DE102008017314A1

DE102008017314A1 - Induktives Bauelement zur Ansteuerung von Leuchten

Info

Publication number: DE102008017314A1
Application number: DE200810017314
Authority: DE
Inventors: Gerhard Karl; Herbert Jungwirth
Original assignee: VOGT ELECT COMPONENTS GmbH; Vogt Electronic Components GmbH
Current assignee: Sumida Components and Modules GmbH
Priority date: 2008-04-04
Filing date: 2008-04-04
Publication date: 2009-10-08
Anticipated expiration: 2028-04-05
Also published as: WO2009121627A2; DE102008017314B4; WO2009121627A3; EP2269424A2

Abstract

Ein induktives Bauelement, beispielsweise eine Drossel für eine elektronische Schaltung zur Speisung einer Entladungsleuchte, besitzt ein effektives magnetisches Volumen von 900 mm3 oder weniger bei einer lateralen Abmessung, die in einer Richtung 20 mm oder kleiner ist, wobei das Ferritmaterial des Ferritkerns des induktiven Bauelements eine maximale Induktion bei einer Feldstärke von 250 A/m aufweist, die bei 100°C bei mindestens 400 mT liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen induktive Bauelemente, d. h. Speicherdrosseln, Transformatoren und dergleichen, die für eine hohe Leistungsdichte bei vorgegebenem Bauvolumen ausgelegt sind.
In vielen Bereichen der Technik gibt das ständige Bestreben, das Volumen entsprechender Geräte und Bauelemente zu verringern, ohne dabei jedoch Einbußen im Hinblick auf die Funktionsfähigkeit der entsprechenden Bauelemente oder Geräte hinzunehmen. Bei der entsprechenden Miniaturisierung dieser Bauelemente oder Baugruppen müssen auch die elektronischen Komponenten, die für die Leistungsversorgung vorgesehen sind, in ihrer Größe in geeigneter Weise angepasst werden. Beispielsweise können im Bereich der Lichttechnik zunehmend leistungsfähige Gasentladungsleuchten bereitgestellt werden, die bei geringerem Bauvolumen eine gleichbleibende oder sogar höhere Leistung bieten. Das geringe Bauvolumen dieser Leuchtmittel führt jedoch auch dazu, dass die zur Ansteuerung der Leuchtmittel erforderlichen elektronischen Komponenten in der Größe reduziert werden müssen. Insbesondere die induktiven Komponenten müssen dabei jedoch unter Berücksichtigung zahlreicher Parameter entwickelt werden, da eine geeignete Anpassung eines induktiven Bauelements von zahlreichen Faktoren, etwa der Form der magnetischen Kerne, der Art des verwendeten Ferritmaterials, der Leitungsführungen in den Wicklungen, sowie generell der Schaltungstopologie abhängen. Obwohl somit in vielen Bereichen der Elektronik eine Verringerung der Größe der Bauelemente angestrebt wird, ist insbesondere das Erreichen einer hohen Leistungsdichte für speziell gewählte Bauteilabmessungen bei induktiven Bauelementen ein sehr komplexes Verfahren, wobei zahlreiche durch die Eigenschaften der Magnetmaterialien vorgegebene physikalische Randbedingungen einzuhalten sind, so dass unterschiedliche Lösungsansätze zu unterschiedlichen Endergebnissen führen können, die sich dann jedoch gegebenenfalls nicht in gleicher Weise in der Zielanwendung verhalten.
Beispielsweise ist es bei der Ansteuerung spezieller Leuchtmittel aus Gründen eines kompakten Gesamtaufbaus erforderlich, die Größe und Form der entsprechenden elektronischen Platine der Gestalt und Größe des Leuchtmittels anzupassen, um damit insgesamt eine kompakte Bauform zu erreichen. Aufgrund dieser Anforderungen ergeben sich aber auch maximale Abmessungen für entsprechende induktive Bauelemente, etwa Drosseln und dergleichen, die aber dennoch die Erfordernisse im Hinblick auf die Leistungsdichte, die Betriebstemperatur, das elektromagnetische Verhalten, und dergleichen erfüllen müssen. Beispielsweise kann bei einem Leistungsbereich von einigen 10 W, wie dies für moderne Gasentladungsleuchten typisch ist, eine Anpassung an die längliche Form der Röhren gewisse laterale Abmessungen erfordern, die von der induktiven Komponente nicht überschritten werden dürfen, um damit insgesamt die gewünschte Formanpassung der elektronischen Platine zu ermöglichen. Beispielsweise sind Ferritkerne in vielen standardmäßigen Größen und mit vielen standardmäßigen Ferritmaterialien erhältlich, wobei jedoch im Größenbereich von Kernen mit einem magnetischen wirksamen Volumen von etwa 900 mm³ und darunter die erforderlichen Bauteileigenschaften mit E-Kernen, die beispielsweise eine relativ kompakte Bauweise mit gutem thermischen Verhalten und relativ geringer Störanfälligkeit bieten, gegebenenfalls nicht erreicht werden können, um eine ausreichende Ansteuerleistung bei einem gewünschten kompakten Aufbau der für entsprechende Leuchtmittel zu ermöglichen. Insbesondere werden in entsprechenden elektronischen Ansteuerschaltungen gegebenenfalls mehrere induktive Komponenten benötigt, so dass die Verwendung eines geringfügig größeren Kerns und damit eines größeren induktiven Bauelements insgesamt zu einer deutlichen Zunahme des Gesamtbauvolumens führen kann, so dass gegebenenfalls der gewünschte Grad an Miniaturisierung nicht erreicht werden kann. Auch sind bei einer entsprechenden Anpassung der induktiven Komponenten insgesamt die Topologie der verwendeten Schaltung sowie auch die thermischen Verhältnisse und der Grad der Automatisierung bei der Herstellung entsprechender induktiver Komponenten zu berücksichtigen. D. h., das Entwerfen geeigneter induktiver Bauelemente mit der gewünschten kleinen Baugröße unterliegt vielen, sich gegenseitig beeinflussenden Faktoren, die aber nicht ohne weiteres vorherbestimmt werden können. Beispielsweise kann die Baugröße einer Induktivität zwar auch im Hinblick auf beispielsweise eine höhere Taktfrequenz der entsprechenden Ansteuerschaltungen oder dergleichen geringer gewählt werden, wobei aber nicht notwendigerweise das gewünschte Ergebnis im Bezug auf den Gesamtaufbau erreicht wird, da gegebenenfalls eine größere Anzahl an Bauelementen, ein anderes Störstrahlungsverhalten, etc., eine größere thermische Verlustleistung insgesamt zu einer Zunahme des Bauvolumens möglicherweise in Kombination mit einer Erhöhung der Produktionskosten führen können.
Angesichts der zuvor beschriebenen Situation ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine induktive Komponente, insbesondere eine Speicherdrossel und eine entsprechende elektronische Schaltung mit mehreren induktiven Bauelementen anzugeben, wobei eine Anpassung der elektronischen Schaltung an die Form und Größe moderner Gasentladungsleuchten bei reduzierten Herstellungskosten möglich ist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein induktives Bauelement mit einem Ferritkern, der eine erste Kernhälfte und eine zweite Kernhälfte aufweist, wovon zumindest eine einen E-förmigen Kernquerschnitt besitzen. Die Breite der Kernhälften, die sich entlang einer Richtung senkrecht zum Verlauf des Mittelschenkels erstreckt, ist dabei 20 mm oder kleiner. Des Weiteren ist der Ferritkern aus einem Ferritmaterial aufgebaut, das eine maximale Induktion bzw. Magnetisierung Bmax bei einer Feldstärke von 250 Å/m bei 100°C aufweist, die 400 mT oder größer ist. Das erfindungsgemäße induktive Bauelement umfasst ferner einen Spulenkörper, der von Schenkeln der beiden Kernhälften umschlossen ist und Stifte aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten des Ferritkerns angeordnet sind und sich in einer Höhenrichtung erstrecken. Ferner ist mindestens eine Wicklung in dem Spulenkörper vorgesehen, die zumindest mit einem der Stifte elektrisch verbunden ist.
Das erfindungsgemäße Bauelement besitzt somit einen E-förmigen Kernquerschnitt, der insgesamt eine kompakte Bauform ermöglicht, da eine relativ große Oberfläche für ein gutes thermisches Verhalten bereitgestellt wird, wobei auch die Wicklung zum größten Teil durch die äußeren Flächen des E-Kerns abgeschirmt ist. Auf der Grundlage dieser günstigen Bauform wird in dem erfindungsgemäßen induktiven Bauelement ferner eine Breite von 20 mm oder kleiner verwirklicht, so dass insbesondere eine Anpassung an elektronische Leiterplatten möglich ist, die zur Ansteuerung von modernen Gasentladungsleuchten im Leistungsbereich von einigen 10 W ausgelegt sind. Um die dafür erforderliche Induktivität zu erreichen, wird für den Ferritkern ein Material verwendet, das eine Magnetisierung bzw. Induktion von 400 mT oder größer aufweist, wenn das Kernmaterial bei einer Feldstärke von 250 Å/m bei 100°C magnetisiert wird. Durch diese Wahl der Eigenschaften des Kernmaterials lässt sich somit die gewünschte Baugröße erzielen, wobei die Eigenschaften des Kernmaterials Induktivitätswerte ermöglichen, die insgesamt zu einem effizienten Verhalten führen, da sich mit diesen Eigenschaften ein sehr ausgewogenes Verhältnis der Kupferverluste zu den Kernverlusten bei den typischerweise verwendeten Arbeitsfrequenzen der Ansteuerschaltungen von ca. 30 kHz bis 300 kHz ergibt, d. h., bei den spezifizierten Werten für das Kernmaterial sind Induktivitätswerte möglich, die sowohl die Wicklungsverluste als auch Kernverluste bei dem betrachten Frequenzbereich in einem Bereich halten, in welchem ein stabiler Betrieb bei den gewünschten Leistungsdichten möglich ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein magnetisch wirksames Volumen des Ferritkerns 900 mm³ oder kleiner. Mit einem entsprechenden magnetischen Volumen wird somit eine Baugröße verwirklicht, die einem Kern E19/5 entspricht, wobei jedoch eine Übertragung größerer Leistungen im Vergleich zu standardmäßigen Kernen im Bereich von etwa 100 kHz und weniger möglich ist. Somit kann beispielsweise das erfindungsgemäße induktive Bauelement mit einer Größe vorgesehen werden, die eine Verringerung der Platinen für elektronische Ansteuerschaltungen für moderne Gasentladungsleuchten ermöglicht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform beträgt die Länge des Ferritkerns 17 mm oder weniger. Die Länge ist dabei als die Abmessung entlang der größeren lateralen Abmessung des Mittelschenkels zu verstehen. Wie zuvor ausgeführt ist, ist für eine Obergrenze der beiden zuvor angegebenen lateralen Abmessungen insbesondere eine kleinere Größe eines entsprechenden induktiven Elements möglich, da aufgrund der Eigenschaften des Kernmaterials eine Verringerung der erforderlichen Windungszahlen und damit eine Reduzierung der Größe der Wicklung bzw. eine Verbesserung des Widerstandsverhaltens der Wicklung möglich ist. Somit ist bei einer Baugröße, die vergleichbar ist mit induktiven Bauelementen auf der Grundlage standardmäßiger E19/5-Kerne, eine höhere Leistung übertragbar bzw. es kann ein Betrieb bei geringeren Verlusten erreicht werden, wodurch in jedem Falle auch eine Reduzierung der Gesamtgröße einer elektronischen Schaltung möglich ist, da mehr Leistungen über das gleiche Volumen übertragen werden kann und/oder ein weniger anspruchsvolles Temperaturverhalten erreicht wird. In anderen Fällen kann bei gleicher Leistung ein geringeres Bauvolumen erreicht werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform beträgt eine Höhe des Ferritkerns 13 mm oder weniger. Auch hier gelten die zuvor dargelegten Kriterien.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Spulenkörper des induktiven Bauelements einen zum automatengerechten Einführen eines Wicklungsdrahts vorgesehenen Vorsprung auf. Wie bereits eingangs erwähnt ist, sind für eine effiziente Größenreduzierung induktiver Komponenten eine Vielzahl von Faktoren zu berücksichtigen, wobei ein komplexes Zusammenwirken der elektrischen und magnetischen Eigenschaften zu berücksichtigen ist. Beispielsweise sind abhängig von der Schaltungstopologie relativ hohe Spannungen von der Wicklung des induktiven Bauelements aufzunehmen, beispielsweise wenn eine Aufwärtswandlerschaltung betrachtet wird, in der die Netzspannung auf eine geeignete hohe Zwischenkreisspannung gewandelt wird. Um über die geforderte Lebensdauer des Bauelements die notwendige Spannungsfestigkeit zu erreichen, sind in der Wicklung der Spule gewisse zuverlässig einzuhaltende Isolationsstrecken vorzusehen, so dass sich über die spezifizierte Lebensdauer hinweg die durch die hohen Betriebstemperaturen auftretenden Änderungen der Isolation nicht nachteilig auf die Funktionsfähigkeit und die Sicherheit des Bauelements auswirken. Zu diesem Zweck ist auch eine präzise Aufbringung der einzelnen Windungen erforderlich, was in der Regel durch automatische Wickelautomaten erfolgt. Dabei ist das optimierte Zuführen des Drahtanfangs ein wichtiges Kriterium, um die gewünschte hohe Isolationsfähigkeit zu erreichen. Aufgrund des erfindungsgemäßen Spulenkörpers kann das automatengerechte Wickeln so erfolgen, dass das Einfädeln des Drahtes in den Wicklungsgrund des Spulenkörpers sehr präzise stattfindet, wobei der Vorsprung auch eine verbesserte Zuführung des Drahtendes zu einem Anschlussstift ohne „Kreuzung” anderer Windungen und ohne Zug auf den Stift ermöglicht. Auf diese Weise lässt sich zuverlässig ein Abstand zwischen Windungsabschnitten, die Windungen mit einer höheren Spannung entsprechen, zu dem Wicklungsanfang in präziser und reproduzierbarer Weise einhalten, so dass insgesamt eine effiziente Verringerung der Gesamtabmessungen der Wicklung möglich ist, so dass im Zusammenwirken mit dem Ferritmaterial und den gewünschten Gesamtabmessungen des induktiven Bauelements eine für dieses Bauvolumen hohe Leistung übertragen werden kann, ohne dass die elektrische Funktionsfähigkeit und das Gesamtverhalten negativ beeinflusst werden. Des Weiteren ermöglicht der Vorsprung an dem Spulenkörper eine effizientere automatengerechte Drahtführung beim Einfädeln, so dass auch damit insgesamt die Verarbeitung effizienter und präziser erfolgt, da beispielsweise ein Verlöten des Anschlussdrahtes mit dem Stift unter genau definierten Bedingungen ausgeführt werden kann, so dass gegebenenfalls eine geringere Menge an Lötzinn verwendbar ist und/oder insgesamt der Vorgang des Verlötens in kürzerer Zeit bei verbesserter Produktgleichmäßigkeit durchgeführt werden kann. Durch die präzise Drahtführung am Wicklungsanfang kann damit gegebenenfalls auch auf aufwendige Isolationsmaterialien verzichtet werden, die zusätzliche Kosten verursachen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein Wicklungsdraht durch den Vorsprung umgelenkt und über eine als Drahtführung ausgebildete Aussparung zu einem der Stifte geführt. Durch diese bauliche Maßnahme wird die Stabilität der Wicklung und die Zuverlässigkeit des elektrischen Verhaltens verbessert, wie dies auch zuvor bereits ausgeführt ist.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Ferritmaterial eine Mischung aus Eisenoxid, Manganoxid und Zinkoxid auf. Durch die Auswahl dieser Komponenten lässt sich für den betrachteten Frequenzbereich eine erforderliche Ausgewogenheit zwischen Induktion und Kernverlusten erreichen, die in Kombination mit den Kernabmessungen für die gewünschte Anwendung die kompakte Bauweise beim erforderlichen Leistungsdurchsatz ergeben, insbesondere in Kombination mit dem verbesserten Leistungsverhalten der Wicklung durch präziseres Aufbringen und präzise Drahtführung.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Mischung das Eisenoxid mit einem Gewichtanteil von 71 Gew.-% ± 3 Gew.-%, das Manganoxid mit einem Gewichtsanteil von 23 Gew.-% ± 8 Gew.-% und das Zinkoxid mit einem Gewichtsanteil von 6 Gew.-% ± 5 Gew.-% auf. Auf diese Weise lässt sich durch Variation ein für die in Betracht gezogene Anwendung ermitteln.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch eine elektronische Schaltung zur Ansteuerung einer Leuchte. Die elektronische Schaltung umfasst eine Platine und ein erstes induktives Bauelement, das die zuvor beschriebenen Eigenschaften aufweist. Des Weiteren ist ein zweites induktives Bauelement vorgesehen, das ebenfalls die zuvor genannten Eigenschaften besitzt. Dabei ist das erste induktive Bauelement eine Komponente eines Aufwärtswandlers, der eine geregelte Gleichspannung aus einer Eingangswechselspannung bereitstellt und das zweite induktive Bauelement ist eine Komponente einer von der geregelten Gleichspannung gespeisten Resonanzstufe zur Speisung der Leuchte.
Wie zuvor dargelegt ist, wird das zuvor beschriebene induktive Bauelement effizient in unterschiedlichen Schaltungstopologien eingesetzt, die insbesondere auf die Ansteuerung einer Gasentladungsleuchte zugeschnitten sind. Das heißt, eingangsseitig wird das induktive Bauelement in einem gesteuerten Aufwärtswandler vorgesehen, der beispielsweise zur Einstellung eines Leistungsfaktors der von der Wechselspannungsquelle abgegriffenen Leistung verwendet wird. Bei einer entsprechenden Aufwärtswandlerschaltung treten in der Regel relativ hohe Spannungen von etwa 400 V oder mehr auf, so dass insbesondere ein präzises Einhalten von Isolationsstrecken beim Aufbringen der Windungen von besonderem Vorteil ist, wie dies zuvor im Zusammenhang mit dem Spulenkörper des erfindungsgemäßen induktiven Bauelements dargelegt ist, so dass trotz der sehr kompakten Bauweise ein zuverlässiger Betrieb ermöglicht wird. Das heißt, insbesondere bei Verwendung der zuvor spezifizierten Maße für die Länge, die Breite und die Höhe des Ferritkerns lässt sich eine Anpassung an die längliche Form von elektronischen Platinen von Entladungsleuchten im Leistungsbereich von einigen 10 W erreichen, ohne dass ein erhöhter Aufwand im Hinblick auf die Wärmeabfuhr erforderlich ist. Des Weiteren weist die elektronische Schaltung eine weitere induktive Komponente auf, die beispielsweise in der Baugröße identisch zu dem ersten induktiven Bauelement ist, so dass aufgrund der magnetischen Eigenschaften des zweiten induktiven Bauelements eine effiziente induktive Komponente für einen Resonanzkreis bereitgestellt wird, wobei trotz der kompakten Baugröße die gewünschte Ausgangsleistung bei hohen Zündspannungen im kV-Bereich übertragen werden kann. Dabei können die entsprechenden Eigenschaften des zweiten induktiven Bauelements in geeigneter Weise im Rahmen der kompakten Bauweise an den Resonanzkreis angepasst werden.
In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen können ein oder mehrere weitere induktive Bauelemente in der zuvor beschriebenen Weise vorgesehen werden, um gegebenenfalls die durch den Aufwärtswandler bereitgestellte Gleichspannung in geeigneter Weise an eine zur Ansteuerung der Leuchte erforderliche Spannung anzupassen. So können beispielsweise durch geeignete Anpassung der Anschlussstifte sowie des Spulenkörpers zwei oder mehr Wicklungen vorgesehen werden, so dass eine Anpassung an die Spannung durch die Verwendung eines Hochfrequenztransformators in Form einer weiteren induktiven Komponente möglich ist. Insbesondere kann durch eine im Wesentlichen lineare Anordnung des ersten und des zweiten induktiven Bauelements eine gewünscht schmale Gestalt der Platine und damit der elektronischen Schaltung erreicht werden, wodurch sich eine Anpassung an die reduzierten Größen von modernen Gasentladungsleuchten erreichen lässt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist eine Temperaturabhängigkeit der Kernmaterialverluste des Ferritkerns des ersten induktiven Bauelements eine kleinere Schwankungsbreite im Bereich von 20°C bis 100°C auf als die Temperaturabhängigkeit der Kernmaterialverluste des Ferritkerns des zweiten induktiven Bauelements. Durch diese Einstellung der Temperaturabhängigkeiten der Kernverluste in dem ersten und dem zweiten Bauelement kann ein Betrieb bei reduzierter Verlustleistung erreicht werden, da beispielsweise das erste induktive Bauelement, das typischerweise als Aufwärtswandler mit ”hart” schaltendem Verhalten vorgesehen wird, ein etwas höherer Anteil an Kernmaterialverlusten im thermisch noch nicht stationären Zustand akzeptabel oder sogar vorteilhaft ist, da dann bei zunehmender Temperatur eine Verringerung der Kernverluste auftritt, so dass insgesamt eine relativ stabile Verlustleistung des gesamten induktiven Bauelements unter Berücksichtigung der Zunahme des Ohmschen Widerstands der Wicklung möglich ist. D. h., eine stärkere Zunahme der Kupferverluste aufgrund der steigenden Temperatur sowie der Oberwellen im Schaltspektrum des Aufwärtswandlers kann durch ein ausgeprägtes Minimum der Kernverluste bei der gewünschten Betriebstemperatur zumindest teilweise kompensiert werden, da durch die entsprechende Wahl der Temperaturabhängigkeit ein relativ niedriger Wert für die Verlustleistung des Kernmaterials bei der gewünschten Temperatur eingestellt werden kann. Andererseits wird für die Resonanzstufe, bei der der Anteil der Oberwellen typischerweise deutlich geringer ist und damit die Kupferverluste kleiner sein können, bei einer Betriebsphase kurz nach dem Einschalten eine relative kleine Verlustleistung des Kernmaterials wirksam, die auch weniger temperaturabhängig sein kann, so dass insgesamt die Güte der Spule im Resonanzkreis bereits bei kalter Schaltung einen Wert aufweist, der nicht wesentlich von einem Wert im Arbeitspunkt abweicht, so dass ein zuverlässiges Anschwingen und damit Zünden der Entladungsleuchte gewährleistet ist. Auf diese Weise kann das Gesamtfunktionsverhalten der elektronischen Schaltung im Hinblick auf die Zuverlässigkeit und die Erzeugung von Verlustleistung bei dennoch sehr kompaktem Aufbau verbessert werden.
Mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben. In den beigefügten Zeichnungen zeigen:
1A eine perspektivische Aufrissansicht eines induktiven Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung,
1B eine Draufsicht auf den Ferritkern des erfindungsgemäßen induktiven Bauelements,
1C einen Querschnitt einer Kernhälfte des Ferritkerns,
1D schematisch den Verlauf der maximalen Magnetisierung bei einer vorgegebenen Feldstärke in Abhängigkeit von der Temperatur für ein Kernmaterial, das in einem erfindungsgemäßen induktiven Bauelement verwendet wird, im Vergleich zu einem Ferritmaterial eines konventionellen induktiven Bauelements,
1E und 1F schematisch den Verlauf der magnetischen Eigenschaften des Materials des Ferritkerns in Form der Induktivität bei variierendem eingespeisten Strom bei zwei unterschiedlichen Temperaturen für eine vorgegebene Spulenkonfiguration (1D) mit einem Vergleichsbeispiel und in Form der relativen Permeabilität für zwei verschiedenen Temperaturen für die spezifizierte Spulenkonfiguration mit einem Vergleichsbeispiel,
1G schematisch das Temperaturverhalten der Verlustleistung des Kernmaterials für verschiedene Ausführungsformen, wobei insbesondere eine reduzierte Temperaturabhängigkeit der Verlustleistung für Drosselbauelemente für Resonanzkreise verwendet wird gemäß anschaulicher Ausführungsformen,
1H und 1I schematisch eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht eines Spulenkörpers gemäß anschaulicher Ausführungsformen,
1J schematisch den Spulenkörper mit einem Windungsanfang der Wicklung, wobei die effiziente Verbindung des Spulenanfangs mit einem Anschlussstift dargestellt ist,
2A schematisch eine elektronische Schaltung, in der zwei unterschiedliche Schaltungstopografien unter Verwendung eines induktiven Bauelements gezeigt sind, wie sie insbesondere zur Ansteuerung einer Entladungsleuchte verwendbar ist, und
2B und 2C elektronische Schaltungen mit entsprechenden Platinen, die für eine geeignete Anpassung an die Form der Entladungsleuchte geeignet sind.
1A zeigt schematisch eine perspektivische Aufrissansicht eines induktiven Bauelements 100 gemäß anschaulicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Das Bauelement 100 umfasst einen Spulenkörper 130, der eine oder mehrere Wicklungen aufweist, die in der 1A der Einfachheit halber nicht gezeigt sind. Der Spulenkörper 130 ist teilweise von einem Ferritkern 110 umschlossen, der seinerseits eine erste Kernhälfte 110a und eine zweite Kernhälfte 110b aufweist. Der Ferritkern 110 ist in Form eines ”E-Kerns” vorgesehen, d. h. ein Querschnitt zumindest einer der Kernhälften 110a, 110b weist die typische Form eines ”E” auf. In der dargestellten Ausführungsform sind beide Kernhälften 110a, 110b als E-Kerne ausgeführt. Beispielsweise ist in der ersten Kernhälfte 110a ein Mittelschenkel 110c vorgesehen, der einen größeren magnetischen effektiven Querschnitt besitzt wie jeweils ein entsprechender Außenschenkel 110a bzw. 110b. In ähnlicher Weise besitzt die zweite Kernhälfte 110b einen Mittelschenkel 110d und entsprechende äußere Schenkel 110e, 110f. Wie bereits eingangs erwähnt, ist diese Form des Kerns 110 geeignet, um einerseits ein hohes Maß an Abschirmung der Wicklungen auf dem Spulenkörper 130 zu ermöglichen, da die äußeren Schenkel 110a, 110b, 110e, 100f den Spulenkörper umfassen, so dass die darin angeordneten Wicklungen gegenüber äußeren Störfeldern abgeschirmt sind und auch eine effiziente Abschirmung der durch die Wicklungen hervorgerufenen Störfelder erreicht wird. Des Weiteren ergibt sich aufgrund der planen Flächen der insgesamt quaderförmigen Gestalt des Ferritkerns 110 ein hoher Oberflächenanteil im Verhältnis zum Gesamtvolumen, so dass eine effiziente thermische Ankopplung zu der Umgebung realisiert werden kann. Beispielsweise kann zumindest eine Fläche, beispielsweise eine Oberfläche 110s mit einer entsprechenden Wärmeableitfläche, etwa dem Basismaterial einer elektrischen Leiterplatte, oder einem anderen geeigneten Material in Kontakt gebracht werden, so dass die in dem Kernmaterial entstehende Verlustleistung effizient abgeführt werden kann.
In der dargestellten Ausführungsform beträgt das magnetisch wirksame Volumen des Ferritkerns 110 etwa 900 mm³ oder weniger, so dass sich aufgrund der gewählten E-Form sehr kompakte laterale Abmessungen für den Ferritkern 110 erreichen lassen. In einer Ausführungsform beträgt dabei die Breite des Ferritkerns 110, d. h. eine Richtung senkrecht zur Längsrichtung L des Mittelschenkels 110c bzw. 110d etwa 20 mm oder weniger. Auf diese Weise lässt sich der Ferritkern 110 im Zusammenwirken mit dem Spulenkörper 130 in kompakter Weise herstellen, so dass eine elektronische Platine aufgebaut werden kann, die insbesondere der schmalen Gestalt einer Entladungsleuchte im Leistungsbereich von einigen 10 W, beispielsweise 40 bis 70 W, angepasst ist. Dabei kann der Ferritkern 110 in geeigneter Weise an unterschiedliche Schaltungstopologien angepasst werden, indem für das vorgegebene Ferritmaterial, das nachfolgend detaillierter erläutert wird, ein geeigneter Luftspalt 110l gewählt wird, etwa durch eine geringere Höhe des Mittelschenkels 110c im Vergleich zu den äußeren Schenkeln 110a, 110b. In anderen anschaulichen Ausführungsformen kann der Luftspalt 110l eingestellt werden, indem eine symmetrische Ausbildung der Kernhälften 110a, 110b vorgesehen wird, so dass beide Mittelschenkel 110c, 110d gleichermaßen mit einer geringeren Höhe im Vergleich zu den entsprechenden Augenschenkeln vorgesehen werden. Beispielsweise kann der Luftspalt 110l von 0 bis 1,5 mm variiert werden für die Ausführungsform, in der das magnetisch effektive Volumen 900 mm³ oder weniger beträgt. in anderen anschaulichen Ausführungsformen wird der Ferritkern 110 in Form eines ”EI”-Kerns vorgesehen, wobei eine der Kernhälften 110a bzw. 110b als ein E-Kern bereitgestellt wird, während die andere Kernhälfte als eine im Wesentlichen plane Auflage mit einer Dicke entsprechend den Außenschenkeln des E-Kerns vorgesehen ist.
1B zeigt schematisch eine Draufsicht einer Kernhälfte des Ferritkerns 110, etwa der Kernhälfte 110a, wobei in der gezeigten Ausführungsform die Breite B auf < 20 mm, etwa auf 19,1 ± 0,5 mm eingestellt ist. Die Länge L der Kernhälfte 110a beträgt in diesem Beispiel weniger als 17 mm, etwa 16,5 ± 0,4 mm.
1C zeigt eine Querschnittsansicht der Kernhälfte 110a, wobei eine Höhe H, d. h. die Höhe der Außenschenkel 110a, 110b kleiner als 6,5 mm ist und in dem dargestellten Ausführungsbeispiel 5,8 mit einer Toleranz von –0,25 mm beträgt. Ferner ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Breite B1 des Mittelschenkels 110c auf < 15,5 mm eingestellt, wobei in der dargestellten Ausführungsform ein Wert von 14,8 ± 0,3 mm vorgesehen ist.
Wie eingangs erwähnt ist, ist eine Reduzierung der Baugröße induktiver Komponenten in der Regel von vielen einander beeinflussenden Parametern abhängig, so dass für das Erreichen gewünschter Bauabmessungen und eines erforderlichen Leistungsverhaltens eine Fülle von möglichen Optimierungsansätzen gewählt werden können, wobei jedoch die schließlich erhaltenen Ergebnisse sehr unterschiedlich sein können und gegebenenfalls eines oder mehrere der vorgegebenen Kriterien nicht erfüllen. In der vorliegenden Erfindung ist das induktive Bauelement 100 so gestaltet, dass zunächst zumindest eine laterale Abmessung, etwa die Breite B einer bestimmten gewünschten Breite entspricht oder kleiner ist bei einem vorgegebenen Bereich für das magnetisch effektive Volumen. Des Weiteren wird dann die effiziente E-Kern-Form im Hinblick auf thermisches Verhalten, etwas das Abführen von Verlustwärme, Effizienz bei der Herstellung des Ferritkerns 110 und beim Zusammenbau des induktiven Bauelements 100 ausgewählt, wobei die erforderliche Leistungsdichte durch das Vorsehen eines geeigneten Ferritmaterials erreicht wird.
1D zeigt schematischen den Verlauf der maximalen Flussdichte oder Induktion ”B_max” bei einer festgelegten Feldstärke von 250 A/m in Abhängigkeit der Temperatur des Ferritmaterials. Die in 1D gezeigte Kurve A repräsentiert das Ferritmaterial des Kerns 110 gemäß anschaulicher Ausführungsformen, während die Kurve B ein Ferritmaterial repräsentiert, wie es in konventionellen induktive Bauelementen eingesetzt wird. In typischen Ausführungsbeispielen liegt die maximale Flussdichte für Temperaturen bis 100°C bei mindestens 400 mT, wobei in der dargestellten Ausführungsform ein minimaler Wert von 400 mT auch noch bei einer Temperatur von 120°C erreicht wird. Im Gegensatz dazu zeigt die Kurve B eines Ferritmaterials eines konventionellen induktiven Bauelements, in welchem die maximale Flussdichte bei 100°C bei etwa nur 380 mT liegt. Somit kann aufgrund der magnetischen Eigenschaften, wie sie durch die Kurve A repräsentiert sind, eine geeignete Anpassung der magnetischen Eigenschaften erfolgen im Hinblick auf die gewünschten lateralen Abmessungen des Bauelements 100, ohne dass jedoch Einbußen im Hinblick auf das Gesamtverhalten des Bauelements, beispielsweise in Bezug auf die erforderliche zu schaltende Leistung, die dadurch erzeugte Verlustwärme, und dergleichen hervorgerufen werden. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird die maximale Magnetisierung auf einen Bereich unter 500 mT bei 100°C eingeschränkt, um damit übermäßige Kernverluste in einem Frequenzbereich bei etwa 30 kHz bis 300 kHz der Schaltfrequenz zu vermeiden, da ansonsten bei einer entsprechend gewünschten kompakten Bauform insgesamt ein erhöhter Bedarf an Wärmeableitung erforderlich ist, der schließlich zu einem insgesamt größeren Bauvolumen bzw. höherem Aufwand führen würde.
Die 1E und 1F zeigen das in einer Ausführungsform verwendete Ferritmaterial in dem Bauelement 100 gemäß einer speziell gewählten Anordnung, um das magnetische und das sich daraus ergebende elektrische Verhalten des Ferritmaterials weiter zu verdeutlichen, wobei als Vergleich wiederum das in einem konventionellen induktiven Bauelement eingesetzte Ferritmaterial gemäß der Kurve B aus 1D als Vergleichsbeispiel dargestellt ist.
1E zeigt schematisch den Verlauf der Induktivität eines Bauelements, das für Versuchszwecke in Form einer Spule mit einem EF-Kern 26/15/7 mit einem Luftspalt von 1,0 mm und einer Windungszahl von 170,5 aufgebaut wurde. Auf der horizontalen Achse ist der in die Spule eingespeiste Strom aufgetragen, wobei sich das in anschaulichen Ausführungsformen eingesetzte Ferritmaterial dadurch auszeichnet, dass es bis zu einer Stromstärke von 1,5 A für die oben angegebene Anordnung einen Induktivitätswert von mindestens 4 mH bei einer Temperatur von 100°C liefert, wie dies durch die Kurve A1 gezeigt ist. Im Gegensatz dazu zeigt das Vergleichsmaterial gemäß der Kurve B1 bei dieser Temperatur einen wesentlich früheren Abfall der Induktivität, wobei auch der Anfangswert geringer ist als bei dem Ferritmaterial der Kurve A1, das in dem erfindungsgemäßen induktiven Bauelement 100 eingesetzt ist. Die Kurven A2 und B2 zeigen die entsprechenden Induktivitätswerte der Materialien bei einer Temperatur von 25°C. Auch in diesem Falle ergibt sich eine raschere Abnahme der ohnehin geringeren Anfangsinduktivität für das Material (B1), das in konventionellen induktiven Bauelementen mit einem effektiven magnetischen Volumen von ca. 900 mm³ für Betriebsfrequenzen von bis zu wenigen 100 kHz eingesetzt wird. Somit lässt sich erkennen, dass durch die Spezifizierung des Ferritmaterials für den Ferritkern 110 gemäß der Kurve A der 1D, d. h. eine Spezifizierung eines Mindestwertes für die maximale Flussdichte auf 400 mT bei einer vorgegebenen Feldstärke von 250 A/m bei 100°C, ein insgesamt erweiterter Strombereich bei in etwa konstant bleibendem Induktivitätswert erreichbar ist, so dass in diesem Falle bei einem etwas geringerem Volumen gleiche Leistungen übertragen werden können oder bei gleichem Volumen höhere Leistungen erzielbar sind. Das heißt, in dem erfindungsgemäßen induktiven Bauelement 100 wird ein Material, das durch die Kurven A bzw. A1 und A2 repräsentiert ist, eingesetzt, um damit ein gewünschtes geringes Volumen zu erhalten, wobei dennoch die gewünschte Leistung von etwa 40 bis 70 W bei etwa 30 bis 300 kHz zuverlässig übertragen werden kann, wie dies beispielsweise für das Ansteuern modernster Entladungsleuchten erforderlich ist.
1F zeigt schematisch den Verlauf entsprechender Kurven A1, A2 und B1, B2 für die zuvor genannten Materialien, wobei in diesem Diagramm die Feldstärke H in A/m gegenüber der relativen Permeabilität aufgetragen ist. Die Kurven in den 1E und 1F sind qualitativ gleich und zeigen, dass für den oben angegebenen Aufbau das Verhalten der Induktivität durch im Wesentlichen den Verlauf der relativen Permeabilität gegeben ist.
1G zeigt schematisch die Temperaturabhängigkeit der Kernverluste bei vorgegebenen Betriebsbedingungen, beispielsweise bei 100 kHz, und eine Aussteuerung von 200 mT. Die Kurven A1 und A2 zeigen dabei das Temperaturverhalten der Kernverluste für Ferritmaterial, wie sie beispielsweise in dem induktiven Bauelement 100 je nach Schaltungstopografie der Schaltung, für die das induktive Bauelement 100 vorgesehen ist, ausgewählt werden können. Wie gezeigt, weist die Kurve A1 ein ausgeprägtes Minimum bei 100°C auf, so dass im Hinblick auf eine Betriebstemperatur von 100°C die für eine gewünschte Nennleistung und eine entsprechende Betriebsart, d. h. Schaltfrequenz und Grad der Aussteuerung, erzeugte Kernverlustleistung minimal wird. Andererseits zeigt die Kurve A2 eine weniger ausgeprägte Temperaturabhängigkeit, so dass in diesem Falle die Kernverluste stabiler über einen breiten Temperaturbereich gehalten werden, so dass etwa die Güte einer Spule zumindest im Hinblick auf die Kernverluste stabiler gehalten werden kann.
Die Ferritmaterialien, die für den Ferritkern 110 verwendet werden, werden gemäß anschaulicher Ausführungsformen auf der Grundlage von Eisenoxid, Manganoxid und Zinkoxid hergestellt werden. Dazu werden in einigen anschaulichen Ausführungsformen Mischungen bereitgestellt, in denen das Eisenoxid mit einem Gewichtsprozentanteil von ca. 71 ± 3 Gew.-% vorgesehen wird, das Manganoxid mit einem Anteil von 23 ± 8 Gew.-% und das Zinkoxid mit einem Gewichtsanteil von 6 ± 5 Gew.-% vorgesehen wird. Dabei kann durch die spezielle Wahl der genauen Mischungswerte das Verhalten des Materials im Hinblick auf die maximale Magnetisierung (siehe 1D) auf den gewünschten Wert über 400 mT bei 100°C bei einer Feldstärke von 250 Nm eingestellt werden, wobei auch ein maximaler Wert von etwa 500 mT in einigen anschaulichen Ausführungsformen nicht überschritten wird, um die Kernverluste für die betrachteten Anwendungsfall nicht zu stark ansteigen zu lassen, auch wenn sich dadurch Vorteile im Hinblick auf andere Kenngrößen ergeben würden, die aber im Zusammenwirken mit anderen Eigenschaften u. U. nicht zu der angestrebten kompakten Bauweise führen würden. Beispielsweise kann eine Erhöhung des maximalen Magnetisierungswertes erreicht werden, indem der Anteil des Eisenoxids erhöht wird und der Anteil einer oder der beiden anderen Komponenten entsprechend reduziert wird.
Es sollte beachtet werden, dass die Magnetisierungskurve, wie sie etwa in 1D gezeigt ist, typischerweise einen Messwert repräsentiert, der ermittelt wird, indem eine Ringkernanordnung verwendet wird, wobei die Feldstärke zur essung der Magnetisierung auf den spezifizierten Wert 250 A/m eingestellt wird. Bei entsprechend anderen gewählten Feldstarken ergeben sich andere maximale Magnetisierungswerte, wobei ein Vergleich mit anderen Materialien jedoch jederzeit auf der Grundlage der hier angegebenen Messvorschriften möglich ist.
Die Temperaturabhängigkeit der Kernverluste lassen sich bei dem Ferritmaterial, das in dem erfindungsgemäßen Bauelement 100 eingesetzt wird, in geeigneter Weise an die Anforderungen anpassen, indem eine geringe Menge besonderer Zusätze hinzugefügt wird, wobei durch eine größere Menge der Zusätze eine entsprechende Abflachung der Temperaturabhängigkeit erreicht wird. Zum Beispiel lässt sich durch eine geeignete Anpassung der Temperaturabhängigkeit der materialabhängigen Kernverluste im Zusammenhang mit dem durch eine steigende Temperatur sich erhöhenden Kupferverlusten so gestalten, dass für eine gewünschte möglichst hohe Güte einer Spule, wie sie beispielsweise in einer Resonanzstufe verwendet wird, auch ein möglichst geringer Grad an Änderung bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen auftritt. Zu diesem Zweck wird gemäß anschaulichen Ausführungsformen eine entsprechende gewünschte Baugröße des Bauelements 100 ermittelt und auf der Grundlage der verwendeten Ferritmaterialien ein gewünschter Induktivitätswert für einen vorgegebenen Wicklungsraum in dem Spulenkörper 130 ausgewählt. Aufgrund der erforderlichen Windungszahl und des zur Verfügung stehenden Wicklungsraums lässt sich dann der Kupferwiderstand bestimmen, der typischerweise temperaturabhängig ist. Wenn die Kupferverluste einen deutlichen Einfluss auf die Güte ausüben, lässt sich für einen gewünschten Temperaturarbeitspunkt der Spule somit ein Verlauf des Kupferwiderstands vom kalten Zustand bis zum Arbeitspunkt ermitteln, der dann als Ausgangspunkt für die Einstellung der temperaturabhängigen Kernverluste dient. Da die Güte der Spule durch die Gesamtverluste bestimmt ist, lässt sich durch eine geeignete Wahl der Steilheit der Temperaturabhängigkeit, etwa in Form der Kurven A1 und A2 eine Anpassung durchführen, so dass zunehmende Kupferverluste durch abnehmende Kernverluste zu einem gewissen Grade kompensiert werden. Auf diese Weise kann ein stabileres Schwingverhalten einer entsprechenden Resonanzstufe erreicht werden. Dies kann auch für eine Anwendung angewendet werden, in der die Kupferverluste generell einen deutlich höheren Anteil ausmachen, etwa beim Auftreten schneller Schaltvorgänge, etc. In anderen Ausführungsformen wird für Schwinddrosseln eine möglichst geringe Temperaturabhängigkeit der Kernverluste gewählt, wenn die Kupferverluste kein dominierender Beitrag zur Spulengüte sind, so dass die Güte relativ konstant bleibt.
Wie zuvor bereits erläutert ist, ist bei einer Reduzierung der Größe eines induktiven Bauelements auch den thermischen und elektrischen Verhalten der Wicklung Rechnung zu tragen. Das heißt, bei einer höheren Betriebstemperatur werden in der Regel auch die Materialien zur Isolierung der Windungen stärker beansprucht, da die Reaktionsrate, etwa das Isolationslacks, etc., typischerweise exponentiell von der Temperatur abhängt. Das heißt, bei steigenden Temperaturen findet eine stark erhöhte Beeinträchtigung der entsprechenden Isolationsmaterialien statt, so dass für eine spezifizierte Lebensdauer des induktiven Bauelements ein hoher Grad an Materialkonstanz des Ausgangsmaterials erforderlich ist, aber auch ein hohes Maß an Gleichmäßigkeit und Präzision beim Aufbringen der Drahtwindungen auf den Spulenkörper 130. Eine präzise Bewicklung des Spulenkörpers mit hoher Effizienz und gleichbleibender Qualität lässt sich in der Regel jedoch nur durch einen höheren Automatisierungsgrad erreichen. Dazu ist in einigen anschaulichen Ausführungsformen der Spulenkörper 130 speziell so gestaltet, dass die Drähte der einen oder mehreren Wicklungen geeignet geführt werden können, so dass zum einen eine hohe Präzision beim Aufbringen der Windungen erreicht wird und andererseits auch ein gewünschtes Maß an Isolationsfestigkeit bei einem automatengerechten Aufbringen erreicht wird.
1H zeigt schematisch eine Draufsicht des Spulenkörpers 130 gemäß einer anschaulichen Ausführungsform, die den Abmessungen des Ferritkerns 110, wie er in den 1B und 1C gezeigt ist, angepasst ist. Der Spulenkörper 130 umfasst eine oder mehrere Wicklungskammern 131 mit einer Breite, die durch die Abmessungen des Ferritkerns 110 und durch die gewünschte Materialstärke des Spulenkörpermaterials vorgegeben ist. Ferner sind entsprechende Endbereiche 135a, 135b vorgesehen, die einerseits zugunsten einer erhöhten mechanischen Stabilität der Wicklungskammern 131 sowie auch zur Befestigung des Ferritkerns 110 vorgesehen sind. Des Weiteren beinhalten die Endbereiche 135a, 135b geeignete Drahtführelemente 133, die in einigen Ausführungsformen geeignet ausgebildet sind, so dass Drähte in der Höhenrichtung und der Breitenrichtung geführt werden können. Das heißt, die Drahtführungselemente 133 sind so ausgebildet, dass in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene der 1H ein Draht zu einem entsprechenden Anschlussstift 132a geführt werden kann, während auch eine Leitungsführung in der Breitenrichtung, d. h. in 1H vertikal, erfolgen kann, wobei ein direkter Kontakt der beiden Drähte in einem entsprechenden Kreuzpunkt vermieden wird. Des Weiteren weist der Spulenkörper 130 auf dem gegenüberliegenden Endbereich 132b ein oder mehrere Elemente 133 auf. Ferner ist ein Vorsprung bzw. eine Erhebung 134, die in geeigneter Weise dimensioniert und positioniert ist, vorgesehen, um ein automatengerechtes Einfädeln eines Spulenanfangsdrahtes in die eine oder mehreren Wicklungskammern 131 zu ermöglichen, wie dies auch nachfolgend mit Bezug auf 1J detaillierter beschrieben ist. Somit bildet der Vorsprung 134 mit dem benachbarten Drahtführungselement 133 eine Aussparung 134, durch die ein Wicklungsdraht effizient in die Kammer eingeführt werden kann und dabei um den Vorsprung 134 herumgeführt wird, so dass dieser Draht dann in eine Ausnehmung 132c eines Drahtführungselements 133 geführt werden kann, so dass schließlich ein Kontakt zu einem Anschlussstift 132b mit einem hohen Maß an Genauigkeit und Reproduzierbarkeit hergestellt werden kann.
1I zeigt schematisch einen Querschnitt des Spulenkörpers 130 gemäß einer anschaulichen Ausführungsform, in der eine erste Spulenkammer 131a und eine zweite Spulenkammer 131b, die durch eine entsprechende Trennwand 131c getrennt sind, vorgesehen sind. In anderen anschaulichen Ausführungsformen können mehr als zwei Spulenkammern vorgesehen sein oder die Trennwand 131c wird weggelassen, um damit den durch die Trennwand 131c eingenommenen Raum für das effiziente Aufbringen einer Wicklung zu nutzen.
1J zeigt eine schematische Ansicht des Spulenkörpers 130 als Draufsicht, wobei der Einfachheit halber eine oder mehrere Wicklungen 140 nur in Form eines Wicklungsanfangs 141 gezeigt sind. Wie dargestellt, ist der Draht 141 so um die Erhebung 134 geführt, dass dieser dann bündig auf den Wicklungsgrund 131g geführt werden kann, so dass bei Drehung des Spulenkörpers 130 bei automatischer Bewicklung mit hoher Präzision bewickelt werden kann, wobei der Vorsprung 134 auch als eine ”Zugentlastung” dient, um die Position des Eintritts des Drahtes 141 zu fixieren. Somit kann die weitere Bewicklung erfolgen, ohne dass weitere Windungen in der Nähe des Drahtanfanges 141 angeordnet sind, so dass bei relativ hohen Spannungen zwischen dem Wicklungsanfang und dem Wicklungsende eine relativ große Isolationsstrecke vorhanden ist. D. h., auch bei den erhöhten Leistungen, d. h. bei höheren Strömen und Spannungen, ist trotz der reduzierten Abmessungen ein zuverlässiger und störungsunanfälliger Betrieb möglich ist. Des Weiteren kann durch die Herumführung des Drahtendes 141 um den Vorsprung 134 eine mechanisch sehr stabile, präzise und in der Fertigung reproduzierbare Leitungsführung in die Drahtführung 133 erreicht werden, so dass das Drahtende 141 mit dem Anschlussstift 132b in Kontakt gebracht werden kann, wobei bereits eine gewisse Eigenstabilität durch die gezeigte Leitungsführung erreicht wird. Somit kann gegebenenfalls auch in präziserer Weise eine Lötung des Drahtendes 141 mit dem Anschlussstift 132b, gegebenenfalls unter Verwendung einer geringeren Menge an Lotmaterial, in sehr zuverlässiger und reproduzierbarer Weise erfolgen. Das heißt, das durch den Vorsprung 134 erreichte Anschlussschema für das Drahtende 141 ermöglicht eine präzise und dabei auch reproduzierbare Art der Aufbringung der Wicklung auf den Spulenkörper 130, so dass trotz der geringeren Abmessungen eine hohe mechanische und elektrische Integrität erreicht wird, wobei zusätzlich eine effiziente automatengerechte Bearbeitung bei der Bewicklung des Spulenkörpers 130 möglich ist.
2A zeigt schematisch eine Schaltung, die insbesondere zur Ansteuerung einer Entladungsleuchte geeignet ist, wobei in der gezeigten Ausführungsform zwei oder mehr induktive Bauelemente 200a, 200b vorgesehen sind, die beide einen Aufbau besitzen, wie dies zuvor mit Bezug zu dem induktiven Bauelement 100 beschrieben ist. Das heißt, in einigen anschaulichen Ausführungsformen sind die beiden induktiven Bauelemente 200a, 200b mit geeigneten lateralen Abmessungen bereit gestellt, um damit den Erfordernissen einer kompakten, einer Entladungsleuchte angepassten Bauform zu entsprechen. Insbesondere sind die beiden induktiven Bauelemente 200a, 200b mit einem magnetisch effektiven Volumen von etwa 900 mm³ und weniger vorgesehen, wobei Leistungen von etwa 40 bis 70 W zu übertragen sind. In der gezeigten Schaltung ist das erste induktive Bauelement 200a ein Teil einer Aufwärtswandlerschaltung 250a, die hier ganz schematisch in Form der induktiven Komponente 200a, d. h. einer Speicherdrossel, und einem Schalter 251 dargestellt ist, der von einer Steuerschaltung 252 gesteuert wird. Die Aufwärtswandlerschaltung 250a kann beispielsweise von einer Wechselspannungsquelle mittels eines Gleichrichters 260 gespeist werden, um damit eine geregelte Ausgangsgleichspannung bereitzustellen, die beispielsweise höher ist als der Scheitelwert der Eingangswechselspannung. Des Weiteren kann die Ansteuerung des Schalters 251 so erfolgen, dass der Wechselspannungsseite der Strom mit einem gewünschten Leistungsfaktor, beispielsweise mit einem Leistungsfaktor von annähernd 1, entnommen wird.
Des Weiteren umfasst die in 2A gezeigte Schaltung eine Resonanzstufe, die beispielsweise in Form des induktiven Elements 200b und einem Kondensator 253 als Resonanzkreis vorgesehen ist, der von einer Schaltereinrichtung, beispielsweise einer Halbbrücke 254, etwa aus der geregelten Gleichspannung der Aufwärtswandlerschaltung 250a gespeist wird. Die Schaltereinrichtung 254 kann ebenfalls mit der Steuereinrichtung 252 oder einer anderen separaten Steuereinrichtung verbunden sein, um den Resonanzkreis mit der induktiven Komponente 200b in geeigneter Weise anzusteuern, so dass in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Leuchte 255 gespeist werden kann. Wie zuvor erwähnt ist, kann die Leuchte 255 eine Leistung im Bereich von ca. 40 bis 70 W erfordern, die aus der Wechselspannungsquelle mittels der Schaltungen 250a, 250b der Leuchte 255 in geeigneter Form zugeführt wird. Es sollte beachtet werden, dass die Schaltungen 250a, 250b eine beliebige Konfiguration entsprechend den jeweiligen Erfordernissen aufweisen können.
2B zeigt die elektronische Schaltung 270 gemäß anschaulicher Ausführungsbeispiele, in denen eine Platine 271 so vorgesehen ist, dass sie zum Einbau in die Leuchte 255 geeignet gestaltet ist. In der gezeigten Ausführungsform besitzt diese eine rechteckige Form, in der die Länge deutlich größer ist als die Breite, wobei die Breite so gestaltet ist, dass sie im Bereich von ca. 25 bis 40 mm liegt. In der gezeigten Ausführungsform sind die induktiven Bauelemente 200a, 200b so vorgesehen, dass die Komponente 200a in effizienter Weise mit einer entsprechenden Eingangsspannung beispielsweise über den Gleichrichter 260 von einem üblichen Wechselspannungsnetz versorgt werden kann. Andererseits ist das induktive Bauelement 200b so positioniert, dass es geeignet Energie in die Anschlusskontakte der Leuchte 255 einspeisen kann. Weitere Bereiche 272 der Schaltung 270 können weitere elektronische Komponenten, beispielsweise die weiteren Komponenten der Schaltungen 250a, 250b aufnehmen. In der gezeigten Anordnung sind die induktiven Komponenten 200a, 200b so vorgesehen, dass sich eine geringere Baulänge ergibt, da die Breitenrichtung der induktiven Bauelemente 200b parallel zur Längsrichtung der Platine 271 angeordnet ist.
2C zeigt schematisch die Schaltung 270, in der die induktiven Bauelemente 200a, 200b so vorgesehen sind, dass sich eine sehr schmale Bauweise ergibt, während gegebenenfalls die Länge zu vergrößern ist.
Somit ergibt sich für Abmessungen, wie sie zuvor im Zusammenhang mit dem Bauelement 100 erläutert sind, eine sehr kompakte Bauweise, die sich an die Abmessungen moderner Leuchten 255 anpassen lässt. Wie zuvor bereits erläutert wurde, können die induktiven Bauelemente 200a, 200b in geeigneter Weise an jeweilige Schaltungstopografie angepasst werden, d. h. ein geeigneter Induktivitätswert und ein geeignetes Speicherverhalten können vorgesehen werden, indem ein geeigneter Luftspalt gewählt wird, so dass beispielsweise die Aufwärtswandlerschaltung 200a für die gewählte Betriebsfrequenz, beispielsweise 100 kHz, das gewünschte Verhalten zeigt. Dabei kann auch die Verlustleistungskurve des Kernmaterials so eingestellt werden, dass ein entsprechend ausgeprägtes Minimum bei einer angestrebten Betriebstemperatur erreicht wird, wobei die Steuerschaltung 252 in einigen anschaulichen Ausführungsformen ausgelegt ist, den Betrieb durch Anpassen der Arbeitsfrequenz und/oder der Ausgangsleistung in einem gewünschten optimalen Bereich zu halten. Wie zuvor dargestellt ist, kann der Induktivitätswert der Komponente 200a über einen größeren Betriebstemperaturbereich annähernd konstant gehalten werden, so dass geeignete Betriebsbedingungen temperaturabhängig eingestellt werden können, ohne dass eine signifikante Änderung der Induktivität zu berücksichtigen ist.
In ähnlicher Weise kann die Komponente 200b in ihren Eigenschaften dem gewünschten Verhalten in dem Resonanzkreis 250b angepasst werden, etwa in der Weise, wie dies zuvor beschrieben ist, so dass eine relativ wenig temperaturabhängige Güte der Komponente 200b gewährleistet ist, wodurch sich ein stabiles Anschwingen der Schaltung 250b in sehr unterschiedlichen Betriebsphasen verwirklichen lässt.
Die vorliegende Erfindung stellt somit induktive Bauelemente und elektronische Schaltungen, in denen diese Bauelemente verwendet sind, bereit, wobei eine Anpassung der Abmessungen der induktiven Komponente in einem Leistungsbereich etwa 70 W oder weniger bei einer im Wesentlichen rechteckigen Grundform mit einer Abmessung von 20 mm oder weniger in einer lateralen Richtung bei einem effektiven magnetischen Volumen des Ferritkerns von ca. 900 mm³ oder weniger erreicht wird. Durch die effiziente Gestaltung des Spulenkörpers, d. h. durch eine Vorrichtung zum automatengerechten Bewicklung des Spulenkörpers wird ein hohes Maß an Präzision und Reproduzierbarkeit beim Aufbringen der Wicklung erreicht, so dass damit zu einem zuverlässigen und störungssicheren Betrieb auch bei kompakten Abmessungen beigetragen wird.

Claims

Induktives Bauelement mit: einem Ferritkern mit einer ersten Kernhälfte und einer zweiten Kernhälfte, wovon zumindest eine einen E-förmigen Kernquerschnitt aufweist und eine Breite besitzt, die 20 mm oder kleiner ist, wobei der Ferritkern aus einem Ferritmaterial aufgebaut ist, das eine maximale Induktion bei einer Feldstärke von 250 A/m bei 100°C aufweist, die 400 mT oder größer ist, einem Spulenkörper, der von Schenkeln der beiden Kernhälften umschlossen ist und Stifte aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten des Ferritkerns angeordnet sind, und mindestens einer in dem Spulenkörper vorgesehenen Wicklung, die zumindest mit einem der Stifte elektrisch verbunden ist.
Induktives Bauelement nach Anspruch 1, wobei ein magnetisch wirksames Volumen des Ferritkerns 900 mm³ oder kleiner ist.
Induktives Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Länge des Ferritkerns 17 mm oder weniger beträgt.
Induktives Bauelement nach Anspruch 3, wobei eine Höhe des Ferritkerns 13 mm oder weniger beträgt.
Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spulenkörper einen zum automatengerechten Einführen eines Wicklungsdrahts vorgesehenen Vorsprung aufweist.
Induktives Bauelement nach Anspruch 5, wobei ein Wicklungsdraht durch den Vorsprung umgelenkt ist und über eine als Drahtführung ausgebildete Aussparung zu einem der Stifte geführt ist.
Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ferritmaterial eine Mischung aus Eisenoxid, Manganoxid und Zinkoxid aufweist.
Induktives Bauelement nach Anspruch 7, wobei die Mischung das Eisenoxid mit einem Gewichtanteil von 71 Gew.-% ± 3 Gew.-%, das Manganoxid mit einem Gewichtsanteil von 23 Gew.-% ± 8 Gew.-% und das Zinkoxid mit einem Gewichtsanteil von 6 Gew.-% ± 5 Gew.-% aufweist.
Elektronische Schaltung zur Ansteuerung einer Leuchte mit: einer Platine, einem ersten induktiven Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, einem zweiten induktiven Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das erste induktive Bauelement eine Komponente eines Aufwärtswandlers ist, der eine geregelte Gleichspannung bereitstellt, und das zweite induktive Bauelement eine Komponente einer von der geregelten Spannung gespeisten Resonanzstufe zur Speisung der Leuchte ist.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 9, wobei eine Temperaturabhängigkeit der Kernmaterialverluste des Ferritkerns des ersten induktiven Bauelements eine kleinere Schwankungsbreite für einen Betriebstemperaturbereich von 20°C bis 100°C aufweist als die Temperaturabhängigkeit der Kernmaterialverluste des Ferritkerns des zweiten induktiven Bauelements.