DE4306416A1 - Spulenstruktur für eine Leiterplattenanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spulenstruktur in gedruckter Ausführung, die unter Anwendung der möglichen Leitungswege bei gedruckten und plattierten Leiterplatten und bei Mehrlagenanordnungen (Multilayer) ausgebildet ist.

Spulen, die als Flachspulen nach dem Prinzip der gedruckten Schaltung einseitig auf die Oberfläche einer Leiterplatte aufgebracht werden, sind bekannt. Man bezweckt damit, den Anteil der bedrahteten Bauteile bei der Herstellung gedruckter Schaltungen zu senken. Weitere Beispiele für passive Elemente, die kostenmindernd in die Leiterstruktur und in den Fertigungsprozeß von Schaltungsplatinen integriert werden, sind Übertrager und Kondensatoren.

Stellvertretend für den der Erfindung zugrunde liegenden Stand der Technik werden hier zwei Schaltungsanordnungen aufgeführt:

Im DE-Patent Nr. 25 23 002 sind Induktivitäten angegeben, deren Windungen rechteckig/spiralig auf eine Seite einer Leiterplatte auf gedruckt sind.

Im DE-Patent Nr. 14 66 505 ist ein Hochfrequenz-Transformator (Guanella-Übertrager) beschrieben, der aus je zwei Paaren mäanderförmiger Wicklungen (Spulen) auf den beiden gegenüberliegenden Seiten einer Trägerfolie mit einander kreuzender Parallelschaltung besteht. Die Kopplung erfolgt über das dielektrische Trägermaterial.

Die elektrischen Werte derartiger Anordnungen reichen oft an die von entsprechenden Bauelementen in herkömmlicher Ausführung heran; darüber hinaus bieten sie für bestimmte Anwendungen den Vorteil der extrem flachen Bauweise.

So ist die Anordnung nach P 25 23 002 Bestandteil eines Resonanzkreises, wie er bei elektronischen Systemen zur Sicherung gegen Diebstahl in Warenhäusern verwendet wird.

Die Schaltung ist auf eine Karte oder ein Folienstück aufgebracht, die - für den Laien als nicht solche erkennbar - an dem zu schützenden Objekt befestigt werden.

Der Schaltungsaufbau ohne Teile, die über die Oberfläche der Platine herausragen, erweist sich ebenfalls als besonders günstig bei den Mehrlagenschaltungen (Multilayer).

Die Nachteile der bekannten quasi zweidimensionalen Ausführungen von Bauelementen auf Leiterplatten resultieren vor allem aus dem relativ großen Platzbedarf auf der Platinenfläche im Gegensatz zu den herkömmlichen Bestückungsbauelementen mit vergleichbaren Parametern. Hinzu kommen Grenzen in der Variabilität des mechanischen und elektrischen Aufbaus und, z. B. bei den auf gedruckten Spulen, Probleme bei Abstimmung und Abgleich. Die Verwendung von Ferritkernen ist bei gedruckten Spulen der bekannten Technik fast gänzlich unmöglich oder zumindest kompliziert zu realisieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Flächenbedarf für Spulen und Hochfrequenz-Übertrager in gedruckter Ausführung zu verringern und eine einfache Möglichkeit für die Anordnung von Ferritkernen zur Erhöhung der Induktivität und bzw. oder zum Abgleich zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche enthalten bevorzugte Ausführungsvarianten.

Mit dem erfindungsgemäßen Prinzip können kostengünstig Spulen hergestellt werden, deren elektrische Eigenschaften gleich denen z. B. von Luftspulen mit demselben Flächenbedarf (in der Projektion) auf der Platine sind. Ebenso bereitet es keine Schwierigkeiten, in die erfindungsgemäßen Spulen - die nun auch bei gedruckter Ausführung einen Wicklungsquerschnitt und eine Längserstreckung in Achsrichtung haben - in dem für die Beeinflussung des Feldlinienverlaufs günstigsten Bereich einer Spule, axial, einen Ferritkern zur Erhöhung der Induktivität und zum Abgleich einzuführen. Bei Übertragern, die mit bifilar geführten Wendeln gemäß der Erfindung aufgebaut sind, werden Werte für den Kopplungs­ faktor erreicht, wie sie beim Aufbau mit Luftspulen gleichen Platzbedarfs üblich sind.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß mit der Erfindung die Möglichkeiten des Prinzips der gedruckten Schaltung - angewendet auf Spulenstrukturen - in höherem Maß als bisher ausgeschöpft werden können. Gemeint ist die hohe Variabilität in bezug auf differenzierte Wicklungsquerschnitte und unter­ schiedliche Spulen- und Übertragerkonfigurationen, die sich in gedruckter Technik mit geringerem Aufwand, geringeren Toleranzen und weitaus kostengünstiger realisieren lassen bzw. nur in dieser Technik und nur gemäß der Erfindung möglich sind.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungs­ beispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 Erfindungsgemäße Spule,

• a) Draufsicht,
• b) Schnitt durch die Leiterplatte,

Fig. 2 Übertrager mit bifilarer Wicklung,

Fig. 3 Gestreckte Spulenstruktur.

Bei der erfindungsgemäßen Spule, die in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, bildet die Leiterplatte 1 im Bereich der Spule gewissermaßen den Spulenkörper, denn die Wicklung besteht aus den Leiterbahn-Abschnitten 2 und 3 auf den beiden Seitenflächen 1.1 und 1.2 der Leiterplatte 1 und den sie zur Wendel verbindenden durchmetallisierten Bohrungen 4. Bei der Anordnung können alle elektrischen Werte, wie Güte, Induktivität usw., auf einfache Weise und in beliebigen Bereichen realisiert und beeinflußt werden.

Mit 5 ist der Schlitz in der Leiterplatte 1 bezeichnet, in den ein Ferritkern mit entsprechendem Querschnitt eingeführt werden könnte.

Bei dem Übertrager nach Fig. 2 ist 6 die Primärspule und 7 die Sekundärspule. Die achsparallele Anordnung wurde - beispielhaft - gewählt, um eine der möglichen Verschach­ telungsformen der beiden Spulen zu demonstrieren. In der Darstellung werden der Übersichtlichkeit halber von den rückseitigen Leiterbahnen nur zwei (gestrichelt) angedeutet. Die Anschlüsse für die beiden Spulen mit bifilarer Wendelung sind sämtlich, wie bei der Spule nach Fig. 1, auf der dem Betrachter zugewendeten Seite der Leiterplatte angeordnet.

Durch die Breitendifferenzierung der Leiterbahn-Abschnitte 8 und 9 der Primärspule 6 und der Leiterbahn-Abschnitte 10 und 11 der Sekundärspule 7 wird hier erreicht, daß die Abmessungen des Übertragers, in Achsrichtung gesehen, die Länge einer entsprechenden einzelnen Spule nicht wesentlich übersteigen. Gleichzeitig kann die Breite B der Leiterbahn- Abschnitte 8 und 9 bzw. 10 und 11 im Mittenbereich zwischen den beiden Bohrungsreihen so dimensioniert werden, daß ausreichend hohe Induktivitäten und, durch schmale Abstände zwischen den Leiterbahn-Abschnitten, ein hoher Kopplungs­ faktor gewährleistet ist. Bei Verwendung von Drahtspulen wäre eine vergleichbare Anordnung nicht denkbar.

Fig. 3 zeigt die gestreckte Ausführung einer erfindungs­ gemäßen Spule, d. h. die Anwendung der Erfindung auf die bekannte Flachspule mit mäanderartiger Wendelung. Auch hier ist ersichtlich, daß die Erfindung zumindest zur Einsparung von Platinenfläche führt, dann die neue Spulenanordnung ist nicht breiter als der Durchmesser der Bohrungsmetallisierung. Zwei dieser Spulen, nebeneinander gelegt, würden wieder einen mit einfachen Mitteln realisierten Übertrager ergeben.

Ebenso, wie die in Fig. 2 gezeigte Differenzierung der Breite B, läßt sich jede der im weiteren in den Unter­ ansprüchen aufgeführten Konfigurationen, als Auswahl der möglichen Varianten zum erfindungsgemäßen Prinzip, im Rahmen der Platinenfertigung einfach realisieren.

Besonders vorteilhaft ist die Anwendung der Erfindung bei Mehrlagen-Anordnungen. Hier kann der Abstand zwischen den Gruppen der einander gegenüberliegenden Leiterbahn- Abschnitte 2 und 3 bzw. 8; 9 und 10; 11 - und damit der Wicklungsquerschnitt - entsprechend der Zahl der dazwischenliegenden Innenlagen unterschiedlich gewählt werden, und es ist nicht ein separater Ferritkern und für diesen ein Schlitz erforderlich, sondern man kann direkt die Innenlagen als Träger aufgedruckter Kernstrukturen verwenden.

Last but not least sei auf einen günstigen Nebeneffekt hingewiesen, der aus der Einbeziehung der beiden Platinen- oder zweier Multilayerseiten in den Spulenaufbau resultiert: Die weiterführenden Leitungsanschlüsse können gleichzeitig auf einer oder wahlweise und variabel auf beiden Seiten der Anordnung vorgesehen werden.

Des weiteren bietet sich an, daß - bei vorgegebener Spulenlänge - die Anschlüsse nicht in jedem Fall an den Spulenenden plaziert werden, sondern die Spule kann entsprechend differenzierten Anforderungen an beliebigen Positionen der Wicklung durch Lötung an einer ausgewählten Bohrung 4 und Anschluß zu weiterführenden Bauteilen verkürzt werden.

Claims (6)

1. Spulenstruktur für eine Leiterplattenanordnung, gekenn­ zeichnet durch die folgenden Merkmale:

• - die Spulenstruktur besteht aus je einer Gruppe von Leiterbahn-Abschnitten (2) und (3) auf gegenüber­ liegenden Seitenflächen (1.1) und (1.2) einer doppelseitig bedruckten bzw. plattierten Leiterplatte (1), oder aus solchen Leiterbahn-Abschnitten (2) und (3) auf gegenüberliegenden Außenflächen einer Mehrlagen­ anordnung, und aus durchmetallisierten Bohrungen (4), die die Leiterbahn-Abschnitte (2) und (3) auf der Leiterplatte (1) oder der Mehrlagenanordnung verbinden, mit dem Ergebnis einer quasi flachgedrückten Wendel mit rechteckigem Querschnitt,
• - bei einer Ausführung der Spulenanordnung mit Ferritkern ist der Kern in einem Schlitz (5) in der Leiterplatte (1) oder zwischen den Innenlagen der Mehrlagenanordnung verschieb- und feststellbar angeordnet oder auf eine oder mehrere Innenlagen der Mehrlagenanordnung auf gedruckt.

2. Spulenstruktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die gestreckte Ausführung einer Spule aus mäanderartig aneinandergereihten Leiterbahn-Abschnitten (2) und (3) und Bohrungen (4).

3. Spulenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochfrequenz-Übertrager aus einer Primärspule (6) und einer Sekundärspule (7), bestehend aus nebeneinander­ liegenden Leiterbahnen (8; 9) und (10; 11) und den durchmetallisierten Bohrungen (4) in quasi bifilarer Wendelung, gebildet ist.

4. Spulenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (B) der Leiterbahn-Abschnitte (2; 3), in Achsrichtung der Spulenstruktur gesehen, kontinuierlich oder in mehreren Stufungen ab- bzw. zunimmt.

5. Spulenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, in Achsrichtung der Spulenstruktur gesehen, ein oder mehrere, vorzugsweise zwei Bereiche bestehen, zwischen denen die Breite (B) der Leiterbahn-Abschnitte (2; 3) unterschiedlich, innerhalb derer sie jedoch gleich ist.

6. Spulenstruktur nach Anspruch 1, bis 5, gekennzeichnet durch die Kopplung einer Primärspule (6) mit zwei Bereichen unterschiedlicher Breite (B) der Leiterbahn- Abschnitte (8; 9) mit zwei Sekundärspulen (7), wobei jede der Sekundärspulen (7) einem Bereich der Primärspule (6) zugeordnet ist und die Breite (B) der Leiterbahn- Abschnitte (10; 11) der Sekundärspulen (7) jeweils der entsprechenden Breite (B) im zugeordneten Bereich der Primärspule (6) angepaßt ist.