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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen induktive Bauelemente und insbesondere Transformatoren mit geringem Bauvolumen, die für eine hohe Ausgangsspannung ausgelegt sind.
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In vielen Bereichen der Technik gibt es das Bestreben, die Abmessungen von Geräten und Bauelementen zu verringern, ohne dabei jedoch Einbußen im Hinblick auf die Funktionsfähigkeit der entsprechenden Bauelemente oder Geräte zu verursachen. Bei der Miniaturisierung dieser Bauelemente oder Baugruppen müssen auch die elektronischen Komponenten, die für die Leistungsversorgung vorgesehen sind, in ihrer Größe in geeigneter Weise angepasst werden. Beispielsweise können im Bereich der Lichttechnik zunehmend leistungsfähige Gasentladungsleuchten bereitgestellt werden, die bei geringerem Bauvolumen im Vergleich zu bislang verwendeten Leuchten eine gleichbleibende oder sogar höhere Leistung bieten. Das geringe Bauvolumen dieser Leuchtmittel führt jedoch auch dazu, dass die zur Ansteuerung der Leuchtmittel erforderlichen elektronischen Komponenten in der Größe reduziert werden müssen. Insbesondere induktive Komponenten und vor allem Transformatoren müssen dabei jedoch unter Berücksichtigung zahlreicher, das Leistungsverhalten beeinflussender Parameter entwickelt werden, da eine geeignete Anpassung eines induktiven Bauelements von zahlreichen Faktoren, etwa der Form des magnetischen Kerns, der Art des verwendeten Ferritmaterials, den Leitungsführungen in den Wicklungen, sowie generell der Schaltungstopologie abhängt. Obwohl in vielen Bereichen der Elektronik eine Verringerung der Größe der Bauelemente angestrebt wird, ist insbesondere das Erreichen einer ausreichend hohen Leistungsdichte für speziell gewählte Bauteilabmessungen bei induktiven Bauelementen mit hohem Aufwand verbunden, da zahlreiche durch die Eigenschaften der Magnetmaterialien vorgegebene physikalische Randbedingungen einzuhalten sind, so dass unterschiedliche Lösungsansätze zu unterschiedlichen Endergebnissen führen können, die sich dann jedoch gegebenenfalls nicht in gleicher Weise in der Zielanwendung verhalten.
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Für viele Anwendungszwecke ist beispielsweise eine hohe Betriebsspannung zumindest in gewissen Betriebsphasen erforderlich, so dass neben den Schwierigkeiten, die aufgrund einer gewünschten kompakten Bauweise zu bewältigen sind, auch weitere Probleme zu berücksichtigen sind, die sich aus der hohen Betriebsspannung ergeben. Ein Beispiel für die Verwendung kleiner leistungsfähiger Transformatoren, die eine hohe Ausgangsspannung liefern müssen, ist der Einsatz in Verbindung mit gewissen Leuchtmitteln, etwa Xenon-Leuchten, und dergleichen, da hier zumindest zum Zünden des Leuchtmittels eine relativ hohe Spannung von bis zu 30 kV erforderlich ist. Insbesondere für den mobilen Einsatz, in welchem ein geringes Volumen und ein geringes Gewicht wesentliche Aspekte für einen Hochspannungstransformator sind, muss gleichzeitig auf eine hohe Spannungsfestigkeit und Zuverlässigkeit des Transformators bei vielen unterschiedlichen Umgebungsbedingungen großer Wert gelegt werden. Auch in vielen anderen Bereichen, etwa für Messgeräte im Bereich der Umwelttechnologien, und dergleichen, sind teilweise hohe Spannungen beispielsweise für den Nachweis von Strahlung erforderlich, wobei auch hier typischerweise auf kleines Volumen und geringes Gewicht großer Wert gelegt wird, da typischerweise die Messgeräte für den mobilen Einsatz unter rauen Bedingungen vorgesehen sind.
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Beispielsweise ist es bei der Ansteuerung spezieller Leuchtmittel aus Gründen eines kompakten Gesamtaufbaus erforderlich, die Größe und Form der entsprechenden elektronischen Platine der Gestalt und Größe des Leuchtmittels anzupassen, um damit insgesamt eine kompakte Bauform zu erreichen. Aufgrund dieser Vorgaben werden daher kleine Abmessungen für entsprechende Transformatoren gefordert, die aber dennoch die Erfordernisse im Hinblick auf die Leistungsdichte, die Betriebstemperatur, das elektromagnetische Verhalten, die Isolationsfestigkeit und dergleichen erfüllen müssen. Beispielsweise kann bei einem Leistungsbereich von einigen 10 W, wie dies etwa für moderne Gasentladungsleuchten typisch ist, eine Anpassung an die längliche Form der Gasentladungskolben gewisse laterale Abmessungen erfordern, die von der induktiven Komponente nicht überschritten werden dürfen, um damit insgesamt die gewünschte Formanpassung der elektronischen Platine zu ermöglichen. Beispielsweise sind Ferritkerne in vielen standardmäßigen Größen und mit vielen standardmäßigen Ferritmaterialien erhältlich, wobei jedoch im Größenbereich von Kernen mit einem magnetischen wirksamen Volumen von etwa 1000 mm3 oder weniger die erforderlichen Bauteileigenschaften mit einer geschlossenen Kerngeometrie, die beispielsweise eine relativ kompakte Bauweise mit gutem thermischen Verhalten und relativ geringer Störanfälligkeit bietet, gegebenenfalls nicht erreicht werden können, um eine ausreichende Leistung bei einem gewünschten kompakten Aufbau des Transformators bereit zustellen. D.h., häufig wird eine lineare Kernform für Transformatoren verwendet, um kompakte Abmessungen zumindest in einer Dimension zu erreichen, wobei ein magnetischer Aufbau mit etwas geringerer Effizienz im Vergleich zu Transformatoren mit nahezu geschlossenem magnetischen Kreis in Kauf genommen wird. Beispielsweise sind Ringkerne oder andere geschlossene magnetische Systeme häufig nicht kompatibel im Hinblick auf das zur Verfügung stehende Bauvolumen insbesondere in kritischen Anwendungen, etwa Mobilgeräten, Kraftfahrzeugen, und dergleichen. Es hat sich daher für kleine Hochspannungstransformatoren, die beispielsweise für Entladungsleuchten, Messgeräte, und dergleichen verwendet werden können, in der Praxis eine lineare Konfiguration des magnetischen Kernmaterials als geeignet erwiesen aufgrund der geringen Abmessungen, die sich senkrecht zur linearen Erstreckung des Transformators erreichen lassen. Dennoch gibt es für lineare Transformatoren bzw. Transformatoren mit einem stabförmigen zentralen Kern, die für eine hohe Ausgangsspannung ausgelegt sind, ein ausgeprägtes Bestreben, die Abmessungen und/oder Leistungseigenschaften weiter zu verbessern, da etwa im Bereich der Beleuchtungstechnik die Konkurrenzfähigkeit von Leuchtmitteln auf Basis von Entladungsleuchten im Vergleich zu neuen Niederspannungstechniken basierend auf LED-Technik ganz wesentlich auch durch die Eigenschaften des Transformators bestimmt ist.
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In dieser Hinsicht ist es der Anmelderin gelungen, auf der Grundlage einer Kerngeometrie in Pilzform, d.h., linearer Stabkern mit jeweils Endplatten an den Stabenden, mit einer Primärwicklung mit 2 Windungen einen Kleintransformator für Hochspannung zu entwickeln, der eine deutliche Verringerung des Bauvolumens ermöglicht, ansonsten aber die zuvor geforderten Eigenschaften bereitstellt. Allerdings hat die Pilzstruktur des Kernmaterials einen gewissen Aufwand für die Herstellung des Kleintransformators zur Folge, etwa im Hinblick auf die Herstellung des Kerns, Sinterung des Kernmaterials, etc., sodass hier trotz des bereits erreichten geringen Bauvolumens und den damit verknüpften günstigen Eigenschaften noch Bedarf für weitere Verbesserungen besteht.
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Angesichts der zuvor beschriebenen Situation ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kleintransformator zur Bereitstellung hoher Spannungen bei geringem Bauvolumen mit einer Kernanordnung anzugeben, die insbesondere eine effiziente und kostengünstige Herstellung des Kleintransformators ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird die zuvor genannte Aufgabe gelöst durch einen Hochspannungskleintransformator, der eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung aufweist, wobei die erste Wicklung aus zwei Windungen aufgebaut ist. Der Hochspannungskleintransformator umfasst ferner ein nicht als geschlossener magnetischer Kreis vorgesehenes Kernmaterial mit einem ersten Schenkel, einem zweiten Schenkel und einem den ersten Schenkel (131) und den zweiten Schenkel (132) verbindenden Verbindungsteil (137), wobei die erste Wicklung und die zweite Wicklung auf dem ersten Schenkel angeordnet sind.
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Der erfindungsgemäße Kleintransformator für hohe Ausgangsspannung besitzt somit eine erste Wicklung als Primärwicklung, die lediglich zwei Windungen enthält, so dass insbesondere in Längsrichtung der Wicklungen ein äußerst kompakter Aufbau erreicht werden kann. Da trotz der geringen Anzahl an Windungen der ersten Wicklung eine hohe Kopplung zu der zweiten Wicklung erreicht wird, kann auch in dieser Wicklung die Anzahl der Windungen reduziert werden im Vergleich zu Stabkernanordnungen, die mehr als zwei Windungen in der ersten Wicklung aufweisen. Durch die Reduzierung der Anzahl der Windungen sowohl in der Primärwicklung als auch in der Sekundärwicklung kann die Gesamtlänge des Kleintransformators verringert werden, ohne dass die erforderlichen Eigenschaften im Hinblick auf die Isolationsfestigkeit zwischen den einzelnen Windungen und zwischen den Wicklungen nachteilig beeinflusst werden.
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Ferner besitzt der erfindungsgemäße Kleintransformator eine Kerngeometrie, die einerseits eine nicht geschlossene Kernarchitektur darstellt, wie sie typischerweise in Anwendungen eingesetzt wird, die zuvor bereits beschrieben sind, die sich aber von der zuvor beschriebenen Pilzstruktur signifikant unterscheidet. Insbesondere hat der erfindungsgemäße Kleintransformator für hohe Spannungen einen ersten Schenkel und einen zweiten Schenkel, die miteinander verbunden sind, wobei die erste und die zweite Wicklung auf dem ersten Schenkel angeordnet sind. Eine Kerngeometrie mit einem ersten Schenkel und einem zweiten Schenkel kann im Vergleich zu beispielsweise einem Stabkern mit zugehörigen Endplatten, der somit eine Pilzstruktur repräsentiert, wesentlich effizienter und kostengünstiger hergestellt werden, beispielsweise in einer U-Form, so dass insgesamt die Herstellungskosten des Transformators aufgrund einer effizienten Herstellung des Kernmaterials und der vereinfachten Montage der Wicklungen auf dem Schenkel deutlich gesenkt werden können. Insbesondere hat die Kerngeometrie mit einem ersten Schenkel und einem zweiten Schenkel den Vorteil, dass entsprechende Formen zum Pressen und Sintern des Kernmaterials als Mehrfachformen bereitgestellt werden können, so dass in einem einzelnen Arbeitsgang mehrere Kerne für den erfindungsgemäßen Kleintransformator hergestellt werden können.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der erste Schenkel einen größeren magnetischen Querschnitt auf als der zweite Schenkel. In dieser Ausführungsform wirkt der erste Schenkel des Kernmaterials im Wesentlichen wie ein Stabkern, der von der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung umschlossen ist, so dass der magnetische Querschnitt des ersten Schenkels wesentlich die magnetischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften des Kleintransformators bestimmt. Der mit dem ersten Schenkel verbundene zweite Schenkel hat einen deutlich kleineren magnetischen Querschnitt und damit auch kleinere Abmessungen, trägt aber dennoch zu den gesamten magnetischen Eigenschaften entscheidend bei, indem etwa das zusätzliche Material im zweiten Schenkel eine geforderte Größe der Induktivität bzw. des AL-Wertes des Kernmaterials mitbestimmt. Es wurde insbesondere in der vorliegenden Erfindung erkannt, dass die Verwendung eines kleineren magnetischen Querschnitts im zweiten Schenkel, d.h. dem Schenkel, der die erste und die zweite Wicklung nicht trägt, zu einer Sättigung des Kernmaterials beitragen kann, dies aber auf die Funktion des Kleintransformators keine wesentliche Auswirkung ausübt, da generell das Kernmaterial beispielsweise bei Verwendung als Zündtransformator für eine Gasentladungsleuchte während gewisser Betriebsphasen ohnehin in der Sättigung ist. Andererseits kann durch den zweiten Schenkel dennoch in wirksamer Weise ein gewünschter höherer AL-Wert des Kernmaterials eingestellt werden, da dies insbesondere bei Verwendung als Zündtransformator während der Hochlaufphase nach dem eigentlichen Zündvorgang von Bedeutung ist, da in dieser Hochlaufphase eine Begrenzung des Gesamtstroms durch den Kleintransformator erforderlich ist und dies durch die von dem erhöhten AL-Wert bewirkte Induktivität des Kleintransformators gewährleistet werden kann. D.h., diese Strombegrenzung kann wirksam durch eine höhere Induktivität und damit durch das Vorsehen des zweiten Schenkels bewerkstelligt werden. Ferner lässt sich durch das Bereitstellen des zweiten Schenkels und insbesondere durch die Einstellung seines magnetischen Querschnitts insgesamt die Streuinduktivität des gesamten Kernmaterials wirksam so festlegen, dass eine für die benötigte Impulsbreite des Zündimpulses erforderliche Streuinduktivität gut erreicht wird, wobei jedoch die räumliche Ausdehnung des Streufeldes aufgrund der insgesamt sehr kompakten Bauform des Kernmaterials mit erstem und zweitem Schenkel klein gehalten werden kann. Dadurch können gegebenenfalls weitere Abschirmmaßnahmen zur Abschirmung des Streufeldes vermieden werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der magnetische Querschnitt des ersten Schenkels mindestens doppelt so groß wie der magnetische Querschnitt des zweiten Schenkels. Aufgrund dieser geometrischen Eigenschaft des Kernmaterials kann der Abstand zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel reduziert werden, ohne dass der Raumbereich, der für die erste Wicklung und die zweite Wicklung, die um den ersten Schenkel herum geführt sind, unnötig eingeschränkt wird. D.h., die im wesentlichen parallel verlaufenden Schenkel des Kernmaterials weisen einen Abstand auf, der die Aufnahme der ersten und der zweite Wicklung auf dem ersten Schenkel zulässt, aber aufgrund des reduzierten magnetischen Querschnitts die gesamte Erstreckung des Kernmaterials des ersten und des zweiten Schenkels in der Richtung senkrecht zur magnetischen Längsrichtung nicht unnötig vergrößert. Dies wird insbesondere in einer Ausführungsform mit rechteckiger Querschnittsfläche dadurch erreicht, dass etwa der kleinere magnetische Querschnitt des zweiten Schenkels aufgrund einer Reduzierung der Abmessungen des zweiten Schenkels in der Richtung des Abstands zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel entsprechend verkleinert wird, wohingegen in der dazu senkrechten Richtung die Abmessung des zweiten Schenkels aus fertigungstechnischen Gründen vorzugsweise der Abmessung des ersten Schenkels entspricht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der erste Schenkel einen nicht von der ersten und der zweiten Wicklung umschlossen Endbereich auf, der über einen Spalt mit dem zweiten Schenkel magnetisch gekoppelt ist. In dieser Ausführungsform ist sichergestellt, dass der Spalt eine nicht geschlossene Kerngeometrie realisiert, die beispielsweise einer U-Form entspricht. Der Spalt zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel stellt ferner eine geeignete Maßnahme dar, um bei der Montage des Kleintransformators die erste Wicklung und die zweite Wicklung ungehindert auf den ersten Schenkel aufschieben zu können.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der magnetische Querschnitt des Endbereichs des ersten Schenkels gleich zu dem magnetischen Querschnitt des Teils des ersten Schenkels, auf welchem die erste und die zweite Wicklung angeordnet sind. D.h., der erste Schenkel hat zumindest über einen wesentlichen Teil seiner Länge hinweg einen nahezu gleich bleibenden magnetischen Querschnitt, so dass die erste und die zweite Wicklung geeignet aufgebracht werden können. Insbesondere hat in dieser Ausführungsform der offen mündende Endbereich des ersten Schenkels keine magnetischen Erweiterungsbereiche, beispielsweise Endplatten, und dergleichen, so dass eine effiziente Herstellung des Kernmaterials des Kleintransformators ermöglicht wird, wie dies bereits zuvor beschrieben ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Kernmaterial im Bereich des Spaltes einen Kopplungsteil auf, der von dem ersten Schenkel und/oder dem zweiten Schenkel beabstandet ist. Der Kopplungsteil im Spalt zwischen dem ersten Schenkel und den zweiten Schenkel kann die magnetischen Eigenschaften weiter verbessern, indem die magnetische Kopplung zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel erhöht wird. Die durch die Anwesenheit des Kopplungsteils im Spalt entstehenden Luftspalte verringern, im Vergleich zu der Geometrie ohne Kopplungsteil, die Länge der entstehenden Luftspalte deutlich, ohne dass jedoch die Effizienz der Montage der ersten und der zweite Wicklung auf dem ersten Schenkel beeinträchtigt wird. Durch den Kopplungsteil, der selbst von einfacher geometrische Struktur sein kann, etwa in Form eines Quaders, oder dergleichen, wird der magnetische Rückschluss zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel deutlich verbessert, ohne jedoch zusätzliche Komplexität bei der Herstellung des Kernmaterials oder bei der Montage des Kleintransformators zu verursachen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Kopplungsteil zumindest teilweise in einer Aussparung eines Spulenkörpers aufgenommen. Vorteilhafterweise sind die erste Wicklung und die zweite Wicklung auf einem Spulenkörper aufgebracht, so dass sich ein präzises und reproduzierbares Wicklungssystem des Kleintransformators ergibt, wobei in dieser Ausführungsform zusätzlich der Spulenkörper so gestaltet ist, dass der Kopplungsteil darin aufgenommen ist und damit in präziser Weise in Bezug zu dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel bei der Montage des Kleintransformators positioniert ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Länge des ersten Schenkels, d.h. die Abmessung in der magnetischen Längsrichtung, gleich oder kleiner als 22 mm. Erfindungsgemäß ist es damit gelungen, in Längsrichtung ein sehr kompaktes magnetisches Kernmaterial bereitzustellen, das die erste und zweite Wicklung aufnimmt, wobei dennoch die erforderlichen Eigenschaften im Hinblick auf Leistung und Ausgangsspannung, etwa zum Zünden von Xenon-Leuchten, etwa für Automotiv-Anwendungen, bereitgestellt werden. In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen ist der magnetische Querschnitt des ersten Schenkels 50 mm2 oder kleiner, vorzugsweise 30 mm2 oder kleiner, so dass sich in Verbindung mit der zuvor beschriebenen Länge des ersten Schenkels auch in den dazu senkrechten Richtungen ein sehr kompakter Aufbau ergibt. In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen ist ein Abstand zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel im Bereich der ersten und der zweite Wicklung 5 mm oder kleiner. In dieser Ausführungsform ist der Abstand ausreichend, um die erste und zweite Wicklung auf dem ersten Schenkel aufzunehmen sowie auch die notwendigen Isolationsstrukturen zwischen den Wicklungen und dem zweiten Schenkel sicherzustellen. Ferner lassen sich dadurch in den Abmessungen senkrecht zur magnetischen Längsrichtung ebenfalls reduzierte Werte verwirklichen, so dass das gesamte Bauvolumen des Kleintransformators gering ist.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich auch aus den angefügten Patentansprüchen und gehen auch deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
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1A eine perspektivische Ansicht eines Kleintransformators für hohe Spannungen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
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1B eine Frontansicht des Kleintransformators zeigt,
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1C eine Seitenansicht des Kleintransformators zeigt,
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1D eine Schnittansicht entsprechend der Linie B-B aus 1C zeigt und
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2 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Kleintransformators gemäß einer weiteren Ausführungsform zeigt.
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Mit Bezug zu den Zeichnungen werden nunmehr weitere Ausführungsformen detaillierter beschrieben, wobei zu beachten ist, dass teilweise die in den Zeichnungen dargestellten Komponenten nicht maßstabsgetreu dargestellt sind.
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1A zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines Kleintransformators 100 gemäß einer anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Kleintransformator 100, der in anschaulichen Ausführungsformen eine Eingangsspannung von mehreren 10 V bis mehreren 100 V auf eine relativ hohe Ausgangsspannung im Bereich von mehreren 100 V bis mehrere 10.000 V transformiert, ist insbesondere aufgrund der kompakten Bauweise für mobile Anwendungen und Anwendungen im Kfz-Bereich und dergleichen geeignet, wenn relativ hohe Ausgangsspannungen erforderlich sind.
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Der Kleintransformator 100 umfasst eine erste Wicklung 110, die aus zwei Windungen 111 und 112 aufgebaut ist. In der vorliegenden Erfindung sind die zwei Windungen für die erste Wicklung 110 geeignet, um bei einem Transformator mit nicht geschlossener Kerngeometrie eine ausreichende Kopplung zu einer zweiten Wicklung 120 zu gewährleisten, so dass die erforderliche hohe Ausgangsspannung erreicht wird. Die zweite Wicklung 120 ist in der gezeigten Ausführungsform in einzelne Wicklungsabschnitte 121, 122 und 123 unterteilt. Diese Wicklungsabschnitte enthalten dabei typischerweise mehrere Lagen, um die erforderliche Windungszahl zu erreichen. Beispielsweise sind 50 Windungen oder mehr, etwa 100 Windungen und mehr in der zweiten Wicklung 120 vorgesehen.
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Ferner kann durch die Bereitstellung der ersten Wicklung 110 mit nur zwei Windungen erreicht werden, dass für eine gewünschte hohe Ausgangsspannung des Kleintransformators 100 auch die Anzahl der Windungen der zweiten Wicklung 120 reduziert werden kann. Auf diese Weise können die Vorteile eines nicht geschlossenen magnetischen Kreises im Hinblick auf die gesamten Abmessungen in besonderem Maße beibehalten werden und die geringe Erstreckung des Transformators in Längsrichtung L sowie auch die geringen Abmessungen in den dazu senkrechten Richtungen B, H tragen dazu bei, dass auch das Volumen des Streufeldes im Vergleich zu konventionellen Ausführungen reduziert ist. Bei Anwendung einer Windungszahl von 100 oder größer in der zweiten Wicklung können daher Ausgangsspannungen bei einer Eingangsspannung von mehreren 10 V bereitgestellt werden, die 1000 V oder mehrere 10.000 V erreichen, wie dies etwa zum Zünden von Entladungsleuchten im mobilen Bereich, Fahrzeugen, etc. erforderlich ist.
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Ferner sind in der gezeigten Ausführungsform die erste und die zweite Windung 111, 112 mit entsprechenden Anschlusselementen 113 bzw. 114 versehen, die eine gleichsinnige elektrische Reihenschaltung der beiden Windungen oder generell eine Kontaktierung der beiden Windungen ermöglichen. Beispielsweise können diese Anschlusselemente als Kontaktstifte zur Verbindung mit einer Leiterplatte oder einem anderen Trägermaterial ausgebildet sein. In anderen Ausführungsformen sind die Anschlusselemente 113, 114 integrale Bestandteile von selbsttragenden Leiterbügeln, gestanzten Blechteilen, etc. die die erste und die zweite Windung 111, 112 bilden.
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In der dargestellten Ausführungsform umfasst der Kleintransformator 100 einen Spulenkörper 140, der zur Aufnahme der ersten Wicklung 110 und der zweiten Wicklung 120 dient. Dazu weist beispielsweise der Spulenkörper 140 entsprechende Aussparungen zur Aufnahme der Windungen 111 und 112 aus. Diese Materialaussparungen dienen somit als entsprechende Kammern, die jedoch nur eine geringe Erstreckung in der Längsrichtung L aufweisen, so dass die Windungen 111 und 112 präzise positioniert werden können. Ferner sind damit die Windungen 111, 112 mit isolierendem Material in der Längsrichtung L abgetrennt, so dass eine hohe Isolationsfestigkeit zwischen der ersten Wicklung 110 und der zweiten Wicklung 120 entsteht. Somit sind Position und Isolationseigenschaften der ersten Wicklung 110 durch konstruktive Maßnahmen, das heißt durch den Aufbau des Spulenkörpers 140, in präziser und reproduzierbarer Weise festgelegt.
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Ferner umfasst der Kleintransformator 100 ein magnetisches Kernmaterial 130, das eine nicht geschlossene Kerngeometrie bildet. D.h., das Kernmaterial 130 weist mindestens eine Unterbrechung auf, so dass sich ein Luftspalt ergibt. Das Kernmaterial 130 umfasst einen ersten Schenkel 131 und einen zweiten Schenkel 132, die magnetisch durch ein Verbindungsteil (in 1A nicht gezeigt) miteinander verbunden sind. In der gezeigten Ausführungsform umfasst das Kernmaterial 130 ferner einen Kopplungsteil 135, der in einem Spalt 136 zwischen einem Endbereich 131E des ersten Schenkels 131, der nicht von dem Spulenkörper 140 und somit von der ersten Wicklung 110 und der zweiten Wicklung 120 umschlossen ist, mit dem zweiten Schenkel 132 gebildet ist. In der dargestellten Ausführungsform ist der Kopplungsteil 135 in einer Aussparung 141 des Spulenkörpers 140 aufgenommen, so dass der Kopplungsteil 135 in präziser Weise in Bezug zu dem ersten Schenkel 131 und dem zweiten Schenkel 132 positionierbar ist. In anderen Ausführungsformen kann der Kopplungsteil in anderer Weise in dem Spalt 136 befestigt sein.
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In der gezeigten Ausführungsform bilden der erste Schenkel 131 und der zweite Schenkel 132 in Verbindung mit dem in 1A nicht gezeigten Verbindungsteil eine U-förmige Kerngeometrie, die für die erforderlichen magnetischen Eigenschaften des Kleintransformators 100 sorgt, wobei der optionale Kopplungsteil 135 eine Reduzierung des effektiv wirksamen Spalts 136 nach Montage des Spulenkörpers 140 auf dem ersten Schenkel 131 ermöglicht. Wie eingangs bereits erläutert ist, wird in Anwendungen, in denen ein äußerst kompakter Aufbau für einen Transformator erforderlich ist, häufig eine nicht geschlossene Magnetkreisgeometrie angewendet, in welcher zwar die magnetischen Eigenschaften ungünstiger sind im Vergleich zu einem im wesentlichen geschlossenen Kernmaterial, jedoch insgesamt kleinere Abmessungen erreichbar sind. Beispielsweise ergibt sich für die gezeigte Ausführungsform eine Abmessung in der Längsrichtung L von 22 mm oder kleiner, etwa eine Länge im Bereich von 18–22 mm. Für Abmessungen in dieser Größenordnung ergeben sich etwa in den dazu senkrechten Dimensionen, etwa in der Höhe H und der Breite B Abmessungen von 17 mm oder kleiner, etwa im Bereich von 14–17 mm. Um diese geringen Abmessungen zu erreichen, wurde erfindungsgemäß erkannt, dass der magnetische Querschnitt 131F des ersten Schenkels 131 deutlich größer sein kann als der magnetische Querschnitt 132F des zweiten Schenkels 132, da der zweite Schenkel 132 im wesentlichen nur als Rückschluss für das Magnetfeld des ersten Schenkels 131 und zur Einstellung der Gesamtinduktivität des Kernmaterials 130 dient. D.h., es wurde erkannt, dass während gewisser Betriebsphasen ohnehin eine Sättigung des Kernmaterials 130 auftritt, so dass eine Reduzierung des Querschnitts 132F im Vergleich zu dem Querschnitt 131F möglich ist, ohne die erforderlichen magnetischen Eigenschaften einzubüßen. Andererseits kann durch die Bereitstellung des zweiten Schenkels 132, der somit einen Teil einer U-förmigen Kernstruktur bildet, ein gewünschter höherer Induktivitätswert, beispielsweise im Hinblick auf eine möglicherweise erforderliche strombegrenzende Wirkung des Kleintransformators 100 in gewissen Betriebsphasen erreicht werden, wobei insbesondere die Herstellung des Kernmaterials 130 wesentlich effizienter erfolgen kann, als dies beispielsweise für eine lineare Kerngeometrie mit entsprechenden Endplatten bewerkstelligt werden könnte. D.h., aufgrund der U-förmigen Struktur der wesentlichen Komponente des Kernmaterials 130, d.h., der Schenkel 131, 132 und des nicht gezeigten Verbindungsteils, kann ein einfacher Aufbau der Schenkel 131 und 132 ohne entsprechende Endplatten beibehalten werden, wodurch die Herstellung des Kernmaterials 130 selbst sowie auch die Montage des Kleintransformators 100 kostengünstiger bewerkstelligt werden können. Bei Bedarf kann der optionale Kopplungsteil 135 zur Verbesserung des Rückschlusses im Spalt 136 vorgesehen werden, ohne jedoch eine negative Auswirkung sowohl auf die Montage des Kleintransformators 100 als auch die Herstellung des Kernmaterials 130 auszuüben.
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In einer Ausführungsform weist die Querschnittsfläche 131F eine Fläche von 50 mm2 oder kleiner, vorzugsweise 30 mm2 oder kleiner auf. In der dargestellten Ausführungsform ist die Querschnittsfläche 131F im Wesentlichen quadratisch, z.B., 4,8 mm × 5,2 mm, während der Querschnitt 132F des zweiten Schenkels 132 rechteckförmig ist und beispielsweise die Hälfte oder deutlich weniger der Querschnittsfläche 131F beträgt. Wie gezeigt, besitzt etwa die Querschnittsfläche 132F in der Richtung B vorzugsweise die gleiche Abmessung wie der Querschnitt 131F, so dass der deutlich reduzierte Querschnitt 132F im Vergleich zu dem Querschnitt 131F zu einer entsprechend kleineren Abmessungen in der lateralen Richtung H führt. In entsprechender Weise kann der Kopplungsteil 135 an die entsprechenden Abmessungen der Schenkel 131, 132 angepasst sein, um einerseits eine nachträgliche Montage zu ermöglichen und andererseits eine relativ starke magnetische Kopplung zwischen dem Endbereich 131E und dem Endbereich des zweiten Schenkels 132 zu erreichen. In anderen Ausführungsformen können einer oder beide Schenkel 131, 132 einen rechteckigen Querschnitt oder eine andere Querschnittsform, insbesondere einen runden Querschnitt, aufweisen.
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1B zeigt eine frontale Ansicht, die entlang der Längsrichtung L aus 1A genommen ist. In dieser Ausführungsform ist die Querschnittsfläche 131F quadratisch mit einer Kantenlänge von 5 mm, wobei in anderen Ausführungsformen eine Kantenlänge von 3,5–7 mm angewendet wird. Der Querschnitt 132F hat in der lateralen Richtung B die gleiche Abmessung wie die Fläche 131F, ist jedoch in der lateralen Richtung H kleiner, beispielsweise besitzt die Fläche 132F entlang der Richtung H eine Abmessung von ca. 2 mm. In dieser Ausführungsform ist daher die magnetische Querschnittsfläche des zweiten Schenkels 132 im Verhältnis 1/2,5 reduziert. Selbstverständlich können auch andere Verhältnisse realisiert werden, wobei in vorteilhaften Ausführungsformen die magnetische Querschnittsfläche 131F mindestens das Zweifache der magnetischen Querschnittsfläche 132F beträgt. Wie zuvor bereits erläutert ist, können die Querschnitte 131F und/oder 132F andere geometrische Formen annehmen, beispielsweise die Form eines Rechtecks, eines Ovals, und insbesondere eines Kreises. Gegebenenfalls können die Querschnittsfläche 131F und 132F jeweils unterschiedliche geometrische Figuren repräsentieren, beispielsweise ein Quadrat in Verbindung mit einem Kreis, usw. Unabhängig von der geometrischen Form der jeweiligen Querschnitte 131F, 132F können die beiden Schenkel und ein entsprechender Verbindungsteil (nicht gezeigt) kostengünstig und effizient als ein einzelnes Materialstück hergestellt werden.
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1C zeigt eine Seitenansicht des Kleintransformators 100, wobei die Gesamtabmessung in der Längsrichtung L bei 22 mm oder kleiner beträgt, um einen kompakten Aufbau zu erhalten, wie dies bereits zuvor erwähnt ist.
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1D zeigt eine entsprechende Schnittansicht entlang der Schnittlinie B, die in 1C gezeigt ist. In dieser Ausführungsform ist das Kernmaterial 130 als zwei getrennte Komponenten gezeigt, in der die eine Komponente durch den ersten Schenkel 131, den zweiten Schenkel 132 und einen Verbindungsteil 137 bereitgestellt ist, während die zweite Komponente durch den Kopplungsteil 135 repräsentiert ist. Wie zuvor bereits dargelegt ist, kann die aus den Schenkeln 131, 132 und dem Verbindungsteil 137 bestehende Komponente als ein einzelnes Materialstück bereitgestellt werden, so dass sich eine sehr effiziente Herstellung dieser Komponente erreichen lässt. Bei Bedarf können selbstverständlich eines oder mehrere der Elemente 131, 132, 137 separat hergestellt und anschließend verbunden werden.
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Bei der Herstellung des Kleintransformators 100 kann somit das Kernmaterial 130 in Form zweier einzelner Komponenten, d.h. die Schenkel 131, 132 und der Verbindungsteil 137 als eine Komponente einerseits und der Kopplungsteil 135, falls vorgesehen, andererseits kosteneffizient hergestellt werden. Bei der anschließenden Montage der ersten und der zweiten Wicklung 110, 120 auf dem ersten Schenkel 131 werden diese vorzugsweise zuvor auf dem Spulenkörper 140 aufgebracht und dann auf dem ersten Schenkel 131 positioniert.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Kleintransformators für hohe Ausgangsspannungen 200, der im wesentlichen identisch ist zu den Ausführungsformen, die im Zusammenhang mit den 1A–1D beschrieben sind, mit der Ausnahme, dass der in den 1A–1D gezeigte optionale Kopplungsteil nicht vorgesehen ist. D.h., der Kleintransformator 200 umfasst eine erste Wicklung 210 mit zwei Windungen und eine zweite Wicklung 220 auf einem Spulenkörper 240, der auf einem ersten Schenkel 231 eines nicht geschlossenen Kernmaterials 230 angeordnet ist. Ein zweiter Schenkel 232 ist mit dem ersten Schenkel 231 verbunden durch einen in 2 nicht gezeigten Verbindungsteil, so dass im Wesentlichen eine U-förmige Geometrie des Kernmaterials 230 gebildet ist. Für weitere Eigenschaften des Kleintransformators 200 sei auf die Ausführungsformen verwiesen, die in Verbindung mit den 1A–1D beschrieben sind.
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Die erfindungsgemäßen Kleintransformatoren 100, 200 können vorteilhaft in mobilen Anwendungen, in Fahrzeugen in Verbindung mit Gasentladungsleuchten, und dergleichen eingesetzt werden. In diesen Anwendungen ist ein kleines Bauvolumen bei vorgegebenen magnetischen und elektrischen Eigenschaften ein wesentlicher Aspekt für die Brauchbarkeit kleiner Hochspannungstransformatoren. Insbesondere durch die Verwendung einer Kerngeometrie auf der Grundlage zweier Schenkel, etwa in Form einer U-förmigen Struktur, ist es gelungen, einen erforderlichen Induktivitätswert des Kernmaterials, beispielsweise im Bereich von 500–800 µH bereitzustellen, wobei gleichzeitig Bauteilabmessungen für die Länge von ca. 22 mm oder kleiner und von Abmessungen von ca. 17 mm oder kleiner in den lateralen Richtungen erreicht werden. Bei der elektrischen Anbindung des erfindungsgemäßen Transformators ermöglichen insbesondere die Anschlusselemente 113, 114 (siehe 1A) einen Kontakt zu den weiteren elektrischen Komponenten, beispielsweise zu einem Kondensator und einer Funkenstrecke, derart, dass insbesondere die parasitäre Induktivität der Zuleitungen gering gehalten werden kann, so dass die erste Wicklung mit lediglich zwei Windungen geeignet ist, die erforderliche Hochspannung auf der Sekundärseite zu erzeugen. Des weiteren können auf der Grundlage des zuvor beschriebenen Kernmaterials mit dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel die Werte der Streuinduktivität und der Gesamtinduktivität so eingestellt werden, dass insbesondere beim Zündvorgang ein Impuls mit geeigneter zeitlicher Länge erzeugt wird und im weiteren Verlauf beim Hochlauf der Entladungsleuchte eine gewünschte Begrenzung des Stroms erreicht wird. Gleichzeitig ist durch die geringen geometrischen Abmessungen des Kleintransformators auch die räumliche Ausdehnung des magnetischen Streufeldes sehr begrenzt, so dass die Positionierung des Transformators innerhalb einer elektronischen Schaltgruppe wesentlich unproblematischer und flexibler zu handhaben ist im Vergleich zu konventionellen Systemen, wobei gegebenenfalls auf weitere Abschirmmaßnahmen für das magnetische Streufeld verzichtet werden kann. Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Kernmaterials in Form eines ersten und eines zweiten miteinander verbundenen Schenkels, insbesondere als eine U-Form, gelingt also eine weitere Verringerung des Bauvolumens eines Kleintransformators für hohe Spannungen, wobei insbesondere die Herstellungskosten für das Kernmaterial sowie die gesamten Fertigungskosten des Kleintransformators reduziert werden können.
