WO2009121627A2 - Induktives bauelement zur ansteuerung von leuchten - Google Patents

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WO2009121627A2
WO2009121627A2 PCT/EP2009/002477 EP2009002477W WO2009121627A2 WO 2009121627 A2 WO2009121627 A2 WO 2009121627A2 EP 2009002477 W EP2009002477 W EP 2009002477W WO 2009121627 A2 WO2009121627 A2 WO 2009121627A2
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inductive
ferrite
ferrite core
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Herbert Jungwirth
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Vogt Electronic Components Gmbh
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B41/00—Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F3/00—Cores, Yokes, or armatures
    • H01F3/08—Cores, Yokes, or armatures made from powder
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/08—High-leakage transformers or inductances
    • H01F38/10—Ballasts, e.g. for discharge lamps

Definitions

  • the present invention generally relates to inductive components, i. H. Storage chokes, transformers and the like, which are designed for a high power density for a given volume of construction.
  • the electronic components provided for the power supply must also be suitably adjusted in size.
  • increasingly powerful gas discharge lamps can be provided, which offer a constant or even higher power with a smaller construction volume.
  • the low volume of construction of these bulbs also means that the electronic components required to drive the bulbs must be reduced in size.
  • the inductive components have to be developed in consideration of numerous parameters, since a suitable adaptation of an inductive component depends on numerous factors, such as the shape of the magnetic cores, the type of ferrite material used, the wiring in the windings, and generally the circuit topology.
  • a reduction in the size of the components is thus desired in many areas of electronics, in particular the achievement of a high power density for specially selected component dimensions in inductive components is a very complex process, whereby numerous physical boundary conditions dictated by the properties of the magnetic materials must be observed Different solutions may lead to different final results, but then may not behave in the same way in the target application.
  • the size and shape of the corresponding electronic board of the shape and size of the bulb to adapt to achieve a compact overall design. Due to these requirements, however, there are also maximum dimensions for corresponding inductive components, such as chokes and the like, but still meet the requirements in terms of power density, operating temperature, the electromagnetic behavior, and have to meet the same. For example, with a power range of a few 10 W, as is typical for modern gas discharge lamps, adaptation to the elongated shape of the tubes may require certain lateral dimensions that must not be exceeded by the inductive component, thus providing the desired overall conformance of the electronic board to enable.
  • ferrite cores are available in many standard sizes and with many standard ferrite materials, but in the size range of cores with a magnetic effective volume of about 900 mm 3 and below, the required component properties with E cores, for example, a relatively compact design with good thermal behavior and provide relatively low susceptibility, may not be achieved, in order to allow a sufficient drive power at a desired compact design of the corresponding bulbs.
  • a plurality of inductive components are required in corresponding electronic drive circuits, so that the use of a slightly larger core and thus a larger inductive component can lead overall to a significant increase in the overall construction volume, so that, if necessary, the desired degree of miniaturization can not be achieved.
  • the overall topology of the circuit used as well as the thermal conditions and the degree of automation in the production of corresponding inductive components must be taken into account. That is, the design of suitable inductive components with the desired small size subject to many, mutually influencing factors, but which can not be easily predetermined.
  • the size of an inductor can be chosen to be smaller with regard to, for example, a higher clock frequency of the corresponding drive circuits or the like, the desired result with respect to the overall design is not necessarily achieved, since possibly a greater number of components, a different interference radiation behavior , etc., a larger total thermal power loss may lead to an overall increase in construction volume, possibly in combination with an increase in production costs.
  • an inductive component in particular a storage inductor and a corresponding electronic circuit having a plurality of inductive components specify, with an adaptation of the electronic circuit to the shape and size of modern gas discharge lamps at reduced production costs is possible.
  • an inductive component having a ferrite core, which has a first core half and a second core half, at least one of which has an E-shaped core cross-section.
  • the width of the core halves, which extends along a direction perpendicular to the course of the central limb, is 20 mm or smaller.
  • the ferrite core of a ferrite material is constructed having a maximum induction Bmax and magnetization at a field strength of 250 A / m at 100 0 C, which is 400 mT or greater.
  • the inductive component according to the invention further comprises a bobbin, which is surrounded by legs of the two core halves and having pins which are arranged on opposite sides of the ferrite core and extending in a height direction. Furthermore, at least one winding is provided in the bobbin, which is electrically connected at least to one of the pins.
  • the device according to the invention thus has an E-shaped core cross section, which allows a compact overall design, since a relatively large surface area is provided for a good thermal behavior, wherein the winding is largely shielded by the outer surfaces of the E core.
  • a width of 20 mm or smaller is realized in the inductive component according to the invention, so that in particular an adaptation to electronic circuit boards is possible, which are designed to control modern gas discharge lamps in the power range of some 10 W.
  • a material is used for the ferrite core, which has a magnetization or induction of 400 mT or greater, when the core material is magnetized at a field strength of 250 A / m at 100 0 C.
  • the properties of the core material allow inductance values, which lead to an overall efficient behavior, since with these properties a very balanced ratio of copper losses to core losses at the typical operating frequencies used 30 kHz to 300 kHz, ie, at the specified values for the core material, inductance values are possible which consider both winding losses and core losses Keep frequency range in a range in which a stable operation at the desired power densities is possible.
  • a magnetically effective volume of the ferrite core is 900 mm 3 or smaller.
  • a size is realized, which corresponds to a core E19 / 5, but a transmission of higher power compared to standard cores in the range of about 100 kHz and less is possible.
  • the inductive component according to the invention can be provided with a size which allows a reduction of the boards for electronic drive circuits for modern gas discharge lamps.
  • the length of the ferrite core is 17 mm or less.
  • the length is to be understood as the dimension along the larger lateral dimension of the middle leg.
  • a smaller size of a corresponding inductive element is possible because of the properties of the core material a reduction of the required number of turns and thus a reduction of the size of the winding or an improvement of the resistance behavior the winding is possible.
  • a height of the ferrite core is 13 mm or less.
  • the bobbin of the inductive component has a projection provided for automatically inserting a winding wire.
  • a large number of factors have to be considered for efficient size reduction of inductive components, with a complex interaction of the electrical and magnetic properties to take into account.
  • relatively high voltages are to be absorbed by the winding of the inductive component, for example if an up-conversion circuit is considered in which the mains voltage is converted to a suitable high DC link voltage.
  • the automatic winding can be done so that the threading of the wire takes place very precisely in the winding base of the bobbin, wherein the projection also allows improved delivery of the wire end to a pin without "crossing" other turns and without train on the pin
  • a distance between turns sections corresponding to turns with a higher voltage can be reliably maintained at the winding start in a precise and reproducible manner, so that overall an efficient reduction of the overall dimensions of the winding is possible, so that in cooperation with the ferrite material and the desired overall dimensions of the inductive component can be transmitted a high power for this volume of construction, without negatively influencing the electrical functionality and the overall behavior
  • Belt body a more efficient automatic wire guide during threading, so that also the overall processing is more efficient and precise, since, for example, a soldering of the lead wire with the pin can be performed under well-defined conditions, so that optionally a smaller amount of solder is usable and / or Overall, the process of soldering in a shorter time with improved product uniform
  • a winding wire is deflected by the projection and a trained as a wire guide recess to one of the pins guided.
  • the ferrite material comprises a mixture of iron oxide, manganese oxide and zinc oxide.
  • the mixture comprises the iron oxide with a weight fraction of 71% by weight ⁇ 3% by weight, the manganese oxide with a weight fraction of 23% by weight ⁇ 8% by weight and the zinc oxide with a weight fraction of 6 Wt .-% ⁇ 5 wt .-% on. In this way, a variation for the application under consideration can be determined.
  • the object mentioned is achieved by an electronic circuit for controlling a lamp.
  • the electronic circuit comprises a circuit board and a first inductive component having the properties described above. Furthermore, a second inductive component is provided, which also has the aforementioned properties.
  • the first inductive component is a component of an up-converter, which provides a regulated DC voltage from an input AC voltage
  • the second inductive component is a component of a regulated DC voltage fed resonance stage for feeding the lamp.
  • the inductive component described above is used efficiently in different circuit topologies, which are tailored in particular to the control of a gas discharge lamp. That is, on the input side, the inductive component is provided in a controlled boost converter, which is used for example for setting a power factor of the tapped from the AC power source.
  • a boost converter circuit usually occur relatively high voltages of about 400 V or more, so that in particular a precise compliance with insulation distances in Applying the windings is of particular advantage, as set out above in connection with the bobbin of the inductive component according to the invention, so that, despite the very compact design, a reliable operation is made possible.
  • the electronic circuit has a further inductive component, which is identical in size to the first inductive component, for example, so that an efficient inductive component for a resonant circuit is provided due to the magnetic properties of the second inductive component, wherein despite the compact size the desired output power can be transmitted at high ignition voltages in the kV range.
  • the corresponding properties of the second inductive component can be suitably adapted to the resonant circuit within the scope of the compact design.
  • one or more further inductive components can be provided in the manner described above, in order to suitably adapt the DC voltage provided by the step-up converter to a voltage required for driving the lamp.
  • two or more windings can be provided by suitable adaptation of the connection pins and the bobbin, so that an adaptation to the voltage by the use of a high-frequency transformer in the form of another inductive component is possible.
  • a temperature dependence of the core material losses of the ferrite core of the first inductive component has a smaller fluctuation range in the range from 20 ° C. to 100 ° C. than the temperature dependence of the core material losses of the ferrite core of the second inductive component.
  • FIG. 1A is an exploded perspective view of an inductor according to the present invention
  • 1B is a plan view of the ferrite core of the inductive component according to the invention.
  • 1C is a cross section of a core half of the ferrite core
  • 1D schematically shows the profile of the maximum magnetization at a predetermined field strength as a function of the temperature for a core material that in a inductive component according to the invention is used, in comparison to a ferrite material of a conventional inductive component,
  • Fig. 1 E and 1 F show schematically the course of the magnetic properties of the material of the ferrite core in the form of inductance with varying current fed at two different temperatures for a given coil configuration (Fig. 1D) with a comparative example and in the form of relative permeability for two different Temperatures for the specified coil configuration with a comparative example,
  • 1G schematically the temperature behavior of the power loss of the core material for various embodiments, wherein in particular a reduced temperature dependence of the power loss is used for throttle components for resonant circuits according to illustrative embodiments,
  • FIG. 1 H and 11 schematically show a plan view and a cross-sectional view of a bobbin according to illustrative embodiments
  • FIG. U schematically shows the coil former with a winding start of the winding, the efficient connection of the beginning of the coil being illustrated with a connection pin, FIG.
  • Fig. 2A schematically shows an electronic circuit in which two different
  • Circuit topographies are shown using an inductive component, as used in particular for A ⁇ actuallyung a discharge lamp, and
  • Figures 2B and 2C show electronic circuits with corresponding boards suitable for suitable adaptation to the shape of the discharge lamp.
  • FIG. 1A schematically illustrates a perspective elevational view of an inductor 100 according to illustrative embodiments of the present invention.
  • OA device 100 includes a bobbin 130 that has one or more windings that are not shown in FIG. 1A for simplicity.
  • the bobbin 130 is partially enclosed by a ferrite core 10, which in turn has a first core half 110a and a second core half 110b.
  • the ferrite core 110 is provided in the form of an "E-core", ie has a cross-section of at least one of the core halves 110a, 110b the typical form of an "E".
  • both core halves 11Oa 1 110b are designed as E cores.
  • a center leg 110c is provided, which has a larger magnetic effective cross section as each corresponding outer leg 110a and 110b.
  • the second core half 110b has a center leg 11Od and corresponding outer legs 11Oe, 11Of.
  • this shape of the core 110 is suitable on the one hand to enable a high degree of shielding of the windings on the bobbin 130, since the outer legs 110a, 110b, 11Oe, 10Of comprise the bobbin, so that the windings arranged therein shielded against external interference fields and also an efficient shielding of the caused by the windings interference fields is achieved.
  • a high surface area in relation to the total volume results, so that an efficient thermal coupling to the environment can be realized.
  • at least one surface for example, a surface 110s may be brought into contact with a corresponding heat dissipation surface, such as the base material of an electrical circuit board, or other suitable material, so that the power dissipated in the core material can be efficiently dissipated.
  • the magnetically effective volume of the ferrite core 110 is about 900 mm 3 or less, so that can achieve very compact lateral dimensions for the ferrite core 110 due to the selected E-shape.
  • the width of the ferrite core 110 ie a direction perpendicular to the longitudinal direction L of the center leg 110c or 110d, is about 20 mm or less. In this way, the ferrite core 110 in cooperation with the bobbin 130 can be produced in a compact manner, so that an electronic board can be constructed, which is particularly adapted to the narrow shape of a discharge lamp in the power range of some 10 W 1, for example 40 to 70 W.
  • the ferrite core 110 can be suitably adapted to different circuit topologies, by selecting a suitable air gap 1 10l for the given ferrite material, which is explained in more detail below, for example by a smaller height of the center leg 110c compared to the outer legs 110a, 110b.
  • the air gap 1101 may be adjusted by providing a symmetrical configuration of the core halves 110a, 110b such that both center legs 110c, 110d are equally lower in height than the corresponding ones Outside legs are provided.
  • the air gap 1101 may be varied from 0 to 1.5 mm for the embodiment in which the magnetically effective volume is 900 mm 3 or less.
  • the ferrite core 110 is provided in the form of an "El" core, wherein one of the core halves 110a and 110b is provided as an E-core, while the other core half is a substantially planar pad having a thickness corresponding to the outer legs of the E-core is provided.
  • Fig. 1B schematically shows a plan view of a core half of the ferrite core 110, such as the core half 110a, wherein in the embodiment shown, the width B is set to ⁇ 20 mm, about 19.1 ⁇ 0.5 mm.
  • the length L of the core half 110a in this example is less than 17 mm, about 16.5 ⁇ 0.4 mm.
  • Fig. 1C shows a cross-sectional view of the core half 110a, wherein a height H, d. H. the height of the outer legs 110a, 110b is less than 6.5 mm and in the illustrated embodiment 5.8 with a tolerance of -0.25 mm. Further, in the illustrated embodiment, a width B1 of the center leg 110c is set to ⁇ 15.5 mm, and in the illustrated embodiment, a value of 14.8 ⁇ 0.3 mm is provided.
  • the inductive component 100 is configured such that at least one lateral dimension, such as width B, corresponds to a certain desired width or is smaller at a predetermined range for the magnetically effective volume. Furthermore, the efficient E-core shape is then selected in terms of thermal behavior, some dissipation of waste heat, efficiency in ferrite core 110 fabrication, and assembly of inductive device 100, with the required power density achieved by the provision of a suitable ferrite material becomes.
  • FIG. 1 D shows a schematic of the course of the maximum flux density or induction "B max " at a defined field strength of 250 A / m as a function of the temperature of the ferrite material.
  • the curve A shown in FIG. 1D represents the ferrite material of the core 110 according to illustrative embodiments, while the curve B represents a ferrite material as used in conventional inductive devices.
  • the curve B of a ferrite material of a conventional inductive component in which the maximum flux density at 100 0 C at about 380 mT.
  • the maximum magnetization in a range below 500 mT at 100 0 C is limited in order to avoid excessive core losses in a frequency range from about 30 kHz to 30OkHz the switching frequency, since otherwise an overall increased demand with a correspondingly desired compact design Heat dissipation is required, which would eventually lead to an overall larger volume of construction or higher cost.
  • Figures 1 E and 1 F show the ferrite material used in one embodiment in the device 100 according to a specially chosen arrangement to further illustrate the magnetic and consequent electrical behavior of the ferrite material, again in comparison with that in a conventional inductive Component used ferrite material according to the curve B of FIG. 1 D is shown as a comparative example.
  • Fig. 1E shows schematically the course of the inductance of a device which has been constructed for experimental purposes in the form of a coil with an EF core 26/15/7 with an air gap of 1, 0 mm and a winding number of 170.5.
  • the current fed into the coil is plotted on the horizontal axis, the ferrite material used in illustrative embodiments being characterized in that it has up to one Amperage of 1.5A for the above arrangement provides an inductance value of at least 4mH at a temperature of 100 ° C, as shown by curve A1
  • the comparison material according to curve B1 at this temperature shows a significant one earlier drop in inductance, and also the initial value is lower than the ferrite material of the curve A1 used in the inductive component 100 according to the invention.
  • Curves A2 and B2 show the corresponding inductance values of the materials at a temperature of 25 ° C. Also in this case results in a faster decrease of the already lower initial inductance for the material (B1), which is used in conventional inductive components with an effective magnetic volume of about 900 mm 3 for operating frequencies of up to a few 100 kHz.
  • the ferrite material for the ferrite core 110 according to the curve A of FIG.
  • an overall expanded current range can be achieved with the inductance value remaining approximately constant, so that in this case the same powers can be transmitted with a somewhat smaller volume or higher powers can be achieved for the same volume. That is, in the inductor 100 according to the present invention, a material represented by the curves A and A1 and A2, respectively, is used to obtain a desired small volume, yet the desired power of about 40 to 70 W at about 30 to 30OkHz can be reliably transmitted, as required for example for driving modern discharge lamps.
  • FIG. 1F schematically shows the course of corresponding curves A1, A2 and B1, B2 for the aforementioned materials, in which diagram the field strength H in A / m is plotted against the relative permeability.
  • the curves in FIGS. 1E and 1F are qualitatively the same and show that for the construction given above the behavior of the inductance is given by essentially the course of the relative permeability.
  • FIG. 1G schematically shows the temperature dependence of the core losses at given operating conditions, for example at 100 kHz, and a modulation of 200 mT.
  • the curves A1 and A2 show the temperature behavior of the core losses for ferrite material, as can be selected for example in the inductive component 100 depending on the circuit topography of the circuit for which the inductive component 100 is provided.
  • the curve A1 has a pronounced minimum at 100 0 C, so that with respect to an operating temperature of 100 0 C, the core power loss generated for a desired rated power and a corresponding mode, ie switching frequency and degree of modulation, minimal.
  • the curve A2 shows a less pronounced temperature dependence, so that in this case the core losses are held more stable over a wide temperature range, so that about the quality of a coil can be kept more stable, at least in terms of core losses.
  • the ferrite materials used for the ferrite core 110 will be made according to illustrative embodiments based on iron oxide, manganese oxide, and zinc oxide.
  • blends are provided in which the iron oxide is provided at a weight percentage of about 71 ⁇ 3 wt%, the manganese oxide at 23 + 8 wt%, and the zinc oxide at 6 wt% ⁇ 5 wt .-% is provided.
  • the behavior of the material with respect to the maximum magnetization see FIG.
  • 1D can be set to the desired value above 400 mT at 100 [beta] C at a field strength of 250 A / m, whereby a maximum value of about 500 mT is not exceeded in some illustrative embodiments, in order not to let the core losses for the considered application rise too much, even if this would give advantages in terms of other parameters, but in conjunction with other properties may not would lead to the desired compact design.
  • an increase in the maximum magnetization value can be achieved by increasing the proportion of iron oxide and correspondingly reducing the proportion of one or the other two components.
  • the magnetization curve typically represents a measurement obtained using a toroidal array, the field strength for measuring the magnetization to the specified value of 250 A / m is set. At other selected field strengths, other maximum magnetization values result, but a comparison with other materials is possible at any time based on the measurement specifications given herein.
  • the temperature dependency of the core losses in the ferrite material used in the device 100 according to the invention can be suitably adapted to the requirements by adding a small amount of particular additives, whereby a corresponding amount of additives results in a corresponding flattening of the temperature dependence ,
  • a suitable adaptation of the temperature dependence of the material-dependent core losses in connection with the increasing temperature by increasing copper losses so that for a desired high quality of a coil, as used for example in a resonant stage, also as low as possible Degree of change occurs at different operating temperatures.
  • a corresponding desired size of the device 100 is determined and selected on the basis of the ferrite materials used a desired inductance value for a given winding space in the bobbin 130. Due to the required number of turns and the available winding space can then determine the copper resistance, which is typically temperature dependent. If the copper losses exert a significant influence on the quality, a course of the copper resistance from the cold state to the operating point can be determined for a desired temperature working point of the coil, which then serves as a starting point for setting the temperature-dependent core losses.
  • an adaptation can be carried out by a suitable choice of the steepness of the temperature dependence, for example in the form of the curves A1 and A2, so that increasing copper losses are compensated to a certain extent by decreasing core losses. In this way, a more stable oscillation behavior of a corresponding resonance stage can be achieved.
  • This can also be applied to an application in which the copper losses generally make up a significantly higher proportion, for example when rapid switching operations occur, etc.
  • the lowest possible temperature dependence of the core losses is selected for shrinkage throttles if the copper losses are not a dominant contribution to coil quality are, so that the quality remains relatively constant.
  • the thermal and electrical behavior of the winding must also be taken into account. That is, at a higher operating temperature, the materials for the insulation of the windings are usually more stressed because the reaction rate, about the insulating varnish, etc., typically exponentially depends on the temperature. That is, with increasing temperatures, a greatly increased impairment of the respective insulating materials takes place, so that a high degree of material constancy of the starting material is required for a specified life of the inductive component, but also a high degree of uniformity and precision in applying the wire windings on the Bobbin 130. A precise winding of the bobbin with high efficiency and consistent quality can be achieved, however, usually only by a higher degree of automation.
  • the bobbin 130 is specifically designed so that the wires of the one or more windings can be suitably guided, so that on the one hand a high precision in applying the windings is achieved and on the other hand, a desired level of insulation resistance in a machine-compatible Application is achieved.
  • FIG. 1H schematically illustrates a plan view of the bobbin 130 according to an illustrative embodiment adapted to the dimensions of the ferrite core 110 as shown in FIGS. 1B and 1C.
  • the bobbin 130 comprises one or more winding chambers 131 having a width which is predetermined by the dimensions of the ferrite core 110 and by the desired maternal thickness of the bobbin material.
  • corresponding end regions 135a, 135b are provided, which are provided on the one hand in favor of an increased mechanical stability of the winding chambers 131 and also for fastening the ferrite core 110.
  • the end portions 135a, 135b include suitable wire guide members 133 which are suitably formed in some embodiments so that wires may be guided in the height direction and the width direction.
  • the wire guide members 133 are formed so that in a direction perpendicular to the drawing plane of Fig. 1H, a wire can be guided to a corresponding terminal pin 132a, while also a wiring in the width direction, ie in Fig. 1 H vertically, can take place , wherein a direct contact of the two wires is avoided in a corresponding cross point.
  • the bobbin 130 has one or more elements 133 on the opposite end region 132b.
  • a projection 134 is provided to facilitate automatic threading of a lead wire into the one or more winding chambers 131, as described in more detail below with reference to FIG .
  • the projection 134 forms with the adjacent Wire guide member 133 has a recess 134 through which a winding wire can be efficiently inserted into the chamber and thereby guided around the projection 134, so that this wire can then be guided into a recess 132c of a wire guide member 133, so that finally a contact with a pin 132b can be made with a high degree of accuracy and reproducibility.
  • FIG. 11 schematically illustrates a cross-section of the bobbin 130 according to an illustrative embodiment in which a first bobbin 131a and a second bobbin 131b separated by a respective partition 131c are provided.
  • a first bobbin 131a and a second bobbin 131b separated by a respective partition 131c are provided.
  • more than two coil chambers may be provided or the partition wall 131c may be omitted to thereby utilize the space occupied by the partition wall 131c for the efficient application of a coil.
  • FIG. U shows a schematic view of the bobbin 130 as a plan view, wherein, for the sake of simplicity, one or more windings 140 are shown only in the form of a winding start 141.
  • the wire 141 is guided around the elevation 134 so that it can then be guided flush on the winding base 131g, so that upon rotation of the bobbin 130 can be wound in automatic winding with high precision, the projection 134 as a "Strain relief" is used to fix the position of entry of the wire 141.
  • the further winding can be done without further windings are arranged in the vicinity of the wire beginning 141, so that at relatively high voltages between the winding start and the winding end a relatively large isolation distance is present.
  • connection scheme for the wire end 141 achieved by the protrusion 134 enables a precise and, in so doing, also reproducible way of applying the winding on the bobbin 130, so that despite the smaller dimensions, a high mechanical and electrical integrity is achieved, in addition, an efficient automatic machine-compatible processing in the winding of the bobbin 130 is possible.
  • FIG. 2A schematically shows a circuit which is particularly suitable for driving a discharge lamp, wherein in the embodiment shown two or more inductive components 200a, 200b are provided, both of which have a structure as described above with reference to the inductive component 100 is. That is, in some illustrative embodiments, the two inductive components 200a, 200b are provided with suitable lateral dimensions to suit the requirements of a compact design adapted to a discharge lamp. In particular, the two inductive components 200a, 200b are provided with a magnetically effective volume of about 900 mm 3 and less, with powers of about 40 to 70 W to be transmitted.
  • the first inductive component 200a is a part of an up-conversion circuit 250a, here quite schematically in the form of the inductive component 200a, ie a storage inductor, and a switch
  • the boost converter circuit 250a may, for example, be powered by an AC voltage source by means of a rectifier 260 so as to provide a regulated DC output voltage that is, for example, higher than the peak value of the AC input voltage. Furthermore, the triggering of the switch 251 can take place such that the AC side is taken off the current with a desired power factor, for example with a power factor of approximately 1.
  • the circuit shown in FIG. 2A comprises a resonance stage, which is provided, for example, in the form of the inductive element 200b and a capacitor 253 as a resonant circuit, which is fed by a switching device, for example a half-bridge 254, approximately from the regulated DC voltage of the up-converting circuit 250a ,
  • the switch device 254 may also be connected to the control device
  • the luminaire 255 may have a power in the range of about 40 to 70 watts require, which is supplied from the AC voltage source by means of the circuits 250a, 250b of the lamp 255 in a suitable form. It should be noted that the circuits 250a, 250b may have any configuration according to the respective requirements.
  • FIG. 2B shows the electronic circuit 270 according to illustrative embodiments, in which a board 271 is provided so that it is designed to be suitable for installation in the lamp 255.
  • this has a rectangular shape in which the length is significantly greater than the width, the width being designed to be in the range of about 25 to 40 mm.
  • the inductive components 200a, 200b are provided so that the component 200a can be efficiently supplied with a corresponding input voltage, for example via the rectifier 260, from a standard AC voltage network.
  • the inductive component 200b is positioned so that it can suitably feed energy into the terminal contacts of the luminaire 255.
  • Further regions 272 of the circuit 270 can accommodate further electronic components, for example the further components of the circuits 250a, 250b.
  • the inductive components 200a, 200b are provided so as to be smaller in length.
  • FIG. 2C schematically shows the circuit 270 in which the inductive components 200a, 200b are provided so that a very narrow construction results, while optionally the length is to be increased.
  • the inductors 200a, 200b may be suitably adapted to respective circuit topography, ie, a suitable inductance value and storage behavior may be provided by choosing an appropriate air gap, such as the boost converter 200a for the selected one Operating frequency, for example, 100 kHz, the desired behavior shows.
  • the loss performance curve of the core material can be adjusted so that a correspondingly pronounced minimum is achieved at a desired operating temperature, wherein the control circuit 252 is designed in some illustrative embodiments, the operation by adjusting the Operating frequency and / or the output power to keep in a desired optimum range.
  • the inductance value of the component 200a may be maintained approximately constant over a wider operating temperature range so that appropriate operating conditions may be set temperature dependent without a significant change in inductance being taken into account.
  • the component 200b may be adapted in characteristics to the desired behavior in the resonant circuit 250b, such as in the manner previously described, so as to assure a relatively low temperature dependent quality of the component 200b, thereby providing stable oscillation Circuit 250b can be realized in very different operating phases.
  • the present invention thus provides inductive components and electronic circuits in which these components are used, wherein an adjustment of the dimensions of the inductive component in a power range is about 70 W or less with a substantially rectangular basic shape having a dimension of 20 mm or less in a lateral direction with an effective magnetic volume of the ferrite core of about 900 mm 3 or less. Due to the efficient design of the bobbin, ie by a device for automatic winding of the coil bobbin, a high degree of precision and reproducibility in applying the winding is achieved, so that it contributes to a reliable and trouble-free operation even with compact dimensions.

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Abstract

Ein induktives Bauelement, beispielsweise eine Drossel für eine elektronische Schaltung zur Speisung einer Entladungsleuchte, besitzt ein effektives magnetisches Volumen von 900 mm3 oder weniger bei einer lateralen Abmessung, die in einer Richtung 20 mm oder kleiner ist, wobei das Ferritmaterial des Ferritkerns des induktiven Bauelements eine maximale Induktion bei einer Feldstärke von 250 A/m aufweist, die bei 100 °C bei mindestens 400 mT liegt.

Description

Induktives Bauelement zur Ansteuerung von Leuchten
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen induktive Bauelemente, d. h. Speicherdrosseln, Transformatoren und dergleichen, die für eine hohe Leistungsdichte bei vorgegebenem Bauvolumen ausgelegt sind.
In vielen Bereichen der Technik gibt das ständige Bestreben, das Volumen entsprechender Geräte und Bauelemente zu verringern, ohne dabei jedoch Einbußen im Hinblick auf die Funktionsfähigkeit der entsprechenden Bauelemente oder Geräte hinzunehmen. Bei der entsprechenden Miniaturisierung dieser Bauelemente oder Baugruppen müssen auch die elektronischen Komponenten, die für die Leistungsversorgung vorgesehen sind, in ihrer Größe in geeigneter Weise angepasst werden. Beispielsweise können im Bereich der Lichttechnik zunehmend leistungsfähige Gasentladungsleuchten bereitgestellt werden, die bei geringerem Bauvolumen eine gleichbleibende oder sogar höhere Leistung bieten. Das geringe Bauvolumen dieser Leuchtmittel führt jedoch auch dazu, dass die zur Ansteuerung der Leuchtmittel erforderlichen elektronischen Komponenten in der Größe reduziert werden müssen. Insbesondere die induktiven Komponenten müssen dabei jedoch unter Berücksichtigung zahlreicher Parameter entwickelt werden, da eine geeignete Anpassung eines induktiven Bauelements von zahlreichen Faktoren, etwa der Form der magnetischen Kerne, der Art des verwendeten Ferritmaterials, der Leitungsführungen in den Wicklungen, sowie generell der Schaltungstopologie abhängen. Obwohl somit in vielen Bereichen der Elektronik eine Verringerung der Größe der Bauelemente angestrebt wird, ist insbesondere das Erreichen einer hohen Leistungsdichte für speziell gewählte Bauteilabmessungen bei induktiven Bauelementen ein sehr komplexes Verfahren, wobei zahlreiche durch die Eigenschaften der Magnetmaterialien vorgegebene physikalische Randbedingungen einzuhalten sind, so dass unterschiedliche Lösungsansätze zu unterschiedlichen Endergebnissen führen können, die sich dann jedoch gegebenenfalls nicht in gleicher Weise in der Zielanwendung verhalten.
Beispielsweise ist es bei der Ansteuerung spezieller Leuchtmittel aus Gründen eines kompakten Gesamtaufbaus erforderlich, die Größe und Form der entsprechenden elektronischen Platine der Gestalt und Größe des Leuchtmittels anzupassen, um damit insgesamt eine kompakte Bauform zu erreichen. Aufgrund dieser Anforderungen ergeben sich aber auch maximale Abmessungen für entsprechende induktive Bauelemente, etwa Drosseln und dergleichen, die aber dennoch die Erfordernisse im Hinblick auf die Leistungsdichte, die Betriebstemperatur, das elektromagnetische Verhalten, und dergleichen erfüllen müssen. Beispielsweise kann bei einem Leistungsbereich von einigen 10 W, wie dies für moderne Gasentladungsleuchten typisch ist, eine Anpassung an die längliche Form der Röhren gewisse laterale Abmessungen erfordern, die von der induktiven Komponente nicht überschritten werden dürfen, um damit insgesamt die gewünschte Formanpassung der elektronischen Platine zu ermöglichen. Beispielsweise sind Ferritkerne in vielen standardmäßigen Größen und mit vielen standardmäßigen Ferritmaterialien erhältlich, wobei jedoch im Größenbereich von Kernen mit einem magnetischen wirksamen Volumen von etwa 900 mm3 und darunter die erforderlichen Bauteileigenschaften mit E-Kernen, die beispielsweise eine relativ kompakte Bauweise mit gutem thermischen Verhalten und relativ geringer Störanfälligkeit bieten, gegebenenfalls nicht erreicht werden können, um eine ausreichende Ansteuerleistung bei einem gewünschten kompakten Aufbau der für entsprechende Leuchtmittel zu ermöglichen. Insbesondere werden in entsprechenden elektronischen Ansteuerschaltungen gegebenenfalls mehrere induktive Komponenten benötigt, so dass die Verwendung eines geringfügig größeren Kerns und damit eines größeren induktiven Bauelements insgesamt zu einer deutlichen Zunahme des Gesamtbauvolumens führen kann, so dass gegebenenfalls der gewünschte Grad an Miniaturisierung nicht erreicht werden kann. Auch sind bei einer entsprechenden Anpassung der induktiven Komponenten insgesamt die Topologie der verwendeten Schaltung sowie auch die thermischen Verhältnisse und der Grad der Automatisierung bei der Herstellung entsprechender induktiver Komponenten zu berücksichtigen. D.h., das Entwerfen geeigneter induktiver Bauelemente mit der gewünschten kleinen Baugröße unterliegt vielen, sich gegenseitig beeinflussenden Faktoren, die aber nicht ohne weiteres vorherbestimmt werden können. Beispielsweise kann die Baugröße einer Induktivität zwar auch im Hinblick auf beispielsweise eine höhere Taktfrequenz der entsprechenden Ansteuerschaltungen oder dergleichen geringer gewählt werden, wobei aber nicht notwendigerweise das gewünschte Ergebnis im Bezug auf den Gesamtaufbau erreicht wird, da gegebenenfalls eine größere Anzahl an Bauelementen, ein anderes Störstrahlungsverhalten, etc., eine größere thermische Verlustleistung insgesamt zu einer Zunahme des Bauvolumens möglicherweise in Kombination mit einer Erhöhung der Produktionskosten führen können.
Angesichts der zuvor beschriebenen Situation ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine induktive Komponente, insbesondere eine Speicherdrossel und eine entsprechende elektronische Schaltung mit mehreren induktiven Bauelementen anzugeben, wobei eine Anpassung der elektronischen Schaltung an die Form und Größe moderner Gasentladungsleuchten bei reduzierten Herstellungskosten möglich ist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein induktives Bauelement mit einem Ferritkern, der eine erste Kernhälfte und eine zweite Kernhälfte aufweist, wovon zumindest eine einen E-förmigen Kernquerschnitt besitzen. Die Breite der Kernhälften, die sich entlang einer Richtung senkrecht zum Verlauf des Mittelschenkels erstreckt, ist dabei 20 mm oder kleiner. Des Weiteren ist der Ferritkern aus einem Ferritmaterial aufgebaut, das eine maximale Induktion bzw. Magnetisierung Bmax bei einer Feldstärke von 250 A/m bei 100 0C aufweist, die 400 mT oder größer ist. Das erfindungsgemäße induktive Bauelement umfasst femer einen Spulenkörper, der von Schenkeln der beiden Kernhälften umschlossen ist und Stifte aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten des Ferritkerns angeordnet sind und sich in einer Höhenrichtung erstrecken. Ferner ist mindestens eine Wicklung in dem Spulenkörper vorgesehen, die zumindest mit einem der Stifte elektrisch verbunden ist.
Das erfindungsgemäße Bauelement besitzt somit einen E-förmigen Kernquerschnitt, der insgesamt eine kompakte Bauform ermöglicht, da eine relativ große Oberfläche für ein gutes thermisches Verhalten bereitgestellt wird, wobei auch die Wicklung zum größten Teil durch die äußeren Flächen des E-Kerns abgeschirmt ist. Auf der Grundlage dieser günstigen Bauform wird in dem erfindungsgemäßen induktiven Bauelement ferner eine Breite von 20 mm oder kleiner verwirklicht, so dass insbesondere eine Anpassung an elektronische Leiterplatten möglich ist, die zur Ansteuerung von modernen Gasentladungsleuchten im Leistungsbereich von einigen 10 W ausgelegt sind. Um die dafür erforderliche Induktivität zu erreichen, wird für den Ferritkern ein Material verwendet, das eine Magnetisierung bzw. Induktion von 400 mT oder größer aufweist, wenn das Kernmaterial bei einer Feldstärke von 250 A/m bei 100 0C magnetisiert wird. Durch diese Wahl der Eigenschaften des Kernmaterials lässt sich somit die gewünschte Baugröße erzielen, wobei die Eigenschaften des Kernmaterials Induktivitätswerte ermöglichen, die insgesamt zu einem effizienten Verhalten führen, da sich mit diesen Eigenschaften ein sehr ausgewogenes Verhältnis der Kupferverluste zu den Kernverlusten bei den typischerweise verwendeten Arbeitsfrequenzen der Ansteuerschaltungen von ca. 30 kHz bis 300 kHz ergibt, d. h., bei den spezifizierten Werten für das Kernmaterial sind Induktivitätswerte möglich, die sowohl die Wicklungsverluste als auch Kernverluste bei dem betrachten Frequenzbereich in einem Bereich halten, in welchem ein stabiler Betrieb bei den gewünschten Leistungsdichten möglich ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein magnetisch wirksames Volumen des Ferritkerns 900 mm3 oder kleiner. Mit einem entsprechenden magnetischen Volumen wird somit eine Baugröße verwirklicht, die einem Kern E19/5 entspricht, wobei jedoch eine Übertragung größerer Leistungen im Vergleich zu standardmäßigen Kernen im Bereich von etwa 100 kHz und weniger möglich ist. Somit kann beispielsweise das erfindungsgemäße induktive Bauelement mit einer Größe vorgesehen werden, die eine Verringerung der Platinen für elektronische Ansteuerschaltungen für moderne Gasentladungsleuchten ermöglicht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform beträgt die Länge des Ferritkerns 17 mm oder weniger. Die Länge ist dabei als die Abmessung entlang der größeren lateralen Abmessung des Mittelschenkels zu verstehen. Wie zuvor ausgeführt ist, ist für eine Obergrenze der beiden zuvor angegebenen lateralen Abmessungen insbesondere eine kleinere Größe eines entsprechenden induktiven Elements möglich, da aufgrund der Eigenschaften des Kernmaterials eine Verringerung der erforderlichen Windungszahlen und damit eine Reduzierung der Größe der Wicklung bzw. eine Verbesserung des Widerstandsverhaltens der Wicklung möglich ist. Somit ist bei einer Baugröße, die vergleichbar ist mit induktiven Bauelementen auf der Grundlage standardmäßiger E19/5- Kerne, eine höhere Leistung übertragbar bzw. es kann ein Betrieb bei geringeren Verlusten erreicht werden, wodurch in jedem Falle auch eine Reduzierung der Gesamtgröße einer elektronischen Schaltung möglich ist, da mehr Leistungen über das gleiche Volumen übertragen werden kann und/oder ein weniger anspruchsvolles Temperaturverhalten erreicht wird. In anderen Fällen kann bei gleicher Leistung ein geringeres Bauvolumen erreicht werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform beträgt eine Höhe des Ferritkerns 13 mm oder weniger. Auch hier gelten die zuvor dargelegten Kriterien.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Spulenkörper des induktiven Bauelements einen zum automatengerechten Einführen eines Wicklungsdrahts vorgesehenen Vorsprung auf. Wie bereits eingangs erwähnt ist, sind für eine effiziente Größenreduzierung induktiver Komponenten eine Vielzahl von Faktoren zu berücksichtigen, wobei ein komplexes Zusammenwirken der elektrischen und magnetischen Eigenschaften zu berücksichtigen ist. Beispielsweise sind abhängig von der Schaltungstopologie relativ hohe Spannungen von der Wicklung des induktiven Bauelements aufzunehmen, beispielsweise wenn eine Aufwärtswandlerschaltung betrachtet wird, in der die Netzspannung auf eine geeignete hohe Zwischenkreisspannung gewandelt wird. Um über die geforderte Lebensdauer des Bauelements die notwendige Spannungsfestigkeit zu erreichen, sind in der Wicklung der Spule gewisse zuverlässig einzuhaltende Isolationsstrecken vorzusehen, so dass sich über die spezifizierte Lebensdauer hinweg die durch die hohen Betriebstemperaturen auftretenden Änderungen der Isolation nicht nachteilig auf die Funktionsfähigkeit und die Sicherheit des Bauelements auswirken. Zu diesem Zweck ist auch eine präzise Aufbringung der einzelnen Windungen erforderlich, was in der Regel durch automatische Wickelautomaten erfolgt. Dabei ist das optimierte Zuführen des Drahtanfangs ein wichtiges Kriterium, um die gewünschte hohe Isolationsfähigkeit zu erreichen. Aufgrund des erfindungsgemäßen Spulenkörpers kann das automatengerechte Wickeln so erfolgen, dass das Einfädeln des Drahtes in den Wicklungsgrund des Spulenkörpers sehr präzise stattfindet, wobei der Vorsprung auch eine verbesserte Zuführung des Drahtendes zu einem Anschlussstift ohne „Kreuzung" anderer Windungen und ohne Zug auf den Stift ermöglicht. Auf diese Weise lässt sich zuverlässig ein Abstand zwischen Windungsabschnitten, die Windungen mit einer höheren Spannung entsprechen, zu dem Wicklungsanfang in präziser und reproduzierbarer Weise einhalten, so dass insgesamt eine effiziente Verringerung der Gesamtabmessungen der Wicklung möglich ist, so dass im Zusammenwirken mit dem Ferritmaterial und den gewünschten Gesamtabmessungen des induktiven Bauelements eine für dieses Bauvolumen hohe Leistung übertragen werden kann, ohne dass die elektrische Funktionsfähigkeit und das Gesamtverhalten negativ beeinflusst werden. Des Weiteren ermöglicht der Vorsprung an dem Spulenkörper eine effizientere automatengerechte Drahtführung beim Einfädeln, so dass auch damit insgesamt die Verarbeitung effizienter und präziser erfolgt, da beispielsweise ein Verlöten des Anschlussdrahtes mit dem Stift unter genau definierten Bedingungen ausgeführt werden kann, so dass gegebenenfalls eine geringere Menge an Lötzinn verwendbar ist und/oder insgesamt der Vorgang des Verlötens in kürzerer Zeit bei verbesserter Produktgleichmäßigkeit durchgeführt werden kann. Durch die präzise Drahtführung am Wicklungsanfang kann damit gegebenenfalls auch auf aufwendige Isolationsmaterialien verzichtet werden, die zusätzliche Kosten verursachen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein Wicklungsdraht durch den Vorsprung umgelenkt und über eine als Drahtführung ausgebildete Aussparung zu einem der Stifte geführt. Durch diese bauliche Maßnahme wird die Stabilität der Wicklung und die Zuverlässigkeit des elektrischen Verhaltens verbessert, wie dies auch zuvor bereits ausgeführt ist.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Ferritmaterial eine Mischung aus Eisenoxid, Manganoxid und Zinkoxid auf. Durch die Auswahl dieser Komponenten lässt sich für den betrachteten Frequenzbereich eine erforderliche Ausgewogenheit zwischen Induktion und Kernverlusten erreichen, die in Kombination mit den Kernabmessungen für die gewünschte Anwendung die kompakte Bauweise beim erforderlichen Leistungsdurchsatz ergeben, insbesondere in Kombination mit dem verbesserten Leistungsverhalten der Wicklung durch präziseres Aufbringen und präzise Drahtführung.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Mischung das Eisenoxid mit einem Gewichtanteil von 71 Gew.-% ± 3 Gew.-%, das Manganoxid mit einem Gewichtsanteil von 23 Gew.-% ± 8 Gew.-% und das Zinkoxid mit einem Gewichtsanteil von 6 Gew.-% ± 5 Gew.-% auf. Auf diese Weise lässt sich durch Variation ein für die in Betracht gezogene Anwendung ermitteln.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch eine elektronische Schaltung zur Ansteuerung einer Leuchte. Die elektronische Schaltung umfasst eine Platine und ein erstes induktives Bauelement, das die zuvor beschriebenen Eigenschaften aufweist. Des Weiteren ist ein zweites induktives Bauelement vorgesehen, das ebenfalls die zuvor genannten Eigenschaften besitzt. Dabei ist das erste induktive Bauelement eine Komponente eines Aufwärtswandlers, der eine geregelte Gleichspannung aus einer Eingangswechselspannung bereitstellt und das zweite induktive Bauelement ist eine Komponente einer von der geregelten Gleichspannung gespeisten Resonanzstufe zur Speisung der Leuchte.
Wie zuvor dargelegt ist, wird das zuvor beschriebene induktive Bauelement effizient in unterschiedlichen Schaltungstopologien eingesetzt, die insbesondere auf die Ansteuerung einer Gasentladungsleuchte zugeschnitten sind. Das heißt, eingangsseitig wird das induktive Bauelement in einem gesteuerten Aufwärtswandler vorgesehen, der beispielsweise zur Einstellung eines Leistungsfaktors der von der Wechselspannungsquelle abgegriffenen Leistung verwendet wird. Bei einer entsprechenden Aufwärtswandlerschaltung treten in der Regel relativ hohe Spannungen von etwa 400 V oder mehr auf, so dass insbesondere ein präzises Einhalten von Isolationsstrecken beim Aufbringen der Windungen von besonderem Vorteil ist, wie dies zuvor im Zusammenhang mit dem Spulenkörper des erfindungsgemäßen induktiven Bauelements dargelegt ist, so dass trotz der sehr kompakten Bauweise ein zuverlässiger Betrieb ermöglicht wird. Das heißt, insbesondere bei Verwendung der zuvor spezifizierten Maße für die Länge, die Breite und die Höhe des Ferritkerns lässt sich eine Anpassung an die längliche Form von elektronischen Platinen von Entladungsleuchten im Leistungsbereich von einigen 10 W erreichen, ohne dass ein erhöhter Aufwand im Hinblick auf die Wärmeabfuhr erforderlich ist. Des Weiteren weist die elektronische Schaltung eine weitere induktive Komponente auf, die beispielsweise in der Baugröße identisch zu dem ersten induktiven Bauelement ist, so dass aufgrund der magnetischen Eigenschaften des zweiten induktiven Bauelements eine effiziente induktive Komponente für einen Resonanzkreis bereitgestellt wird, wobei trotz der kompakten Baugröße die gewünschte Ausgangsleistung bei hohen Zündspannungen im kV-Bereich übertragen werden kann. Dabei können die entsprechenden Eigenschaften des zweiten induktiven Bauelements in geeigneter Weise im Rahmen der kompakten Bauweise an den Resonanzkreis angepasst werden.
In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen können ein oder mehrere weitere induktive Bauelemente in der zuvor beschriebenen Weise vorgesehen werden, um gegebenenfalls die durch den Aufwärtswandler bereitgestellte Gleichspannung in geeigneter weise an eine zur Ansteuerung der Leuchte erforderliche Spannung anzupassen. So können beispielsweise durch geeignete Anpassung der Anschlussstifte sowie des Spulenkörpers zwei oder mehr Wicklungen vorgesehen werden, so dass eine Anpassung an die Spannung durch die Verwendung eines Hochfrequenztransformators in Form einer weiteren induktiven Komponente möglich ist. Insbesondere kann durch eine im Wesentlichen lineare Anordnung des ersten und des zweiten induktiven Bauelements eine gewünscht schmale Gestalt der Platine und damit der elektronischen Schaltung erreicht werden, wodurch sich eine Anpassung an die reduzierten Größen von modernen Gasentladungsleuchten erreichen lässt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist eine Temperaturabhängigkeit der Kernmaterialverluste des Ferritkerns des ersten induktiven Bauelements eine kleinere Schwankungsbreite im Bereich von 20 0C bis 100 0C auf als die Temperaturabhängigkeit der Kernmaterialverluste des Ferritkerns des zweiten induktiven Bauelements. Durch diese Einstellung der Temperaturabhängigkeiten der Kernverluste in dem ersten und dem zweiten Bauelement kann ein Betrieb bei reduzierter Verlustleistung erreicht werden, da beispielsweise das erste induktive Bauelement, das typischerweisβ als Aufwärtswandler mit "hart" schaltendem Verhalten vorgesehen wird, ein etwas höherer Anteil an Kernmaterialverlusten im thermisch noch nicht stationären Zustand akzeptabel oder sogar vorteilhaft ist, da dann bei zunehmender Temperatur eine Verringerung der Kernverluste auftritt, so dass insgesamt eine relativ stabile Verlustleistung des gesamten induktiven Bauelements unter Berücksichtigung der Zunahme des Ohmschen Widerstands der Wicklung möglich ist. D.h., eine stärkere Zunahme der Kupferverluste aufgrund der steigenden Temperatur sowie der Oberwellen im Schaltspektrum des Aufwärtswandlers kann durch ein ausgeprägtes Minimum der Kernverluste bei der gewünschten Betriebstemperatur zumindest teilweise kompensiert werden, da durch die entsprechende Wahl der Temperaturabhängigkeit ein relativ niedriger Wert für die Verlustleistung des Kernmaterials bei der gewünschten Temperatur eingestellt werden kann. Andererseits wird für die Resonanzstufe, bei der der Anteil der Oberwellen typischerweise deutlich geringer ist und damit die Kupferverluste kleiner sein können, bei einer Betriebsphase kurz nach dem Einschalten eine relative kleine Verlustleistung des Kernmaterials wirksam, die auch weniger temperaturabhängig sein kann, so dass insgesamt die Güte der Spule im Resonanzkreis bereits bei kalter Schaltung einen Wert aufweist, der nicht wesentlich von einem Wert im Arbeitspunkt abweicht, so dass ein zuverlässiges Anschwingen und damit Zünden der Entladungsleuchte gewährleistet ist. Auf diese Weise kann das Gesamtfunktionsverhalten der elektronischen Schaltung im Hinblick auf die Zuverlässigkeit und die Erzeugung von Verlustleistung bei dennoch sehr kompaktem Aufbau verbessert werden.
Mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben. In den beigefügten Zeichnungen zeigen:
Fig. 1A eine perspektivische Aufrissansicht eines induktiven Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 1B eine Draufsicht auf den Ferritkern des erfindungsgemäßen induktiven Bauelements,
Fig. 1C einen Querschnitt einer Kernhälfte des Ferritkerns,
Fig. 1D schematisch den Verlauf der maximalen Magnetisierung bei einer vorgegebenen Feldstärke in Abhängigkeit von der Temperatur für ein Kernmaterial, das in einem erfindungsgemäßen induktiven Bauelement verwendet wird, im Vergleich zu einem Ferritmaterial eines konventionellen induktiven Bauelements,
Fig. 1 E und 1 F schematisch den Verlauf der magnetischen Eigenschaften des Materials des Ferritkerns in Form der Induktivität bei variierendem eingespeisten Strom bei zwei unterschiedlichen Temperaturen für eine vorgegebene Spulenkonfiguration (Fig. 1D) mit einem Vergleichsbeispiel und in Form der relativen Permeabilität für zwei verschiedenen Temperaturen für die spezifizierte Spulenkonfiguration mit einem Vergleichsbeispiel,
Fig. 1G schematisch das Temperaturverhalten der Verlustleistung des Kernmaterials für verschiedene Ausführungsformen, wobei insbesondere eine reduzierte Temperaturabhängigkeit der Verlustleistung für Drosselbauelemente für Resonanzkreise verwendet wird gemäß anschaulicher Ausführungsformen,
Fig. 1 H und 11 schematisch eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht eines Spulenkörpers gemäß anschaulicher Ausführungsformen,
Fig. U schematisch den Spulenkörper mit einem Windungsanfang der Wicklung, wobei die effiziente Verbindung des Spulenanfangs mit einem Anschlussstift dargestellt ist,
Fig. 2A schematisch eine elektronische Schaltung, in der zwei unterschiedliche
Schaltungstopografien unter Verwendung eines induktiven Bauelements gezeigt sind, wie sie insbesondere zur Aπsteuerung einer Entladungsleuchte verwendbar ist, und
Fig. 2B und 2C elektronische Schaltungen mit entsprechenden Platinen, die für eine geeignete Anpassung an die Form der Entladungsleuchte geeignet sind.
Fig. 1A zeigt schematisch eine perspektivische Aufrissansicht eines induktiven Bauelements 100 gemäß anschaulicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Oas Bauelement 100 umfasst einen Spulenkörper 130, der eine oder mehrere Wicklungen aufweist, die in der Fig. 1 A der Einfachheit halber nicht gezeigt sind. Der Spulenkörper 130 ist teilweise von einem Ferritkern 1 10 umschlossen, der seinerseits eine erste Kernhälfte 110a und eine zweite Kernhälfte 110b aufweist. Der Ferritkern 110 ist in Form eines "E- Kerns" vorgesehen, d. h. ein Querschnitt zumindest einer der Kernhälften 110a, 110b weist die typische Form eines "E" auf. In der dargestellten Ausführungsform sind beide Kernhälften 11Oa1 110b als E-Kerne ausgeführt. Beispielsweise ist in der ersten Kernhälfte 110a ein Mittelschenkel 110c vorgesehen, der einen größeren magnetischen effektiven Querschnitt besitzt wie jeweils ein entsprechender Außenschenkel 110a bzw. 110b. In ähnlicher Weise besitzt die zweite Kernhälfte 110b einen Mittelschenkel 11Od und entsprechende äußere Schenkel 11Oe, 11Of. Wie bereits eingangs erwähnt, ist diese Form des Kerns 110 geeignet, um einerseits ein hohes Maß an Abschirmung der Wicklungen auf dem Spulenkörper 130 zu ermöglichen, da die äußeren Schenkel 110a, 110b, 11Oe, 10Of den Spulenkörper umfassen, so dass die darin angeordneten Wicklungen gegenüber äußeren Störfeldern abgeschirmt sind und auch eine effiziente Abschirmung der durch die Wicklungen hervorgerufenen Störfelder erreicht wird. Des Weiteren ergibt sich aufgrund der planen Flächen der insgesamt quaderförmigen Gestalt des Ferritkerns 110 ein hoher Oberflächenanteil im Verhältnis zum Gesamtvolumen, so dass eine effiziente thermische Ankopplung zu der Umgebung realisiert werden kann. Beispielsweise kann zumindest eine Fläche, beispielsweise eine Oberfläche 110s mit einer entsprechenden Wärmeableitfläche, etwa dem Basismaterial einer elektrischen Leiterplatte, oder einem anderen geeigneten Material in Kontakt gebracht werden, so dass die in dem Kernmaterial entstehende Verlustleistung effizient abgeführt werden kann.
In der dargestellten Ausführungsform beträgt das magnetisch wirksame Volumen des Ferritkerns 110 etwa 900 mm3 oder weniger, so dass sich aufgrund der gewählten E-Form sehr kompakte laterale Abmessungen für den Ferritkern 110 erreichen lassen. In einer Ausführungsform beträgt dabei die Breite des Ferritkerns 110, d. h. eine Richtung senkrecht zur Längsrichtung L des Mittelschenkels 110c bzw. 110d etwa 20 mm oder weniger. Auf diese Weise lässt sich der Ferritkern 110 im Zusammenwirken mit dem Spulenkörper 130 in kompakter Weise herstellen, so dass eine elektronische Platine aufgebaut werden kann, die insbesondere der schmalen Gestalt einer Entladungsleuchte im Leistungsbereich von einigen 10 W1 beispielsweise 40 bis 70 W, angepasst ist. Dabei kann der Ferritkern 110 in geeigneter Weise an unterschiedliche Schaltungstopologien angepasst werden, indem für das vorgegebene Ferritmaterial, das nachfolgend detaillierter erläutert wird, ein geeigneter Luftspalt 1 10l gewählt wird, etwa durch eine geringere Höhe des Mittelschenkels 110c im Vergleich zu den äußeren Schenkeln 110a, 110b. In anderen anschaulichen Ausführungsformen kann der Luftspalt 1101 eingestellt werden, indem eine symmetrische Ausbildung der Kernhälften 110a, 110b vorgesehen wird, so dass beide Mittelschenkel 110c, 110d gleichermaßen mit einer geringeren Höhe im Vergleich zu den entsprechenden Außenschenkeln vorgesehen werden. Beispielsweise kann der Luftspalt 1101 von 0 bis 1 ,5 mm variiert werden für die Ausführungsform, in der das magnetisch effektive Volumen 900 mm3 oder weniger beträgt. In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird der Ferritkern 110 in Form eines "El"-Kerns vorgesehen, wobei eine der Kernhälften 110a bzw. 110b als ein E-Kern bereitgestellt wird, während die andere Kernhälfte als eine im Wesentlichen plane Auflage mit einer Dicke entsprechend den Außenschenkeln des E- Kerns vorgesehen ist.
Fig. 1 B zeigt schematisch eine Draufsicht einer Kernhälfte des Ferritkerns 110, etwa der Kernhälfte 110a, wobei in der gezeigten Ausführungsform die Breite B auf < 20 mm, etwa auf 19,1 ± 0,5 mm eingestellt ist. Die Länge L der Kernhälfte 110a beträgt in diesem Beispiel weniger als 17 mm, etwa 16,5 ± 0,4 mm.
Fig. 1C zeigt eine Querschnittsansicht der Kernhälfte 110a, wobei eine Höhe H, d. h. die Höhe der Außenschenkel 110a, 1 10b kleiner als 6,5 mm ist und in dem dargestellten Ausführungsbeispiel 5,8 mit einer Toleranz von -0,25 mm beträgt. Ferner ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Breite B1 des Mittelschenkels 110c auf < 15,5 mm eingestellt, wobei in der dargestellten Ausführungsform ein Wert von 14,8 ± 0,3 mm vorgesehen ist.
Wie eingangs erwähnt ist, ist eine Reduzierung der Baugröße induktiver Komponenten in der Regel von vielen einander beeinflussenden Parametern abhängig, so dass für das Erreichen gewünschter Bauabmessungen und eines erforderlichen Leistungsverhaltens eine Fülle von möglichen Optimierungsansätzen gewählt werden können, wobei jedoch die schließlich erhaltenen Ergebnisse sehr unterschiedlich sein können und gegebenenfalls eines oder mehrere der vorgegebenen Kriterien nicht erfüllen. In der vorliegenden Erfindung ist das induktive Bauelement 100 so gestaltet, dass zunächst zumindest eine laterale Abmessung, etwa die Breite B einer bestimmten gewünschten Breite entspricht oder kleiner ist bei einem vorgegebenen Bereich für das magnetisch effektive Volumen. Des Weiteren wird dann die effiziente E-Kern-Form im Hinblick auf thermisches Verhalten, etwas das Abführen von Verlustwärme, Effizienz bei der Herstellung des Ferritkerns 110 und beim Zusammenbau des induktiven Bauelements 100 ausgewählt, wobei die erforderliche Leistungsdichte durch das Vorsehen eines geeigneten Ferritmaterials erreicht wird. Fig. 1 D zeigt schematischen den Verlauf der maximalen Flussdichte oder Induktion "Bmax" bei einer festgelegten Feldstärke von 250 A/m in Abhängigkeit der Temperatur des Ferritmaterials. Die in Fig. 1 D gezeigte Kurve A repräsentiert das Ferritmaterial des Kerns 110 gemäß anschaulicher Ausführungsformen, während die Kurve B ein Ferritmaterial repräsentiert, wie es in konventionellen induktive Bauelementen eingesetzt wird. In typischen Ausführungsbeispielen liegt die maximale Flussdichte für Temperaturen bis 100 0C bei mindestens 400 mT, wobei in der dargestellten Ausführungsform ein minimaler Wert von 400 mT auch noch bei einer Temperatur von 120 βC erreicht wird. Im Gegensatz dazu zeigt die Kurve B eines Ferritmaterials eines konventionellen induktiven Bauelements, in welchem die maximale Flussdichte bei 100 0C bei etwa nur 380 mT liegt. Somit kann aufgrund der magnetischen Eigenschaften, wie sie durch die Kurve A repräsentiert sind, eine geeignete Anpassung der magnetischen Eigenschaften erfolgen im Hinblick auf die gewünschten lateralen Abmessungen des Bauelements 100, ohne dass jedoch Einbußen im Hinblick auf das Gesamtverhalten des Bauelements, beispielsweise in Bezug auf die erforderliche zu schaltende Leistung, die dadurch erzeugte Verlustwärme, und dergleichen hervorgerufen werden. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird die maximale Magnetisierung auf einen Bereich unter 500 mT bei 100 0C eingeschränkt, um damit übermäßige Kernverluste in einem Frequenzbereich bei etwa 30 kHz bis 30OkHz der Schaltfrequenz zu vermeiden, da ansonsten bei einer entsprechend gewünschten kompakten Bauform insgesamt ein erhöhter Bedarf an Wärmeableitung erforderlich ist, der schließlich zu einem insgesamt größeren Bauvolumen bzw. höherem Aufwand führen würde.
Die Fig. 1 E und 1 F zeigen das in einer Ausführungsform verwendete Ferritmaterial in dem Bauelement 100 gemäß einer speziell gewählten Anordnung, um das magnetische und das sich daraus ergebende elektrische Verhalten des Ferritmaterials weiter zu verdeutlichen, wobei als Vergleich wiederum das in einem konventionellen induktiven Bauelement eingesetzte Ferritmaterial gemäß der Kurve B aus Fig. 1 D als Vergleichsbeispiel dargestellt ist.
Fig. 1E zeigt schematisch den Verlauf der Induktivität eines Bauelements, das für Versuchszwecke in Form einer Spule mit einem EF-Kern 26/15/7 mit einem Luftspalt von 1 ,0 mm und einer Windungszahl von 170,5 aufgebaut wurde. Auf der horizontalen Achse ist der in die Spule eingespeiste Strom aufgetragen, wobei sich das in anschaulichen Ausführungsformen eingesetzte Ferritmaterial dadurch auszeichnet, dass es bis zu einer Stromstärke von 1 ,5 A für die oben angegebene Anordnung einen Induktivitätswert von mindestens 4 mH bei einer Temperatur von 100 "C liefert, wie dies durch die Kurve A1 gezeigt ist. Im Gegensatz dazu zeigt das Vergleichsmaterial gemäß der Kurve B1 bei dieser Temperatur einen wesentlich früheren Abfall der Induktivität, wobei auch der Anfangswert geringer ist als bei dem Ferritmaterial der Kurve A1 , das in dem erfindungsgemäßen induktiven Bauelement 100 eingesetzt ist. Die Kurven A2 und B2 zeigen die entsprechenden Induktivitätswerte der Materialien bei einer Temperatur von 25 "C. Auch in diesem Falle ergibt sich eine raschere Abnahme der ohnehin geringeren Anfangsinduktivität für das Material (B1), das in konventionellen induktiven Bauelementen mit einem effektiven magnetischen Volumen von ca. 900 mm3 für Betriebsfrequenzen von bis zu wenigen 100 kHz eingesetzt wird. Somit lässt sich erkennen, dass durch die Spezifizierung des Ferritmaterials für den Ferritkern 110 gemäß der Kurve A der Fig. 1 D, d. h. eine Spezifizierung eines Mindestwertes für die maximale Flussdichte auf 40OmT bei einer vorgegebenen Feldstärke von 250 A/m bei 1000C, ein insgesamt erweiterter Strombereich bei in etwa konstant bleibendem Induktivitätswert erreichbar ist, so dass in diesem Falle bei einem etwas geringerem Volumen gleiche Leistungen übertragen werden können oder bei gleichem Volumen höhere Leistungen erzielbar sind. Das heißt, in dem erfindungsgemäßen induktiven Bauelement 100 wird ein Material, das durch die Kurven A bzw. A1 und A2 repräsentiert ist, eingesetzt, um damit ein gewünschtes geringes Volumen zu erhalten, wobei dennoch die gewünschte Leistung von etwa 40 bis 70 W bei etwa 30 bis 30OkHz zuverlässig übertragen werden kann, wie dies beispielsweise für das Ansteuern modernster Entladungsleuchten erforderlich ist.
Fig. 1F zeigt schematisch den Verlauf entsprechender Kurven A1, A2 und B1, B2 für die zuvor genannten Materialien, wobei in diesem Diagramm die Feldstärke H in A/m gegenüber der relativen Permeabilität aufgetragen ist. Die Kurven in den Fig. 1 E und 1F sind qualitativ gleich und zeigen, dass für den oben angegebenen Aufbau das Verhalten der Induktivität durch im Wesentlichen den Verlauf der relativen Permeabilität gegeben ist.
Fig. 1G zeigt schematisch die Temperaturabhängigkeit der Kernverluste bei vorgegebenen Betriebsbedingungen, beispielsweise bei 100 kHz, und eine Aussteuerung von 200 mT. Die Kurven A1 und A2 zeigen dabei das Temperaturverhalten der Kernverluste für Ferritmaterial, wie sie beispielsweise in dem induktiven Bauelement 100 je nach Schaltungstopografie der Schaltung, für die das induktive Bauelement 100 vorgesehen ist, ausgewählt werden können. Wie gezeigt, weist die Kurve A1 ein ausgeprägtes Minimum bei 100 0C auf, so dass im Hinblick auf eine Betriebstemperatur von 100 0C die für eine gewünschte Nennleistung und eine entsprechende Betriebsart, d. h. Schaltfrequenz und Grad der Aussteuerung, erzeugte Kernverlustleistung minimal wird. Andererseits zeigt die Kurve A2 eine weniger ausgeprägte Temperaturabhängigkeit, so dass in diesem Falle die Kernverluste stabiler über einen breiten Temperaturbereich gehalten werden, so dass etwa die Güte einer Spule zumindest im Hinblick auf die Kernverluste stabiler gehalten werden kann.
Die Ferritmaterialien, die für den Ferritkern 110 verwendet werden, werden gemäß anschaulicher Ausführungsformen auf der Grundlage von Eisenoxid, Manganoxid und Zinkoxid hergestellt werden. Dazu werden in einigen anschaulichen Ausführungsformen Mischungen bereitgestellt, in denen das Eisenoxid mit einem Gewichtsprozentanteil von ca. 71 ± 3 Gew.-% vorgesehen wird, das Manganoxid mit einem Anteil von 23 + 8 Gew.-% und das Zinkoxid mit einem Gewichtsanteil von 6 ± 5 Gew.-% vorgesehen wird. Dabei kann durch die spezielle Wahl der genauen Mischungswerte das Verhalten des Materials im Hinblick auf die maximale Magnetisierung (siehe Fig. 1D) auf den gewünschten Wert über 400 mT bei 100 βC bei einer Feldstärke von 250 A/m eingestellt werden, wobei auch ein maximaler Wert von etwa 500 mT in einigen anschaulichen Ausführungsformen nicht überschritten wird, um die Kernverluste für die betrachteten Anwendungsfall nicht zu stark ansteigen zu lassen, auch wenn sich dadurch Vorteile im Hinblick auf andere Kenngrößen ergeben würden, die aber im Zusammenwirken mit anderen Eigenschaften u.U. nicht zu der angestrebten kompakten Bauweise führen würden . Beispielsweise kann eine Erhöhung des maximalen Magnetisierungswertes erreicht werden, indem der Anteil des Eisenoxids erhöht wird und der Anteil einer oder der beiden anderen Komponenten entsprechend reduziert wird.
Es sollte beachtet werden, dass die Magnetisierungskurve, wie sie etwa in Fig. 1 D gezeigt ist, typischerweise einen Messwert repräsentiert, der ermittelt wird, indem eine Ringkernanordnung verwendet wird, wobei die Feldstärke zur Messung der Magnetisierung auf den spezifizierten Wert 250 A/m eingestellt wird. Bei entsprechend anderen gewählten Feldstärken ergeben sich andere maximale Magnetisierungswerte, wobei ein Vergleich mit anderen Materialien jedoch jederzeit auf der Grundlage der hier angegebenen Messvorschriften möglich ist. Die Temperaturabhängigkeit der Kernverluste lassen sich bei dem Ferritmaterial, das in dem erfindungsgemäßen Bauelement 100 eingesetzt wird, in geeigneter Weise an die Anforderungen anpassen, indem eine geringe Menge besonderer Zusätze hinzugefügt wird, wobei durch eine größere Menge der Zusätze eine entsprechende Abflachung der Temperaturabhängigkeit erreicht wird. Zum Beispiel lässt sich durch eine geeignete Anpassung der Temperaturabhängigkeit der materialabhängigen Kernverluste im Zusammenhang mit dem durch eine steigende Temperatur sich erhöhenden Kupferverlusten so gestalten, dass für eine gewünschte möglichst hohe Güte einer Spule, wie sie beispielsweise in einer Resonanzstufe verwendet wird, auch ein möglichst geringer Grad an Änderung bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen auftritt. Zu diesem Zweck wird gemäß anschaulichen Ausführungsformen eine entsprechende gewünschte Baugröße des Bauelements 100 ermittelt und auf der Grundlage der verwendeten Ferritmaterialien ein gewünschter Induktivitätswert für einen vorgegebenen Wicklungsraum in dem Spulenkörper 130 ausgewählt. Aufgrund der erforderlichen Windungszahl und des zur Verfügung stehenden Wicklungsraums lässt sich dann der Kupferwiderstand bestimmen, der typischerweise temperaturabhängig ist. Wenn die Kupferverluste einen deutlichen Einfluss auf die Güte ausüben, lässt sich für einen gewünschten Temperaturarbeitspunkt der Spule somit ein Verlauf des Kupferwiderstands vom kalten Zustand bis zum Arbeitspunkt ermitteln, der dann als Ausgangspunkt für die Einstellung der temperaturabhängigen Kemverluste dient. Da die Güte der Spule durch die Gesamtverluste bestimmt ist, lässt sich durch eine geeignete Wahl der Steilheit der Temperaturabhängigkeit, etwa in Form der Kurven A1 und A2 eine Anpassung durchführen, so dass zunehmende Kupferverluste durch abnehmende Kernverluste zu einem gewissen Grade kompensiert werden. Auf diese Weise kann ein stabileres Schwingverhalten einer entsprechenden Resonanzstufe erreicht werden. Dies kann auch für eine Anwendung angewendet werden, in der die Kupferverluste generell einen deutlich höheren Anteil ausmachen, etwa beim Auftreten schneller Schaltvorgänge, etc. In anderen Ausführungsformen wird für Schwinddrosseln eine möglichst geringe Temperaturabhängigkeit der Kernverluste gewählt, wenn die Kupferverluste kein dominierender Beitrag zur Spulengüte sind, so dass die Güte relativ konstant bleibt.
Wie zuvor bereits erläutert ist, ist bei einer Reduzierung der Größe eines induktiven Bauelements auch den thermischen und elektrischen Verhalten der Wicklung Rechnung zu tragen. Das heißt, bei einer höheren Betriebstemperatur werden in der Regel auch die Materialien zur Isolierung der Windungen stärker beansprucht, da die Reaktionsrate, etwa das Isolationslacks, etc., typischerweise exponentiell von der Temperatur abhängt. Das heißt, bei steigenden Temperaturen findet eine stark erhöhte Beeinträchtigung der entsprechenden Isolationsmaterialien statt, so dass für eine spezifizierte Lebensdauer des induktiven Bauelements ein hoher Grad an Materialkonstanz des Ausgangsmaterials erforderlich ist, aber auch ein hohes Maß an Gleichmäßigkeit und Präzision beim Aufbringen der Drahtwindungen auf den Spulenkörper 130. Eine präzise Bewicklung des Spulenkörpers mit hoher Effizienz und gleichbleibender Qualität lässt sich in der Regel jedoch nur durch einen höheren Automatisierungsgrad erreichen. Dazu ist in einigen anschaulichen Ausführungsformen der Spulenkörper 130 speziell so gestaltet, dass die Drähte der einen oder mehreren Wicklungen geeignet geführt werden können, so dass zum einen eine hohe Präzision beim Aufbringen der Windungen erreicht wird und andererseits auch ein gewünschtes Maß an Isolationsfestigkeit bei einem automatengerechten Aufbringen erreicht wird.
Fig. 1 H zeigt schematisch eine Draufsicht des Spulenkörpers 130 gemäß einer anschaulichen Ausführungsform, die den Abmessungen des Ferritkerns 110, wie er in den Fig. 1 B und 1C gezeigt ist, angepasst ist. Der Spulenkörper 130 umfasst eine oder mehrere Wicklungskammern 131 mit einer Breite, die durch die Abmessungen des Ferritkerns 110 und durch die gewünschte Matertalstärke des Spulenkörpermaterials vorgegeben ist. Ferner sind entsprechende Endbereiche 135a, 135b vorgesehen, die einerseits zugunsten einer erhöhten mechanischen Stabilität der Wicklungskammern 131 sowie auch zur Befestigung des Ferritkerns 110 vorgesehen sind. Des Weiteren beinhalten die Endbereiche 135a, 135b geeignete Drahtführelemente 133, die in einigen Ausführungsformen geeignet ausgebildet sind, so dass Drähte in der Höhenrichtung und der Breitenrichtung geführt werden können. Das heißt, die Drahtführungselemente 133 sind so ausgebildet, dass in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1H ein Draht zu einem entsprechenden Anschlussstift 132a geführt werden kann, während auch eine Leitungsführung in der Breitenrichtung, d. h. in Fig. 1 H vertikal, erfolgen kann, wobei ein direkter Kontakt der beiden Drähte in einem entsprechenden Kreuzpunkt vermieden wird. Des Weiteren weist der Spulenkörper 130 auf dem gegenüberliegenden Endbereich 132b ein oder mehrere Elemente 133 auf. Ferner ist ein Vorsprung bzw. eine Erhebung 134, die in geeigneter weise dimensioniert und positioniert ist, vorgesehen, um ein automatengerechtes Einfädeln eines Spulenanfangsdrahtes in die eine oder mehreren Wicklungskammern 131 zu ermöglichen, wie dies auch nachfolgend mit Bezug auf Fig. U detaillierter beschrieben ist. Somit bildet der Vorsprung 134 mit dem benachbarten Drahtführungselement 133 eine Aussparung 134, durch die ein Wicklungsdraht effizient in die Kammer eingeführt werden kann und dabei um den Vorsprung 134 herumgeführt wird, so dass dieser Draht dann in eine Ausnehmung 132c eines Drahtführungselements 133 geführt werden kann, so dass schließlich ein Kontakt zu einem Anschlussstift 132b mit einem hohen Maß an Genauigkeit und Reproduzierbarkeit hergestellt werden kann.
Fig. 11 zeigt schematisch einen Querschnitt des Spulenkörpers 130 gemäß einer anschaulichen Ausführungsform, in der eine erste Spulenkammer 131a und eine zweite Spulenkammer 131b, die durch eine entsprechende Trennwand 131c getrennt sind, vorgesehen sind. In anderen anschaulichen Ausführungsformen können mehr als zwei Spulenkammern vorgesehen sein oder die Trennwand 131c wird weggelassen, um damit den durch die Trennwand 131c eingenommenen Raum für das effiziente Aufbringen einer Wicklung zu nutzen.
Fig. U zeigt eine schematische Ansicht des Spulenkörpers 130 als Draufsicht, wobei der Einfachheit halber eine oder mehrere Wicklungen 140 nur in Form eines Wicklungsanfangs 141 gezeigt sind. Wie dargestellt, ist der Draht 141 so um die Erhebung 134 geführt, dass dieser dann bündig auf den Wicklungsgrund 131g geführt werden kann, so dass bei Drehung des Spulenkörpers 130 bei automatischer Bewicklung mit hoher Präzision bewickelt werden kann, wobei der Vorsprung 134 auch als eine "Zugentlastung" dient, um die Position des Eintritts des Drahtes 141 zu fixieren. Somit kann die weitere Bewicklung erfolgen, ohne dass weitere Windungen in der Nähe des Drahtanfanges 141 angeordnet sind, so dass bei relativ hohen Spannungen zwischen dem Wicklungsanfang und dem Wicklungsende eine relativ große Isolationsstrecke vorhanden ist. D.h., auch bei den erhöhten Leistungen, d. h. bei höheren Strömen und Spannungen, ist trotz der reduzierten Abmessungen ein zuverlässiger und störungsunanfälliger Betrieb möglich ist. Des Weiteren kann durch die Herumführung des Drahtendes 141 um den Vorsprung 134 eine mechanisch sehr stabile, präzise und in der Fertigung reproduzierbare Leitungsführung in die Drahtführung 133 erreicht werden, so dass das Drahtende 141 mit dem Anschlussstift 132b in Kontakt gebracht werden kann, wobei bereits eine gewisse Eigenstabilität durch die gezeigte Leitungsführung erreicht wird. Somit kann gegebenenfalls auch in präziserer Weise eine Lötung des Drahtendes 141 mit dem Anschlussstift 132b, gegebenenfalls unter Verwendung einer geringeren Menge an Lotmaterial, in sehr zuverlässiger und reproduzierbarer Weise erfolgen. Das heißt, das durch den Vorsprung 134 erreichte Anschlussschema für das Drahtende 141 ermöglicht eine präzise und dabei auch reproduzierbare Art der Aufbringung der Wicklung auf den Spulenkörper 130, so dass trotz der geringeren Abmessungen eine hohe mechanische und elektrische Integrität erreicht wird, wobei zusätzlich eine effiziente automatengerechte Bearbeitung bei der Bewicklung des Spulenkörpers 130 möglich ist.
Fig. 2A zeigt schematisch eine Schaltung, die insbesondere zur Ansteuerung einer Entladungsleuchte geeignet ist, wobei in der gezeigten Ausführungsform zwei oder mehr induktive Bauelemente 200a, 200b vorgesehen sind, die beide einen Aufbau besitzen, wie dies zuvor mit Bezug zu dem induktiven Bauelement 100 beschrieben ist. Das heißt, in einigen anschaulichen Ausführungsformen sind die beiden induktiven Bauelemente 200a, 200b mit geeigneten lateralen Abmessungen bereit gestellt, um damit den Erfordernissen einer kompakten, einer Entladungsleuchte angepassten Bauform zu entsprechen. Insbesondere sind die beiden induktiven Bauelemente 200a, 200b mit einem magnetisch effektiven Volumen von etwa 900 mm3 und weniger vorgesehen, wobei Leistungen von etwa 40 bis 70 W zu übertragen sind. In der gezeigten Schaltung ist das erste induktive Bauelement 200a ein Teil einer Aufwärtswandlerschaltung 250a, die hier ganz schematisch in Form der induktiven Komponente 200a, d. h. einer Speicherdrossel, und einem Schalter
251 dargestellt ist, der von einer Steuerschaltung 252 gesteuert wird. Die Aufwärtswandlerschaltung 250a kann beispielsweise von einer Wechselspannungsquelle mittels eines Gleichrichters 260 gespeist werden, um damit eine geregelte Ausgangsgleichspannung bereitzustellen, die beispielsweise höher ist als der Scheitelwert der Eingangswechselspannung. Des Weiteren kann die Ansteuerung des Schalters 251 so erfolgen, dass der Wechselspannungsseite der Strom mit einem gewünschten Leistungsfaktor, beispielsweise mit einem Leistungsfaktor von annähernd 1 , entnommen wird.
Des Weiteren umfasst die in Fig. 2A gezeigte Schaltung eine Resonanzstufe, die beispielsweise in Form des induktiven Elements 200b und einem Kondensator 253 als Resonanzkreis vorgesehen ist, der von einer Schaltereinrichtung, beispielsweise einer Halbbrücke 254, etwa aus der geregelten Gleichspannung der Aufwärtswandlerschaltung 250a gespeist wird. Die Schaltereinrichtung 254 kann ebenfalls mit der Steuereinrichtung
252 oder einer anderen separaten Steuereinrichtung verbunden sein, um den Resonanzkreis mit der induktiven Komponente 200b in geeigneter Weise anzusteuern, so dass in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Leuchte 255 gespeist werden kann. Wie zuvor erwähnt ist, kann die Leuchte 255 eine Leistung im Bereich von ca. 40 bis 70 W erfordern, die aus der Wechselspannungsquelle mittels der Schaltungen 250a, 250b der Leuchte 255 in geeigneter Form zugeführt wird. Es sollte beachtet werden, dass die Schaltungen 250a, 250b eine beliebige Konfiguration entsprechend den jeweiligen Erfordernissen aufweisen können.
Fig. 2B zeigt die elektronische Schaltung 270 gemäß anschaulicher Ausführungsbeispiele, in denen eine Platine 271 so vorgesehen ist, dass sie zum Einbau in die Leuchte 255 geeignet gestaltet ist. In der gezeigten Ausführungsform besitzt diese eine rechteckige Form, in der die Länge deutlich größer ist als die Breite, wobei die Breite so gestaltet ist, dass sie im Bereich von ca. 25 bis 40 mm liegt. In der gezeigten Ausführungsform sind die induktiven Bauelemente 200a, 200b so vorgesehen, dass die Komponente 200a in effizienter Weise mit einer entsprechenden Eingangsspannung beispielsweise über den Gleichrichter 260 von einem üblichen Wechselspannungsnetz versorgt werden kann. Andererseits ist das induktive Bauelement 200b so positioniert, dass es geeignet Energie in die Anschlusskontakte der Leuchte 255 einspeisen kann. Weitere Bereiche 272 der Schaltung 270 können weitere elektronische Komponenten, beispielsweise die weiteren Komponenten der Schaltungen 250a, 250b aufnehmen. In der gezeigten Anordnung sind die induktiven Komponenten 200a, 200b so vorgesehen, dass sich eine geringere Baulänge ergibt, da die Breitenrichtung der induktiven Bauelemente 200b parallel zur Längsrichtung der Platine 271 angeordnet ist.
Fig. 2C zeigt schematisch die Schaltung 270, in der die induktiven Bauelemente 200a, 200b so vorgesehen sind, dass sich eine sehr schmale Bauweise ergibt, während gegebenenfalls die Länge zu vergrößern ist.
Somit ergibt sich für Abmessungen, wie sie zuvor im Zusammenhang mit dem Bauelement 100 erläutert sind, eine sehr kompakte Bauweise, die sich an die Abmessungen moderner Leuchten 255 anpassen lässt. Wie zuvor bereits erläutert wurde, können die induktiven Bauelemente 200a, 200b in geeigneter Weise an jeweilige Schaltungstopografie angepasst werden, d. h. ein geeigneter Induktivitätswert und ein geeignetes Speicherverhalten können vorgesehen werden, indem ein geeigneter Luftspalt gewählt wird, so dass beispielsweise die Aufwärtswandlerschaltung 200a für die gewählte Betriebsfrequenz, beispielsweise 100 kHz, das gewünschte Verhalten zeigt. Dabei kann auch die Verlustleistungskurve des Kernmaterials so eingestellt werden, dass ein entsprechend ausgeprägtes Minimum bei einer angestrebten Betriebstemperatur erreicht wird, wobei die Steuerschaltung 252 in einigen anschaulichen Ausführungsformen ausgelegt ist, den Betrieb durch Anpassen der Arbeitsfrequenz und/oder der Ausgangsleistung in einem gewünschten optimalen Bereich zu halten. Wie zuvor dargestellt ist, kann der Induktivitätswert der Komponente 200a über einen größeren Betriebstemperaturbereich annähernd konstant gehalten werden, so dass geeignete Betriebsbedingungen temperaturabhängig eingestellt werden können, ohne dass eine signifikante Änderung der Induktivität zu berücksichtigen ist.
In ähnlicher Weise kann die Komponente 200b in ihren Eigenschaften dem gewünschten Verhalten in dem Resonanzkreis 250b angepasst werden, etwa in der Weise, wie dies zuvor beschrieben ist, so dass eine relativ wenig temperaturabhängige Güte der Komponente 200b gewährleistet ist, wodurch sich ein stabiles Anschwingen der Schaltung 250b in sehr unterschiedlichen Betriebsphasen verwirklichen lässt.
Die vorliegende Erfindung stellt somit induktive Bauelemente und elektronische Schaltungen, in denen diese Bauelemente verwendet sind, bereit, wobei eine Anpassung der Abmessungen der induktiven Komponente in einem Leistungsbereich etwa 70 W oder weniger bei einer im Wesentlichen rechteckigen Grundform mit einer Abmessung von 20 mm oder weniger in einer lateralen Richtung bei einem effektiven magnetischen Volumen des Ferritkerns von ca. 900 mm3 oder weniger erreicht wird. Durch die effiziente Gestaltung des Spulenkörpers, d. h. durch eine Vorrichtung zum automatengerechten Bewicklung des Spulenkörpers wird ein hohes Maß an Präzision und Reproduzierbarkeit beim Aufbringen der Wicklung erreicht, so dass damit zu einem zuverlässigen und störungssicheren Betrieb auch bei kompakten Abmessungen beigetragen wird.

Claims

Patentansprüche
1. Induktives Bauelement mit:
einem Ferritkern mit einer ersten Kernhälfte und einer zweiten Kernhälfte, wovon zumindest eine einen E-förmigen Kernquerschnitt aufweist und eine Breite besitzt, die 20 mm oder kleiner ist, wobei der Ferritkern aus einem Ferritmaterial aufgebaut ist, das eine maximale Induktion bei einer Feldstärke von 250 A/m bei 100 0C aufweist, die 400 mT oder größer ist,
einem Spulenkörper, der von Schenkeln der beiden Kernhälften umschlossen ist und Stifte aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten des Ferritkerns angeordnet sind, und
mindestens einer in dem Spulenkörper vorgesehenen Wicklung, die zumindest mit einem der Stifte elektrisch verbunden ist.
2. Induktives Bauelement nach Anspruch 1 , wobei ein magnetisch wirksames Volumen des Ferritkerns 900 mm3 oder kleiner ist.
3. Induktives Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Länge des Ferritkerns 17 mm oder weniger beträgt.
4. Induktives Bauelement nach Anspruch 3, wobei eine Höhe des Ferritkerns 13 mm oder weniger beträgt.
5. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spulenkörper einen zum automatengerechten Einführen eines Wicklungsdrahts vorgesehenen Vorsprung aufweist.
6. Induktives Bauelement nach Anspruch 5, wobei ein Wicklungsdraht durch den Vorsprung umgelenkt ist und über eine als Drahtführung ausgebildete Aussparung zu einem der Stifte geführt ist.
7. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ferritmaterial eine Mischung aus Eisenoxid, Manganoxid und Zinkoxid aufweist.
8. Induktives Bauelement nach Anspruch 7, wobei die Mischung das Eisenoxid mit einem Gewichtanteil von 71 Gew.-% ± 3 Gew.-%, das Manganoxid mit einem Gewichtsanteil von 23 Gew.-% ± 8 Gew.-% und das Zinkoxid mit einem Gewichtsanteil von 6 Gew.-% ± 5 Gew.-% aufweist.
9. Elektronische Schaltung zur Ansteuerung einer Leuchte mit:
einer Pfatine,
einem ersten induktiven Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7,
einem zweiten induktiven Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7,
wobei das erste induktive Bauelement eine Komponente eines Aufwärtswandlers ist, der eine geregelte Gleichspannung bereitstellt, und das zweite induktive Bauelement eine Komponente einer von der geregelten Spannung gespeisten Resonanzstufe zur Speisung der Leuchte ist.
10. Elektronische Schaltung nach Anspruch 9, wobei eine Temperaturabhängigkeit der Kernmaterialverluste des Ferritkerns des ersten induktiven Bauelements eine kleinere Schwankungsbreite für einen Betriebstemperaturbereich von 20 "C bis 100 "C aufweist als die Temperaturabhängigkeit der Kernmaterialverluste des Ferritkerns des zweiten induktiven Bauelements.
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