EP2284848A1 - Übertrager - Google Patents

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Publication number
EP2284848A1
EP2284848A1 EP10172700A EP10172700A EP2284848A1 EP 2284848 A1 EP2284848 A1 EP 2284848A1 EP 10172700 A EP10172700 A EP 10172700A EP 10172700 A EP10172700 A EP 10172700A EP 2284848 A1 EP2284848 A1 EP 2284848A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
winding
core
primary
substrate
short
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP10172700A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP2284848B1 (de
Inventor
Jörg BLANKE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Phoenix Contact GmbH and Co KG
Original Assignee
Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Phoenix Contact GmbH and Co KG filed Critical Phoenix Contact GmbH and Co KG
Publication of EP2284848A1 publication Critical patent/EP2284848A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2284848B1 publication Critical patent/EP2284848B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F30/00—Fixed transformers not covered by group H01F19/00
    • H01F30/04—Fixed transformers not covered by group H01F19/00 having two or more secondary windings, each supplying a separate load, e.g. for radio set power supplies
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/02—Casings
    • H01F27/027—Casings specially adapted for combination of signal type inductors or transformers with electronic circuits, e.g. mounting on printed circuit boards
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/06—Mounting, supporting or suspending transformers, reactors or choke coils not being of the signal type

Definitions

  • the invention relates to a transformer having a primary core with a primary winding, a first secondary core with a first secondary winding and a second secondary core with a second secondary winding.
  • isolation amplifiers can be used for galvanic isolation, conversion, amplification and / or filtering of standard, standard signals and adaptation of analog signals.
  • the isolation amplifiers are often galvanically isolated from each other in the input, output and / or supply circuit. The separation avoids the influence of different sensor and actuator circuits among each other by interrupting the ground loops caused by grounding of the various circuits.
  • the galvanic isolation is carried out for example by inductive passive components, which have the property to transmit electrical energy.
  • a well-known from the prior art passive device is, for example, the transformer that allows the up or down transforming AC voltages.
  • a transformer which is not used for energy transmission, but is used for analog information transmission, is referred to in the art as a transformer.
  • Such a transformer can be used for the transmission of energy and / or signals, wherein both aforementioned electronic components according to the same principle of an inductive component function.
  • the electronic components of isolation amplifiers, in particular of the transformer mounted on printed circuit boards, wherein the circuit board is arranged in an insulating material and equipped with screw, plug or spring connection technology.
  • Such Isolierstoffgeophuse can be snapped onto mounting rails to EN 50022 and thus mounted, for example, in cabinets.
  • the known from the prior art transformers usually have a core and a plurality of windings on the core.
  • the core is designed, for example, as a magnetic core of a soft magnetic material, that is, for example, a ferrite, while the winding is preferably made of an insulated wire.
  • the output current or the output voltage are determined by the winding ratio in such transformers, which are usually high-impedance, or when designed as current transformers transformers that are usually short-circuited in the output.
  • the known from the prior art transformer several secondary windings, so that the output voltage is present at all secondary windings, regardless of whether the output is loaded or not. Each individual output current varies depending on the load and is independent of the load of the neighboring output.
  • a current transformer or transformer is known in which two or more cores are connected to each other by means of a short-circuit or coupling winding to a transformer or current transformer. Two or more windings are wound on the secondary core.
  • the output currents of the secondary windings of the transformer are the DE 10 2005 041 131 distributed unevenly depending on the initial loads.
  • such a non-calculable distribution of the output currents makes such transformers or current transformers unusable for many fields of application.
  • the invention has for its object to provide a transformer which has at least two outputs that reliably deliver the same power.
  • a transformer having a primary core with a primary winding, a first secondary core with a first secondary winding and a second secondary core with a second secondary winding, wherein the primary core, the first secondary core and the second secondary core are connected to each other via a short-circuit winding.
  • a transformer or a current transformer is specified, which provides an input signal at two outputs as "doubler" such that - with the same number of turns of the first secondary winding and the second secondary winding - the same signal is available at both outputs.
  • the transformer according to the invention in a particularly simple manner the provision of the same current at the two outputs allowed, wherein the currents do not divide unevenly, for example due to different loads. Due to the fact that both secondary windings are connected in series, the current in both secondary windings is the same for the same number of turns. For different number of turns of the secondary windings, the output currents of the secondary windings behave in accordance with the ratio of the number of turns of the secondary windings.
  • input or output is understood to be the primary winding or the first secondary winding and / or the second secondary winding. Accordingly, an input voltage is applied, for example, to the primary winding, while an output voltage is applied to a secondary winding.
  • the primary core, the first secondary core and / or the second secondary core may be formed as any core for - in cooperation with a winding - arbitrary inductive component.
  • the primary core, the first secondary core and / or the second secondary core comprises a magnetic core of a soft magnetic material, but most preferably a ferrite core.
  • the primary winding, the first secondary winding, the second secondary winding and / or the short-circuit winding are / is preferably designed as an electrical conductor, such as a wire, but most preferably as an insulated wire.
  • any current can be applied to the primary winding, the first secondary winding and / or the second secondary winding.
  • the transformer is with a current of 0 to 5, 10, 20, 50th and / or 100 mA at the primary winding and / or at a secondary winding.
  • the short-circuit winding can be configured as desired. Most preferably, however, the short-circuit winding is self-contained, that is, for example, has a self-contained winding. Furthermore, it is preferred that the short-circuit winding has one, two, five or ten windings.
  • the number of turns of the first secondary winding and / or the second secondary winding can be arbitrary.
  • the number of turns of the first secondary winding is equal to the number of turns of the second secondary winding.
  • the primary core, the first secondary core and the second secondary core each have a center hole, wherein the primary winding, the first secondary winding and the second secondary winding are guided through the respective center hole and the short-circuit winding is passed through the respective center hole.
  • the primary core, the first secondary core and the second secondary core each form an inductive component, wherein the primary core, the first secondary core and the second secondary core preferably comprise a magnetic core of a soft magnetic material and the primary winding, the first secondary winding and the second secondary winding and the short-circuit winding are preferably made of insulated wire.
  • the dimensioning of the primary winding, the first secondary winding, the second secondary winding and / or the short-circuit winding can be carried out with regard to the expected voltages, currents and the number of turns.
  • the transmitter may be manufactured as any electrical component in any manner known in the art. According to a particularly preferred embodiment of the invention, however, it is provided that the transmitter has a substrate for provision on a printed circuit board, the substrate has a conductor track and the primary core, the first secondary core and / or the second secondary core can be fastened to the substrate such that the Ladder forms the short circuit winding.
  • the transmitter has a substrate for provision on a printed circuit board, the substrate has a conductor track and the primary core, the first secondary core and / or the second secondary core can be fastened to the substrate such that the Ladder forms the short circuit winding.
  • the transformer according to the invention is further configured such that the requirements for clearance and creepage distances according to the standards for ensuring intrinsic safety, also called EX standards, are met, such as the standards EN 60079-11 or EN 60079-0, that is, the primary core with the primary winding, the first secondary winding with the first secondary winding, the second secondary core with the second secondary winding and the short-circuit winding according to the EX standards dimensioned and positioned on the substrate.
  • the Conductor is dimensioned according to the expected currents and / or voltages of the short-circuit winding.
  • the conductor track is provided within the substrate, so that the substrate forms the insulation for the conductor track.
  • the substrate can also be configured as a circuit board known from the prior art for receiving the primary core and the secondary cores.
  • a second conductor track is provided on the substrate and / or on the circuit board and the conductor track is connected to the second conductor track for forming the short-circuit winding.
  • a completed short-circuit winding is provided by such a configuration.
  • the primary winding, the secondary winding, the second secondary winding and / or the short-circuit winding can be contacted with any means known from the prior art.
  • the substrate has contact surfaces for contacting the printed circuit board and / or for contacting the primary winding, the first secondary winding, the second secondary winding and / or the short-circuit winding.
  • the contact surfaces may be metallic, for example, so that by soldering, bonding or other known from the prior art means electrically conductive connections between the circuit board, the conductor track, the primary winding, the first Secondary winding, the second secondary winding, the short-circuit winding and / or external contacts can be produced.
  • soldering, bonding or other known from the prior art means electrically conductive connections between the circuit board, the conductor track, the primary winding, the first Secondary winding, the second secondary winding, the short-circuit winding and / or external contacts can be produced.
  • about such contact surfaces for example, in a particularly simple manner, an electrically conductive contact to
  • the substrate has webs for receiving the primary core, the first secondary core and / or the second secondary core, wherein the conductor track is provided in the web. Furthermore, it is preferred that the substrate has two oppositely arranged webs, the primary core is arranged on the first web and the first secondary core and the second secondary core are arranged on the second web. Most preferably, the first web and the second web are arranged spaced from each other. Furthermore, it is preferred that the conductor track of at least 0.5 mm insulating material, so for example, the substrate is surrounded. In this way, the requirements of the EX standards can be realized.
  • the primary winding, the first secondary winding and the second secondary winding by appropriate arrangement of the primary winding, the first secondary winding and the second secondary winding, the necessary to comply with the EX standards distances, and clearance and creepage distances for safe galvanic isolation, be ensured by arranging on oppositely oriented webs.
  • the short-circuit winding is uniformly distributed on both sides of the oppositely disposed webs, resulting in an improved coupling of the inductive components thus formed.
  • first secondary winding and the second secondary winding which preferably on one of the oppositely arranged webs are arranged side by side, isolated by insulation against each other.
  • insulation may be embodied, for example, as a circular disk made of a non-conductive material, wherein the insulation preferably has a center hole, so that the insulation can also be arranged on the web as the first secondary core and the second secondary core.
  • the substrate is designed as a planar substrate and / or the substrate is mountable on the printed circuit board in SMD technology. Furthermore, it is preferable for the substrate to have a suction surface, so that a vacuum suction device can suck in, transport the substrate, position it over the printed circuit board and deposit it.
  • the transformer is realized in a particularly space-saving manner and can also be used in limited space.
  • the short-circuit winding has at least one winding.
  • the primary core, the first secondary core and / or the second secondary core are each embodied as toroidal cores or as rectangular cores.
  • Very particularly preferred is the use of a transformer according to the invention as a current transformer.
  • the transformer has at least three secondary cores, each secondary core has a respective secondary winding, and the primary core and the secondary cores are connected to each other via the short-circuit winding. Accordingly, it is therefore preferred that the Transmitter in addition to the first secondary core and the second secondary core has at least one further secondary core with a respective further secondary winding, wherein the other secondary cores and the primary core, the first secondary core and the second secondary core are also connected to each other via the short-circuit winding. Further embodiments of the other secondary cores or further secondary windings are obtained in analogy to the above.
  • Fig. 1-3 is a transformer with a primary core 1 with a primary winding 2, a first secondary core 3 with a first secondary winding 4 and a second secondary core 5 with a second secondary winding 6 visible.
  • the primary core 1, the first secondary core 3 and the second secondary core 5 are connected to each other via a short-circuit winding 7.
  • Such a transformer or current transformer is used to transmit power or signals galvanically isolated.
  • the number of turns N1, N2, N3 determine the output current 12, 13 or the output voltage U2, U3, depending on the input current I1 or the input voltage U1.
  • current transformers are usually short-circuited in the output, ie at the secondary winding 4, 6, while voltage transformers are terminated in the high-impedance output.
  • the transformer As a current transformer, as stated above, the secondary windings 4, 6 operated in a short circuit, so that a primary side impressed current I1 in the secondary circuits 12, 13 can flow.
  • a current I1 is impressed into the current transformer on the primary side, it is transformed into the short-circuit winding 7 with the transmission ratio of N1 to NK.
  • this transformed current IK flows as a primary current through the other partial transformers, ie the secondary cores 3, 5 with the secondary windings 4, 6, and is transformed down again with the transmission ratio NK to N2 or N3.
  • the transformer according to the invention or current transformer thus allows the galvanic separation of an input signal U1, I1 to two output signals U2, 12, U3, 13 such that the same current flows at both outputs 12, 13 and the currents 12, 13 at the same number of turns of Do not divide windings N2 and N3 unevenly.
  • Fig. 3 shows an integratable into a printed circuit transformer SMD technology according to the invention, wherein the primary core 1, the first secondary core 3 and the second secondary core 5 having a magnetic core of a soft magnetic material, wherein the magnetic core each having a center hole, not shown, through that the primary winding 2, the first secondary winding 4 and the second secondary winding 6 and a short-circuit winding 7 designed as a conductor track are guided.
  • the designed as a conductor short-circuit winding 7 is arranged in a substrate 8.
  • the substrate 8 webs 9 for receiving the primary core 2, the first secondary core 3 and the second secondary core 5, wherein the conductor track is arranged in the web 9.
  • the primary core 2 is arranged on a first web 9 and the first secondary core 3 and the second secondary core 5 are arranged on a second web 9 at a distance from one another.
  • an insulation 10 is provided between the first secondary winding 4 and the second secondary winding 6, wherein the insulation 10 is made of an insulating material.
  • the substrate 8 also has a second conductor 11, wherein the second conductor 11 and / or provided on the circuit board trace, not shown, for forming the closed short-circuit winding 7 is usable.
  • the first secondary winding 4, the second secondary winding 6, the short-circuit winding 7 and the second conductor 11 metallic contact surfaces 12 are provided, which in known from the prior art, for example by soldering, with corresponding contacts the circuit board are connectable.
  • the transformer according to the invention thus allows in a particularly simple and compact design to provide two equal secondary-side currents 12, 13, which are the same number of turns of the windings N2 and N3 regardless of the load.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)
  • Coils Of Transformers For General Uses (AREA)
  • Transformers For Measuring Instruments (AREA)

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Übertrager mit einem Primärkern (1) mit einer Primärwicklung (2), einem ersten Sekundärkern (3) mit einer ersten Sekundärwicklung (4) und einem zweiten Sekundärkern (5) mit einer zweiten Sekundärwicklung (6), wobei der Primärkern (1), der erste Sekundärkern (3) und der zweite Sekundärkern (5) über eine Kurzschlusswicklung (7) miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß wird damit ein Übertrager angegeben, der als "Verdoppler" ein Eingangssignal an zwei Ausgängen derart zur Verfügung stellt, dass - bei gleicher Windungszahl der ersten Sekundärwicklung (4) und der zweiten Sekundärwicklung (6) - an beiden Ausgängen das gleiche Signal zur Verfügung steht.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Übertrager mit einem Primärkern mit einer Primärwicklung, einem ersten Sekundärkern mit einer ersten Sekundärwicklung und einem zweiten Sekundärkern mit einer zweiten Sekundärwicklung.
  • Aus der Interface-Technik sind elektronische Bauelemente, wie beispielsweise modulare Konverter für die Mess-, Steuer- und Regelungstechnik, und insbesondere Trennverstärker bekannt. Derartige Trennverstärker können zur galvanischen Trennung, Umsetzung, Verstärkung und/oder Filterung von Standard-, Normsignalen und Anpassung analoger Signale benutzt werden. Die Trennverstärker sind vielfach im Eingangs-, Ausgangs- und/oder Versorgungskreis galvanisch voneinander getrennt. Durch die Trennung wird die Beeinflussung verschiedener Sensor- und Aktorkreise untereinander dadurch vermieden, dass die Erdschleifen, die durch Erdung der verschiedenen Stromkreise entstehen, unterbrochen werden.
  • Die galvanische Trennung erfolgt dabei beispielsweise durch induktive passive Bauelemente, welche die Eigenschaft besitzen, elektrische Energie zu übertragen. Ein aus dem Stand der Technik bekanntes passives Bauelement ist beispielsweise der Transformator, der das Herauf- oder Heruntertransformieren von Wechselspannungen ermöglicht. Ein Transformator, der nicht zur Energieübertragung benutzt wird, sondern zu analogen Informationsübertragung eingesetzt wird, wird im Stand der Technik als Übertrager bezeichnet. Ein derartiger Übertrager kann für die Übertragung von Energie und/oder von Signalen eingesetzt werden, wobei beide vorgenannten elektronischen Bauteile nach dem gleichen Prinzip eines induktiven Bauelements funktionieren. Vielfach sind die elektronischen Bauteile von Trennverstärkern, insbesondere des Übertragers, auf Leiterplatten montiert, wobei die Leiterplatte in einem Isolierstoffgehäuse angeordnet und mit Schraub-, Steck- oder Federanschlusstechnik ausgestattet ist. Derartige Isolierstoffgehäuse sind auf Tragschienen nach EN 50022 aufrastbar und somit beispielsweise in Schaltschränken montierbar.
  • Die aus dem Stand der Technik bekannten Übertrager weisen in der Regel einen Kern und mehrere Wicklungen auf dem Kern auf. Dabei ist der Kern beispielsweise als ein Magnetkern aus einem weichmagnetischen Material ausgeführt, also beispielsweise ein Ferrit, während die Wicklung vorzugsweise aus einem isolierten Draht ausgeführt ist. Der Ausgangsstrom bzw. die Ausgangsspannung werden bei derartigen Übertragern, die in der Regel hochohmig abgeschlossen sind, bzw. bei als Stromwandlern ausgeführten Übertragern, die üblicherweise im Ausgang kurzgeschlossen sind, über das Wicklungsverhältnis bestimmt. Vielfach weisen die aus dem Stand der Technik bekannten Übertrager mehrere Sekundärwicklungen auf, so dass die Ausgangsspannung an allen Sekundärwicklungen ansteht, unabhängig davon, ob der Ausgang belastet wird oder nicht. Dabei variiert jeder einzelne Ausgangsstrom je nach Belastung und ist unabhängig von der Belastung des Nachbarausgangs.
  • Aus der DE 10 2005 041 131 ist ein Stromwandler bzw. Übertrager bekannt, bei dem zwei oder mehr Kerne mittels einer Kurzschluss- bzw. Koppelwicklung miteinander zu einem Übertrager bzw. Stromwandler verbunden sind. Dabei werden zwei oder mehr Wicklungen auf den Sekundärkern gewickelt. Ebenso wie bei den anderen aus dem Stand der Technik bekannten und beispielsweise oben erwähnten Übertragern, sind die Ausgangsströme der Sekundärwicklungen des Übertragers der DE 10 2005 041 131 in Abhängigkeit von den Ausgangslasten ungleichmäßig verteilt. Eine derartige nicht kalkulierbare Aufteilung der Ausgangsströme lässt derartige Übertrager bzw. Stromwandler für viele Einsatzbereiche jedoch unbrauchbar werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Übertrager zur Verfügung zu stellen, der wenigstens zwei Ausgänge aufweist, die auf verlässliche Weise den gleichen Strom liefern.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Demnach erfolgt die Lösung der Aufgabe durch einen Übertrager mit einem Primärkern mit einer Primärwicklung, einem ersten Sekundärkern mit einer ersten Sekundärwicklung und einem zweiten Sekundärkern mit einer zweiten Sekundärwicklung, wobei der Primärkern, der erste Sekundärkern und der zweite Sekundärkern über eine Kurzschlusswicklung miteinander verbunden sind.
  • Erfindungsgemäß wird damit ein Übertrager bzw. ein Stromwandler angegeben, der als "Verdoppler" ein Eingangssignal an zwei Ausgängen derart zur Verfügung stellt, dass - bei gleicher Windungszahl der ersten Sekundärwicklung und der zweiten Sekundärwicklung - an beiden Ausgängen das gleiche Signal zur Verfügung steht. Überraschenderweise wurde gefunden, dass der erfindungsgemäße Übertrager auf besonders einfache Weise die Bereitstellung des gleichen Stromes an den beiden Ausgängen erlaubt, wobei sich die Ströme nicht, beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Lasten, ungleichmäßig aufteilen. Dadurch, dass sich beide Sekundärwicklungen in einer Reihenschaltung befinden, ist der Strom in beiden Sekundärwicklungen bei gleichen Windungszahlen gleich groß. Bei unterschiedlichen Windungszahlen der Sekundärwicklungen verhalten sich die Ausgangströme der Sekundärwicklungen entsprechend dem Verhältnis der Windungszahlen der Sekundärwicklungen.
  • Unter Eingang bzw. Ausgang werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Primärwicklung bzw. die erste Sekundärwicklung und/oder die zweite Sekundärwicklung verstanden. Eine Eingangsspannung liegt demnach beispielsweise an der Primärwicklung an, während eine Ausgangsspannung an einer Sekundärwicklung anliegt.
  • Der Primärkern, der erste Sekundärkern und/oder der zweite Sekundärkern können als ein beliebiger Kern für ein - in Zusammenwirkung mit einer Wicklung - beliebiges induktives Bauelement ausgebildet sein. Vorzugsweise weist der Primärkern, der erste Sekundärkern und/oder der zweite Sekundärkern einen Magnetkern aus einem weichmagnetischen Material auf, ganz besonders bevorzugt jedoch einen Ferritkern. Die Primärwicklung, die erste Sekundärwicklung, die zweite Sekundärwicklung und/oder die Kurzschlusswicklung sind/ist vorzugsweise als ein elektrischer Leiter, wie ein Draht, jedoch ganz besonders bevorzugt als ein isolierter Draht ausgeführt. Grundsätzlich lässt sich ein beliebiger Strom an die Primärwicklung, die erste Sekundärwicklung und/oder die zweite Sekundärwicklung anlegen. Bevorzugter Weise wird der Übertrager jedoch mit einem Strom von 0 bis 5, 10, 20, 50 und/oder 100 mA an der Primärwicklung und/oder an einer Sekundärwicklung betrieben.
  • Wie vorab erwähnt, kann die Kurzschlusswicklung beliebig ausgestaltet sein. Ganz besonders bevorzugt ist die Kurzschlusswicklung jedoch in sich abgeschlossen, also beispielsweise eine in sich geschlossene Wicklung aufweist. Weiterhin ist bevorzugt, dass die Kurzschlusswicklung eine, zwei, fünf oder zehn Wicklungen aufweist.
  • Grundsätzlich kann die Windungszahl der ersten Sekundärwicklung und/oder der zweiten Sekundärwicklung beliebig sein. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Windungszahl der ersten Sekundärwicklung gleich der Windungszahl der zweiten Sekundärwicklung. Durch eine derartige Ausgestaltung wird erreicht, dass die Ströme in den beiden Sekundärwicklungen, also in der ersten Sekundärwicklung und der zweiten Sekundärwicklung, gleich groß sind, sich also auch bei ungleichmäßiger Last an der ersten Sekundärwicklung und an der zweiten Sekundärwicklung sich nicht ungleichmäßig aufteilen sondern gleich sind.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen der Primärkern, der erste Sekundärkern und der zweite Sekundärkern jeweils ein Mittelloch auf, wobei die Primärwicklung, die erste Sekundärwicklung und die zweite Sekundärwicklung durch das jeweilige Mittelloch geführt sind und die Kurzschlusswicklung durch das jeweilige Mittelloch geführt ist. Derartig ausgestaltet, bilden der Primärkern, der erste Sekundärkern und der zweite Sekundärkern jeweils ein induktives Bauelement aus, wobei der Primärkern, der erste Sekundärkern und der zweite Sekundärkern vorzugsweise einen Magnetkern aus einem weichmagnetischen Material aufweisen und die Primärwicklung, die erste Sekundärwicklung und die zweite Sekundärwicklung sowie die Kurzschlusswicklung vorzugsweise aus isoliertem Draht ausgeführt sind. Die Dimensionierung der Primärwicklung, der ersten Sekundärwicklung, der zweiten Sekundärwicklung und/oder der Kurzschlusswicklung kann dabei hinsichtlich der zu erwartenden Spannungen, Ströme und der Windungszahlen erfolgen.
  • Grundsätzlich kann der Übertrager als ein beliebiges elektrisches Bauelement in einer beliebigen aus dem Stand der Technik bekannten Fertigungsweise hergestellt werden. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass der Übertrager ein Substrat zum Vorsehen auf einer Leiterplatte aufweist, das Substrat eine Leiterbahn aufweist und der Primärkern, der erste Sekundärkern und/oder der zweite Sekundärkern auf dem Substrat derart befestigbar sind, dass die Leiterbahn die Kurzschlusswicklung ausbildet. Dadurch lässt sich ein Übertrager in besonders platzsparender Weise mit geringer Bauhöhe herstellen, der besonders einfach auf aus dem Stand der Technik bekannten Leiterplatten montierbar ist.
  • Ganz besonders bevorzugt ist der erfindungsgemäße Übertrager weiterhin derart ausgestaltet, dass die Anforderungen für die Luft- und Kriechstrecken gemäß den Normen zur Sicherstellung der Eigensicherheit, auch EX-Normen genannt, erfüllt sind, wie der Normen EN 60079-11 oder EN 60079-0, also der Primärkern mit der Primärwicklung, der erste Sekundärwicklung mit der ersten Sekundärwicklung, der zweite Sekundärkern mit der zweiten Sekundärwicklung und die Kurzschlusswicklung entsprechend den EX-Normen auf dem Substrat dimensioniert und positioniert sind. Ebenfalls ist bevorzugt, dass die Leiterbahn entsprechend der zu erwartenden Ströme und/oder Spannungen der Kurzschlusswicklung dimensioniert ist. Dabei ist weiterhin bevorzugt, dass die Leiterbahn innerhalb des Substrats vorgesehen ist, so dass das Substrat die Isolierung für die Leiterbahn ausbildet. Das Substrat kann ebenfalls als eine aus dem Stand der Technik bekannte Leiterplatte zum Aufnehmen des Primärkerns sowie der Sekundärkerne ausgestaltet sein.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine zweite Leiterbahn auf dem Substrat und/oder auf der Leiterplatte vorgesehen ist und die Leiterbahn mit der zweiten Leiterbahn zur Ausbildung der Kurzschlusswicklung verbunden ist. Ganz besonders bevorzugt wird durch eine derartige Ausgestaltung eine abgeschlossene Kurzschlusswicklung bereitgestellt. Das Vorsehen einer zweiten Leiterbahn auf dem Substrat und/oder auf der Leiterplatte ermöglicht also eine besonders einfache Ausbildung der Kurzschlusswicklung.
  • Grundsätzlich kann die Primärwicklung, die Sekundärwicklung, die zweite Sekundärwicklung und/oder die Kurzschlusswicklung mit beliebigen aus dem Stand der Technik bekannten Mitteln kontaktiert werden. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass das Substrat Kontaktflächen zum Kontaktieren der Leiterplatte und/oder zum Kontaktieren der Primärwicklung, der ersten Sekundärwicklung, der zweiten Sekundärwicklung und/oder der Kurzschlusswicklung aufweist. Die Kontaktflächen können beispielsweise metallisch ausgeführt sein, so dass durch Löten, Bonden oder anderen aus dem Stand der Technik bekannten Mitteln elektrisch leitende Verbindungen zwischen der Leiterplatte, der Leiterbahn, der Primärwicklung, der ersten Sekundärwicklung, der zweiten Sekundärwicklung, der Kurzschlusswicklung und/oder externen Kontakten herstellbar sind. Über derartige Kontaktflächen kann beispielsweise auf besonders einfache Weise ein elektrisch leitender Kontakt zu einer Ansteuerschaltung für den Übertrager hergestellt werden.
  • Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Substrat Stege zum Aufnehmen des Primärkerns, des ersten Sekundärkerns und/oder des zweiten Sekundärkerns auf, wobei die Leiterbahn in dem Steg vorgesehen ist. Weiterhin ist bevorzugt, dass das Substrat zwei entgegengesetzt angeordnete Stege aufweist, der Primärkern auf dem ersten Steg angeordnet ist und der erste Sekundärkern und der zweite Sekundärkern auf dem zweiten Steg angeordnet sind. Ganz besonders bevorzugt sind der erste Steg und der zweite Steg zueinander beabstandet angeordnet. Weiterhin ist bevorzugt, dass die Leiterbahn von mindestens 0,5 mm Isoliermaterial, also beispielsweise dem Substrat, umgeben ist. Derart ausgestaltet sind die Anforderungen der EX-Normen realisierbar. Weiterhin können durch entsprechende Anordnung der Primärwicklung, der ersten Sekundärwicklung und der zweiten Sekundärwicklung, die zur Einhaltung der EX-Normen notwendigen Abstände, sowie Luft- und Kriechstrecken zur sicheren galvanischen Trennung, durch Anordnung auf entgegengesetzt ausgerichteten Stegen gewährleistet werden. Ganz besonders bevorzugt ist die Kurzschlusswicklung gleichmäßig auf beiden Seiten der entgegengesetzt angeordneten Stege verteilt, was zu einer verbesserten Kopplung der derart ausgebildeten induktiven Bauelemente führt.
  • Weiterhin ist bevorzugt, dass die erste Sekundärwicklung und die zweite Sekundärwicklung, welche vorzugsweise auf einem der entgegengesetzt angeordneten Stege nebeneinander angeordnet sind, durch eine Isolierung gegeneinander isoliert sind. Eine derartige Isolierung kann beispielsweise als eine kreisrunde Scheibe aus einem nichtleitenden Material ausgeführt sein, wobei die Isolierung vorzugsweise ein Mittelloch aufweist, so dass die Isolierung ebenfalls wie der erste Sekundärkern und der zweite Sekundärkern auf dem Steg angeordnet werden kann.
  • Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Substrat als ein planares Substrat ausgeführt und/oder ist das Substrat auf der Leiterplatte in SMD-Technik befestigbar. Weiterhin ist bevorzugt, dass das Substrat eine Ansaugfläche aufweist, so dass eine Unterdruck-Saugeinrichtung das Substrat ansaugen, transportieren, über die Leiterplatte positionieren und ablegen kann. Durch Ausführung in SMD-Technik ist der Übertrager besonders platzsparend realisiert und auch bei begrenzten Platzverhältnissen einsetzbar.
  • Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Kurzschlusswicklung wenigstens eine Wicklung auf. Weiterhin ist bevorzugt, dass der Primärkern, der erste Sekundärkern und/oder der zweite Sekundärkern jeweils als Ringkerne oder als rechteckige Kerne ausgeführt sind. Ganz besonders bevorzugt ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Übertragers als Stromwandler.
  • Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Übertrager wenigstens drei Sekundärkerne aufweist, wobei jeder Sekundärkern eine jeweilige Sekundärwicklung aufweist, und der Primärkern und die Sekundärkerne über die Kurzschlusswicklung miteinander verbunden sind. Demnach ist also bevorzugt, dass der Übertrager zusätzlich zu dem ersten Sekundärkern und dem zweiten Sekundärkern wenigstens einen weiteren Sekundärkern mit einer jeweiligen weiteren Sekundärwicklung aufweist, wobei die weiteren Sekundärkerne sowie der Primärkern, der erste Sekundärkern und der zweite Sekundärkern ebenfalls über die Kurzschlusswicklung miteinander verbunden sind. Weitere Ausgestaltungen zu den weiteren Sekundärkernen bzw. weiteren Sekundärwicklungen ergeben sich in Analogie zu dem vorab Ausgeführten.
  • Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand einer bevorzugten Ausführungsform näher erläutert.
  • Es zeigen
    • Fig. 1
    einen erfindungsgemäßen Übertrager gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Ansicht,
    Fig. 2
    das Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Übertragers gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
    Fig. 3
    den erfindungsgemäßen Übertrager auf einem Substrat gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Draufsicht.
  • Aus Fig. 1-3 ist ein Übertrager mit einem Primärkern 1 mit einer Primärwicklung 2, einem ersten Sekundärkern 3 mit einer ersten Sekundärwicklung 4 und einem zweiten Sekundärkern 5 mit einer zweiten Sekundärwicklung 6 ersichtlich. Der Primärkern 1, der erste Sekundärkern 3 und der zweite Sekundärkern 5 sind über eine Kurzschlusswicklung 7 miteinander verbunden.
  • Ein derartiger Übertrager bzw. Stromwandler wird eingesetzt, um Energie oder Signale galvanisch getrennt zu übertragen. Die Windungszahlen N1, N2, N3 bestimmen dabei den Ausgangsstrom 12, 13 bzw. die Ausgangsspannung U2, U3, in Abhängigkeit des Eingangsstrom I1 bzw. der Eingangsspannung U1. Dabei werden Stromwandler in der Regel im Ausgang, also an der Sekundärwicklung 4, 6 kurzgeschlossen, während Spannungsübertrager im Ausgang hochohmig abgeschlossen werden.
  • Bei der Verwendung des Übertragers als Stromwandler werden, wie vorab ausgeführt, die Sekundärwicklungen 4, 6 im Kurzschluss betrieben, so dass ein primärseitig eingeprägter Strom I1 in den Sekundärkreisen 12, 13 fließen kann. Wird also primärseitig ein Strom I1 in den Stromwandler eingeprägt, so wird er mit dem Übersetzungsverhältnis von N1 zu NK in die Kurzschlusswicklung 7 hochtransformiert.
  • Wie ebenfalls aus dem Ersatzschildbild des erfindungsgemäßen Übertragers in Fig. 2 ersichtlich, fließt dieser transformierte Strom IK als Primärstrom durch die weiteren Teilübertrager, also den Sekundärkernen 3, 5 mit den Sekundärwicklungen 4, 6, und wird mit dem Übersetzungsverhältnis NK zu N2 bzw. N3 wieder herunter transformiert. Bei gleicher Windungszahl der Wicklungen N2 und N3 fließen in beiden Sekundärwicklungen 4, 6 die gleichen Ströme 12, 13, weil der Primärstrom, also der Kurzschlussstrom IK der Teilübertrager, ebenfalls gleich groß ist.
  • Überraschenderweise wurde gefunden, dass bei gleicher Windungszahl der Wicklungen N2 und N3 in der ersten Sekundärwicklung 4 sowie in der zweiten Sekundärwicklung 6 die gleichen Ströme 12 bzw. 13 fließen. Der erfindungsgemäße Übertrager bzw. Stromwandler erlaubt also die galvanische Trennung eines Eingangssignals U1, I1 auf zwei Ausgangssignale U2, 12, U3, 13 derart, dass an beiden Ausgängen der gleiche Strom 12, 13 fließt und sich die Ströme 12, 13 bei gleicher Windungszahl der Wicklungen N2 und N3 nicht ungleichmäßig aufteilen.
  • Fig. 3 zeigt einen in eine Leiterplatte integrierbaren Übertrager in SMD-Technik gemäß der Erfindung, wobei der Primärkern 1, der erste Sekundärkern 3 und der zweite Sekundärkern 5 einen Magnetkern aus einem weichmagnetischen Material aufweisen, wobei der Magnetkern jeweils ein Mittelloch, nicht dargestellt, aufweist, durch das die Primärwicklung 2, die erste Sekundärwicklung 4 bzw. die zweite Sekundärwicklung 6 sowie eine als Leiterbahn ausgeführte Kurzschlusswicklung 7 geführt sind. Die als Leiterbahn ausgeführte Kurzschlusswicklung 7 ist dabei in einem Substrat 8 angeordnet.
  • Wie ferner aus Fig. 3 ersichtlich, weist das Substrat 8 Stege 9 zum Aufnehmen des Primärkerns 2, des ersten Sekundärkerns 3 und des zweiten Sekundärkerns 5 auf, wobei die Leiterbahn in dem Steg 9 angeordnet ist. Der Primärkern 2 ist auf einem ersten Steg 9 angeordnet und der erste Sekundärkern 3 und der zweite Sekundärkern 5 sind auf einem zweiten Steg 9 beabstandet zueinander angeordnet. Durch eine derartige Beabstandung, also entsprechend hoher Luft- und Kriechstrecken zur sicheren galvanischen Trennung der Primärwicklung 2 und der Sekundärwicklungen 4, 6 lassen sich die zum Erreichen der in den EX-Normen notwendigen Abstände realisieren.
  • Weiterhin ist eine Isolierung 10 zwischen der ersten Sekundärwicklung 4 und der zweiten Sekundärwicklung 6 vorgesehen, wobei die Isolierung 10 aus einem isolierenden Material ausgeführt ist.
  • Das Substrat 8 weist zudem eine zweite Leiterbahn 11 auf, wobei die zweite Leiterbahn 11 und/oder eine auf der Leiterplatte vorgesehene Leiterbahn, nicht dargestellt, zur Ausbildung der geschlossenen Kurzschlusswicklung 7 verwendbar ist.
  • Zum Kontaktieren der Leiterplatte und der Primärwicklung 2, der ersten Sekundärwicklung 4, der zweiten Sekundärwicklung 6, der Kurzschlusswicklung 7 sowie der zweiten Leiterbahn 11 sind metallische Kontaktflächen 12 vorgesehen, welche in aus dem Stand der Technik bekannter Weise, beispielsweise durch Löten, mit entsprechenden Kontakten der Leiterplatte verbindbar sind.
  • Der erfindungsgemäße Übertrager erlaubt somit in besonders einfacher und kompakter Bauweise das Bereitstellen zweier gleicher sekundärseitiger Ströme 12, 13, welche bei gleicher Windungszahl der Wicklungen N2 und N3 unabhängig von der Last gleich sind.
    • Bezugszeichenliste
    • Primärkern
    1
    Primärwicklung
    2
    Erster Sekundärkern
    3
    Erste Sekundärwicklung
    4
    Zweiter Sekundärkern
    5
    Zweite Sekundärwicklung
    6
    Kurzschlusswicklung
    7
    Substrat
    8
    Steg
    9
    Isolation
    10
    Zweite Leiterbahn
    11
    Kontaktfläche
    12

Claims (15)

  1. Übertrager mit
    einem Primärkern (1) mit einer Primärwicklung (2), einem ersten Sekundärkern (3) mit einer ersten Sekundärwicklung (4) und einem zweiten Sekundärkern (5) mit einer zweiten Sekundärwicklung (6), wobei der Primärkern (1), der erste Sekundärkern (3) und der zweite Sekundärkern (5) über eine Kurzschlusswicklung (7) miteinander verbunden sind.
  2. Übertrager nach Anspruch 1, wobei die Kurzschlusswicklung (7) in sich abgeschlossen ist.
  3. Übertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Windungszahl der ersten Sekundärwicklung (4) gleich der Windungszahl der zweiten Sekundärwicklung (6) ist.
  4. Übertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Primärkern (1), der erste Sekundärkern (3) und der zweite Sekundärkern (5) jeweils ein Mittelloch aufweisen, die Primärwicklung (2), die erste Sekundärwicklung (4) und die zweite Sekundärwicklung (6) durch das jeweilige Mittelloch geführt sind und die Kurzschlusswicklung (7) durch das jeweilige Mittelloch geführt ist.
  5. Übertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Übertrager ein Substrat (8) zum Vorsehen auf einer Leiterplatte aufweist, das Substrat (8) eine Leiterbahn aufweist und der Primärkern (1), der erste Sekundärkern (3) und/oder der zweite Sekundärkern (5) auf dem Substrat derart befestigbar sind, dass die Leiterbahn die Kurzschlusswicklung (7) ausbildet.
  6. Übertrager nach Anspruch 5, wobei eine zweite Leiterbahn (11) auf dem Substrat und/oder auf der Leiterplatte vorgesehen ist und die Leiterbahn mit der zweiten Leiterbahn (11) zur Ausbildung der Kurzschlusswicklung (7) verbunden ist.
  7. Übertrager nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei das Substrat (8) Kontaktflächen (12) zum Kontaktieren der Leiterplatte und/oder zum Kontaktieren der Primärwicklung (2), der ersten Sekundärwicklung (4), der zweiten Sekundärwicklung (6) und/oder der Kurschlusswicklung (7) aufweist.
  8. Übertrager nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das Substrat (8) Stege (9) zum Aufnehmen des Primärkerns (1), des ersten Sekundärkerns (3) und/oder des zweiten Sekundärkerns (5) aufweist und die Leiterbahn in dem Steg (9) vorgesehen ist.
  9. Übertrager nach Anspruch 8, wobei das Substrat (8) zwei entgegengesetzt angeordnete Stege (9) aufweist, der Primärkern (1) auf dem ersten Steg (9) angeordnet ist und der erste Sekundärkern (3) und der zweite Sekundärkern (5) auf dem zweiten Steg (9) angeordnet sind.
  10. Übertrager nach Anspruch 9, wobei der erste Steg (9) und der zweite Steg (9) zueinander beabstandet angeordnet sind.
  11. Übertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Sekundärwicklung (4) und die zweite Sekundärwicklung (6) durch eine Isolierung (10) gegeneinander isoliert sind.
  12. Übertrager nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei das Substrat (8) ein planares Substrat ist und/oder das Substrat (8) auf der Leiterplatte in SMD-Technik befestigbar ist.
  13. Übertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kurzschlusswicklung (7) wenigstens eine Wicklung aufweist.
  14. Übertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Primärkern (1), der erste Sekundärkern (3) und/oder der zweite Sekundärkerne (5) jeweils als Ringkerne oder als rechteckige Kerne ausgeführt sind.
  15. Übertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens drei Sekundärkernen (3, 5), wobei jeder Sekundärkern (3, 5) eine jeweilige Sekundärwicklung (4, 6) aufweist, und der Primärkern (1) und die Sekundärkerne (3, 5) über die Kurzschlusswicklung (7) miteinander verbunden sind.
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