.18
    10     60     8.2×5.0×4.0     0.84
    10     35     8.0×6.0×2.0     0.28
    13     60     9.0×5.0×4.0     1.12
    13     33     8.0×6.0×2.5     0.35
    26     60     11.0×6.5×5.7     2.24
    26     30     7.5×5.5×4.5     0.58
    50     60     14.0×6.5×5.7     4.37
    50     30     9.6×6.5×4.5     1.12
    80     60     17.0×6.5×5.7     7.01
    80     30     10.1×5.0×4.5     1.73
表1
对于变压器的电感适用于关系式
L＝N2μoμrAfe/lfe               (1)
N＝绕组匝数
μo＝通用的磁导率常数
μr＝材料的磁导率
Afe＝铁芯的铁芯截面
lfe＝铁芯的磁路长度。
如果绕组匝数，磁导率，铁心截面和磁路长度互相调整，由等式(1)清楚的得出，这个必不可少的电感在最小的结构体积时是可以实现的。这个铁芯材料的磁导率值是处在对变压器尽可能紧凑的尺寸起决定性作用的参数值的有利的环形几何周围。对于合适的合金根据实行的横向场热处理μr位于500到5000之间。和μr＝100-400被纵切的铁氧体磁芯相比在某种条件下通过这个挑选出的环形结构本身在最低的μ值500时有较大的体积优势。
在选择铁芯材料时原则性的限制是由于给用户电话机远距离供电的直流电流叠加了用于传送的信息信号而产生的，这个直流电流对于4B3Q变压器典型方式时可以达到Idc＝60mA。这个直流电流产生一个恒场预加负载
           Hdc＝IdcN/lfe             (2)
在这个恒场预加负载下磁导率仅仅允许有非常小的下降。由于这个原因则借助于象在图4的例子中所描述的为UK0变压器研制的不同的非晶形材料的μ(Hdc)特性曲线来实现材料的评价。
这个μ(Hdc)-特性曲线必须有足够的恒定的延伸，以便这个变压器能够符合标准的保持利用回波补偿原理所获得的有效范围。在这里必须以μ(Hdc)-特性曲线为基础的这种区域和形式依赖于传送信号的振幅。
如同图2所表明的那样，4B3Q-频谱的低频部分只显示很少。因此高频有效信号的工作点位置被有较高振幅的低频图象波动所影响的程度很小。代替工作点的低频电路内部的干扰，这个干扰例如是大部分存在于用户电路中的DC-DC换流器的脉冲频率(图1)，这个在μ(Hdc)-特性曲线上的信号工作点位置确定在直流预加负载和其图象波动的旁边。在图5a中描述了由具有不同表面特性的铁芯材料组成的两个4B3Q变压器在低调整时的情况。因为低频的干扰信号的振幅是相对小的，则小区波段的特性对属于小调整的μ(Hdc)-特性曲线的波形有明确的影响。这个小区波段对于非晶形铁芯以实际的水平的方式伸展，只要
■磁带是足够的平滑(图5a中，贯穿的曲线)
■磁带不是在不可控方式下结晶的
■借助于横向场退火产生的横向的各向异性准确的平行于磁芯轴线
■饱和磁致伸缩实际上消失了
■铁芯是无应力缠绕
对此如果提到的条件被不完全的遵守，则由于磁滞效应而在特性曲线(图5a，用虚线画出的曲线)中产生了电位阱，这个电位阱随着理想状态的偏差变得越来越深。工作点的调节由于低频干扰信号而导致用于传送的编码的失真，由此通过回波补偿的干扰出现了位错码。
在图5b中描述了对于2B1Q编码的情况。基于变压器铁芯的重要的大的调节在依照图5a(用虚线所画的曲线)的小区波段内的这个弯曲的过程被查明和失去其意义。相反这个依照图5b特性曲线的对于大调节有效的过程确定了传输特性。制造条件和材料特性的影响在这里在这种所描述的方式里体现在特性曲线的过程里。如果工作点位于图5b其中之一的特性曲线的陡起区域里时则信号传输(40-60kHz)情况根据表面特性通过由低频信号部分产生的图象波动被或多或少的影响了。
用于最后确定变压器有效范围的足够好的位错率，接着被实现，只要
1)被热处理的磁芯或磁带的饱和磁致伸缩λS的数值至少小于0.5×10-6(有利情况时＜0.1×10-6)并且铁芯是无应力缠绕的。
2)这个磁带上边和磁带下边的公共的中等程度的表面粗糙度(根据DIN4726)至少小于磁带厚度的8％，有利的情况下小于2.5％。
3)这个借助于DSC(加热速率10K/min)确定的结晶温度高于410℃，有利的情况下高于430℃。
4)在图5a中的4B3T-编码特性曲线的电位阱通过对准的过调制被逐渐平坦化，这是通过尽可能小的铁芯体积的设置成为可能的。相反对于2B1Q-编码为了减少图5b中特性曲线陡峭区域的影响要尽可能达到大的磁芯体积。
5)在磁场热处理时辐射状杂散场的干扰影响保持尽可能的小。措施例如是在力线方向上构造足够长的铁芯堆，屏蔽外部磁场，避免铁芯堆的轴相对于磁场对称轴的翻转。
6)通过非晶形合金典型的“自由体积”的减少通过热处理的特别运用减小了磁滞以及在高调制时出现的干扰影响。
7)通过减小尽可能高的各向异性的能量Ku来减小磁滞以及对于高调制下出现的干扰影响的作用。
因此根据图4的μ(Hdc)-特性曲线的可利用的恒定工作区域依赖于各向异性场强的大小
              Ha＝Bs/(μo*μr)      (4)在组合中的合金成分必须利用横向场热处理确定如下，一方面饱和电感尽可能高，另一方面磁导率尽可能小。因此根据等式1一个特别小的磁导率必须利用放大绕组匝数N被均衡，在合金选择和热处理时给出了对于较高各向异性场强和足够高的磁导率的让步。
利用依照本发明的合金系统在遵守上述条件时产生带有特殊线性磁滞回线的变压器磁芯，这个磁滞回线具有所有符合规定的特性。铁芯将产生特别优秀的特性，如果合金保持尽可能少的Mn，两种铁磁性成分之一如Ni被加入合金里和/或有一个超过430℃的(利用DSC测量，以10K/min速率加热)结晶温度。
实例：上面提到的要求和合金范围根据合适的热处理通过例如在表2中给出的合金或通过在表3中给出的合金-磁芯组合被满足。
合金[at％] 饱和电感[T] 各向异性场强[A/cm]       饱和磁致伸缩 晶体温度[℃]
淬熄 热处理3-handelt
 Co71.7Fe1.1Mo1Mn4Si13.2B9   0,82     1,5 -12*10-8 -3,5*10-8     480
 Co72.5Fe1.5Mo0.2Mn4Si4.8B17   1,0     3,5 -12*10-8 -4,1*10-8     470
 Co72.8Fe4.7Si5.5B17   0,99     4,8 -32*10-8 -1,6*10-8     500
 Co55.6Fe6.1Mn1.1Si4.3B16.2Ni16.5   0,93     8,0 -110*10-8 +4,2*10-8     432
Tab.2
  Lhaupt[mH]   Idc，max[mA] 合金     铁芯尺寸[mm3]   铁芯质量[g] 匝数
    5.2     80  Co72.8Fe4.7Si5.5B17     9.8×6.5×4.5     1.18     2×62
    5.2     100  Co55.6Fe6.1Mn1.1Si4.3B16.2Ni16.5     9.8×6.5×4.5     1.19     2×78
    5.2     60  Co72.8Fe4.7Si5.5B17     8.2×5.0×3.0     0.63     2×69
    5.2     60  Co55.6Fe6.1Mn1.1Si4.3B16.2N16.5     7.4×5.0×3.0     0.45     2×97
    5.2     37  Co72.8Fe4.7Si5.5B17     7.0×5.0×2.0     0.24     2×101
    5.2     44  Co55.6Fe6.1Mn1.1Si4.3B16.2N16.5     7.0×5.0×2.0     0.24     2×128
    6.0     80  Co72.5Fe1.5Mo0.2Mn4Si4.8B17     9.8×6.5×4.5     1.18     2×60
    6.0     60  Co72.5Fe1.5Mo0.2Mn4Si4.8B17     12.0×6.0×1.5     0.81     2×80
    6.5     60  Co71.7Fe1.1Mo1Mn4Si13.2B9     11.0×6.5×5.3     2.08     2×37
    7.0     60  Co72.8Fe4.7Si5.5B17     9.8×6.5×4.5     1.18     2×74
    10     60  Co72.8Fe4.7Si5.5B17     9.2×5.0×4.0     1.18     2×75
    10     60  Co55.6Fe6.1Mn1.1Si4.3B16.2Ni16.5     8.2×5.0×4.0     0.84     2×104
    10     36  Co72.8Fe4.7Si5.5B17     7.0×5.0×3.5     0.42     2×106
    10     35  Co55.6Fe6.1Mn1.1Si4.3B16.2N16.5     8.0×6.0×2.0     0.28     2×191
    13     60  Co72.8Fe4.7Si5.5B17     10.1×5.0×4.0     1.53     2×80
    13     60  Co55.6Fe6.1Mn1.1Si4.3B16.2Ni16.5     9.0×5.0×4.0     1.12     2×109
    13     34  Co72.8Fe4.7Si5.5B17     7.0×5.0×4.0     0.48     2×113
    13     33  Co55.6Fe6.1Mn1.1Si4.3B16.2Ni16.5     8.0×6.0×2.5     0.35     2×193
    26     60  Co55.6Fe6.1Mn1.1Si4.3B16.2Ni16.5     11.0×6.5×5.7     2.24     2×200
    26     30  Co55.6Fe6.1Mn1.1Si4.3B16.2Ni16.5     7.5×5.5×4.5     0.58     2×206
    50     60  Co55.6Fe6.1Mn1.1Si4.3B16.2Ni16.5     14.0×6.5×5.7     4.37     2×168
    50     30  Co55.6Fe6.1Mn1.1Si4.3B16.2Ni16.5     9.6×6.5×4.5     1.12     2×184
    80     60  Co55.6Fe6.1Mn1.1Si4.3B16.2N16.5     17.0×6.5×5.7     7.01     2×152
    80     30  Co55.6Fe6.1Mn1.1Si4.3B16.2Ni16.5     10.1×5.0×4.5     1.73     2×139
    80     30  Co71.7Fe1.1Mo1Mn4Si13.2B9     20.0×12.5×8.0     9.72     2×110
Tab.3

Claims (9)

1.带有从2到80mH的主电感和很小寄生电容的可预加直流负载的接口变压器对于装有初级和次级绕组的磁芯的数字式传送系统，其特征在于，磁芯由软磁性的，至少70％非晶形的带有平坦的最大线性化BH-环的合金构成，该合金的成分由如下公式给出，
         Coa(Fei-cMnc)bNidMeSixByCz。
2.根据权利要求1的可预加直流负载的接口变压器，其特征在于，下述条件：
40≤a≤82                   0≤e≤5
3≤b≤10                    0≤x≤15
0≤c≤1                     8≤y≤26
0≤d≤30                    0≤z≤3
附加有条件15＜e+x+y+z＜30。
3.根据权利要求1或2的可预加直流负载的接口变压器，其特征在于，含有环形铁芯作为磁芯。
4.根据权利要求3的可预加直流负载的接口变压器，其特征在于，含有环形带状铁芯作为环形铁芯。
5.根据权利要求4的接口变压器，其特征在于，环形带状铁芯没纵切。
6.根据权利要求4或5的可预加直流负载的接口变压器，其特征在于，磁带给出了小于磁带厚度8％的磁带上面和磁带下面的中等程度的粗糙度Ra.
7.用于制造依照权利要求4的可预加直流负载的接口变压器的环形带状磁带的方法采用下面步骤：
a)软磁性的，至少70％非晶形的磁带是借助快速凝固用釉质浇铸而成。
b)磁带是以无应力方式缠绕在环形带状磁芯上；
c)被缠绕的环形带状磁芯被放在与环形带状磁芯的旋转对称轴平行的磁场中且被包在热处理的保护性气氛中。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，在温度处于220℃≤T≤400℃中环形带状磁芯以1到10K/min的速率被加热，对于在热处理时间范围0.5小时≤t≤48小时中时环形带状磁芯被保持在这个温度区域中并且接着以0.1到5K/min的速率再被冷却。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，环形带状磁芯接着被表面钝化和/或被涂层和/或被旋转烧结。
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