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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft allgemein einen Übertrager (Transformator),
der auf einer Schaltungsplatine implementiert ist, und insbesondere
einen Planarübertrager
(Flachtransformator), der auf einer Schaltungsplatine implementiert
ist. Der Ausdruck Planarübertrager
bedeutet in diesem Zusammenhang einen Übertrageraufbau, bei dem die
Wicklungen unter Verwendung von im wesentlichen flachen Leitungsmustern
implementiert worden sind, wobei zumindest zwei davon aufeinander
gestapelt sind, so dass eine Isolierschicht zwischen zwei aufeinanderfolgenden leitenden
Schichten vorhanden ist.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft insbesondere Leistungsversorgungen (Energieversorgungen),
die auf der Schaltungsplatine einer elektronischen Vorrichtung implementiert
sind. Die Schaltungsplatine enthält
typischerweise eine große
Anzahl anderer Schaltkreise, wobei die Leistungsversorgung auf der Platine
zur Bereitstellung einer Versorgungsspannung für die Schaltungen angeordnet
ist. Die Leistung derartiger Leistungsversorgungen beträgt typischerweise
2 bis 100 Watt. Eine Betriebsumgebung ist durch Telekommunikationsvorrichtungen
mit Baugruppenträgern
gebildet, die oft verschiedene parallele Schaltungsplatinen enthalten,
von denen jede eine getrennte Leistungsversorgung benötigt.
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Bei
auf einer Schaltungsplatine angeordneten Leistungsversorgungsschaltungen,
die typischerweise Schalt-Leistungsversorgungen sind, sind Planarübertrager üblicherweise
als diskrete Komponenten implementiert, bei denen dünne Wicklungsplatten,
die beispielsweise aus einer Kupferplatte oder Kupferfolie hergestellt
sind, abwechselnd mit Isolierfolien in einem Stapel gestapelt sind,
um den ein Ferritkern angebracht ist. Der Nachteil dieser herkömmlichen
Struktur besteht in deren Preis, die Herstellung der Schichten und
das Stapeln zu einem Stapel sowie das Ausrüsten der Komponente mit Verbindern zur
Verbindung der Schaltungsplatine machen den Preis für einen
einzelnen Übertrager
hoch.
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Dieser
Nachteil wurde in neuen Übertragern beseitigt,
in denen die Übertragerwicklungen
(Transformatorwicklungen) auf derselben Schaltungsplatine wie diejenige
integriert sind, auf der die Leistungsversorgung implementiert worden
ist. Diese Art der Struktur ist in 1 dargestellt,
die vier leitende Schichten A bis D auf einer Mehrschicht-Schaltungsplatine
PCB1 zeigt, wobei auf jeder ein gewünschtes Windungsmuster WP1
bis WP4 implementiert worden ist. Diese Wicklungsmuster bilden zusammen die
Wicklungen eines Transformators (Primär- und Sekundärwicklungen).
In dem in dieser Figur dargestellten Beispiel ist der Transformatorkern
durch Ferritstücke
F1 und F2 mit einem E-Profil geformt. Für die Ferrite weist die Schaltungsplatine Öffnungen
H1 bis H3 auf, die durch die Platine an der Stelle der Zweige des "E" führen.
Ferritstücke
werden von den gegenüberliegenden
Seiten der Schaltungsplatine in die Öffnungen eingesteckt, wodurch
sie in den Öffnungen
gegeneinander gesetzt werden, so dass die Endoberflächen der
Zweige des Es sich gegeneinander setzen. Danach werden die Stücke mit
der Schaltungsplatine unter Verwendung eines geeigneten mechanischen
Verriegelungsstücks
verriegelt.
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Eine
derartige Struktur, die in die Schaltungsplatine integriert ist,
weist jedoch Stromtoleranz- und Wirkungsgradprobleme auf, die durch
die Tatsache verursacht werden, dass die Struktur des Übertragers,
insbesondere die Dicke und Anzahl der Wicklungsschichten von der
Schaltungsplatine abhängt, auf
der die Leistungsversorgung implementiert worden ist. Die Schichtendicke
einer Mehrschicht-Schaltungsplatine ist heutzutage bereits übermäßig dünn (typischerweise
35 μm),
wenn die aus der Leistungsversorgung erforderliche Leistung berücksichtigt wird,
und es kann vorhergesagt werden, dass die Schichtdicke sich weiter
verringern wird. In dieser Art der Struktur werden die Leiter unvermeidlich
sehr dünn,
was einen geringen Wirkungsgrad in der Leistungsversorgung bewirkt,
insbesondere wenn eine hohe Leistung verwendet wird.
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Diese
Probleme können
unter Verwendung einer Übertragerstruktur
gelöst
werden, in der ein Teil der Übertragerwicklungen
auf separaten Substraten (Schaltungsplatinenstücken) implementiert werden, das
auf der Schaltungsplatine (Hauptplatine) angeordnet ist, auf der
der Rest der Übertragerwicklungen und
der Rest der Komponenten (u. a. die Leistungsversorgung) implementiert
sind. Diese Art der Lösung
wurde beispielsweise in dem US Patent 5,321,380 und der EP-Anmeldung
318 955 präsentiert.
Durch Verwendung dieser Art der Grundstruktur ist es möglich, die
Sekundärwicklung beispielsweise auf
einem separaten Substrat anzuordnen, da der Strom üblicherweise
in der Sekundärwicklung
höher als
in der Primärwicklung
ist.
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Der
Nachteil einer derartigen Struktur besteht jedoch darin, dass der
Zusammenbau des Übertragers
auf die Hauptplatine mehrere Arbeitsschritte umfasst, die nicht
mit dem automatisierten Herstellungsprozess kompatibel sind, der
zum Plazieren und Löten
der anderen Komponenten auf der Hauptplatine verwendet wird. Die
Einführung
der für den Übertragerzusammenbau
erforderlichen Arbeitsschritten in den Herstellungsprozess der Hauptplatine
erschwert daher die Herstellung der Hauptplatine signifikant.
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Die
Patentveröffentlichung
GB-A-2 252 208 offenbart einen Planarübertrager mit einer gedruckten
Mehrschicht-Schaltungsplatine
(PCB), der auf verschiedenen Oberflächen geformte Spiralwicklungen
aufweist, und eine Ferritkernanordnung mit ersten und zweiten Kernabschnitten,
die an gegenüberliegenden
Seiten der PCB angeordnet sind und die Wicklungen überlagert.
Die PCB ist zwischen den ersten und zweiten Kernabschnitten untergebracht. Der
Planarübertrager
gemäß der GB-A-2
252 208 kann mit anderen Komponenten auf der PCB eingebaut sein,
um eine Batterieladeeinrichtung oder einen Isolierverstärker zu
bilden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend beschriebenen
Nachteile zu beseitigen und eine Übertragerstruktur zu schaffen,
die (a) weiterhin die kostengünstige
Eigenschaft der vorstehend beschriebenen bekannten Struktur beibehält, die
mit der Schaltungsplatine integriert ist, und (b) die vorstehend
beschriebenen Stromtoleranz- oder Wirkungsgradprobleme nicht aufweist,
und (c) die mit dem automatischen Herstellungsprozess der Hauptplatine vollständig kompatibel
ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Planarübertrageranordnung
für eine
elektrische Schaltung, wobei die Anordnung aufweist: ein Schaltungsplatinenstück, eine
Primärwicklung,
die zumindest ein im wesentlichen planares Wicklungsmuster aufweist, und
eine Sekundärwicklung,
die zumindest ein im wesentliches planares Wicklungsmuster aufweist, sowie
einen Übertragerkern
(Transformatorkern), der die Primär- und Sekundärwicklungen zumindest teilweise
umgibt, wobei sowohl die Primär-
als auch die Sekundärwicklungen
auf dem Schaltungsplatinenstück
geformt sind, und der Übertragerkern
an das Schaltungsplatinenstück
angebracht ist, wodurch der Übertragerkern
und das Schaltungsplatinenstück
zusammen eine separate Planarübertragerkomponente bilden.
Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Planarübertrageranordnung
eine erste Schaltungsplatine aufweist, an der die elektrische Schaltung
implementiert ist und die eine Öffnung
entsprechend dem Übertragerkern
aufweist, in die die Planarübertragerkomponente
eingesetzt ist.
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Die
grundsätzliche
Idee der Erfindung besteht darin, die Wicklungen eines Planarübertragers (Primär- und Sekundärwicklungen)
im wesentlichen in ihrer Vollständigkeit
auf einem getrennten Stück
einer zusätzlichen
Schaltungsplatine (auf einem separaten Substrat) zu implementieren.
Auf diese Weise ist es möglich,
ohne die vorstehend beschriebenen Vorteile zu verlieren, aus einem
zusätzlichen
Platinenstück
und aus einem Übertragerkern
eine Übertragerkomponente
zu formen, die automatisch auf der Hauptplatine in derselben Weise
wie alle anderen Komponenten befestigt werden kann und an die Hauptplatine
unter Verwendung derselben Technik wie bei den anderen Komponenten
angebracht werden kann.
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Da
die Implementierung dieser Art des Planarübertragers nicht von der Schaltungsplatine
abhängt,
auf der die Leistungsversorgung und die durch diese Versorgung versorgten
Schaltungen implementiert sind, ist es möglich eine Schaltungsplatine
in der Übertragerimplementierung
zu verwenden, bei der die Schichtendicke und die Anzahl der Schichten lediglich
für die
von der Leistungsversorgung eingestellten Erfordernisse optimiert
worden sind (ohne dass andere Schaltungen auf der Schaltungsplatine Erfordernisse
für die
Schaltungsplatine setzen). Auf diese Weise ist es möglich, eine
Schaltungsplatine frei mit einer Schichtendicke auszuwählen, die
größer als
diejenige der Hauptplatine ist, und in der die Anzahl der Schichten
größer als
in der Hauptplatine ist. Wenn die Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet wird, können
die Wicklungen des Planarübertragers
beispielsweise unter Verwendung einer Mehrschicht-Schaltungsplatine
implementiert werden, in der beispielsweise die Dicke vom Kupfer 150 μm beträgt und die
Anzahl der Schichten 10 beträgt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung ist anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme
auf die in 2a bis 7 beigefügten Zeichnungen gezeigten Beispiele
beschrieben. Es zeigen:
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1 ein allgemeines Verfahren
zur Implementierung eines Planarübertragers
auf einer Mehrschicht-Schaltungsplatine,
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2a den Einbau einer Übertragerkomponente
gemäß der Erfindung
auf einer Hauptplatine,
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2b eine Seitenansicht einer
Planarübertrageranordnung
gemäß der Erfindung,
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3 eine Querschnittsansicht
der Planarübertrageranordnung
gemäß 2b, die entlang der Linie
A-A genommen ist,
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4 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für das zusätzliche
Schaltungsplatinenstück,
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5 ein Anbringen von leitenden
Schichten des zusätzlichen
Platinenstücks
an die Verbindungsoberfläche,
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6a die Planarübertrageranordnung
von oben gesehen, wenn die zusätzlichen
Platinenstücke von
der in 4 gezeigten Bauart
sind,
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6b die Ansicht in 6, wenn die Planarübertragerkomponente
von der Hauptplatine entfernt worden ist, und
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7 eine Schaltungsplatine,
die zur Herstellung der zusätzlichen
Schaltungsplatinenstücke gemäß der Erfindung
verwendet wird.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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2a und 2b zeigen eine Planarübertrageranordnung gemäß der Erfindung
von der Seite gesehen, so dass 2a den
Einbau der Übertragerkomponente
auf die Schaltungsplatine (Hauptplatine) zeigt, und 2b die Situation zeigt, wenn die Übertragerkomponente
sich auf der Schaltungsplatine an ihrem Ort befindet. 3 zeigt eine Querschnittsansicht
der Planarübertrageranordnung,
die entlang einer Linie A-A in 2b genommen
ist.
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Gemäß der Erfindung
werden die Übertragerwicklungen
(d. h. die Primär-
und Sekundärwicklungen)
in ihrer Gesamtheit auf einem getrennten Stück einer Schaltungsplatine
PCB2 implementiert, wobei um diese die Ferritstücke F1 und F2, die den Transformatorkern
bilden, angebracht werden. In der Mitte dieses zusätzlichen
Platinenstücks
wurde eine Öffnung
(H4, 4 und 7) gebildet, und die Ferritstücke F1 und
F2, die den Transformatorkern bilden und die beispielsweise ein
E-Profil aufweisen, sind um das zusätzliche Platinenstück gesetzt,
so dass die entsprechenden Zweige des Es gegeneinander stoßen. In
diesem Fall verlaufen die mittleren Zweige durch die Öffnung in
dem zusätzlichen
Platinenstück. Die
Abmessungen des zusätzlichen
Platinenstücks und
der Ferritstücke
sind derart, dass die äußere Kante
der zusätzlichen
Platinenstücke
gegen die inneren Oberflächen
der äußeren Zweige
des Ferritstücks
gelangen. Die Ferritstücke
sind miteinander unter Verwendung eines geeigneten Verfahrens verriegelt,
wodurch eine separate Übertragerkomponente
geformt wird. In 2a ist
diese Komponente durch das Bezugszeichen PT angegeben. Diese Übertragerkomponente
wird in die auf der Hauptplatine PCB1 geformte Öffnung H' gesetzt (entsprechend dem Fall A1 in 2a). Die Abmessungen der Öffnung entsprechen
im wesentlichen denjenigen des Transformatorkerns, wodurch die untere
Oberfläche
des Teils des zusätzlichen
Platinenstücks,
das außerhalb
des Übertragerkerns
gelassen ist, gegen die obere Oberfläche der Hauptplatine stößt. Die Öffnung H' ist in 2a unter Verwendung gestrichelter Linien
angegeben.
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Die
Schaltungsplatine PCB1, die als Hauptplatine dient, kann eine Mehrschicht-Schaltungsplatine
der in 1 gezeigten Bauart
beispielsweise sein. Jedoch enthält
die Hauptplatine nicht die Wicklungen des Planarübertragers sondern Komponenten
(die durch das Bezugszeichen CC angegeben sind) und Leitungsmuster,
die zu der elektrischen Schaltung gehören, die auf der Hauptplatine
zu implementieren sind.
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Die
auf dem zusätzlichen
Platinenstück
angeordneten Wicklungen sind durch dasselbe Verfahren wie in der
bekannten Lösung
gemäß 1 implementiert. Punkte
in Bezug auf das Verfahren, das zur Verbindung der leitenden Wicklungsmuster
verschiedener Schichten miteinander (parallel oder seriell) in Bezug
auf die Windungszahlen in jeder Schicht, welche Schichten die Primärwicklung
bilden und welche Schichten die Sekundärwicklung bilden, können alle
in unterschiedlicher Weise in Abhängigkeit von der Situation
variieren und sind daher an dieser Stelle nicht beschrieben.
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4 zeigt eine perspektivische
Darstellung des zusätzlichen
Platinenstücks
PCB2, bei dem die Verbindungen mit der Hauptplatine gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung implementiert worden sind. Das zusätzliche Platinenstück ist vorzugsweise
aus einer Mehrschicht-Schaltungsplatine gebildet, deren Windungsmuster
der obersten Schicht durch das Bezugszeichen WP' angegeben ist. An dem äußeren Rand
des zusätzlichen
Platinenstücks
sind Aussparungen R ausgeführt
worden, die im wesentlichen einer Halbkreisform mit einer metallbeschichteten
Oberfläche
aufweisen. Wie es im weiteren Verlauf beschrieben ist, kann diese
Art der Verbindung beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass
zunächst
die normalen Hindurchführungen
in die Platine gebohrt oder geschnitten werden und dann die Platine
in der Mitte der Hindurchführungen geschnitten
wird.
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Gemäß einem
zusätzlichen
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung enthält
jede leitende Schicht des zusätzlichen
Platinenstücks
ein Leitungsmuster, das mit der Metallschicht in der Aussparung
R verbunden ist und sich zumindest um einigen Abstand weg von der
Aussparung erstreckt. Dieses Leitungsmuster ist vorzugsweise das
Windungsmuster der fraglichen Schicht, es kann jedoch ebenfalls
ein Leitungsmuster sein, das getrennt von dem Windungsmuster ist,
insbesondere in Schichten, in denen das Windungsmuster die Aussparung
nicht erreicht, sondern sich beispielsweise über normale Hindurchführungen
zu der benachbarten leitenden Schicht erstreckt. Das Ausführungsbeispiel
der vorstehend beschriebenen Art ist in 5 veranschaulicht, in der ein Querschnitt
des zusätzlichen
Platinenstücks
PCB2 an der Aussparung R (entlang der Linie B-B in 4) gezeigt ist. In dem Beispiel gemäß 45 bilden die Leitungsmuster der drei
obersten leitenden Schichten (WP1 bis WP3) die Sekundärwicklung,
und bilden die Leitungsmuster der zwei untersten leitenden Schichten
(WP4 und WP5) die Primärwicklung.
Die Leitungsmuster der Sekundärwicklung
sind mit der Metallbeschichtung in der Aussparung R verbunden, da
jedoch die Leitungsmuster der Primärwicklung an eine andere Aussparung
angebracht sind, enthalten diese Schichten ein getrenntes Leitungsmuster (P1
und P2), das mit der Metallbeschichtung in der Aussparung verbunden
ist. Unter Verwendung dieser Art der Lösung ist es möglich, zu gewährleisten,
dass die Metallbeschichtung in der Aussparung nicht losbricht. Das
mit der Metallbeschichtung in der Aussparung verbundene Leitungsmuster
kann ebenfalls eine metallisierte Verbindungsfläche CA der in 4 gezeigten Bauart sein. Diese Verbindungsfläche kann
gleichzeitig das Wicklungsmuster der fraglichen Schicht mit der
Verbindungsoberfläche
verbinden. Jede Schicht kann dadurch diese Art der Verbindungsfläche ungeachtet davon
aufweisen, ob das tatsächliche
Wicklungsmuster der fraglichen Schicht die Verbindungsoberfläche erreicht.
Es ist möglich,
weiterhin die Befestigung der Metallbeschichtung in der Aussparung
zu gewährleisten,
indem zu der Struktur eine zusätzliche
Hindurchführung
mit einer Metallbeschichtung hinzugefügt wird, die an jeder leitenden
Schicht mit der Metallbeschichtung in der Aussparung verbunden ist.
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6a zeigt eine Planarübertrageranordnung
der vorstehend beschriebenen Art von oben gesehen. Die Verbindungsaussparungen
R können
an jedem Punkt entlang der Kante des zusätzlichen Platinenstücks mit
Ausnahme in dem Bereich angeordnet werden, der durch den Transformatorkern
bedeckt ist. 6b entspricht
der Ansicht in 6a mit der
Ausnahme, dass in 6b die Übertragerkomponente
PT von der Hauptplatine PCB1 entfernt worden ist. Wie aus 6b hervorgeht, weist die
Hauptplatine eine Öffnung
H' entsprechend
dem Transformatorkern, wobei in dieser Öffnung die Transformatorkomponente
(Übertragerkomponente)
eingesetzt ist, und an Aussparungen R die Verbindungsflächen CP
der Wicklungsmuster M WP der Hauptplatine auf, wobei an diese Flächen die
Verbindungsaussparungen gelötet
werden (die Leitungsmuster der Hauptplatine sind in 6a durch gestrichelte Linien angegeben).
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Indem
die Planarübertragerwicklungen
in ihrer Gesamtheit auf ein getrenntes Schaltungsplatinenstück platziert
werden, ist es möglich, Übertragerkomponenten
zu erzeugen, die automatisch auf die Hauptplatine in derselben Weise
wie die anderen Komponenten (CC) der Hauptplatine angebracht werden.
Indem weiterhin die zusätzlichen
Platinenstücke
mit Verbindungsaussparungen R ausgerüstet werden, ist es möglich, Verbindungen
zu erzeugen, die leicht und kostengünstig herzustellen sind, und
in die die Übertragerkomponenten
beispielsweise unter Verwendung der bekannten Aufschmelzlöttechnik (Reflow-Technik) während desselben
Prozesses, wenn alle anderen Komponenten auf der Hauptplatine gelötet werden,
gelötet
werden. Auf diese Weise sind keine Extrateile für den Übertrager wie zusätzliche
Stifte (Pins) usw. erforderlich, die zusätzliche Arbeitsphasen benötigen würden und
den Preis erhöhen
würden.
Diese Lösung
gemäß der Erfindung weist
ebenfalls den zusätzlichen
Vorteil auf, dass es leicht ist, Leitungswege auf der Hauptplatine
zu erstellen, da keine Windungen vorhanden sind, die dieses verhindern
könnten.
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7 veranschaulicht ein mögliches
Herstellungsverfahren der Schaltungsplatinenstücke. Eine große Mehrschicht-Schaltungsplatine
PCB3 (von der lediglich ein Teil gezeigt ist) ist längs in Teile unterteilt,
wobei in jedem dieser Teile die Wicklungsmuster WP und die metallbeschichteten
Verbindungsaussparungen vorbereitet sind, die für die zusätzlichen Platinenstücke erforderlich
sind. Die Teile werden voneinander durch Perforationen getrennt, die
beispielsweise durch Bohren oder Schneiden hergestellt werden, wodurch
die zusätzlichen
Platinenstücke
später
von der Schaltungsplatine PCB3 durch Biegen getrennt werden können. Es
ist ebenfalls möglich,
Hindurchführungen
T mit einem größeren Durchmesser über die
Perforationen zu bohren oder zu schneiden, um Verbindungsaussparungen
R zu erzeugen.
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Obwohl
die Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf Beispiele gemäß den beigefügten Zeichnungen
beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele
beschränkt,
sondern kann in vielerlei Weise entsprechend den Fähigkeiten
des Fachmanns variiert werden. In Prinzip kann die Übertragerkomponente (Transformatorkomponente)
an die Hauptplatine unter Verwendung eines anderen Verfahrens angebracht
werden, beispielsweise durch Kleben, obwohl das vorstehend beschriebene
Verfahren vorzuziehen ist, da dies kein separates mechanisches Anbringen erfordert.
Außerdem
kann die elektrische Verbindung des Übertragers mit der Hauptplatine
in vielerlei Weise (ohne separate Verbinder) beispielsweise unter Verwendung
von Hindurchführungsöffnungen
implementiert werden, die an dem zusätzlichen Platinenstück geformt
sind. Die an dem äußeren Rand
des zusätzlichen
Platinenstücks
angeordneten metallbeschichteten Aussparungen sind jedoch eine vorzuziehende
(einfache) Alternative, solange die Herstellung betroffen ist. Zusätzlich können die
Profile der in dem Übertrager
verwendeten Ferrite variieren. Es ist ebenfalls möglich, die
zusätzlichen
Schaltungsplatinenstücke
aus einer normalen zweiseitigen Schaltungsplatine herzustellen,
falls dies für
die fragliche Anwendung geeignet ist. Natürlich kann die Übertrageranordnung
ebenfalls in anderen Anwendungen als für Leistungsversorgungen (Energieversorgungen)
verwendet werden.