DE102010014281A9

DE102010014281A9 - Induktive elektronische Baugruppe und Verwendung einer solchen

Info

Publication number: DE102010014281A9
Application number: DE102010014281A
Authority: DE
Inventors: Stephan Gruber; René Franzky; Winfried Beyer
Original assignee: Exscitron GmbH
Current assignee: Exscitron GmbH
Priority date: 2010-04-08
Filing date: 2010-04-08
Publication date: 2012-11-29
Also published as: DE102010014281A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine induktive elektronische Baugruppe mit einem einen Innenschenkel (12; 29a) sowie mindestens zwei dem Innenschenkel beidseits zugeordnete Seitenschenkel (14, 16; 33a, 35a; 37a, 39a) aufweisenden Kernelement, welches zum Ausbilden eines Transformators mit Wicklungen (N1, N2, N3, N4) versehen ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine erste (N1, N2; 47, 49; 51, 53) der Wicklungen als Reihenschaltung aus zwei Teilwicklungen realisiert ist, von denen eine erste Teilwicklung an einem ersten der Seitenschenkel und eine zweite Teilwicklung an einem zweiten der Seitenschenkel ausgebildet ist, die erste und die zweite Teilwicklung eine Windungszahl und Windungsrichtung aufweisen, die so eingerichtet sind, dass sich ein resultierender magnetischer Fluss der ersten Wicklung im Innenschenkel aufhebt, insbesondere null ist, und eine zweite (N3; 40, 42) der Wicklungen an dem Innenschenkel ausgebildet ist, wobei die erste und/oder die zweite Wicklung zum Realisieren mindestens eines von der jeweils anderen der Wicklungen magnetisch entkoppelten Transformators mindestens zwei separat voneinander kontaktierbare Leiter aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine induktive elektronische Baugruppe nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie eine Verwendung einer solchen elektronischen Baugruppe.
Aus dem Stand der Technik sind Transformatoren allgemein bekannt, bei welchen Wicklungen auf den Schenkeln eines (etwa E-förmigen) Kernelements gebildet sind. Ein typische E-form bildet so einen Innenschenkel sowie zwei dem Innenschenkel benachbarte Seitenschenkel aus. Entsprechend der jeweils vorgesehenen Transformator- bzw. Übertragerfunktionalität sind dann diesen Schenkelwicklungen zugeordnet.
Aus dem Stand der Technik ist es ferner bekannt, Transformatoren als sogenannte Planartransformatoren zu realisieren, indem die Wicklungen in Form von (typischerweise geschichtet vorgesehenen und geeignet verbundenen) Leiterbahnen auf Leiterplatten realisiert sind. Derartige Planarinduktivitäten wirken dann mit einem z. B. aus Ferrit gebildeten Kernelement zusammen, welches in einen Durchbruch einer als Leiterbahnspule („gedruckt”) ausgebildeten Wicklung auf einer zugehörigen Leiterplatte eingreift. Eine derartige Vorgehensweise ermöglicht insbesondere eine automatisierte bzw. Großserienfertigung.
Im Zusammenhang mit komplexen Schaltungstopologien, welche eine Vielzahl von Transformatoren o. dgl. Übertragern einsetzen, entsteht zwangsläufig das Bedürfnis nach effizienterer Realisierung und Verringerung des Bauteileaufwandes, insbesondere im Zusammenhang mit der vorstehend beschriebenen Planartechnologie. Beispielhaft sei zum Anwendungskontext für eine solche Technologie verwiesen auf die deutsche Patentanmeldung 10 2010 010 235 der Anmelderin, welche im Hinblick auf den dort beschriebenen technologischen Kontext als Anwendung für die vorliegende Erfindung in die Offenbarung als zur Erfindung gehörig einbezogen gelten soll und eine Ansteuervorrichtung für eine Mehrzahl von LED-Strängen (als Verbraucher) offenbart, welche jeweils mit einem vorbestimmt aufgeteilten, bevorzugt gleichen Strom beaufschlagt werden. Kern dieser Anwendung ist das Vorsehen geeigneter Transformatoren für jeden dieser Zweige, wobei eine traditionelle Realisierung, insbesondere bei einer hohen Anzahl von in der dort beschriebenen Weise mit vorbestimmt aufgeteiltem Strom zu beschickenden Zweigen bzw. Strängen, eine entsprechende Vielzahl von Transformatoren benötigt. Diese sind, bei typischer Realisierung in Planartechnik, entsprechend aufwendig und mit dem dafür notwendigen Platzbedarf zu gestalten, so dass der Bedarf besteht, den insbesondere für Transformatoren in derartigen Schaltungstropologien (und natürlich auch darüber hinaus) benötigten (Bauteile-)Aufwand zu reduzieren.
Entsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße induktive elektronische Baugruppe zur Realisierung eines Transformators, insbesondere in Planartechnik, so zu verbessern, dass ein notwendiger Bauteileaufwand für eine Mehrzahl von Transformatoren verringert werden kann, insbesondere eine Anzahl benötigter Kernelemente reduziert werden kann und, etwa im Kontext einer Planartechnologie, benötigte Leiterplattenfläche verringert werden kann.
Die Aufgabe wird durch die induktive elektronische Baugruppe mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Auch wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung Schutz beansprucht für eine Verwendung der induktiven elektronischen Baugruppe gemäß Hauptanspruch sowie diesen weiterbildender Unteransprüche bezogen auf eine Stromteilervorrichtung, bei welcher ein sekundärseitig eines ersten Transformators erzeugter Strom auf mindestens zwei unabhängig voneinander angesteuerte Verbraucherzweige aufgeteilt wird, die jeweils einen Transformator aufweisen. Während sich die vorliegende Erfindung insbesondere zur stromgesteuerten Ansteuerung von LED-Reihenschaltungen als Verbraucher eignet, ist die vorliegende Erfindung gleichwohl hierauf nicht beschränkt und bietet sich vielmehr für jegliche Anwendungszwecke an, bei welchen in effizienter Weise eine Mehrzahl von Übertragern bzw. Transformatoren unter Nutzung einer minimalen Anzahl von Kernelementen zu realisieren sind. Dies gilt im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt für Realisierungen mittels Planartechnik, gleichwohl ist auch hierauf die vorliegende Erfindung in ihrer Anwendungsbreite nicht beschränkt.
In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise erreicht die induktive elektronische Baugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung eine magnetische Kopplung zwischen der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung, mit der Konsequenz, dass jede dieser Wicklungen (die jeweils eine Mehrzahl von miteinander magnetisch gekoppelten, separat kontaktierbaren Leitern aufweisen) einen Übertrager bzw. Transformator realisieren kann, ohne dass der durch die erste Wicklung (bzw. ein darin vorhandenes Leiterpaar) realisierte Transformator magnetisch einen Transformator der zweiten Wicklung beeinflusst.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch realisiert, dass die erste Wicklung als Reihenschaltung von zwei Teilwicklungen auf zweien der Seitenschenkel vorgesehen ist, insbesondere gegenüberliegend bezogen auf den Innenschenkel, also als Wicklung mittels zweier aufeinanderfolgend verbundener Abschnitte realisiert ist. Dagegen ist die zweite Wicklung auf bzw. an dem Innenschenkel ausgebildet. Im Hinblick auf die durch die erfindungsgemäßen Wicklungen realisierten magnetischen Flüsse im Kernelement kann dies dann vorteilhaft bewirken, dass ein durch die erste Wicklung (bzw. die zwei auf/an den Seitenschenkeln sitzenden Teilwicklungen) im Innenschenkel bewirkter magnetischer Fluss sich aufhebt bzw. zu Null wird, damit die zweite auf/an dem Innenschenkel gebildete Wicklung nicht magnetisch beeinflusst wird. Dies führt dann erfindungsgemäß vorteilhaft dazu, dass ein und dasselbe Kernelement mindestens zwei voneinander unabhängige Transformatoren ausbilden kann, nämlich wenn die erste Wicklung mit einer entsprechenden Mehrzahl von separat voneinander kontaktierbaren Leitern einen ersten Transformator realisiert und die zweite Wicklung (wiederum mit einer Mehrzahl von Leitern) einen zweiten Transformator realisiert, der dann erfindungsgemäß magnetisch vom ersten Transformator entkoppelt und unabhängig ist.
Während, in der vorstehend angegebenen Allgemeinheit, sich dieser Lösungsansatz prinzipiell diskret mittels geeigneter Spulen auf einem Kernelementkörper realisieren ließe, ist es gleichwohl im Rahmen der Erfindung bevorzugt, Realisierungen in Planartechnik durchzuführen. Für diesen Zweck ist die erste und die zweite Wicklung als Anordnung von Leiterbahnen auf (mindestens) einer Leiterplatte ausgebildet, wobei dann die Kernelemente in Durchbrüche bzw. Vertiefungen in der Leiterplatte im Bereich der Leiterbahnwicklungen eingreifen. Dabei kann dann zum Erreichen der gewünschten Induktivitäten die Wicklung (mit ihren Einzelleitern) auch mehrlagig bei geeigneter vertikaler Kontaktierung realisiert sein, etwa in Form ansonsten bekannter Multilayer-Leiterplatten, ergänzend oder alternativ durch Verwendung einer Mehrzahl von geeignet gestapelt vorgesehener und entsprechend dem Leiterbahnverlauf durchkontaktierter Einzel-Leiterplatten.
Bei Realisierung der vorliegenden Erfindung in Planartechnolgie ist es dann zum Herstellen eines Transformators besonders günstig und bevorzugt, mindestens zwei Leiter einer der Wicklungen parallel und/oder konzentrisch auf einer Leiterplatte zu führen; nicht nur letztlich auf diese Weise die Wicklungsstruktur exakt und gut reproduzierbar vorbestimmbar, auch wird durch das flächige Layout eine jeweils gewünschte magnetische Kopplung einfach konfigurierbar, so dass wiederum eine gute Eignung für kostengünstige Serienfertigung gegeben ist.
Auch wird aus der vorbeschriebenen Darlegung des erfindungsgemäßen Prinzips deutlich, dass die gemäß der Erfindung mittels eines gemeinsamen Kernelements realisierten, gleichwohl magnetisch voneinander entkoppelten Transformatoren im Hinblick auf ihre Transformatoreigenschaften (etwa das Übertragungsverhältnis) völlig unabhängig voneinander realisiert werden können.
Während zudem im einfachsten Realisierungsfall der vorliegenden Erfindung einem Innenschenkel des (gemeinsamen) Kernelements zwei Seitenschenkel (beidseits) zugeordnet sind, ist die vorliegende Erfindung hierauf nicht beschränkt, vielmehr ist die Anzahl der Seitenschenkel als „mindestens zwei” zu verstehen und schließt beispielsweise auch den typischen Realisierungsfall ein, dass dem Innenschenkel beidseits jeweils zwei Seitenschenkel zugeordnet sind, so dass mit diesen vier Seitenschenkeln drei voneinander unabhängige bzw. entkoppelte Transformatoren auf demselben Kernelement realisiert werden können, folgend dem weiterbildungsgemäß vorgesehenen Prinzip, dass zur Realisierung von n unabhängigen Transformatoren 2n – 2 Seitenschenkel des gemeinsamen Kernelements notwendig sind; aus Gründen der fertigungstechnisch erreichbaren Toleranzen (und der durch Toleranzfehler bedingten Verschiebungen bzw. Asymmetrien im Magnetfluss) liegt eine realistische Obergrenze bei n = 8, für weniger präzise Großserienfertigung bei typischerweise n ≤ 4.
Zur praktischen Realisierung der Erfindung ist es dem Fachmann klar, dass typischerweise die erste und die zweite Wicklung gleichsinnig zu wickeln sind, um die gewünschte magnetische Flussaufhebung im Innenschenkel zu erreichen. Auch wird im Regelfall (sofern nicht auf andere Weise eine magnetische Flussbeeinflussung erfolgt) eine vergleichbare Windungszahl der jeweiligen Leiter zum Erreichen eines (das Aufheben ermöglichenden) gleichen Betrages des magnetischen Flusses vorzusehen sein.
Zum Verhindern, dass bei voller Aussteuerung der beiden Transformatoren keiner der Seitenschenkel in die magnetische Sättigung gerät, ist es erfindungsgemäß bevorzugt, einen magnetisch wirksamen Querschnitt des Innenschenkels so auszubilden, dass dieser mindestens 2/3 der Querschnittsfläche eines der Seitenschenkel besitzt. Entsprechend weist bevorzugt jeder Seitenschenkel einen magnetischen Querschnitt auf, welcher maximal die 1,5-fache Querschnittsfläche des Innenschenkels besitzt. In der Verallgemeinerung auf n Transformatoren auf dem gemeinsamen Kernelement lautet dann die Vorgabe an das Verhältnis der Querschnittsfläche eines Seitenschenkels (A_A) zum Innenschenkel (A_I) als A_A:A_I = (2n – 1):(2n – 2).
In erfindungsgemäß bevorzugter und herstellungstechnisch günstiger Weise ist für die Realisierung der Erfindung in Planartechnologie das Kernelement als flacher Körper mit einem (zum Zusammenwirken mit einer Leiterplatte vorgesehenen) Flächenabschnitt ausgebildet, aus welchem einstückige Vorsprünge hervorstehen, welche dann in der vorstehend als bevorzugte Ausführungsformen beschriebenen Weise in Durchbrüche der Leiterbahnen zum Zusammenwirken mit dort vorgesehenen Wicklungen eingreifen können.
Für den Fall, dass die Anzahl der Seitenschenkel eine ganzzahlige Potenz von 2 ist, ergibt sich die vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, dass eine Anzahl der Transformatoren, welche (entkoppelt) auf dem gemeinsamen Kernelement vorsehbar ist, der Anzahl dem Innenschenkel zugeordneter Seitenschenkel entspricht. Hier würde etwa für den Fall von vier dem Innenschenkel zugeordneten Seitenschenkeln gelten, dass vier Transformatoren bzw. Übertrager realisiert werden können, sofern weiterbildungsgemäß eine zusätzliche dritte Wicklung vorgesehen wird. Diese ermöglicht in dieser besonderen symmetrischen Situation eine Entkopplung von der ersten und der zweiten Wicklung, wenn sich die dritte Wicklung über zwei beidseits des Innenschenkels vorgesehene Seitenschenkel erstreckt (wobei auch die dritte Wicklung dann wiederum eine Mehrzahl von einzeln kontaktierbaren Leitern zum Realisieren eines Übertragers bzw. Transformators aufweisen kann). Für diesen Sonderfall würde dann im Hinblick auf das Verhältnis der Querschnittsflächen von Innen- zu Seitenschenkeln (wiederum bei gleicher magnetischer Aussteuerung aller Trafos) gelten: A_A:A_I = (2n – 1):n, wobei wieder A_A der Querschnittsfläche eines Seitenschenkels und A_I der Querschnittsfläche des Innenschenkels entspricht und n die Anzahl der Transformatoren auf dem gemeinsamen Kernelement ist, wenn n eine ganzzahlige Potenz von zwei ist.
Auch für diese besondere Weiterbildungsform der Erfindung gilt (wie auch schon für die davor beschriebenen Ausführungsbeispiele), dass mindestens einer der Transformatoren galvanisch voneinander getrennte Wicklungen aufweisen kann (z. B. zur Netztrennung) oder der Innenschenkel etwa einen Luftspalt (für eine dort untergebrachte Drossel o. dgl.) aufweisen kann. Auch können prinzipiell die Transformatoren für beliebige Topologien und Zwecke ausgebildet sein, etwa als Resonanz-, Gegentakt-, Sperr- oder Flußwandlerransformator.
Besonders relevant ist die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit Schaltungsanordnungen, bei welchen eine Mehrzahl von Transformatoren vorgesehen ist, da hier die erfindungsgemäßen Vorteile besonders zur Geltung kommen. Entsprechend wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung eine Verwendung zur Realisierung einer Stromteilervorrichtung als Schaltung zur Ansteuerung einer Mehrzahl von LED-Strängen o. dgl. Verbrauchern beansprucht, wie sie in der DE 10 2010 010 235 offenbart und als zur vorliegenden Erfindung gehörig in die vorliegende Offenbarung einbezogen gelten soll (und als Weiterbildung der Erfindung beansprucht wird). Konkret wird vorteilhaft beansprucht, dass etwa die Mehrzahl von Transformatoren, welche zur Ansteuerung von vier Verbrauchersträngen bzw. -zweigen mit jeweiliger Stromansteuerung benötigt werden, mittels der induktiven elektronischen Baugruppe der vorliegenden Erfindung, bevorzugt mittels lediglich eines elektronischen Kernelements und zur Realisierung von bis zu vier voneinander entkoppelten Transformatoren, verwendet werden kann.
Im Ergebnis ermöglicht es die vorliegende Erfindung, in überraschend einfacher und effizienter Weise den Bauteileaufwand für Schaltungsrealisierungen mit einer Mehrzahl von Transformatoren signifikant zu realisieren, insbesondere durch die erfindungsgemäß gegebene Möglichkeit, eine Mehrzahl von (magnetisch voneinander unabhängigen und entkoppelten) Transformatoren mittels eines gemeinsamen magnetischen Kernelementes zu realisieren, wobei insbesondere die Planartechnologie zur Realisierung der Wicklungen als gedruckte Leiterbahnen beträchtliche Fertigungsvorteile verspricht.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in
1 eine schematische Darstellung eines Kernelements mit Innenschenkel und zwei Seitenschenkeln zum Verdeutlichen des Grundprinzips der vorliegenden Erfindung;
2 ein Schaltbild mit zwei unabhängigen Transformatoren, die jeweils vier Leiter aufweisen, realisierbar mit dem Grundprinzip der 1;
3 ein Leiterbahnlayout einer Leiterplattenoberfläche zum Realisieren der Schaltungstopologie der 2 (in nicht gezeigter Schichtanordnung);
4 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung mit drei bzw. vier Transformatoren in der Weiterentwicklung des Grundprinzips der 1 bis 3 auf vier Seitenschenkeln;
5 ein zugehöriges Leiterplattenlayout einer entsprechenden Leiterplatte (als Teil einer Schichtanordnung);
6 eine Perspektivdarstellung eines einstückigen Kernelementes (Kernhälfte), ein Paar davon dient zur Realisierung der Ausführungsbeispiele der 3 bis 5;
7 eine schematische Darstellung analog zu 1 zum Verdeutlichen des Sonderfalls der Erhöhung der Anzahl der unabhängig voneinander auf einem Transformatorenkern betreibbaren Transformatoren bei Anzahl der Seitenschenkel = ganzzahlige Potenz von 2, und
8 eine Prinzipdarstellung zur Anordnung der vier Transformatoren auf dem Kern der 6.
Die 1 verdeutlicht das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung, wobei in schematisch gezeigter Weise auf einem Kernelement 10, welches einen Innenschenkel 12 sowie zwei Seitenschenkel 14, 16 (einander beidseits des Innenschenkels 12 benachbart) aufweist, zwei Wicklungen N1/N2 einerseits sowie N3 andererseits vorgesehen sind. Genauer gesagt ist die erste Wicklung eine Reihenschaltung aus zwei Teilwicklungen N1 sowie N2, welche in der gezeigten Weise auf den Seitenschenkeln 14, 16 vorgesehen sind und im dargestellten Ausführungsbeispiel symmetrisch im Hinblick auf eine Wicklungszahl (sowie einen effektiven magnetischen Querschnitt der jeweiligen Schenkel 14, 16) gestaltet sind. Die zweite Wicklung N3 ist auf dem Innenschenkel 12 gebildet.
Erfindungsgemäß vorteilhaft ermöglicht eine solche Anordnung eine magnetische Entkoppelung der jeweiligen Wicklungen (welche zudem, wie nachfolgend im Detail zu beschreiben sein wird, jeweils mit einer Mehrzahl von unabhängigen voneinander kontaktierbaren Leitern jeweils untereinander Transformatoren oder dergleichen Übertrager ausbilden können). So erzeugt zunächst die Teilwicklung N1 bei Bestromung einen (in der Figur nicht näher gezeigten) magnetischen Fluss im Kern 10, welcher vom Betrag her einem von der Teilwicklung N2 erzeugten magnetischen Fluss entspricht und in gleicher Richtung verläuft. Im Hinblick auf den Innenschenkel 12 ist dann dieser Flussverlauf neutral, denn dort würden sich jeweilige von den Teilwicklungen erzeugte magnetische Flüsse (da gegeneinander fließend) neutralisieren bzw. aufheben.
Ergänzend erzeugt die zweite Wicklung N3 einen magnetischen Fluss im Kern, welcher sich, wie durch die Flusspfeile PHI 1 bzw. PHI 2 gezeigt, gleichmäßig in die Seitenschenkel 14 bzw. 16 aufteilen. Diese magnetischen Flüsse der zweiten Wicklung N3 induzieren dann in den Teilwicklungen N1 bzw. N2 Ströme bzw. Spannungen (U/2 in der 1), die sich – gleiche magnetische Weglänge vom Innenschenkel 12 in beide Seitenschenkel 14, 16 angenommen – neutralisieren und aufheben. Dies führt insgesamt dazu, dass die erste Wicklung (N1 und N2) keinen magnetischen Einfluss auf die zweite Wicklung N3 besitzt und umgekehrt, mit der vorteilhaften Wirkung, dass dieselbe Kerneinheit 10, mit der gezeigten Anordnung aus Innenschenkel 12 und (mindestens) zwei Seitenschenkeln (hier: Außenschenkeln) 14, 16 zwei unabhängig voneinander betreibbare Wicklungen (Wicklungssysteme, wenn diese als Anordnung einer Mehrzahl von Leitern begriffen werden), magnetisch voneinander entkoppelt, aufnehmen kann.
Das Schaltbild der 2 verdeutlicht eine Umsetzung dieses in der 1 lediglich schematisch gezeigten Prinzips in der Praxis. So zeigt die obere Hälfte des Schaltbilds der 2 einen Transformator mit zwei Spulenpaaren (also insgesamt vier Einzelspulen), TR1-A bis TR1-D. Im unteren Bereich zeigt die 2 zwei weitere Teiltransformatoren TR2A sowie TR2B, welche zusammen wiederum jeweils zwei Spulenpaare ausbilden.
Dadurch, dass die vier Einzelspulen TR1-A bis TR1-D als einzelne Leiter gemeinsam gewickelt die Wicklung N3 auf dem Innenschenkel 12 realisieren (bzw. einem entsprechenden Planar-Äquivalent), die vier Einzelspulen TR2A-A bis TR2A-D als jeweils einzelne Leiter die Teilwicklung N1 auf dem Seitenschenkel 14 realisieren und die vier Einzelspulen TR2B-A bis TR2B-D als Leiter der zweiten Teilwicklung N2 realisiert sind, ist eine Mehrfach-Transformator-Anordnung geschaffen, bei welcher sämtliche Spulen des Transformators TR1 von den Transformatoren TR2 magnetisch entkoppelt sind und völlig unabhängig voneinander betrieben werden können, auch wenn sie auf einem gemeinsamen Kernelement sitzen.
Die 3 verdeutlicht in der Art eines Leiterbahn-Layouts die Möglichkeit, eine derartige Schaltungsanordnung mit gemeinsamem Kern (6) mittels Leiterbahnen planar zu realisieren. So zeigt das Layout der 3 eine Leiterbahnschicht (z. B. als Teil eines Multilayer bzw. als Teil einer Mehrlagen-Anordnung mehrerer Leiterplatten), welche beidseits einer mittleren Spule 30 einends ein erstes Spulenpaar 32, 34, anderenends ein zweites Spulenpaar 36, 38 besitzt, und zwar jeweils realisiert als Leiterbahnstrukturen auf einer Leiterplatte 31. Diese weist zudem an den Positionen 29 sowie 33, 35 bzw. 37, 39 Durchbrüche auf, in welche Kernelemente (eines dargestellt in 6) so eingesetzt werden können, dass Vorsprünge 29a, 33a, 35a bzw. 37a, 39a der einstückig aus Ferritmaterial gebildeten plattenförmigen Kerneinheiten, eine wie gezeigt von unten und die andere gedreht von oben, mit den jeweiligen (hier kreisförmigen bzw. ovalen) Durchbrüchen zusammenwirken können und magnetisch die gewünschte Kernfunktionalität für die jeweiligen Wicklungen anbieten.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel stellt dabei die mittlere Spule 30 (im Zusammenwirken mit dem Kernabschnitt 29a) lediglich eine Spule des aus vier Spulen (Wicklungen) bestehenden Vierfach-Transformators TR1 gemäß 2 dar; die weiteren Spulen würden dann durch geeignet geschichtete und separate kontaktierte Leiterbahn-Lagen realisiert.
Entsprechend stellt die Doppel-Leiterbahnspule 32, 34 lediglich ein Paar (z. B. TR2A-A und TR2A-B) des ersten, auf dem Seitenschenkel gebildeten Transformators dar, wobei hier die Kernabschnitte 33a und 35a (im Zusammenwirken mit den jeweiligen Leiterbahndurchbrüchen 33 bzw. 35) als gemeinsamer Kernabschnitt gelten, und eine entsprechend überlagerte Leiterbahnschicht kann entweder, wenn separat kontaktiert, die weiteren Spulen bzw. Spulenpaaren dieses Transformators ausbilden kann, oder aber, da ein Spulenverlauf des zueinander parallelen Leiterbahnpaares 32, 34 von außen nach innen verläuft, eine Rückführung des Leiterbahnverlaufs derselben Spulen nach außen vornehmen.
Diese Beschreibung gilt analog für den gegenüberliegenden Seitenschenkel mit dem Spulenpaar 36, 38, im Zusammenwirken mit dem zugehörigen Kernabschnitt 37a bzw. 39a (hier als gemeinsamer Schenkel begriffen).
Im Ergebnis verdeutlich dieses Ausführungsbeispiel, wie mit geringem Bauteileaufwand und fertigungstechnisch günstig eine Mehrzahl voneinander unabhängiger Transformatoren realisiert werden kann.
Im Zusammenhang mit den 4 bis 6 wird eine weitere Steigerung der Integration erreicht. Hier wird zwar dasselbe einstückige Kernelement gemäß 6 verwendet, dies dient jedoch nunmehr dazu, insgesamt drei voneinander entkoppelte Transformatoren aufzunehmen.
Diesen Anwendungskontext verdeutlicht das Schaltbild der 4, welches i. ü. der 4 der deutschen Patentanmeldung 10 2010 010 235 der Anmelderin entspricht und im Hinblick auf die dortige zugehörige Beschreibung als in die vorliegende Offenbarung als zur Erfindung gehörig einbezogen gelten soll. Konkret handelt es sich um eine Stromteilerschaltung, welche sekundärseitig eines Haupttransformators TR1 (mit Mittenanzapfung) insgesamt drei Transformatoren TR2, TR4 sowie TR5 vorsieht, welche jeweils paarweise angeordnet vier Einzelspulen aufweisen. Diese drei Teilertransformatoren TR2, TR4 und TR5 sind mit Hilfe einer vier-lagigen Anordnung des Planar-Layouts der 5 realisiert, wie nachfolgend erläutert wird. So zeigt die 5 zunächst eine oval verlaufende und zwei zueinander parallele Leiterbahnen als separate Spulen aufweisende Wicklungen 40 und 42 zur Realisierung eines Teils des ersten Transformators TR2; im vorliegenden Beispiel könnten etwa gedruckten Spulenleiter 40, 42 das Übertragerpaar TR2-A, TR2-C in 4 ausbilden. Diese sind, wiederum mit einem ovalen Mittendurchbruch 43 in der zugehörigen Leiterplatte 44 zum Zusammenwirken mit dem Vorsprung 29a des Kernelements gemäß 6 ausgebildet und verlaufen zu einem Kontaktende im Innenbereich, von wo aus eine (nicht gezeigte) Durchkontaktierung zu einer auf- oder unterliegenden Leiterbahnschicht für das Paar von Leiterbahnen 40, 42 erfolgt, wodurch diese dann zurück zu einem anschlussfähigen Außenbereich geführt werden. Entsprechend würde eine Schichtanordnung von vier Lagen des in 5 gezeigten Layouts für die Leiterbahnspulen 40, 42 die vier Einzelspulen des Transformators TR2, mit dem gemeinsamen Kernabschnitt 29a, realisieren.
Vier weitere, hier ringförmige gedruckte Leiterbahn-Doppelspulen 46, 48, 50, 52 (jeweils mit innenliegendem Durchbruch 47, 49, 51 bzw. 53) ermöglichen nunmehr das Realisieren der Transformatoren TR4 (z. B. durch die Doppelspulen 46, 48) bzw. TR5 (50 und 52). Genauer gesagt ermöglichen auch hier aufliegende und nicht gezeigte weitere Lagen des Layouts gemäß 5, dass zum einen die jeweiligen gedruckten Spulenpaare zur externen Kontaktierung wieder zurück nach außen geführt werden (durch entsprechende, nicht gezeigte vertikale Durchkontaktierungen), darüber hinaus bieten weitere aufliegende Leiterbahnschichten der gezeigten Planaranordnung die zusätzlichen weiteren, verkoppelten Einzelspulen der jeweiligen Transformatoren an.
Auf die in den 4 bis 6 gezeigte Weise ist damit eine Vorrichtung realisiert, welche mittels Kernelementen, mit einem Innen- und vier Außenschenkeln insgesamt drei voneinander magnetisch entkoppelte und unabhängige Transformatoren (mit jeweils vier Einzelspulen bzw. -leitern) realisiert, folgend der Eingangs beschriebenen Lehre, dass bei n (hier: drei) Transformatoren auf einem gemeinsamen Kern dieser dann 2n – 2 (hier: vier) Außen- bzw. Seitenschenkel neben dem Innenschenkel aufweisen muss.
Die 7 und 8 zeigen für den hier vorliegenden Sonderfall, dass die Anzahl der Seitenschenkel (hier: vier) eine ganzzahlige Potenz von 2 ist, wie auf dem einen Kernelement sogar eine Anzahl von Transformatoren (voneinander entkoppelt) vorgesehen sein kann, welche der Zahl der Seitenschenkel selbst entspricht (hier: also auch vier).
Dies wird zunächst, analog zur Darstellung der 1, anhand der Prinzipdarstellung der 7 verdeutlicht (wobei die zur 1 gewählten Bezugszeichen gelten). Diese Anordnung enthält mit der Spulen N4 eine weitere Wicklung, welche sich in der dargestellten Weise am Innenschenkel 12 vorbei, sowie über beide Seitenschenkel 14, 16 erstreckt. Auch der in den weiteren Wicklungen N1/N2 sowie N3 (aus Gründen der Übersichtlichkeit in 7 nicht gezeigt) verhält sich die zusätzliche Wicklung N4 bei Bestromung neutral und führt zu induzierten Spannungen bzw. Strömen, welche sich neutralisieren bzw. aufheben, so das in der gezeigten Weise vier unabhängige Transformatoren realisierbar sind.
Die Schemadarstellung der 8 verdeutlicht eine Konkordanz zwischen diesen Wicklungen, wobei, bei Realisierung durch entsprechende Schichtanordnungen einer Mehrzahl von gedruckten Leiterbahnstrukturen (analog 5, wobei zusätzlich die 3 eine Schicht ausbilden würde) diese Technologie in Planartechnik zu realisieren sein könnte.
Wie in der 8 gezeigt, würden die (Teil-)Wicklungen N1, N2 dupliziert auf den Seitenschenkeln jeweils benachbart des Innenschenkels des gemeinsamen Kerns (6) vorgesehen sein (L3 und L4). Die Wicklung N4 würde durch das sich über alle Seitenschenkel erstreckende Leiterbahnmuster (L2) realisiert, und die Wicklung N3 würde um den Innenbereich des Kernelements, entsprechend insoweit dem Innenschenkel, gewunden sein (L1).
Angewendet auf das Schaltbild der 4 würde dies bedeuten, dass zusätzlich zu den bereits wie vorstehend beschrieben drei unabhängig realisierten Transformatoren TR2, TR4 und TR5 ergänzend der Haupttransformator TR1 (mit einer primärseitigen und zwei sekundärseitigen Wicklungen) realisiert werden könnte, wobei hier dann die in 8 dargestellte mittlere Wicklung L1 den Primärtransformator TR1 realisieren würde, die auf den Seitenschenkeln vorgesehenen 13 bzw. 14 die Transformatoren TR4 bzw. TR5 und die große Außenwicklung 12 dann den Transformator TR2 realisieren würde. In der praktischen Umsetzung würde dann eine Schichtanordnung aus vier Lagen gemäß 5 überlagert von vier Lagen der Schichtanordnung der 3 (z. B. könnten aus 3 die Wicklungen 32, 34 entsprechend verschaltet mit 36, 38 die TR2-A und TR2-C bilden, die Wicklung 30 kann die in 4 nicht gezeigte Primärwicklung von TR1 sein, aus 5 können dann die Wicklungen 40, 42 die Sekundärseite von TR1 bilden, die Spulenpaare 46, 48 bilden TR4-A und TR4-C, und 50, 52 bilden entsprechen TR5-A und TR5-C).
Im Ergebnis ermöglicht es die vorliegende Erfindung, bei geeigneter Ausgestaltung einer Struktur aus Innen- und Seitenschenkeln eines gemeinsamen Kernelements auf diesem eine Mehrzahl von magnetisch voneinander entkoppelten Transformatoren vorzusehen, was insbesondere günstig für die Realisierung mittels Planartechnik, nicht jedoch darauf beschränkt ist. Grade im Hinblick auf Anwendungen mit einer Vielzahl von Transformatoren bzw. Übertragern lässt sich so der notwendige Bauteileaufwand drastisch reduzieren, mit entsprechenden Auswirkungen auf die fertigungs- und produktionstechnisch realisierbaren Effizienzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010010235 [0004, 0018, 0040]

Claims

Induktive elektronische Baugruppe mit einem einen Innenschenkel (12; 29a) sowie mindestens zwei dem Innenschenkel beidseits zugeordnete Seitenschenkel (14, 16; 33a, 35a; 37a, 39a) aufweisenden Kernelement, welches zum Ausbilden eines Transformators mit Wicklungen (N1, N2, N3, N4) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste (N1, N2; 47, 49; 51, 53) der Wicklungen als Reihenschaltung aus zwei Teilwicklungen realisiert ist, von denen eine erste Teilwicklung an einem ersten der Seitenschenkel und eine zweite Teilwicklung an einem zweiten der Seitenschenkel ausgebildet ist, die erste und die zweite Teilwicklung eine Windungszahl und Windungsrichtung aufweisen, die so eingerichtet sind, dass sich ein resultierender magnetischer Fluss der ersten Wicklung im Innenschenkel aufhebt, insbesondere null ist, und eine zweite (N3; 40, 42) der Wicklungen an dem Innenschenkel ausgebildet ist, wobei die erste und/oder die zweite Wicklung zum Realisieren mindestens eines von der jeweils anderen der Wicklungen magnetisch entkoppelten Transformators mindestens zwei separat voneinander kontaktierbare Leiter aufweist.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Wicklung als Leiterbahnen auf mindestens einer Leiterplatte (31; 44) ausgebildet sind, die zum magnetischen Zusammenwirken mit dem Kernelement Durchbrüche (33, 35, 37, 39; 47, 49, 51, 53) und/oder Vertiefungen für die Schenkel realisierende Abschnitte des Kernelements aufweist.
Baugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Leiter der ersten und/oder der zweiten Wicklung zumindest abschnittsweise parallel und/oder konzentrisch verlaufend auf einer gemeinsamen Leiterplatte zum Erreichen einer magnetischen Kopplung miteinander geführt sind.
Baugruppe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte eine Multilayerstruktur für eine Mehrzahl von Leiterbahnschichten der Wicklungen ausbildet und/oder Teil einer Schichtanordnung einer Mehrzahl von Leiterplatten ist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Realisieren von n jeweils magnetisch voneinander unabhängiger und/oder entkoppelter Transformatoren dem Innenschenkel 2n – 2 Seitenschenkel des gemeinsamen Kernelements zugeordnet sind, wobei n eine natürliche Zahl ≥ 2 und ≤ 12, bevorzugt ≤ 8, weiter bevorzugt ≤ 4, ist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement so ausgebildet ist, dass ein Verhältnis der magnetisch wirksamen Querschnittsfläche eines der Seitenschenkel bezogen auf die Querschnittsfläche des Innenschenkels bei n Seitenschenkeln mindestens (2n – 1):(2n – 2) beträgt.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein auf dem Innenschenkel mit mindestens zwei Leitern realisierter Transformator ein erstes Teilungsverhältnis ausweist, ein auf zwei der Seitenschenkel mit mindestens zwei Leitern realisierter Transformator ein zweites Teilungsverhältnis aufweist und das erste und das zweite Teilungsverhältnis unabhängig voneinander eingerichtet, insbesondere voneinander verschieden sind.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernelement einen zum Zusammenwirken mit einer Leiterplatte plan ausgebildeten Flächenabschnitt aufweist, von dem sich mindestens eine den Innenschenkel oder eine der Seitenschenkel realisierende Erhebung (33a, 35a, 37a, 39a, 29a) einstückig angeformt erstreckt.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine vierte Wicklung (N4), welche sich über zwei beidseits des Innenschenkels vorgesehene der Seitenschenkel erstreckt und bevorzugt eine Mehrzahl von einzeln kontaktierbaren Leitern aufweist.
Verwendung der induktiven elektronischen Baugruppe in einer Stromteilervorrichtung, insbesondere zum Betreiben von einer Mehrzahl strangartig angeordneten LEDs, bei welcher Stromteilervorrichtung ein sekundärseitig eines ersten Transformators erzeugter Strom auf mindestens zwei unabhängig voneinander angesteuerte Verbraucherzweige mit mindestens einem zweiten Transformator aufgeteilt wird.
Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Transformator und der mindestes eine zweite Transformator auf der Basis eines gemeinsamen Kernelements der Baugruppe realisiert sind, wobei die zweite Wicklung den ersten Transformator ausbildet.
Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, vier Leiter aufweisende Wicklung den zweiten Transformator realisiert.
Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass vier Verbraucherzweige mittels zwei der zweiten Transformatoren mit einem gemeinsamen Kernelement der Baugruppe so realisiert sind, dass die Transformatoren, bezogen auf den Innenschenkel des Kernelements, auf einander benachbarten Paaren von Seitenschenkel gebildet sind und jeweils vier Leiter aufweisen.
Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Transformatoren und ein dem zweiten Transformatoren vorgschalteter Transformator gemeinsam auf einer geschichteten Anordnung von Leiterplatten mit in Ausnehmungen und/oder Durchbrüchen der Leiterplattenanordnung eingreifenden Abschnitten des Kernelements vorgesehen sind, wobei jeder Leiter sich über mindestens zwei Leiterplatten der Leiterplattenanordnung erstreckt.