DE3144026A1 - "transformator" - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Transformator nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf miniaturisierte Transformatoren, die zur Anwendung in elektrischen Einrichtungen kleiner Abmessung, wie beispielsweise hybriden integrierten Schaltkreiskomponenten oder modularen Komponenten mit kleiner Abmessung, geeignet sind.

In dem Maß, wie sich der Bedarf für elektrische Komponenten mit kleiner Abmessung über die Jahre vergrößert hat, ergab sich ein entsprechendes Erfordernis nach miniaturisierten Transformatoren für Komponenten, die solche Elemente erfordern. Allgemein war das Problem der Miniaturisierung von Transformatoren sehr schwierig im Vergleich zu der Miniaturisierung von anderen Arten elektrischer Elemente zu lösen, wobei dies insbesondere für Anwendungsfälle mit geringer Frequenz gilt.

Aus einer Anzahl von Gründen haben traditionelle Entwurfskonzepte für Transformatoren keine geeignete Basis für die Herstellung solcher miniaturisierter Transformatoren gebildet. Beispielsweise sind konventionell gewickelte Transformatoren schwierig in kleiner Abmessung herzustellen, speziell aus dem Grund, weil die Wicklungen typischerweise aus sehr dünnen Drähten hergestellt werden müssen. Die Herstellungskosten sind ebenfalls beträchtlich aufgrund des großen Aufwandes an erforderlicher sorgfältiger Arbeit. Darüber hinaus ist es schwierig gewesen, mit solchen Einrichtungen kleiner Abmessung und mit herkömmlichem Aufbau eine hohe Leistung zu erzielen.

Verschiedene Vorschläge sind von Zeit zu Zeit gemacht worden, um eine Lösung des Problemes der Herstellung miniaturisierter Transformatoren zu suchen, aber keiner dieser Vorschläge hat zu einem -wirklich befriedigenden Transformatoraufbau geführt.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Transformator mit kleiner Abmessung anzugeben, der ökonomisch hergestellt werden kann und für eine Standard-Montagetechnik geeignet ist. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprücheh entnehmbar .

Der erfindungsgemäße Transformator kann speziell Lei niedrigen Frequenzen Anwendung finden und besitzt eine hohe Leistung aufgrund einer ausgezeichneten magnetischen Kupplung sowie eine gute Linearität und die Fähigkeit, hohen Spannungen zwischen den Wicklungen zu widerstehen.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das später noch zu beschreiben sein ivird, wird ein kompakter Transformatoraufbau angegeben, wobei die Transformatorwicklungen in einer ebenen Spiralkonfiguration angeordnet sind und jede Windung in einer Schicht aus festem isolierendem dielektrischem Material eingebettet ist, wobei das dielektrische Material fest mit einem festen Substrat verbunden ist. Sowohl das Substrat als auch das isolierende dielektrische Material sind mit einer gemeinsamen Öffnung versehen, um die die Wicklungen angeordnet sind,und ein fester Magnetkern erstreckt sich durch die Öffnung, um einen geschlossenen magnetischen Kreis mit geringem magnetischem Widerstand für die Transformatorwicklungen zu bilden. Mit

Vorteil kann ein erfindungsgemäßer Transformator zwei solcher fester Substrate umfassen, die identische Gruppen von ebenen Spiralwindungen tragen, welche um den gemeinsamen festen Magnetkern angeordnet sind.

Die Schichten des isolierenden dielektrischen Materials und der darin enthaltenen Wicklungen werden vorzugsweise auf dem Substrat durch einen bekannten Dickfilm-Ablagerungsprozeß angebracht. Es ist somit möglich, einen billigen kompakten mehrschichtigen Transformatoraufbau vorzugeben, der eine geringe Abmessung mit ausgezeichneter Leistung,hoher Zuverlässigkeit und leichter Anpaßbarkeit an eine Montagetechnik für Standardkomponenten kombiniert.

Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sei im folgenden die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäß aufgebauten Transformator, wobei die lichtundurchlässigen Schichten des isolierenden dielektrischen Materials nicht dargestellt sind, um die allgemeine Ausgestaltung der metallisierten Windungen in dem Dielektrikum zu veranschaulichen;

Fig. 2 eine Seitenansicht des Transformators gemäß Fig. 1 j

Fig. 3 einen Vertikalschnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 1;

Fig.. 4 eine vergrößerte Ansicht eines Substrates des Transformators zur Veranschaulichung der drei Transformatorwicklungen, wobei das isolierende dielektrische

Material transparent dargestellt ist;

Fig. 5 einen Teilschnitt entlang der Linie 5-5 in Fig. 4; und

Fig. 6 einen Teilschnitt entlang der Linie 6-6 in Fig. 4.

Gemäß den Fig. 1 bis 3 umfaßt der erfindungsgemäße Transformator erste und zweite starre rechteckige Substrate 10 und 12 aus Aluminium, die überlappend zusammengehalten werden und um eine kurze Distanz in Längsrichtung gegeneinander verschoben sind. Jedes Substrat trägt auf einer ebenen Oberfläche einen Film, wie dies durch die Bezugsziffern 14 und 16 angedeutet ist. Diese Filme umfassen eine Reiht,· von unterschiedlichen Schichten aus isolierendem dielektrischem Material, wobei jede Schicht eine entsprechende ebene Spiralwindung eingebettet aufweist, wie dies durch die Bezugsziffer 18 in Fig. 1 allgemein veranschaulicht ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel trägt jedes der beiden Substrate 10 und. 12 drei solcher Windungsschichten, was eine Gesamtanzahl von sechs Transformatorwindungen ergibt.

Die mehrschichtigen Filme 14 und 16 werden vorzugsweise durch eine bekannte Dickfilm-Bearbeitungstechnik gebildet. Bei einem solchen Prozeß wird jede einzelne Windungsschicht des Filmes durch Maskendruck eines Metallisierungsmusters entwickelt, das eine Matrix aus leitenden Partikeln umfaßt, die in diesem Fall in einer spiralförmigen Konfiguration angeordnet sind. Diese Matrix wird durch ein isolierendes dielektrisches Material abgedeckt, was beispielsweise aus einem bei einer hohen Temperatur kristallisierbaren dielektri-

sehen Glas besteht. Das im Maskendruck hergestellte Material ■wird sodann entweder einzeln oder zusammen einer hohen Temperatur ausgesetzt, um das Verfahren zu vervollständigen.

Die Erhitzung des im Maskendruck hergestellten Materials ruft eine Sinterung der leitenden Partikel des Metallisierungsmusters hervor, wobei diese Partikel zusammenschmelzen und eine kontinuierliche Leitung in Form einer ebenen Spiralwindung bilden, wie dies durch die Bezugsziffer 18 in Fig. 1 angezeigt ist. Durch die Erhitzung wird ebenfalls das isolierende dielektrische Glasmaterial verfestigt, so daß eine feste Flachspule gebildet wird, die die ebene Spiralwindung eingebettet aufweist.

Wie zuvor erwähnt, trägt jedes Substrat 10, 12 drei solcher Windungsschichten. Wie weiter unten in näheren Einzelheiten beschrieben wird, ist eine vierte Schicht ebenfalls über die obere Windungsschicht gelegt, um elektrische Querverbindungsleitungen für die Herstellung von Anschlüssen mit den inneren Enden der drei Windungen und entsprechenden Anschlußpunkten an der Kante eines jeden Substrates vorzugeben. Der Maskendruck und die Erhitzung wird für jede Windungsschicht ausgeführt und ebenfalls für die vierte Schicht, die die elektrischen. Querverbindungen vorgibt. Jede der vier im Maskendruck hergestellten Schichten weist gewöhnlicherweise eine Dicke von ungefähr 0,025 mm auf, während das abstützende Aluminiumsubstrat eine Dicke von ungefähr 0,37 nun aufweist.

Die zentralen Teile der Substrate 10, 12 werden von einem. Magnetkern 20 mit drei Beinen umfaßt, der vorzugsweise aus gegenüberliegenden E- und I-Kernen zusammengesetzt ist, die

im Verbindungsbereich klebend miteinander befestigt sind. Diese E- und I-Kerne werden mit den vervollständigten Substraten montiert, wobei das zentrale Bein 22 des Ε-Kernes in aufeinander ausgerichtete rechteckförmige Ausnehmungen 24 (siehe ebenfalls Fig. 4) eingepaßt wird, die in die Substrate vor der Dickfilm-Verarbeitung eingeschnitten werden. Die seitlichen Beine 26, 28 des Ε-Kernes erstrecken sich entlang der Seiten der Substrate in den Verbindungsbereich mit dem flachen I-Kern nach unten, um einen geschlossenen magnetischen Kreis vorzugeben, der durch die Substrat-Ausnehmungen 24 verläuft .

Die im Maskendruck hergestellten und auf das Substrat 10, aufgebrachten Filme 14, 1b erstrecken sich im wesantlichen bis zu den Kanten der zentralen Ausnehmungen 24, welche in die Substrate eingeschnitten sind. Das Bein 22 des Magnetkernes ist so dimensioniert, daß ein verhältnismäßig enger Paßsitz in den Ausnehmungen 24 vorgegeben wird und dieses Bein dient dazu, die Substrate in ihrer Lage zu halten.

Gemäß Fig. 1 ist jedes Substrat 10, 12 an einem Ende mit einer Gruppe von Anschlußkissen 30, 32 versehen, um elektrische Verbindungen mit den Spiralwindungen 18 herzustellen. Durch die Längsverschiebung der Substrate sind beide Anschlußkissen 30, 32 leicht von der gleichen Seite des Transformators zugänglich, um die Anschlüsse mit diesen zu bilden.

Es ist erkennbar, daß der erfindungsgemäße Transformator besonders für die Anpassung an hybride integrierte Schaltkreiskomponenten geeignet ist und daß er leicht auf einem

Muttersubstrat zusammen mit anderen Elementen montiert werden kann. Herkömmliche Verbindungstechniken, wie beispielsweise eine Drahtverlötung, können mit Vorteil verwendet werden, um eine elektrische Verbindung mit den Anschlußkissen 30, 32 herzustellen. Wie zuvor erwähnt, trägt jedes Substrat in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel drei getrennte Windungen (in entsprechenden Schichten der Dickfilme 14, 16), wodurch sechs Anschlüsse auf jedem Substrat erforderlich sind. Ein solcher Transformator ist besonders für die Verwendung in einer einzigen Transformator-Trennstufe geeignet, wie sie in der US-Patentanmeldung (US-Ser.No. 108 540 vom 31.12.1979) dargestellt und beschrieben ist.

Im vorliegenden Ausluhrungsbeispiel sind beide Substrate 10 und 12 einander gleich, wobei im wesentlichen identische Mehrschichtfilme 14 und 16 die Gruppenvon drei spiralförmigen Transformatorwindungen enthalten. Da die Windungsanordnungen im wesentlichen identisch sind, sei weiter unten nur eine Gruppe von "Windungen näher beschrieben.

Unter Bezugnahme auf die Draufsicht in Fig. 4 und die Schnittansichten in den Fig. 5 und 6 ist erkennbar, daß die spiralförmigen Leitungen einer jeden der drei Windungen 34, 36, 38 eben ausgebildet sind, wobei benachbarte Windungen der Spirale einen gleichmäßigen Abstand voneinander aufweisen. Die Leitungen der unteren und oberen Windungen 34, 38 sind vertikal zueinander ausgerichtet, während die Leitungen der mittleren Windung gegenüber den beiden anderen Windungen seitlich verschoben sind, um einen optimalen Abstand sicherzustellen. Das isolierende Dielektrikum 40 ist auf jede Schicht ein-

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schließlich der vierten Schicht 42 für die Querverbindungen niedergelegt. Das dielektrische Material erstreckt sich zwischen und um die metallischen Schichten und umfaßt eine äußere Schicht 40a.

Gemäß den Fig. 4 und 6 umfaßt die vierte Dickfilmschicht 42 eine Gruppe von quergerichteten Rückführleitungen, wie beinpialcwoine die durch die Bezugr.ziffer A4 veranschaulichte Leitung. Diese Querleitung ist an ihrem inneren Ende 44a mit dem inneren Ende der entsprechenden Spiralwindung 36 mittels einer vertikalen Leitung 46 verbunden. Diese Leitung wird in Treppenform durch eine Reihe von Metallisierungen gebildet, die während der Bildung der Windungsschichten 34, 36, 33 ausgeführt werden. Eine solche vertikale treppenförmige Leitung ist in einer entsprechenden rechteckförmigen vertikalen Ausnehmung 50 (t'ig. 4) angeordnet, die in dem isolierenden Dielektrikum 40 während des Haskendrucks der 'Windungsschichten gebildet wird. Das äußere Ende 44b der Querleitung 44 ist mit dem entsprechenden Anschlußpunkt 52 des Anschlußkissens 26 mittels einer vertikalen Leitung 54 verbunden, die ebenfalls in Treppenform durch eine Reihe von Metallisierungen gebildet wird, wie dies bezüglich der inneren vertikalen Leitung 46 ebenfalls der Fall war.

Die Bildung der mehrfachen Windungsschichten einschließlich der vertikalen Leitungen 46 und 54 wird durch bekannte und häufig benutzte Mehrschicht-Dickfilmtechniken bewirkt, die im Stand der Technik bekannt sind. Eine detaillierte Erläuterung dieser Techniken kann daher entfallen, um die vorliegende Beschreibung zu vereinfachen.

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Obgleich ein spezielles bevorzugtes Ausfuhrungsbeispiel desneuen Transformatoraufbaues gemäß der Erfindung im Deoail beschrieben worden ist, soll betont werden, daß diese dataillierte Beschreibung einzig dem Zweck der Darstellung der Erfindung dient und nicht als beschränkend angesehen -./erden soll, da es auf der Hand liegt, daß viele Veränderungen und Modifikationen durch den Fachmann vorgenommen werden können, um den Anforderungen in speziellen Anwendungsfällen zu genügen. Beispielsweise können erfindungsgemäße Transformatoren mit einer unterschiedlichen Anzahl von Windungen versehen werden und es können verschiedene Arten von leibfähigen Materialien und Techniken verwendet werden, um die Windungen zu bilden. Verschiedene Arten von isolierendem Dielektrikum können verwendet werden. Obgleich die beschriebene Anordnung eine einzige Windung in jeder Schicht vorsieht, sind ebenfalls andere Anordnungen möglich. Beispielsweise könnte jede der zwei Schichten eine Hälfte einer Spiralwindung tragen, wobei die vollständige Windung durch eine vertikale Verbindung zwischen den inneren Enden der zwei Halbwindungen gebildet wird. Ferner könnte jede Schicht mit mehr als einer einzigen Windung (oder Halbwindung) gebildet werden, indem eine spirale Überlappungsanordnung verwendet wird. Es liegt somit auf der Hand, daß viele Wege zur Ausführung der Erfindung bestehen, um die wichtigen Vorteile derselben zu erzielen.

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Es wird ein miniaturisierter Transformator angegeben, der zwei rechteckförmicc Substrate aufweist, von denen jedes aufeinanderfolgend im Haskendruck hergestellte Dickfumschichten aus einem Dielektrikum aufweist, in welche Schichten ebene spiralförmige Windungen eingebettet sind. Die Substrate und die dielektrischen Schichten sind mit einer zentralen Ausnehmung versehen, in die das zentrale Bein eines Magnetkernes mit drei Beinen eingesetzt wird. Die verbleibende Teile des Magnetkernes umgeben die beiden Substrate, um einen kompakten stabilen Aufbau vorzugeben, der speziell für die Montage mit hybriden integrierten Schaltkreiskomponenten geeignet ist.

Claims (11)

1. 3144028
2. 2. November 1981 GzH/Ra.

   Analog Devices, Incorporated, Norwood, Mass. 020Ö2 / U.S.A.

   Transformator

   Patentansprüche

   1. iTransformator, gekennzeichnet diorch:

   erste und zweite Wicklungen, von denen jede wenigstens eine Spiralwindung um einen zentralen Bereich aufweist; wobei die Spiralwindungen im wesentlichen eben ausgebildet und parallel zueinander ausgerichtet sind; wobei die Wicklungen in starres, isolierendes, dielektrisches Material von im wesentlichen flacher Ausgestaltung eingebettet sind, dessen seitliche Abmessungen parallel zu den ebenen Windungen verlaufen;

   ein Substrat zur Abstützung des dielektrischen isolierenden Materials;

   wobei das Substrat und das isolierende dielektrische Material mit einer zentralen Öffnung ausgestattet sind, die auf den zentralen Bereich der Spiralwindungen ausgerichtet ist;

   einen festen Magnetkern, der sich durch die Öffnung erstreckt und sowohl die erste und zweite Wicklung miteinander verbindet; und

   mit den Enden der Wicklungen verbundene Anschlüsse zur Vorgabe einer elektrischen Verbindung.

   2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die "Wicklungen eine Matrix aus leitenden Partikeln innerhalb des dielektrischen Materials umfassen, die einer hohen Temperatur ausgesetzt wird, so daß die leitenden Partikel zusammengesintert werden, um kontinuierliche Leiter für die Wicklungen zu bilden.
3. 3. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß das isolierende dielektrische Material wenigstens erste und zweite benachbarte Schichten auf einem einzigen Substrat umfaßt, wobei jede solche Schicht eine entsprechende eingebettete Spiralwindung umfaßt.
4. 4. Transformator nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine weitere Schicht aus isolierendem dielektrischen Material zur Vorgabe von Quer-Leitungsverbindungen,um einen Anschluß mit den inneren Enden von wenigstens einer Wicklung herzustellen.
5. 5. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern einen Aufbau mit drei Beinen aufweist, wobei das mittlere Bein sich durch die Öffnung erstreckt und der restliche Kern das Substrat umgibt.
6. 6. Transformator nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern einander angepaßte E- und I-Kerne aufweist.
7. 7. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat erste und zweite Substratschichten aufweist, von denen jede wenigstens eine Schicht aus isolierendem dielektrischem Material mit einer darin eingebetteten Spiralwicklung trägt.
8. 8. Transformator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeiclinet, daß jede erste und zweite Substratschicht mehrere Schichten aus dielektrischem Material mit darin eingebetteten ebenen Spiralwicklungen umfaßt.
9. 9. Transformator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern einen Aufbau mit drei Beinen aufweist, wobei das mittlere Bein sich durch die Öffnung erstreckt und daß die zwei Substrate miteinander parallel und eng benachbart verbunden sind, wobei sie sich durch den Raum zwischen dem mittleren Bein und den äußeren Beinen des Kernes erstrecken.
10. 10. Transformator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeiclinet, daß die Substrate eine längliche Gestalt aufweisen und parallel überlappend ausgerichtet sind, wobei sie in Längsrichtung um einen kurzen Abstand verschoben sind, und daß die Substrate an gegenüberliegenden Enden mit Anschlüssen versehen sind, die von der gleichen Seite infolge der Längsverschiebung zugänglich sind.
11. 11. Transformator, gekennzeichnet durch:

    erste und zweite Substrate, die parallel zueinander aus-*· gerichtet und miteinander verbunden sind; wobei jedes Substrat wenigstens eine Schicht aus isolierendem dielektrischen Material trägt, die eine entsprechende Wicklung in Form einer spiralförmigen Leitung umgibt;

    wobei die Spiralwicklungen so angeordnet sind, daß die zentralen Bereiche vertikal zueinander ausgerichtet sind;

    wobei die Schichten des isolierenden dielektrischen Materials und die Substrate alle mit einer gemeinsamen Öffnung ausgebildet sind, die sich in einer Richtung senkrecht zu den Ebenen der Substrate und durch den zentralen Bereich beider Spiralwicklungen erstreckt; einen Magnetkern, der sich durch die Öffnung erstreckt, um sowohl die erste als auch die zweite Wicklung miteinander zu verbinden; und

    mit den Enden der Wicklungen verbundene Anschlüsse, um eine elektrische Verbindung vorzugeben.