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Die vorliegende Erfindung betriff eine EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) kompensierte Spule gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind Spulen mit einem Spulenleiter und einem Bezugsleiter und wenigstens einer mit dem Spulenleiter erzeugten Spulenwindung bekannt, die beispielsweise als Primär- oder Sekundärspulen von Transformatoren in Schaltnetzteilen verwendet werden können.
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Solche Schaltnetzteile erzeugen in Folge ihrer hochfrequenten Taktung sogenannte Funkstörungen, die sich mittels elektromagnetischer Felder im freien Raum und leitungsgebunden über die Netzanschlussleitungen in Form von hochfrequenten Spannungen und Strömen ausbreiten. Hinsichtlich dieser Störaussendungen sind gesetzlich vorgegebene Grenzwerte einzuhalten. Die Einhaltung dieser Grenzwerte wird mittels unterschiedlicher sogenannter Entstörmaßnahmen gewährleistet, wobei einerseits Abschirmungen, die eine Ausbreitung der elektromagnetischen Störungen verhindern, und andererseits Kompensationen, die eine Entstehung der Störungen bzw. eine Reduktion von entstandenen Störungen bezwecken, unterschieden werden.
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Im Bereich der Abschirmungen ist es bspw. bekannt entsprechende Schaltnetzteile in einem Metallgehäuse anzuordnen, so dass die Ausbreitung elektromagnetischer Strahlung verhindert wird.
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Im Bereich der Kompensation ist es üblich, Leitungen, die mit entsprechend störbehafteten Signalen belegt sind, mit sogenannten Y-Kondensatoren zu versehen, die entsprechende leitungsgebundene Störströme beispielsweise zwischen Primär- und Sekundärwicklung eines Transformators kurzschließen und deren Ausbreitung somit verhindern.
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Ein weiterer Ansatz, der der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, ist die Verhinderung von elektromagnetischen Störungen durch ein optimiertes Design bzw. Layout des betroffenen Bauelements.
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Es ist damit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Spule mit reduzierter elektromagnetischer Abstrahlung zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Spule mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Eine erfindungsgemäße Spule weist einen Spulenleiter und einen Bezugsleiter auf, wobei die Spule wenigstens eine mit dem Bezugsleiter erzeugte Kompensationswindung aufweist, wobei dies dadurch erreicht wird, dass die Kompensationswindungen durch im Wesentlichen zur Spulenwindung paralleles Hin- und Rückführen des Bezugsleiters mit im Wesentlichen gleicher Windungszahl der hin- und rücklaufenden Windungen erzeugt sind. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Bezugsleiter im Inneren der Spulenwindung parallel zu dieser geführt und bevor eine Windung mit dem Kompensationsleiter geschlossen wird, ebenfalls parallel wieder zurück geführt wird. Auf diese Weise wird eine Kompensation magnetischer Felder, die durch auf dem Bezugsleiter fließende Ströme induziert werden, erreicht. Gleichzeitig wird gewährleistet, dass sich ein elektrisches Feld nur in dem, beispielsweise ringförmig ausgebildeten Zwischenraum zwischen dem Spulenleiter und dem Bezugsleiter ausbildet, und damit eine erhebliche Reduktion einer Störabstrahlfläche für das elektrische Feld erreicht. Alternativ kann der Bezugsleiter mit mehreren Windungen hin und anschließend mit im Wesentlichen der gleichen Windungszahl zurück geführt werden.
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Durch das Vorsehen einer der Anzahl der Spulenwindungen entsprechenden Anzahl an Kompensationswindungen, die vorzugsweise derart ausgestaltet sind, dass ein magnetisches Feld des Bezugsleiters kompensiert wird und weiter vorzugsweise derart angeordnet sind, dass eine Störabstrahlfläche eines elektrischen Feldes, das sich zwischen dem Spulenleiter und dem Bezugsleiter ausbildet, minimiert wird, wird erreicht, dass durch das elektrische Feld hervorgerufene Störstrahlungen drastisch reduziert und lediglich eine durch den Spulenleiter erzeugte magnetische Komponente erhalten wird.
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Wie der obigen Beschreibung entnommen werden kann, wird unter einer Kompensationswindung insbesondere verstanden, dass der Bezugsleiter doppelt geführt, insbesondere hin und wieder zurückgeführt wird. Eine Kompensationswindung ist damit nicht darauf beschränkt, dass die Bezugsleitung in einer Richtung geführt wird. Insbesondere können sich eine Anzahl der hingeführten Windungen und die Anzahl der rückgeführten Windungen um höchstens 50 %, bevorzugt 25 %, weiter bevorzugt 10 % unterscheiden. Im Idealfall sind identisch viele Windungen hingeführt und zurückgeführt.
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Eine besonders günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Spule kann erreicht werden, wenn die Spulenwindungen und die Kompensationswindungen als Leiterbahnen auf und in einem Substrat angeordnet sind. Ein solches Substrat kann beispielsweise als Leiterplatte, bevorzugt als Multilayer-Leiterplatte mit mehreren durch Isolationsschichten voneinander getrennten Leitungsschichten ausgebildet sein. Bei der Verwendung von Leiterplatten als Substrat können außerdem vorteilhafterweise weitere elektronische Bauelemente auf dem Substrat bzw. der Leiterplatte angeordnet sein. Auf diese Weise wird eine besonders platzsparende Ausgestaltung von beispielsweise Schalternetzteilen möglich.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Spule eine Mehrzahl von Spulenwindungen und Kompensationswindungen aufweist, wobei eine Mehrzahl von Leiterplatten Spulenwindungen und Kompensationswindungen gestapelt angeordnet und jeweils die Spulenwindungen und Kompensationswindungen jeweils aneinander grenzende Leiterplatten bzw. aneinander grenzender Layer innerhalb einer Leiterplatte miteinander verbunden sind.
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Bei Verwendung von Singlelayer-Leiterplatten können vorteilhafterweise jeweils auf der Ober- und Unterseite einer Leiterplatt Spulen- und Kompensationswindungen angeordnet sein, wobei es in der Regel vorteilhaft sein dürfte, jeweils eine Spulenwindung und eine Kompensationswindung auf der Oberseite und der Unterseite auszubilden. Alternativ können sich die Anzahl der Spulen- und Kompensationswindungen wie oben dargelegt unterscheiden. Zur Bildung einer Spule mit mehreren Spulenwindungen und dementsprechend mehreren Kompensationswindungen können die Spulen- und Kompensationswindungen auf der Ober- und Unterseite beispielsweise durch Kontaktierungen geeignet miteinander verbunden sein, so dass eine Spule mit mehreren gleichsinnig verlaufenden Spulenwindungen gebildet wird.
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Entsprechendes gilt bei der Verwendung von Multilayer-Leiterplatten, bei der dann entsprechend pro Leitungsschicht jeweils eine Spulenwindung und eine Kompensationswindung ausgebildet sein kann. Die Spulenwindungen einzelner Layer können dann derart miteinander verbunden sein, dass eine Spule mit mehreren gleichsinnig verlaufenden Spulenwindungen gebildet ist.
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Um eine weitere Erhöhung der Windungszahl der erzeugbaren Spulen zu erreichen, kann es außerdem vorteilhaft sein, mehrere Leiterplatten gestapelt übereinander anzuordnen und entsprechende Verbindungen zwischen den Spulenwindungen jeweils aneinander grenzender Leiterplatten vorzusehen.
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Eine erfindungsgemäße Spule kann vorteilhafterweise in Hochfrequenzanwendungen bevorzugt in einem Transformator, vorzugsweise in einem Schaltnetzteil, in Lautsprechern, Elektromotoren oder Elektromagnetventilen verwendet werden.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Spulenwindung einer Spule gemäß dem Stand der Technik,
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2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer EMV-kompensierten Spulenwindung,
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer EMV-kompensierten Spulenwindung,
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4a das elektrische Feld bei einer Spulenwindung gemäß 3 und
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4b das magnetische Feld der Spulenwindung aus 3.
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1 zeigt eine Spulenwindung 7 einer Spule 1 gemäß dem Stand der Technik, bei der eine Spulenwindung 7 mit einem Spulenleiter 3 ohne eine zusätzliche Kompensation durch einen Bezugsleiter 5 gebildet ist.
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Gemäß 1 ist die Spulenwindung 7 im Wesentlichen kreisrund ausgebildet, wobei der Spulenleiter 3 und der Bezugsleiter 5 im Bereich eines Anschlusses der Spulenwindung 7 parallel zu der Spulenwindung 7 hin und von der Spulenwindung 7 weg geführt sind. Die Spulenwindung 7 selbst ist im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet. Durch in dem Spulenleiter 3 fließende Ströme wird in der Spulenwindung 7 ein magnetisches Feld H induziert, das beispielsweise zur Kopplung einer Primärwindung und einer Sekundärwindung in einem Transformator verwendet werden kann.
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Zusätzlich zu dem induzierten Magnetfeld H entsteht ein elektrisches Feld E, das sich zwischen dem Spulenleiter 3 und dem Bezugsleiter 5 ausbildet und damit die gesamte von der Spulenwindung 7 umschlossene Fläche durchdringt.
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Ein Wellenwiderstand der das Verhältnis von Induktivität zu Kapazität der gezeigten Anordnung beschreibt, steigt drastisch an, wenn der Anschluss die Leiterplatte verlässt, da dann eine Kapazität zwischen Spulenleiter und Bezugspotential drastisch abnimmt. Wird eine Spule dieser Art in ein Schaltnetzteil als Primärwicklung verwendet, so sind aufgrund der großen Störabstrahlfläche aufwendige Endstörmaßnahmen notwendig.
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2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer EMV-kompensierten Spulenwindung 7, wobei im Unterschied zu der Spulenwindung 7 aus dem Stand der Technik wie sie in 1 dargestellt ist, der Bezugsleiter 5 parallel zu dem Spulenleiter 3 auch innerhalb der Spulenwindung 7 zu dem Spulenleiter 3 geführt und einen über ein Netzwerk 10, beispielsweise einen Kondensator, der als Hochpass wirkt, mit diesem gekoppelt ist. Es wird auf diese Weise eine erhebliche Reduktion einer Störabstrahlfläche A des elektrischen Feldes erreicht, wobei dies nur im Bereich der hohen Frequenzen, bei denen eine entsprechende Kopplung über das Netzwerk 10 erreicht werden kann, gilt. Im Bereich niedriger Frequenzen gilt dies nicht, da eine entsprechende Kopplung über das Netzwerk, beispielsweise einen Kondensator nicht mehr ausreichend wirkt.
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3 zeigt eine Weiterbildung des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels, wobei die Kompensationswindung 9 mit dem Bezugsleiter 5 derart realisiert ist, dass die Kompensationswindung 9 durch ein zu dem Spulenleiter 3 paralleles Hinführen und wieder Rückführen des Bezugsleiters 5 gebildet ist. Auf diese Weise werden magnetische Felder H, die in dem Bezugsleiter 5 induziert werden, kompensiert und es wird gleichzeitig erreicht, dass eine Störabstrahlfläche A des elektrischen Feldes E zwischen dem Spulenleiter 3 und dem Bezugsleiter 5 im Bereich der Spulenwindung 7 auf eine Ringfläche zwischen der Spulenwindung 7 und der Kompensationswindung 9 reduziert wird. Da gemäß dieser Ausführungsform keine kapazitive Kopplung zwischen dem Spulenleiter 3 und dem Bezugsleiter 5 notwendig ist, wirkt die so erreichte Kompensation frequenzunabhängig, so dass auch für niedrige Frequenzen eine gute EMV-Kompensation erreicht wird.
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4 zeigt in einer Ausschnittsvergrößerung das aus 3 resultierende elektrische Feld E (4a) und das resultierende magnetische Feld H (4b). Die Ausbildung des elektrischen Feldes E erfolgt auch innerhalb der Spule nur zwischen dem Spulenleiter und dem Bezugsleiter, wobei sich das Feld ausschließlich zwischen dem Spulenleiter und dem ihm nächstliegenden Bezugsleiter 5 an der Kompensationswindung 9 ausbildet. Durch die Hinleitung und Rückleitung des Bezugsleiters 5 wird, wie dies aus 4b besonders deutlich ersichtlich ist, erreicht, dass eine resultierendes magnetisches Feld H ausschließlich aufgrund der Spulenwindung 7 induziert wird, da sich an der Kompensationswindung 9 erzeugte magnetische Felder aufgrund der Hinführung und Rückführung gegenseitig kompensieren.
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Alternativ zu dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Kompensationswindung auch in einer separaten Schicht einer Multilayer-Leiterplatte geführt sein, wodurch die gleichen Effekte erzielt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spule
- 3
- Spulenleiter
- 5
- Bezugsleiter
- 7
- Spulenwindung
- 9
- Kompensationswindung
- 10
- Netzwerk / Kondensator
- b
- Anzahl (b) an hinlaufenden Windungen
- r
-
- n
- Anzahl
- k
- Anzahl
- Cy
- Y-Kondensator
- A
- Störabstrahlfläche
- E
- Elektrisches Feld
- H
- Magnetisches Feld
