EP3523815A1 - Planarer übertrager mit integriertem ringkern - Google Patents

Planarer übertrager mit integriertem ringkern

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Publication number
EP3523815A1
EP3523815A1 EP17778305.7A EP17778305A EP3523815A1 EP 3523815 A1 EP3523815 A1 EP 3523815A1 EP 17778305 A EP17778305 A EP 17778305A EP 3523815 A1 EP3523815 A1 EP 3523815A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
circuit
transformer
layer
conductive layer
conductor
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.)
Withdrawn
Application number
EP17778305.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Scholz
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 EP3523815A1 publication Critical patent/EP3523815A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2804—Printed windings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F19/00—Fixed transformers or mutual inductances of the signal type
    • H01F19/04—Transformers or mutual inductances suitable for handling frequencies considerably beyond the audio range
    • H01F19/08—Transformers having magnetic bias, e.g. for handling pulses
    • 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
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2895—Windings disposed upon ring cores
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F19/00—Fixed transformers or mutual inductances of the signal type
    • H01F19/04—Transformers or mutual inductances suitable for handling frequencies considerably beyond the audio range
    • H01F19/08—Transformers having magnetic bias, e.g. for handling pulses
    • H01F2019/085—Transformer for galvanic isolation

Definitions

  • Control tasks in particular as a buffer amplifier, can be used.
  • These isolation amplifiers provide a galvanic isolation between a primary circuit and a secondary circuit and are suitable, for example, for intrinsically safe operation.
  • the present invention relates to a transformer, in particular a planar, not susceptible to interference
  • Intrinsically safe transformers or transformers are used for the galvanic isolation of circuits according to various standards, whereby both energy and signals and / or data can be transmitted via the transformers.
  • various regulations and standards for example DIN EN 60079-11
  • minimum distances for the separation of the circuits and thus also of the windings or windings of the transformers are specified for different safety classes of equipment and prescribed types of protection, so that, if these minimum distances are complied with, a circuit is considered intrinsically safe.
  • a circuit is therefore intrinsically safe in this and in the context of the invention, if in this neither a spark nor a thermal effect below that in the standard
  • the prescribed minimum distances are in turn dependent on the voltage peak and the insulating medium and are also in relation to the insulating medium in
  • the minimum distance in a typical insulation class such as protection level ia, ib at 375 V
  • a minimum separation distance with fixed insulation of, for example, 1 mm
  • Creepage distances are specified under a protective layer of about 3.3 mm, with ia and ib defining respective protection levels and generally defining the highest and ic the lowest level of protection.
  • Intrinsically safe transformers are therefore designed and optimized in terms of geometry so that the required separation distances for a particular
  • Circuit having a laminated structure with a first magnetic layer and a second magnetic layer, wherein the first and the second
  • Magnetic layer form magnetic core parts of a non-closed magnetic core.
  • planar intrinsically safe transformer in particular a planar intrinsically safe transformer, to propose, which in particular has a closed magnetic core.
  • Another object is to propose a planar transformer, in particular a planar intrinsically safe transformer, which has a smaller size compared to the prior art.
  • the solution is a planar transformer, in particular intrinsically safe transformer, with the features of
  • planar transformer in particular intrinsically safe transformer, with a vertical extension and a horizontal extension, which has a sandwich-like layer structure with a plurality of vertically stacked horizontally extending Layers, comprising a first and a second conductive, in particular electrically conductive, layer and at least one insulating inner layer, which is arranged between the two conductive layers, and a plurality of circuits, wherein a first circuit and at least one second circuit galvanically separated from each other are, and at least one ring-like
  • magnetic core hereinafter also called magnetic ring core or core only
  • hole which acts at least on the first circuit and on the second circuit.
  • the core in particular has two end faces and two lateral surfaces, wherein the end faces are aligned substantially parallel to the horizontal extension of the layer structure.
  • a planar, in particular intrinsically safe transformer is inventively characterized in that the core is disposed within the at least one insulating inner layer, that a conductor of the first circuit and a conductor of the second circuit each having a winding with at least one turn, and that the
  • At least one turn of the first circuit and the at least one turn of the second circuit extend respectively to the first conductive layer and the second conductive layer and through the at least one insulating inner layer and through the hole of the core.
  • the conductors of the first and the at least second electric circuit extend at least in sections in a common plane.
  • the at least one turn of each of the at least two circuit circuits runs in sections in a plane above and in a plane below the ring-like magnetic core.
  • Circuitry are thus essentially placed next to each other.
  • a winding comprises or has at least one turn, wherein a turn is a section of a conductor which once wraps around or at least essentially wraps around the magnetic core.
  • the present invention offers many advantages.
  • planar transformer is designed, for example, as a printed circuit board transformer, then the toroidal core is completely integrated into the insulating printed circuit board material.
  • the transformer according to the invention can also be used as a ring core coupler and the first and second
  • the ring-like magnetic core may have various geometric shapes and thus be not only circular, but also oval or polygonal.
  • the transmitter is designed as a printed circuit board transformer, in each case at least one first conductor for the first circuit and at least one second conductor for the second circuit are formed on the first conductive layer and on the second conductive layer wherein the at least one turn of the first circuit comprises the first trace on the first conductive layer and the first trace on the second conductive layer connected by means of a conductive via through the at least one insulating inner layer at one of its free ones
  • the at least one turn of the second circuit comprises the second trace on the first conductive layer and the second trace on the second conductive layer by means of a conductive via through the at least one insulating inner layer at one of its free trace end portions connected to each other. It is under a free conductor track end
  • Ring core substantially radiate toward the outer edge of the conductive layer. Furthermore, the
  • the first circuit and / or the second circuit a plurality of turns and the plurality of turns of a
  • Circuits are interconnected such that a trace of one turn is connected to a trace of the other turn by means of a conductive via through the at least one insulating inner layer at one of its free trace end portions.
  • a winding may also have a plurality of turns, wherein a different number of turns per winding is possible, so that the transformer
  • one winding can have several
  • Winding segments each comprise at least one turn, wherein the segments may be spaced apart from each other.
  • the first circuit and the at least second circuit having a first isolation distance from each other, and that at no geometric location of the transformer, the first isolation distance between the circuits is smaller than a minimum isolation distance TO.
  • Fig. 1 shows a table with Creepage distances and creepage distances and separation distances, the values given in Table 5 corresponding to the version of the standard EN 60079-11 valid for the time of the present application.
  • each of the circuits has a second insulation distance to the core, and that at no geometric location of the transformer of the second
  • Insulation distance between the circuits and the core is smaller than a minimum isolation distance TO / 2 (TO divided by 2), that is, as half of the
  • first conductive layer and / or the second conductive layer an outer layer of the first conductive layer and / or the second conductive layer, an outer layer of the first conductive layer and / or the second conductive layer, an outer layer of the first conductive layer and / or the second conductive layer, an outer layer of the first conductive layer and / or the second conductive layer, an outer layer of the first conductive layer and / or the second conductive layer, an outer layer of the
  • each conductor of the first circuit running on an outer conductive layer is conductive to each at the same outer conductive layer
  • Circuit has a third isolation distance, and that at no geometric location of the respective outer conductive layer of the transformer, the third
  • Insulation distance between the circuits is smaller than a minimum isolation distance LO.
  • the sandwich-like layer structure comprises at least one insulating outer layer, wherein the first conductive
  • the conductive layer is covered by the insulating material of the insulating inner layer and insulating outer layer.
  • a conductive layer is disposed between two insulating layers and thus is an inner conductive layer of the sandwich layer structure, each at an inner conductive
  • the first isolation distance between the circuits is less than the minimum isolation distance TO.
  • At least one insulating outer layer has a thickness that corresponds to the second insulation distance, wherein the second insulation distance and thus the thickness of the at least one insulating outer layer is not smaller than a minimum insulation distance TO / 2 (TO divided by 2), ie as half of
  • the at least one insulating inner layer has an annular recess into which the annular magnetic core is embedded.
  • the magnetic ring core of the insulating material of the insulating Surrounded inside layer, in particular completely surrounded, and isolated from the circuits.
  • At least two insulating inner layers are arranged one above the other and connected to each other, in particular
  • the plated-through holes are guided continuously through all interconnected insulating inner layers and lined with conductive material.
  • an additional conductive layer can be arranged between two insulating inner layers.
  • Figure 1 is a table with air and creepage distances
  • Figure 2 is a schematic representation of a transformer with two circuits based on a first embodiment of the invention in
  • FIG. 3 is a further schematic representation of the
  • Figure 4 is a schematic representation of a transformer with two circuits based on a second embodiment of the invention in
  • Figure 5 is a schematic exploded view of
  • Figure 6 is a schematic representation of the magnetic
  • Ring core and the windings of the two circuits of the transformer based on the first or second or a third embodiment in perspective view;
  • Figure 7 is a schematic sectional view of
  • Figure 8 is a schematic sectional view of
  • Figure 9 is a further schematic sectional view of
  • Figure 10 is a further schematic sectional view of the
  • Figure 11 is a schematic representation of a transformer with two circuits based on a third embodiment of the invention.
  • Figure 12 is a further schematic representation of a
  • Figure 14 is a further schematic sectional view of the
  • Embodiment in perspective view Embodiment in perspective view.
  • intrinsically safe transformers 100 with a vertical extension and a horizontal
  • the transformers 100 thus have a sandwich-like layer structure with several vertically stacked
  • the transformers further each have a plurality of circuits, wherein a first circuit 150 and at least one second circuit 160 are galvanically separated from each other, at least one ring-like magnetic core 140 having a hole 145 which acts on at least the first circuit 150 and the second circuit 160.
  • the core 140 is within the
  • a conductor 151 of the first circuit 150 and a conductor 164 of the second circuit 160 i. a conductor provided for the current flow of the respective circuit has in each case a winding 152 or 162 with at least one winding 153 or 163.
  • the at least one turn 153 of the first circuit 150 and the at least one turn 163 of the second circuit 160 extend respectively to the first conductive layer 110 and the second conductive layer 120, and through the at least one insulating inner layer 130 and through the hole 145 of the core 140th
  • FIGS. 2, 3, 6, 8, 9 and 10 A second embodiment is shown in possible developments in Figures 4, 5, 6 and 7.
  • a third embodiment is possible
  • FIG. 1 shows a table with minimum distances
  • Minimum clearances are each subdivided based on solid insulation, clearances or creepage distances. As the table shows, is in a typical
  • protection level ia, ib at a voltage spike value of 375V hereinafter also referred to as protection level 375 V ia, ib, which as
  • minimum separation distance with fixed insulation for example, 1 mm
  • PCB a the creepage distances in air or under
  • Isolation distance II Isolation distance II
  • insulation distance 12 corresponds to at least T0 / 2
  • insulation distance 13 corresponds to at least one according to a required level of protection
  • FIG. 2 relates to the first exemplary embodiment of a planar intrinsically safe one Transformer according to the invention, here as
  • PCB transformer is formed and two
  • the conductive structures of the first electric circuit 150 and the second electrical circuit 160 are at the conductive layers 110 and 120 with the third
  • Insulation distance 13 separated from each other, wherein 13 is equal to the prescribed minimum isolation distance L0 or greater. Good to recognize are the
  • FIG. 3 shows, based on the transformer 100 from FIG. 2, a possible development of such with transparent insulating material, so that now also the integrated annular magnetic core 140, its hole 145 and the conductor tracks 154, 164 on the second conductive layer 120, the also an outer layer of the circuit board is easy to see. Also visible are the vias 155, 165 of the first and second circuits 150, 160.
  • the windings 153, 163 of the windings 152, 162 of the first and second electric circuits 150, 160 are made of printed conductors 154, 164 on the outer layers and through vias 155, 165 formed and
  • FIG. 6 shows, based on the transformer 100 from FIG. 2, in a possible further development of such, the magnetic toroidal core, in particular from FIG. 3, without
  • FIGS. 8, 9 and 10 show, based on the transformer 100 from FIG. 2, in possible developments,
  • Spaces surrounding inner insulating layer 130 is located, whose thickness ensures a second isolation distance 12 between the core and all other electrically conductive structures of the circuits 150 and 160, which is equal to half the minimum isolation distance TO or greater.
  • the magnetic core is considered as electrically conductive and thus isolation technology as an equipotential surface. To the one required by a standard, the
  • Minimum isolation distance of TO for solid insulation it is as follows proportionately composed of two second insulation distances 12: From the first winding 152 to the magnetic core 140 everywhere at least one insulation distance is maintained equal to half of the minimum isolation distance TO. From the magnetic core to all other windings (eg, the second winding 162) will now also at least one isolation distance
  • a first isolation path from the winding 152 of the first circuit 150 on the left side of the transformer 100 extends directly over the surface of the first conductive layer 110 to the winding 162 of the second
  • Circuit 160 on the right side of the transformer Likewise, the first isolation path also extends over the surface of the second conductive layer 120 (not shown). If the respective conductive layer 110 or 120 is an outer layer of the transformer 100, the shortest distance between the separate circuits 150 and 160 must be equal to the third insulation distance 13, which in turn is equal to the prescribed
  • Minimum isolation distance L0 or greater must be.
  • this shortest distance must be at least 3.3 mm if the respective conductive layer 110 or 120 as the outer layer of the
  • Transformer 100 or an outer layer whose circuit board is coated with a special paint. Is missing For example, this lacquer coating, the shortest distance must be 10 mm instead of 3.3 mm (see Figure 1).
  • a solder resist commonly used in printed circuit board technology can not be regarded as a protective varnish in the sense of a standard and can not therefore reduce the insulation distances, for example from 10 mm to 3.3 mm. Therefore, the soldering finish will not be discussed further below, although it is included in the
  • Embodiments can be used.
  • a second isolation path runs first from the
  • Isolation path through the magnetic core (shown as a dashed line) and is not counted to from there
  • Magnetic core can not be accepted as insulation material.
  • FIG. 4 relates to the second exemplary embodiment of a planar intrinsically safe transformer 100 according to the invention, which is expediently again designed as a printed circuit transformer transformer and two separate circuits 150 and 160, each with a winding 152 or 162 each having a plurality
  • the transformer shown here is constructed of a plurality of insulating inner layers 130 which are interconnected, for example, by
  • FIG. 5 shows, based on the transformer 100 from FIG. 4, only the insulating layers 130 in one
  • FIG. 7 shows, based on the transformer 100 from FIG. 4, a sectional view of the transformer in a possible development.
  • the magnetic core 140 which consists for example of ferrite material, is embedded in a recess 135 of the middle insulating layer 130, wherein the recess 135 may be a cavity.
  • the insulating material but also directly to the magnetic core
  • the three inner insulating layers are in any case so interconnected, in particular
  • Insulation material results, so that around the magnetic core 140 around in all spatial directions rotating solid insulation results, the thickness of a second
  • Insulation distance 12 between the core and all other electrically conductive structures of the circuits 150 and 160 ensures equal to half
  • FIG. 11 relates to the third exemplary embodiment of a planar intrinsically safe transformer 100 according to the invention, which is expediently again designed as a printed circuit transformer transformer and two separate circuits 150 and 160, each with a winding 152 or 162 each having a plurality
  • the first conductive layer 110 is between the
  • the second conductive layer 120 is disposed between the insulating inner layer 130 and the insulating outer layer 190.
  • the conductive layers 110 and 120 are covered by the insulating material of the insulating outer layers 180 and 190, respectively.
  • FIG. 12 shows, based on the transformer 100 from FIG. 11, a possible further development with transparent insulating material, so that now also the
  • first and second circuits 150, 160 are formed from tracks 154, 164 on the conductive layers 110 and 120 and vias 155, 165 and enclose a closed magnetic core 140. Since the conductive structures of the first and second circuits 150, 160 on the conductive layers 110 and 120 now inside the solid insulating material, they no longer have to be the third from each other
  • the transformer can be made even more compact with respect to its horizontal extent than the first and second embodiments, but at the expense of its vertical extent, which increases by the thickness of the additional outer insulating layers 180, 190.
  • the transformer may be opposite the first and second
  • Embodiment for the same horizontal extent more windings or winding segments and / or more
  • Figures 13 and 14 show based on the transformer 100 of Figure 11 possible developments in
  • Figure 14 can also be seen that is located around the magnetic core 140 around a circumferential in all directions insulation, whose thickness ensures a second isolation distance 12 between the core and all other electrically conductive structures of the circuits 150 and 160, which is equal to half
  • Minimum isolation distance TO is or greater, wherein the insulation surrounding the core 140 is composed of a plurality of interconnected inner insulation layers 130. Furthermore, it can be seen in Figure 14 that the outer
  • Insulation layers 180 and 190 have a thickness that corresponds to the second isolation distance 12.
  • the first insulation path extends from the winding 152 of the first circuit 150 on the left side of the transformer 100 through the solid insulation material of the outer insulating layer. From there, the first insulation path extends over the surface of the outer insulating layer (shown as a dashed line), and from there again through the solid insulating material to the winding 162 of the second circuit 160 on the right side of the transformer 100. The first one runs in the same way
  • Minimum insulation distance TO between the two windings and the transformer or transformer is thus dimensioned according to standards.
  • the portion of the first isolation path that leads across the surface of the outer insulating layer (shown as a dashed line) is not counted here.
  • Insulation path in sum must give at least the isolation distance TO.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen planaren, insbesondere eigensicheren Übertrager (100), aufweisend: einen sandwichartigen Schichtaufbau mit mehreren vertikal übereinander angeordneten sich horizontal erstreckenden Schichten, umfassend eine erste und eine zweite leitende Schicht (110, 120) und mindestens eine isolierende innere Schicht (130), die zwischen den zwei leitenden Schichten angeordnet ist; eine Mehrzahl von Stromkreisen, wobei ein erster Stromkreis (150) und mindestens ein zweiter Stromkreis (160) galvanisch voneinander getrennt sind; und mindestens einen ringartigen magnetischen Kern (140) mit einem Loch (145), der zumindest auf den ersten Stromkreis (150) und auf den zweiten Stromkreis (160) wirkt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kern (140) innerhalb der wenigstens einen isolierenden inneren Schicht (130) angeordnet ist; dass ein Leiter (151) des ersten Stromkreises und ein Leiter (164) des zweiten Stromkreises jeweils eine Wicklung (152, 162) mit mindestens einer Windung (153, 163) aufweist, und dass die mindestens eine Windung des ersten Stromkreises und die mindestens eine Windung des zweiten Stromkreises jeweils an der ersten leitenden Schicht (110) und an der zweiten leitenden Schicht (120) sowie durch die mindestens eine isolierende innere Schicht (130) und durch das Loch (145) des Kerns (140) verlaufen.

Description

Planarer Übertrager mit integriertem Ringkern
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Interfacetechnik mit elektronischen
Bauelementen, die für Mess-, Steuer— und/oder
Regelungsaufgaben, insbesondere als Trennverstärker, eingesetzt werden können. Diese Trennverstärker stellen eine galvanische Trennung zwischen einem Primärkreis und einem Sekundärkreis bereit und sind beispielsweise für einen eigensicheren Betrieb geeignet.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Übertrager, insbesondere einen planaren, nicht störanfälligen
Übertrager, der für eigensichere Stromkreise geeignet ist und im Folgenden als planarer eigensicherer Übertrager bezeichnet wird.
Eigensichere Übertrager oder Transformatoren werden zur galvanischen Trennung von Stromkreisen nach verschiedenen Normen eingesetzt, wobei über die Übertrager sowohl Energie als auch Signale und/oder Daten übertragen werden können. In verschiedenen Vorschriften und Normen, beispielsweise DIN EN 60079—11, sind für verschiedene Sicherheitsklassen von Betriebsmitteln sowie vorgeschriebene Zündschutzarten Mindestabstände für die Trennung der Stromkreise und somit auch der Windungen oder Wicklungen der Transformatoren vorgegeben, so dass in Folge, sofern diese Mindestabstände eingehalten sind, ein Stromkreis als eigensicher gilt. Ein Stromkreis ist in diesem und im Rahmen der Erfindung demnach dann eigensicher, wenn in diesem weder ein Funke noch ein thermischer Effekt unter den in der Norm
festgelegten Bedingungen auftritt, die den ungestörten Betrieb und bestimmte Fehlerbedingungen umfassen, eine Zündung einer bestimmten explosionsfähigen Atmosphäre verursachen kann. Bei einem eigensicheren Übertrager sind folglich auch dessen Stromkreise unter den in der Norm festgelegten Bedingungen eigensicher.
Die vorgeschriebenen Mindestabstände sind wiederum vom Spannungsspitzenwert sowie vom Isoliermedium abhängig und sind in Bezug auf das Isoliermedium ferner in
Mindestabstände bei vorherrschender FestStoffIsolierung sowie bei vorherrschenden Luft- und Kriechstrecken
unterteilt. Wie beispielsweise der Tabelle in Figur 1 zu entnehmen ist, ist z.B. als Mindestabstand in einer typischen Isolationsklasse, wie beispielsweise Schutzniveau ia, ib bei 375 V, ein minimaler Trennabstand bei fester Isolierung von beispielsweise 1 mm, eine minimale
Kriechstrecke in Luft von 10 mm und eine minimale
Kriechstrecke unter einer Schutzschicht von etwa 3,3 mm vorgegeben, wobei mit ia und ib jeweilige Schutzniveaus definiert sind und ia das höchste und ic das niedrigste Schutzniveau definiert. Eigensichere Übertrager sind daher hinsichtlich der Geometrie derart ausgelegt und optimiert, dass die benötigten Trennabstände für ein bestimmtes
Schutzniveau sichergestellt werden. Dies kann sowohl durch gewickelte Spulen als auch durch gedruckte oder geätzte Spulen auf Leiterplatten gewährleistet werden. Dabei ist bei gedruckten oder geätzten Spulen von Vorteil, dass keine zusätzlichen Wicklungsprozesse benötigt werden und eine gute Reproduzierbarkeit gewährleistet werden kann. Weitere Vorteile können in einer verbesserten thermischen
Eigenschaft bei gleichem Kernvolumen liegen. Ferner können Herstellungskosten geringer ausfallen. In DE 10 2012 003 364 AI ist ein planarer eigensicherer Übertrager mit galvanisch getrennten Stromkreisen
beschrieben, der einen Schichtaufbau und einen magnetischen Kern aufweist, der zumindest teilweise den Schichtaufbau umschließt.
In DE 10 2012 003 365 AI ist ein weiterer planarer
eigensicherer Übertrager mit galvanisch getrennten
Stromkreisen beschrieben, der einen Schichtaufbau mit einer ersten magnetischen Schicht und einer zweiten magnetischen Schicht aufweist, wobei die erste und die zweite
magnetische Schicht magnetische Kernteile eines nicht geschlossenen Magnetkerns bilden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Bauform eines planaren Übertragers,
insbesondere eines planaren eigensicheren Übertragers, vorzuschlagen, welcher insbesondere einen geschlossenen magnetischen Kern aufweist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen planaren Übertrager, insbesondere einen planaren eigensicheren Übertrager, vorzuschlagen, der gegenüber dem Stand der Technik eine geringere Baugröße aufweist .
Als Lösung wird ein planarer Übertrager, insbesondere eigensicherer Übertrager, mit den Merkmalen des
unabhängigen Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Übertragers sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Vorgeschlagen wird demnach ein planarer Übertrager, insbesondere eigensicherer Übertrager, mit einer vertikalen Ausdehnung und einer horizontalen Ausdehnung, der einen sandwichartigen Schichtaufbau mit mehreren vertikal übereinander angeordneten sich horizontal erstreckenden Schichten, umfassend eine erste und eine zweite leitende, insbesondere elektrisch leitende, Schicht und mindestens eine isolierende innere Schicht, die zwischen den zwei leitenden Schichten angeordnet ist, aufweist sowie eine Mehrzahl von Stromkreisen, wobei ein erster Stromkreis und mindestens ein zweiter Stromkreis galvanisch voneinander getrennt sind, und mindestens einen ringartigen
magnetischen Kern (nachfolgend auch magnetischer Ringkern oder nur Kern genannt) mit einem Loch, der zumindest auf den ersten Stromkreis und auf den zweiten Stromkreis wirkt.
Dabei besitzt der Kern insbesondere zwei Stirnflächen und zwei Mantelflächen, wobei die Stirnflächen im Wesentlichen parallel zur horizontalen Ausdehnung des Schichtaufbaus ausgerichtet sind. Ein solcher planarer, insbesondere eigensicherer Übertrager zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass der Kern innerhalb der wenigstens einen isolierenden inneren Schicht angeordnet ist, dass ein Leiter des ersten Stromkreises und ein Leiter des zweiten Stromkreises jeweils eine Wicklung mit mindestens einer Windung aufweist, und dass die
mindestens eine Windung des ersten Stromkreises und die mindestens eine Windung des zweiten Stromkreises jeweils an der ersten leitenden Schicht und an der zweiten leitenden Schicht sowie durch die mindestens eine isolierende innere Schicht und durch das Loch des Kerns verlaufen.
Dabei verlaufen die Leiter des ersten und des mindestens zweiten Stromkreises wenigstens abschnittsweise in einer gemeinsamen Ebene. Die wenigstens eine Windung eines jedes der wenigstens zwei Stromkreise Stromkreises verläuft abschnittsweise in einer Ebene oberhalb und in einer Ebene unterhalb des ringartigen magnetischen Kerns. Die Wicklung des ersten Stromkreises und die Wicklung des zweiten
Stromkreises sind somit im Wesentlichen nebeneinander platziert .
Zum besseren Verständnis sei nochmals erwähnt, dass eine Wicklung mindestens eine Windung umfasst bzw. aufweist, wobei eine Windung ein Abschnitt eines Leiters ist, welcher den magnetischen Kern einmal umschlingt oder zumindest im Wesentlichen umschlingt.
Die vorliegende Erfindung bietet viele Vorteile.
Insbesondere ist der erfindungsgemäße Übertrager,
insbesondere im Falle eines eigensicheren Übertragers, für den Einsatz in Explosionsschutzumgebungen geeignet und weist dennoch eine sehr kompakte und vor allem flache
Bauform auf, die Einbauhöhe einspart und Dank derer er zum Beispiel auch in sehr flache Gehäuse einbaubar ist. Dabei lassen sich durch die vollständige Integration des
ringartigen magnetischen Kerns in die isolierende innere Schicht alle Isolationsanforderungen mit guter
Reproduzierbarkeit erreichen. Ist der planare Übertrager zum Beispiel als Leiterplatten-Übertrager ausgebildet, so ist der Ringkern in das isolierende Leiterplattenmaterial vollständig integriert.
Aufgrund des auf die wenigstens zwei Stromkreise wirkenden magnetischen Ringkerns kann der erfindungsgemäße Übertrager auch als Ringkernkoppler und der erste und zweite
Stromkreis können auch als Primär- und Sekundärkreis bezeichnet werden. Zweckmäßiger Weise kann der ringartige magnetische Kern verschiedene geometrische Formen aufweisen und also nicht nur kreisrund, sondern auch oval oder mehreckig sein. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, insbesondere wenn der Übertrager als Leiterplatten- Übertrager ausgebildet ist, ist an der ersten leitenden Schicht und an der zweiten leitenden Schicht jeweils mindestens eine erste Leiterbahn für den ersten Stromkreis und jeweils mindestens eine zweite Leiterbahn für den zweiten Stromkreis ausgebildet, wobei die mindestens eine Windung des ersten Stromkreises die erste Leiterbahn an der ersten leitenden Schicht und die erste Leiterbahn an der zweiten leitenden Schicht umfasst, die mittels einer leitenden Durchkontaktierung durch die mindestens eine isolierende innere Schicht an einem ihrer freien
Endabschnitte miteinander verbunden sind, und wobei die mindestens eine Windung des zweiten Stromkreises die zweite Leiterbahn an der ersten leitenden Schicht und die zweite Leiterbahn an der zweiten leitenden Schicht umfasst, die mittels einer leitenden Durchkontaktierung durch die mindestens eine isolierende innere Schicht an einem ihrer freien Leiterbahnendabschnitte miteinander verbunden sind. Dabei ist unter einem freien Leiterbahnendabschnitt
insbesondere ein Endabschnitt einer Leiterbahn zu
verstehen, der ansonsten nichtleitend verbunden bzw.
kontaktiert ist. Zweckmäßiger Weise verlaufen die
Leiterbahnen der Windungen vom Loch des magnetischen
Ringkerns im wesentlichen strahlenartig zum äußeren Rand der leitenden Schicht hin. Ferner verlaufen die
Leiterbahnen bevorzugt im Wesentlichen parallel zu
wenigstens einer der Stirnflächen des Ringkerns und/oder die Durchkontaktierungen im Wesentlichen senkrecht zu wenigstens einer der Stirnflächen des Ringkerns bzw.
parallel zu wenigstens einer der Mantelflächen des
Ringkerns. Zweckmäßiger Weise sind die Durchkontakt ierung durchgängig durch die wenigstens eine isolierende innere Schicht geführt und mit leitfähigem Material ausgekleidet.
In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen der erste Stromkreis und/oder der zweite Stromkreis mehrere Windungen auf und die mehreren Windungen eines
Stromkreises sind derart miteinander verbunden, dass eine Leiterbahn der einen Windung mit einer Leiterbahn der anderen Windung mittels einer leitenden Durchkontaktierung durch die mindestens eine isolierende innere Schicht an einem ihrer freien Leiterbahnendabschnitte miteinander verbunden sind.
Somit kann also eine Wicklung auch mehrere Windungen aufweisen, wobei auch eine unterschiedliche Windungsanzahl je Wicklung möglich ist, so dass der Übertrager
insbesondere als Trennverstärker oder Transformator
einsetzbar ist. Ferner kann eine Wicklung mehrere
Wicklungssegmente mit je wenigstens einer Windung umfassen, wobei die Segmente voneinander beabstandet abgeordnet sein können . In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist
vorzugsweise vorgesehen, dass der erste Stromkreis und der mindestens zweite Stromkreis einen ersten Isolationsabstand zueinander aufweisen, und dass an keinem geometrischen Ort des Übertragers der erste Isolationsabstand zwischen den Stromkreisen kleiner ist als ein Mindestisolationsabstand TO. Somit können in jedem Fall die erforderlichen
Trennabstände bei FestStoffIsolierung, welche gemäß einer jeweiligen Norm für Explosionsschutzumgebungen, wie zum Beispiel der zum Zeitrang der vorliegenden Anmeldung gültigen Version der Norm EN 60079-11 vorgeschrieben sind, eingehalten werden. Fig. 1 zeigt hierbei eine Tabelle mit Luft- und Kriechstrecken und Trennabständen, wobei die darin angegebenen Werte der Tabelle 5 der zum Zeitrang der vorliegenden Anmeldung gültigen Version der Norm EN 60079- 11 entsprechen. In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeder der Stromkreise einen zweiten Isolationsabstand zum Kern aufweist, und dass an keinem geometrischen Ort des Übertragers der zweite
Isolationsabstand zwischen den Stromkreisen und dem Kern kleiner ist als ein Mindestisolationsabstand TO / 2 (TO dividiert durch 2), das heißt als die Hälfte des
Mindestisolationsabstands TO.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste leitende Schicht und/oder die zweite leitende Schicht eine äußere Schicht des
sandwichartigen Schichtaufbaus ist, und dass jeder an einer äußeren leitenden Schicht verlaufende Leiter des ersten Stromkreises zu jedem an derselben äußeren leitenden
Schicht verlaufenden Leiter des mindestens zweiten
Stromkreises einen dritten Isolationsabstand aufweist, und dass an keinem geometrischen Ort der jeweiligen äußeren leitenden Schicht des Übertragers der dritte
Isolationsabstand zwischen den Stromkreisen kleiner ist als ein Mindestisolationsabstand LO . Somit können auch mit Blick auf Kriechstrecken durch Luft bzw. unter einer
Schutzschicht die erforderlichen Abstände eingehalten werden, welche gemäß einer jeweiligen Norm für
Explosionsschutzumgebungen, wie zum Beispiel der EN 60079- 11 (vgl. auch Figur 1), vorgeschrieben sind. In einer anderen Weiterbildung der Erfindung umfasst der der sandwichartige Schichtaufbau mindestens eine isolierende äußere Schicht, wobei die erste leitende
Schicht und/oder die zweite leitende Schicht zwischen einer isolierenden inneren Schicht und einer isolierenden äußeren Schicht angeordnet ist. Somit ist die leitende Schicht von dem isolierenden Material der isolierenden inneren Schicht und isolierenden äußeren Schicht bedeckt.
In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist
vorzugsweise vorgesehen, dass, wenn eine leitende Schicht zwischen zwei isolierenden Schichten angeordnet ist und somit eine innere leitende Schicht des sandwichartigen Schichtaufbaus ist, jeder an einer inneren leitenden
Schicht verlaufende Leiter des ersten Stromkreises zu jedem an derselben inneren leitenden Schicht verlaufenden Leiter des mindestens zweiten Stromkreises den ersten
Isolationsabstand aufweist, und dass an keinem
geometrischen Ort der jeweiligen inneren leitenden Schicht des Übertragers der erste Isolationsabstand zwischen den Stromkreisen kleiner ist als der Mindestisolationsabstand TO. Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass die
wenigstens eine isolierende äußere Schicht eine Dicke aufweist, die dem zweiten Isolationsabstand entspricht, wobei der zweite Isolationsabstand und also die Dicke der wenigstens einen isolierenden äußeren Schicht nicht kleiner ist als ein Mindestisolationsabstand TO / 2 (TO dividiert durch 2), das heißt als die Hälfte des
Mindestisolationsabstands TO.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine isolierende innere Schicht eine ringartige Aussparung aufweist, in die der ringartige magnetische Kern eingelassen ist. Somit ist der magnetische Ringkern von dem isolierenden Material der isolierenden inneren Schicht umgeben, insbesondere vollständig umgeben, und gegenüber den Stromkreisen isoliert.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung sind mindestens zwei isolierende innere Schichten übereinander angeordnet und miteinander verbunden, insbesondere
miteinander verpresst. Zweckmäßiger Weise sind dabei die Durchkontaktierungen durchgängig durch alle miteinander verbundenen isolierenden inneren Schichten geführt und mit leitfähigem Material ausgekleidet.
Ferner kann zwischen zwei isolierenden inneren Schichten eine zusätzliche leitende Schicht angeordnet sein.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen dabei
Figur 1 eine Tabelle mit Luft- und Kriechstrecken und
Trennabständen hinsichtlich bestimmter Schutzniveaus, wobei die darin enthaltenen Werte der Tabelle 5 der zum Zeitpunkt des Zeitrangs de: vorliegenden Anmeldung gültigen Norm EN 60079-11 entsprechen;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Übertragers mit zwei Stromkreisen basierend auf einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in
perspektivischer Ansicht;
Figur 3 eine weitere schematische Darstellung des
Übertragers basierend auf dem ersten
Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht; Figur 4 eine schematische Darstellung eines Übertragers mit zwei Stromkreisen basierend auf einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in
perspektivischer Ansicht; Figur 5 eine schematische Explosionsdarstellung der
Schichten des Übertragers basierend auf dem zweiten Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht ;
Figur 6 eine schematische Darstellung des magnetischen
Ringkerns und der Wicklungen der zwei Stromkreise des Übertragers basierend auf dem ersten oder zweiten oder einem dritten Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht;
Figur 7 eine schematische Schnittdarstellung des
Übertragers basierend auf dem zweiten
Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht;
Figur 8 eine schematische Schnittdarstellung des
Übertragers basierend auf dem ersten
Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht; Figur 9 eine weitere schematische Schnittdarstellung des
Übertragers basierend auf dem ersten
Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht;
Figur 10 eine weitere schematische Schnittdarstellung des
Übertragers basierend auf dem ersten
Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht;
Figur 11 eine schematische Darstellung eines Übertragers mit zwei Stromkreisen basierend auf einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in
perspektivischer Ansicht; Figur 12 eine weitere schematische Darstellung eines
Übertragers mit zwei Stromkreisen basierend auf dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in perspektivischer Ansicht; Figur 13 eine schematische Schnittdarstellung des
Übertragers basierend auf dem dritten
Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht; und
Figur 14 eine weitere schematische Schnittdarstellung des
Übertragers basierend auf dem dritten
Ausführungsbeispiel in perspektivischer Ansicht.
Die beiliegenden Figuren 2 bis 14 zeigen beispielhaft verschiedene Ansichten basieren auf drei bevorzugten
Ausführungsbeispielen von planaren, insbesondere
eigensicheren Übertragern 100 gemäß der Erfindung, mit einer vertikalen Ausdehnung und einer horizontalen
Ausdehnung. In den Figuren erstreckt sich die vertikale Ausdehnung somit entlang der Y-Achse und die horizontale Ausdehnung entlang der X- und z-Achsen des jeweils zur Anschaulichkeit in den Figuren 2, 4 und 11 skizzierten Koordinatensystems .
Die Übertrager 100 weisen demnach einen sandwichartigen Schichtaufbau mit mehreren vertikal übereinander
angeordneten sich horizontal erstreckenden Schichten auf, umfassend eine erste leitende Schicht 110 und eine zweite leitende Schicht 120 und mindestens eine isolierende innere Schicht 130, die zwischen den zwei leitenden Schichten angeordnet ist. Die Übertrager weisen ferner jeweils eine Mehrzahl von Stromkreisen auf, wobei ein erster Stromkreis 150 und mindestens ein zweiter Stromkreis 160 galvanisch voneinander getrennt sind, mindestens einen ringartigen magnetischen Kern 140 mit einem Loch 145, der zumindest auf den ersten Stromkreis 150 und auf den zweiten Stromkreis 160 wirkt. Der Kern 140 ist jeweils innerhalb der
wenigstens einen isolierenden inneren Schicht 130
angeordnet und ein Leiter 151 des ersten Stromkreises 150 und ein Leiter 164 des zweiten Stromkreises 160, d.h. ein für den Stromfluss des jeweiligen Stromkreises vorgesehener Leiter, weist jeweils eine Wicklung 152 oder 162 mit mindestens einer Windung 153 bzw. 163 auf. Die mindestens eine Windung 153 des ersten Stromkreises 150 und die mindestens eine Windung 163 des zweiten Stromkreises 160 verlaufen jeweils an der ersten leitenden Schicht 110 und an der zweiten leitenden Schicht 120 sowie durch die mindestens eine isolierende innere Schicht 130 und durch das Loch 145 des Kerns 140.
Ein erstes Ausführungsbeispiel ist in möglichen
Weiterbildungen in den Figuren 2, 3, 6, 8, 9 und 10 gezeigt. Ein zweites Ausführungsbeispiel ist in möglichen Weiterbildungen in den Figuren 4, 5, 6 und 7 gezeigt. Ein drittes Ausführungsbeispiel ist in möglichen
Weiterbildungen in den Figuren 6, 11, 12, 13 und 14
gezeigt .
Die Figur 1 zeigt eine Tabelle mit Mindestabständen
betreffend minimale Luft- und Kriechstrecken und
Trennabständen bei FestStoffIsolierungen hinsichtlich bestimmter Schutzniveaus zur Gewährleistung eigensicherer Stromkreise und also auch eigensicherer Übertrager in Bezug auf dessen Stromkreise, wobei die darin angegebenenen Werte der Tabelle 5 der zum Zeitrang der vorliegenden Anmeldung gültigen Norm EN 60079-11 als beispielhafte Norm für
Explosionsschutzumgebungen entsprechen. Aus dieser Tabelle ergeben sich bestimmte, somit auch durch diese Norm vorgeschriebene Mindestabstände. Diese Mindestabstände, nachfolgend und in den Ansprüchen auch als
Mindestisolationsabstände TO und LO bezeichnet, sind vom Isoliermedium abhängig, so dass die einzuhaltenden
Mindestabstände jeweils basierend auf FeststoffIsolierung, Luft- oder Kriechstrecken unterteilt sind. Wie der Tabelle zu entnehmen ist, beträgt in einer typischen
Isolationsklasse wie beispielsweise Schutzniveau ia, ib bei einem Spannungsspritzenwert von 375V, nachfolgend auch als Schutzniveau 375 V ia, ib bezeichnet, der als
Mindestabstand oder Mindestisolationsabstand TO
einzuhaltende minimale Trennabstand bei fester Isolierung beispielsweise 1 mm, und die als Mindestabstand oder
Mindestisolationsabstand LO einzuhaltende minimale
Kriechstrecke in Luft 10 mm und unter einer Schutzschicht etwa 3,3 mm. Somit muss bei dem Schutzniveau 375 V ia, ib innerhalb einer Leiterplatte ein dem minimalen Trennabstand entsprechender Mindestisolationsabstand von TO = 1,0 mm eingehalten werden, während auf der Außenlage der
Leiterplatte ein den Kriechstrecken in Luft bzw. unter
Schutzlack entsprechender Mindestisolationsabstand von LO = 10,0 mm bzw. 3,3 mm eingehalten werden muss.
Für die nachfolgende Beschreibung werden drei
Isolationsabstände definiert. Isolationsabstand II
entspricht hierbei mindestens einem gemäß einem geforderten Schutzniveau entsprechenden Mindestisolationsabstand von TO, Isolationsabstand 12 entspricht mindestens T0/2 und Isolationsabstand 13 entspricht mindestens einem gemäß einem geforderten Schutzniveau entsprechenden
Mindestisolationsabstand von L0.
Wie bereits aufgezeigt, betrifft die Figur 2 das erste Ausführungsbeispiel eines planaren eigensicheren Übertragers gemäß der Erfindung, der hier als
Leiterplattentransformator ausgebildet ist und zwei
getrennte Stromkreise 150 und 160 mit je einer Wicklung 152 bzw. 162 mit im vorliegenden Beispiel je mehreren Windungen 153 bzw. 163 aufweist. Von den Windungen sind hier
jeweilige Leiterbahnen 154 des Leiters 151 des ersten
Stromkreises 150 und jeweilige Leiterbahnen 164 des Leiters 161 des zweiten Stromkreises 160 an der ersten leitenden Schicht 110, die eine Außenlage der Leiterplatte ist, zu sehen. Dabei sind die leitfähigen Strukturen des ersten Stromkreises 150 und des zweiten Stromkreises 160 an den leitenden Schichten 110 und 120 mit dem dritten
Isolationsabstand 13 voneinander getrennt, wobei 13 gleich dem vorgeschriebenen Mindestisolationsabstand L0 oder größer ist. Gut zu erkennen sind auch die
Verbindungsstellen zwischen den Leiterbahnen 154, 164 und den leitenden Durchkontaktierungen 155, 165.
Die Figur 3 zeigt basierend auf dem Übertrager 100 aus Figur 2 eine mögliche Weiterbildung eines solchen mit transparent dargestelltem Isoliermaterial, so dass nun auch der integrierte ringartige magnetische Kern 140, dessen Loch 145 sowie die Leiterbahnen 154, 164 an der zweiten leitenden Schicht 120, die ebenfalls eine Außenlage der Leiterplatte ist, gut zu erkennen sind. Zu sehen sind außerdem die Durchkontaktierungen 155, 165 des ersten und zweiten Stromkreises 150, 160. Die Windungen 153, 163 der Wicklungen 152, 162 des ersten und zweiten Stromkreises 150, 160 sind aus Leiterbahnen 154, 164 auf den Außenlagen und aus Durchkontaktierungen 155, 165 gebildet und
umschließen einen geschlossenen Magnetkern 140, der in die Leiterplatte integriert ist. Die Figur 6 zeigt basierend auf dem Übertrager 100 aus Figur 2 in einer möglichen Weiterbildung eines solchen, den magnetischen Ringkern, insbesondere aus Figur 3, ohne
Isolationsmaterial und aus einer anderen Perspektive. Zu sehen sind hier auch wieder die Wicklungen 152, 162 der zwei Stromkreise 150, 160 des Übertragers 100. Zu sehen sind hier auch die Anschlusskontakte 156 und 166 für die nicht weiter dargestellte äußere Beschaltung des
Übertragers 100. Die in Figur 6 gezeigten Bauteile können in dieser oder einer sehr ähnlichen Ausbildung und
Anordnung auch bei dem Übertrager basierend auf dem zweiten oder dritten Ausführungsbeispiel vorkommen.
Die Figuren 8, 9 und 10 zeigen basierend auf dem Übertrager 100 aus Figur 2 in möglichen Weiterbildungen,
Schnittdarstellungen des Übertragers. Zu erkennen ist hier, dass sich um den Magnetkern 140 herum eine in alle
Raumrichtungen umlaufende innere Isolationsschicht 130 befindet, deren Dicke einen zweiten Isolationsabstand 12 zwischen dem Kern und allen anderen elektrisch leitfähigen Strukturen der Stromkreise 150 und 160 gewährleistet, der gleich dem halben Mindestisolationsabstand TO ist oder größer. Der Magnetkern wird als elektrisch leitfähig und somit isolationstechnisch wie eine Äquipotentialfläche angesehen. Um den nach einer Norm geforderten, dem
minimalen Trennabstand entsprechenden
Mindestisolationsabstand von TO für feste Isolation zu erreichen, wird er wie folgt anteilig aus zwei zweiten Isolationsabständen 12 zusammengesetzt: Von der ersten Wicklung 152 zum Magnetkern 140 wird überall mindestens ein Isolationsabstand eingehalten der gleich der Hälfte des Mindestisolationsabstands TO ist. Von dem Magnetkern zu allen anderen Wicklungen (z.B. der zweiten Wicklung 162) wird nun ebenfalls mindestens ein Isolationsabstand
eingehalten der gleich der Hälfte des
Mindestisolationsabstands TO ist. Dadurch ergibt sich ein zusammengesetzter Isolationsabstand von TO/2 + TO/2 = TO, wie auch von der zum Zeitpunkt des Zeitrangs der
vorliegenden Anmeldung gültigen Norm EN 60079-11 gefordert. Wichtig ist, dass die jeweils gültige Norm ein anteiliges Zusammensetzen von Isolationsabständen erlaubt, was häufig der Fall ist. Die geforderten Mindestisolationsabstände TO und L0 lassen sich auf einfache Weise zweckmäßig anhand sogenannter minimaler Isolationspfade zwischen den voneinander
isolierten Stromkreisen 150, 160 nachvollziehen bzw.
überprüfen, so wie z.B. in Figur 10 gezeigt. Demnach verläuft ein erster Isolationspfad von der Wicklung 152 des ersten Stromkreises 150 auf der linken Seite des Übertragers 100 direkt über die Oberfläche der ersten leitenden Schicht 110 zu der Wicklung 162 des zweiten
Stromkreises 160 auf der rechten Seite des Übertragers. In gleicher Weise verläuft der erste Isolationspfad auch über die Oberfläche der zweiten leitenden Schicht 120 (nicht dargestellt) . Wenn die jeweilige leitende Schicht 110 bzw. 120 eine äußere Schicht des Übertragers 100 ist muss der kürzeste Abstand zwischen den getrennten Stromkreisen 150 und 160 gleich dem dritten Isolationsabstand 13 sein, welcher wiederum gleich dem vorgeschriebenen
Mindestisolationsabstand L0 oder größer sein muss. Dieser kürzeste Abstand muss zum Beispiel für das Schutzniveau 375 V ia, ib mindestens 3,3 mm betragen, wenn die jeweilige leitende Schicht 110 bzw. 120 als äußere Schicht des
Übertragers 100 bzw. eine Außenlage dessen Leiterplatte ist jedoch mit einem speziellen Lack überzogen ist. Fehlt dieser Lacküberzug, muss der kürzeste Abstand beispielsweise statt 3,3 mm 10 mm betragen (vgl. Figur 1) . Ein häufig in der Leiterplattentechnologie zum Einsatz kommender Lötstopplack kann jedoch im Sinne einer Norm nicht als Schutzlack gewertet werden und kann somit nicht die Isolationsabstände reduzieren, wie zum Beispiel von 10 mm auf 3,3 mm. Deshalb wird im Folgenden nicht weiter auf den Lötstopplack eingegangen, obgleich er in den
Ausführungsbeispielen zum Einsatz kommen kann. Wenn im Folgenden von einer äußeren leitenden Schicht des
Schichtaufbaus die Rede ist, kann somit trotzdem zusätzlich noch ein Schutzlack den Leiter an der äußeren Schicht bedecken .
Ein zweiter Isolationspfad verläuft zunächst von der
Wicklung 152 des ersten Stromkreises 150 auf der linken Seite des Übertragers 100 durch das feste
Isolationsmaterial des Übertragers bzw. dessen Leiterplatte zum Magnetkern 140. Von dort verläuft der zweite
Isolationspfad durch den Magnetkern (als gestrichelte Linie dargestellt) und wird nicht mitgezählt, um von dort
wiederum durch das feste Isolationsmaterial zur Wicklung 162 des zweiten Stromkreises 160 auf der rechten Seite des Übertragers 100 zu gelangen. Sowohl der kürzeste Abstand von der ersten Wicklung 152 zum Magnetkern 140 als auch vom Magnetkern 140 zu der zweiten Wicklung 162 muss gleich dem zweiten Isolationsabstand 12 sein, der gleich der Hälfte des Mindestisolationsabstands TO ist. Da der dem minimalen Trennabstand entsprechender Mindestisolationsabstand von TO für feste Isolation anteilig zusammengesetzt werden darf, ergibt 2 * 12 = II bzw. 2 * TO / 2 = TO die geforderte Mindestisolation TO zwischen beiden Wicklungen und der Übertrager bzw. Transformator ist damit normgerecht dimensioniert. Der Abschnitt des zweiten Isolationspfades, der durch den Magnetkern führt (als gestrichelte Linie dargestellt) , wird hierbei nicht mitgezählt, da der
Magnetkern nicht als Isolationsmaterial angenommen werden kann .
Die Figur 4 betrifft das zweite Ausführungsbeispiel eines planaren eigensicheren Übertragers 100 gemäß der Erfindung, der hier zweckmäßig wiederum als Leiterplattentransformator ausgebildet ist und zwei getrennte Stromkreise 150 und 160 mit je einer Wicklung 152 bzw. 162 mit je mehreren
Windungen 153 bzw. 163 aufweist. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist der hier gezeigte Transformator aus mehreren isolierenden inneren Schichten 130 aufgebaut, die miteinander verbunden sind, zum Beispiel indem sie
miteinander verpresst sind.
Die Figur 5 zeigt basierend auf dem Übertrager 100 aus Figur 4 nur die isolierenden Schichten 130 in einer
Explosionsdarstellung einer möglichen Weiterbildung, so dass die drei einzelnen isolierenden Schichten 130 gut zu erkennen sind. In der mittleren der drei Isolierschichten ist hier eine Aussparung 135 zur Aufnahme eines
magnetischen Ringkerns vorgesehen, in die der Magnetkern (vgl. z.B. auch Figur 6) eingelassen werden kann.
Die Figur 7 zeigt basierend auf dem Übertrager 100 aus Figur 4 eine Schnittdarstellung des Übertragers in einer möglichen Weiterbildung. Der Magnetkern 140, welcher zum Beispiel aus Ferritmaterial besteht, ist in eine Aussparung 135 der mittleren Isolierschicht 130 eingelassen, wobei die Aussparung 135 ein Hohlraum sein kann. Alternativ kann das Isoliermaterial aber auch direkt an den Magnetkern
angrenzen. Die drei inneren isolierenden Schichten sind jedenfalls so miteinander verbunden, insbesondere
miteinander verpresst, dass sich ein festes
Isolationsmaterial ergibt, so dass sich um den Magnetkern 140 herum eine in alle Raumrichtungen umlaufende feste Isolation ergibt, deren Dicke einen zweiten
Isolationsabstand 12 zwischen dem Kern und allen anderen elektrisch leitfähigen Strukturen der Stromkreise 150 und 160 gewährleistet, der gleich dem halben
Mindestisolationsabstand TO ist oder größer. Die Figur 11 betrifft das dritte Ausführungsbeispiel eines planaren eigensicheren Übertragers 100 gemäß der Erfindung, der hier zweckmäßig wiederum als Leiterplattentransformator ausgebildet ist und zwei getrennte Stromkreise 150 und 160 mit je einer Wicklung 152 bzw. 162 mit je mehreren
Windungen 153 bzw. 163 aufweist. Im Unterschied zum ersten und zweiten Ausführungsbeispiel ist der hier gezeigte
Transformator vollständig integriert, das heißt, zusätzlich zu einer inneren isolierenden Schicht 103 bzw. mehreren inneren isolierenden Schichten 130 sind noch zwei
isolierende äußere Schichten 180 und 190 vorgesehen. Dabei ist die erste leitende Schicht 110 zwischen der
isolierenden inneren Schicht 130 und der isolierenden äußeren Schicht 180 angeordnet. Ferner ist die zweite leitende Schicht 120 zwischen der isolierenden inneren Schicht 130 und der isolierenden äußeren Schicht 190 angeordnet. Somit sind die leitenden Schichten 110 und 120 von dem isolierenden Material der isolierenden äußeren Schichten 180 bzw. 190 bedeckt.
Die Figur 12 zeigt basierend auf dem Übertrager 100 aus Figur 11 eine mögliche Weiterbildung mit transparent dargestelltem Isoliermaterial, so dass nun auch der
integrierte ringartige magnetische Kern 140, dessen Loch 145 sowie die Leiterbahnen 154, 164 des ersten und zweiten Stromkreises 150, 160 gut zu erkennen sind. Zu sehen sind außerdem die Durchkontaktierungen 155, 165 des ersten und zweiten Stromkreises 150, 160. Die Windungen 153, 163 der Wicklungen 152, 162 des ersten und zweiten Stromkreises
150, 160 sind aus Leiterbahnen 154, 164 auf den leitenden Schichten 110 und 120 und Durchkontaktierungen 155, 165 gebildet und umschließen einen geschlossenen Magnetkern 140. Da sich die leitenden Strukturen des ersten und zweiten Stromkreises 150, 160 an den leitenden Schichten 110 und 120 nun innerhalb des festen Isolationsmaterials befinden, müssen sie somit voneinander nicht mehr den dritten
Isolationsabstand 13 entsprechend dem
Mindestisolationsabstand L0 einhalten, sondern nur noch den ersten Isolationsabstand II entsprechend dem geringen
Mindestisolationsabstand TO. Dadurch kann der Transformator gegenüber dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel noch kompakter hinsichtlich seiner horizontalen Ausdehnung aufgebaut werden, allerdings zu Lasten seiner vertikalen Ausdehnung, die um die Dicke der zusätzlichen äußeren isolierenden Schichten 180, 190 zunimmt. Alternativ kann der Transformator gegenüber dem ersten und zweiten
Ausführungsbeispiel bei gleicher horizontaler Ausdehnung mehr Wicklungen bzw. Wicklungssegmente und/oder mehr
Windungen aufnehmen und dennoch die geforderten
Mindestisolationsabstände gewährleisten .
Die Figuren 13 und 14 zeigen basierend auf dem Übertrager 100 aus Figur 11 mögliche Weiterbildungen in
Schnittdarstellungen des Übertragers. Gut zu sehen sind in Figur 13 die Anschlusskontakte 156 und 166 für die nicht weiter dargestellte äußere Beschaltung des Übertragers 100. Insbesondere in Figur 14 ist ferner zu sehen, dass sich um den Magnetkern 140 herum eine in alle Raumrichtungen umlaufende Isolation befindet, deren Dicke einen zweiten Isolationsabstand 12 zwischen dem Kern und allen anderen elektrisch leitfähigen Strukturen der Stromkreise 150 und 160 gewährleistet, der gleich dem halben
Mindestisolationsabstand TO ist oder größer, wobei die den Kern 140 umgebende Isolation aus mehreren miteinander verbundenen innere Isolationsschichten 130 zusammengesetzt ist. Ferner ist in Figur 14 zu sehen, dass die äußeren
Isolationsschichten 180 und 190 eine Dicke aufweisen, die dem zweiten Isolationsabstand 12 entspricht.
Dass die leitenden Strukturen des ersten und zweiten
Stromkreises 150, 160 an den leitenden Schichten 110 und 120 untereinander nur noch den ersten Isolationsabstand II entsprechend dem Mindestisolationsabstand TO einhalten brauchen, lässt sich auf einfache Weise anhand der in Figur 14 gezeigten minimaler Isolationspfade zwischen den
voneinander isolierten Stromkreisen 150, 160 nachvollziehen bzw. überprüfen. Im Unterschied zum ersten
Ausführungsbeispiel und zur Figur 10 verläuft gemäß Figur 14 der erste Isolationspfad von der Wicklung 152 des ersten Stromkreises 150 auf der linken Seite des Übertragers 100 durch das feste Isolationsmaterial der äußeren isolierenden Schicht. Von dort verläuft der erste Isolationspfad über die Oberfläche der äußeren isolierenden Schicht (als gestrichelte Linie dargestellt) , um von dort wiederum durch das feste Isolationsmaterial zur Wicklung 162 des zweiten Stromkreises 160 auf der rechten Seite des Übertragers 100 zu gelangen. In gleicher Weise verläuft der erste
Isolationspfad auch über die Oberfläche der äußeren
isolierenden Schicht 190 (nicht dargestellt). Da der dem minimalen Trennabstand entsprechender
Mindest isolat ionsabstand von TO für feste Isolation
anteilig zusammengesetzt werden darf, ergibt 2 * 12 = II bzw. 2 * TO / 2 = TO den geforderten
Mindest isolat ionsabstand TO zwischen beiden Wicklungen und der Übertrager bzw. Transformator ist damit normgerecht dimensioniert. Der Abschnitt des ersten Isolationspfades, der über die Oberfläche der äußeren isolierenden Schicht führt (als gestrichelte Linie dargestellt) , wird hierbei nicht mitgezählt.
Allgemein gilt, dass sich für jeden möglichen
Isolationspfad in Summe mindestens der Isolationsabstand TO ergeben muss.
Bezugszeichenliste
100 Planarer, insbesondere eigensicherer Übertrager
110 erste leitende Schicht
120 zweite leitende Schicht
130 isolierende innere Schicht
135 ringartige Aussparung
140 ringartiger magnetischer Kern
145 Loch des magnetischen Kerns
150 erster Stromkreis
151 Leiter des ersten Stromkreises
152 Wicklung des ersten Stromkreises
153 Windung des ersten Stromkreises
154 Leiterbahn für den ersten Stromkreis
155 leitende Durchkontaktierung für den ersten Stromkreis
156 Anschlusskontakte für die äußere Beschaltung
160 zweiter Stromkreis
161 Leiter des zweiten Stromkreises
162 Wicklung des zweiten Stromkreises
163 Windung des zweiten Stromkreises
164 Leiterbahn für den zweiten Stromkreis
165 leitende Durchkontaktierung für den zweiten
Stromkreis Anschlusskontakte für die äußere Beschaltung freier Endabschnitt einer Leiterbahn
isolierende äußere Schicht
isolierende äußere Schicht
erster Isolationsabstand
zweiter Isolationsabstand
dritter Isolationsabstand

Claims

Patentansprüche
1. Planarer, insbesondere eigensicherer Übertrager (100) mit
einer vertikalen Ausdehnung und einer horizontalen Ausdehnung, aufweisend
- einen sandwichartigen Schichtaufbau mit mehreren vertikal übereinander angeordneten sich horizontal erstreckenden Schichten, umfassend eine erste und eine zweite leitende Schicht (110, 120) und mindestens eine isolierende innere Schicht (130), die zwischen den zwei leitenden Schichten angeordnet ist,
- eine Mehrzahl von Stromkreisen, wobei ein erster Stromkreis (150) und mindestens ein zweiter Stromkreis (160) galvanisch voneinander getrennt sind,
- mindestens einen ringartigen magnetischen Kern (140) mit einem Loch (145), der zumindest auf den ersten Stromkreis (150) und auf den zweiten Stromkreis (160) wirkt ,
dadurch gekennzeichnet, dass
- der Kern (140) innerhalb der wenigstens einen isolierenden inneren Schicht (130) angeordnet ist,
- ein Leiter (151) des ersten Stromkreises und ein Leiter (164) des zweiten Stromkreises jeweils eine Wicklung (152, 162) mit mindestens einer Windung (153, 163) aufweist,
- die mindestens eine Windung des ersten Stromkreises und die mindestens eine Windung des zweiten
Stromkreises jeweils an der ersten leitenden Schicht
(110) und an der zweiten leitenden Schicht (120) sowie durch die mindestens eine isolierende innere Schicht
(130) und durch das Loch (145) des Kerns (140)
verlaufen . Übertrager (100) nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet ,
dass an der ersten leitenden Schicht (110) und an der zweiten leitenden Schicht (120) jeweils mindestens eine erste Leiterbahn (154) für den ersten Stromkreis (150) und jeweils mindestens eine zweite Leiterbahn (164) für den zweiten Stromkreis (160) ausgebildet ist, und
dass die mindestens eine Windung (153) des ersten Stromkreises die erste Leiterbahn (154) an der ersten leitenden Schicht (110) und die erste Leiterbahn (154) an der zweiten leitenden Schicht (120) umfasst, die mittels einer leitenden Durchkontaktierung (155) durch die mindestens eine isolierende innere Schicht (130) an einem ihrer freien Endabschnitte (170) miteinander verbunden sind, und
dass die mindestens eine Windung (163) des zweiten Stromkreises die zweite Leiterbahn (164) an der ersten leitenden Schicht (110) und die zweite Leiterbahn
(164) an der zweiten leitenden Schicht (120) umfasst, die mittels einer leitenden Durchkontaktierung (165) durch die mindestens eine isolierende innere Schicht
(130) an einem ihrer freien Leiterbahnendabschnitte
(170) miteinander verbunden sind.
Übertrager (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stromkreis (150) und/oder der zweite Stromkreis (160) mehrere Windungen (153, 163) aufweist, und dass die mehreren Windungen eines Stromkreises derart miteinander verbunden sind, dass eine Leiterbahn der einen Windung mit einer Leiterbahn der anderen Windung mittels einer leitenden Durchkontaktierung (155, 165) durch die mindestens eine isolierende innere Schicht (130) an einem ihrer freien Leiterbahnendabschnitte (170) miteinander verbunden sind.
4. Übertrager (100) nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, der erste Stromkreis (150) und der mindestens zweite Stromkreis (160) einen ersten
Isolationsabstand (II) zueinander aufweisen, und dass an keinem geometrischen Ort des Übertragers der erste Isolationsabstand (II) zwischen den Stromkreisen kleiner ist als ein Mindestisolationsabstand TO.
5. Übertrager (100) nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Stromkreise (150, 160) einen zweiten Isolationsabstand (12) zum Kern (140) aufweist, und dass an keinem geometrischen Ort des Übertragers der zweite Isolationsabstand (12) zwischen den Stromkreisen und dem Kern kleiner ist als der Mindestisolationsabstand TO / 2.
6. Übertrager (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste leitende
Schicht (110) und/oder die zweite leitende Schicht (120) eine äußere Schicht des sandwichartigen
Schichtaufbaus ist, und dass jeder an einer äußeren leitenden Schicht verlaufende Leiter (151) des ersten Stromkreises (150) zu jedem an derselben äußeren leitenden Schicht verlaufenden Leiter (161) des mindestens zweiten Stromkreises (160) einen dritten Isolationsabstand (13) aufweist, und dass an keinem geometrischen Ort der jeweiligen äußeren leitenden Schicht des Übertragers der dritte Isolationsabstand (13) zwischen den Stromkreisen kleiner ist als ein Mindestisolationsabstand L0.
7. Übertrager (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der sandwichartige
Schichtauf au mindestens eine isolierende äußere
Schicht (180, 190) umfasst, und dass die erste
leitende Schicht (110) und/oder die zweite leitende Schicht (120) zwischen einer isolierenden inneren Schicht (130) und einer isolierenden äußeren Schicht (180, 190) angeordnet ist.
8. Übertrager (100) nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass wenn eine leitende Schicht (110, 120) zwischen zwei isolierenden Schichten (130, 180, 190) angeordnet ist und somit eine innere leitende Schicht des sandwichartigen Schichtaufbaus ist, jeder an einer inneren leitenden Schicht verlaufende Leiter (151) des ersten Stromkreises (150) zu jedem an derselben inneren leitenden Schicht verlaufenden
Leiter (161) des mindestens zweiten Stromkreises (160) einen ersten Isolationsabstand (II) aufweist, und dass an keinem geometrischen Ort der jeweiligen inneren leitenden Schicht des Übertragers der erste
Isolationsabstand (II) zwischen den Stromkreisen kleiner ist als der Mindestisolationsabstand TO.
9. Übertrager (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine isolierende innere Schicht (130) eine ringartige
Aussparung (135) aufweist, in die der ringartige magnetische Kern (140) eingelassen ist.
10. Übertrager (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei
isolierende innere Schichten (130) übereinander angeordnet und miteinander verbunden sind, insbesondere miteinander verpresst sind.
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