DE102012003365A1 - Planar intrinsically safe transducer, has layer structure whose two circuits are galvanically separated from each other by insulation layers and magnetic layers that are separated from each other and assigned with different potentials - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Interfacetechnik mit elektronischen Bauelementen, die für Mess-, Steuer- und Regelungsaufgaben, insbesondere als Trennverstärker, eingesetzt werden können. Diese Trennverstärker stellen eine galvanische Trennung zwischen einem Primärkreis und einem Sekundärkreis bereit und sind beispielsweise für einen eigensicheren Betrieb geeignet.The present invention relates generally to the field of interface technology with electronic components that can be used for measurement, control and regulation tasks, in particular as a buffer amplifier. These isolation amplifiers provide a galvanic isolation between a primary circuit and a secondary circuit and are suitable, for example, for intrinsically safe operation.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Übertrager, insbesondere einen planaren, nicht störanfälligen Übertrager, der für eigensichere Stromkreise geeignet ist und im Folgenden als planarer eigensicherer Übertrager bezeichnet wird.The present invention relates to a transformer, in particular a planar, non-interference-prone transformer, which is suitable for intrinsically safe circuits and is referred to below as a planar intrinsically safe transformer.
Eigensichere Übertrager oder Transformatoren werden zur galvanischen Trennung von Stromkreisen nach verschiedenen Normen eingesetzt, wobei über die Übertrager sowohl Energie als auch Signale und/oder Daten übertragen werden können.Intrinsically safe transformers or transformers are used for the galvanic isolation of circuits according to various standards, whereby both energy and signals and / or data can be transmitted via the transformers.
In verschiedenen Vorschriften und Normen, beispielsweise
Eigensichere Übertrager sind hinsichtlich der Geometrie derart ausgelegt und optimiert, dass die benötigten Trennabstände für ein bestimmtes Schutzniveau sichergestellt werden. Dies kann sowohl durch gewickelte Spulen als auch durch gedruckte oder geätzte Spulen auf Leiterplatten gewährleistet werden. Dabei ist bei gedruckten oder geätzten Spulen von Vorteil, dass keine zusätzlichen Wicklungsprozesse benötigt werden und eine gute Reproduzierbarkeit gewährleistet werden kann. Weitere Vorteile können in einer verbesserten thermischen Eigenschaft bei gleichem Kernvolumen liegen. Ferner können Herstellungskosten geringer ausfallen.Intrinsically safe transformers are designed and optimized in terms of geometry in such a way that the required separation distances for a certain level of protection are ensured. This can be ensured both by wound coils and by printed or etched coils on printed circuit boards. In the case of printed or etched coils, it is advantageous that no additional winding processes are required and good reproducibility can be ensured. Further advantages may lie in an improved thermal property with the same core volume. Furthermore, manufacturing costs can be lower.
In
In
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Miniaturisierungsmöglichkeiten der oben beschriebenen planaren Übertrager vorzuschlagen, insbesondere eine Miniaturisierung von eigensicheren planaren Übertragern zu ermöglichen.It is an object of the present invention to propose miniaturization possibilities of the above-described planar transformers, in particular to enable miniaturization of intrinsically safe planar transformers.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved by the features of
Erfindungsgemäß wird ein planarer eigensicherer Übertrager bereitgestellt mit einem Schichtaufbau, beispielsweise in Form einer oder mehrerer Leiterplatten. Der Schichtaufbau kann eine Mehrzahl von Stromkreisen aufweisen, wobei mindestens ein erster Stromkreis und mindestens ein zweiter Stromkreis eigensicher oder galvanisch voneinander isoliert werden. Ferner weist der Übertrager eine erste magnetische Schicht und eine zweite magnetische Schicht auf, wobei die erste magnetische Schicht eine erste Seite des Schichtaufbaus begrenzt und die zweite magnetische Schicht eine zweite Seite des Schichtaufbaus begrenzt.According to the invention, a planar intrinsically safe transformer is provided with a layer structure, for example in the form of one or more printed circuit boards. The layer structure may comprise a plurality of circuits, wherein at least one first circuit and at least one second circuit are intrinsically safe or galvanically isolated from each other. Furthermore, the transformer has a first magnetic layer and a second magnetic layer, wherein the first magnetic layer delimits a first side of the layer structure and the second magnetic layer delimits a second side of the layer structure.
Der Übertrager weist somit mindestens einen ersten Stromkreis und mindestens einen zweiten Stromkreis innerhalb eines Schichtaufbaus auf, wobei der erste Stromkreis und der zweite Stromkreis galvanisch voneinander durch mindestens eine Isolationsschicht getrennt sind. Der ersten magnetischen. Schicht und der zweiten magnetischen Schicht können unterschiedliche Potentialgruppen oder Stromkreise zugewiesen werden. The transformer thus has at least one first circuit and at least one second circuit within a layer structure, wherein the first circuit and the second circuit are galvanically separated from each other by at least one insulating layer. The first magnetic. Layer and the second magnetic layer can be assigned to different potential groups or circuits.
Der erste Stromkreis ist hierbei beispielsweise der Primärkreis und der zweite Stromkreis ist hierbei beispielsweise der Sekundärkreis eines Transformators. Ferner weist der Übertrager oder Transformator eine erste magnetische Schicht und eine zweite magnetische Schicht auf, wobei die erste magnetische Schicht eine erste Seite des Schichtaufbaus begrenzt und die zweite magnetische Schicht eine zweite Seite des Schichtaufbaus begrenzt. Es ist vorgesehen, dass die erste magnetische Schicht und die zweite magnetische Schicht voneinander getrennt sind und unterschiedlichen Potentialgruppen bzw. Stromkreisen zugewiesen werden können.The first circuit is in this case, for example, the primary circuit and the second circuit is in this case, for example, the secondary circuit of a transformer. Further, the transformer or transformer has a first magnetic layer and a second magnetic layer, wherein the first magnetic layer defines a first side of the layer structure and the second magnetic layer defines a second side of the layer structure. It is provided that the first magnetic layer and the second magnetic layer are separated from one another and can be assigned to different potential groups or circuits.
Die beiden magnetischen Schichten bilden somit magnetische Kerne bzw. Kernteile, die galvanisch von den am nächsten liegenden Stromkreisen durch z. B. Lack getrennt sind, damit Windungen der Spulen von einer magnetischen Schicht nicht kurzgeschlossen werden können.The two magnetic layers thus form magnetic cores or core parts that are galvanically separated from the closest circuits by z. B. paint are separated so that turns of the coils can not be short-circuited by a magnetic layer.
Die technische Lösung liegt somit darin, einen Übertrager mit einem nicht geschlossenen bzw. stark geöffneten Magnetkern bereitzustellen, bei dem eine erste magnetische Schicht und eine zweite magnetische Schicht voneinander getrennt sind und unterschiedliche Potentiale aufweisen können oder unterschiedlichen Stromkreisen zugewiesen werden können. Der Übertrager kann einen Schichtaufbau aufweisen, der auf einer mehrschichtigen gedruckten Schaltungsplatte basiert. Auch können Ätzverfahren zur Herstellung des Schichtaufbaus verwendet werden.The technical solution is therefore to provide a transformer with a non-closed or strongly opened magnetic core, in which a first magnetic layer and a second magnetic layer are separated from each other and may have different potentials or different circuits can be assigned. The transmitter may have a layer structure based on a multilayer printed circuit board. Also, etching methods for producing the layer structure can be used.
Es wird somit ein Übertrager oder Transformator bereitgestellt, dessen magnetischer Kern aufgetrennt ist. Es kann synonym von mehreren gekoppelten Spulen gesprochen werden, deren magnetische Felder mit schirmenden Ferriten geführt werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann auch der Begriff eines Transformators mit Luftspalt gewählt werden.Thus, a transformer or transformer is provided whose magnetic core is separated. It can be synonymous of several coupled coils are spoken, the magnetic fields are conducted with shielding ferrites. Alternatively or additionally, the term of a transformer with an air gap can also be selected.
Der erfindungsgemäße Übertrager oder Transformator kann alle der
Erfindungsgemäß wird die Gesamtdicke eines Übertragers verringert oder minimiert. Dies ist vor allem von Vorteil, wenn die Übertrager in schmale Gehäuse integriert werden sollen, die beispielsweise eine Gesamtdicke von ca. 6 mm aufweisen und wenn innerhalb des Gehäuses maximal etwa 4,5 mm Platz zur Verfügung steht. Somit ist es ein besonderer Vorteil der Erfindung einen eigensicheren Übertrager bereitstellen zu können, der eine Gesamtdicke von beispielsweise 4,5 mm nicht übersteigt. Ein Vorteil der Erfindung ist es, dass die Bauhöhe des eigensicheren Übertragers bei gleichbleibenden horizontalen Ausmaßen verringert wird.According to the invention, the total thickness of a transformer is reduced or minimized. This is particularly advantageous if the transformers are to be integrated into narrow housings which have, for example, a total thickness of approximately 6 mm and if a maximum of approximately 4.5 mm space is available within the housing. Thus, it is a particular advantage of the invention to be able to provide an intrinsically safe transformer which does not exceed a total thickness of, for example, 4.5 mm. An advantage of the invention is that the overall height of the intrinsically safe transformer is reduced at constant horizontal dimensions.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Übertragers ist der erste Stromkreis auf einer ersten Schicht angeordnet und der zweite Stromkreis auf einer zweiten Schicht angeordnet, wobei zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht jeweils eine Isolationsschicht angeordnet ist. Die Isolationsschicht kann hierbei als Hauptisolationsschicht angesehen werden, während auch weitere Isolationsschichten als Nebenisolationsschichten innerhalb des ersten und/oder zweiten Stromkreises verwendet werden können, um beispielsweise elektrisch leitfähige Spulen mit mehreren Windungen bereitzustellen, indem beispielsweise die Stromkreise mehrere Schichten aufweisen, die über einen elektrischen Kontakt, beispielsweise innerhalb der Nebenisolation, verbunden werden können.According to one exemplary embodiment of the transformer according to the invention, the first circuit is arranged on a first layer and the second circuit is arranged on a second layer, an insulation layer being arranged in each case between the first layer and the second layer. The insulation layer may be considered as a main insulation layer, while other insulation layers may be used as sub-insulation layers within the first and / or second circuit to provide, for example, electrically conductive coils with multiple turns, for example, by the circuits having multiple layers via an electrical contact , For example, within the secondary insulation, can be connected.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Übertragers kann vorgesehen werden, dass der erste Stromkreis an die erste magnetische Schicht angrenzt und der zweite Stromkreis an die zweite magnetische Schicht angrenzt.According to one embodiment of the transformer according to the invention can be provided that the first circuit adjacent to the first magnetic layer and the second circuit adjacent to the second magnetic layer.
Auf diese Weise können die übrigen herkömmlichen Isolationen am magnetischen Kern, insbesondere zwischen den einzelnen Stromkreisen und dem Kern weggelassen werden, da der Kern in mehrere Anteile aufgetrennt wird und die einzelnen Anteile des Kerns den jeweils am nächsten liegenden Stromkreisen und deren Potentialen zugeordnet werden können. Dies ist unter anderem möglich, da die Anteile des magnetischen Kerns unterschiedliche Potentiale annehmen können und elektrisch und mechanisch nicht miteinander verbunden sind.In this way, the other conventional insulation on the magnetic core, in particular between the individual circuits and the core can be omitted, since the core is separated into several parts and the individual components of the core can be assigned to the respective closest circuits and their potentials. This is possible, among other things, since the proportions of the magnetic core can assume different potentials and are not connected to one another electrically and mechanically.
Es ist somit vorgesehen, dass der erste Stromkreis an die erste magnetische Schicht angrenzt und der zweite Stromkreis an die zweite magnetische Schicht angrenzt. In diesem Zusammenhang ist unter ”angrenzen” zu verstehen, dass sich die Schichten in unmittelbarer Nähe befinden, sich aber nicht berühren müssen, da beispielsweise zwischen den Schichten eine Lackschicht vorhanden ist.It is thus provided that the first circuit is adjacent to the first magnetic layer and the second circuit is adjacent to the second magnetic layer. In this context, "adjoining" means that the layers are in the immediate vicinity, but do not have to touch because, for example, between the layers, a lacquer layer is present.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Übertragers kann vorgesehen werden, dass der erste Stromkreis und der zweite Stromkreis einen Mindestisolationsabstand T0 zueinander aufweisen und an keinem geometrischen Ort zwischen dem ersten Stromkreis und dem zweiten Stromkreis der Mindestisolationsabstand T0 unterschritten wird.According to one embodiment of the transformer according to the invention can be provided be that the first circuit and the second circuit have a minimum isolation distance T0 to each other and at no geometric location between the first circuit and the second circuit of the minimum isolation distance T0 is exceeded.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Übertragers kann eine Gesamtisolationsdicke zwischen der ersten magnetischen Schicht und der zweiten magnetischen Schicht von (N – 1) × T0 vorgesehen werden, wobei T0 der Mindestisolationsabstand ist und N die Anzahl der sicher galvanisch voneinander getrennten Stromkreise ist. Somit findet eine Reduzierung der Anzahl der Isolationsschichten in vertikaler Richtung (Richtung entlang des Schichtenaufbaus) bei N eigensicher getrennten Wicklungen derart statt, dass die benötigte Gesamtisolationsschicht in der vertikalen Dimension zwischen den magnetischen Kernteilen des Übertrages nur (N – 1) mal die Mindestdicke von T0 beträgt, also (N – 1) × T0 statt herkömmlich N × T0.According to one embodiment of the transformer according to the invention, a total insulation thickness between the first magnetic layer and the second magnetic layer of (N-1) × T0 can be provided, where T0 is the minimum isolation distance and N is the number of surely galvanically isolated circuits. Thus, a reduction in the number of insulating layers in the vertical direction (direction along the layer structure) takes place with N intrinsically separate windings such that the total required insulation layer in the vertical dimension between the magnetic core parts of the transmission is only (N-1) times the minimum thickness of T0 is, that is, (N-1) × T0 instead of conventionally N × T0.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Übertragers ist bei einer geforderten Mindestisolationsdicke T0 einer Isolationsschicht von etwa 1 mm die Gesamtdicke des Übertragers nicht mehr als etwa 4 mm. Bei der Gesamtdicke des Übertragers werden Dicken von Leiterbahnen, Isolationsmaterialien, Ferriten, Lacken, etc. berücksichtigt.According to one embodiment of the transformer according to the invention, with a required minimum insulation thickness T0 of an insulation layer of about 1 mm, the total thickness of the transformer is not more than about 4 mm. In the total thickness of the transformer thicknesses of printed conductors, insulation materials, ferrites, paints, etc. are taken into account.
Ferner wird der Platzbedarf des Übertragers verringert oder minimiert. Dies erhöht den verfügbaren Platz für beispielsweise andere elektronische Komponenten und kann zum Beispiel durch höhere Frequenzen und/oder andere Materialien ermöglicht werden.Furthermore, the space requirement of the transformer is reduced or minimized. This increases the available space for, for example, other electronic components, and may be enabled by, for example, higher frequencies and / or other materials.
Auch kann die Geometrie der magnetischen Kerne bzw. Kernteile derart optimiert oder minimiert werden, so dass der Platzbedarf minimal wird und die geometrische Form der Kerne bzw. Kernteile möglichst einfach wird. Dies steht in Einklang zu einer geforderten Kostenoptimierung von Elektronikgeräten, die eigensichere Übertrager beinhalten. Ferner entfallen durch den nicht geschlossenen magnetischen Kern die herkömmlich benötigten Aussparungen in der Leiterplatte, was Platz und Kosten sparen kann. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die Kernteile mit Standard Klebeverfahren und üblichen Toleranzen kostengünstig auf den Lagenaufbau angebracht werden können und der Übertrager hierdurch kostengünstig produziert werden kann.Also, the geometry of the magnetic cores or core parts can be optimized or minimized so that the space requirement is minimal and the geometric shape of the cores or core parts is as simple as possible. This is consistent with the required cost optimization of electronic devices incorporating intrinsically safe transformers. Furthermore, due to the non-closed magnetic core eliminates the conventionally required recesses in the circuit board, which can save space and cost. Another advantage of the invention is that the core parts can be inexpensively mounted on the layer structure with standard bonding methods and conventional tolerances and the transformer can thereby be produced inexpensively.
Durch das Fehlen des geschlossenen oder nahezu geschlossenen Kerns können weitere Anforderungen an den Schaltungsentwurf entstehen, da die Induktivitäten und die Kopplungen der Spulen durch diese Maßnahme typischerweise reduziert werden. Dies kann durch geeignete Gegenmaßnahmen kompensiert werden. So können beispielsweise zur effizienten Energieübertragung und zur Kompensation der auftretenden Streuinduktivitäten kapazitive Effekte ausgenutzt werden, was häufig zu einer oder mehreren Resonanzen im System führen kann.The lack of the closed or nearly closed core may result in additional circuit design requirements as the inductances and couplings of the coils are typically reduced by this measure. This can be compensated by appropriate countermeasures. For example, capacitive effects can be utilized for efficient energy transfer and for compensation of the occurring leakage inductances, which can often lead to one or more resonances in the system.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt:Some embodiments of the invention are shown purely schematically in the drawings and will be described in more detail below. It shows:
In dem Lagenaufbau des eigensicheren Transformators aus
Eine zusätzliche Nebenbedingung für die Auslegung eines Übertrages ist beispielsweise in
Der klassische Leiterplattenübertrager
Beträgt die geforderte Dicke der Isolationsschicht T0 beispielsweise 1 mm, so ist die Gesamtdicke des klassischen Leiterplattenübertragers
Als Folgerung aus dem vorangegangenen Konzept eines eigensicheren Betriebes müssen zur sicheren galvanischen Trennung aller drei Stromkreise
Die Bauhöhe des Übertragers
Durch die Auftrennung des Kerns
Die vorliegende Erfindung nutzt somit eine im Folgenden näher beschriebene Vorgehensweise zur Reduzierung der Gesamtdicke des in
Durch das beschriebene Auftrennen des Kerns
Erfindungsgemäß wird die Gesamtisolationsdicke auf (N – 1) × T0 durch Auftrennen des magnetischen Kerns
Vorteilhafterweise entspricht der minimale Abstand aller Kernanteile
In
In
In
zur Erhöhung der elektromagnetischen Kopplung zwischen den beiden Spulen
Bei den beschriebenen Transformatoren oder Übertragern
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Stromkreis bzw. PotentialgruppeCircuit or potential group
- 22
- Stromkreis bzw. PotentialgruppeCircuit or potential group
- 33
- Stromkreis bzw. PotentialgruppeCircuit or potential group
- 44
- magnetischer Kernmagnetic core
- 4a 4a
- erster Teil eines magnetischen Kernsfirst part of a magnetic core
- 4b4b
- zweiter Teil eines magnetischen Kernssecond part of a magnetic core
- 5a bis 5g5a to 5g
- LeiterbahnschichtenWiring layers
- 6a bis 6d6a to 6d
- Isolationsschichten zwischen den StromkreisenInsulation layers between the circuits
- 7a bis 7c7a to 7c
- Isolationsschichten innerhalb eines StromkreisesInsulation layers within a circuit
- 88th
- elektrische Kontaktierungelectrical contact
- 99
- Leiterplattecircuit board
- 1010
- herkömmlicher Übertrager bzw. Transformatorconventional transformer or transformer
- 2020
- erfindungsgemäßer Übertrager bzw. Transformatorinventive transformer or transformer
- T0T0
- Mindestisolation/Schutzniveau/IsolationsdickeMinimum insulation / protection / insulation thickness
- TK1TK1
- erste Dicke eines magnetischen Kernsfirst thickness of a magnetic core
- TK2TK2
- zweite Dicke eines magnetischen Kernssecond thickness of a magnetic core
- T1T1
- erste Isolationsdickefirst insulation thickness
- T2T2
- zweite Isolationsdickesecond insulation thickness
- T21T21
- Abstand/IsolationsdickeDistance / insulation thickness
- T22T22
- Abstand/IsolationsdickeDistance / insulation thickness
- T31T31
- Abstand/IsolationsdickeDistance / insulation thickness
- T32T32
- Abstand/IsolationsdickeDistance / insulation thickness
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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- DIN EN 60079-11 [0039] DIN EN 60079-11 [0039]
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