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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.
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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.
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Übertrager oder Transformatoren und insbesondere 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.
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In verschiedenen Vorschriften und Normen, beispielsweise DIN EN 60079-11, sind für verschiedene Sicherheitsklassen von Betriebsmitteln Mindestabstände für die sichere Trennung der Stromkreise und somit auch der Windungen oder Wicklungen der Transformatoren vorgegeben. Diese Mindestabstände sind vom Isoliermedium abhängig, so dass die Mindestabstände in Feststoffisolierung, Luft- und Kriechstrecken unterteilt sind. In einer typischen Isolationsklasse, beispielsweise Schutzniveau 375 V, beträgt der minimale Trennabstand bei fester Isolierung beispielsweise 1 mm, die Kriechstrecke in Luft 10 mm und die Kriechstrecke unter einer Schutzschicht etwa 3,3 mm.
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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.
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DE 10 2005 041 131 A1 offenbart einen eigensicheren Übertrager mit gewickelten Spulen, wobei die Wicklungen der Spulen aufgrund von geforderten Isolierungsabständen auf verschiedenen Ringkernen angebracht sind, die über eine zusätzliche in eine Leiterplatte eingelassene Windung magnetisch miteinander gekoppelt sind. Der so ausgebildete Übertrager basiert auf klassischer Wicklungstechnik kombiniert mit einer Leiterplattentechnologie, wobei die Leiterplatte sowohl zur Isolierung als auch zur mechanischen Fixierung verwendet wird.
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In
US 2011/0140824 A1 wird ein Übertrager vorgeschlagen, bei dem die zu isolierenden Stromkreise bzw. Windungen asymmetrisch auf verschiedenen Leiterplatten angebracht sind, die anschließend übereinander mit einem magnetischen Kern zu einem Transformator bzw. Übertrager verbunden werden. Der Kern kann hierbei aus zwei Hälften gebildet werden, die beispielsweise verklebt und/oder geklammert werden, um eine mechanische Stabilität zu gewährleisten.
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In
US 2011/0095620 A1 wird ein planarer Übertrager für miniaturisierte Anwendungen beschrieben mit zwei Windungen, die auf gegenüberliegenden Seiten eines isolierenden Substrates liegen. Das physikalische Grundprinzip der Übertragung von Energie bzw. Daten beruht auf Induktion. Es handelt sich hierbei jedoch um keinen eigensicheren Übertrager, wobei auch kein magnetischer Kern verwendet wird.
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In
EP 0 715 322 A1 ist ein Übertrager bzw. Transformator beschrieben, dessen Leiterbahnen vollständig in Planartechnik mit Lagenaufbau gefertigt ist, bei dem die Leiterbahnen in einer zu einem Stück zusammengefügten Leiterplatte untergebracht sind. Die Leiterplatte wird von einem geschlossenen Magnetkern umgeben.
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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.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß wird ein planarer Übertrager, bevorzugt 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 galvanisch, bevorzugt eigensicher, 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.
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Magnetische Schichten kennzeichnen in diesem Zusammenhang Schichten, z. B. Plättchen aus einem Material, das leitend auf magnetische Felder wirkt. Dies können insbesondere Ferritplatten sein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der erfindungsgemäße Übertrager oder Transformator ist somit geeignet auch alle der Norm DIN EN 60079-11 nach geforderten Sicherheitsabstände zu erfüllen und bietet gleichzeitig die Funktionalität hinsichtlich Energie- und/oder Daten- bzw. Signalübertragung.
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Gemäß besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen kann daher vorgesehen werden, dass ein Mindestisolationsabstand zwischen dem ersten Stromkreis und wenigstens dem zweiten Stromkreis eine eigensichere galvanische Trennung bereitstellt.
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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 Übertrager und insbesondere auch 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 Übertragers und bevorzugt eigensicheren Übertragers bei gleichbleibenden horizontalen Ausmaßen verringert wird.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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, wobei der Mindestisolationsabstand zweckmäßig derart ausgelegt ist, dass eine eigensichere galvanische Trennung zwischen dem ersten Stromkreis und einem zweiten Stromkreis bereitstellt ist.
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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 bevorzugt derart ausgelegt ist, dass eine eigensichere galvanische Trennung zwischen dem ersten Stromkreis und einem zweiten Stromkreis bereitstellt ist, und N die Anzahl der galvanisch voneinander getrennten Stromkreise ist. Somit findet eine Reduzierung der Anzahl der Isolationsschichten in vertikaler Richtung (Richtung entlang des Schichtenaufbaus) insbesondere auch 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.
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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.
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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.
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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 insbesondere 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.
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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.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Übertragers mit zwei Stromkreisen;
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2 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Übertragers mit drei Stromkreisen;
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3 eine schematische Darstellung eines Übertragers mit zwei Stromkreisen gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
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4 eine schematische Darstellung eines Übertragers mit zwei Stromkreisen gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung; und
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5 und 6 jeweils eine schematische Darstellung in verschiedenen Ansichten eines Übertrages mit zwei spiralförmigen Spulen gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Übertragers
10 mit einem ersten Stromkreis
1 und einem zweiten Stromkreis
2. Der Übertrager
10 ist z. B. als eigensicherer Leiterplattenübertrager ausgebildet, wie beispielsweise aus
EP 0 715 322 A1 bekannt. Der Übertrager
10 weist einen Lagenaufbau auf mit Primär- und einer Sekundärseite, die jeweils durch die beiden Stromkreise
1,
2 gebildet werden.
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1 zeigt einen Querschnitt durch eine Leiterplatte 9, die von einem Kern 4 umschlossen ist, wobei der Kern 4 die Leiterplatte 9 an mehreren Stellen durchstößt. Das Durchstoßen kann beispielsweise durch Fräsungen in der Leiterplatte 9 bereitgestellt werden. Die Leiterplatte 9 weist mehrere Lagen auf, die sich aus Schichten von Leiterbahnen 5a bis 5d und Isolationsschichten 6a bis 6c sowie 7a bis 7b zusammensetzt. In diesem speziellen Lagenaufbau können die Isolationsschichten unterteilt werden in solche (6a bis 6c), die die einzelnen Stromkreise 1, 2 voneinander trennen und solche (7a bis 7b), die innerhalb der einzelnen Stromkreise für eine Isolierung sorgen. Die Isolationsschichten 7a bis 7b ermöglichen vielfältige Leiterstrukturen, wie beispielsweise spiralförmige Windungen auf der Lage 5a, die mit einem Rückleiter auf der Lage 5b versehen werden können. Die Lagen innerhalb eines Stromkreises können mit einer elektrischen Kontaktierung 8 wie beispielsweise einer Durchlochkontaktierung verbunden werden.
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In dem Lagenaufbau des eigensicheren Transformators aus 1 sind die beiden Stromkreise 1, 2 bzw. Potentialgruppen 1, 2 über eine erste feste Isolation oder Feststoffisolation der Dicke T1 (Isolation 1) galvanisch voneinander getrennt. Für einen eigensicheren Übertrager ist hierbei die Isolationsdicke T1 größer oder gleich dem für die Schutzklasse geforderten Schutzniveau, was eine notwendige Bedingung für einen eigensicheren Übertrager ist. Das geforderte Schutzniveau entspricht in diesem Fall somit dem Mindestisolationsabstand T0, auch als geforderte Isolationsdicke oder Mindestisolationsdicke bezeichnet. Da der Kern 4 als leitender Körper betrachtet wird, muss neben der benötigten ersten Isolation zwischen der Primär- und Sekundärseite (Isolation 1) auch eine zweite Isolation zwischen den einzelnen Windungen der Stromkreise und dem Kern 4 sichergestellt werden (Isolation 2). Die zweite Isolation kann dabei in zwei Anteile T21 und T22 aufgeteilt werden, wobei die Summe aus den Dicken T21 und T22 der zweiten Isolation ebenfalls größer oder gleich der für die Schutzklasse geforderten Mindestisolationsdicke T0 ist. Beispielsweise weisen die beiden Anteile der zweiten Isolation eine gleiche Dicke auf.
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Eine zusätzliche Nebenbedingung für die Auslegung eines Übertrages ist beispielsweise in DIN EN 60079-11 derart gefordert, dass keiner der beiden Anteile T21 und T22 einen Mindestanteil der gesamten zweiten Isolation, beispielsweise ein Drittel der zweiten Isolation, unterschreiten darf. In der Regel werden die beiden Anteile T21 und T22 aus Symmetriegründen identisch und gleich der Hälfte der ersten Isolation gewählt.
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Der klassische Leiterplattenübertrager 10 ist mit einem magnetischen Kern 4 ausgestattet, um eine möglichst optimale magnetische Leitfähigkeit vereint mit einer maximalen Schirmwirkung zu erzielen. Hierbei umschließt der magnetische Kern 4 die Leiterplatte 9 oder Teile der Leiterplatte mit oder ohne einen Luftspalt und ist sowohl oberhalb als auch unterhalb der Leiterplatte 9 sowie jeweils seitlich der Leiterplatte 9 angeordnet. Da die herstellungsbedingten Dicken TK1 und TK2 des magnetischen Kerns 4 oberhalb und unterhalb der Leiterplatte 9 typischerweise größer als die geforderte Isolationsdicke T0 mit TK1, TK2 > T0 sind (wenn T0 beispielsweise 1 mm beträgt), ergibt sich eine Gesamtdicke des Leiterplattenübertragers 10 von mindestens viermal der Mindestisolationsdicke T0. Hierbei sind die Schichtdicken der Leiterbahnen (5a bis 5d) sowie die Dicken der zusätzlichen Isolationsschichten (7a bis 7b) noch nicht einbezogen.
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Beträgt die geforderte Dicke der Isolationsschicht T0 beispielsweise 1 mm, so ist die Gesamtdicke des klassischen Leiterplattenübertragers 10 größer als 4 mm. In vielen Anwendungen beträgt die Dicke zwischen 6 mm und 12 mm bei einer Gesamtfläche von ca. 6 cm2 bis 8 cm2.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Übertragers 10 mit drei Stromkreisen 1, 2, 3. 2 verdeutlicht einen Lagenaufbau einer Leiterplatte 9 im Fall von drei sicher galvanisch getrennten Stromkreisen 1, 2, 3 als weitere Ausführungsvariante ausgehend von 1. Die Windungen des ersten Stromkreises 1 bzw. der ersten Potentialgruppe 1 sind in diesem Beispiel als drei Leiterbahnebenen 5a bis 5c ausgeführt, während die Windungen des Stromkreises 2 und des Stromkreises 3 jeweils mit zwei Leiterbahnebenen 5d und 5e bzw. 5f und 5g ausgeführt sind.
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Als Folgerung aus dem vorangegangenen Konzept eines eigensicheren Betriebes müssen zur sicheren galvanischen Trennung aller drei Stromkreise 1, 2, 3 drei Isolationsschichten mit einer ersten Isolation (Isolation 1), einer zweiten Isolation (Isolation 2) und einer dritten Isolation (Isolation 3) verwendet werden, die jeweils größer oder gleich der Mindestisolationsdicke T0 gewählt werden müssen, welche dem für die Schutzklasse geforderten Schutzniveau entspricht. Hierdurch vergrößert sich folglich die Gesamtdicke des Übertragers 10. Allgemein gilt, dass die Gesamtisolationsdicke bei N sicher galvanisch voneinander getrennten Stromkreisen mindestens N × T0 beträgt. Die Gesamtdicke des Übertragers 10 berücksichtigt weitere Schichtdicken, wie beispielsweise die Leiterbahnstärke 5a bis 5g und die weiteren Isolationsschichten 7a bis 7c.
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Wie vorstehend aufgezeigt, ist eine notwendige Bedingung bei eigensicheren Übertragern und also zur eigensicheren galvanische Trennung zweier Stromkreise, dass ein Mindestisolationsabstand zwischen den galvanisch zu trennenden Stromkreisen bereitgestellt werden muss, welcher dem für die entsprechende Schutzklasse geforderten Schutzniveau entspricht.
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Bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann daher zweckmäßig vorgesehen werden, dass ein Mindestisolationsabstand zwischen dem ersten Stromkreis und wenigstens einem zweiten Stromkreis eine solche eigensichere galvanische Trennung bereitstellt. Im Fall eines eigensicheren Übertragers entspricht also der Mindestisolationsabstand, auch als geforderte Isolationsdicke oder Mindestisolationsdicke bezeichnet, dem für die Schutzklasse geforderten Schutzniveau.
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Auch für eine Auslegung des Übertragers im nichteigensichereren Betrieb, jedoch nach anderen Vorschriften bzw. Normen konzipiert, kann ein Mindestisolationsabstand zwischen den Stromkreisen sinnvoll und vorteilhaft sein.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Übertragers 20 gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem ersten Stromkreis 1 und einem zweiten Stromkreis 2, die voneinander galvanisch getrennt sind.
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Die Bauhöhe des Übertragers 20 kann erfindungsgemäß reduziert werden, da auf den ursprünglich geschlossenen oder nahezu geschlossenen magnetischen Kern 4, der in 1 und 2 dargestellt ist, verzichtet wird. Vielmehr wird der magnetische Kern 4 aus verschiedenen Anteilen 4a und 4b gebildet, die beispielsweise aus Ferritplatten gebildet werden und im Wesentlichen eine Schirmwirkung des magnetischen Feldes verursachen können.
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Durch die Auftrennung des Kerns 4 in zwei Teilkerne 4a, 4b kann auf die zweite Isolation (Isolation 2) der 1 bzw. auf die dritte Isolation (Isolation 3) der 2 zwischen den Stromkreisen 1, 2, 3 und dem Kern 4 verzichtet werden. Es ist vorgesehen, wie in 3 gezeigt, dass keine Verbindung zwischen den als elektrisch leitfähig betrachteten Kernanteilen 4a, 4b vorhanden ist. Hierbei können die Kernanteile 4a, 4b den jeweils am nächsten liegenden Potentialgruppen 1, 2 zugeordnet werden.
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Die vorliegende Erfindung nutzt somit eine im Folgenden näher beschriebene Vorgehensweise zur Reduzierung der Gesamtdicke des in 1 und 2 gezeigten bekannten Lagenaufbaues. Wie beschrieben beträgt nach bekannter Dimensionierung gemäß 1 und 2 die Gesamtisolationsdicke mindestens N × T0, wobei N die Anzahl der sicher getrennten Stromkreise 1, 2, 3 bezeichnet und T0 die dem Schutzniveau Rechnung getragene Mindestisolationsdicke in dem isolierenden Medium ist.
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Durch das beschriebene Auftrennen des Kerns 4 kann auf die Isolationsschichten 6a und 6c aus der 1 bzw. 6a und 6d aus der 2 verzichtet werden und die Gesamtdicke des Transformators verringert sich entsprechend um mindestens 1 × T0. Allgemein kann die Gesamtisolationsdicke somit von mindestens N × T0 auf (N – 1) × T0 reduziert werden.
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Erfindungsgemäß wird die Gesamtisolationsdicke auf (N – 1) × T0 durch Auftrennen des magnetischen Kerns 4 auf zwei Teile 4a, 4b reduziert. Im Spezialfall von zwei (N = 2) zu isolierenden Stromkreisen 1, 2 wird die minimale Gesamtisolationsdicke von 2 × T0 auf 1 × T0 um einem Reduktionsfaktor von zwei reduziert. Allgemein ist der Reduktionsfaktor entsprechend N/(N – 1).
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Vorteilhafterweise entspricht der minimale Abstand aller Kernanteile 4a, 4b auch mindestens der geforderten Mindestisolation, um einen eigensicheren Übertrager 20 bereitzustellen. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die benötigte Trennstrecke zwischen den Kernanteilen je nach Isolationsmedium variieren kann.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Übertragers 20. Hierbei weist der Übertrager 20 einen ersten Stromkreis 1, einen zweiten Stromkreis 2 und einen dritten Stromkreis 3 auf. Die Überlappungen von den Kernanteilen 4a, 4b zu der Leiterplatte 9 des Übertragers 20 in 4 sind unterschiedlich im Vergleich zu 3. Ferner ist in 4 der zweite Stromkreis 2 nach rechts verschoben, also versetzt zu dem ersten Stromkreis 1. Somit sind bei diesem Ausführungsbeispiel die Stromkreise 1, 2, 3 unterschiedlich ausgerichtet.
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5 und 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen eigensicheren Übertragers 20 in verschiedenen Perspektiven.
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In 5 sind drei verschiedene Ansichten eines Übertragers 20 dargestellt. In 5(a) ist der vollständige Übertrager 20 zu sehen, in 5(b) ist der Übertrager 20 ohne die Kernteile 4a, 4b dargestellt und in 5(c) ist zusätzlich die Leiterplatte 9 entfernt.
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In 6 sind alle Schichten des Übertrages 20 aus 5 in Explosionsansicht dargestellt. Die kreisförmige Grundform der Spulen aus 5 und 6 kann auch derart abgeändert werden, dass sich eine rechteckige Grundform mit spiralförmigen Windungen ergibt. Dementsprechend kann es in diesem Fall sinnvoll sein, auch die Grundform der Kernateile 4a, 4b rechteckig zu gestalten.
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In 5 und 6 sind die beiden Stromkreise der Potentialgruppen 1 und 2 auf verschiedenen Lagen der Leiterplatte 9 angeordnet. Isoliert werden beide Potentialgruppen 1, 2 über die Isolationsschicht 6b mit der Dicke T1, die größer oder gleich der Mindestisolationsdicke T0 der jeweiligen Schutzgruppe ist. Im Fall von spiralförmigen Spulen kann die innere Windung mit einer Kontaktierung 8 versehen werden und auf einer zusätzlichen Lage 5b, 5c zurückgeführt werden.
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Zur Erhöhung der elektromagnetischen Kopplung zwischen den beiden Spulen 1, 2 und zur Verminderung oder Minimierung von Streufeldern können oberhalb und unterhalb der Leiterplatten 9 magnetische Materialien angebracht werden.
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In den Ausführungsbeispielen der 5 und 6 ist dies durch zwei zylinderförmige Ferritplatten 4a und 4b realisiert. Die Gesamtdicke des so geformten Übertragers 20 beträgt beispielsweise 3,6 mm während die Ausdehnung in x-Richtung und y-Richtung beispielsweise jeweils ca. 20 mm beträgt.
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Bei den beschriebenen Transformatoren oder Übertragern 20 der 3 bis 6 kann vorgesehen sein, dass die einzelnen Windungen mit den entsprechenden Sicherheitsabständen versehen übereinander in einem besonderen Schichtenaufbau aufgebracht sind. Somit gibt es Isolationsschichten (erste Schichten) für die geforderten Trennabstände und weitere wesentlich dünnere Isolationsschichten (zusätzliche Schichten), die beispielsweise der Rückführung einer Leiterbahn innerhalb einer Wicklung dienen. Dies ist unter anderem erforderlich, wenn eine spiralförmige Windung auf einer anderen Lage von innen nach außen geführt werden muss. Der so geformte Transformator oder Übertrager kann alle der Norm EN 60079-11 nach geforderten Sicherheitsabstände erfüllen und bietet gleichzeitig die Funktionalität hinsichtlich Energie- und/oder Daten- bzw. Signalübertragung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stromkreis bzw. Potentialgruppe
- 2
- Stromkreis bzw. Potentialgruppe
- 3
- Stromkreis bzw. Potentialgruppe
- 4
- magnetischer Kern, z. B. Ferritkern
- 4a
- erster Teil eines magnetischen Kerns
- 4b
- zweiter Teil eines magnetischen Kerns
- 5a bis 5g
- Leiterbahnschichten
- 6a bis 6d
- Isolationsschichten zwischen den Stromkreisen
- 7a bis 7c
- Isolationsschichten innerhalb eines Stromkreises
- 8
- elektrische Kontaktierung
- 9
- Leiterplatte
- 10
- herkömmlicher Übertrager bzw. Transformator
- 20
- erfindungsgemäßer Übertrager bzw. Transformator
- T0
- Mindestisolation/Schutzniveau/Isolationsdicke
- TK1
- erste Dicke eines magnetischen Kerns
- TK2
- zweite Dicke eines magnetischen Kerns
- T1
- erste Isolationsdicke
- T2
- zweite Isolationsdicke
- T21
- Abstand/Isolationsdicke
- T22
- Abstand/Isolationsdicke
- T31
- Abstand/Isolationsdicke
- T32
- Abstand/Isolationsdicke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005041131 A1 [0006]
- US 2011/0140824 A1 [0007]
- US 2011/0095620 A1 [0008]
- EP 0715322 A1 [0009, 0038]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN 60079-11 [0004]
- Norm DIN EN 60079-11 [0019]
- DIN EN 60079-11 [0041]
- Norm EN 60079-11 [0063]
