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Technisches Gebiet
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Die Erfindung geht aus von einer Transformatoranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Transformatoren bekannt, die üblicherweise einen Wickelkörper auf einem Eisenkern umfassen, insbesondere auch speziell geformte Wickelkörper, die beispielsweise auf einem kreisförmigen Eisenkern angeordnet sind. Dabei kann der Wickelkörper entweder mehr als eine Kammer aufweisen, um die Wicklungen mehrerer induktiv gekoppelten Spulen voneinander zu trennen, oder es können auch speziell isolierte Drähte, wie beispielsweise dreifach isolierter Kupferdraht (Tex-E-Draht), für die Wicklungen verwendet werden, sowie isolierende Folien zwischen den Wicklungen. Insbesondere ist bei Anwendungen mit Sicherheitskleinspannung eine ausreichende Isolierung erforderlich, um die SELV(Safety Extra Low Voltage)-Anforderungen bezüglich der Spannungsfestigkeit der Luft- und Kriechstrecken einhalten zu können.
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Nachteilig bei solchen Transformatoren ist zum einen, dass durch die speziell geformten Wickelköper und durch die Verwendung mehrfach isolierten Drahtes der Wickelraum stark reduziert ist und zum anderen durch die aufwendigen Isolierungen der Wicklungen keine automatisierte Herstellung dieser Transformatoren möglich ist und somit die Herstellungskosten hoch sind.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Transformatoranordnung bereitzustellen, die eine effektivere Ausnutzung des Wickelraums und eine einfachere Herstellung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Transformatoranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Transformatoranordnung umfasst mindestens einen ersten Wickelkörper und einen Eisenkern, wobei der erste Wickelkörper einen ersten Querschenkel des Eisenkerns umschließend angeordnet ist. Darüber hinaus weist die Transformatoranordnung einen zweiten Wickelkörper auf, der einen zweiten Querschenkel des Eisenkerns umschließend angeordnet ist, wobei ein dritter Querschenkel des Eisenkerns zwischen dem ersten und zweiten Querschenkel des Eisenkerns angeordnet ist. Dabei sind zwei Längsschenkel des Eisenkerns derart angeordnet, dass der erste, zweite und dritte Querschenkel jeweils an einer Seite durch einen Längsschenkel verbunden sind.
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Durch die Verwendung von zwei separaten Wickelkörpern, insbesondere für die Primär- und Sekundärwicklungen von induktiv zu koppelnden Spulen, erhält man einen großen Wickelraum. Vorteilhafterweise müssen so auch keine aufwendig isolierten Drähte verwendet werden, wie beispielsweise Tex-E-Draht, bei dem das Verhältnis von Tex-E-Draht-Durchmesser zu Kupferdurchmesser sehr groß ist und damit den effektiven Wickelraum stark reduziert. Durch die Möglichkeit der räumlichen Trennung der Wicklungen stellt die erfindungsgemäße Transformatoranordnung die Möglichkeit zur Verwendung einfach isolierter Drähte oder Litzen bereit, die den effektiven Wickelraum vergrößern und wesentlich kostengünstiger sind. Ein großer Vorteil ergibt sich aus daraus, dass keine aufwendigen Isolierungen der Wicklungen der jeweiligen Stromkreise durch isolierende Folien notwendig sind, was eine wesentlich einfachere Herstellung ermöglicht und somit als weiteren Vorteil die Herstellungskosten reduziert. Ebenfalls sehr vorteilhaft ist, dass als Eisenkern Standardkerne verwendet werden können. Diese können beispielsweise so ausgebildet sein, dass die Quer- und Längsschenkel des Eisenkerns einen rechtecksförmigen Querschnitt aufweisen, wobei die Wickelkörper, die den ersten und zweiten Querschenkel umschließen, ebenfalls so ausgebildet sein können, dass sie in ihrem mittleren Bereich, auf den die Spulenwicklungen wickelbar sind ebenfalls einen rechtecksförmigen Querschnitt aufweisen. Auch dies wirkt sich sehr positiv auf die Herstellungskosten der Transformatoranordnung aus.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Transformatoranordnung eine Wanne, die aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist und in der die Wickelkörper und der Eisenkern zumindest zum Teil angeordnet sind.
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Durch diese Anordnung der Wickelkörper in einer isolierenden Wanne kann auf einfache und kostengünstige Weise eine ausreichende Isolierung der Wickelkörper voneinander und von der Umgebung bereitgestellt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Wickelkörper einen Wickelraum auf, wobei der Wickelraum der Raum ist, der durch auf den Wickelkörper wickelbare Wicklungen einer Spule ausfüllbar ist, und die Wanne derart ausgebildet ist, dass bei einer zumindest teilweisen Anordnung der Wickelkörper in der Wanne der Wickelraum jeweils eines Wickelkörpers vom dritten Querschenkel des Eisenkerns durch jeweils einen Bereich der Wanne räumlich getrennt ist, der sich zwischen dem jeweiligen Wickelkörper und dem dritten Querschenkel des Eisenkerns befindet.
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Durch diese sehr vorteilhafte Ausbildung der Wanne wird gewährleistet, dass auf die Wickelkörper wickelbare Wicklungen vom Eisenkern isoliert sind, vor Allem von dessen zentralem Querschenkel, der sich zwischen den beiden Wickelkörpern befindet.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante weist jeweils ein Bereich der Wanne, durch den der jeweilige Wickelkörper vom dritten Querschenkel des Eisenkerns getrennt ist, eine Dicke auf, die größer ist als ein vorgebbarer Schwellwert, insbesondere ist der vorgebbare Schwellwert durch die SELV-Richtlinien für Anwendungen der Transformatoranordnung mit Sicherheitskleinspannung vorgegeben.
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Besonders im Bereich der Sicherheitskleinspannung sind hohe Anforderungen bezüglich der Spannungsfestigkeit von Luft- und Kriechstrecken einzuhalten, was eine vorschriftsmäßige Isolierung der Spulenwicklungen, wie im Stand der Technik üblich, sehr aufwendig macht. Durch eine entsprechende Ausgestaltung der isolierenden Wanne, insbesondere durch die Isolierung der Wickelkörper und darauf wickelbare Wicklungen vom zentralen Querschenkel des Eisenkerns kann so auf besonders einfache und kostengünstige Weise für ausreichend Sicherheit gesorgt werden.
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Weiterhin kann die Wanne der Transformatoranordnung derart ausgebildet sein, dass sie bei einer Anordnung der Transformatoranordnung an einem Montageelement die Wickelkörper und den Eisenkern vom Montageelement elektrisch isoliert.
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Durch eine derartige Ausbildung der Wanne kann zusätzlich auch eine ausreichende Isolierung, insbesondere von anderen elektrischen Bauteilen, gewährleistet werden. Auch hierbei kann die Wanne vorzugsweise derart ausgebildet sein, dass sie den SELV-Anforderungen genügt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens ein Querschenkel des Eisenkerns einen Luftspalt mit einer vorgebbaren Breite auf.
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Da die Streuinduktivität von der Breite des Luftspalts abhängig ist, lässt sich auf sehr vorteilhafte Weise durch geeignete Wahl der Breite des Luftspalts auch die Streuinduktivität einstellen.
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Vorzugsweise kann dabei jeder Querschenkel des Eisenkerns einen Luftspalt mit einer jeweiligen vorgebbaren Breite aufweisen, so dass der Eisenkern aus zwei E-förmigen Teilkernen gebildet ist.
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Auch hierbei lässt sich die Streuinduktivität der Anordnung durch eine entsprechende Wahl der Spaltbreiten bestimmen. Darüber hinaus ist diese Ausbildung des Eisenkerns sehr vorteilhaft, da zwei E-förmige Teilkerne eine sehr einfache Herstellung einer derartigen Transformatoranordnung ermöglichen. Beispielsweise können für die Transformatoranordnung Standard-Farritkernen verwendet werden, was sich ebenfalls sehr vorteilhaft auf die Herstellungskosten auswirkt.
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Des Weiteren kann die Transformatoranordnung eine Streuinduktivität aufweisen, die größer ist als ein vorgebbarer Schwellwert, wobei der Schwellwert durch die vorgebbare Breite mindestens eines Luftspalts eines der Querschenkel des Eisenkerns vorgebbar ist.
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Durch die räumlich getrennte Anordnung der Wickelkörper ist die Streuinduktivität höher als bei der Verwendung nur eines Wickelkörpers. Diese höhere Streuinduktivität kann nun sehr vorteilhaft ausgenutzt werden. Die Steuerung der Streuinduktivität durch den magnetischen Nebenschluss die Breite des Luftspalts oder der Luftspalte des Eisenkerns ermöglicht eine gezielte funktionelle Ausnutzung dieser Streuinduktivität. Je nach Dimensionierung stellt dies die Möglichkeit bereit beispielsweise die komplette Seriendrossel bei LCC/LLC-Wandlern durch die Streuinduktivität zu ersetzen.
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Weitere vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der folgenden Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
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1a eine schematische und perspektivische Darstellung einer Transformatoranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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1b eine schematische und perspektivische Darstellung eines Querschnitts der in 1a dargestellten Transformatoranordnung;
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1c eine schematische und perspektivische Darstellung eines weiteren Querschnitts der in 1a dargestellten Transformatoranordnung;
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1d eine schematische und perspektivische Darstellung der einzelnen Elemente der in 1a dargestellten Transformatoranordnung;
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2a eine schematische und perspektivische Darstellung einer Transformatoranordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2b eine schematische und perspektivische Darstellung eines Querschnitts der in 2a dargestellten Transformatoranordnung;
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2c eine schematische und perspektivische Darstellung der einzelnen Elemente der in 2a dargestellten Transformatoranordnung;
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3a eine schematische und perspektivische Darstellung einer auf ein Montageelement montierten Transformatoranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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3b eine Unteransicht einer schematische und perspektivische Darstellung der in 3a dargestellten, auf ein Montageelement montierten Transformatoranordnung.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1a zeigt eine schematische und perspektivische Darstellung einer Transformatoranordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Transformatoranordnung 10 umfasst dabei zwei räumlich getrennte Wickelkörper 12, auf die die Wicklungen einer Spule gewickelt werden können. Weiterhin weist die Transformatoranordnung 10 einen Eisenkern 14 mit einem ersten, zweiten und dritten Querschenkel 16a, 16c und 16b sowie mit zwei Längsschenkeln 18 auf. Die Wickelkörper 12 sind dabei so angeordnet, dass sie die beiden äußeren, den ersten und den zweiten, Querschenkel 16a und 16c des Eisenkerns 14 umschließen. Der dritte Querschenkel 16b ist zwischen den beiden Wickelkörpern 12 angeordnet. Weiterhin umfasst die Transformatoranordnung 10 eine Wanne 20, in der die Wickelkörper 12 und der Eisenkern 14 angeordnet sind.
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Durch die räumliche Trennung der Wickelkörper 12 stehen den Spulenwicklungen ein viel größerer Wickelraum zur Verfügung. Weiterhin ist auch der effektive Wickelraum größer dadurch, dass aufgrund der räumlichen Trennung und der Einbettung in eine elektrisch isolierende Wanne 20 für die Wicklungen einfach isolierter Draht oder Litzen verwendet werden können, was einen enormen Platzvorteil mit sich bringt. Bevorzugt kann die Wanne 20 derart ausgebildet sein, dass die Transformatoranordnung 10 den SELV-Anforderungen bezüglich Spannungsfestigkeit von Luft- und Kriechstrecken gerecht wird. Insbesondere kann dies dadurch bewerkstelligt werden, dass die Wanne 20 Bereiche 22 aufweist, die sich jeweils zwischen einem Wickelkörper 12 und dem dritten Querschenkel 16b des Eisenkerns 14 befinden. Diese Bereiche 22 trennen die Wickelräume vom Eisenkern 14, und können in ihrer Dicke weiterhin so ausgebildet sein, dass die SELV-Anforderungen erfüllt sind. Weiterhin kann die Wanne 20 so ausgebildet sein, dass sie bei einer Montage der Transformatoranordnung 20 an einem Montageelement 28 (siehe 3a und 3b) dieses Montageelement 28 von der Transformatoranordnung 10, insbesondere von den Wickelkörpern 12 und dem Eisenkern 14 elektrisch isoliert. Zur einfachen Montage der Transformatoranordnung 10 kann diese Befestigungselemente 26 aufweisen, die an Außenbereichen der Wickelkörper 12 angeordnet sein können.
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1b zeigt eine schematische und perspektivische Darstellung eines Querschnitts der in 1a dargestellten Transformatoranordnung 10. Dabei sind vor allem die drei Querschenkel 16a, 16b und 16c des Eisenkerns 14 gut zu erkennen. Weiterhin ist die Wanne 20 dazu ausgebildet, die Wickelkörper 12 sowie den Eisenkern 14 vollständig nach unten hin zu isolieren, insbesondere in die Richtung, in der eine elektrische Isolation von anderen elektrischen Bauteilen gemäß den SELV-Anforderungen notwendig ist. Die Spulenwicklungen, die auf den Wickelkörpern 12 angeordnet werden können, können somit vollständig vom Eisenkern 14 und von anderen elektrischen Bauteilen isoliert werden, so dass eine sichere galvanische Trennung gewährleistet ist.
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1c zeigt eine schematische und perspektivische Darstellung eines weiteren Querschnitts der in 1a dargestellten Transformatoranordnung 10, insbesondere in einer Draufsicht. Der Eisenkern 14 kann dabei aus zwei E-förmigen Teilkernen 15a und 15b (vgl. 1d) gebildet sein. Dies stellt eine besonders einfache und kostengünstige Ausbildung des Eisenkerns 14 dar, da ein Standard-Ferritkern für die Transformatoranordnung 10 verwendet werden kann. Besonders vorteilhaft bei dieser Ausgestaltung sind weiterhin die Luftspalte 24 in den Querschenkeln 16a, 16b und 16c des Eisenkerns 14, denn über die Breite eines oder mehrerer Luftspalte 24 kann die Streuinduktivität eingestellt werden. Während im Stand der Technik eine hohe Streuinduktivität vermieden werden soll, wie beispielsweise durch die Verwendung nur eines Wickelkörpers für Primär- und Sekundärwicklungen, kann hier eine hohe Streuinduktivität, die insbesondere aus der räumlichen Trennung der beiden Wickelkörper resultiert, sogar vorteilhaft ausgenutzt werden. Bei geeigneter Dimensionierung der Spaltbreiten der Luftspalte 24 kann beispielsweise bei einer Anwendung der Transformatoranordnung 10 in Kombination mit einem LCC/LLC-Wandler die Seriendrossel durch gezielte funktionelle Ausnutzung der Streuinduktivität entfallen.
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1d zeigt eine schematische und perspektivische Darstellung der einzelnen Elemente der in 1a dargestellten Transformatoranordnung 10. Dabei sind die beiden Wickelkörper 12 dargestellt, die beiden Teilkerne 15a und 15b des Eisenkerns 14 mit jeweils drei Querschenkeln 16a, 16b und 16c und einem Längsschenkel 18, sowie die elektrisch isolierende Wanne 20. Darüber hinaus ist gut zu erkennen, dass diese Ausbildung der einzelnen Elemente einen sehr einfachen Zusammenbau der Transformatoranordnung 10 bereitstellt, wodurch diese sehr kostengünstig herzustellen ist. Dabei können die Wickelkörper 12 in die isolierende Wanne 20 eingesetzt werden und anschließend kann der Eisenkern 14 montiert werden, indem die beiden E-förmigen Teilkerne 15a und 15b seitlich mit den beiden äußeren Querschenkeln 16a und 16c in die Wickelkörper 12 und dem zentralen Querschenkel 16b zwischen die beiden Wickelkörper 12 eingeführt werden.
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2a zeigt eine schematische und perspektivische Darstellung einer Transformatoranordnung 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Transformatoranordnung 10 ist dabei wie in 1a ausgebildet, jedoch mit dem Unterschied, dass die elektrisch isolierende Wanne 20 noch seitliche Bereiche, um den Eisenkern 14 herum, insbesondere entlang seiner Längsschenkel 18, umfasst. Diese Ausbildung der Wanne 20 gewährleistet eine zusätzliche Isolierung, insbesondere gegenüber naheliegenden Bauteilen, wie beispielsweise bei einer Montage der Transformatoranordnung 20 auf einem Montageelement 28 mit anderen elektrischen Bauteilen. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch diese Ausbildung der Wanne 20 die Position des Eisenkerns 14 fixiert werden kann, insbesondere seitlich in Richtung seiner Querschenkel 16a, 16b und 16c.
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2b zeigt zur besseren Veranschaulichung noch mal eine schematische und perspektivische Darstellung eines Querschnitts der in 2a dargestellten Transformatoranordnung 10. Die elektrisch isolierende Wanne 20 ist auch hier so ausgebildet, dass sie den Eisenkern 14 seitlich umschließt, sowie durch die Bereiche 22 zwischen den Wickelkörpern 12 und dem zentralen Querschenkel 16b des Eisenkerns 14 eine sichere galvanische Trennung sowie eine sichere Isolierung zwischen dem Eisenkern 14 und auf die Wickelkörper 12 wickelbare Spulenwicklungen gewährleistet.
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2c zeigt eine schematische und perspektivische Darstellung der einzelnen Elemente der in 2a dargestellten Transformatoranordnung 10. Dargestellt sind dabei wiederum die beiden Wickelkörper 12, die beiden Teilkerne 15a und 15b des Eisenkerns 14 mit jeweils drei Querschenkeln 16a, 16b und 16c und einem Längsschenkel 18, sowie die elektrisch isolierende Wanne 20 mit den zusätzlichen Seitenbereichen zur seitlichen Isolierung des Eisenkerns 14. Auch bei dieser Ausbildung der einzelnen Elemente der Transformatoranordnung 10 wird ein sehr einfacher Zusammenbau der Transformatoranordnung 10 bereitstellt, wodurch diese sehr kostengünstig herzustellen ist. Die beiden Teilkerne 15a und 15b des Eisenkerns 14 können dabei, beispielsweise als Standard-Ferritkerne ausgebildet, zunächst mit den beiden äußeren Querschenkeln 16a und 16c in die Wickelkörper 12 eingeführt werden und anschließend können die Wickelkörper 12 mit dem Eisenkern 14 in die isolierende Wanne 20 eingesetzt werden.
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3a und 3b zeigen eine schematische und perspektivische Darstellung einer auf ein Montageelement 28 montierten Transformatoranordnung 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Transformatoranordnung 10 kann dabei mittels der Befestigungselemente 26 am Montageelement 28 befestigt werden. Weiterhin kann die Transformatoranordnung 10 in eine Aussparung des Montageelements 28 eingelassen sein um eine besonders platzsparende Anordnung zu ermöglichen. Die Wanne 20 der Transformatoranordnung 10 ist dabei so ausgebildet, dass eine elektrische Isolierung gegenüber anderen Bauteilen, die auf dem Montageelement 28 angeordnet sein können sichergestellt ist. Insbesondere isoliert die Wanne 20 die Transformatoranordnung 10 nach unten hin. Bevorzugt ist die Wanne 20 dabei in der Dicke ihres isolierenden Materials so ausgebildet, dass die Transformatoranordnung 10 die SELV-Anforderungen erfüllt und so vorteilhafterweise für Anwendungen mit Sicherheitskleinspannung geeignet ist.
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Insgesamt wird so eine Transformatoranordnung bereitgestellt, die eine Anordnung von Primär- und Sekundärwicklungen auf zwei räumlich getrennten Wickelkörpern ermöglicht, gleichzeitig durch entsprechende Ausbildung der elektrisch isolierenden Wanne den SELV-Anforderungen genügt, darüber hinaus die Verwendung von Standard-Ferritkernen und einfach isolierten Drähten oder Litzen für die Wicklungen sowie die Steuerung und funktionelle Nutzung der Streuinduktivität erlaubt und somit den effektiv zur Verfügung stehenden Wickelraum vergrößert und eine kostengünstige und einfache Herstellung ermöglicht.
