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Die vorliegende Erfindung betrifft eine induktive elektronische Baugruppe nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer solchen induktiven Baugruppe in einer Stromteiler-Vorrichtung, insbesondere in Verbindung mit einer Resonanzwandler-Topologie.
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Eine gattungsgemäße induktive elektronische Baugruppe ist aus der
WO 2011/047819 bekannt. Diese Druckschrift zum Stand der Technik offenbart eine induktive elektronische Baugruppe zur Realisierung einer Mehrfach-Transformatoranordnung, mit welcher, etwa gemäß
4 dieser gattungsbildenden
WO 2011/047819 , eine Stromteiler-Vorrichtung zur Beaufschlagung einer Mehrzahl von Verbrauchern realisiert werden kann. Dabei sieht dieser Stand der Technik vorteilhaft ein Planar-Kernelement vor, welches, paarweise mit einer Planar-Wicklungen tragenden Leiterplatte verbunden, eine Mehrzahl von magnetisch voneinander entkoppelten Transformatoren in herstellungstechnisch einfacher und magnetisch sehr effizienter Weise realisieren kann.
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Insbesondere beschreibt die zum gattungsbildenden Stand der Technik genannte Druckschrift die Möglichkeit, jeweilige, die Transformatoren realisierenden Wicklungsanordnungen so mit dem Innenschenkel bzw. den Seitenschenkeln zusammenwirken zu lassen, dass innerhalb der kompakten Geometrie, bauteilemäßig damit mittels eines Paares von jeweils einstückigen Planar-Kernelementen realisiert, vier und mehr voneinander magnetisch entkoppelte Transformatoren eingerichtet werden können.
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Insbesondere die Ausgestaltung der gattungsgemäßen Leiterplatte als Multilayer bzw. gestapelte Anordnung einer Mehrzahl von jeweils Planar-Wicklungen tragenden Leiterplatten mit geeignet an die Vorsprünge des Planar-Kernelement-Paares angepassten Durchbrüchen unterstützt die Realisierung einer entsprechend kompakten Bauform.
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Allerdings bedarf eine Ausgestaltung einer mit dieser bekannten Technologie realisierbaren Mehrfach-Transformatorenanordnung, etwa entsprechend der in
4 der gattungsbildenden
WO 2011/047819 offenbarten Stromteilerschaltung, in einer Resonanzwandler-Topologie zusätzlichen Aufwandes, um primärseitig des Haupttransformators (TR1 in
4 der
WO 2011/047819 ) die für den Resonanzwandler zusätzlich erforderliche und in Reihe zur (in der
4 nicht gezeigt) Primärwicklung geschalteten Serien- bzw. Resonanzinduktivität zu realisieren. Wird etwa eine Schaltung der in
4 skizzierten Art unter Nutzung eines gattungsbildenden Planar-Kernelements (
6 der
WO 2011/047819 ) umgesetzt, lassen sich zwar sämtliche Transformatoren TR1, TR2, TR4, TR5 auf diesem Planar-Kernelement (bzw. einem Paar dieser aufeinander gerichteten Planar-Kernelemente) realisieren, eine weitere zusätzliche Induktivität, wie für die Resonanzwandler-Topologie geforderte, hätte jedoch keinen Platz und würde zusätzlichen Bauteileaufwand benötigen (bzw. das Vorsehen zusätzlicher Seitenschenkel, was jedoch wiederum die Kompaktheit der Anordnung beeinträchtigt bzw. zusätzlichen Aufwand bedeutet).
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße induktive elektronische Baugruppe so auszugestalten und weiterzubilden, dass innerhalb der vorhandenen Abmessungen bzw. Umfangskontur des Planar-Kernelements und insbesondere ohne das Erfordernis zusätzlicher externer Bauelemente oder Baugruppen für eine primärseitige Reihen- bzw. Resonanzinduktivität zum Realisieren eines Resonanzwandlers, die Umsetzung einer derartigen Topologie mit Hilfe der induktiven elektronischen Baugruppe möglich ist. Dabei sollen insbesondere dieselben Außenabmessungen, wie für den gattungsbildenden Stand der Technik ermöglicht, realisierbar sein und nicht überschritten werden.
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Die Aufgabe wird durch die induktive elektronische Baugruppe mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Ferner wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung Schutz beansprucht für die Verwendung einer solchen induktiven elektronischen Baugruppe für eine Stromteiler-Vorrichtung und/oder zur Realisierung eines Resonanzwandlers mit einer Mehrzahl von Transformatoren, welche auf dem erfindungsgemäßen Planar-Kernelement (bzw. einem daraus realisierten Kernelement-Paar) vorgesehen sind.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise und in Weiterentwicklung bzw. Abkehr vom gattungsbildenden Stand der Technik (wobei, sowohl im Hinblick auf die konkrete geometrische und magnetische Ausgestaltung von Leiterplatte(n) und Kernelement, als auch die damit realisierte Stromteilerschaltung, der Inhalt der
WO 2011/047819 als zur Erfindung gehörig in die vorliegende Offenbarung einbezogen gelten soll) ist der Innenschenkel zur Realisierung von zwei Kernabschnitten ausgebildet, wobei, entsprechend dem gattungsbildenden Stand der Technik, der erste Kernabschnitt des Innenschenkels (nach wie vor) zur Realisierung etwa des eingangsseitigen (Haupt)Transformators eines Resonanzwandlers mit der zweiten Planar-Wicklungsanordnung zusammenwirkt und nunmehr der Innenschenkel ergänzend den zweiten Kernabschnitt, beabstandet vom ersten Kernabschnitt, gleichwohl nach wie vor zwischen den beidseits zugeordneten Seitenschenkeln angeordnet, das Realisieren der Serien-(Reihen-) bzw. Resonanzinduktivität ermöglicht.
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Dabei führt zwar diese Ausgestaltung des Innenschenkels (zur Realisierung des eingangsseitigen Transformators einerseits und der zugehörigen primärseitigen Reihen- bzw. Resonanzinduktivität andererseits) nicht zu einer magnetischen Entkopplung dieser Wicklungsanordnungen; da jedoch, entsprechend der Resonanzwandler-Topologie, ohnehin die Reihen- bzw. Resonanzinduktivität in Reihe zur Primärwicklung des eingangsseitigen Transformators (realisiert als zweite Planar-Wicklungsanordnung im Sinne der Erfindung) geschaltet ist, insoweit die entsprechenden Signale synchron verlaufen, ist dies magnetisch unschädlich.
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Im Rahmen der Erfindung ist durch die erfindungsgemäße Maßnahme, den zweiten Kernabschnitt zur Realisierung eines Luftspaltes auszugestalten, sichergestellt, dass die darauf ausgebildete Reihen- bzw. Resonanzinduktivität ihre Aufgabe als Energiespeicher ordnungsgemäß erfüllen kann und keine magnetischen Sättigungseffekte die Primärseite des Eingangstransformators beeinträchtigen.
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Damit kann erfindungsgemäß vorteilhaft und ohne die Notwendigkeit, das Planar-Kernelement geometrisch zu vergrößern oder durch weitere diskrete Bauelemente zu ergänzen, die für die Realisierung des Resonanzwandler benötigte Reihen- bzw. Resonanzinduktivität zusätzlich im Rahmen der Anordnung untergebracht werden und dabei ebenfalls die Montage- und Großserienvorteile der gattungsbildenden Technologie genutzt werden.
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Besonders bevorzugt ist es in der Realisierung der vorliegenden Erfindung, die die Planar-Wicklungsanordnungen tragende (mindestens eine) Leiterplatte mit Hilfe von geeigneten Durchbrüchen so auszugestalten, dass in der Art von (ansonsten als bekannt vorausgesetzten) Planar-Transformatoranordnungen das Paar von beidseits an bzw. auf die Leiterplatte greifenden Planar-Kernelementen mit jeweiligen Vorsprüngen („Erhebungen“ im Sinne der Erfindung) in diese Durchbrüche der Leiterplatte eingreifen kann.
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Berühren nunmehr durch entsprechende Ausgestaltung dieser Erhebungen die jeweiligen Planar-Kernelemente einander in einem solchen Durchbruch, ist ein spaltfreier Kernbereich realisiert, während etwa flachere Erhebungen der jeweiligen Planar-Kernelemente des aufeinander gerichteten Paares die Ausbildung eines Luftspalts im Leiterplatten-Durchbruch ermöglichen. Dies ist erfindungsgemäß bevorzugt der Fall für die Realisierung der Reihen- bzw. Resonanzinduktivität im Primarkreis des eingangsseitigen Transformators (wobei die zusätzliche Planar-Wicklungsanordnung diese Reihen- bzw. Resonanzinduktivität mit Arbeitsluftspalt realisiert, während etwa die zugehörige Primärwicklung, realisierbar durch die zweite Planar-Wicklungsanordnung und im Zusammenwirken mit dem ersten Kernabschnitt am Innenschenkel, wie auch die weiteren Transformatoren auf den Seitenschenkeln, luftspaltfrei umgesetzt ist).
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Während es im Rahmen der vorliegenden Erfindung günstig und bevorzugt ist, die Resonanzwandler-Topologie in der Verwendung zur Realisierung einer Stromteiler-Vorrichtung einzusetzen, welche, entsprechend einer geeignet gewählten Kaskadierung von Transformatoren und zur Realisierung des in der
WO 2011/047817 beschriebenen Art ausgestaltbar ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Verwendung bzw. diese Realisierungsform beschränkt. Vielmehr ermöglicht es die Erfindung in überraschend einfacher und eleganter Weise, im Rahmen einer Mehrfach-Transformatoranordnung auf einem gemeinsamen Planar-Kernelement (bzw. einem daraus gebildeten Kernelement-Paar) bei magnetischer Entkopplung bzw. Unabhängigkeit dieser Mehrzahl der Transformatoren zusätzlich, durch erfindungsgemäße Teilung des Innenschenkels in einen ersten und einen zweiten Kernabschnitt, die zusätzliche Serien- bzw. Resonanzinduktivität zu implementieren.
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Entsprechend gestaltet die vorliegende Erfindung die Weiterentwicklung der gattungsbildenden Technologie, ohne dass zusätzlicher Bauteileaufwand erforderlich wird, und ohne dass eine Außengeometrie verändert werden muss oder etwa zusätzliche Seitenschenkel vorzusehen sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie anhand der Figuren; diese zeigen in:
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1 eine Perspektivdarstellung eines Planar-Kernelements (als Hälfte eines Paares) gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 eine schematische Kontur einer mit dem Planar-Kernelement der 1 zusammenwirkenden Leiterplatte gemäß dem gezeigten ersten Ausführungsbeispiel;
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3 ein Schaltbild zur Realisierung einer vier-zweigigen Stromteiler-Vorrichtung mit vier voneinander entkoppelten Transformatoren, realisiert auf der Anordnung aus Leiterplatte und Kernelement(en) gemäß 1, 2, in Resonanzwandler-Topologie mit primärseitig des Eingangstransformators zusätzlich in Reihe geschalteter Reihen- bzw. Resonanzinduktivität und 4–7 exemplarische Ansichten von Leiterschichten (Wicklungslagen) einer Multilayer-Leiterplatte gemäß 2 zur Realisierung der Schaltung gemäß 3.
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Die
1 und
2 verdeutlichen in der Schemadarstellung eine Möglichkeit der Realisierung der erfindungsgemäßen induktiven elektronischen Baugruppe gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Dabei entspricht das in
1 in der Perspektivdarstellung gezeigte Planar-Kernelement dem Kernelement gemäß
6 der gattungsbildenden, vorveröffentlichten
WO 2001/047819 (so dass für identische bzw. entsprechende Abschnitte bzw. Komponenten korrespondierende Bezugszeichen gewählt wurden und im Hinblick auf erfindungsgemäße Offenbarung sowie zur Ausführbarkeit auf die
6 sowie die zugehörige Beschreibung verwiesen wird), mit der Maßgabe, dass der gattungsgemäße Innenschenkel (Bezugszeichen
29a in
6 der
WO 2011/047819 ) verkleinert ist und zusätzlich im Mittelbereich zwischen den Seitenschenkeln
33a,
35a bzw.
37a,
39a ein Kernabschnitt
55a (als zweiter Kernabschnitt im Sinne der Erfindung), beabstandet vom ersten Kernabschnitt
29a, aus dem einstückigen Ferritelement herausgeformt ist. Genauer gesagt, stellen die einstückig aus dem Ferritmaterial des Planar-Kernelements der
1 herausgeformten Erhebungen
33a,
35a,
37a,
39a mit einem jeweils gegenüberliegend korrespondierenden Partner die Seitenschenkel dar, während, zur Realisierung des Innenschenkels, die Erhebungen
29a bzw.
55a als erster bzw. zweiter Kernabschnitt ausgestaltet sind. Wie zudem die Darstellung der
1 erkennen lässt, besitzt die Erhebung
55a gegenüber der Erhebung
29a eine geringere Höhe (bezogen auf den planen Körperabschnitt des Kernelements), so dass, bei einander gegenüberstehendem Paar von Planar-Kernelementen der
1 die gegenüberstehenden Erhebungen
29a einander endseitig berühren, insoweit ein durchgehender Ferritschenkel gebildet ist, während, aufgrund der geringeren Höhe, zwischen den aufeinander gerichteten Erhebungen
55a in der erfindungsgemäß beabsichtigten Weise ein Luftspalt verbleibt.
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Wie die 2 zudem erkennen lässt, sind die zu den Erhebungen korrespondierenden Durchbrüche 33–39 sowie 29, 55 an die Konturen der zugehörigen Erhebungen angepasst.
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Die so ausgestaltete Anordnung aus Planar-Kernelement (Paar) und Leiterplatte ermöglicht dann etwa die Realisierung einer Schaltung mit vier magnetisch voneinander entkoppelten Transformatoren, wie sie als stromgeregelter Resonanzwandler mit vier Ausgängen (CH1–CH4) in
3 gezeigt ist. Sekundärseitig der Transformatoreinheit TR1 („Haupttrafo“) als eingangsseitigem Transformator entspricht dabei die Schaltung der im gattungsbildenden Stand der Technik der
WO 2011/047819 , dort
4, gezeigten Ausprägung, wobei zur vereinfachten Konkordanz die Bezugszeichen einander entsprechen und zur ergänzenden Erläuterung der Funktionalität diese Stromteilerschaltung für an die Ausgänge CHi anzuschließende Verbraucher sowohl auf die Erläuterungen in der
WO 2001/047819 ,
4, verwiesen wird, als auch weitergehend zum Schaltungsprinzip und dessen Funktionsweise auf die
WO 2011/047817 , dort insbesondere die korrespondierende
4. Zugehörige Schaltungsbeschreibungen und weitergehende Erläuterungen zu diesem Funktionsprinzip sollen gleichermaßen im Hinblick auf die
3 der vorliegenden Anmeldung als in die vorliegende Offenbarung (als zur Erfindung gehörig) einbezogen gelten.
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Ergänzend weist die in 3 gezeigte Schaltung primärseitig des Haupttransformators TR1 eine Resonanzwandler-Beschaltung auf, symbolisch dargestellt und vereinfacht auf die Schalter T1, T2, eine Koppelkapazität C1 sowie eine als „Streuinduktivität“ bezeichnete, im Rahmen der Resonanzwandler-Topologie als Funktionsgruppe realisierte Reihen- bzw. Resonanzinduktivität L1.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht, mittels des zweiten Kernabschnitts
55a die Realisierung dieser Reihen- bzw. Resonanzinduktivität L1 im Rahmen der Kernelement-Leiterplattenanordnung der
1,
2, dergestalt, dass in Reihe mit der auf dem ersten Kernabschnitt
29a gebildeten Planar-Wicklungsanordnung zur Realisierung des Transformators TR1 diese zusätzliche Induktivität L2 auf dem benachbarten zweiten Kernabschnitt
55a vorgesehen ist (und entsprechend als Planar-Wicklung auf der Leiterplatte der
1 ausgebildet ist). Da L1 mit einem zum Transformator TR1 synchronen Signal beaufschlagt ist (als Funktionalität der Resonanzwandler-Topologie), ist es nicht notwendig, dass die auf dem zweiten Kernabschnitt
55a gebildete Planar-Wicklungsanordnung magnetisch entkoppelt von der Planar-Wicklungsanordnung des ersten Kernabschnitts
29 ist. Insoweit ermöglicht die vorliegende Erfindung vorteilhaft, dass, in Abkehr von der bereits in der
WO 2011/047817 der Anmelderin beschriebenen Lösung, nicht etwa zusätzliche Seitenschenkel zum Realisieren weiterer magnetischer Entkopplung vorgesehen sein müssen.
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Da, bewirkt durch die niedrigere Höhe der Erhebung
55a, das Paar aufeinander gerichteter Planar-Kernelemente im Übergang zwischen den aufeinander gerichteten Erhebungen
55a einen Luftspalt erzeugt, ist entsprechend der magnetische Widerstand der Reiheninduktivität L1 hoch (verglichen mit den weiteren Schenkeln
29a,
33a,
35a,
37a sowie
39a mit zugehörigen Wicklungen), entsprechend wird der Einfluss von allen anderen auf der Einheit vorgesehenen magnetischen Baugruppen auf L1 vernachlässigbar. Auch beeinflusst L1 selbst die Wicklungen auf den Außenschenkeln (
33a,
35a,
37a,
39a) nicht, so dass insoweit das erfindungsgemäße Wirkungsprinzip der
WO 2011/047817 sowie
WO 2011/047819 im Hinblick auf die magnetische Entkopplung greift. Selbst der Einfluss auf den Haupttransformator TR1 auf Schenkel
29a ist gering, da die durch die Reihenschaltung fließenden Signale zueinander synchron sind und der Schenkel (erste Kernabschnitt)
29a selbst keinen Luftspalt (und somit einen sehr geringen magnetischen Widerstand) aufweist. Damit fällt die von L1 (auf dem zweiten Kernabschnitt
55a) ausgehende Durchflutung zum größten Teil am hohen magnetischen Widerstand des Luftspalts an der Erhebung
55a ab. Der Kernabschnitt
29a muss lediglich ausreichend Querschnittsfläche aufweisen, um den zusätzlichen magnetischen Flussanteil von L1 in diesem Abschnitt des Kernelements aufzunehmen, damit es zu keiner magnetischen Sättigung kommt. Entsprechendes gilt für die seitlichen Erhebungen (Seitenschenkel)
33a,
35a,
37a,
39a – auch diese müssen eine im Hinblick auf den Flussbeitrag von L1 vergrößerten Querschnitt anbieten (in der praktischen Approximation führt dies zu einer Querschnittsvergrößerung der Querschnittsflächen im Seitenschenkelbereich von ca. 20% gegenüber der gattungsbildenden Konfiguration, etwa der
6 der
WO 2011/047819 ).
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Eine größere magnetische Weglänge von Erhebung 55a zu den Erhebungen 35a und 39a relativ zu den Erhebungen 33a und 37a wird durch den Umstand ausgeglichen, dass eine magnetische Weglänge von Erhebung 29a zu den Erhebungen 35a und 39a im selben Verhältnis kleiner ist als zu den Erhebungen 33a und 37a. Da sich, wie dargelegt, auf den beiden Innenschenkel-Kernabschnitten 29a und 55a Bauteile mit synchroner Signalbeaufschlagung befinden, heben sich deren unterschiedliche Einflüsse auf die Außenschenkel weitgehend gegenseitig auf.
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Anhand der 4–7 wird eine mögliche Umsetzung dieser induktiven elektronischen Baugruppenanordnung und -verschaltung mithilfe einer Multilayer-Leiterplatte (Prinzipkontur der 2) beschrieben. Dabei führt eine praktische Realisierung zu einem 10-Lagen-Multilayer, wovon die 4–7 lediglich vier Lagen ausschnittsweise (gleichwohl sämtliche Wicklungen beschreibend) darstellen; analog zur Darstellung der 2 enthält die 4 (damit gleichermaßen auch für die 5–7) eine Darstellung der Durchbrüche 33, 35, 37, 39 sowie 29, 55, jeweils korrespondierend für die Erhebungen des Planar-Kernelements (genauer: das Paar von aufeinander gerichteten Erhebungen der beidseits mit der Multilayer-Leiterplatte zusammenwirkenden Planar-Kernelementanordnung).
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Konkret beschreibt die 4 die vierte Lage, die 5 die sechste Lage, die 6 die neunte Lage und die 7 die zehnte Lage der Multilayer-Leiterplatte, wobei der Transformator TR1 mit seinen Wicklungen A, B, C um den Durchbruch 29 (bzw. den Kernabschnitt 29a) gebildet ist; die 4 zeigt den zugehörigen Anfang der Primärwicklung TR1-A, während die 5 einen anderen Teil der Primärwicklung TR1-A sowie das bifilar zum unten liegenden Anschluss um den Durchbruch 55 herumgeführte Ende dieser Wicklung verdeutlicht. Exemplarisch zeigen die 6 und 7 gemeinsam eine komplette Sekundärwicklung, hier die Wicklung TR1-B des eingangsseitigen Transformators TR1 (mit entsprechend geeigneten Durchkontaktierungen).
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Die Reihen- bzw. Resonanzinduktivität L1 befindet sich um den Durchbruch 55 (bzw. das Erhebungspaar 55a mit dazwischen liegendem Luftspalt) herum angeordnet; 6 zeigt den Anfang dieser Wicklung, 4 das Wicklungsende und die 5 den Wicklungs-Zwischenabschnitt.
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Teilwicklungen des Transformators TR2 sind in den 4, 5 und 7 gezeigt, und zwar jeweils um zwei Außenschenkel/zugehörige Durchbrüche (33, 35 sowie 37, 39) herum verlaufend.
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Die 6 zeigt auf den Außenschenkeln (bzw. zugehörigen Durchbrüchen 33, 35) Teilwicklungen von TR4, ferner auf den Außenschenkeln (bzw. zugehörigen Durchbrüchen 37, 39) Teilwicklungen des Transformators TR5.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die konkrete Ausgestaltung als Multilayer-Leiterplatte zur Realisierung der Planar-Wicklungsanordnungen beschränkt; vielmehr sind auch andere Realisierungsmöglichkeiten, etwa durch Stapeln einer Mehrzahl von Leiterplatten oder dergleichen Maßnahmen, denkbar. Auch ist die vorliegende Erfindung nicht auf das Realisieren der magnetisch voneinander entkoppelten vier Transformatoren beschränkt; deren Zahl kann entsprechend der Lehre der
WO 2001/047817 geringer oder aber, bei entsprechenden zusätzlichen Seitenschenkeln, auch höher sein, so lange der erfindungsgemäße zusätzliche (zweite) Kernabschnitt als Teil des Innenschenkels im Mittenbereich vorhanden ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2011/047819 [0002, 0002, 0005, 0005, 0005, 0008, 0020, 0022, 0025, 0025]
- WO 2011/047817 [0014, 0022, 0024, 0025]
- WO 2001/047819 [0020, 0022]
- WO 2001/047817 [0032]
