DE19805914A1 - Transformator - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Transformator mit einer primären und mindestens einer sekundären Wicklung, die in Form von Leiterbahnen auf einer oder mehreren Schichten eines flachen Trägers, insbesondere Folien oder Leiterplatten, angeordnet sind. Transformatoren dieser Art werden beispielsweise in Schaltnetzteilen mit sehr hohen Schaltfrequenzen, insbesondere Frequenzen über 50 kHz, benutzt, wodurch der Transformator sehr klein gehalten werden kann.

Bei einer Verkleinerung des Transformators muß auf eine ausreichende Isolierung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite geachtet werden, wenn der Transformator nicht vergossen werden soll. Dies ist insbesondere wichtig für Schaltnetzteile mit Netztrennung, für die Sicherheitsvorschriften eine Kriechstrecke für elektrische Oberflächenströme von der Sekundärseite zur Primärseite von größer 6 mm verlangen, die über den gesamten Transformator eingehalten werden muß. Bei gegebenen Abmessungen des Transformatorkerns wird dadurch das verfügbare Nutzvolumen für die Wicklungen eingeschränkt. Die Sicherheitsvorschriften führen somit zu größeren Bauelementen und höheren Verlustleistungen durch erhöhten ohmschen Widerstand und durch eine geringere magnetische Kopplung.

Bekannte Transformatoren dieser Art, in den Fig. 1a, 1b dargestellt, enthalten beispielsweise einen Kern mit zwei Kernteilen K1, K2, in dessen Öffnungen Primär- und Sekundärwicklungen W1, W2 angeordnet sind. Die Wicklungen sind als Leiterbahnen L auf nichtleitenden Schichten F eines flachen Trägers angeordnet, wobei mehrere Schichten jeweils übereinander liegen je nach Anzahl der benötigten Windungen. Mehrere Schichten P sind dabei durch Durchkontaktierungen T2 seriell verschaltet und weisen jeweils zwei Anschlüsse T1, T3 nach außen auf. Um ausreichend große Kriechstrecken zwischen den verschiedenen Wicklungen zu erreichen, müssen die äußeren und inneren Ränder R der Schichten P frei bleiben, dürfen also keine Leiterbahnen aufweisen. Die Leiterbahnen L sind beispielsweise in Ätztechnik als Kupferbahnen auf den Schichten P hergestellt. Die Fig. 1a, 1b sind Schnittzeichnungen entsprechend einer mittleren horizontalen und einer mittleren vertikalen Ebene des Transformators.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen kompakten Transformator der eingangs genannten Art anzugeben, der verbesserte elektrische Eigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale der Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Transformator der Erfindung enthält ein Kammersystem, das die Schichten mit den Wicklungen aufnimmt. Die Wicklungen sind in mindestens zwei getrennten Kammern angeordnet, so daß sich lange Wege für Kriechströme zwischen den Wicklungen ergeben, ohne daß der Transformator vergossen werden muß. Das Kammersystem wird hierbei durch mindestens zwei Teile gebildet, die derart geformt sind, daß durch Zusammenstecken dieser Teile Kammern entstehen.

Das Kammersystem kann beispielsweise durch zwei Teile gebildet werden, die jeweils in einem Querschnitt in ihrer Form einem asymmetrischen H entsprechen, und die derart zusammengesteckt sind, daß eine geschlossene Kammer für die Sekundärwicklung und zwei benachbarte, offene Kammern für die Primärwicklung entstehen. In einem anderen Ausführungsbeispiel wird das Kammersystem durch drei Teile gebildet, wobei zwei Teile derart auf ein mittleres Teil gesteckt werden, daß zwei geschlossene Kammern, eine für jeweils eine Wicklung, entstehen.

Die Teile des Kammersystems können beispielsweise aus spritzgegossenem Thermoplast hergestellt werden, deren Maße derart gewählt sind, daß sie beim Zusammenstecken an den äußeren Wänden miteinander verrasten. Die äußeren Wände können hierbei nach Sandwichart übereinander liegen, wodurch lange Wege für Kriechströme entstehen, ohne daß der Platzbedarf für das Kammersystem erhöht werden muß.

Das Kammersystem umgibt insbesondere die Bereiche und die Öffnungen des Kerns und ist an beiden Seiten offen, so daß die Schichten mit den Wicklungen an beiden Seiten herausgeführt werden können zur Kontaktierung von Anschlüssen und für Durchkontaktierungen zwischen verschiedenen Schichten. Das äußere Teil des Kammersystems ist zudem an seinem äußeren Rand mit einer Verlängerung versehen, so daß die zusammengesteckten Teile in einem Schnitt über den Kern die Form eines H annehmen, wodurch an diesen Rändern die Kriechstrecke vergrößert wird. Die Schichten selbst können an den offenen Seiten wie bisher ausreichend vergrößert sein, so daß hier die Sicherheitsvorschriften ebenfalls eingehalten werden. Hierdurch wird die Kontaktierung erheblich erleichtert bzw. sie wird durch das Kammersystem nicht eingeschränkt.

Die Teile des Kammersystems verbrauchen zwar selbst einen Teile des Raums in den Öffnungen des Kerns, dies wird aber überkompensiert, da sich die Leiterbahnen jetzt über die gesamte Breite einer Schicht erstrecken bis zu den Wänden des Kammersystems. Hierdurch wird beispielsweise für einen Transformator mit ca. 140 Watt Übertragungsleistung die nutzbare Kupferfläche um ca. 45% vergrößert. Im gleichen Verhältnis wird die elektrische Verlustleistung reduziert.

Die Kammern dienen zudem als Montagehilfe und verringern die Streuung der Geometrie und somit der elektrischen Eigenschaften aufgrund von Montagetoleranzen. Alternativ kann die Leistung des Transformators hierdurch erhöht werden oder der Transformator bei vorgegebener Leistung verkleinert werden. Die Schichten sind beispielsweise Leiterplatten oder Folien, z. B. Mylar- oder Kapton-Folien.

Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a, 1b einen Planartransformator nach dem Stand der Technik,

Fig. 2a, 2b einen Transformator nach der Erfindung mit einem Kammersystem aus drei Teilen und zwei Kammern, und

Fig. 3a, 3b einen Transformator nach der Erfindung mit einem Kammersystem aus zwei Teilen und drei Kammern.

Der in der Fig. 2a dargestellte Transformator enthält einen Kern mit zwei kernteilen K1, K2 in Form eines E/E-Kerns, durch dessen Öffnungen die Windungen einer Primärwicklung W1 und mindestens einer Sekundärwicklung W2 hindurchführen. Die Wicklungen W1, W2 sind hierbei in einem Kammersystem angeordnet, das aus drei Teilen P1, P2, P3 derart zusammengesetzt ist, daß sich in dem Bereich der Schnittebene zwei geschlossene Kammern C1, C2 ergeben, in denen die Wicklungen W1, W2 getrennt voneinander angeordnet sind. Eines der Teile P2 hat die Form eines Doppel-T, bezogen auf eine Öffnung, und die beiden anderen Teile P1, P3 die Form eines U, in denen die Wicklungen W1 und W2 angeordnet sind. Die zwei Teile P1, P3 sind passend gefertigt in Bezug auf das Teil P3 und werden mit dem mittleren Teil T2 zusammengesteckt, so daß sich die geschlossenen Kammern C1, C2 ergeben. Die U-förmigen Teile P1, P2 sitzen hierbei innerhalb des T-förmigen Teils P2. Aufgrund des Doppel-T des in der Mitte angeordneten Teils P2 ergeben sich lange Kriechwege zwischen den beiden Wicklungen W1 und W2.

In der Fig. 2b ist der Transformator der Fig. 2a in einer Schnittebene senkrecht zu der Schnittebene der Fig. 2a dargestellt, wobei die Schnittebene durch den Kernteil K1 geht. Die Schichten F und das Kammersystem mit den Teilen P1, P2 füllen die Öffnungen des Kernes K1 vollständig aus. Die Kammern des Kammersystems sind hierbei im Bereich der Öffnungen des Kerns und im Kern vollständig geschlossen und nur an den beiden Seiten links und rechts sind die Schichten F mit den Leitern L herausgeführt für die Anschlüsse der Wicklungen W1, W2. Die Anschlüsse T1, T3 der einen Wicklung W1 liegen beispielsweise linksseitig und die Anschlüsse der anderen Wicklung dann entgegengesetzt auf der rechten Seite, so daß ein ausreichender Abstand zur Netztrennung gewährleistet ist. Das Doppel-T-förmige Teil P2 enthält zusätzlich an seinen Rändern eine Verlängerung P2L zur Vergrößerung der Kriechstrecken in diesem Bereich. Aufgrund dieser Anordnung können die Leiterbahnen L über die volle Breite der Schicht F im Bereich der Kernöffnungen erstreckt werden.

In den Fig. 3a, 3b ist ein Transformator mit einem Kammersystem dargestellt, das zwei Teile P4, P5 enthält, durch die eine geschlossene Kammer C4 und zwei offene Kammern C3, C5 gebildet werden. In dem Schnitt der Fig. 3a haben die beiden Teile P4, P5 die Form eines asymmetrischen H, die etwas unterschiedliche Größe haben, so daß das eine in das andere gesteckt werden kann. Hierdurch kann die Sekundärwicklung W2 in der geschlossenen mittleren Kammer C4 und die Primärwicklung W1, aufgeteilt in zwei Hälften, in den beiden äußeren Kammern C3, C5 angeordnet werden. Durch die Form der äußeren Wände nach Art eines asymmetrischen H werden hier ebenfalls große Kriechstrecken zwischen den Wicklungen W1, W2 erzielt.

In der Fig. 3b ist der Transformator der Fig. 3a in einer Schnittebene gezeigt, die der der Fig. 2b entspricht. Hier sind die Leiterbahnen L einer Schicht F ebenfalls vollständig über die Breite der inneren Kammer des Teils P5 ausgedehnt. Das Kammersystem mit den Teilen P4 und P5 ist hier ebenfalls nur in dem Bereich im Kern um die Öffnungen geschlossen und zu beiden Seiten offen für die Kontaktierung der Anschlüsse T1 und T3.

Der Transformator kann beispielsweise in einem Schaltnetzteil verwendet werden, bei dem die Primärwicklung W1 mit einem Schalttransistor und über einen Brückengleichrichter mit dem Netz verbunden ist. Mehrere Sekundärwicklungen zur Versorgung von Verbrauchern können sowohl sekundärseitig mit Netztrennung als auch primärseitig ohne Netztrennung angeordnet sein. Die Netztrennung verläuft gewissermaßen auf der Platine, auf der der Transformator angeordnet ist, unterhalb dessen Kerns. Je nachdem, ob die Anschlüsse einer Sekundärwicklung nach links oder nach rechts herausgeführt sind, ergibt sich für diese Sekundärwicklung Netztrennung oder keine Netztrennung. Entsprechend können die Wicklungen auf die Kammern des Kammersystems verteilt werden. Andere Ausgestaltungen, insbesondere mit anderen Kernformen, sind aber ebenfalls möglich.

Claims (10)

1. Transformator mit einem Kern (K1, K2) und einer primären (W1) und mindestens einer sekundären Wicklung (W2), die als Leiter (L) auf einer oder mehreren Schichten (F) eines flachen Trägers angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator ein Kammersystem enthält, das die Schichten (F) mit den Wicklungen (W1, W2) aufnimmt.

2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kammersystem mindestens zwei Kammern (C1-C5) enthält, in denen die Wicklungen (W1, W2) angeordnet sind, wobei die primäre und die sekundäre Wicklung (W1, W2) in verschiedenen Kammern angeordnet sind, und daß wenigstens eine der Kammern (C1-C5) zumindest bereichsweise geschlossen ist.

3. Transformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kammersystem mindestens zwei Teile (P1-P5) enthält, die derart geformt sind, daß durch Zusammenstecken der Teile (P1, P2, P3; P4, P5) mindestens zwei Kammern (C1, C2; C3-C5) entstehen, und daß wenigstens eine der Kammern (C1-C5) zumindest bereichsweise geschlossen ist.

4. Transformator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kammersystem zwei Teile (P4, P5) enthält, die derart zusammengesteckt sind, daß eine geschlossene Kammer (C4) für die Primärwicklung (W1) und zwei offene Kammern (C3, C5) für die Sekundärwicklung (W2) entstehen.

5. Transformator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kammersystem drei Teile (P1-P3) enthält, die derart zusammengesteckt sind, daß zwei geschlossene Kammern (C1, C2), eine für die Primärwicklung (W1) und eine für mindestens eine Sekundärwicklung (W2), entstehen.

6. Transformator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile (P1-P5) des Kammersystems aus spritzgegossenem Thermoplast bestehen.

7. Transformator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (K1, K2) des Transformators ein Ferritkern ist und die Schichten (F) Leiterplatten oder Folien sind.

8. Transformator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile (P1-P5) des Kammersystems die Öffnungen des Kerns (K1, K2) umgeben, so daß die durch die Kammeröffnungen hindurchführenden Leiterbahnen (L) verbreitert werden können unter Berücksichtigung der erforderlichen Abstände für eine Netztrennung.

9. Transformator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (F) an mindestens einer Seite aus dem Kammersystem heraus geführt werden zur Kontaktierung der Anschlüsse (T1-T3) der Leiterbahnen (L).

10. Transformator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (C1, C4) mit der Sekundärwicklung (W1) zumindest bereichsweise geschlossen ist.