DE2505080A1 - Funkentstoerdrossel und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Description

• lt Funkentstördrossel und Verfahren zu ihrer Herstellung Die Erfindung bezieht sich auf eine Funkentstördrossel für Haibleiterschaltungen, insbesondere für solche mit Phasenanschnittsteuerungen, bestehend aus einem Ringkern und einer isoliert auf diesem angeordneten Dral-csicklung, wobei der Ringkern zwei Komponenten enthält, von denen die eine ein mehrlagiges Gebilde aus Weicheisen und die andere ein durch Druck und Bindemittel verfestigter Körper aus ferromagnetischem Pulver ist.
• Halbleiterschaltungen mit Phasenanschnittsteuerung finden zunehmend stärkere Verbreitung auf allen Gebieten der Technik. Phasenanschnittsteuerungen werden beispielsweise zur Steuerung der Energieaufnahme von Wechselstromverbrauchern, wie Glühlampen, Leuchtstoffröhren, Heizgeräte, Motoren etc. verwendet. Aus der Funktion derartiger Phasenanschnittsteuerungen ergeben sich zwangsläufig starke Funkstörungen, die aufgrund einer Vorschrift des Verbandes deutscher Elektrotechniker unterdrückt werden müssen (VDE-Vorschrift o875). Funkentstördrosseln stellen dabei nur einen Teil der gesamten Entstörmittel dar, die einen nicht unerheblichen Kostenfaktor an den Gesamtkosten der elektrischen Ausrüstung ausmachen. Es wird in einigen Fällen auf den Einsatz der technisch eleganten Phasenanschnittsteuerung verzichtet, nur weil der Aufwand an Funkentstörmitteln für den geforderten Zweck zu groß ware. Es ist aber wenig wünschenswert, den Einsatz moderner, elektrischer Steuerungsmittel daran scheitern zu lassen, daß der Aufwand für die vorgeschriebene Funkentstörung unverhältnismäßig groß wird. Einwandfrei funktionierende Funkentstörmittel unter Verwendung von Drosseln gehören jedenfalls bereits seit geraumer Zeit zum Stande-der Technik.
• Durch die DT-OS 1 8o4 835 ist eine Funkentstordrossel vorbekannt, deren Ringkern aus unterschiedlich legierten Blechstreifen besteht, die zu einem Bandringkern zusammengewickelt sind. Eine solche Drossel besitzt zwar gute Dämpfungseigenschaften, macht jedoch teuere Werkstoffe bzw. teuere Ausgangshalbzeuge erforderlich und ist kompliziert in der Herstellung. Kostensteigernd wirkt dabei der hohe Nickelanteil in der einen Kernkomponente. Für ein Massenprodukt, wie es eine Funkentstördrossel darstellt, ist der zu treibende Aufwand zu groß, so daß in vielen Fällen auf einen Einsatz der Drossel verzichtet wird, weil der Anteil der Kosten für die Funkentstörung an den Gesamtkosten unverhältnismäßig groß ist. Ein weiterer Nachteil besteht in der Geräuschentwicklung: Derartige Bandringkerne neigen unter dem Einfluß magnetostriktiver Kräfte zum Brummen.
• Durch die XT-OS 1 813 643 ist zwar eine Maßnahme bekannt, wie der Schallpegel gesenkt werden kann. Dies erfolgt durch Erhöhung des Nickelanteils in der einen Kernkomponente bis auf über 82 Gewichtsprozent, womit eine noch ungünstigere Kostenbeeinflußung verbunden ist. Nickel ist bekanntlich tagespreisabhangig. Trotz dieser Maßnahme treten immer noch zu hohe Brummgeräusche auf. Die geforderten elektrischen und akustischen Werte sind außerdem sehr schwer reproduzierbar. Ein weiterer, bedeutender Nachteil von Ringbandkernen liegt in der Notwendigkeit einer Wärmebehandlung des fertigen Ringkerns. Eine solche Wärmebehandlung setzt bekanntlich eine sehr exakte Verfahrensführung voraus.
• Durch die DT-AS 2 o58 509 und die DT-AS 2 119 95o ist eine Funkentstördrossel der eingangs beschriebenen Gattung vorbekannt, die aus einer Kombination eines geblechten Teilkerns und eines gepreßten Ferritteilkerns besteht. Der geblechte Teilkern neigt dabei wiederum stark zu den unerwünschten Brummgeräuschen, die nur durch einen hohen Fertigungsaufwand unterdrückt werden können. In der DT-AS 2 119 950 wird zu diesem Zweck vorgeschlagen, den Kern innerhalb eines Bechers mit Gießharz zu vergießen um eine Geräuschdämpfung zu erreichen. Die Verarbeitung von Gießharzen ist jedoch eine extrem aufwendige und komplizierte Angelegenheit. Der Ferritteilkern muß außerdem zur Erzielung optimaler Dämpfungseigenschaften geschlitzt sein, wodurch auch in diesem Teilkern wieder Brummgeräusche auftreten. Es wird daher empfohlen, den oder die Schlitze nur teilweise auszuführen. Der hierdurch erzielte Kompromiß ist jedoch wenig befriedigend. Außerdem ist das Schlitzen von Ferritkernen e,n aufwendiger Vorgang, der nur mittels Spezialwerkzeugen durchgeführt werden kann, die zudem rasch verschleißen. Dies führt zu einer erheblichen Verteuerung des Endproduktes. In der Praxis wurden auch bei derartigen, kombinierten Ringkernen aufgrund schwer einhaltbarer Toleranzen starke Streuungen der Dämpfungseigenschaften festgestellt.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Funkentstördrossel der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, die unter Verwendung problemlos zu verarbeitender und billiger Werkstoffe innerhalb enger elektrischer Toleranzen mit hoher Reproduzierbarkeit herstellbar ist, und die dabei im Wesentlichen die gleichen elektrischen Eigenschaften besitzt, wie die bekannten Drosseln. Dabei soll die Drossel die VDE-Vorschrift 0875, Entstörgrad "N" erfüllen, die einen maximalen Funkstörspannungs-Pegel von 66 dB bei o,15o MHz bzw.
• 60 dB ab 0,500 NHz bis 30 MHz vorschreibt. Die Einhaltung dieser Grenzwerte soll dabei in Verbindung mit den übrigen, bekannten Entstörmitteln erfolgen.
• Bezüglich der Aufgabenstellung spielt die Überlegung eine Rolle, daß es sich bei Funkentstördrosseln um Massenartikel handelt, bei denen die Einhaltung engster elektrischer Toleranzen bei gleichzeitig merklich verringerten Herstellkosten von besonderer Bedeutung ist, so daß der Einsatz auch bei Halbleiterschaltungen ermöglicht wird, die selbst nur geringe Herstellkosten haben.
• Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs beschriebenen Funkentstördrossel gemäß der vorliegenden ErSindung dadurch, daß das mehrlagige Gebilde aus einer Wicklung eines Eisendrahtes besteht und daß das ferromagnetische Pulver Eisenpulver ist.
• Der Eisendraht kann hierbei legiert oder unlegiert sein. Mit besonderem Vorteil kann jedoch für den genannten Zweck praktisch reiner Eisendräht verwendet werden, der als Massenprodukt mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Durchmessern im Handel ist. Die Wicklung aus Eisendraht nach Art eineM kernlosen Spule gestattet dabei ein beliebiges Anpassen an die geforderten Bigenschaften der Drossel. Auf teuere Stanz- bzw. Schneidwerkzeuge, wie sie für jede Größe der bekannten geblechten Kerne benötigt werden, kann vollständig verzichtet werden.
• Als ferromagnetisches Pulver kann ebenfalls billiges, reines Eisenpulver verwendet werden, das sich unter Zusatz von ca. o,o5 bis 2,o Gewichtsprozent üblicher Bindemittel zu einem Ringkern verpressen läßt. Das Bindemittel spielt hierbei zusätzlich die Rolle eines isolierstoffes, welches die metallische Berührung der Pulverteilchen untereinander verhindert.
• Es wurde überraschend festgestellt, daß die erfindungsgemäße Kombination der beiden Ringkernkomponenten zu einem billigen Ringkern mit engen elektrischen Toleranzen führt, ohne daß hierfür teuere Werkstoffe bzw. Legierungen verwendet werden müssen. Dieses Ergebnis ist um so mehr überraschend, als bei den bekannten Lösungen eine Erfüllung höherer Anforderungen stets durch Verwendung von speziellen, insbesondere teueren Vlerkstoffen angestrebt wurde.
• Die Ringkernkomponenten können dabei getrennt hergestellt werden, und zwar durch einen Wickelvorgang einerseits (Ringkernspule aus Bisendraht) und durch einen Preßvorgang andererseits (Pulverkern), wobei die Komponenten nachfolgend durch einfaches Auf einanderlegen oder Ineinanderschieben vereinigt werden. Es bringt aber besondere und zusätzliche Vorteile mit sich, wenn die Eisendrahtwicklung gemäß der weiteren Erfindung in das Eisenpulver eingebettet ist. Dies wird in besonders einfacher und zweckmäßiger Weise dadurch erreicht, daß eine Teilmenge des Eisenpulvers mit Bindemittel in eine Preßform eingefüllt wird, daß die Wicklung aus Eisendraht in die Preßform eingelegt wird und daß die Restmenge des Eisenpulvers auf die Wicklung aufgefüllt wird, worauf Wicklung und Eisenpulver gemeinsam verpreßt werden. Es wurde nämlich ebenfalls überraschend festgestellt, daß das Eisenpulver mit dem Bindemittel bei entsprechender Wahl der Korngröße in die engen Zwischenräume der Drahtwicklung eindringt, so daß durch das Pressen ein Verbundkörper erzeugt wird, dessen mechanische Festigkeit unter Beibehaltung der elektrischen Werte erheblich gesteigert wird. Es entsteht auf diese Weise ein gegenseitiges Durchdringen der beiden Kernkomponenten im Sinne einer nicht ohne weiteres zerstörbaren Verzahnung. Dadurch werden die Brummgeräusche ohne zusätzliche Maßnahmen auf einen sonst nicht erreichbaren Wert gesenkt. Unabhängig davon, ob der Ringkern aus den beiden Komponenten durch einfaches Zusammensetzen oder durch gemeinsames Verpressen hergestellt worden ist, wird auf den Verbundkörper im Verlaufe des weiteren Fertigungsverfahrens eine übliche Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material auf gebracht, auf die nachfolgend die im allgemeinen aus Kupf erdraht bestehende Drahtwicklung aufgebracht wird, durch die der Strom zum Verbraucher fließt. Es handelt sich hierbei jedoch um zum Stande der Technik gehörende l4aßnahmen, so daß auf ein weiteres Eingehen hierauf verzichtet werden kann. Im Gegensatz.zu der aus Kupferdraht bestehenden äußeren Drahtwicklung wird die aus isendraht bestehende, zum Ringkern gehörende Wicklung als Kernspule bezeichnet.
• Der Draht durchmesser der Kernspule kann dabei in relativ weiten Grenzen schwanken, wobei jedoch Zugeständnisse an die Größe des Ringkerns und an die Verarbeitungsmöglichkeit des Drahtes zu machen sind. Außerdem wird der Drahtdurchmesser in Abhängigkeit von dem im Ringkern zur Verfügung stehenden Volumen durch die Anzahl der unterzubringenden Windungen bestimmt. Die Gewichtsverhältnisse von Eisecdrahtkomponente einerseits und Eisenpulverkomponente andererseits liegen dabei etwa bei 1 zu 2, jedoch sind Abweichungen von diesem Verhältnis möglich, die durch einfaches Ausprobieren gefunden werden können.
• Es hat sich in der Praxis als zweckmäßig erwiesen, für kleine Ringkerne dünne Drahtdurchmesser und für große Ringkerne große Drahtdurchmesser zu verwenden. Beispielsweise verwendet man für einen Ringkern unterer Größe einen Drahtdurchmesser von ca. o,l mm, für einen Ringkern oberer Größe einen Drahtdurchmesser von ca. 2,o mm.
• Die Drahtoberfläche hat aufgrund des EIerstellveriahrens für den Draht von Haus aus eine Oberflächenbeschaffenheit, die sogenannte Windungsschlüsse ausschaltet.
• Bezüglich der Korngröße des Eisenpulvers gilt die Smpfehlung, daß die Korngröße zwischen etwa lo und Soo liegen soll, wobei das Pulver hinsichtlich der Korngröße innerhalb bestimmter Bereiche eine statistische Korngrößen- verteilung mit einem Maximum aufweist. Es ist dabei zweckmäßig, das feinere Pulver für kleine Kerne mit dünnen Drahtdurchmesser und das gröbere Pulver für größere Kerne mit stärkeren Drahtdurchmessern zu verwenden. Für besondere Zwecke, ei denen eine weitere Verringerung der Kernverluste und der Brummgeräusche angestrebt wird, und der Preis keine ausschlaggebende Rolle spielt> kann auch legiert es Eisenpulver anstelle des reinen Eisenpulvers verwendet werden. Als Legierungselemente kommen die üblichen Elemente in Frage, insbesondere aber Nickel bis zu einem Gehalt von etwa 80 Gewichtsprozent. Der Schwerpunkt der Erfindung liegt jedoch auf der völligen Vermeidung von teueren Legierungszusätzen. Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und seine elektrischen Dämpfungseigenschaften werden nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 näher beschrieben.
• Es zeigen: Figur 1 einen Radialschnitt durch eine vollständige Funkentstördrossel mit der bevorzugten Ausführungsform der eingebetteten Kernspule. und Figur 2 ein Diagramm, in dem der Funkstörspannungs-Pegel in dB über der Frequenz aufgetragen ist.
• In Figur 1 ist mit lo ein Ringkern bezeichnet, der aus zwei Komponenten besteht, nämlich aus einem durch Druck und Bindemittel verfestigten Körper aus ferromagnetischem Pulver (Eisenpulver) 11 uia aus einer Wicklung 12 eines Eisendralltes 13 ç Die Wicklung 12 ist im vor- liegenden Falle in das Pulver 11 eingebettet, d .h. allseitig von dem Pulverkörper umgeben. Aus Figur 1 ist auch ersichtlich, daß das Pulver 11 teilweise zwischen die einzelnen Lagen der Wicklung 12 eingedrungen und unter dem Einfluß des Preßdrucks zusammen mit der Wicklung verfestigt worden ist. Der Ringkern lo hat im vorliegenden Falle folgende Abmessungen: Außendurchmesser = 35 mm; Innendurchmesser = 20 mm; Höhe = 9 mm.
• Das Gewicht beträgt 40 Gramm, wobei die Korngröße des verwendeten Eisenpulvers in dem Bereich zwischen ao und 125 p liegt. Der Bindemittelanteil beträgt o,2 Gewichtsprozent. Die Wicklung q2 besteht aus loo Windungen eines blankgeglühten Eisendrahtes mit einem Durchmesser von o,5 mm und einem Gewicht von ca. 11,5 Gramm.
• Der Ringkern lo ist auf seiner Oberfläche allseitig mit einem durch Wirbelsintern hergestellten Isolierstoffüberzug 14 versehen, auf den eine äußere Drahtwicklung 15 aus 145 Windungen eines Kupferdrahltes mit einem Durchmesser von o,71 mm aufgebracht worden ist.
• Es handelt sich bei dem Gegenstand nach Figur 1 um eine typische Funkentstördrossel, wse sie für Thyristor-Triac-Schaltungen verwendet wird, die in Verbindung mit-Helligkcitsreglern (Dimmern) Anwendung finden. Mit der genannten Drossel kann eine Maximalleistung von 6oo Watt und eine Minimalleistung von 60 Watt stabil, d.h, flackerfrei, geregelt werden, wobei der Drossel noch ein Entstörkondensator mit einer Kapazität von C = o,15>a F zugeordnet wird. Das angegebene Lastverhältnis von lo zu 1 ist für praktische Zwecke mehr als ausreichend, d.h. die untere Grenzleistung von Go Watt hat sich als brauchbar -erwiesen.
• Figur 2 zeigt ein Diagramm, in dem der Funkstörspannungs Pegel dB über einen Frequenzbereich zwischen o,1 und 30 Mllz aufgetragen ist (Abszissenwerte logarithmisch). In dieses Diagramm sind als gestrichelte Linien die verschiedenen Entstörgrade G, N und K nach der VDE-Vorschrift os75 eingetragen. Im vorliegenden Falle muß die Funkentstördrossel dem Entstörgrad N für Dauerstörungen genügen.
• In dieses Diagramm wurden mehrere Meßwerte eingetragen und zu einer kurve N verbunden, die mit der Funkentstördrossel nach Figur 1 bei einer maximalen Belastung von 6 Watt gewonnen wurde. Es ist ersichtlich, daß die Entstöreigenschaften der Drossel im gesamten, zu untersuchenden Frequenzbereich unterhalb des vorgegebenen Entstörgrades N liegen, im Bereich höherer Frequenzen sogar beträchtlich darunter. Damit erfüllt die erfindungsgemäße Funkentstördrossel trotz ihrer einfachen Herstellung unter Verwendung billigster Werkstoffe alle gestellten Anforderungen.

Claims (5)

1. A n =s r ü c h e:

   Funkentstördrossel für Halbleiterschaltungen, insbesondere für solche mit Phasenanschnittsteuerungen, bestehend aus einem Ringkern und einer isoliert auf diesem angeordneten Drahtwicklung, wobei der Ringkern zwei Komponenten enthält, von denen die eine ein mehrlagiges Gebilde aus lleichefsen und die andere ein durch Druck und Bindemittel verfestigter Körper aus ferromagnetischem Pulver ist, dadurch gekennzeichnet, daß das mehrlagige Gebilde aus einer Wicklung (12) eines Eisendrahtes (13) besteht und daß das ferromagnetische Pulver (11) Eisenpulver ist.
2. 2. Funkentstördrossel nach Anspruch 1, dadurch gelennzeichnet, daß die Wicklung (l2) aus Eisendraht (13) in das Eisenpulver (11) eingebettet ist.
3. 3. Funkentstördrossel nach Anssruch 2, dadurch geLennzeichnet, daß der Eisendraht (13) im wesentlichen unlegiert ist und einen Durchmesser zwischen c,1 und 2,o mm besitzt, und daß das Eisenpulver (11) reines Eisenpulver mit einer Korngröße zwischen 1o und Soo µm ist.
4. 4. Funkentstördrossel nach Anspruch 1, dadurch gekennbezeichnet, daß das Eisenpulver (11) bis zu einem Gehalt von 80 Gewichtsprozent mit Nickel legiert ist.
5. 5. Verfahren zur Herstellung einer Funkentstördrossel nach Anspruch 2, dadurch ebennneichnet, daß eine Teilmenge des Eisenpulvers mit Bindemittel in eine Preßform eingefüllt wird, daß die Wicklung aus Bisendraht in die Preßform eingelegt wird und daß die Restmenge des Eisenpulvers auf die Wicklung aufgefüllt wird, worauf Wicklung und Eisenpulver gemeinsam verpreßt werden.

   L e e r s e i t e