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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein induktives Koppelelement und
ein Verfahren zum Herstellen eines induktiven Koppelelements.
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Sehr
häufig
werden in der Elektronik Übertrager
oder Transformatoren benötigt.
Von Übertragern spricht
man, wenn vorrangig Signale (Informationen) zu übertragen sind, von Transformatoren,
wenn die Energieübertragung
im Vordergrund steht. Als gemeinsamer Oberbegriff sei im folgenden
auch der Begriff des induktiven Koppelelements verwendet. Die wichtigste
Aufgabe liegt – neben
einer eventuellen Spannungstransformation oder Energiespeicherfunktion – in der
galvanischen Trennung der gekoppelten Stromkreise. Daher werden
induktive Koppelelemente besonders für sicherheitsrelevante Aufgaben
eingesetzt, zum Beispiel zum Schutz des Anwenders einer elektrischen
Schaltung vor berührungsgefährlichen
Spannungen.
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Typische
Beispiele für
den Einsatz von Übertragern
und Transformatoren in der Elektronik sind Spannungswandler (DC/DC-Wandler),
Ansteuerschaltungen für
Leistungshalbleiter (zum Beispiel IGBT/MOSFET-Treiber) oder die
galvanisch isolierende Kopplung von Datenübertragungsstrecken. In vielen Systemen
gehören
die Übertrager
und Transformatoren zu den voluminösesten, schwersten und teuersten
Bauelementen. Ein wichtiges Ziel ist es daher, diese Komponenten
kleiner, mechanisch robuster und kostengünstiger fertigbar zu machen.
Im Idealfall wäre
das induktive Koppelelement ohne Spezialprozesse direkt in den Schaltungsträger (zum
Beispiel eine Leiterplatte) integriert.
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Nach
dem Stand der Technik gibt es Übertrager/Transformatoren
in den unterschiedlichsten Ausführungen
für den
Ein satz in den elektrischen Schaltungen. Diese Bauformen lassen
sich grob in folgende Kategorien einteilen:
- Kategorie
1: klassische Wickelgüter
in bedrahteter oder SMD Ausführung.
In diese Kategorie kann man auch sogenannte „Integrated Inductive Components" (IICs) einordnen.
- Kategorie 2a: induktive Koppelelemente mit auf einem Schaltungsträger aufgebrachten
Wicklungen und einem diskreten Magnetkernsatz
- Kategorie 2b: induktive Koppelelemente mit auf einem Schaltungsträger aufgebrachten
Wicklungen und einem in die Leiterplatte integrierten magnetischen
Material zur Flussführung.
- Kategorie 3: magnetkern-lose induktive Koppelelemente auf Schaltungsträgerbasis.
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Zur
Kategorie 1 zählen
alle klassischen Wickelgüter
mit auf einem Wickelkern aufgebrachten Draht-, Litzen-, Blech- oder
Folien-Wicklungen. Diese Bauform ist herstellungstechnisch besonders
aufwändig,
da zunächst
ein Wickelkörper
bewickelt werden muss, die Wicklungsenden dann abzuisolieren und
auf Anschlüsse
zu kontaktieren sind und zuletzt der Magnetkern angebracht werden
muss. In Sonderfällen
bildet der Magnetkern direkt den Wickelkörper. Die Herstellung des Bauelements
erfolgt auf einer eigenen Produktionslinie, völlig unabhängig von der Herstellung der
Zielanwendung. Das fertig konfektionierte Bauelement wird als diskretes
Bauelement in eine Schaltung eingesetzt, und muss dabei im allgemeinen
nochmals kontaktiert sowie mechanisch befestigt bzw. gesichert werden.
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Wickelgüter nach
Kategorie 2a vermeiden die aufwändige
Herstellung und Kontaktierung einer Drahtwicklung durch die Realisierung
der Wicklungen in Form von Leiterbahnen auf einem ein- oder mehrlagigen
Schaltungsträger.
Der Magnet kern – im allgemeinen
in den Bauformen EE, EI oder RM – wird um den mit geeigneten
Durchbrüchen
im Bereich der Wicklung versehenen Schaltungsträger geklappt. Zur mechanischen
Fixierung müssen
die Kernhälften verschweißt, verklebt
oder mit Federelementen verspannt werden.
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Induktive
Bauelemente der Kategorie 2b haben eine planar bedruckte Wicklung
wie Elemente nach 2a, jedoch ist das zur Flussführung dienende Magnetmaterial
in die Leiterplatte integriert. Dies erfordert jedoch eine aufwändige, zu
Standard-Leiterplattenherstellungsprozessen nicht kompatible Herstellungstechnologie.
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Bei
hohen Frequenzen werden nach dem Stand der Technik auch kernlose
Transformatoren (coreless transformer) eingesetzt (Kategorie 3). Nachteil
dieser Bauform ist das große
magnetische Streufeld, das zu EMV-Problemen führen kann. Darüber hinaus
macht das raumgreifende Streufeld dieser Anordnung empfindlich gegen
in der Nähe
befindliche metallische Strukturen. Ein Anbringen elektronischer
Bauelemente im Feldbereich der Wicklung ist damit nicht möglich, so
dass die entsprechende Fläche
für eine
weitere Integration verloren ist.
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Aus
der
EP 1 257 156 A2 ist
bereits ein induktives Koppelelement mit einer gestapelten Struktur
bekannt, welche eine erste und eine zweite Übertragerseite aufweist. Die
gestapelte Struktur hat in Stapelrichtung folgende Merkmale: einen
flexiblen Magnetkern, eine flexible Folie, auf der ein Controller, ein
Halbleiterschalter und eine daran angeschlossene erste Übertragerseite
angeordnet ist. Eine weitere Folie, auf der eine erste Windung der
ersten Übertragerseite
angeordnet ist, eine zusätzliche
Folie, auf der eine zweite Windung der zweiten Übertragerseite angeordnet ist,
wobei die beiden Windungen elektrisch voneinander isoliert sind,
ein weiterer flexibler Magnetkern und entsprechende elektrische
Verbindungen mit der ersten Windung.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein induktives Koppelelement
und ein Verfahren zum Herstellen eines induktiven Koppelelementes
zu schaffen, das in einem Schaltungsträger einfach zu realisieren
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren
gemäß Anspruch
17 gelöst.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, für ein induktives
Koppelelement auf einer Basisleiterplatte verschiedene Abschnitte
für eine
erste und zweite Übertragerseite
auszubilden, welche nach Bestückung
zusammengefaltet werden können.
Damit lässt
sich ein Standard-ferti gungsverfahren
für die
Herstellung des erfindungsgemäßen induktiven
Koppelelements besonders vorteilhaft verwenden.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die
beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1a eine
perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen induktiven
Koppelelements;
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1b ein
Detail des Ausführungsbeispiels gemäß 1a;
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2 eine
Schnittdarstellung des ersten Ausführungsbeispiels zur Verdeutlichung
seines Lagenaufbaus;
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3 Mögliche Windungsformen,
die bei dem erfindungsgemäßen induktiven
Koppelelement einsetzbar sind;
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4a–4d Darstellungen
zur Verdeutlichung aufeinander folgender Verfahrensschritte bei der
Herstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen induktiven
Koppelelements;
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5a,5b Darstellungen
zur Verdeutlichung des Herstellungsverfahrens eines dritten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen induktiven
Koppelelements;
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6 ein
viertes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen induktiven
Koppelelements; und
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7 ein
fünftes
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen induktiven
Koppelelements.
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Das
in 1a, 1b und 2 gezeigte erste
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Koppelelements
in Form eines Übertragers
ist in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet.
Der Übertrager 10 weist
eine gestapelte Struktur auf und umfasst, wie dies besonders durch 2 verdeutlicht
wird, in seiner Stapelrichtung von oben nach unten einen ersten
Schaltungsträger 12 auf,
auf dem erste Bauelemente 14 der ersten Übertragerseite
angeordnet sind; eine erste magnetisch flussführende Schicht 16;
einen zweiten Schaltungsträger 18 für primäre Windungen
(hier nicht dargestellt); eine elektrische Isolationsschicht 20;
einen dritten Schaltungsträger 20 (für hier nicht
dargestellte sekundäre Windungen);
eine zweite magnetisch flussführende Schicht 24;
und einen vierten Schaltungsträger 26 für zweite
Bauelemente 28 der zweiten Übertragerseite.
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Wie
in der perspektivischen Darstellung der 1a zu
erkennen ist, sind erste elektrische Verbindungsleitungen 30 zur
Verbindung der primären
Windungen (nicht dargestellt) mit den ersten Bauelementen 14 auf
dem ersten Schaltungsträger 12 und
ferner zweite elektrische Verbindungsleitungen 32 zur elektrischen
Verbindung der sekundären
Windungen (nicht dargestellt) mit den zweiten elektrischen Bauelementen 28 auf
dem vierten Schaltungsträger 26 vorgesehen.
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Die
Schaltungsträger 12, 18, 22 und 26 können ein-
oder mehrlagig ausgeführt
sein und tragen die primärseitigen
und sekundärseitigen
Wicklungen (in den 1 und 2 nicht
dargestellt). Wie dies in 3 verdeutlicht
ist, können
die Wicklungen als ein- oder mehrlagige Spiralspulen mit runder
Windungsform 34, rechteckiger Windungsform 36,
quadratischer Windungsform oder einer beliebig anderen Windungsform
ausgeführt
sein.
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Die
magnetisch flussführenden
Schichten 16, 24 bestehen aus einem Material mit
einer relativen Permeabilität
von μr >> 1, und dienen zur
Führung
des magnetischen Flusses. Damit wird das von den Wicklungen erzeugte
magnetische Feld nach außen
abgeschirmt. Abhängig
von der relativen Permeabilität
des verwendeten Materials und der Betriebsfrequenz wird die Dicke
der magnetisch flussführenden
Schichten 16, 24 vorteilhaft so gewählt, dass
im Bereich des ersten und vierten Schaltungsträgers 12, 26 nur
noch vernachlässigbare
magnetische Feldstärken
auftreten. Damit kann die gesamte Fläche des ersten und vierten
Schaltungsträgers 12, 26 für den Aufbau
elektronischer Schaltungen genutzt werden. Ein Freihalten der Flächen direkt
oberhalb bzw. unterhalb des induktiven Koppelelementes ist nicht erforderlich.
Für die
Realisierung der magnetisch flussführenden Schichten 16, 24 eignen
sich vorteilhaft mit Ferritmaterial gefüllte Kunststofffolien (Ferritpolymer
Composed Materials, FPC-Folien), wie beispielsweise die unter der
Bezeichnung C350 von der Firma Epcos erhältliche Folie.
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Der
zweite Schaltungsträger 18 sowie
der dritte Schaltungsträger 22,
die jeweils die Wicklungen tragen, sowie die dazwischenliegende
elektrische Isolationsschicht 20 können gemeinsam mit einem mit
weichmagnetischem Material gefüllten Kunststoff
umspritzt werden.
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Die
elektrische Isolationsschicht 20 dient zur elektrischen
Isolation zwischen der primärseitigen und
der sekundärseitigen
Wicklung. Die Isolationsschicht 20 kann vorteilhaft als
Folie ausgeführt
sein. Ebenfalls kann sie durch Spritzgießen, Lackieren, Tauchen oder ähnliche
Beschichtungsprozesse hergestellt sein. Bei sehr hohen Anforderungen
an die Spannungs- und Teilentladungsfestigkeit ist auch der Einsatz
keramischer Schichten oder Platten zur Realisierung der elektrischen
Isolationsschicht 20 sinnvoll. Die elektrische Isolationsschicht 20 besteht
vorteilhaft aus einem besonders homogenen Material mit guten dielektrischen
Eigenschaften. Im Falle einer Herstellung durch Spritzgießen ist
ein zweiphasiges Verfahren vorteilhaft, welches in der ersten Phase
die Isolationsschicht 20 und in der zweiten Phase die magnetisch
wirksame Umhüllung
erzeugt. Die Dicke der Isolationsschicht 20 kann gemäß den Anforderungen
an die elektrische Isolationsfestigkeit der induktiven Koppelstrecke
angepasst werden. Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform ist die Integration
der Isolationsschicht 20 in einen der beiden die Wicklung
tragenden Schaltungsträger 18, 22. Diese
Integration kann beispielsweise auch durch Ausführen der zweiten und dritten
Schaltungsträger 18, 22 in
Form mehrlagiger Leiterplatten realisiert werden, wobei die direkt
dem anderen Schaltungsträger 18, 22 benachbarte
Lage nicht mit einer Wicklung belegt ist.
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Ein
wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass eine
vollständige
Realisierung des induktiven Koppelelementes mit Standardprozessen
der Leiterplattenherstellung und der Bauteilebestückung möglich ist.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 4a bis 4d ein
erfindungsgemäßes Verfahren zur
Herstellung einer elektronischen Schaltung mit einem induktiven
Koppelelement mit zwei unabhängigen
integrierten induktiven Koppelstrecken dargestellt.
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Zur
Verkürzung
der Beschreibung werden diejenigen Elemente des in den 4a bis 4d gezeigten
zweiten Ausführungsbeispiels,
die den Elementen des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 1a, 1b und 2 entsprechen,
mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Bei
einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, der durch 4a wiedergegeben ist,
befinden sich die vier Schaltungsträger 12, 18, 22 und 26 in
einem Bestückungsrahmen 40.
Bei Fertigung aller vier Schaltungsträger 12, 18, 22, 26 auf
einem gemeinsamen Nutzen kann der Bestückungsrahmen 40 auch
in Form von durch Ausfräsungen oder
Stanzungen erzeugten Stegen realisiert werden, die in einer gemeinsamen
Schaltungsträgerschicht
erzeugt werden, wobei die Stege 42 die vier Schaltungsträger 12, 18, 22, 26 zunächst noch
zueinander fixieren.
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Gemäß einem
bevorzugten Aspekt werden die Schaltungsträger 12, 18, 22, 26 in
einem SMT-Bestückungsprozess
einseitig mit den Bauelementen 14, 28 bestückt und
verlötet,
wobei auch die flexiblen ersten und zweiten elektrischen Verbindungsleitungen 30, 32,
die als mechanische Scharniere und als elektrische Verbindungen
zu den auf den zweiten und dritten Schaltungsträgern 18, 22 befindlichen
Wicklungen 44, 46, dienen mit aufgebracht werden.
Ebenso werden flexible Verbindungselemente 48, die lediglich
als mechanische Scharniere dienen, aufgebracht. Die jeweiligen ersten
und zweiten Verbindungsleitungen 30, 32 bzw. Verbindungselemente 48 bestehen
in vorteilhafter Weise aus SMT-prozesskompatiblen,
dünnen
Kupferblechstreifen, Drahtbügeln,
Litzen oder dergleichen. Alternativ zum Verlöten der ersten und zweiten
Bauelemente 14, 28 und der Verbindungsleitungen 30, 32 bzw.
Verbindungselemente 48 ist auch Leitkleben bzw. für den Fall
des Anbringens der Verbindungselemente 48 auch klassisches
Kleben möglich.
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Nach
dem Entfernen des Bestückungsrahmens 40 (4b)
kann die Anordnung unter Dazwischenlegen einer die erste Isolationsschicht 20 bildenden
Isolationsfolie sowie zweier die erste und zweite magnetisch flussführende Schicht 16, 24 bildenden
magnetischen Folien zusammengefaltet werden, wie dies in 4c verdeutlicht
ist.
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4c zeigt
eine lineare Faltung als eine der möglichen Faltungsmethoden zur
Realisierung der gewünschten
Struktur. Erfindungsgemäß sind auch andere
Faltungsvarianten, wie beispielsweise die Zick-Zack-Faltung, bei
der die erste und zweite elektrische Verbindungsleitung 30, 32 abwechselnd
an jeweils um 90 Grad versetzten Seiten der Schaltungsträger angeordnet
sind, möglich.
Vorteilhaft wird die Faltung so gewählt, dass im entfalteten Zustand,
der in 4a dargestellt ist, ein Bestücken des
ersten und vierten Schaltungsträgers 12, 26 auf der
gleichen Seite, d.h. ohne Wenden der Anordnung, möglich ist.
Nach Durchführung
der Faltung entsteht, wie dies in 4d gezeigt
ist, ein hoch kompakter Aufbau mit integrierter induktiver Koppelstrecke,
ohne dass für
die Herstellung des so gebildeten induktiven Koppelelementes irgendwelche
Sonderprozesse erforderlich wären.
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Kommt
bei der Herstellung ein Spritzgießprozess mit zum Einsatz, wie
beispielsweise für
die Herstellung der Isolationsschicht 20 und/oder der magnetisch
flussführenden
Schichten 16, 26, so können erfindungsgemäß mit diesem
Prozess auch die lediglich als mechanische Scharniere dienenden
Verbindungselemente 48 mit hergestellt werden.
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Bei
den nachfolgend wiederum unter Bezugnahme auf die 5a, 5b, 6 und 7 zu beschreibenden
dritten, vierten und fünften
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden wiederum für Elemente, die mit den Elementen
der ersten und zweiten Ausführungsform übereinstimmen, gleiche
Bezugszeichen verwendet, um eine erneute Beschreibung dieser Elemente
zu vermeiden.
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Die
Strukturen der 5a, 6 und 7 sind
aus Gründen
der Übersichtlichkeit
schematisiert und auseinander gezogen dargestellt. In 5b ist die
reale Form der zusammengelegten Struktur angedeutet.
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Anstelle
der bei den ersten und zweiten Ausführungsformen verwendeten starren
Schaltungsträgern 12, 18, 22 und 26 sind
die dritten, vierten und fünften
Ausführungsformen
mit einem Flexleiter realisiert. Hierbei handelt es sich um eine
beispielsweise mit Kupfer einseitig oder beidseitig beschichtete, temperaturstabile
Trägerfolie,
die beispielsweise aus Kapton bestehen kann. Die Kupferschicht kann
wie bei einer Leiterplatte strukturiert und mit elektronischen Bauelementen 14, 28 bestückt werden.
Mit einem entsprechenden Layout lassen sich auf einem Stück Folienleiter 50 sowohl
die Verdrahtungsstrukturen für
die Bauelemente 14, 28 als auch die Wicklungen 44, 46 und
die elektrischen Verbindungen 30, 32 zwischen
den Bauelementen 14, 28 und den Wicklungen 44, 46 realisieren.
Durch Zusammenfalten und Dazwischenlegen von die magnetisch flussführenden
Schichten 16, 24 bildenden magnetischen Folien
sowie einer die Isolationsschicht 20 bildenden Isolationsfolie
entstehen auf einfache Weise eine hochkompakte Einheit mit integrierter
induktiver Koppelstruktur. Die hervorragenden Isolationseigenschaften
von Flexleiterfolien lassen sich bei einer Faltung nach den 6 und 7 auch
direkt für
die Isolation zwischen der Primär-
und der Sekundärseite
nutzen, wodurch das Einlegen einer elektrischen Isolationsschicht 20 entfällt. Nachteil
der einfachen Faltung gemäß 6 ist
die Notwendigkeit einer beidseitigen Bestückung. Dies lässt sich
beispielsweise durch eine doppelte Faltung im Bereich der Isolationsschicht,
wie in 7 dargestellt, umgehen.
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Weitere
erfindungsgemäße Ausführungsformen
(nicht dargestellt) lassen sich mit sogenannten Starr-Flex-Leiterplatten realisieren.
Hierbei handelt es sich um klassische starre Leiterplatten, beispielsweise
auf FR4-Basis, die im Bereich von Knicklinien durch entsprechende
herstellungstechnische Maßnahmen
mechanisch flexibel gestaltet sind. Damit lassen sich die ersten
und zweiten elektrischen Verbindungsleitungen 30, 32 sowie
die Verbindungselemente 48 ersetzen.
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Auch
Kombinationen von Flexleitern und anderen Substrat-Technologien, wie
beispielsweise PCB-Leiterplatten, Keramiksubstraten, Hybridschaltungen
usw. sind zur Realisierung der erfindungsgemäßen induktiven Koppelelemente
möglich.
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Die
ersten und vierten Schaltungsträger 12, 26 sowie
die die Wicklungen 44, 46 tragenden zweiten und
dritten Schaltungsträger 18, 22 können je nach
Komplexität
der Schaltung, der Anzahl der erforderlichen Windungen bzw. Wicklungslagen
und eventuell gewünschter
Schirmlagen jeweils einlagig oder mehrlagig ausgeführt sein.
Die Wicklungen 44, 46 können auch mit Anzapfungen versehen
sein.
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In
Abweichung zu dem beschriebenen Lagenaufbau der ersten und vierten
Schaltungsträger 12, 26 bzw.
der zweiten und dritten Schaltungsträger 18, 22 können auch
mehrere Übertrager
in einem einzigen erfindungsgemäßen induktiven
Koppelelement realisiert sein. Es können zusätzliche Schichten als Abstandshalter
zu elektrisch leitenden Schichten des ersten bzw. vierten Schaltungsträgers 12, 26 vorgesehen
sein. Die Ausführungsformen
können
sowohl mit als auch ohne zusätzlich
leitende Schichten als Schirmflächen
realisiert sein.
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Anstelle
der beschriebenen Faltung können Längsfaltungen
oder Querfaltungen oder kombinierte Längs- und Querfaltungen in der
Weise kombiniert werden, dass jeweils eine einseitige Bestückung der Schaltungsträger möglich ist.
Falls erforderlich, können
die Faltungstechniken jedoch auch so gewählt werden, dass eine zweiseitige
Bestückung
erforderlich ist. Anstelle der Faltungen können die Schaltungsträger auch
durch Stapeln übereinander
angeordnet werden.
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Die
Kontaktierung des erfindungsgemäßen Koppelelementes
nach außen
hin kann durch Stifte oder Leadframe-Techniken mit festen oder biegsamen
Beinen erfolgen. Ferner können
hierfür
auch BGA-Techniken durch die überstehende
Oberseite oder auch Kontaktierungen der Primärseite oder der Sekundärseite über Zugänge im Gehäuse oder
Löcher
durch Federkontakte erfolgen, wie dies beispielsweise zur Programmierung
eines Logikteiles innerhalb der Bauelemente 14, 28 erforderlich
sein kann.
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Die
Gehäusung
kann dadurch erfolgen, dass das gesamte induktive Koppelelement
umspritzt wird. Beim Umspritzen des magnetischen Materials der magnetisch
flussführenden
Schichten 16, 24 ist es auch möglich, nur jeweilige Gehäusehälften zu umspritzen
und die Hälften
mittels Rastnasen oder durch Kleben oder durch Erhitzen miteinander
zu verbinden und zu schließen.
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Die
erfindungsgemäß gebildeten
induktiven Koppelelemente können
als Übertrager
und als Transformatoren eingesetzt werden.