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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf eine möglichst einfach und kostengünstig herstellbare Spule und ein elektrisches oder elektronisches Gerät mit einer derartigen Spule. Eine derartige Spule kann insbesondere als Teil eines Transformators, eines elektrischen Filter, oder einem Stromsensor verwendet werden. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein elektrisches oder elektronisches Gerät mit einer derartigen Spule.
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STAND DER TECHNIK
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Herkömmliche Spulen werden - abhängig von ihrer individuellen Gestaltung - auch heute noch manuell mit einem Leiter, beispielsweise einem Drahtleiter, bewickelt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Spule einen einstückig ausgebildeten geschlossenen magnetischen Kern aufweist. Hier lässt sich ein Wickelprozess nur schwer automatisieren. Die manuelle Fertigung der Spule gestaltet sich meist aufwendig und kostenintensiv. Zudem sind magnetische Eigenschaften einer derartig hergestellten Spule, beispielsweise deren Induktivität oder deren Streufeld, nur bedingt reproduzierbar. Dies ist im Wesentlichen durch die Fertigungstoleranz des manuellen Wickelverfahrens begründet.
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Um eine Reproduzierbarkeit der Spule zu verbessern und deren Herstellerbarkeit zu vereinfachen, sind im Stand der Technik Spulen bekannt, deren Wicklung erste Wicklungsabschnitte und zweite Wicklungsabschnitte aufweisen, die elektrisch miteinander verbunden werden. So offenbart die Schrift
US 4975671 einen eine Spule aufweisenden Transformator, der über ein Oberflächenmontage-Verfahren (SMD = Surface Mount Device) hergestellt wird. Der Transformator weist unterhalb eines Eisenkerns angeordnete erste Wicklungsabschnitte und oberhalb des Eisenkerns angeordneten U-förmigen zweiten Wicklungsabschnitte auf, die miteinander elektrisch verbunden sind. Die zweiten Wicklungsabschnitte beinhalten eine Vielzahl U-förmig gebogener Leiter, die von einem dielektrischen Körper umgeben und durch diesen relativ zueinander fixiert sind.
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Aus der
DE 10154833 A1 ist eine Spule mit in einer oberen Metallschicht ausgebildeten oberen Leiterbahnen und in einer unteren Metallschicht ausgebildeten unteren Leiterbahnen bekannt. Die Spule beinhaltet Verbindungsleitungen, die die oberen Leiterbahnen mit den unteren Leiterbahnen verbinden, und einen Magnetkern aus einem magnetischen Material. Dabei ist der Magnetkern in eine Mehrlagen-Leiterplatte aus einer alternierenden Folge von Metallschichten und Trägerschichten eingebettet, wobei die Leiterbahnen in der oberen und der unteren Metallschicht vorgesehen sind.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spule gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, die eine hohe Reproduzierbarkeit der magnetischen Parameter aufweist und dabei einfach und kostengünstig herstellbar ist. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches und elektronisches Gerät mit einer derartigen Spule aufzuzeigen.
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LÖSUNG
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Spule mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 1 bis 13 sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Spule gerichtet. Der Patentanspruch 14 zielt auf ein elektrisches oder elektronisches Gerät mit einer derartigen Spule.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine erfindungsgemäße Spule beinhaltet
- - einen Magnetkern, und
- - zumindest eine einen Bereich des Magnetkerns umfangsseitig umgebende Wicklung.
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Die Wicklung weist einen ersten und einen zweiten Wicklungsabschnitt auf. Dabei ist der erste Wicklungsabschnitt in Form einer Leiterbahn auf einer ersten Leiterplatte und der zweite Wicklungsabschnitt in Form einer Leiterbahn auf einer zweiten Leiterplatte angeordnet. Die Leiterbahn des ersten Wicklungsabschnittes ist elektrisch mit der Leiterbahn des zweiten Wicklungsabschnittes verbunden, so dass der erste Wicklungsabschnitt zusammen mit dem zweiten Wicklungsabschnitt die den Bereich des Magnetkerns umgebende Wicklung ergibt. Die Spule ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leiterplatte und die zweite Leiterplatte jeweils in Form einer starren Leiterplatte ausgebildet und relativ zueinander so fixiert sind, dass deren Ebenen gewinkelt zueinander verlaufen.
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Indem sowohl der erste als auch der zweite Wickelabschnitt in Form von Leiterbahnen auf einer starren Leiterplatte gebildet ist, können zur Herstellung der Spule, insbesondere deren Wicklungsherstellung, standardisierte und hochautomatisierbare Fertigungsprozesse der Leiterplattenherstellung und -weiterverarbeitung verwendet werden. Dieser Vorteil wirkt sich insbesondere dann vorrangig aus, wenn es sich bei dem Magnetkern um einen geschlossenen Magnetkern handelt, der einstückig - das heißt aus lediglich einem Kernsegment - gebildet ist. Die Leiterbahnen auf den Leiterplatten lassen sich hinsichtlich ihrer Geometrie, Lage und Ausrichtung zueinander mit hoher Reproduzierbarkeit gestalten und fertigen. Dies führt zu einer hohen Reproduzierbarkeit charakteristischer magnetischer Eigenschaften einer derartigen Spule, insbesondere deren Induktivität, deren magnetisches Streufeld und deren Kapazität der Wicklungen untereinander (Intra-Winding-Capacity). Der hohe Automatisierungsgrad bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Spule senkt nicht nur die spezifischen Herstellungskosten der Spule, sondern verringert zudem auch eine einer manuellen Bewicklung der Spule zugeordnete Fehlerhäufigkeit.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die erste Leiterplatte der Spule an einem Rand zumindest eine zapfenartige Verlängerung auf, die in eine in der zweiten Leiterplatte angeordnete korrespondierende Ausnehmung eingreift. Dabei liegt ein Ende des zumindest einen ersten Wicklungsabschnittes in einem Bereich der zapfenartigen Verlängerung an einer Oberfläche der ersten Leiterplatte. Auf diese Weise grenzt die Leiterbahn des auf der ersten Leiterplatte angeordneten ersten Wicklungsabschnittes - insbesondere dessen Ende - in einem Bereich der zumindest einen zapfenartigen Verlängerung an die Leiterbahn des auf der zweiten Leiterplatte angeordneten zweiten Wicklungsabschnittes an. Vorteilhafterweise sind der erste und der zweite Wicklungsabschnitt in dem Bereich miteinander elektrisch verbunden, insbesondere miteinander verlötet. Auch in einer dazu alternativen Ausführungsform der Spule weist die erste Leiterplatte an einem Rand zumindest eine zapfenartige Verlängerung auf. Diese greift jedoch nicht in eine Ausnehmung der zweiten Leiterplatte ein, sondern ist als Flachstecker ausgebildet und greift in eine auf der zweiten Leiterplatte angeordnete Verbindungsbuchse ein. Auf diese Weise ist die erste Leiterplatte mechanisch wie auch elektrisch lösbar mit der zweiten Leiterplatte verbunden. Derartige Verbindungsbuchsen sind beispielsweise als Aufnahme-Ports für Erweiterungsplatinen im Bereich der Computer-Elektronik bekannt und aufgrund von Massenproduktion in verschiedenen Ausführungen kostengünstig verfügbar.
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Prinzipiell kann der Magnetkern aus mehreren Segmenten zusammengesetzt sein und einen Spalt, oder mehrere Spalte aufweisen. In einer Ausführungsform ist jedoch der Magnetkern der Spule durch einen geschlossenen Magnetkern gebildet. Hierbei bedeutet der Begriff „geschlossen“ insbesondere „geometrisch geschlossen“. In einer Variante weist der Magnetkern jedoch lediglich ein Kernsegment auf, ist also einstückig aufgebaut. Der einstückig aufgebaute Magnetkern kann jedoch einen magnetischen Spalt aufweisen. Beispielsweise ist der Magnetkern ein gesinterter Magnetkern und der magnetische Spalt wird durch eine Vielzahl mikroskopischer Spalte gebildet. Alternativ kann der Kern eine Außenbeschichtung aufweisen, unter der der Spalt angeordnet ist, wobei der Magnetkern dennoch „geometrisch geschlossen“ ausgebildet ist. In einer Variante ist der Magnetkern durch einen geschlossen und spaltfreien Magnetkern gebildet. In einer Ausführungsform ist der Magnetkern in Form eines Ringes oder eines Torus ausgebildet. Dabei kann in beiden Fällen der Magnetkern einen Spalt beinhalten - beispielsweise geschlitzt sein - oder aber spaltfrei ausgebildet sein.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Spule ist die erste Leiterplatte hinsichtlich ihrer Geometrie kammartig ausgebildet. Hierbei weist die erste Leiterplatte einen Quersteg mit mehreren davon im rechten Winkel abzweigenden Längsstegen auf. Die Anzahl der abzweigenden Längsstege ist von der individuellen Geometrie des Kerns und der Anwendung der Spule abhängig. In vielen Fällen ist die erste Leiterplatte U-förmig - mit zwei Längsstegen - oder E-förmig - mit drei Längsstegen - ausgebildet und umgibt einen Querschnitt des Bereiches des Magnetkerns umfangsseitig an drei von vier Seiten. Durch eine geeignete Dimensionierung der Längsstege und deren Abstand zueinander lässt sich der Magnetkern von der ersten Leiterplatte und der zweiten Leiterplatte in zwei Dimensionen mechanisch fixieren. Unter Verwendung einer weiteren starren ersten Leiterplatte, deren Ebene gewinkelt zu den Ebenen von erster Leiterplatte und zweiter Leiterplatte verläuft, lässt sich der Magnetkern sogar in drei Dimensionen mechanisch verklemmen bzw. fixieren. In einer Ausführungsform, die einen besonders stabilen mechanischen Aufbau aufweist, ist die Ebene der ersten Leiterplatte - gegebenenfalls auch die Ebene der weiteren ersten Leiterplatte - rechtwinklig zu der Ebene der zweiten Leiterplatte angeordnet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Spule ist die zumindest eine den Bereich des Magnetkerns umfangsseitig umgebende Wicklung durch eine Mehrzahl von Wicklungen gebildet. Jede der Wicklungen weist jeweils einen ersten und einen zweiten Wicklungsabschnitt auf. Dabei sind die ersten Wicklungsabschnitte in Form von Leiterbahnen auf der ersten Leiterplatte und die zweiten Wicklungsabschnitte in Form von Leiterbahnen auf der zweiten Leiterplatte angeordnet. Dabei sind die den ersten Wicklungsabschnitten zugeordneten Leiterbahnen elektrisch mit den den zweiten Wicklungsabschnitten zugeordneten Leiterbahnen verbunden, so, dass die ersten zusammen mit den zweiten Wicklungsabschnitten die Mehrzahl der den Bereich des Magnetkerns umgebenden Wicklungen ausbilden.
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Um eine möglichst hohe Anzahl an Leiterbahnen für erste bzw. zweite Wicklungsabschnitte möglichst platzsparend anzuordnen, sind/ist in einer vorteilhaften Ausführungsform die erste Leiterplatte und/oder die zweite Leiterplatte als Mehrlagen-Leiterplatte ausgebildet. Dabei sind die ersten und/oder die zweiten Wicklungsabschnitte in unterschiedlichen Lagen der jeweiligen Leiterplatte angeordnet. In der Nähe eines Bereiches, an dem die erste Leiterplatte mit der zweiten Leiterplatte elektrisch verbunden wird, sind die Leiterbahnen an eine Oberfläche - Vorder- und/oder Rückseite - der jeweiligen Platine geführt bzw. sind Leiterbahnen in einer mittleren Lage mit auf der Vorder- und/oder Rückseite vorhandenen Leiterbahnen elektrisch verbunden. Dies ist bei der ersten Leiterplatte in der Nähe der zapfenartigen Verlängerung und bei der zweiten Leiterplatte in der Nähe der Ausnehmung der Fall, in die die zapfenartige Verlängerung eingreift. Die elektrische Verbindung von in einer mittleren Lage angeordneten Leiterbahn an eine auf der Oberfläche der Mehrlagen-Leiterplatte kann bekannterweise über Durchkontaktierungen - sogenannte Vias - erfolgen.
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Neben den den ersten Wicklungsabschnitten zugeordneten Leiterbahnen kann die erste - gegebenenfalls auch die zweite Leiterplatte - selbstverständlich auch weitere Leiterbahnen - beispielsweise zum Zwecke der elektrischen Kontaktierung weiterer Bauteile mit der Wicklung der Spule aufweisen. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die erste und/oder die zweite Leiterplatte zusätzlich zumindest ein weiteres elektrisches bzw. elektronisches Bauteil, beispielsweise einen Kondensator und/oder einen Widerstand, auf. Es liegt weiterhin im Rahmen der Erfindung, dass die erste und/oder die zweite Leiterplatte eine weitere zapfenartige Verlängerung aufweist, die als Flachstecker für eine weitere Verbindungsbuchse ausgebildet ist. Auf diese Weise kann die erste Leiterplatte und/oder die zweite Leiterplatte mit einem weiteren Bauteil oder einer weiteren Schaltungseinheit elektrisch verbunden werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Spule als Teil eines induktiven Bauteils, beispielsweise als Teil eines Transformators, eines elektrischen Filters oder eines Stromsensors ausgebildet.
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Ein erfindungsgemäßes elektrisches oder elektronisches Gerät weist zumindest eine erfindungsgemäße Spule auf. Bei dem elektrischen oder elektronischen Gerät kann es sich insbesondere um einen Stromrichter, beispielsweise einen Gleichrichter, einen Wechselrichter oder einen DC/DC-Wandler handeln. Es ergeben sich die bereits im Zusammenhang mit der Spule erwähnten Vorteile.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
- 1a zeigt eine erfindungsgemäße Spule in einer ersten Ausführungsform in einem frühen Stadium der Herstellung;
- 1b zeigt die Spule aus 1a in einem späteren Stadium der Herstellung;
- 2a zeigt einen Transformator als induktives Bauteil mit zwei erfindungsgemäßen Spulen gemäß einer zweiten Ausführungsform in einer Seitenansicht; und
- 2b zeigt den Transformator aus 2a in einer Draufsicht.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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In 1a ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spule (1) in einer Seitenansicht in einem noch nicht vollständig montierten Stadium dargestellt. Die Spule (1) weist eine erste starre Leiterplatte (2a) mit darauf angeordneten Leiterbahnen (10, 11) und eine zweite starre Leiterplatte (2b) mit darauf angeordneten Leiterbahnen (10, 11) auf. Dabei ist die erste Leiterplatte (2a) als Mehrlagen-Leiterplatte - hier: als 2-Lagen-Leiterplatte mit Leiterbahnen 10, 11 auf einer Vorder- und auf einer Rückseite einer Trägerschicht der Mehrlagen-Leiterplatte - ausgebildet. Einige Leiterbahnen 11 der ersten Leiterplatte 2a sind als Zuleitungen ausgebildet, um die Spule 1 mit weiteren Bauteilen elektrisch zu verbinden. Die als Zuleitungen ausgebildeten Leiterbahnen 11 verlaufen auf einer Rückseite der ersten Leiterplatte 2a und sind in 1a gestrichelt dargestellt. Die ersten Wicklungsabschnitte 3a werden durch die durchgezogen dargestellten und auf der Vorderseite der ersten Leiterplatte 2a angeordneten Leiterbahnen 10 gebildet. Die Spule 1 beinhaltet weiter eine zweite starre Leiterplatte 2b - hier: in Form einer Einlagen-Leiterplatte mit einer Trägerschicht und lediglich einer Metallschicht - mit Leiterbahnen 10, 11 auf der Unterseite der zweiten Leiterplatte 2b. Auf einer der Leiterbahnen 10, 11 abgewandten Oberfläche der zweiten Leiterplatte 2b ist ein ringförmiger Magnetkern 6 angeordnet.
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Die Geometrie der ersten Leiterplatte 2a ist im Wesentlichen U-förmig gestaltet und beinhaltet zapfenartige Verlängerungen 4 an beiden Schenkeln der „U-Form“, die in korrespondierende Ausnehmungen 5 in der zweiten Leiterplatte 5 eingreifbar ausgebildet sind. Eine Ebene der ersten Leiterplatte 2a ist senkrecht zu einer Ebene der zweiten starren Leiterplatte 2b orientiert. Zur Fertigstellung der Spule 1 werden die zapfenartigen Verlängerungen 4 der ersten Leiterplatte 2a in die Ausnehmungen 5 der zweiten Leiterplatte 2b eingeführt. Auf diese Weise grenzen die ersten Wicklungsabschnitte 3a auf der ersten Leiterplatte 2a an korrespondierende zweite Wicklungsabschnitte 3b der zweiten Leiterplatte an. Gegebenenfalls kann es notwendig sein, einzelne der Leiterbahnen 10, 11 der ersten Leiterplatte 2a über sogenannte Durchkontaktierungen (Vias) von der Vorder- auf die Rückseite der ersten Leiterplatte 2a zu verlegen. Schließlich werden die Enden der ersten Wicklungsabschnitte 3a mit Enden der korrespondierenden zweiten Wicklungsabschnitte 3b - hier: über einen Lötprozess - elektrisch verbunden, so dass eine Vielzahl von einen Bereich des Magnetkerns 6 umgebenden Wicklungen entsteht. Weiterhin werden zwei verbleibende Enden der Wicklungen mit den als Zuleitungen ausgebildeten Leiterbahnen 11 elektrisch verbunden.
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Im montierten Zustand, wie er in 1b dargestellt ist, ergibt sich eine mechanisch stabile Anordnung der Spule 1, bei der der Magnetkern 6 von der ersten starren Leiterplatte 2a und der zweiten starren Leiterplatte 2b mechanisch eingeklemmt und dadurch fixiert wird. Gegebenenfalls können weitere erste Leiterplatten 2a vorgesehen sein, die den Magnetkern 6 an einem anderen Bereich umfangsseitig umgeben. Hierdurch kann die mechanische Fixierung des Magnetkerns 6 optimiert und/oder eine größere Anzahl an Windungen der Spule 1 realisiert werden. Die elektrische Verbindung der Spule 1 an ein weiteres Bauteil oder eine weitere Schaltungseinheit - in den 1a und 1b nicht dargestellt - erfolgt über eine weitere an der ersten Leiterplatte 2a angeordnete und als Flachstecker ausgebildete zapfenartige Verlängerung 7. Diese ist eingerichtet, in eine Verbindungsbuchse 13 einzugreifen und die Spule 1 mit dem weiteren Bauteil bzw. der weiteren Schaltungseinheit zu verbinden.
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In den 2a und 2b ist ein induktives Bauteil - hier ein Transformator - in einem nahezu fertig montierten Stadium in einer Seitenansicht (2a) und in einer Draufsicht (2b) dargestellt. Der Transformator beinhaltet zwei erfindungsgemäßen Spulen 1. Jede der zwei Spulen 1 entspricht in vielen Eigenschaften der in den 1a und 1b gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spule 1, weswegen diesbezüglich auf die dortigen Ausführungen verwiesen wird und hier lediglich die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben werden.
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Im Unterschied zu der in den 1a und 1b illustrierten ersten Ausführungsform ist die Geometrie der ersten Leiterplatte 2a nun „E-förmig“ ausgebildet. Auch in diesem Fall ist jedoch eine Ebene der ersten Leiterplatte 2a senkrecht zu einer Ebene der zweiten Leiterplatte 2b angeordnet. Ein mittlerer Längssteg der ersten Leiterplatte 2a ist im montierten Zustand im Innendurchmesser des ringförmigen Magnetkerns 6 angeordnet, während die beiden außen liegenden Längsstege am Außendurchmesser des Magnetkerns 6 anliegen. Auf der ersten Leiterplatte 2a sind erste Wicklungsabschnitte 3a beider Spulen 1 in Form von Leiterbahnen 10 auf einer Vorderseite angeordnet. Des Weiteren beinhaltet die erste Leiterplatte 2a als Zuleitungen ausgebildete Leiterbahnen 11 auf einer Rückseite der als Mehrlagen-Leiterplatte ausgebildeten ersten Leiterplatte 2a.
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Die an Längsstegen ausgebildeten zapfenartigen Verlängerungen 4 der ersten Leiterplatte 2a sind als Flachstecker ausgebildet und greifen in korrespondierende Verbindungsbuchsen 14, die auf der zweiten Leiterplatte 2b angeordnet sind. Dabei sind die Verbindungsbuchsen 14 mit zweite Wicklungsabschnitte 3b ausbildenden Leiterbahnen 10 der Spulen 1 und gegebenenfalls mit weiteren Zuleitungen ausbildenden Leiterbahnen 11 der zweiten Leiterplatte 2b elektrisch verbunden, beispielsweise verlötet. Indem nun die zapfenartigen Verlängerungen 4 an den Längsstegen der Leiterplatte 2a in die auf der zweiten Leiterplatte 2b angeordneten Verbindungsbuchsen 14 eingreifen, werden bei jeder der beiden Spulen 1 die ersten Wicklungsabschnitte 3a lösbar mit den jeweiligen zweiten Wicklungsabschnitten 3b elektrisch verbunden. Auf diese Weise ergeben sich zwei gegenüberliegende Bereiche des Magnetkerns 6, die von jeweils einer der Spulen 1 umgeben werden. Der Transformator wird über eine als Flachstecker ausgeführte weitere zapfenartige Verlängerung 7, die an einer Oberseite der ersten Leiterplatte 2a angeordnet ist und die eingerichtet ist, in eine Verbindungsbuchse 13 einzugreifen, mit einem weiteren Bauteil bzw. einer weiteren Schaltungsanordnung elektrisch verbunden.
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In jedem der dargestellten Fälle kann die erste Leiterplatte 2a und / oder die zweite Leiterplatte 2b weitere elektrische oder elektronische Bauteile aufweisen. Es versteht sich, dass im Rahmen der Erfindung auch andere Geometrien der als „U-förmig“ bzw. E-förmig dargestellten ersten Leiterplatte 2a verwendet werden können. In der Ausführungsform der Spule 1 gemäß 1a und 1b kann die über einen Lötprozess hergestellte nicht lösbare elektrische Verbindung der ersten Wicklungsabschnitte 3a mit den zweiten Wicklungsabschnitten 3b alternativ auch über eine lösbare elektrische Verbindung, wie sie in den 2a und 2b dargestellt ist, substituiert werden. Andererseits kann die lösbare elektrische Verbindung der ersten Wicklungsabschnitte 3a mit den zweiten Wicklungsabschnitten 3b auch in Form einer nicht lösbaren elektrischen Verbindung der Wicklungsabschnitte 3a und 3b miteinander - beispielsweise einer Verlötung - realisiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spule
- 2a, 2b
- Leiterplatte
- 3a, 3b
- Wicklungsabschnitt
- 4
- Verlängerung
- 5
- Ausnehmung
- 6
- Magnetkern
- 7
- Verlängerung
- 10
- Leiterbahn
- 11
- Leiterbahn
- 13
- Verbindungsbuchse
- 14
- Verbindungsbuchse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4975671 [0003]
- DE 10154833 A1 [0004]
