DE102013113861A1

DE102013113861A1 - Galvanische Trennvorrichtung für Prozessmessgeräte

Info

Publication number: DE102013113861A1
Application number: DE102013113861.6A
Authority: DE
Inventors: Harald Müller; Robert Lalla; Reiner Pfleger; Philippe Clade
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG; Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2015-06-11
Also published as: WO2015086584A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine galvanische Trennvorrichtung (10) für Prozessmessgeräte, der als Leiterplatten-Transformator oder Planar-Transformator ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens – eine Primärwicklungsschicht (12) aus mehreren Lagen spiralförmiger Leiterbahnen, die durch interne Isolierlagen voneinander isoliert und mit Durchkontaktierungen von Lage zu Lage miteinander verschaltet sowie mit Lötpads (24) zum Löten der Trennvorrichtung (10) versehen sind; – eine Sekundärwicklungsschicht (14) aus mehreren Lagen spiralförmiger Leiterbahnen, die durch interne Isolierlagen voneinander isoliert und mit Durchkontaktierungen von Lage zu Lage verschaltet sowie mit Lötpads (26) zum Löten der Trennvorrichtung (10) versehen sind; – eine mittlere Isolationsschicht (16) zwischen der Primärwicklungsschicht (12) und der Sekundärwicklungsschicht (14); – zwei äußeren Isolationsschichten (18, 20) auf der Primärwicklungsschicht (12) und der Sekundärwicklungsschicht (14) und – einen, die äußeren Isolationsschichten umschließenden, mehrteiligen Ferritkern (22) umfasst, wobei die mittlere Isolationsschicht (16) eine andere Länge aufweist als die Primär- und die Sekundärwicklungsschicht (12 und 14) und als die zwei äußeren Isolationsschichten (18, 20)

Description

Die Erfindung betrifft eine galvanische Trennvorrichtung für Messgeräte der Prozessmesstechnik und Prozessautomation. Ein solches Messgerät umfasst üblicherweise einen Sensor und eine Elektronik zur Erfassung mindestens eines Prozessparameters und wird mit elektrischer Energie versorgt. Dies erfolgt entweder über ein separates Leitungspaar (4-Leiter-Version) oder über ein mit einem Signalausgang gemeinsam genutztes Leitungspaar (2-Leiter-Version). Aus funktionalen Gründen wie auch aus Gründen des Explosions-Schutzes soll ein Versorgungsstromkreis vom Sensorstromkreis galvanisch isoliert sein. Eine solche galvanische Isolation des Versorgungsstromkreises erfolgt üblicherweise in einer DC/DC-Wandler-Schaltung. Mindest-Anforderungen bestehen dabei bezüglich der Dicke einerfesten Isolation (z. B.: 1 mm) sowie bezüglich einer Kriechstrecke (z. B.: 2 mm) zwischen Versorgungs- und Sensorstromkreis.
Üblicherweise enthält eine DC/DC-Wandlerschaltung von Messgeräten einen herkömmlichen Transformator, bestehend aus einem weichmagnetischen Ferrit- oder Eisenkern, einem Wickelkörper aus Kunststoff, sowie mindestens einer Primär- und einer Sekundär-Wicklung aus Kupferlackdraht. Der Wickelkörper stellt sicher, dass zwischen Primär- und Sekundär-Wicklung sowie zum magnetischen Kern hin die geforderten Mindest-Abstände eingehalten werden, beispielsweise durch eine Zweikammer-Bauform. Um solch einen Transformator auf einer Leiterplatte im SMD-bestückten Leiterplatte zu montieren weist der Transformator typischerweise auf seiner Unterseite abgewinkelte Anschlussdrähte auf, die in einem automatisierten Lötprozess, beispielsweise bei Reflow-Löten, stumpf auf Lötpads der Leiterplatte gelötet werden können.
Die erwähnten, herkömmlichen Transformatoren als galvanische Trennvorrichtung sind jedoch im Verhältnis zu den anderen Bauteilen auf der Leiterplatte sehr groß und erfordern bei Layout der Leiterplatte eine Menge Platz. Besonders bei Transformatoren, die als galvanische Trennvorrichtung von Messgeräten verwendet werden, die in Explosions-gefährdeten Bereichen eingesetzt werden sollen, ist die Fertigung dieser Transformatoren sehr aufwendig, um die von Explosions-Schutz-Vorschriften geforderten Abstände zwischen Primär- und Sekundär-Seite sicherzustellen.
In der Patentschrift US 7,663,460 B2 ist ein sehr komplex aufgebauter Planar-Transformator zur senkrechten Montage auf einer Leiterplatte beschrieben, der im Wesentlichen rechteckig geformt ist und an seiner Schmalseite (unten) Kontaktpads aufweist, mit denen er stumpf auf Kontaktpads auf einer Leiterplatte aufgelötet wird. Automatisches Löten, beispielsweise im Reflow-Lötofen ist wegen der größtenteils verdeckten Löt- bzw. Anschlusspads problematisch.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine galvanische Trennvorrichtung für Messgeräte der Prozessmesstechnik und Prozessautomation, die in ihrer Ausführung als Leiterplatten- bzw. Planar-Transformator einfach zu fertigen, einfach zu bestücken und einfach auf einer Leiterplatte zusammen mit anderen Bauteilen auf der Leiterplatte gelötet werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine galvanische Trennvorrichtung für Prozessmessgeräte mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen galvanische Trennvorrichtung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 7 hervor.
Die galvanische Trennvorrichtung nach der Erfindung zeichnet sich durch einfachen Aufbau und damit verbundene einfache Fertigung und durch ihre besondere Eignung für automatische Bestückungs- und Lötprozesse aus.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Verweis auf die beigefügte Zeichnung genauer beschrieben und erläutert. Dabei zeigen:
1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen galvanische Trennvorrichtung;
2 eine Ansicht einer anderen Seite galvanische Trennvorrichtung nach 1; und
3 eine Seitenansicht der galvanischen Trennvorrichtung nach den 1 nach Lötung der Trennvorrichtung auf eine Leiterplatte.
In 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen galvanische Trennvorrichtung 10, die als Leiterplatten-Transformator oder Planar-Transformator ausgeführt ist, dargestellt. Die Trennvorrichtung 10 umfasst eine Primärwicklungsschicht 12, eine Sekundärwicklungsschicht 14, eine mittlere Isolationsschicht 16 zwischen der Primärwicklungsschicht 12 und der Sekundärwicklungsschicht 14 und zwei äußere Isolationsschichten 18 und 20 auf der Primärwicklungsschicht 12 und der Sekundärwicklungsschicht 14. Ein aus zwei Teilen 22a und 22b bestehender Ferritkern 22 umschließt die äußeren Isolationsschichten 18 und 20.
Die Primärwicklungsschicht 12 wie auch die Sekundärwicklungsschicht 14 bestehen jeweils aus mehreren Lagen an sich bekannter spiralförmiger Leiterbahnen, die durch interne Isolierlagen voneinander isoliert sind. Mittels an sich bekannter Durchkontaktierungen von Lage zu Lage sind die genannten spiralförmigen Leiterbahnen miteinander verschaltet. Mit den Leiterbahnen verbundene Kontaktpads 24 und 26 (siehe dazu auch 2 und 3) dienen zum Löten und zum Verbinden mit der Schaltung einer Leiterplatte 30 (siehe dazu 3), die die galvanische Trennvorrichtung 10 letztlich trägt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit und Vereinfachung sind die spiralförmigen Leiterbahnen, die internen Isolierlagen und die Durchkontaktierungen hier nicht in der Zeichnung dargestellt. Der Fachmann weiß, wie eine solche Primärwicklungsschicht 12 bzw. Sekundärwicklungsschicht 14 zu berechnen und konstruktiv aufzubauen ist.
Die 1 bis 3 zeigen die galvanische Trennvorrichtung 10 in fertigem Zustand und in einer Position, in der sie auf einer Leiterplatte 30 (siehe dazu 3) verlötet wird. Das bedeutet, dass sinnvollerweise die Primär- und die Sekundärwicklungsschicht 12 und 14, die mittlere Isolationsschicht 16 und die zwei äußeren Isolationsschichten 18 und 20 auf der von der Leiterplatte 30 (siehe dazu 3) abgewandten Stirnseite der Trennvorrichtung bündig abschließen. Dies ist für die Erfindung nicht unbedingt zwingend, vereinfacht jedoch die Herstellung.
In den 1 bis 3 ist deutlich erkennbar, dass die mittlere Isolationsschicht 16 zwischen der Primärwicklungsschicht 12 und der Sekundärwicklungsschicht 14 nach unten hin länger (oder höher in der gewählten Abbildung) ist als die letzteren, wobei diese Primär- und Sekundärwicklungsschichten 12 und 14 wiederum länger sind als die zwei äußeren Isolationsschichten 18 und 20, die die Primär- und Sekundärwicklungsschichten 12 und 14 gegenüber dem Ferritkern 22 isolieren. Wie auch 2 zu entnehmen ist, lassen die zwei äußeren Isolationsschichten 18 und 20 die Lötpads 24 und 26 der Primär- und Sekundärwicklungsschichten 12 und 14 frei und zugänglich und überdecken sie nicht, so dass die Lötpads 24 und 26, wie in 3 veranschaulicht, mit entsprechenden Lötpads 32 der Leiterplatte 30 verlötet werden können. 3 zeigt diesen Zustand, wobei das Lot durch ”34” bezeichnet wird.
2 zeigt auch, dass bei dem hier dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgmäßen Trennvorrichtung 10 die Schichten 12, 14, 16, 18 und 20 nicht streng rechteckig sein müssen, sondern sich, wie hier gezeigt, nach oben hin verschmälern. Damit kann erreicht werden, dass der aus zwei Hälften 22a, 22b bestehende Ferritkern 22 nicht über die unteren Bereiche der Schichten 12, 14, 16, 18 und 20 hinausragt. Der Platzbedarf der Trennvorrichtung 10 auf der Leiterplatte 30 (siehe 3) ist äußerst gering im vergleich zu herkömmlichen Transformatoren und benötigt nur wenig mehr Platz als die Ausnehmung 36 in der Leiterplatte 30, in die mittlere Isolationsschicht 16 und damit die Trennvorrichtung 10 gesteckt wird. Dies hilft bei der Miniaturisierung der Elektronik des Messgerätes.
2 zeigt auch eine durch Schichten 12, 14, 16, 18 und 20 hindurchgreifende Ausfräsung 28 zur Aufnahme der beidseitig von den äußeren Isolationsschichten 18, 20 montierter Ferritkern-Hälften 22a und 22b, die beispielsweise jeweils als E-Kern oder einer entsprechenden Unterart geformt sind, so dass sie einen geschlossenen Magnetkreis bilden.
Um den Vorschriften und Erfordernissen für Explosionsschutz zu genügen, sind die spiralförmigen Leiterbahnen der Primärwicklungsschicht 12 und der Sekundärwicklungsschicht 14 derart gestaltet und angeordnet, dass sie die in den Vorschriften geforderten Mindestabstände zu allen Rändern der Primärwicklungsschicht 12 und der Sekundärwicklungsschicht 14 und zur Ausfräsungen 28 einhalten. Wichtig in diesem falle ist auch, eine Breite der spiralförmigen Leiterbahnen so zu dimensionieren, dass die jeweils akzeptable Wicklungs-Impedanz nicht überschritten wird.
Wie durch 3 veranschaulicht, ist die Verarbeitung der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung 10 sehr einfach. Nachdem Lotpaste (34) auf die Lötpads 32 der Leiterplatte 30 zusammen mit der Lotpaste für andere, hier nicht dargestellte Bauteile, beispielsweise SMD, auf der Leiterplatte 30 aufgetragen wurde, wird die fertig aufgebaute galvanische Trennvorrichtung 10 einschließlich Ferritkern 22 senkrecht mit ihrer mittleren Isolierungsschicht 16 in den Schlitz bzw. die Ausnehmung 36 der Leiterplatte 30 eingesteckt. Die gesamte Leiterplatte 30 wird dann beispielsweise zusammen mit anderen auf der Leiterplatte 30 bestückter Bauteile in einem üblichen SMD-Reflow-Lötprozess verlötet.
Durch Batch-Fertigung kann die erfindungsgemäße galvanische Trennvorrichtung in großen Stückzahlen und damit kostengünstig hergestellt werden und kann, wie oben erwähnt, wie ein normales SMD-Bauteil verarbeitet werden, ohne dass eine Selektiv-Lötung erforderlich ist.
Bezugszeichenliste

10: galvanische Trennvorrichtung
12: Primärwicklungsschicht
14: Sekundärwicklungsschicht
16: mittlere Isolationsschicht
18: erste äußere Isolationsschicht
20: zweite äußere Isolationsschicht
22: Ferritkern
22a: erster Ferritkern-Teil
22b: zweiter Ferritkern-Teil
24: Lötpads von 12
26: Lötpads von 14
28: Ausfräsung
30: Leiterplatte
32: Lötpad von 30
34: Lot
36: Ausnehmung (Schlitz) in 30 zur Aufnahme von 16

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7663460 B2 [0004]

Claims

Galvanische Trennvorrichtung (10) für Prozessmessgeräte, der als Leiterplatten-Transformator oder Planar-Transformator ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens – eine Primärwicklungsschicht (12) aus mehreren Lagen spiralförmiger Leiterbahnen, die durch interne Isolierlagen voneinander isoliert und mit Durchkontaktierungen von Lage zu Lage miteinander verschaltet sowie mit Lötpads (24) zum Löten der Trennvorrichtung (10) versehen sind; – eine Sekundärwicklungsschicht (14) aus mehreren Lagen spiralförmiger Leiterbahnen, die durch interne Isolierlagen voneinander isoliert und mit Durchkontaktierungen von Lage zu Lage verschaltet sowie mit Lötpads (26) zum Löten der Trennvorrichtung (10) versehen sind; – eine mittlere Isolationsschicht (16) zwischen der Primärwicklungsschicht (12) und der Sekundärwicklungsschicht (14); – zwei äußeren Isolationsschichten (18, 20) auf der Primärwicklungsschicht (12) und der Sekundärwicklungsschicht (14) und – einen, die äußeren Isolationsschichten umschließenden, mehrteiligen Ferritkern (22) umfasst, wobei die mittlere Isolationsschicht (16) eine andere Länge aufweist als die Primär- und die Sekundärwicklungsschicht (12 und 14) und als die zwei äußeren Isolationsschichten (18, 20).
Galvanische Trennvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei bündiger Montage aller Schichten (12, 14, 16, 18 und 20) an einer Stirnseite der Trennvorrichtung (10) die mittlere Isolationsschicht (16) am längsten ist und der gegenüber der Primär- und die Sekundärwicklungsschicht (12 und 14) überstehende Teil der mittleren Isolationsschicht (16) zur Aufnahme in einer entsprechenden Ausnehmung (36) einer Leiterplatte (30) dient.
Galvanische Trennvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Isolationsschichten (18 und 20) am kürzesten sind und sie bei bündiger Montage aller Schichten (12, 14, 16, 18 und 20) an einer Stirnseite der Trennvorrichtung (10) die mit den spiralförmigen Leiterbahnen der Primär- und der Sekundärwicklungsschicht (12 und 14) verbundenen Lötpads (24 und 26) nicht bedecken und freilassen, so dass diese mit entsprechenden Lötpads (32) auf der Leiterplatte (30) verlötet werden können.
Galvanische Trennvorrichtung (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit durchgängigen, alle Schichten (12, 14, 16, 18 und 20) durchgreifenden Bohrungen oder Ausfräsungen (28) zur Aufnahme beidseitig montierter Ferritkern-Hälften (22a und 22b) versehen ist.
Galvanische Trennvorrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die spiralförmigen Leiterbahnen der Primär- und der Sekundärwicklungsschicht (12 und 14) derart angeordnet sind, dass sie die von Vorschriften des Explosions-Schutzes geforderten Mindestabstände zu allen Rändern und Ausfräsungen (28) der Leiterplatte (30) einhalten.
Galvanische Trennvorrichtung (10) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der spiralförmigen Leiterbahnen der Primär- und der Sekundärwicklungsschicht (12 und 14) derart dimensioniert ist, dass sie die von Vorschriften des Explosions-Schutzes geforderten Wicklungsimpedanz für die Primär- und der Sekundärwicklungsschicht (12 und 14) nicht überschritten wird.
Galvanische Trennvorrichtung (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Isolationsschicht (16) und die zwei äußeren Isolationsschichten (18 und 20) dicker sind als die internen Isolierlagen der Primär- und der Sekundärwicklungsschicht (12 und 14).