DE68908234T2

DE68908234T2 - Integrierter Kondensator und Spulen/Transformatoren mit isoliertem, amorphem Metallband.

Info

Publication number: DE68908234T2
Application number: DE89303449T
Authority: DE
Inventors: Dale Francis Regelman; Waseem Ahmed Roshen; David Earnest Turcotte
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1988-04-08
Filing date: 1989-04-07
Publication date: 1994-03-17
Anticipated expiration: 2009-04-08
Also published as: JPH0296312A; EP0336771A3; US4922156A; DE68908234D1; EP0336771A2; EP0336771B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet einzelner elektrischer Elemente, die in Leistungsschaltungen verwendet werden, und insbesondere auf Bauelemente in Leistungsschaltungen, die sowohl eine kapazitive als auch eine induktive Funktion in einer einzigen Vorrichtung vereinigen.
Bei Leistungsschaltungen, die hohe Spannungen oder Ströme verwenden, werden vorwiegend separate kapazitive und induktive Elemente verwendet. Wandler und induktive Vorrichtungen, die Ferritkerne oder Kerne aus amorphem Metall verwenden, sind ebenfalls allgemein bekannt. Es bestehen jedoch einige Nachteile in der Verwendung separater Bauelemente in Leistungsschaltungen.
Erstens hinkt die Miniaturisierung oder Integration von Leistungsschaltungen und darin vorhandenen Bauelementen der Miniaturisierung anderer Schaltungstypen stark nach. Die Größe solcher Bauelemente stellt daher weiterhin eine Haupteinschränkung hinsichtlich der Auslegung dar.
Zweitens ist mit der Weiterentwicklung von Leistungsschaltungen auch die Anzahl der Bauelemente in diesen angestiegen. Bei Verwendung einzelner Bauelemente steigt jedoch die durchschnittliche Zeit zwischen Ausfällen proportional zu der Anzahl der Bauelemente. Die Zuverlässigkeit von Leistungsschaltungen ist daher weiterhin ein Hauptaugenmerk für die Konstrukteure.
Drittens haben die Kosten für einzelne Bauelemente relativ zu anderen elektrischen Bauelementen zugenommen, da mehr Fertigungsschritte erforderlich sind, um Erzeugnisse der Leistungelektronik aus einzelnen Bauelementen zusammenzubauen, deren jedes eine spezielle Funktion erfüllt, als dies in anderen Fällen möglich sein könnte, wenn man die Funktionen irgendwie in eine geringere Anzahl von Vorrichtungen integrieren könnte.
Integrierte Bauelemente, in denen kapazitive und induktive Funktionen gleichzeitig durchgeführt werden, werden bei anderen Anwendungen als bei Leistungsschaltungen bereits verwendet. Zum Beispiel in Lampenschaltungen sind Vorschaltgeräte für Leuchstofflampen entwickelt worden, die sowohl eine kapazitive als auch eine induktive Funktion erfüllen. Siehe ALLEY et al., "Amorphous Metal Lamp Ballast having a Capacitor Integral with the Magentic Core", US-Patent 4 211 957 (1980). ALLEY zeigt einen inneren Magnetkern 11 aus amorphem Metall in Fig. 1, um den herum eine primäre induktive Spule 15 und eine sekundäre induktive Spule 16 vorgesehen sind. Aus amorphem Metall bestehende Endjoche 12 und 13, ein äußeres Joch 14 und Wicklungen 15 und 16 umschließen einen inneren Kern 11. Der innere Kern aus amorphem Metall ist in der in Fig. 1, 6 und 10 dargestellten Weise zickzackartig gefaltet und spiralig gewickelt, wie dies in den Fig. 3, 5, 8 und 11 dargestellt ist, oder zylindrisch gewickelt, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist. Eine elektrische Verbindung mit den mitgewickelten Bändern des amorphen Metallkerns erfolgt jedoch durch Anbringung an die Enden jeder Länge des Bands, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, so daß die gesamte Länge des Bands, die mehrere Fuß betragen kann, effektiv zu dem Reihenwiderstand der Vorrichtung beitragen kann.
Ein hoher elektrischer Reihenwiderstand in einem einzelnen Bauelement in einer Leistungsschaltung ist jedoch höchst unerwünscht, und dies macht eine Vorrichtung mit der Ausbildung gemäß ALLEY für eine Verwendung in Leistungsschaltungen unbrauchbar oder nur wenig brauchbar. Bei der ALLEY-Anwendung ist der elektrische Wirkungsgrad des Lampenvorschaltgeräts kein kritischer Faktor, da die gesamte einer Lampenschaltung zugeführte Leistung in dieser verbraucht wird. Im Gegensatz dazu ist die Leistungsaufnahme in einer Leistungsschaltung äußerst unerwünscht, und idealerweise wird die gesamte Leistung von der Leistungsquelle durch die Leistungsschaltung hindurch zu der letzendlichen Last übertragen.
GRAY, "Stationary Induction Apparatus", US-Patent 2 521 513 (1950), zeigt eine separate Vorrichtung, bei der die kapazitiven und induktiven Funktionen in einem Haubenreaktor vereinigt sind. GRAY's Haubenreaktor besitzt eine auf einem Magnetkern angebrachte induktive Wicklung. Die Wicklung ist aus isolierten leitfähigen Folien gebildet. Die Wicklungen können daher gleichzeitig als Kondensator und als induktive Vorrichtungen wirken. Bei GRAY sind jedoch die kapazitiven und induktiven Funktionen in inhärenter Weise durch die Struktur der Vorrichtung miteinander kombiniert, und sie können in der Schaltung nicht separat verwendet werden. GRAY zeigt also ein integriertes Netzwerk, das kapazitive und induktive Funktionen durchführt, jedoch keine integrierte Vorrichtung, die sowohl kapazitive als auch induktive Funktionen in voneinander getrennter Weise durchführt.
GRAY in dieser Hinsicht ähnlich ist die Lehre von KUNKEL, "Wound Transformers and Machine for Making the Same", US-Patent 3 911 332 (1975), und WROBLEWSKI, "Inductor-Capacitor Impedance Devices and Method of Making the Same", US-Patent 4 327 311 (1982).
In dem US-Patent Nr. 3 555 466 ist ein kapazitives- induktives Netzwerk mit einem toroidförmigen Trägerelement 10 gezeigt. Bei dem Trägerelement handelt es sich jedoch lediglich um eine einzige durchgehende Materialmasse oder Legierung aus Materialien. Das japanische Patent Nr. 60-233811 zeigt einen gewickelten Kern mit einem Band und einer dielektrischen Schicht zwischen den gewickelten Schichten des Bands. Das Band und die dielektrische Schicht haben jedoch in Axialrichtung des Kerns dieselbe Breite.
Die vorliegende Erfindung schafft eine integrierte elektrische Vorrichtung zur Schaffung einer kapazitiven und einer induktiven Funktion in voneinander unabhängiger Weise, mit einem isolierten amorphen Metallband, das eine Längserstreckungslänge besitzt und in eine kompakte Konfiguration gewickelt ist, wobei die Vorrichtung weiterhin wenigstens eine leitfähige Wicklung mit wenigstens einer um die kompakte Konfiguration gewickelten Schleife sowie wenigstens einen nahe der kompakten Konfiguration angeordneten elektrischen Kontakt besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl isolierter amorpher Metallbänder in aufeinandergestapelter Weise vorgesehen und um sich selbst aufgewickelt ist, daß wenigstens eines der isolierten amorphen Metallbänder wenigstens an mehreren Stellen entlang seiner Längserstreckungslänge einen freiliegenden Metallrand aufweist, und daß der wenigstens eine elektrische Kontakt nahe der kompakten Konfiguration angeordnet ist und mit den mehreren Stellen entlang des Längsrands des wenigstens einen Bands elektrisch gekoppelt ist.
Die Vorrichtung führt die kapazitiven und induktiven Funktionen in voneinander unabhängiger und gleichzeitiger Weise mit einem auf ein Minimum reduzierten Reihenwiderstand für die Vorrichtung aus.
Jedes isolierte Band ist gebildet aus einer ersten Schicht aus dielektrischem Material und einer zweiten Schicht aus amorphem Metall. Die dielektrische Schicht und das amorphe Metall sind relativ zueinander versetzt. Das amorphe Metallband ist zur Freilegung eines Längsrands des amorphen Metallbands von seiner entsprechenden dielektrischen Schicht versetzt. Bei der kompakten Konfiguration handelt es sich um einen zylindrisch gewickelten Toroid aus den mehreren Bändern.
Jedes isolierte Band kann eine erste Schicht aus dielektrischem Material und eine zweite Schicht aus amorphem Metall aufweisen. Die dielektrische Schicht und das amorphe Metall können relativ zueinander versetzt sein, und das versetzte amorphe Metallband kann zur Freilegung eines Längsrands des amorphen Metallbands von seiner entsprechenden dielektrischen Schicht versetzt sein.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den mehreren amorphen Metallbändern um zwei isolierte amorphe Metallbänder. Eines der Bänder weist den versetzten Längsrand auf, der auf einer ersten Fläche der zylindrisch gewickelten kompakten Konfiguration angeordnet ist, und das andere der beiden amorphen Metallbänder ist mit einem seiner Längsränder auf die gegenüberliegende Fläche der zylindrisch gewickelten kompakten Konfiguration versetzt. Es sind zwei elektrische Kontakte vorgesehen. Ein Kontakt ist quer zu der ersten Fläche der zylindrisch gewickelten kompakten Konfiguration angeordnet und mit dem versetzten freiliegenden Längsrand des entsprechenden, in der Nähe befindlichen amorphen Metallbands elektrisch gekoppelt. Der andere der elektrischen Kontakte ist auf der entgegengesetzten Fläche der zylindrisch gewickelten kompakten Konfiguration angeordnet und mit mehreren Stellen an dem freiliegenden Längsrand des anderen amorphen Metallbands elektrisch gekoppelt. Die den beiden amorphen Metallbändern entsprechenden dielektrischen Schichten sind miteinander ausgerichtet. Die ausgerichteten dielektrischen Schichten sind gegenseitig miteinander ausgerichtet. Jedes amorphe Metallband ist in bezug auf seine entsprechende dielektrische Schicht in einer rechtwinklig zur Längserstreckungslänge des Bands verlaufenden Richtung versetzt sowie von wenigstens einem weiteren amorphen Metallband in der gleichen, jedoch dazu entgegengesetzten Richtung versetzt. Die relative Versetzung jedes amorphen Metallbands in bezug auf seine entsprechende dielektrische Schicht ist für jede Paarung aus Metallband und dielektrischer Schicht identisch, wobei die beiden Paare aus dielektrischer Schicht und amorphem Metallband innerhalb der zylindrisch gewickelten kompakten Konfiguration eine umgekehrte geometrische Beziehung zueinander aufweisen.
Die Erfindung ist nicht nur auf ein Paar isolierter Bänder beschränkt, sondern schließt auch eine Vielzahl solcher isolierter Bänder ein. Im allgemeinen Fall ist der elektrische Kontakt dann in einer die zylindrisch gewickelte kompakte Konfiguration aus der Mehrzahl amorpher Metallbänder schneidenden Ebene an die Konfiguration angrenzend angeordnet. Der elektrische Kontakt ist an jeder Schnittstelle zwischen der Schnittebene und dem amorphen Band mit dem freiliegenden Rand des amorphen Metallbands elektrisch gekoppelt. Der elektrische Kontakt ist mit ausgewählten der mehreren amorphen Metallbänder elektrisch gekoppelt.
Die Vorrichtung umfaßt eine Mehrzahl isolierter amorpher Metallbänder. Jedees Metallband besitzt eine Längserstreckungslänge. Die mehreren amorphen Metallbänder sind zur Bildung eines isolierten Bänderstapels in Berührung miteinander angeordnet. Der Stapel aus den Bändern ist in eine kompakte Konfiguration gewickelt. Jedes der amorphen Metallbänder besitzt innerhalb des gewickelten Stapels wenigstens ein in unmittelbarer Nähe liegendes amorphes Metallband zur Bildung eines entsprechenden Bandpaares. Wenigstens eine leitfähige Wicklung ist um die kompakte Konfiguration aus gestapelten amorphen Metallbändern gewickelt. Die amorphen Metallbänder bilden einen Magnetkern für die Wicklung. Eine Mehrzahl elektrischer Kontakte ist angrenzend an die kompakte Konfiguration aus gestapelten Bändern angeordnet. Jeder Kontakt ist mit einem ausgewählten Band der Bänder an mehreren Stellen an dem Band elektrisch gekoppelt. Jedes amorphe Metallband besitzt einen entsprechenden elektrischen Kontakt.
Als Ergbnis hiervon schafft die integrierte Vorrichtung eine Kapazität und eine Induktivität zur Verwendung in einer Leistungsschaltung mit gesteigertem elektrischen Wirkungsgrand.
Die mehreren isolierten amorphen Metallbänder können unter Bildung eines Toroids zylindrisch in eine kompakte Konfiguration gewickelt sein. Jeder der mehreren elektrischen Kontakte ist in einer den Querschnitt des Toroids schneidenden Ebene in sich über den Toroid erstreckender Weise sowie an diesen angrenzend angeordnet. Das amorphe Metallband weist jedem Kontakt entsprechend einen Längsrand auf, der wenigstens an dieser Stelle innerhalb der Schnittebene freiliegt, und ist mit dieser durch den entsprechenden elektrischen Kontakt gekoppelt. Jedes amorphe Metallband ist innerhalb des Toroids durch die Schnittebene hindurch gewickelt.
Die mehreren freiliegenden Stellen an jedem Band können sich an einem freiliegenden Längsrand des Bands befinden. Der freiliegende Längsrand kann durch eine Versetzung der dielektrischen Isolierung von dem Längsrand des entsprechenden Bands definiert sein. Der Toroid weist wenigstens zwei einander entgegengesetzte Flächen auf. Einander entgegengesetzte Längsränder jedes amorphen Metallbands können sich von jeder der einander entgegengesetzten Flächen wegerstrecken. Die mehreren elektrischen Kontakte liegen dann dem Toroid benachbart frei und sind mit ausgewählten Bändern auf beiden einander entgegengesetzten Flächen elektrisch gekoppelt.
Bei einem Ausführungsbeispiel besitzt die integrierte Vorrichtung außerdem zwei leitfähige Wicklungen, die um die mehreren aufeinandergestapelten Bänder gewickelt sind. Die kompakte Konfiguration aus dem aufeinandergestapelten Band bildet einen Magnetkreis innerhalb beider Wicklungen. Die beiden Wicklungen und die mehreren isolierten Bänder schaffen eine elektrische Wandlungsfunktion.
Zum einfacheren Verständnis der Erfindung und ihrer verschiedenen bevorzugten Merkmale wird nun eine Ausführungsform derselben lediglich anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte schematische Draufsicht auf eine toroidförmige integrierte Vorrichtung, die gemäß der Erfindung ausgebildet ist,
Fig. 2 eine Ansicht gesehen in Richtung Y in Fig. 1, in der in teilweise weggeschnittener Weise die amorphen Metallstreifen und die dazwischenliegenden dielektrischen Schichten gezeigt sind, aus denen der Toroid aus amorphem Metall gemäß Fig. 1 gebildet ist, und
Fig. 3 eine Querschnittsansicht entlang der Linie X-X der Fig. 1.
Eine einzelne Vorrichtung, in die eine kapazitive und eine induktive Funktion integriert sind, ist aus wenigstens zwei isolierten amorphen Metallbändern gebildet, die zur Schaffung eines zylindrischen Toroids spiralig gewickelt sind. Jedes der amorphen Metallbänder ist von jedem anderen Band durch eine dielektrische Schicht isoliert und zur Schaffung der kapazitiven Funktion in Form einer aufeinandergestapelten Konfiguration gewickelt. Zwei leitfähige Wicklungen sind dann um Segmente des zylindrischen Toroids herumgewickelt, um je nach Wunsch eine induktive Funktion und/oder eine Wandlerfunktion zu schaffen. Ein Magnetkreis ist mittels der amophen Metallbänder durch die Wicklungen hindurch gebildet. Eine dielektrische Isolierschicht zwischen den Bändern ist von dem Längsrand des Bands versetzt, so daß der Längsrand jedes Bands freiliegt. Ein Band liegt mit seinem Längsrand auf einer Fläche des Toroids frei, während ein anderes Band mit seinem Längsrand auf der gegenüberliegenden Fläche des Toroids freiliegt. Danach werden elektrische Kontakte über eine Schnittlinie angelegt, die mit dem freiliegenden Rand jedes Band an mehreren Stellen in Berührung ist. Als Ergebnis hiervon ist der elektrische Reihenwiderstand jedes Bands innerhalb der Vorrichtung auf ein Minimum reduziert, wodurch eine Vorrichtung zur Verwendung in einer Leistungsschaltung praktikabel wird.
Fig. 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine integrierte Vorrichtung, bei der die kapazitiven und die induktiven Funktionen gleichzeitig und voneinander unabhängig erfüllt werden. Die Vorrichtung, die allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, ist toroidförmig, oder genauer gesagt handelt es sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel um einen kurzen zylindrischen Ring, der aus den zylindrisch gewickelten, mehreren isolierten amorphen Metallbändern hergestellt ist. Es versteht sich jedoch, daß - obwohl eine toroidförmige oder zylindrische Geometrie bevorzugt ist - die körperliche Konfiguration der Vorrichtung 10 in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung und im Rahmen derselben in beliebiger Weise modifiziert werden kann. Zum Beispiel kann die Vorrichtung 10, wenn es die Anwendung erforderlich macht, in der Draufsicht ein rechteckige, dreieckige, elliptische oder freie Form aufweisen.
In der Darstellung der Fig. 1 ist der Endbereich eines Paares isolierter Folien von der Vorrichtung 10 weggezogen gezeichnet, um eine deutlichere Darstellung zu schaffen. Weiterhin ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Vorrichtung 10 aus einer gewickelten Spule aus einem Paar isolierter Folien, nämlich den amorphen Metallfolien 12 und 14, gebildet, die durch Isolierschichten 16 und 18 getrennt sind. Es liegt jedoch vollständig im Rahmen der vorliegenden Erfindung, daß eine größere Anzahl isolierter Folien verwendet werden kann, falls dies gewünscht ist.
Die Auswahl der Materialzusammensetzung für die amorphen Metallfolien 12 und 14 ist von den gewünschten magnetischen Eigenschaften innerhalb der integrierten Vorrichtung abhängig, und jede einer großen Anzahl verschiedener Möglichkeiten kann verwendet werden. LIN et al., "Amorphous Metal Core Laminations", US-Patent 4 364 020 (1982), und INOMATA et al., "Rolled Core", US-Patent 4 368 447 (1983), die jeweils durch Bezugnahme zu einem Bestandteil der vorliegenden Beschreibung gemacht werden, erörtern verschiedene Beispiele verwendbarer amorpher Metalle sowie die Art ihrer Handhabung.
Die Isolierschichten 16 und 18 können in ähnlicher Weise aus einer großen Anzahl verschiedener beliebiger Isolatoren, die derzeit bekannt sind oder in der Zukunft entwickelt werden, ausgewählt werden. Ein jegliches Material, das flexibel ist, eine hohe Dielektrizitätskontakte und eine hohe dielektrische Durchschlagfestigkeit besitzt, ist bevorzugt. Typischerweise kann es sich bei den Isolierschichten 16 und 18 um eine Beschichtung aus polymerem Material, einem Klebstoff, einer nicht-klebenden Folie, einer Mischung aus dielektrischen Materialien, einem Imprägnierstoff, einem Verbundstoff, einem verstärkten Polymer oder einem beliebigen Typ eines Schichtmaterials handeln.
Die isolierten Folienschichten 12-18 werden in flacher Form zusammengebracht und in der nachfolgend in Verbindung mit Fig. 2 noch deutlicher beschriebenen Weise aufgerollt, um den Toroid der Fig. 1 zu bilden. Falls gewünscht, wird der Toroid danach bei 300 bis 400ºC einer Wärmebehandlung unterzogen, um die Hystereseeigenschaften des Kerns zu verändern, falls dies für bestimmte Anwendungen erforderlich ist. Daher ist für die Schichten 16 und 18 ein Hochtemperatur-Dielektrikum erwünscht, und bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Polyimid, ein Polyamid oder eine Folie daraus verwendet.
Fig. 2 zeigt die Streifen 12-18 in einer Seitenansicht, wobei die darunterliegenden Schichten teilweise weggeschnitten dargestellt sind und Schichten zur Darstellung der darunterliegenden Schicht weggeschält sind. Wie in der Ansicht der Fig. 2 zu sehen ist, befindet sich die dielektrische Schicht 16 außen. Die amorphe Metallschicht 12 ist darunter in Berührung mit der dielektrischen Schicht 16 angeordnet. Die amorphe Metallschicht 12 ist in der Darstellung der Fig. 1 nach unten verschoben, um einen unteren Rand 20 über den benachbarten entsprechenden Rand der dielektrischen Schicht 16 freizulegen. Die dielektrische Schicht 18 ist unter und in Berührung mit der amorphen Metallschicht 12 angeordnet. Die dielektrische Schicht 18 ist in vertikaler Richtung mit der dielektrischen Schicht 16 ausgerichtet. Danach ist die amorphe Metallschicht 14 unter und in Berührung mit der dielektrischen Schicht 18 angeorndet. Die amorphe Metallschicht 14 ist in bezug auf die dielektrischen Schichten 16 und 18 nach oben verschoben. Die amorphe Metallschicht 14 besitzt daher einen oberen Rand 24, der über dem benachbarten entsprechenden Rand der dielektrischen Schichten 16 und 18 freiliegt.
Es ist nun in einfacher Weise erkennbar, daß jede amorphe Metallschicht einen freiliegenden Rand auf der einen oder der anderen Längsseite des Streifens aus den Schichten 12-18 aufweist. Daher wird in der in Fig. 1 gezeigten Weise ein vorderer leistenartiger Kontakt 30 entlang einer Radiallinie auf der einen Seite der gewickelten Vorrichtung 10 in Berührung mit den Rändern einer der amorphen Schichten 12 oder 14 plaziert, während ein entsprechender rückwärtiger Kontakt 32 an dem gegenüberliegenden Ende desselben Durchmessers, jedoch auf der entgegengesetzten Seite der Spulenvorrichtung 10 in Berührung mit dem freiliegenden Rand der anderen amorphen Schicht plaziert wird. Bei der dargestellten Ausführungsform zum Beispiel kann man sich den vorderen elektrischen Kontakt 30 in Berührung mit dem Rand 24 der amorphen Schicht 14 vorstellen, während der rückwärtige Kontakt 32 mit dem Rand 20 der amorphen Schicht 12 in Berührung steht. Diese Anordnung ist unter Bezugnahme auf Fig. 3 besser zu verstehen.
Wie auch in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, ist die Spulenvorrichtung 10 mit einer Primärwicklung 34, die um ein Segment der toroidförmigen Spule gewickelt ist, sowie mit einer Sekundärwicklung 36 versehen, die um ein gegenüberliegendes Segment gewickelt ist. Die Wicklungen 34 und 36 können somit separat als induktive Vorrichtungen und in Kombination miteinander als Wicklungen eines Wandlers verwendet werden. Es versteht sich, daß im Rahmen der Erfindung die Form und die Plazierung der Drahtwicklungen 34 und 36 an der Spulenvorrichtung 10 in Übereinstimmung mit herkömmlichen Prinzipien aus einer großen Anzahl verschiedener Möglichkeiten gewählt werden können.
Aus der fertiggestellten Vorrichtung der Fig. 1 resultiert eine integrierte Vorrichtung, die sowohl zum separaten als auch zum gleichzeitigen Ausführen kapazitiver und induktiver Funktionen mit einem reduzierten Reihenverlustwiderstand ausgelegt ist. In bisher ausgeführten Tests erzielte eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung eine Reduzierung von mehr als 800 % beim Reihenverlustwiderstand im Vergleich zu Vorrichtungen des Standes der Technik. Man nimmt an, daß die Reduzierung des Reihenverlustwiderstands aus der Verbindung durch die Kontaktleisten 30 und 32 an mehreren Stellen an jedem amorphen Metallband 12 und 14 resultiert, wodurch der effektive elektrische Weg für die Stromleitung innerhalb der amorphen Metallbänder 16 und 18 reduziert ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der reduzierte effektive elektrische Weg ca. 2,54 cm (1 Inch). Dagegen war bei Vorrichtungen des Standes der Technik, bei denen eine elektrische Verbindung am Ende jeder amorphen Metallbandlänge hergestellt wurde, der elektrische Weg so lang wie das Metallband, typischerweise mehrere zehn Fuß.
Als Ergebnis läßt sich die erfindungsgemäß aufgebaute Vorrichtung bei einer Leistungsschaltung praktisch anwenden, wo der elektrische Verbrauch innerhalb der Leistungsschaltung auf ein Minimum reduziert werden muß. Zum Beispiel wurden zwei Vorrichtungen in der in Fig. 1 gezeigten Weise ausgebildet, wobei eine Vorrichtung jedoch mit den elekrischen Kontakten 30 und 32 versehen wurde, während die andere Vorrichtung mit herkömmlichen Endkontakten an den amorphen Metallschichten 12 und 14 versehen wurde. Das Metallband war fünf Fuß lang und verwendete Kapton-Folie als zwischengeordnetes Dielektrikum. Der Reihenverlustwiderstand bei 4 MHz betrug 9,69 Ohm für eine gemäß den Lehren des Standes der Technik ausgebildete Vorrichtung, während eine gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildete Vorrichtung einen viel niedrigeren Wert des Reihenverlustwiderstands von 1,2 Ohm erreichte. Dieser große Unterscheid reicht aus, um die integrierte kapazitive und induktive Vorrichtung der Fig. 1 in einer Leistungsschaltung verwenden zu können, wogegen der Reihenverlustwiderstand der Vorrichtungen des Standes der Technik eine solche Verwendung, bei der die Schaltungseffizienz einen begrenzenden Faktor darstellte, ausgeschlossen hat.
Die Vorrichtung 10 ist zwar für eine effiziente Nutzung in Leistungsschaltungen besonders geeignet, doch sie kann in jeder beliebigen elektronischen Schaltung verwendet werden, da die von der Vorrichtung ausgeführten kapazitiven und induktiven Funktionen vollständig denjenigen Funktionen entsprechen, die die einzelnen Elemente ausführen, welche die Vorrichtung 10 ersetzt. Die Vorrichtung 10 läßt sich somit in einer Leistungsschaltung ohne besondere Berücksichtigung von jeweiligen Leistungscharakteristika oder inhärenten strukturellen Netzwerkbegrenzungen solcher integrierter Vorrichtungen, wie sie beim Stand der Technik typisch sind, verwenden.
Die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung läßt sich genauso wie separate Leistungsbauelemente in einer Schaltung verweden, und zwar ohne jegliche Kompensation in der elektrischen Auslegung hinsichtlich ihrer integrierten Ausbildung.

Claims

1. Integrierte elektrische Vorrichtung zur Schaffung einer kapazitiven und einer induktiven Funktion in voneinander unabhängiger Weise, mit einem isolierten amorphen Metallband (12, 16; 14, 18), das eine Längserstreckungslänge besitzt und in eine kompakte Konfiguration gewickelt ist, wobei die Vorrichtung weiterhin wenigstens eine leitfähige Wicklung (34) mit wenigstens einer um die kompakte Konfiguration gewickelten Schleife sowie wenigstens einen nahe der kompakten Konfiguration angeordneten elektrischen Kontakt (32) besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl isolierter amorpher Metallbänder (12, 16; 14, 18) in aufeinandergestapelter Weise vorgesehen und um sich selbst aufgewickelt ist, daß wenigstens eines (12, 16) der isolierten amorphen Metallbänder wenigstens an mehreren Stellen entlang seiner Längserstreckungslänge einen freiliegenden Metallrand (20) aufweist, und daß der wenigstens eine elektrische Kontakt (32) nahe der kompakten Konfiguration angeordnet ist und mit den mehreren Stellen entlang des Längsrands des wenigstens einen Bands (12) elektrisch gekoppelt ist.

2. Integrierte Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes isolierte Band eine erste Schicht (16) aus dielektrischem Material und eine zweite Schicht aus amorphem Metall (12) umfaßt, wobei die dielektrische Schicht und das amorphe Metall relativ zueinander versetzt sind.

3. Integrierte Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das versetzte amorphe Metallband (12) zur Freilegung eines Längsrands (20) des amorphen Metallbands von seiner entsprechenden dielektrischen Schicht (16) versetzt ist.

4. Integrierte Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der kompakten Konfiguration um einen zylindrisch gewickelten Toroid aus den mehreren Bändern (12, 16; 14, 18) handelt.

5. Integrierte Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes isolierte Band eine erste Schicht aus dielektrischem Material (16, 18) und eine zweite Schicht aus amorphem Metall (12, 14) umfaßt, wobei die dielektrische Schicht und das amorphe Metall relativ zueinander versetzt sind und das versetzte amorphe Metallband zur Freilegung eines Längsrands (20, 24) des amorphen Metallbands von seiner entsprechenden dielektrischen Schicht versetzt ist.

6. Integrierte Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den mehreren amorphen Metallbändern um zwei isolierte amorphe Metallbänder (12, 14) handelt, von denen das eine Band (12) einen versetzten Längsrand (20) aufweist, der auf einer Seite der zylindrisch gewickelten kompakten Konfiguration angeordnet ist, wobei das andere (14) der beiden amorphen Metallbänder mit einem seiner Längsränder (24) auf die gegenüberliegende Seite der zylindrisch gewickelten kompakten Konfiguration versetzt ist, und daß zwei elektrische Kontakte (32, 30) vorgesehen sind, von denen ein Kontakt (32) quer zu der ersten Fläche der zylindrisch gewickelten kompakten Konfiguration angeordnet ist und mit dem versetzten freiliegenden Längsrand (20) des entsprechenden, in der Nähe befindlichen amorphen Metallbands elektrisch gekoppelt ist und der andere der elektrischen Kontakte (30) auf der entgegengesetzten Seite der zylindrisch gewickelten kompakten Konfiguration angeordnet ist und mit mehreren Stellen an dem freiliegenden Längsrand (24) des anderen (14) amorphen Metallbands elektrisch gekoppelt ist.

7. Integrierte Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die den beiden amorphen Metallbändern (12, 14) entsprechenden dielektrischen Schichten (16, 18) miteinander ausgerichtet sind.

8. Integrierte Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgerichteten dielektrischen Schichten (16, 18) gegenseitig miteinander ausgerichtet sind.

9. Integrierte Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes amorphe Metallband (12, 14) in bezug auf seine entsprechende dielektrische Schicht (16, 18) in einer rechtwinklig zur Längserstreckungslänge des Bands verlaufenden Richtung versetzt ist sowie von wenigstens einem weiteren amorphen Metallband in der dazu entgegengesetzten Richtung versetzt ist.

10. Integrierte Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Versetzung jedes amorphen Metallbands (12, 14) in bezug auf seine entsprechende dielektrische Schicht (16, 18) für jede Paarung aus Metallband und dielektrischer Schicht identisch ist, wobei die beiden Paare aus dielektrischer Schicht und amorphem Metallband innerhalb der zylindrisch gewickelten kompakten Konfiguration eine umgekehrte geometrische Beziehung zueinander aufweisen.

11. Integrierte Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Kontakt (32) in einer die zylindrisch gewickelte kompakte Konfiguration aus einer Mehrzahl amorpher Metallbänder (12, 14) schneidenden Ebene an die Konfiguration angrenzend angeordnet ist, und daß der elektrische Kontakt (32) an jeder Schnittstelle der Schnittebene mit dem amorphen Band mit dem freiliegenden Rand (20) des amorphen Metallbands elektrisch gekoppelt ist.

12. Integrierte Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Kontakt (32) mit ausgewählten der mehreren amorphen Metallbänder (12, 14) elektrisch gekoppelt ist.

13. Integrierte Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren amorphen Metallbänder (12, 14) innerhalb der kompakten Konfiguration auf der Basis von Paaren angeordnet und einander benachbart ausgebildet sind, und daß eine Mehrzahl elektrischer Kontakte (32, 30) vorgesehen ist, deren jeder mit einem der amorphen Metallbänder jedes Bandpaares elektrisch gekoppelt ist.

14. Integrierte Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Paare isolierter Metallbänder (12, 16; 14, 18) zur Bildung eines isolierten Stapels in Berührung miteinander angeordnet sind, wobei jedes der Bänder innerhalb des Stapels wenigstens ein in unmittelbarer Nähe liegendes Band zur Bildung eines entsprechenden Bandpaares aufweist, sowie dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl elektrischer Kontakte (32, 30) angrenzend an die kompakte Konfiguration aus gestapelten Bändern angeordnet ist, wobei jeder der Kontakte mit einem ausgewählten Band der Bänder elektrisch gekoppelt ist.

15. Integrierte Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren isolierten amorphen Metallbänder (12, 16; 14, 18) unter Bildung eines Toroids (10) zylindrisch in eine kompakte Konfiguration gewickelt sind, wobei jeder der mehreren elektrischen Kontakte (32, 30) in einer den Querschnitt des Toroids schneidenden Ebene in sich über den Toroid erstreckender Weise sowie an diesen angrenzend angeordnet ist, wobei das amorphe Metallband jedem Kontakt entsprechend einen Längsrand (20, 24), der wenigstens an dieser Stelle innerhalb der Schnittebene freiliegt, aufweist und mit dieser durch den entsprechenden elektrischen Kontakt gekoppelt ist, und daß jedes amorphe Metallband innerhalb des Toroids durch die Schnittebene hindurch gewickelt ist.

16. Integrierte Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß sich die mehreren freiliegenden Stellen an jedem Band (12, 14) an einem freiliegenden Längsrand (20, 24) des Bands befinden.

17. Integrierte Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der freiliegende Längsrand (20, 24) durch eine Versetzung der dielektrischen Isolierung (16, 18) von dem Längsrand des entsprechenden Bands definiert ist.

18. Integrierte Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Toroid wenigstens zwei einander entgegengesetzte Flächen aufweist und sich einander entgegengesetzte Längsränder (20, 24) jedes amorphen Metallbands (12, 14) von jeder der einander entgegengesetzten Flächen wegerstrecken, wobei die mehreren elektrischen Kontakte dem Toroid benachbart freiliegen und mit ausgewählten Bändern auf beiden einander entgegengesetzten Flächen elektrisch gekoppelt sind.

19. Integrierte Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Toroid wenigstens zwei einander entgegengesetzte Flächen aufweist, daß sich einander entgegengesetzte Längsränder (20, 24) jedes amorphen Metallbands (12, 14) von jeder der einander entgegengesetzten Flächen wegerstrecken, und daß die mehreren elektrischen Kontakte dem Toroid benachbart freiliegen und mit ausgewählten Bändern an beiden einander entgegengesetzten Flächen elektrisch gekoppelt sind.

20. Integrierte Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei leitfähige Wicklungen (34, 36), die um die mehreren aufeinandergestapelten Bänder gewickelt sind, wobei die kompakte Konfiguration aus dem aufeinandergestapelten Band einen Magnetkreis innerhalb beider Wicklungen bildet und wobei die beiden Wicklungen und die mehreren isolierten Bänder eine elektrische Wandlungsfunktion schaffen.