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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Planar-Transformator zur Energieübertragung umfassend eine mehrlagig aufgebaute Leiterplatte mit zumindest drei Lagen zum Ausbilden elektrischer Leiterbahnen, wobei zwei dieser Lagen jeweils eine Außenlage der Leiterplatte ausbilden und jede weitere Lage eine Innenlage der Leiterplatte ausbildet, zumindest zwei galvanisch voneinander getrennte Stromkreise, wobei ein erster Stromkreis eine Primärwicklung und jeder weitere dieser Stromkreise eine Sekundärwicklung des Planar-Transformators umfasst, wobei die Primärwicklung sowie jede weitere Sekundärwicklung in Form von Leiterbahnen auf einer Außenlage und/oder einer Innenlage der Leiterplatte ausgebildet sind und einen magnetischen Kern, wobei der Kern die mehrlagige Leiterplatte zumindest teilweise umschließt und diese im Bereich der Primärwicklung sowie der Sekundärwicklung zumindest teilweise durchdringt und so zumindest auf den ersten Stromkreis und auf den weiteren Stromkreis wirkt.
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Stand der Technik
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Transformatoren im Allgemeinen stellen in vielen elektronischen Produkten eine wichtige Komponente zur galvanischen Trennung von Stromkreisen dar, wobei über den Transformator sowohl Energie als auch Signale und/oder Daten übertragen werden können. Bei einem Planar-Transformator handelt es sich um eine besondere Bauform eines Transformators. Der Planar-Transformator weist als wesentliche Komponenten einen magnetischen Kern, der in eine Leiterplatte eingesetzt wird, sowie Wicklungen, die in Form von Leiterbahnen auf der Leiterplatte ausgebildet sind, auf.
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Zur Realisierung eines Spannungszwischenabgriffs bei einer Wicklung eines Planar-Transformators in DC/DC Wandler Anwendungen ist es notwendig mittels einer Durchkontaktierung, auch „VIA“ („Vertical Interconnect Access“) genannt, die in der Regel aus Kostengründen durch die gesamte Leiterplatte hindurch geführt ist, auf eine andere Lage zu wechseln, um einen Anschluss zur weiteren Verwendung zur Verfügung zu stellen. Vor allem bei Anwendungen mit geforderter galvanischer Trennung von Stromkreisen und den damit verbundenen Isolationsfestigkeitsanforderungen ist somit ein Abstand zur Durchkontaktierung in allen Lagen des Planar-Transformators zu berücksichtigen. Aufgrund der einzuhaltenden Luft- und Kriechstrecken sind diese Abstände oftmals groß. Dadurch verringert sich der Füllfaktor der Wicklung und somit kommt es zu einer Verringerung der magnetischen Kopplung, wobei der Koppelfaktor ein wichtiges Kriterium eines jeden Transformators darstellt. Der Koppelfaktor bestimmt den Anteil an Energie, der auf die Sekundärseite(n) transportiert werden kann bzw. wie hoch der Anteil der Verluste und Spannungsüberschwinger am Schalttransistor ausfällt. Eine perfekte Kopplung ist unter realen Bedingungen nicht zu realisieren - es kommt immer zu Spannungsspitzen am Schalttransistor. Um den Transistor zu schützen werden üblicherweise „RCD-Snubber“ eingesetzt. Diese begrenzen die Höhe der Spannungsspitzen. Die Höhe der Spannungsspitzen hängt von der magnetischen Kopplung und der daraus resultierenden sogenannten Streuinduktivität des Transformators ab.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen verbesserten Planar-Transformator darzustellen.
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Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Der erfindungsgemäße Planar-Transformator dient insbesondere der Energieübertragung.
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Der Planar-Transformator weist erfindungsgemäß eine mehrlagig aufgebaute Leiterplatte mit zumindest drei Lagen zum Ausbilden elektrischer Leiterbahnen, wobei zwei dieser Lagen jeweils eine Außenlage der Leiterplatte ausbilden und jede weitere Lage eine Innenlage der Leiterplatte ausbildet, zumindest zwei galvanisch voneinander getrennte Stromkreise, wobei ein erster Stromkreis eine Primärwicklung und jeder weitere dieser Stromkreise eine Sekundärwicklung des Planar-Transformators umfasst, wobei die Primärwicklung sowie jede weitere Sekundärwicklung in Form von Leiterbahnen auf einer Außenlage und/oder einer Innenlage der Leiterplatte ausgebildet sind und einen magnetischen Kern, wobei der Kern die mehrlagige Leiterplatte zumindest teilweise umschließt und diese im Bereich der Primärwicklung sowie der Sekundärwicklung zumindest teilweise durchdringt und so zumindest auf den ersten Stromkreis und auf einen weiteren Stromkreis wirkt, auf.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist ein Zwischenspannungsabgriff an der in Bezug auf eine äußerste und somit letzte Windung zumindest einer Sekundärwicklung vorletzten Windung dieser Sekundärwicklung ausgeführt. Die Anzahl der Windungen muss dabei so gewählt werden, dass nach dem Zwischenspannungsabgriff nur mehr eine Windung der Wicklung übrig bleibt und damit der Füllfaktor entscheidend vergrößert wird.
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Die Leiterbahnen sind für sämtliche Stromkreise vorzugsweise auf zumindest einer Innenlage der Leiterplatte ausgebildet.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist der Kern zumindest zweiteilig umfassend ein erstes Kernteil und ein zweites Kernteil ausgebildet, wobei das erste Kernteil mit einem Basisteil und drei Schenkeln, nämlich zwei Außenschenkeln und einem Mittelschenkel, eine E-Form ausbildet und das zweite Kernteil mit einem Teil eine I-Form ausbildet.
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Die Leiterplatte weist vorzugsweise drei Aussparungen auf in die jeweils ein Schenkel des ersten Kernteils eingesetzt ist, wobei die Außenschenkel so die Leiterplatte zumindest teilweise durchdringen. Die beiden Außenschenkel sind vorzugsweise an den vom Mittelteil des ersten Kernteils entfernten Enden mit dem zweiten Kernteil verbunden. Ein Luftspalt wird vorzugsweise am Mittelschenkel realisiert.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante des Planar-Transformators ist ein „RCD-Snubber“ direkt über allen Windungen, zwischen einem Wicklungsanfang und einem Wicklungsende der Primärwicklung auf einer der beiden Außenlagen der Leiterplatte angeordnet.
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Vermittels der erfindungsgemäßen Ausbildung des Planar-Transformators, insbesondere die Realisierung eines Zwischenspannungsabgriffs in einem Wickelraum ohne die Verwendung eines VIAs, wird ein Planar-Transformator mit einer reduzierten Streuinduktivität generiert.
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Vor allem bei Anwendungen von Planar-Transformatoren mit geforderter galvanischer Trennung und damit verbundenen Isolationsfestigkeitsanforderungen ist ein Abstand der Leiterbahnen der einzelnen Wicklungen in den anderen Lagen zum VIA zu berücksichtigen. Aufgrund der einzuhaltenden Luft- und Kriechstrecken sind diese Abstände oftmals groß. Durch die erfindungsgemäße Ausführung des Planar-Transformators, insbesondere des Zwischenspannungsabgriffs, vergrößert sich der Füllfaktor der Wicklung, wodurch eine Vergrößerung der magnetischen Kopplung erreicht wird.
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Gleichzeitig verringert sich dadurch auch die Streuinduktivität des Transformators. Die dadurch gespeicherte Energie kann über den „RCD-Snubber“ wieder abgebaut werden. Da der Abbau dieser Energie sehr schnell erfolgen muss, und zwar im Nanosekunden-Bereich, ist es von Vorteil, wenn die Stromschleife über den „RCD-Snubber“ und die Primärwicklung des Transformators so klein bzw. kurz wie möglich ausgeführt wird. Eine solche optimierte Anordnung wird durch die erfindungsgemäße geometrische Anordnung des „RCD-Snubbers“ realisiert.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
- 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Planar-Transformators.
- 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Lagenaufbaus eines Planar-Transformators gemäß 1.
- 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Leiterplatte eines Planar-Transformators gemäß 1 mit Aussparungen für einen Kern.
- 4 zeigt eine schematische Darstellung (Draufsicht) einer Primärwicklung in einer dritten Lage (erste Leiterbahn) und einer fünften Lage (zweite Leiterbahn).
- 5 zeigt eine schematische Darstellung (Draufsicht) einer Primärwicklung gemäß 4 mit Durchkontaktierungen.
- 6 zeigt eine schematische Darstellung (Draufsicht) einer ersten Sekundärwicklung in einer zweiten Lage (dritte Leiterbahn).
- 7 zeigt eine schematische Darstellung (Draufsicht) einer ersten Sekundärwicklung gemäß 6 mit Durchkontaktierungen.
- 8 zeigt eine schematische Darstellung (Draufsicht) einer zweiten Sekundärwicklung in einer vierten Lage (vierte Leiterbahn).
- 9 zeigt eine schematische Darstellung (Draufsicht) einer zweiten Sekundärwicklung gemäß 8 mit Durchkontaktierungen.
- 10 zeigt eine schematische Darstellung gemäß 4 mit einem „RCD-Snubber“.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Der in 1 bis 9 in unterschiedlichen Detaillierungsgraden dargestellte Planar-Transformator 1 dient der Energieübertragung und weist eine Leiterplatte 2 zum Ausbilden elektrischer Leiterbahnen, drei galvanisch voneinander getrennte Stromkreise und einen magnetischen Kern 3a, 3b auf (1).
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Die Leiterplatte 2 ist mehrlagig, also sandwichartig aufgebaut, und umfasst insgesamt sechs Lagen, nämlich eine erste Lage L1, eine zweite Lage L2, eine dritte Lage L3, eine vierte Lage L4, eine fünfte Lage L5 und eine sechste Lage L6 ( 2).
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Die Leiterplatte 2 besitzt, wie in 1, 2 und 3 dargestellt, eine vertikale Ausdehnung entlang einer Richtung Y und eine horizontale Ausdehnung entlang einer Richtung X1 und einer Richtung X2.
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Die einzelnen Lagen L1, L2, L3, L4, L5, L6 sind entlang der Richtung Y übereinandergestapelt, wobei die erste Lage L1 und die sechste Lage L6 jeweils eine Außenlage der Leiterplatte 2 und die zweite Lage L2, die dritte Lage L3, die vierte Lage L4 und die fünfte Lage L5 jeweils eine Innenlage der Leiterplatte 2 ausbilden (2).
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Zwischen den einzelnen Lagen L1, L2, L3, L4, L5, L6 ist jeweils ein Isolationselement angeordnet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel übernimmt die Leiterplatte 2 selbst diese Isolationsfunktion.
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Der magnetische Kern 3a, 3b umschließt bzw. überdeckt die Leiterplatte 2 an den Außenlagen L1, L6 teilweise. Der magnetische Kern 3a, 3b ist aus zwei miteinander verbundenen, magnetischen Kernteilen, nämlich einem ersten Kernteil 3a und einem zweiten Kernteil 3b, aufgebaut. Das erste Kernteil 3a bildet mit einem Basisteil 4 und drei Schenkeln 5a, 5b, 6, nämlich zwei Außenschenkeln 5a, 5b und einem Mittelschenkel 6, eine E-Form aus. Das zweite Kernteil 3b bildet mit einem geraden Teil eine I-Form aus (1).
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In der Leiterplatte 2 sind drei Aussparungen 7 eingebracht, wobei jeweils ein Schenkel 5a, 5b, 6 des ersten Kernteils 3a in jeweils eine dieser Aussparungen 7 eingesetzt ist (1, 3). Die beiden Außenschenkel 5a, 5b des ersten Kernteils 3a durchdringen die Leiterplatte 2 in Richtung Y vollständig und sind an dem vom Basisteil 4 des ersten Kernteils 3a entfernten Enden der Außenschenkel 5a, 5b mit dem zweiten Kernteil 3b verbunden. Der Mittelschenkel 6 des ersten Kernteils 3a durchdringt die Leiterplatte in Richtung Y teilweise - derart wird im Bereich des Mittelschenkels 6 des ersten Kernteils 3a ein Luftspalt 8 realisiert.
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Der in 1 bis 9 dargestellte Planar-Transformator 1 weist, wie bereits oben erwähnt, drei galvanisch voneinander getrennte Stromkreise, nämlich einen ersten Stromkreis, einen zweiten Stromkreis und einen dritten Stromkreis, auf.
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Der erste Stromkreis, in weiterer Folge Primärstromkreis genannt, umfasst eine Primärwicklung mit fünf Windungen (4, 5). Der zweite Stromkreis, in weiterer Folge erster Sekundärstromkreis genannt, umfasst eine erste Sekundärwicklung mit drei Windungen (6, 7). Der dritte Stromkreis, in weiterer Folge zweiter Sekundärstromkreis genannt, umfasst eine zweite Sekundärwicklung mit fünf Windungen (8, 9).
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Die Primärwicklung sowie die beiden Sekundärwicklungen sind in Form von im Wesentlichen spiralförmigen Leiterbahnen auf den Innenlagen L2, L3, L4, L5 der Leiterplatte 2 ausgeführt.
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Über den Primärstromkreis kann Strom eingespeist und über die Sekundärkreise jeweils zumindest ein Ausgangsstrom zum Zweck der Energieübertragung abgeführt werden.
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Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die fünf Windungen der Primärwicklung des Primärstromkreises auf zwei Lagen, nämlich der dritten Lage L3 und der fünften Lage L5, angeordnet. Fünf Windungen der Primärwicklung sind auf der dritten Lage L3 und fünf Windungen auf der fünften Lage L5 ausgeführt. Beide Teilwicklungen der Primärwicklung, d.h. die fünf Windungen umfassende Teilwicklung auf der dritten Lage L3 und die fünf Windungen umfassende Teilwicklung auf der fünften Lage L5, des Primärstromkreises sind über eine erste Durchkontaktierungsanordnung 9 und eine zweite Durchkontaktierungsanordnung 10 miteinander verbunden und parallel verschaltet. Die erste Durchkontaktierungsanordnung 9 und die zweite Durchkontaktierungsanordnung 10 weisen in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils zwei Durchkontaktierungen auf. Jede dieser beiden Durchkontaktierungsanordnungen 9, 10 kann jedoch auch nur eine Durchkontaktierung oder auch mehr als zwei Durchkontaktierungen aufweisen. Die erste Durchkontaktierungsanordnung 9 und die zweite Durchkontaktierungsanordnung 10 führen der Einfachheit halber zweckmäßig durch die gesamte Leiterplatte 2, d.h. durch alle Lagen L1, L2, L3, L4, L5, L6, hindurch und sind durchgängig mit elektrisch leitfähigem Material ausgefüllt. Für die Anordnung der fünf Windungen der Primärwicklung auf der dritten Lage L3 ist auf dieser eine erste Leiterbahn 16 entsprechend ausgebildet und für die anderen fünf Windungen der Primärwicklung ist auf der fünften Lage L5 eine zweite Leiterbahn 17 ausgebildet. Die erste Leiterbahn 16 und die zweite Leiterbahn 17 sind jeweils von der ersten Durchkontaktierungsanordnung 9 zu der zweiten Durchkontaktierungsanordnung 10 geführt. Die erste Durchkontaktierungsanordnung 9 und die zweite Durchkontaktierungsanordnung 10 bilden in der ersten Lage L1 jeweils eine Anschlussverbindung a, b aus. Über die nach außen geführten Anschlussverbindungen a, b kann der Primärstromkreis elektrisch kontaktiert werden, wobei der Stromfluss z.B. von der Anschlussverbindung a in Richtung der Anschlussverbindung b erfolgt, was jedoch nicht zwangsläufig so sein muss.
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Weiterhin sind die drei Windungen der ersten Sekundärwicklung des ersten Sekundärstromkreises auf der zweiten Lage L2 der Leiterplatte 2 angeordnet. Für die Anordnung der drei Windungen der ersten Sekundärwicklung auf der zweiten Lage L2 der Leiterplatte 2 ist auf dieser eine dritte Leiterbahn 18 entsprechend ausgebildet. Die dritte Leiterbahn 18 ist von einer dritten Durchkontaktierungsanordnung 11 zu einer vierten Durchkontaktierungsanordnung 12 geführt. Die dritte Durchkontaktierungsanordnung 11 und die vierte Durchkontaktierungsanordnung 12 weisen in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils zwei Durchkontaktierungen auf. Jede dieser beiden Durchkontaktierungsanordnungen 11, 12 kann jedoch auch nur eine Durchkontaktierung oder auch mehr als zwei Durchkontaktierungen aufweisen. Die dritte Durchkontaktierungsanordnung 11 und die vierte Durchkontaktierungsanordnung 12 führen der Einfachheit halber zweckmäßig durch die gesamte Leiterplatte 2, d.h. durch alle Lagen L1, L2, L3, L4, L5, L6, hindurch und sind durchgängig mit elektrisch leitfähigem Material ausgekleidet. Die dritte Durchkontaktierungsanordnung 11 und die vierte Durchkontaktierungsanordnung 12 bilden in der ersten Lage L1 jeweils eine Anschlussverbindung c, d aus. Über die nach außen geführten Anschlussverbindungen c, d kann der erste Sekundärstromkreis elektrisch kontaktiert werden, wobei der Stromfluss z.B. von der Anschlussverbindung c in Richtung der Anschlussverbindung d erfolgt, was jedoch nicht zwangsläufig so sein muss.
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An der dritten Leiterbahn 18 ist an der in Bezug auf eine äußerste und somit letzte Windung der ersten Sekundärwicklung des ersten Sekundärstromkreises vorletzten Windung der ersten Sekundärwicklung ein Zwischenspannungsabgriff ausgeführt. Dieser Zwischenspannungsabgriff ist über eine fünfte Durchkontaktierungsanordnung 13 zu einer Anschlussverbindung e in der ersten Lage L1 geführt. Die fünfte Durchkontaktierungsanordnung 13 weist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Durchkontaktierungen auf. Die fünfte Durchkontaktierungsanordnungen 13 kann jedoch auch nur eine Durchkontaktierung oder auch mehr als zwei Durchkontaktierungen aufweisen. Die fünfte Durchkontaktierungsanordnung 13 führt der Einfachheit halber zweckmäßig durch die gesamte Leiterplatte 2, d.h. durch alle Lagen L1, L2, L3, L4, L5, L6, hindurch und ist durchgängig mit elektrisch leitfähigem Material ausgefüllt.
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Weiterhin sind die fünf Windungen der zweiten Sekundärwicklung des zweiten Sekundärstromkreises auf der vierten Lage L4 der Leiterplatte 2 angeordnet. Für die Anordnung der fünf Windungen der zweiten Sekundärwicklung auf der vierten Lage L4 der Leiterplatte 2 ist auf dieser eine vierte Leiterbahn 19 entsprechend ausgebildet. Die vierte Leiterbahn 19 ist von einer sechsten Durchkontaktierungsanordnung 14 zu einer siebten Durchkontaktierungsanordnung 15 geführt. Die sechste Durchkontaktierungsanordnung 14 und die siebente Durchkontaktierungsanordnung 15 weisen in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils zwei Durchkontaktierungen auf. Jede dieser beiden Durchkontaktierungsanordnungen 14, 15 kann jedoch auch nur eine Durchkontaktierung oder auch mehr als zwei Durchkontaktierungen aufweisen. Die sechste Durchkontaktierungsanordnung 14 und die siebte Durchkontaktierungsanordnung 15 führen der Einfachheit halber zweckmäßig durch die gesamte Leiterplatte 2, d.h. durch alle Lagen L1, L2, L3, L4, L5, L6, hindurch und sind durchgängig mit elektrisch leitfähigem Material ausgekleidet. Die sechste Durchkontaktierungsanordnung 14 und die siebte Durchkontaktierungsanordnung 15 bilden in der ersten Lage L1 jeweils eine Anschlussverbindung f, g aus. Über die nach außen geführten Anschlussverbindungen f, g kann der zweite Sekundärstromkreis elektrisch kontaktiert werden, wobei der Stromfluss z.B. von der Anschlussverbindung f in Richtung der Anschlussverbindung g erfolgt, was jedoch nicht zwangsläufig so sein muss.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind sämtliche Anschlussverbindungen a, b, c, d, e, f, g, h nach außen in die erste Lage L1 der Leiterplatte 2 geführt. Es versteht sich jedoch, dass auch eine Führung der Anschlussverbindungen a, b, c, d, e, f, g, h in die weitere Außenlage, nämlich die sechste Lage L6, möglich wäre.
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In 10 ist ein „RCD-Snubber“ 20 auf einer Primärwicklung, wie sie bereits in 4 dargestellt ist und zuvor beschrieben wurde, angeordnet. Der „RCD-Snubber“ 20 weist eine Diode D, einen Widerstand R und einen Kondensator C auf. Der „RCD-Snubber“ 20 ist direkt über die Windungen der ersten Leiterbahn 16 zwischen einem Wicklungsanfang 21 und einem Wicklungsende 22 der Primärwicklung auf der ersten Lage L1 (oder der letzten Lage L6) der Leiterplatte 2 angeordnet, dadurch wird die Stromschleife zwischen dem Wicklungsanfang 21 und dem Wicklungsende 22 der Primärwicklung so kurz wie möglich gehalten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Planar-Transformator
- 2
- Leiterplatte
- 3a
- Erstes Kernteil
- 3b
- Zweites Kernteil
- 4
- Basisteil
- 5
- Außenschenkel
- 6
- Mittelschenkel
- 7
- Aussparungen
- 8
- Luftspalt
- 9
- Erste Durchkontaktierungsanordnung
- 10
- Zweite Durchkontaktierungsanordnung
- 11
- Dritte Durchkontaktierungsanordnung
- 12
- Vierte Durchkontaktierungsanordnung
- 13
- Fünfte Durchkontaktierungsanordnung
- 14
- Sechste Durchkontaktierungsanordnung
- 15
- Siebente Durchkontaktierungsanordnung
- 16
- Erste Leiterbahn
- 17
- Zweite Leiterbahn
- 18
- Dritte Leiterbahn
- 19
- Vierte Leiterbahn
- 20
- „RCD-Snubber“
- 21
- Wicklungsanfang der Primärwicklung
- 22
- Wicklungsende der Primärwicklung
- L1
- Erste Lage
- L2
- Zweite Lage
- L3
- Dritte Lage
- L4
- Vierte Lage
- L5
- Fünfte Lage
- L6
- Sechste Lage
- D
- Diode
- R
- Widerstand
- C
- Kondensator
- a, b, c, d, e, f, g
- Anschlussverbindungen
- X1, X2, Y
- Richtung
