WO2006053862A1 - Induktives schaltungselement und verfahren zur montage eines induktiven schaltungselements - Google Patents

Induktives schaltungselement und verfahren zur montage eines induktiven schaltungselements Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to an inductive circuit element with a toroidal core and a composite of U-shaped bracket winding material.
  • the invention relates to a method for mounting a circuit element with a toroidal core and a composite of U-shaped hoop winding.
  • DE3720739 shows a substantially O-shaped core, which is held on the board by soldered winding stirrups which serve to form two windings distributed on both legs.
  • No. 4,878,291 A discloses a method for assembling an inductive circuit element, the winding material being composed of U-shaped and S-shaped stirrups.
  • the distance between adjacent brackets can easily change in this arrangement due to external influences during assembly or during operation, which has a negative effect on the constancy of elektr ⁇ magnetic parameters.
  • a method specified in US Pat. No. 3,638,156 A describes the composition of a winding material applied to a ceramic base body. It is a U-shaped
  • Base body provided with U-shaped conductor tracks, in which a cylindrical core is inserted, wherein the adjacent ends of the tracks are connected diagonally with sheet-metal brackets.
  • a ceramic base body is difficult to manufacture for an annular core, which is why the solution for toroidal cores is not considered.
  • the invention is therefore based on the object of specifying an inductive switching element with a toroidal core and a composite of U-shaped bracket winding, which is easy to manufacture and has constant electrical-magnetic parameters. Furthermore, a method for easy installation should be specified.
  • this object is achieved with an inductive circuit element of the type mentioned in at the first bracket and second bracket are provided and the first bracket so arranged the second bracket opposite and are directly connected to each other that they enclose the toroidal core as comprehensive turns and wherein the brackets are formed from sheet metal and have at their back a web, with all the first bracket on a first carrier board and all second bracket are mounted on a second carrier board.
  • the circuit element according to the invention has the advantage that the turns are constructed solely of brackets, which can be adapted in their dimension to the thermal loads. Furthermore, it is achieved by stable mounting on the carrier boards with constant distances between the individual windings that the electrical magnetic parameters of structurally identical circuit elements have smaller variations than conventional designs.
  • a particularly favorable Feld bedring is achieved with the fact that the bracket made of silvered beryllium, copper or bronze. This results in a uniform distribution of the current and the thermal load.
  • Bracket is given.
  • the circuit elements can be integrated directly into the board by the contact is given by traces that lead directly to the solder joints for attaching the winding ends forming bracket.
  • the bracket on the leg ends have contact surfaces where they are soldered together or that the bracket at one leg end a male plug and at the other leg end male plug and the strap are connected plugged. This results in a simple assembly of the Wicklungsguts.
  • first bracket and the second bracket are made identical. As a result, all the stirrups can use the same tools and production steps for the production.
  • the carrier boards are made of a ceramic material, so that the resulting heat can be better dissipated. Another advantage is the low deformation when heating the carrier boards.
  • the assembly of the circuit element according to the invention can be particularly easy to perform by on a first
  • Supporting plate U-shaped bracket are rotationally symmetrical and in the resulting first half of the winding material, a toroidal core is inserted electrically insulated, which is spanned with U-shaped second bracket in such a way that each juxtaposed first bracket are connected by second bracket and so complete turns arise.
  • Assembly is particularly favorable when the second bracket spanning the toroidal core is preassembled on a common second carrier board. That can be like with the
  • the placement of the group of second bracket on the group of the first bracket can then be done by soldering or plugging.
  • Fig. 1 a schematic representation of a circuit element according to the invention with plugged connected bracket and a winding
  • Fig. 2 a schematic representation of a circuit element according to the invention with soldered connected bracket and two windings
  • FIG. 3 An outline of a clip for plugged connection
  • Fig. 4 side elevation of a clip for plugged connection
  • Fig. 5 plan view of a plug-in connector
  • Fig. 6 View A of a plug-in connector as indicated in fig
  • Fig. 1 shows an inventive switching element with bracket, which are plugged together, wherein a variant is selected with a winding encircling the entire ring core.
  • the base used is a carrier board 1 made of ceramic.
  • the first bracket 2 with the apparent from Fig. 3 web 10 are rotationally symmetrical soldered to the axis of symmetry of the toroidal core 3, wherein the individual solder joints with each other have no electrically conductive connection allowed to.
  • the distance between the individual first bracket 2 is constant.
  • first bracket 2 of the toroidal core 3 is inserted electrically isolated. This is achieved by the fact that
  • Toroidal core 3 is isolated before insertion with a dielectric material.
  • the toroidal core 3 spanning second bracket 4 connect two juxtaposed first bracket 2 in such a way that complete windings are given.
  • the winding formed from the bracket is interrupted at one point by the absence of a second bracket.
  • the first bracket 6 and 7 to winding ends which can be contacted via printed conductors 8 and 9 on the carrier board 1 with a circuit.
  • the group of the second bracket 4 is also soldered to a common carrier board 5, wherein also here there is no electrically conductive connection between the solder joints.
  • a common carrier board 5 wherein also here there is no electrically conductive connection between the solder joints.
  • Fig. 2 also shows an inventive
  • Circuit element in which case the variant of each other soldered bracket 2 and 4 is shown. Due to the absence of two second bracket 4, the toroidal core 3 is enclosed by two windings whose winding ends form the first brackets 6 and 7. These can be contacted via the tracks 8 and 9 on the carrier board 1 with a circuit.
  • the bracket shown in FIGS. 3 to 6 is the plug-in variant made of sheet metal.
  • Fig. 3 shows the U-shape of the bracket, which has a beveled web 10 at the back.
  • the first leg end 11 is designed as a plug female, wherein the leg is slotted in the middle and the resulting two leg segments as shown in FIG. 6 are spread open against each other, so that they serve as a clamping receptacle for the second leg end 12.
  • This second leg end 12 is designed as a straight sheet segment with rounded edges.
  • Fig. 5 shows the slight S-shape of the bracket. The extent of the bend is dependent on the pitch of the winding and causes the mating plug female and male plug of the brackets to be connected to each other 2 and 4 lie in a common plane.

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Abstract

Bei induktiven Schaltungselementen ist es bekannt, Wicklungen aus U-förmigen gebogenen Drahtelementen herzustellen, die einen Kern überwölben und zusammen mit Leiterbahnen, in die ihre Enden eingelötet werden, vollständige Wicklungen bilden. Dabei kann es zu thermischen Problemen sowie zu großen Streuungen der elektrisch-magnetischen Parameter kommen. Erfindungsgemäß ist daher ein induktives Schaltungselement vorgesehen, bei dem U-förmigen erste Bügel (2) und zweite Bügel (4) gegenüberliegend angeordnet sind und so miteinander direkt verbunden sind, dass sie den Ringkern (3) als vollständige Windungen umschließen. Die Gruppe der ersten Bügel (2) ist dabei auf einer Trägerplatine (1) und die Gruppe der zweiten Bügel (4) auf einer gegenüberliegenden Trägerplatine (5) befestigt.

Description

Induktives Schaltungselement und Verfahren zur Montage eines induktiven Schaltungselements
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein induktives Schaltungselement mit einem Ringkern und einem aus U-förmigen Bügel zusammengesetzten Wickelgut.
Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Montage eines Schaltungselementes mit einem Ringkern und einem aus U- förmigen Bügel zusammengesetzten Wickelgut.
Nach dem Stand der Technik ist es bekannt, bei induktiven Schaltungselementen wie Übertragern oder Drosseln die Strom führenden Wicklungen dadurch zu realisieren, dass man bügeiförmige (U-förmige) Drahtelemente benutzt, die den Kernquerschnitt überwölben und in die Leiterplatte einzeln und parallel zueinander eingesteckt werden, so dass sie zusammen mit entsprechenden Leiterbahnen, mit denen sie verlötet werden, vollständige Windungen bilden.
So zeigt die DE3720739 (Meinel) einen im Wesentlichen 0- förmigen Kern, der durch eingelötete Windungsbügel, die zur Bildung zweier, auf beide Schenkel verteilter Wicklungen dienen, auf der Platine gehalten wird.
Bei dieser Technik entfällt zwar ein herkömmlicher Wickelvorgang, die erforderlichen Leiterbahnen auf der Platine sind jedoch im Querschnitt beschränkt, so dass bei hohen Strömen thermische Probleme auftreten. Die in den Leiterbahnen entstehende Wärme kann dann ohne zusätzliche Kühlmaßnahmen nicht mehr über die Platine abgeführt werden. Die Leiterbahnen müssen daher verstärkt werden, was wiederum mit Mehrarbeit verbunden ist. Zudem bringt die bekannte Bauweise den Nachteil mit sich, dass einzelne an sich baugleiche Schaltungselemente bei den elektrisch-magnetischen Parametern große Streuungen aufweisen. Eine andere Art der Anordnung U-förmiger Drahtbügel kennt man aus der JP 05090035 A. Hier sind die Drahtbügel aus Bleidraht geformt und um einen Ringkern angeordnet, wobei die Enden der oberen Bügel in köcherförmige Ausprägungen der unteren Bügel gesteckt und verlötet sind. Eine maschinelle Montage ist dabei schwierig, da die oberen und unteren Bügel abwechselnd um den Ringkern montiert werden müssen.
In der US 4 878 291 A ist ein Verfahren zur Montage eines induktiven Schaltungselements angegeben, wobei sich das Wickelgut aus U-förmigen und S-förmigen Bügel zusammensetzt. Der Abstand benachbarter Bügel kann sich bei dieser Anordnung durch äußere Einflüsse bei der Montage oder im Betrieb leicht verändern, was sich negativ auf die Konstanz der elektrisch¬ magnetischen Parameter auswirkt.
Ein in der US 3 638 156 A angegebenes Verfahren beschreibt die Zusammensetzung eines auf einem keramischen Grundkörper aufgebrachten Wickelguts. Dabei ist ein U-förmiger
Grundkörper mit U-förmigen Leiterbahnen vorgesehen, in den ein zylindrischer Kern eingelegt wird, wobei die benachbarten Enden der Leiterbahnen diagonal mit blechförmigen Bügeln verbunden werden. Ein derartiger keramischer Grundkörper lässt sich nur schwer für einen ringförmigen Kern fertigen, weshalb die Lösung für Ringkerne nicht in Betracht zu ziehen ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein induktives Schaltelement mit einem Ringkern und einem aus U- förmigen Bügel zusammengesetzten Wickelgut anzugeben, das einfach zu fertigen ist und konstante elektrisch-magnetische Parameter aufweist. Des Weiteren soll ein Verfahren zur einfachen Montage angegeben werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst mit einem induktiven Schaltungselement der eingangs genannten Art, bei dem erste Bügel und zweite Bügel vorgesehen sind und die ersten Bügel den zweiten Bügel so gegenüber liegend angeordnet und so miteinander direkt verbunden sind, dass sie den Ringkern als umfassende Windungen umschließen und wobei die Bügel aus Blech geformt sind und an ihrem Rücken einen Steg aufweisen, mit dem alle ersten Bügel auf einer ersten Trägerplatine und alle zweiten Bügel auf einer zweiten Trägerplatine befestigt sind.
Das erfindungsgemäße Schaltungselement hat den Vorteil, dass die Windungen allein aus Bügel aufgebaut sind, die in ihrer Dimension den thermischen Belastungen angepasst werden können. Des Weiteren wird durch eine stabile Befestigung auf den Trägerplatinen mit gleichbleibenden Abständen zwischen den einzelnen Windungen erreicht, dass die elektrisch¬ magnetischen Parameter baugleicher Schaltungselemente gegenüber herkömmlicher Bauweisen geringere Streuungen aufweisen.
Ein besonders günstiges Felddurchdringverhalten erreicht man damit, dass die Bügel aus versilbertem Beryllium, Kupfer oder Bronze bestehen. Es ergibt sich dadurch eine gleichmäßige Verteilung des Stroms sowie der thermischen Belastung.
Ein weiterer Vorteil liegt in der einfachen Realisierung von Wicklungen erwünschter Windungszahl, indem wenigstens ein Paar nebeneinander angeordneter erster Bügel nicht mit einem zweiten Bügel miteinander verbunden ist und so wenigstens eine den Ringkern umfassende Wicklung mit Anschlusskontakten an den Befestigungsstellen der die Wicklungsenden bildenden
Bügel gegeben ist. Damit können die Schaltungselemente direkt in die Platine integriert werden, indem die Kontaktierung durch Leiterbahnen gegeben ist, die direkt zu den Lötstellen zur Befestigung der die Wicklungsenden bildenden Bügel führen. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Bügel an den Schenkelenden Kontaktflächen aufweisen, an denen sie miteinander verlötet sind oder dass die Bügel an einem Schenkelende ein Stecker Weibchen und am anderen Schenkelende ein Stecker Männchen aufweisen und die Bügel gesteckt verbunden sind. Dadurch ergibt sich eine einfache Montage des Wicklungsguts .
Zur weiteren Kostensenkung ist es vorteilhaft, wenn die ersten Bügel und die zweiten Bügel baugleich ausgeführt sind. Dadurch können zur Herstellung alle Bügel die gleichen Werkzeuge und Fertigungsschritte Verwendung finden.
Des Weiteren ist es günstig, wenn die Trägerplatinen aus einem keramischen Material bestehen, damit die entstehende Wärme besser abgeleitet werden kann. Vorteilhaft ist dabei auch die geringe Verformung bei Erwärmung der Trägerplatinen.
Die Montage des erfindungsgemäßen Schaltungselementes lässt sich besonders einfach durchführen, indem auf einer ersten
Trägerplatine U-förmige Bügel rotationssymmetrisch befestigt werden und in die so entstandene erste Hälfte des Wickelguts ein Ringkern elektrisch isoliert eingelegt wird, der mit U- förmigen zweiten Bügel in der Weise überspannt wird, dass jeweils nebeneinander liegende erste Bügel durch zweite Bügel verbunden werden und so vollständige Windungen entstehen.
Besonders günstig ist die Montage dann, wenn die den Ringkern überspannenden zweiten Bügel auf einer gemeinsamen zweiten Trägerplatine vormontiert werden. Das kann wie bei der
Befestigung der ersten Bügel auf die erste Trägerplatine durch Löten oder Kleben geschehen und führt zu einem gleichmäßigen Abstand zwischen den Bügeln.
Dabei ist darauf zu achten, dass jene zweiten Bügel weggelassen werden, die durch ihr Fehlen ein Unterbrechen der ansonsten in sich geschlossenen Wicklung bewirken und so die gegenüberliegenden ersten Bügel Wicklungsenden zumindest einer nicht in sich geschlossenen Wicklung bilden. Wird nur ein zweiter oder mehrere nebeneinander liegende zweite Bügel weggelassen, dann ergibt sich eine Wicklung. Werden mehrere nicht nebeneinander liegende zweite Bügel weggelassen, dann ergeben sich entsprechend mehr Wicklungen.
Je nach gewählter Ausführung der Bügel kann das Aufsetzen der Gruppe der zweiten Bügel auf die Gruppe der ersten Bügel dann durch Verlöten oder Stecken erfolgen.
Die Erfindung wird anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen beispielhaft:
Fig. 1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schaltungselementes mit gesteckt verbundenen Bügel und einer Wicklung
Fig. 2: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Schaltungselementes mit gelötet verbundenen Bügel und zwei Wicklungen
Fig. 3: Aufriss eines Bügels für gesteckte Verbindung Fig. 4: Seitenriss eines Bügels für gesteckte Verbindung Fig. 5: Grundriss eines Bügels für gesteckte Verbindung Fig. 6: Ansicht A eines Bügels für gesteckte Verbindung wie in Fig. 5 angegebenen
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Schaltelement mit Bügel, die gesteckt miteinander verbunden sind, wobei eine Variante mit einer den ganzen Ringkern umlaufenden Wicklung gewählt ist.
Als Basis dient dabei eine Trägerplatine 1 aus Keramik. Auf diese werden die ersten Bügel 2 mit dem aus Fig. 3 ersichtlichen Steg 10 rotationssymmetrisch zur Symmetrieachse des Ringkerns 3 gelötet, wobei die einzelnen Lötstellen untereinander keine elektrisch leitende Verbindung aufweisen dürfen. Der Abstand zwischen den einzelnen ersten Bügel 2 ist konstant.
In diese Gruppe erster Bügel 2 ist der Ringkern 3 elektrisch isoliert eingelegt. Das wird dadurch erreicht, dass der
Ringkern 3 vor dem Einlegen mit einem dielektrischem Material isoliert wird. Die den Ringkern 3 überspannenden zweiten Bügel 4 verbinden jeweils zwei nebeneinander liegende erste Bügel 2 in der Weise, dass vollständige Wicklungen gegeben sind.
Die aus den Bügel gebildete Wicklung ist an einer Stelle durch das Fehlen eines zweiten Bügels unterbrochen. Dadurch werden die ersten Bügel 6 und 7 zu Wicklungsenden, die über Leiterbahnen 8 und 9 auf der Trägerplatine 1 mit einer Schaltung kontaktiert werden können.
Die Gruppe der zweiten Bügel 4 ist ebenfalls auf einer gemeinsamen Trägerplatine 5 gelötet, wobei auch hier keine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Lötstellen besteht. Über die Trägerplatinen 1 und 5 wird aufgrund der thermisch gut leitenden Verbindung mit den Bügeln 2 und 4 die im Betrieb entstehende Wärme abgeführt.
Fig. 2 zeigt ebenfalls ein erfindungsgemäßes
Schaltungselement, wobei hier die Variante miteinander verlöteter Bügel 2 und 4 dargestellt ist. Durch das Fehlen von zwei zweiten Bügel 4 ist der Ringkern 3 mit zwei Wicklungen umschlossen, deren Wicklungsenden die ersten Bügel 6 und 7 bilden. Diese können über die Leiterbahnen 8 und 9 auf der Trägerplatine 1 mit einer Schaltung kontaktiert werden.
Der in den Fig. 3 bis 6 dargestellte Bügel ist die steckbare Variante aus Blech. Fig. 3 zeigt dabei die U-Form des Bügels, der am Rücken einen abgekanteten Steg 10 aufweist. Das erste Schenkelende 11 ist als Stecker Weibchen ausgeführt, wobei der Schenkel in der Mitte geschlitzt ist und die so entstandenen beiden Schenkelsegmente wie aus Fig. 6 ersichtlich gegeneinander aufgespreizt sind, so dass sie als klemmende Aufnahme für das zweite Schenkelende 12 dienen. Dieses zweite Schenkelende 12 ist als gerades Blechsegment mit abgerundeten Kanten ausgeführt.
Fig. 5 zeigt die leichte S-Form des Bügels. Das Ausmaß der Biegung ist dabei von der Teilung der Wicklung abhängig und bewirkt, dass die zueinander gehörenden Stecker Weibchen und Stecker Männchen der miteinander zu verbindenden Bügel 2 und 4 in einer gemeinsamen Ebene liegen.

Claims

Patentansprüche
1. Induktives Schaltungselement mit einem Ringkern (3) und einem aus U-förmigen Bügel (2, 4) zusammengesetzten Wickelgut, dadurch gekennzeichnet, dass erste Bügel
(2) und zweite Bügel (4) vorgesehen sind und dass die ersten Bügel (2) den zweiten Bügel (4) so gegenüber liegend angeordnet und so miteinander direkt verbunden sind, dass sie den Ringkern (3) als umfassende Windungen umschließen und dass die Bügel (2, 4) aus Blech geformt sind und an ihrem
Rücken einen Steg (10) aufweisen, mit dem alle ersten Bügel (2) auf einer ersten Trägerplatine (1) und alle zweiten Bügel (4) auf einer zweiten Trägerplatine (5) befestigt sind.
2. Induktives Schaltungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bügel (2, 4) aus versilbertem Beryllium, Kupfer oder Bronze bestehen.
3. Induktives Schaltungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Paar erster Bügel (2) nicht durch zweite Bügel (4) verbunden ist und die auf diese Weise Wicklungsenden bildende Bügel (6, 7) mit Anschlusskontakten verbunden sind.
4. Induktives Schaltungselement nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Bügel (2) und die zweiten Bügel (4) an den Schenkelenden Kontaktflächen aufweisen, an denen sie miteinander verlötet sind oder, dass die ersten Bügel (2) und die zweiten Bügel (4) an einem Schenkelende ein Stecker Weibchen und am anderen Schenkelende ein Stecker Männchen aufweisen und die ersten Bügel (2) mit den zweiten Bügel (4) gesteckt verbunden sind.
5. Induktives Schaltungselement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass erste Bügel (2) und zweite Bügel (4) baugleich ausgeführt sind.
6. Induktives Schaltungselement nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatinen (1, 5) aus einem keramischen Material bestehen.
7. Verfahren zur Montage eines Schaltungselementes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer ersten Trägerplatine (1) U-förmige erste Bügel (2) rotationssymmetrisch befestigt werden und in die so entstandene erste Hälfte des Wickelguts ein Ringkern (3) elektrisch isoliert eingelegt wird, der mit U-förmigen zweiten Bügel (4) in der Weise überspannt wird, dass jeweils nebeneinander liegende erste Bügel (2) durch zweite Bügel (4) verbunden werden und so vollständige Windungen entstehen.
8. Verfahren zur Montage eines Schaltungselementes nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die den Ringkern (3) überspannenden zweiten Bügel (4) auf einer gemeinsamen zweiten Trägerplatine (5) vormontiert werden.
9. Verfahren zur Montage eines Schaltungselementes nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bügel (2, 4) auf die Trägerplatinen (1, 5) aufgelötet oder aufgeklebt werden.
10. Verfahren zur Montage eines Schaltungselementes nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppe der zweiten Bügel (4) mit der Gruppe der ersten Bügel (2) verlötet werden oder, dass die Gruppe der zweiten Bügel (4) auf die Gruppe der ersten Bügel (2) gesteckt werden.
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