DE2505080C3 - Funkentstördrossel und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine 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 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, Heizgeräten, 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 0875). 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 wäre. Es ist aber wenig wünschenswert, den Einsatz moderner, elektrischer Stei'erungsmittel 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 DE-OS 18 04 835 ist eine Funkentstördrossel 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

i*> Gesamtkosten unverhältnismäßig groß ist Ein weiterer

Nachteil besteht in der Geräuschentwicklung: Derartige Bandringkerne neigen unter dem Einfluß magnetostrik-

tiver Kräfte zum Brummen.

Durch die DE-OS 18 13 643 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 tagespreisabhän gig. 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 DE-AS 20 58 509 und die DE-AS 21 19 950 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 DE-AS 21 19 950 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 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 ein aufwendiger Vorgang, der nur mittels Spezialwerkzeugen durchgeführt werden kann, die zudem rasch verschleißen. Dies führt zu einer

so erheblichen Verteuerung des Endproduktes. In der Praxis wurden auch bei derartigen, kombinierten Ringkernen aufgrund schwer einhaltbarer Toleranzen starke Streuungen der Dämpfungseigenschaften festgestellt

Durch die DE-PS 4 72 403 ist ein Kern für Induktionsspulen von Fernmeldegeräten, d. h. für den Tonfrequenzbereich, vorbekannt, bei dem Energieverluste durch Wirbelströme weitgehend vermieden werden sollen. Der angegebene Frequenzbereich liegt außer halb des Frequenzbereichs, für den der Erfindungsge- gensiaiiu verwendet werden 5ü!i. DcP Vürbckäiilitc Spulenkern ist sowohl quer als auch längs zur Feldrichtung in eine Vielzahl von einzelnen Drahtstükken unterteilt, die innerhalb eines Ringkörpers angeordnet sind und deren Achsen parallel zur Achse des Ringkerns verlaufen. Der Herstellverfahren für einen derartigen Spulenkern ist aufwendig, ohne zu dem gewünschten Erfolg zu führen, da sowohl die Wirbel-

Stromverluste als auch die Permeabilität für das vorgesehene Anwendungsgebiet des Erfindungsgegenstandes nicht ausreichend sind.

Durch die DE-PS 7 61 191 ist eine Spritzmasse aus Eisenpulver und Isolierstoff vorbekannt, die für die Verwendung in einer Funkentstördrossef unbrauchbar isL Spritzmassen haben üblicherweise einen hohen Isolierstoffanteil, mit dem eine ausreichende Permeabilität nicht erreichbar ist Außerdem ist nicht vorgesehen, den aus der bekannten Spritzmasse hergestellten Ringkern mit einer zweiten Komponente zu vereinigen.

Durch die GH-PS 1 00 077 ist ein Hochfrequenztransformator bekannt, bei dem im Gegensatz zur erfindungsgemäßen Aufgabe Dämpfungswirkungen bzw. Verluste weitgehend vermieden werden sollen. Aus diesem Grunde verbietet sich sogar die Kombination mit einer zweiten Komponente, die aus einem

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Funkentsiördrossel der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, deren Ringkern unter Verwendung problemlos zu verarbeitender und billiger Werkstoffe innerhalb enger elektrischer Toleranzen mit hoher Repioduzierbarkeit und großer mechanischer Festigkeit herstellbar ist, und die dabei im wesentlichen die gleichen elektrischen Eigenschaften besitzt, wie die bekannten Drosseln. Dabei soll die Drossel die VDE-Vörschrift 0875, Entstörgrad »&Ngr;« erfüllen, die einen maximalen Funkstörspannungs-Pegel von 66 dB bei 0,150 MHz bzw. 60 dB ab 0,500 MHz 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 eingangs beschriebener Funkentstördrossel gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch, daß das mehrlagige Gebilde aus einer ringspulenförmigen Wicklung eines Eisendrahtes besteht der einen Durchmesser bis zu 2,0 Millimeter besitzt, daß das ferromagnetische Pulver Eisenpulver mit einer Korngröße zwischen 10 und 500 &mgr;&pgr;&igr; ist und daß die Wicklung aus Eisendraht in das Eisenpulver eingebettet ist

Der Eisendraht kann hierbei legiert oder unlegiert sein. Mit besonderem Vorteil kann jedoch für den genannten Zweck praktisch reiner Eisendraht verwendet werden, der als Massenprodukt mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Durchmessern im Handel ist Die Wicklung aus Eisendraht nach Art einer kernlosen Spule gestattet dabei ein beliebiges Anpassen an die geforderten Eigenschaften 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. 0,05 bis 2,0 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 erfin

dungsgemäße 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 Werkstoffen angestrebt wurde. Die Einbettung der Wicklung aus Eisendraht in das

&iacgr;&ogr; Eisenpulver, die durch ein gemeinsames Verpressen von Wicklung und Eisenpulver erreichbar ist führt dazu, daß das Eisenpulver mit dem Bindemittel bei entsprechender Wahl der Korngröße in die engen Zwischenräume der Drahtwicklung eindringt so daß durch das Pressen

is 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 zerstörba ren Verzahnung. Dadurch werden die Brummgeräusche ohne zusätzliche Maßnahmen auf einen sonst nicht erreichbaren Wert gesenkt Durch das Pressen der Eisendrahtwicklung wird außerdem deren Volumen verringert wodurch eine um etwa 2—3 dB höhere Störspannungsdämpfung erzielt wird. Dies hat einen vergleichsweise kleineren Kondensator zur Folge, der üblicherweise in einer Entstörschaltung zusammen mit der Drossel verwendet wird. Bei der erfindungsgemäßen Funkentstördrossel hat der Ringkern sowohl ein geringes Volumen als auch eine gute Störspannungsdämpfung und eine stark verringerte Neigung zu Brummgeräuschen.

Im Verlaufe des weiteren Fertigüngsverfahren wird auf den Verbundkörper eine übliche Schicht aus einem elektrisch isolierenden Material aufgebracht auf die nachfolgend die im allgemeinen aus Kupferdraht bestehende Drahtwicklung aufgebracht wird, durch die der Strom zum Verbraucher fließt Es handelt sich hierbei jedoch um zum Stande der Technik gehörende Maßnahmen, so daß auf weiter: Erläuterungen verzichtet werden kann. Im Gegensatz zu der aus Kupferdraht bestehenden äußeren Drahtwicklung wird die aus Eisendraht bestehende, zum Ringkern gehörende Wicklung als Kernspule bezeichnet

Der Drahtdurchmesser der Kernspule kann dabei in relativ weiten Grenzen bis zu einem Durchmesser von 2,0 Millimeter schwanken, wobei die Größe des Ringkerns und die Verarbeitungsmöglichkeit des Drahtes maßgebend sind. Dabei wird der Drahtdurch messer in Abhängigkeit von dem im Ringkern zur Verfügung stehenden Volumen durch die Anzahl der unterzubringenden Windungen bestimmt Die Gewichtsverhältnisse von Eisendrahtkomponente einerseits und Eisenpulverkomponente andererseits liegen

T> bei etwa 1 :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

bO große Ringkerne große Drahtdurchmesser 7.11 verwenden. Beispielsweise verwendet man für einen Ringkern unterer Größe einen Drahtdurchmesser von ca. 0,1 mm, !für eine" Ringkern oberer Größe einen Drahtdurchmesser von ca. 2,0 mm. Die Drahtoberfläche hat jaufgrund des Herstellverfahrens für den Draht von Haus aus eine Oberflächenbeschaffenheit die sogenannte Windungsschlüsse ausschaltet Innerhalb des angegebenen Korngrößenbereichs des

Eisenpulvers hat dieses eine statistische Korngrößenverteilung mit einem Maximum. Es ist dabei zweckmäßig, feineres Pulver für kleine Kerne mit dünnem Drahtdurchmesser und gröberes Pulver für größere Kerne mit stärkerem Drahtdurchmesser zu verwenden.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und seine elektrischen Dämpfungseigenschaften werden nachfolgend anhand der F i g. 1 und 2 näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Radialschnitt durch eine vollständige Funkentstördrossel mit der bevorzugten Ausführungsform der eingebetteten Kernspule und

F i g. 2 ein Diagramm, in dem der Funkstörspannungs-Pegel in dB über der Frequenz aufgetragen ist

In Fig. I ist mit 10 ein Ringkern bezeichnet, der aus zwei Komponenten besteht, nämlich aus einem durch Druck und Bindemittel verfestigten Körper aus ferromagnetischem Pulver (Eisenpulver) 11 und aus einer Wicklung 12 eines Eisendrahtes 13. Die Wicklung 12 ist im vorliegenden Falle in das Pulver 11 eingebettet, d. h. allseitig von dem Pulverkörper umgeben. Aus Fig. 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 10 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 10 und 125 &mgr; liegt. Der Bindemittelanteil beträgt 0,2 Gewichtsprozent Die Wicklung 12 besteht aus 100 Windungen eines blankgeglühten Eisendrahtes mit einem Durchmesser von 0,5 mm und einem Gewicht von 11,5 Gramm.

Der Ringkern 10 ist auf seiner Oberfläche allseitig mit einem durch Wirbelsintern hergestellten Isolierstoffüberzug 14 versehen, auf den eine äußere Drahtwicklung 15 aus 145 Windungen eines Kupferdrahtes mit einem Durchmesser von 0,71 mm aufgebracht worden ist.

Es handelt sich bei dem Gegenstand nach Fig. 1 um eine typische Funkentstördrossel, wie sie für Thyristor-Triac-Schaltungen verwendet wird, die in Verbindung mit Helligkeitsreglern (Dimmern) Anwendung finden. Mit der genannten Drossel kann eine Maximalleistung von 600 Watt und eine Minimalleistung von 60 Watt stabil, d. h. flackerfrei, geregelt werden, wobei der Drossel noch ein Entstörkondensator mit einer Kapazität von C= 0,15 &mgr;&Rgr; zugeordnet wird. Das angegebene Lastverhältnis von 10 zu 1 ist für praktische Zwecke mehr als ausreichend, d. h. die untere Grenzleistung von 60 Watt hat sich als brauchbar erwiesen.

F i g. 2 zeigt ein Diagramm, in dem der Funkstörspannungspegel in dB über einen Frequenzbereich zwischen 0,1 und 30 MHz aufgetragen ist (Abszissenwerte logarithmisch). In dieses Diagramm sind als gestrichelte Linien die verschiedenen Entstörgrade C, N und K nach der VDE-Vorschrift 0875 eingetragen. Im vorliegenden Falle muß die Funkentstördrossel dem Entstörgrad N für Dauerstörungen genügen. In dieses Diagramm wurden mehrere Meßwerte eingetragen und zu einer Kurve M verbunden, die mit. der Funkentstördrossel nach F i g. 1 bei einer maximalen Belastung von 600 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Funkentstördrossel für HaibleiterscbaltiJngen, insbesondere für solche mit PhasenanschnitU&ljerungen, 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 Weicheisen und die andere ein durch Druck und Bindemittel verfestigter Körper aus ferromagnetischem Pulver ist,dadurchgekennzeichnet, daß das mehrlagige Gebilde aus einer ringspulenförmigen Wicklung (12) eines Eisendrahtes besteht, der einen Durchmesser bis zu 2,0 mm besitzt, daß das ferromagnetische Pulver (11) Eisenpulver mit einer Korngröße zwischen 10 und 500 &mgr;&pgr;&eegr; ist und daß die Wicklung (12) aus Eisendraht (H) in das Eisenpulver eingebettet ist

2. Verfahren zur Herstellung einer Funkentstördrossel nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, 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.