DE69800001T2

DE69800001T2 - Stapelbarer und preisreduzierter Transformator mit eingebetteten EMI-Filtern

Info

Publication number: DE69800001T2
Application number: DE69800001T
Authority: DE
Inventors: David Wilfred Jr. Bedminster Johnson; John Jr. Spring Lake Thomson; David A. Westminster Norte
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1997-03-12
Filing date: 1998-03-03
Publication date: 2008-10-09
Anticipated expiration: 2018-03-04
Also published as: JPH10303039A; EP0865048B1; DE69800001D1; US5861790A; EP0865048A1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein den Aufbau von Bauteilen für Leiterplattenmontage und insbesondere Transformatoren zur automatischen Leiterplatten-Oberflächenmontage.
Stand der Technik
Ein elektrischer Transformator umfaßt typischerweise zwei "E-"förmige Ferritkonstruktionen und einen Satz gespulter Drähte (z. B. eine Primärspule und mindestens eine Sekundärspule). Die Spulensätze werden um das Mittelbein einer der E-förmigen Konstruktionen gewickelt, wonach die zwei E-förmigen Ferritkonstruktionen zusammengebondet werden, um den Transformator zu bilden. Zur Verwendung auf Leiterplatten wird auf die Primär- und Sekundärspulen des Transformators von der Leiterplatte aus zugegriffen, indem ihre Zuleitungen an Metallstifte angelötet werden, die in ein Kunststoffgehäuse eingeformt sind. Das Kunststoffgehäuse wird dann durch irgendeine Art von Klebstoff an der fertigen Ferritkonstruktion angebracht, um die komplette Bauteilpackung zu bilden. Die Gehäusekosten, die dazu aufgebracht werden, den Transformator oberflächenmontierbar zu machen, betragen gegenwärtig mehr als das Doppelte der Kosten der zwei E-förmigen Ferritkerne, die den Transformator selbst bilden. Es besteht eine technische Aufgabe darin, den Transformator so aufzubauen, daß die Verpackungskosten minimiert werden und dabei die Leiterplattenmontierbarkeit des Transformators beibehalten wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung richtet sich darauf, diesen und anderen Bedürfnissen des Standes der Technik zu entsprechen. Erfindungsgemäß erübrigt sich bei einem Transformator ein Gehäuse. Der Transformator umfaßt einen Ferritkörper, der ein Paar von sich durch den Ferritkörper erstreckenden Schlitzen definiert, und einen Transformatorkern zwischen den Schlitzen. Die Transformatorwicklungen werden durch die Schlitze hindurch um den Transformatorkern herum gewickelt. Bedeutsamerweise definiert der Ferritkörper weiterhin eine Mehrzahl von leitfähigen Kontaktlöchern, die sich zu einer Endfläche des Ferritkörpers erstrecken, und jede Wicklung ist mit einem anderen Paar der Kontaktlöcher verbunden. Die Kontaktlöcher dienen dazu, den Transformator an der Endfläche des Ferritkörpers mit einer Leiterplatte zu verbinden und darauf zu befestigen. Da der Ferritkörper selbst die Verbinder mit den Wicklungen und der Leiterplatte definiert, wird für diesen Zweck kein Transformatorgehäuse benötigt. Dadurch erübrigt sich die Notwendigkeit für das Gehäuse und mit ihr der Großteil der Transformatorkosten. Auch sind die Kontaktlöcher vorzugsweise vollständig in den Ferritkörper eingebettet, wodurch sie als wirkungsvolle EMI-Filter dienen, um alle dem transformierten Signal überlagerten Hochfrequenz-Rauschsignale zu eliminieren.
Der Ferritkörper definiert vorzugsweise weiterhin eine Mulde, die an ihrem Boden den Transformatorkern aufweist und sich zur Endfläche hin öffnet, und die Wicklungen sind so um den Transformatorkern herum durch die Mulde hindurch gewickelt, daß sie nicht aus der Mulde über die Endfläche hinaus hervorstehen. Die Endfläche ist daher flach und erleichtert die Oberflächenmontage des Transformators an der Endfläche auf einer Leiterplatte mittels der leitfähigen Kontaktlöcher.
Der Ferritkörper definiert vorzugsweise nicht eine sondern zwei Mulden, die jeweils an ihrem Boden den Transformatorkern aufweisen und sich zu einer anderen einer ersten besagten Endfläche und einer gegenüberliegenden zweiten Endfläche des Ferritkörpers hin öffnen. Die Wicklungen sind so um den Transformatorkern herum durch die Mulden hindurch gewickelt, daß sie nicht aus den Mulden über die Endflächen hinaus hervorstehen. So weist der Transformator zwei flache Endflächen auf. Wenn sie mit einer flachen Platte aus Material wie beispielsweise einem Papieretikett bedeckt ist, das an der zweiten Endfläche über der Mulde anhaftet, bietet die zweite Endfläche eine Oberfläche für Vakuumaufnahme und Plazierung des Transformators durch Schaltungsmontageautomaten und zur Etikettierung des Transformators. Die Kontaktlöcher erstrecken sich zu beiden Endflächen hin und dienen zum Anschließen an die Wicklungen an der zweiten Endfläche. Damit die Verbindungen nicht aus der Mulde heraus über die zweite Endfläche vorstehen, definiert der Ferritkörper an der zweiten Endfläche an jedem der Kontaktlöcher eine Kerböffnung zur Mulde hin, und die Wicklungen schließen an die Kontaktlöcher durch die Kerben hindurch an. Die Kontaktlöcher sind vorzugsweise vollständig im Ferritkörper eingebettet, so daß sie auch als wirkungsvolle EMI-Filter für Hochfrequenzrauschen dienen.
Weiterhin ist der Transformator vorzugsweise so aufgebaut, daß er gestapelte Montage von mindestens zwei derartigen Transformatoren ermöglicht. Der Transformator umfaßt den Ferritkörper, der ein Paar Mulden definiert, die sich jeweils zu einer gegenüberliegenden Endfläche des Ferritkörpers hin öffnen, wobei sich ein Paar Schlitze durch den Ferritkörper hindurch zwischen den Böden der Mulden erstreckt und ein Transformatorkern zwischen den Schlitzen an den Böden der Mulden befindet. Die Wicklungen des Transformators sind so durch die Schlitze und die Mulden um den Transformatorkern herum gewickelt, so daß die Wicklungen nicht aus den Mulden über die Endflächen hinaus hervorstehen. Auch definiert der Ferritkörper eine erste Mehrzahl von Paaren von leitfähigen Kontaktlöchern, ein Paar für jede besagte Wicklung, die in den Ferritkörper eingebettet sind und sich zu beiden Endflächen des Ferritkörpers hin erstrecken. Jedes Paar Kontaktlöcher ist mit einer entsprechenden der Wicklungen verbunden. Der Ferritkörper definiert weiterhin eine zweite Mehrzahl von Paaren von leitfähigen Kontaktlöchern, die in den Ferritkörper eingebettet sind und sich zu beiden Endflächen des Ferritkörpers hin erstrecken. Jedes Paar der zweiten Mehrzahl von Kontaktlöchern ist für Verbindung mit einem Paar von Kontaktlöchern eines zweiten Transformators gedacht, die mit den Wicklungen des zweiten Transformators verbunden sind, der am ersten Transformator an einer der Endflächen befestigt ist und vorzugsweise rechtwinklig zum ersten Transformator positioniert ist. Diese eingebetteten Kontaktlöcher dienen ebenfalls als wirkungsvolle EMI-Filter. Durch Stapeln von Transformatoren auf einer Leiterplatte wird wertvoller Leiterplattenraum gespart.
Diese und andere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung offensichtlicher.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine perspektivische Ansicht eines ersten Transformators, der eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung realisiert;
2 ist eine perspektivische Ansicht des Ferritkörpers des Transformators der 1;
3 ist eine Vorderansicht einer von zwei im wesentlichen symmetrischen Hälften des Ferritkörpers der 2;
4 ist eine Draufsicht des Ferritkörpers der 2;
5 ist eine explodierte Ansicht, die zeigt, wie sich der Transformator der 1 mit einem anderen Transformator stapeln läßt;
6 ist eine perspektivische Ansicht eines zweiten Transformators, der eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung realisiert.
Ausführliche Beschreibung
1 zeigt einen Transformator, der nach den Grundsätzen der Erfindung aufgebaut ist. Der Transformator umfaßt einen Ferritkörper 100 aus irgendeinem geeigneten Ferritmaterial – entweder leitfähig oder nicht leitfähig – wie beispielsweise Nickelzink (NiZn), der eine Spule 103 von Primär- und Sekundärtransformatorwicklungen umgibt. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Ferritkörpers 100 ohne Spule 103 von Wicklungen, während 3 und 4 eine Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht davon zeigen. Der Ferritkörper 100 definiert eine rechtwinklige Achterform, durch die ein Paar Öffnungen bzw. Schlitze 210 und 211 verläuft. Zwischen Schlitzen 210 und 211 liegt ein Transformatormittelkern 204. Die Spule 103 wird durch Schlitze 210 und 211 um den Kern 204 herum gewickelt. Der Ferritkörper 100 definiert ein Paar Mulden 208 und 209, die vom Ferritkörper 100 aus durch gegenüberliegende Endflächen 108 und 109 desselben nach außen gerichtet sind und an ihrem Boden den Mittelkern 204 aufweisen. Die Mulden 208 und 209 enthalten Spule 103. Der Ferritkörper 103 und die Mulden 208 und 209 sind so dimensioniert, daß die Spule 103 nicht aus den Mulden 208 und 209 über die Endflächen 108 und 109 des Ferritkörpers 100 hinaus hervorsteht, woraus sich flache Endflächen 108 und 109 ergeben. Um die Transformatormontage zu erleichtern, ist der Ferritkörper 100 vorzugsweise aus zwei Körperteilen 101 und 102 aufgebaut. Die Wicklungen der Spule 103 werden um den Mittelkern 204 eines der Körperteile 101 und 102 herum gewickelt, und dann werden die zwei Körperteile 101 und 102 zusammengebondet. Die Körperteile 101 und 102 können symmetrisch sein, müssen es aber nicht sein. Beispielsweise können, anstatt daß jeder Körperteil 101 und 102 eine Hälfte des Mittelkerns 204 und der Außenbeine 202 und 203 definiert, die Elemente 202–204 vollständig durch nur einen der Körperteile 101 und 102 definiert sein. Der Ferritkörper 100 definiert ein Paar von Transformator-Primärwicklungspfosten 104 und mindestens ein Paar von Transformator-Sekundärwicklungspfosten 105–106. Typischerweise gibt es so viele Paare von Sekundärwicklungspfosten 105–106, wie es Sekundärwicklungen im Transformator gibt. Die Pfosten 104–106 sind in den Ferritkörper 100 eingebettet. Jeder Pfosten 104–106 umfaßt ein Loch oder einen Kanal – ein Kontaktloch – durch den Ferritkörper 100, das metallbeschichtet oder durch leitfähiges Material ausgefüllt ist. Wenn der Ferritkörper 100 leitfähig ist, ist das leitfähige Material jedes Pfostens durch ein dielektrisches Material vom Ferritkörper 100 isoliert. Die Enden der Transformatorwicklungen, die die Spule 103 bilden, sind auf herkömmliche Weise, z. B. durch Lötzinn, mit Pfosten 104–106 verbunden. Um sicherzustellen, daß auch die Verbindungen der Enden der Wicklungen mit den Pfosten 104–106 nicht aus der Mulde 208 hervorstehen, definiert der Ferritkörper 100 Kerben 207, die sich zwischen der Mulde 208 und den Pfosten 104–106 erstrecken und durch welche Kerben 207 die Wicklungsenden zu den Pfosten 104–106 verlängert werden können. So sind beide Endflächen 108 und 109 des Transformators flach.
Die Pfosten 104–106 erstrecken sich bündig mit der Endfläche 108. Dadurch ist der Transformator gut für die Leiterplatten-Oberflächenmontage geeignet. Der Transformator wird einfach über eine Struktur von Lötinseln auf der Leiterplatte plaziert, die so positioniert sind, daß sie die Enden der Pfosten 104–106 kontaktieren, und der Lötzinn wird wieder flüssig gemacht, wodurch der Transformator auf der Leiterplatte montiert und elektrisch damit verbunden wird. Der Transformator erfordert kein Gehäuse oder sonstige Sonderelemente, um auf der Leiterplatte montiert und damit verbunden zu werden. Als Alternative können sich die Pfosten 104–106 über die Endfläche 108 des Transformators hinaus erstrecken und ihre hervorstehenden Teile können in Löcher in einer Leiterplatte eingefügt und darin festgelötet werden.
Die Endfläche 108 des Transformators ist mit einer flachen Platte 107 aus Material wie beispielsweise Kunststoff oder Papier bedeckt, die am Ferritkörper 100 anhaftet und die Mulde 208 bedeckt. Die Platte 107 bietet eine flache Oberfläche, mittels derer der Transformator durch Leiterplattenmontageautomaten für die Vakuumaufnahme und Plazierung aufgenommen und auf einer Leiterplatte plaziert werden kann. Damit wird der Transformator für die automatisierte Leiterplattenmontage geeignet. Zusätzlich bietet die Platte 107 eine Oberfläche zur Etikettierung des Transformators.
Durch die oben beschriebene Konstruktion des Transformators können mehrere Transformatoren auf einer Leiterplatte aufgestapelt werden, wodurch Leiterplattenraum gespart wird. Dies ist in der 5 dargestellt, die eine explodierte Ansicht von Ferritkörpern 100 und 500 von zwei aufeinandergestapelten Transformatoren zeigt. Der Körper 100 ist oben beschrieben worden. Der Körper 500 ist derselbe wie der Körper 100, aber zusätzlich zu seinen eigenen Transformator-Wicklungspfosten 504–506 definiert er auch Duplikate der Wicklungspfosten 104–106 des Körpers 100 des anderen Transformators. Die beiden Körper 100 sind vorzugsweise von derselben Größe und sind beide quadratisch. Die Pfosten 104–106 im Körper 500 sind so positioniert, daß bei Positioneirung des Körpers 100 Endfläche 109 zu Endfläche 508 und rechtwinklig zum Körper 500 die Pfosten 104–106 des Körpers 100 die Pfosten 104–106 des Körpers 500 kontaktieren. Wenn daher die Pfosten 104–106 und 504–506 des Körpers 500 an eine Leiterplatte angelötet oder mit leitfähigem Epoxid daran angebondet werden, stellen die Pfosten 104–106 des Körpers 100 durch Pfosten 104–106 des Körpers 500 den elektrischen Kontakt mit der Leiterplatte her.
Wenn die Pfosten 104–106 des Körpers 100 an die Pfosten 104–106 des Körpers 500 angelötet oder mit Epoxid daran angebondet werden, erzeugt die Verbindungsstelle eine leichte Trennung – einen Luftspalt – zwischen den Körpern 100 und 500. Dieser dient dazu, elektrische Kreuzkopplung (Übersprechkopplung) zwischen den zwei Transformatoren zu verhindern. Das Hauptmittel zum Eliminieren von Kreuzkopplung zwischen den zwei Transformatoren ist jedoch ihre Rechtwinkligkeit, wodurch die Wicklungen der Spule 103 des einen Transformators in einer Ebene liegt, die senkrecht zu einer Ebene liegen, in der die Wicklungen des anderen Transformators liegen.
Die Orientierung der Pfosten 104–106 in bezug auf die Mulden 208–209 und die Spule 103 kann beispielhafterweise wie in 6 gezeigt geändert werden. Oder die Pfosten 104–106 müssen nicht vollständig im Transformatorkörper eingebettet sein (aber ihre Funktionsweise als EMI-Filter geht dann verloren).

Claims

Transformator mit folgendem: einem Ferritkörper (100; 500), der ein Paar von sich durch den Ferritkörper erstreckenden Schlitzen (210, 211) definiert, und einem Transformatorkern (204) zwischen den Schlitzen; und einer Primär- und einer Sekundärwicklung (103), die beide durch die Schlitze um den Transformatorkern herum gewickelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Ferritkörper (100; 500) weiterhin eine Mehrzahl von leitfähigen Kontaktlöchern (104–106) definiert, die sich zu einer Endfläche (109) des Ferritkörpers erstrecken, wobei jede Wicklung mit einem anderen Paar der leitfähigen Kontaktlöcher verbunden ist; wobei die leitfähigen Kontaktlöcher dazu dienen, den Transformator an der Endfläche des Ferritkörpers mit einer Leiterplatte zu verbinden und darauf zu befestigen.
Transformator nach Anspruch 1, wobei der Ferritkörper (100) weiterhin eine Mulde (209) definiert, die an ihrem Boden den Transformatorkern (204) aufweist und sich zur Endfläche (109) hin öffnet; und die Wicklungen (103) so um den Transformatorkern durch die Mulde hindurch gewickelt sind, daß sie nicht aus der Mulde über die Endfläche hinaus hervorstehen.
Transformator nach Anspruch 1, wobei der Ferritkörper (100) weiterhin ein Paar Mulden (208, 209) definiert, die jeweils an ihrem Boden den Transformatorkern (204) aufweisen und sich zu einer anderen einer ersten besagten Endfläche (109) und einer zweiten Endfläche (108) des Ferritkörpers gegenüber der ersten Endfläche hin öffnen; die Wicklungen (103) so um den Transformatorkern herum durch die Mulden hindurch gewickelt sind, daß die Wicklungen nicht aus den Mulden über die Endflächen hinaus hervorstehen; die Mehrzahl von leitfähigen Kontaktlöchern (104–106) sich zu beiden besagten Endflächen hin erstreckt; wobei die leitfähigen Kontaktlöcher dazu dienen, im wesentlichen an der zweiten Endfläche an die Wicklungen anzuschließen.
Transformator nach Anspruch 3, wobei der Ferritkörper (100) weiterhin an der zweiten Endfläche (108) an jedem der leitfähigen Kontaktlöcher (104–106) eine Kerböffnung (207) zu einer der Mulden hin definiert; und jede Wicklung (103) an ihr entsprechendes Paar leitfähiger Kontaktlöcher durch ein Paar der Kerben hindurch anschließt; wobei weder die Wicklungen noch ihre Verbindungen mit den leitfähigen Kontaktlöchern aus den Mulden über die Endflächen hinaus hervorstehen.
Transformator nach Anspruch 4, weiterhin mit folgendem: einer flachen Platte (107) aus Material, das an dem Ferritkörper (100) an der zweiten Endfläche (108) anhaftet und eine der Mulden (208) bedeckt; wobei die flache Platte eine Oberfläche für mindestens eines von Vakuumaufnahme des Transformators und Etikettieren des Transformators bereitstellt.
Transformator nach Anspruch 1, wobei die leitfähigen Kontaktlöcher (104–106) in dem Ferritkörper (100) eingebettet sind; wodurch die leitfähigen Kontaktlöcher als Hochfrequenzfilter fungieren.
Transformator nach Anspruch 1, wobei der Ferritkörper (500) ein Paar Mulden (208, 209) definiert, die sich jeweils zu einer gegenüberliegenden Endfläche (108, 109) des Ferritkörpers hin öffnen, das Paar Schlitze (210, 211) sich durch den Ferritkörper hindurch zwischen Böden der Mulden erstreckt und der Transformatorkern (204) zwischen den Schlitzen an den Böden der Mulden liegt; die Primär- und die Sekundärwicklung (103) beide so durch die Schlitze und die Mulden um den Transformatorkern herum gewickelt sind, daß die Wicklungen nicht aus den Mulden über die Endflächen hinaus hervorstehen; die Mehrzahl von leitfähigen Kontaktlöchern (104–106) folgendes umfaßt: eine erste Mehrzahl von Paaren (104, 105, 106) von leitfähigen Kontaktlöchern, ein Paar für jede besagte Wicklung, die mindestens teilweise in den Ferritkörper (500) eingebettet sind und sich zu beiden besagten Endflächen des Ferritkörpers hin erstrecken, wobei jedes besagte Paar von leitfähigen Kontaktlöchern mit einer entsprechenden der Wicklungen verbunden ist; und der Ferritkörper weiterhin folgendes definiert: eine zweite Mehrzahl von Paaren von leitfähigen Kontaktlöchern (504, 505, 506), die mindestens teilweise im Ferritkörper eingebettet sind und sich zu beiden besagten Endflächen des Ferritkörpers hin erstrecken, wobei jedes besagte Paar der zweiten Mehrzahl für Verbindung mit einem Paar der ersten leitfähigen Kontaktlöcher (104, 105, 106) gedacht ist, die mit Wicklungen eines zweiten Transformators (100) verbunden sind, der am ersten Transformator an einer der Endflächen befestigt ist.
Transformator nach Anspruch 7, wobei jedes besagte Paar der zweiten Mehrzahl von leitfähigen Kontaktlöchern (504, 505, 506) zur Verbindung mit dem Paar von ersten leitfähigen Kontaktlöchern positioniert ist, die mit Wicklungen des zweiten Transformators (100) verbunden sind, der rechtwinklig zum ersten Transformator positioniert und an dem ersten Transformator an einer der Endflächen befestigt ist.
Transformator nach Anspruch 7, wobei der Ferritkörper (500) weiterhin an der einen Endfläche an jedem der leitfähigen Kontaktlöcher der ersten Mehrzahl eine Kerböffnung (207) zu einer der Mulden hin definiert; und jede Wicklung an ihr entsprechendes Paar von leitfähigen Kontaktlöchern der ersten Mehrzahl durch ein Paar der Kerben hindurch anschließt; wobei weder die Wicklungen noch ihre Verbindungen mit den leitfähigen Kontaktlöchern der ersten Mehrzahl aus der Mulde über die eine Endfläche hinaus hervorstehen.
Transformator nach Anspruch 7, wobei die leitfähigen Kontaktlöcher der ersten und der zweiten Mehrzahlen vollständig im Ferritkörper (500) eingebettet sind; wodurch die leitfähigen Kontaktlöcher als Hochfrequenzfilter fungieren.