DE102022125977A1

DE102022125977A1 - Wickelgut für elektronische Schaltungen bzw. Baugruppen

Info

Publication number: DE102022125977A1
Application number: DE102022125977.3A
Authority: DE
Inventors: Detlef Schulz; Alexander Leins; Tobias Becker
Original assignee: AXING AG
Current assignee: AXING AG
Priority date: 2021-10-07
Filing date: 2022-10-07
Publication date: 2023-04-13

Abstract

Bei einem Wickelgut für elektronische Schaltungen bzw. Baugruppen, welche im Hochfrequenzbereich einsetzbar und aus zumindest einem elektrischen und mit einer isolierenden Schicht versehenen Leiter (4) und zumindest einem zu umwickelnden Wicklungsträger (1) bestehen, soll zwischen dem Wicklungsträger (1) und dem elektrischen Leiter (4) eine zusätzliche Isolation (2) angeordnet sein, welche die elektrischen Leiter (4) voneinander und/oder die elektrischen Leiter (4) gegenüber dem Wicklungsträger (1) so beabstandet, dass die Transmission ein Maximum erreicht bei gleichzeitig breitbandiger Anpassung im Bereich von 1 MHz bis 10 GHz.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Wickelgut für elektronische Schaltungen bzw. Baugruppen, welche im Hochfrequenzbereich einsetzbar und aus zumindest einem elektrischen und mit einer isolierenden Schicht versehenen Leiter und zumindest einem zu umwickelnden Wicklungsträger bestehen, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Wickelgutes.
Stand der Technik
Verfahren zum Herstellen von elektrischen bzw. elektronischen Komponenten durch Aufbringung von Wicklungen auf einen Kern sind seit langem bekannt. Beispielsweise beschreibt die DE 1 276 820 AS ein Verfahren, bei dem elektrische Leiter mit einer aus anorganischem Fasermaterial und einem Bindemittel bestehenden Schicht umgeben und danach auf einen Spulentragkörper aufgewickelt werden.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich vor allem auf Bauelemente für elektronische Schaltungen, welche heute meist mit diskreten und gedruckten Komponenten hergestellt werden. Dabei werden auf Leiterplatten benötigte Bauelemente (beispielsweise Dioden, Transistoren, Kondensatoren, Widerstände, Transformatoren od.dgl.) aufgebracht und über Leiterbahnen verbunden.
Nur beispielsweise wird auf den sogenannten Powerdivider verwiesen, welcher ein hochfrequentes Signal am Eingang in zwei Signale gleicher Leistung an den beiden Ausgängen des Bauteils aufteilt. Dieser Powerdivider kann aus einem Transformator und einem Splitter aufgebaut werden. Mit Hilfe von Feldsimulatoren, wie beispielsweise ADS (Advanced Design System) oder CST (Computer Simulation Technology), kann die Beschaltung der benötigten Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten ermittelt werden, um den Transformator plus Splitter so zu beschalten, dass diese Komponente die Aufgabe eines Powerdividers erfüllt.
Ein Qualitätskriterium des Powerdividers ist eine geringe Einfügedämpfung bei guter Anpassung sowie einer hohen Isolation zwischen den Ausgängen. Heutzutage werden für Breitband Powerdivider die benötigten Wickelgüter (Transformator, Splitter) mit Hilfe diskreter Komponenten aufgebaut. Für den Transformator wird beispielsweise eine Ferritperle benutzt, auf welche die gewünschte Anzahl der Wicklungen mit Hilfe eines Kupferlackdrahts aufgewickelt wird. Diese nach diesem Prinzip (Ferritkern + Kupferlackdraht) aufgebauten Wickelgüter werden dann in der Schaltung eingesetzt und passend beschalten.
Die DE 10 2019 204950 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines induktiven Bauelements. Das induktive Bauelement umfasst ein Gehäuse, in dem ein Magnetkern angeordnet ist, der von einer Kupferdrahtwicklung allseitig umgeben ist. Die Kupferdrahtwicklung ist dabei direkt um den Magnetkern gewickelt. Der Magnetkern ist beispielsweise als Ferritkern ausgebildet.
Die DE 698 06 725 T2 beschreibt ebenfalls ein Verfahren für die Herstellung von elektronischen Bauteilen, die eine Wicklung umfassen. Dabei bezieht sie sich auf elektronische Bauteile, die aus einem Kern, im allgemeinen aus Ferrit, gebildet sind, um den ein sehr feiner Draht, mit einem Durchmesser in der Grössenordnung von einigen Hundertstel Millimeter, gewickelt ist. Dabei werden in dieser Schrift eine Vielzahl von Schwierigkeiten beschrieben, die bei solchen Wicklungen entstehen. Speziell bezieht sich diese Erfindung darauf, dass die elektrostatischen Ladungen, die beim Wickeln der Windungen erscheinen, neutralisiert werden. Hierzu wird beim Aufwickeln ein Strom ionisiert Luft durch die Wicklung gezwungen.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Wickelgut und ein Verfahren der o.g. Art aufzuzeigen, welches die bekannten Eigenschaften bestehender Wickelgüter vor allem für den Telekommunikationsbereich verbessert, um beispielsweise ein Wickelgut aufbauen zu können, welches, verglichen mit bekannten Komponenten, ein besseres Qualitätskriterium aufweist.
Lösung der Aufgabe
Zur Lösung der Aufgabe führt, dass zwischen dem Wicklungsträger und dem elektrischen Leiter eine zusätzliche Isolation angeordnet ist, welche die elektrischen Leiter voneinander und/oder die elektrischen Leiter gegenüber dem Wicklungsträger so beabstandet, dass die Transmission ein Maximum erreicht bei gleichzeitig breitbandiger Anpassung im Bereich von bevorzugt 1 MHz bis 10 GHz.
Eine optimale und gewünschte Kopplung liegt dann vor, wenn die Transmission ein Maximum erreicht bei gleichzeitig hervorragender breitbandiger Anpassung. Unter Kopplung wird bei einem Wickelgut, im Allgemeinen eine Art Transformator, die Energieübertragung von der Speiseseite zur Ausgangsseite verstanden. In der vorliegenden Erfindung gehört auch die Energieübertragung in den Wicklungsträger dazu, denn dieser hat bei höheren Frequenzen eine absorbierende Wirkung, welche meist unerwünscht ist
Durch das Montieren von z.B. einer isolierenden Hülse um einen Ferritkern und die dadurch entstehende Distanz zwischen einem aufzuwickelnden Kupferlackdraht und dem Ferritkern ändern sich die elektrischen Eigenschaften. Diese Änderung der Eigenschaften wirkt sich positiv auf die gewünschten HF-Eigenschaften aus und verbessert damit die erreichbare Qualität der fertigen Komponente.
Das hier aufgezeigte Prinzip kann ebenso invertiert werden, sodass der Kupferlackdraht eine isolierende Schicht erhält, welche den Abstand zum Ferritkern erhöht, d.h., bei der vorliegenden Erfindung ist daran gedacht, entweder die Isolation auf den Wicklungsträger oder auf den elektrischen Leiter aufzubringen. Beide Montagearten verbessern die elektrischen Eigenschaften von Wickelgütern, welche in Hochfrequenzschaltungen eingesetzt werden, um Schaltungen und Baugruppen zu realisieren.
Bevorzugt weist der Wicklungsträger eine Permeabilität >1 und die Isolationsschicht eine Permeabilität gleich 1 und eine Dielektizität >1 auf. Da sich Isolationsschicht und Wicklungsträger im Nahfeld befinden, wird durch die zusätzliche Isolationsschicht bei sehr hohen Frequenzen weniger Energie in den Wicklungsträger eingekoppelt, was die Durchgangsdämpfung reduziert.
Besonders bevorzugt ist daran gedacht, dass die Dicke der Isolation zur Anpassung auf eine gewünschte Eigenschaft der finalen Schaltung verändert wird.
Denkbar ist aber auch, dass bei Anordnung der elektrischen Leiter in mehr als einer Windung diese zur Beeinflussung der Energieübertragung so angeordnet werden, dass die Windungskapazität möglichst gering ausfällt bei gleichzeitig effektiver Kopplung zwischen den Windungen. Beispielsweise können im magnetischen Zentrum sehr eng angeordnete Windungen vorgesehen werden, die dann im Aussenbereich einen vergrösserten Abstand aufweisen.
Es muss in diesem Zusammenhang erwähnt werden, dass ein Ferrit über das magnetische Feld an den elektrischen Strom im isolierten Leiter koppelt. Diese Kopplung ist stark frequenzabhängig. Sie enthält zusätzlich bei sehr hohen Frequenzen einen dissipativen Anteil, der die Einfügedämpfung verschlechtert. Weiterhin ist zu erwähnen, dass so ein Wickelgut im Allgemeinen mehr als eine Windung enthält, weshalb auch die Kopplung über das magnetische Feld zwischen den Windungen die elektrischen Eigenschaften mitbestimmt. Bei sehr hohen Frequenzen kann es sein, dass die Grösse eines Wickelzentrums, durch das gewickelt wird, so zu wählen ist, dass alle Leiter dicht nebeneinander liegen und die Leiter, welche die Energie in das magnetische Feld einbringen, bevorzugt am Wickelzentrumrand und die Leiter, welche aus dem Feld gespeist werden, im Wickelzentrumzu liegen kommen.
Insgesamt handelt es sich um ein sehr komplexes Bauteil, dessen elektrische Eigenschaften durch viele Faktoren wesentlich beeinflusst werden. Die in dieser Erfindung beschriebene zusätzliche Isolation in Form einer Hülle um den Ferritkern ist genauso ein Faktorss.
Bei einem erfindungsgemässen Verfahren zum Herstellen eines derartigen Wickelgutes wird die Distanz iterativ so bestimmt, dass die Signaldämpfung für hohe Frequenzen, verursacht durch einen in der Regel magnetischen Wicklungsträger ausreichend gering ausfällt. Dabei kann die Anordnung der elektrischen Leiter bei mehr als einer Windung zur Beeinflussung der Energieübertragung so erfolgen, dass die Windungskapazität möglichst gering ausfällt bei gleichzeitig effektiver Kopplung zwischen den Windungen.
Beispielsweise kann es auch notwendig sein, dass Windungen gekreuzt werden. In diesem Fall können beispielsweise gekreuzte Windungen im magnetischen Zentrum eine hohe Kopplung bei gleichzeitig geringer Windungskapazität aufweisen, wobei dann dort im magnetischen Zentrum die Windungen X-artig gekreuzt übereinander liegen.
Durch Iteration werden v.a. folgende elektrische Eigenschaften optimiert:

- ausreichende Induktivität L, gegeben durch L=AL*N² um den unteren Frequenzbereich zu erfüllen, wobei die Signalkopplung durch die magnetischen Eigenschaften des Wicklungsträgers und die Windungsverhältnisse bestimmt werden;
- eine ausreichende durchflutete Fläche, um im mittleren Frequenzbereich in dem der Wicklungsträger seine magnetischen Eigenschaften verliert und durch zunehmendes dämpfendes (absorbierendes) Verhalten ersetzt in Verbindung mit ausreichender Windungsanzahl eine ausreichende Induktivität und durch die Anordnung der einzelnen Windungen eine ausreichende Kopplung erhält;
- und sich durch die zusätzliche Isolation im oberen Frequenzbereich, in dem der Wicklungsträger ausschliesslich dämpfend wirkt, eine genügende Isolation zum Wicklungsträger ergibt in der Art, dass die Kapazitäten zwischen den Windungen untereinander und zum Wicklungsträger gering genug ausfallen, sowie die Drahtlänge der aufgebrachten Windungen, welche sich im oberen Frequenzbereich durch ihre Signallaufzeit als Phasenverschiebung negativ auf die Kopplung der Windungen auswirkt, erträglich bleibt.

Figurenbeschreibung
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in ihrer einzigen Figur eine perspektivische Ansicht eines Wickelgutes für elektronische Schaltungen bzw. Baugruppen, hergestellt nach dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsbeispiel
Nach dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Ferritkern 1 als Wicklungsträger in Form eines Torroids zu sehen. Dessen Oberfläche ist durch die Isolierhülse 2 bis auf die Stirnseite vollständig bedeckt. Isolierte elektrische Leiter 4 werden in Form von Windungen um die Isolierhülse gelegt. Die Kopplung zwischen den Windungen findet vornehmlich in einem lochförmigen Energie- oder Wickelzentrum 3 statt.
Obwohl nur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel/e der Erfindung beschrieben und dargestellt wird, ist es offensichtlich, dass der Fachmann zahlreiche Modifikationen hinzufügen kann, ohne das Wesen und den Umfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Wicklunsträer/Ferritkern
2: Hülse/Isolation
3: Wickelzentrum
4: Leiter

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

DE 1276820 [0002]
DE 102019204950 A1 [0006]
DE 69806725 T2 [0007]

Claims

Wickelgut für elektronische Schaltungen bzw. Baugruppen, welche im Hochfrequenzbereich einsetzbar und aus zumindest einem elektrischen und mit einer isolierenden Schicht versehenen Leiter (4) und zumindest einem zu umwickelnden Wicklungsträger (1) bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wicklungsträger (1) und dem elektrischen Leiter (4) eine zusätzliche Isolation (2) angeordnet ist, welche die elektrischen Leiter (4) voneinander und/oder die elektrischen Leiter (4) gegenüber dem Wicklungsträger (1) so beabstandet, dass die Transmission ein Maximum erreicht bei gleichzeitig breitbandiger Anpassung im Bereich von 1 MHz bis 10 GHz.
Wickelgut nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungsträger (1) ein Wickelzentrum (3) aufweist, durch das der elektrische Leiter (4) in Windungen verläuft, wobei ein Durchmesser des Wickelzentrums (3) so gewählt ist, dass eine günstige Kopplung zwischen den Windungen erreichbar ist.
Wickelgut nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle Windungen in dem Wickelzentrum (3) zum Erreichen einer bestmöglichen Kopplung eng aneinander liegen.
Wickelgut nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungsträger (1) eine Permeabilität >1 aufweist.
Wickelgut nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Isolation (2) entlang des Leiters (4) in der Dicke verändert.
Wickelgut nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der elektrischen Leiter (4) bei mehr als einer Windung zur Optimierung der Kopplung zwischen den Windungen und/oder entlang einer Windung unterschiedlich stark beabstandet erfolgt.
Wickelgut nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (4) zumindest teilweise gekreuzt sind.
Wickelgut nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass gekreuzte Windungen in einem magnetischen Zentrum eine hohe Kopplung bei gleichzeitig geringer Windungskapazität aufweisen.
Verfahren zum Herstellen eines Wickelgutes für elektronische Schaltungen bzw. Baugruppen, welche im Hochfrequenzbereich eingesetzt werden und aus zumindest einem elektrischen und mit einer isolierenden Schicht versehenen Leiter (4) und zumindest einem zu umwickelnden Wicklungsträger (1) bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine zusätzliche Isolation (2) zwischen elektrischem Leiter (4) und zu umwickelndem Wicklungsträger (1) eine Distanz geschaffen und dadurch die elektrischen Eigenschaften, insbesondere Transmission und breitbandige Anpassung, verbessert werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanz iterativ so bestimmt wird, dass die Signaldämpfung für hohe Frequenzen, verursacht durch einen magnetischen Wicklungsträger (1, ausreichend gering ausfällt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der elektrischen Leiter (4) bei mehr als einer Windung zur Beeinflussung der Energieübertragung so erfolgt, dass die Windungskapazität möglichst gering ausfällt bei gleichzeitig effektiver Kopplung zwischen den Windungen.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch Iteration folgende elektrische Eigenschaften optimiert werden: - ausreichende Induktivität L gegeben durch L=AL*N² um den unteren Frequenzbereich zu erfüllen, wobei die Signalkopplung durch die magnetischen Eigenschaften des Wicklungsträgers (1) und die Windungsverhältnisse bestimmt werden; - eine ausreichende durchflutete Fläche, um im mittleren Frequenzbereich in dem der Wicklungsträger seine magnetischen Eigenschaften verliert und durch zunehmendes dämpfendes (absorbierendes) Verhalten ersetzt in Verbindung mit ausreichender Windungsanzahl eine ausreichende Induktivität und durch die Anordnung der einzelnen Windungen eine ausreichende Kopplung erhält; - und sich durch die zusätzliche Isolation im oberen Frequenzbereich, in dem der Wicklungsträger (1) ausschliesslich dämpfend wirkt, eine genügende Isolation zum Wicklungsträger (1) ergibt in der Art, dass die Kapazitäten zwischen den Windungen untereinander und zum Wicklungsträger (1) gering genug ausfallen sowie die Drahtlänge der aufgebrachten Windungen, welche sich im oberen Frequenzbereich durch ihre Signallaufzeit als Phasenverschiebung negativ auf die Kopplung der Windungen auswirkt, erträglich bleibt;
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 9 bis 12 , dadurch gekennzeichnet, dass die Isolation (2) auf den Wicklungsträger (1) oder den elektrischen Leiter aufgebracht wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 9-13, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Isolation (2) zur Anpassung auf eine gewünschte Eigenschaften einer finalen Schaltung iterativ eingestellt wird.