DE10056945C2 - Ferritkern mit neuer Bauform, Überträger und Verwendung des Ferritkerns - Google Patents

Description

Ferritkerne finden vielfältige neue Anwendungen in der Tele­ kommunikation und in der Datentechnik. Für Datenübertragungs­ standards, wie beispielsweise xDSL oder ISDN sind spezielle Material-Kern-Kombinationen erforderlich, da die Eigenschaf­ ten von Bauelementen mit Ferritkernen wesentlich sowohl vom Material als auch von der Kernform des Ferritkerns abhängig sind.

Beispielhafte Anwendungen finden Ferritkerne als Breitband- Übertrager für Impedanzanpassungen, als Splitter zur Trennung des Sprach- und Datenkanals (POTS) oder als Signal- Impulsübertrager in digitalen Telekommunikationsnetzen, in denen digitale oder analoge Signale verzerrungsarm übertragen werden. In modernen Endgeräten der Telekommunikation steigt die Anzahl der erforderlichen Bauelemente zusehends. Gleich­ zeitig ist man bestrebt, Baugruppen und Module immer weiter zu verkleinern, um Größe und Gewicht der Endgeräte weiter zu verringern und damit die Handhabbarkeit zu verbessern. Ent­ sprechende Baugruppen und Module weisen daher eine ständig zunehmende Packungsdichte der Bauelemente auf. Zusätzlich ist man bemüht, die Packungsdichte durch Auswahl solcher Bauele­ mente zu erhöhen, die eine geringere Montagefläche auf einer Unterlage, wie beispielsweise einer Platine erfordern. Trotz aller Minimierung der Bauelementabmessungen sollen sich dabei Leistung und Eigenschaften der Bauelemente nicht verschlech­ tern.

Ein vom E-Kern abgeleiteter und als EP-Kern bezeichneter Halbschalenkern ist zum Beispiel aus EP 0 068 745 A1 bekannt.

Aus der EP 0 245 083 A1 ist ein vom EP-Kern abgeleiteter Halbschalenkern bekannt, bei dem der runde Mittelbutzen des EP-Kerns abgeflacht ist und einen ovalen Querschnitt auf­ weist. Er wird für Anwendungen bis 1 kW als Induktivität oder Übertrager vorgeschlagen. Damit kann die Bauhöhe des daraus hergestellten Bauelements gegenüber dem EP-Kern reduziert werden.

Die Standardbauform für xDSL-Übertrager ist gegenwärtig ein EP13-Ferritkern. Dieser weist ein gutes Verhalten bezüglich einer verzerrungsarmen Übertragung auf, insbesondere besitzt ein EP13-Kern einen günstigen Core Distortion Factor. Dieser stellt eine geeignete Größe zur Beurteilung des Verzerrungs­ verhaltens und des Klirrfaktors dar. Um den Flächenbedarf des Ferritkerns zu verringern, können kleinere Kerne als der EP 13 Kern herangezogen werden, insbesondere Standardbauformen wie EP10 und EP7-Kerne. Mit der verringerten Größe weisen diese Kerne aber auch einen kleineren Mittelbutzen auf, der für das Bauelement zu einem wesentlich höheren Core Distorti­ on Factor führt und damit die Performance des Bauelements und dessen Geeignetheit für Datenübertragungen reduziert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine neue Bauform für einen Ferritkern zu finden, welcher bei verrin­ gerter Montagefläche ein ausreichend gutes Verzerrungsverhal­ ten und einen gegenüber einem gleich großen Kern mit Stan­ dardbauform verbesserten Core Distortion Factor aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Ferritkern mit dem Merkmal von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltun­ gen und Verwendungen der Erfindung sind aus den weiteren An­ sprüchen zu entnehmen.

Der erfindungsgemäße Ferritkern ist in seiner Bauform zum Beispiel an die Standardbauform EP angenähert, besteht also aus zwei Kernhälften mit einer Trennfuge vertikal zur Monta­ gefläche/Befestigungsebene und vertikal zur Längsachse. Der erfindungsgemäße Ferritkern stellt wie der EP-Kern eine Zwi­ schenform zwischen einem E-Kern und einem Schalenkern dar. Er weist parallel zur Befestigungsebene und zur Längsachse einen beiderseits von zwei Seitenteilen flankierten Mittelbutzen auf. Ein quer zur Längsachse des Mittelbutzens angeordnetes Endstück verbindet Mittelbutzen und Seitenteile so, daß die Unterflanken von Mittelbutzen und Seitenteilen zur Befesti­ gungsebene weisen. Vorzugsweise sind Unterkanten von Mittel­ butzen und Seitenteilen in einer Ebene parallel zur Befesti­ gungsebene angeordnet.

Der Kern weist eine Symmetrieebene auf, die vertikal zur Be­ festigungsebene steht und die Längsachse umfaßt. Im Unter­ schied zu bekannten EP-Kernen weist der erfindungsgemäße Fer­ ritkern einen waagrechten zur Befestigungsebene parallelen Mittelbutzen mit ovalem Querschnitt auf, dessen längste Aus­ dehnung vertikal zur Befestigungsebene steht.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung folgen die nach innen weisenden Flächen der Seitenteile dem ovalen Quer­ schnitt des Mittelbutzens in weitgehend konstantem Abstand und bilden einen Hohlraum zur Aufnahme eines Wickelkörpers. Dieser Hohlraum ist nicht vollständig geschlossen, nach unten zur Befestigungsebene hin weit geöffnet und nach oben hin entweder nicht vollständig oder vollständig geschlossen.

Der erfindungsgemäße Ferritkern weist gegenüber einer ver­ gleichbaren Standardbauform mit der gleichen Montagefläche eine verbesserte Performance auf. Dies bedeutet, daß ein er­ findungsgemäßer Ferritkern einen Ferritkern mit größerer Mon­ tagefläche mit nur geringen Verlusten bei nahezu gleichblei­ benden Eigenschaften ersetzen kann. Mit einem erfindungsgemä­ ßen Ferritkern können daher Bauelemente produziert werden, die eine höhere Packungsdichte erlauben.

In seinen Außenabmessungen kann der erfindungsgemäße Ferrit­ kern wie ein Standard-EP-Kern ausgebildet sein und eine rechteckige Grundfläche parallel zur Befestigungsebene auf­ weisen. Der Hohlraum zwischen Mittelbutzen und Seitenteilen, der zur Aufnahme eines Spulenkörpers mit zumindest einer Wicklung dient, wird durch die Seitenteile teilweise abge­ schirmt. Die Seitenteile weisen daher eine größere Höhe über der Befestigungsebene auf als der Mittelbutzen. Der von den Seitenteilen gebildete Hohlraum ist vorzugsweise nach oben hin nicht vollständig geschlossen und weist nach unten zur Befestigungsebene hin eine maximale Öffnung auf, die dem ma­ ximalen Durchmesser des Hohlraums entspricht.

Vorteile werden mit einem erfindungsgemäßen Ferritkern be­ reits dann erzielt, wenn der Querschnitt des Mittelbutzens eine größere Höhen- als Breitenabmessung aufweist. Vorzugs­ weise entspricht der längste Durchmesser des ovalen Quer­ schnitts, welcher vertikal zur Befestigungsebene ausgerichtet ist, zumindest dem 1,2-fachen des kürzesten parallel zur Be­ festigungsebene gemessenen Durchmessers. Erfindungsgemäße Ferritkerne können einen Mittelbutzen aufweisen, dessen Quer­ schnitt Hauptachsen beziehungsweise Durchmesser aufweist, die sich bis zum Faktor 5 unterscheiden.

Ein erfindungsgemäßer Ferritkern weist einen geschlossenen magnetischen Kreis auf, ist aber zur Erleichterung der Monta­ ge des Spulenkörpers beziehungsweise der Wicklung zweigeteilt bzw. aus zwei Kernhälften ausgebildet, die entlang einer Trennfuge zum Gesamtkern zusammengefügt werden. Der vollstän­ dige Ferritkern besteht dabei bevorzugt aus zwei spiegelbild­ lichen Hälften, deren Symmetrieebene vertikal zur Befesti­ gungsebene und vertikal zur Längsachse steht. Möglich ist es jedoch auch, den Ferritkern so zu teilen, daß Mittelbutzen und Seitenteile vollständig einer Kernhälfte zugehören, wäh­ rend die zweite "Kernhälfte" nur noch aus einem weiteren End­ stück besteht, welches die freien Enden von Mittelbutzen und Seitenteilen miteinander verbindet. Möglich ist es jedoch auch, die Trennfuge des erfindungsgemäßen Ferritkerns an be­ liebiger Stelle quer zur Längsachse vorzusehen, wobei unter­ schiedlich große Kernhälften entstehen.

Zur Herstellung eines Übertragers aus dem erfindungsgemäßen Ferritkern wird über den Mittelbutzen ein Spulenkörper mit vorzugsweise zwei Wicklungen geschoben und der magnetische Kreis durch Aneinanderfügen der beiden Kernhälften geschlos­ sen. Der Spulenkörper kann zusätzlich Befestigungs- und Kon­ taktierungsstifte aufweisen, die zum Anschluß der Wicklungs­ enden und zum Herstellen des elektrischen Kontakts mit der Leiterplatte oder dem Modulsubstrat dienen können. Den Zusam­ menhalt der Kernhälften können Halterungsteile garantieren, beispielsweise Bügel, Klammern oder Abdeckkappen.

Der Kern kann mit und ohne Luftspalt am Mittelbutzen vorgese­ hen werden und aus unterschiedlichen Ferritmaterialien herge­ stellt sein. Für Signalübertragungen besonders bevorzugt sind die aus dem EPCOS Datenbuch bekannten Ferritmaterialien T38, T42, N26 und T55.

Die Anwendung erfindungsgemäßer Ferritkerne ist jedoch nicht auf Signalübertragung beschränkt. Sie können auch als Lei­ stungsübertrager eingesetzt werden und zeichnen sich auch da­ durch ihre gute Performance bei verbesserter beziehungsweise verringerter Montagefläche aus.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Ferritkern im schema­ tischen Aufriß

Fig. 2 zeigt erfindungsgemäße Ferritkerne im schematischen Querschnitt

Fig. 3 zeigt einen Ferritkern in der Draufsicht von oben

Fig. 4 zeigt einen Ferritkern mit dazugehörigem Spulenkör­ per.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Ferritkern, bei dem ein Mittelbutzen MB und zwei Seitenteile parallel zu einer Längs­ achse L ausgerichtet sind. Quer zur Längsachse ist ein End­ stück ES angeordnet, welches die Seitenteile S, S' und den Mittelbutzen MB verbindet. Der gesamte Kern ist spiegelsymme­ trisch zu einer Spiegelebene SE ausgebildet, die durch die Mitte des Mittelbutzens verläuft, die Längsachse L enthält und quer zur Befestigungsebene steht. Die Unterkanten von Seitenteilen S, S' und Mittelbutzen MB liegen auf einer Ebene parallel zur Befestigungsebene BE. Der Mittelbutzen MB weist einen ovalen Querschnitt auf, dessen längste Ausdehnung ver­ tikal zur Befestigungsebene BE ausgerichtet ist. Die Höhe der Seitenteile S und des Mittelbutzens MB ist im dargestellten Ausführungsbeispiel gleichgewählt, ist aber für erfindungsge­ mäße Kerne keine Voraussetzung.

Fig. 2 zeigt weitere Ausführungsformen erfindungsgemäßer Kerne im schematischen Querschnitt quer zur Längsachse L. Fig. 2a zeigt eine Ausführung, bei der die Höhe HK der Seiten­ teile S, S' größer ist als die Höhe HB des Mittelbutzens. Im Unterschied zu dem in Fig. 1 dargestellten einfachsten Aus­ führungsbeispiel sind hier die zum Mittelbutzen weisenden Seitenflächen SF der Seitenteile S, S' gekrümmt und folgen mit entsprechend verlängertem Krümmungsradius der Krümmung des Mittelbutzens MB. Dementsprechend schließen die Seiten­ teile S, S' einen Hohlraum ein, dessen Innenflächen der Ober­ fläche des Mittelbutzens folgt und dementsprechend auch annä­ hernd oval gestaltet ist. Der durch die Seitenteile gebildete Hohlraum mit halbovalem Querschnitt ist jedoch in Fig. 2a oben nicht ganz geschlossen und weist zur Befestigungsebene BE hin eine maximale Öffnung auf. Das Verhältnis HB zu BB, also das Verhältnis von der Höhe des Mittelbutzens zur Breite des Mittelbutzens liegt bei erfindungsgemäßen Ferritkernen zwischen 1, 2 und 4.

Fig. 2b zeigt einen Ferritkern im schematischen Querschnitt, welcher im Vergleich zur Fig. 2a ein höheres Verhältnis HB zu BB aufweist. Außerdem sind die beiden Seitenteile S nach oben so verlängert, so daß der von den Seitenteilen über dem Mittelbutzen eingeschlossene Hohlraum nach oben geschlossen ist.

Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Ferritkern in der Draufsicht. Ein vollständiger Ferritkern weist einen ge­ schlossenen magnetischen Kreis auf, wozu erfindungsgemäß zwei Kernhälften erforderlich sind. In der Fig. 3 sind zwei iden­ tische Kernhälften entlang einer Trennfuge TF so zu einem Ge­ samtkern vereinigt, daß dieser neben der bereits genannten Spiegelebene SE entlang der Längsachse L eine weitere Spiege­ lebene parallel zur Trennfuge TF aufweist. Der in der Drauf­ sicht dargestellte Kern entspricht dem in Fig. 2a darge­ stellten Kern, bei dem die Breite des Mittelbutzens MB (in der Figur strichpunktiert dargestellt) größer ist als die nach oben weisende Öffnung der beiden Seitenteile S, S'. Ne­ ben der dargestellten symmetrischen Teilung der beiden Kern­ hälften ist es möglich, den magnetischen Fluß innerhalb einer der dargestellten Kernhälften nicht durch eine identische zweite Kernhälfte sondern durch ein entsprechendes weiteres Endstück ES zu schließen. Möglich sind natürlich auch alle anderen unsymmetrischen Teilungen, bei der die beiden "Kern­ hälften" unterschiedlich lange Seitenteile S und Mittelbutzen MB aufweisen. Aus Symmetriegründen ist jedoch die in Fig. 3 dargestellte symmetrische Teilung bevorzugt.

Fig. 4 zeigt den entsprechenden Kern im schematischen Auf­ riß. Getrennt vom Ferritkern ist ein Spulenkörper SK darge­ stellt, der über den Mittelbutzen geschoben wird und zur Auf­ nahme einer Wicklung dient. Der Spulenkörper SK weist dazu eine den Querschnitt des Mittelbutzens entsprechende Öffnung OF auf. Am unteren Ende besitzt der Spulenkörper Flansche F, in denen Anschlußstifte AS befestigt sind. Die Anschlußstifte AS dienen zum Anschluß der auf dem Spulenkörper SK angeordne­ ten Wicklungen und zur Befestigung der aus Spulenkörper, Wicklung und Ferritkern bestehenden Gesamtanordnung, bei­ spielsweise einem Übertrager.

Im folgenden wird nun zur Abschätzung des Verzerrungsverhal­ ten eines erfindungsgemäß gemäß Fig. 4 ausgebildeten Ferrit­ kerns der geometriebezogene Core Distortion Factor berechnet und mit den entsprechenden Werten der bekannten Standard­ bauformen EP10 und EP13 verglichen. Es wird ein Ferritkern mit den Außenabmessungen der Standardbauform EP10 herge­ stellt, der den erfindungsgemäßen ovalen Mittelbutzen auf­ weist. In der Tabelle sind die Kennwerte des erfindungsgemä­ ßen EPX10-Kern genannten Ferritkerns den Werten der ver­ gleichbaren Standardbauform EP10 sowie den Werten der nächst­ größeren Standardbauform EP13 gegenübergestellt.

In der Tabelle stehen a und b für außen gemessene Breite und Höhe des Ferritkerns, h1 für die Länge, V_Einbau für das Außen­ volumen, l_e für die effektive magnetische Weglänge des Fer­ ritkerns, A_e für den effektiven magnetischen Querschnitt des Ferritkerns, l_N für die mittlere Wicklungslänge des Spulen­ körpers und A_N für den Wickelquerschnitt des Spulenkörpers. Der Core Distortion Factor CDF berechnet sich nach einer bei­ spielsweise auf der MMPA User Conference, Chicago, September 1997 vorgestellten Methode nach

Es zeigt sich, daß der erfindungsgemäße EPX10-Kern bei glei­ chen Außenabmessungen wie ein EP10-Kern dennoch ein wesent­ lich verbessertes magnetisches Verhalten und insbesondere ei­ nen wesentlich von 0,506 auf 0,333 verbesserten Core Distor­ tion Factor zeigt. Der niedrige CDF des EPX10-Kerns liegt da­ mit in der Nähe der nächst größeren Standardbauform EP13. Da­ mit ist klar, daß sich mit der Erfindung bei gleichbleibenden magnetischen Werten die Bauform und insbesondere die benötig­ te Montagefläche reduzieren läßt, beziehungsweise daß bei gleichbleibender Baugröße und insbesondere gleichbleibender Montagefläche die magnetischen Werte eines Ferritkerns we­ sentlich verbessert werden können. Dies erlaubt höhere Inte­ grationsdichten auf Modulen und Leiterplatten, die mit erfin­ dungsgemäßen Ferritkernen beziehungsweise den daraus herge­ stellten Bauelementen wie übertragen bestückt sind.

Obwohl die Erfindung nur anhand einiger repräsentativer Aus­ führungsbeispiele dargestellt werden konnte, liegt es auch im Rahmen der Erfindung, die Kernform noch anderweitig zu vari­ ieren, ohne vom erfindungsgemäßen Gedanken abzuweichen. Ins­ besondere ist der Außenform des Ferritkerns, also der Form der Seitenteile keine Begrenzung gesetzt. Die dargestellte kubische Außenform hat jedoch den Vorteil, daß sie bei gege­ benen Außenvolumen zu Ferritkernen mit dem besten magneti­ schen Verhalten führt. Die kubische Außenabmessung erfin­ dungsgemäßer Ferritkerne ist auch bezüglich der Platzoptimie­ rung beim Einbau bevorzugt, da sie die kompakteste Bauform darstellt.

Claims (11)

1. Ferritkern für einen verzerrungsarmen Übertrager mit den Merkmalen:
zwei Seitenteile (S, S') flankieren beidseits in symmetri­ scher Anordnung einen waagrechten Mittelbutzen (MB), sind bei einem Ferritkern ohne Luftspalt von gleicher Länge wie der Mittelbutzen oder unterscheiden sich bei einem Ferrit­ kern mit Luftspalt um dessen Breite von der Länge vom Mit­ telbutzen, und erstrecken sich mit jeweils konstantem Querschnitt entlang der Längsachse (L) des Ferritkerns (FK),
ein quer zur Längsachse angeordnetes Endstück (ES) verbin­ det Mittelbutzen und Seitenteile, wobei der Kern unten ei­ ne Öffnung aufweist und die Unterkanten von Mittelbutzen und Seitenteilen zu einer späteren Befestigungsebene (BE) weisen,
der Mittelbutzen hat einen ovalen Querschnitt ohne Kanten oder Ecken, der seine längste Ausdehnung vertikal zur Be­ festigungsebene aufweist,
der Kern ist symmetrisch aufgebaut bezüglich einer die Längsachse enthaltenden und vertikal zur Befestigungsebene stehenden Spiegelebene (SE)
die nach innen weisenden Flächen (SF) der Seitenteile (S, S') folgen in weitgehend konstantem Abstand dem ovalen Querschnitt des Mittelbutzens (MB) ohne ihn ganz zu um­ schließen und bilden zur Aufnahme eines Wickelkörpers (SK)einen Hohlraum, der nach unten zur Befestigungsebene (BE) hin weit geöffnet ist und nach oben hin nicht voll­ ständig oder vollständig geschlossen ist.

2. Ferritkern nach Anspruch 1, bei dem die nach innen weisenden Flächen (SF) der Seiten­ teile (S, S') in weitgehend konstantem Abstand dem ovalen Querschnitt des Mittelbutzens (MB) folgen und einen Hohl­ raum zur Aufnahme eines Wickelkörpers (SK) bilden.

3. Ferritkern nach Anspruch 1 oder 2, bei dem bei dem die Seitenteile (S, S') über der Befesti­ gungsebene (BE) eine größere Höhe aufweisen als der Mit­ telbutzen (MB).

4. Ferritkern nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der von den Seitenteile (S, S') gebildete Hohl­ raum zur Aufnahme des Wickelkörpers (SK) nach unten zur Befestigungsebene (BE) hin eine maximale Öffnung aufweist und nach oben weitgehend oder vollständig geschlossen ist.

5. Ferritkern nach Anspruch 1, ausgebildet als EP-Kern, mit einem rechteckigen Umfang parallel zur Befestigungsebene (BE) und kubischen Außen­ abmessungen.

6. Ferritkern nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der längste Durchmesser des ovalen Querschnitts des Mittelbutzens (MB) etwa den 1,2 bis 5,0-fachen des kürzesten Durchmessers entspricht.

7. Ferritkern nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der symmetrisch aufgebaut ist bezüglich einer Spiegelebe­ ne, die vertikal zur Befestigungsebene und vertikal zur Längsachse steht.

8. Übertrager mit einem Ferritkern nach einem der Ansprüche 1-7, bei dem der magnetische Kreis im Kern mit Hilfe zweier, gleich oder ähnlich aufgebauter Kernhälften oder eines zweiten Endstücks geschlossen ist und bei dem über dem Mittelbutzen ein Spulenkörper (SK) mit zumindest ei­ ner Wicklung angeordnet ist.

9. Verwendung eines Ferritkerns nach einem der vorangehenden Ansprüche in einem Übertrager zur Signalübertagung.

10. Verwendung eines Ferritkerns nach einem der vorangehenden Ansprüche für eine xDSL Anwendung als Übertrager zur Im­ pedanzanpassung und zur Isolation.

11. Verwendung eines Ferritkerns nach einem der vorangehenden Ansprüche mit den Außenmaßen eines EP 10 Kerns an Stelle eines herkömmlichen EP 13 Kerns.