WO2013124048A1 - Planarer übertrager mit schichtaufbau - Google Patents

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WO2013124048A1
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transformer
layer
insulation
magnetic layer
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PCT/EP2013/000468
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Peter Scholz
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Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg
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    • H01F2027/2819—Planar transformers with printed windings, e.g. surrounded by two cores and to be mounted on printed circuit

Definitions

  • isolation amplifiers provide a galvanic isolation between a primary circuit and a secondary circuit and are suitable, for example, for intrinsically safe operation.
  • the present invention relates to a transformer, in particular a planar, not susceptible to interference
  • Transformers or transformers and in particular
  • Intrinsically safe transformers or transformers are used for the galvanic isolation of circuits according to various standards, whereby both energy and signals and / or data can be transmitted via the transformers.
  • CONFIRMATION COPY the minimum distances in solid insulation, air and
  • Creepage distances are divided. In a typical
  • Insulation class for example, protection level 375 V, the minimum separation distance for solid insulation, for example, 1 mm, the creepage distance in air 10 mm and the creepage distance under a protective layer about 3.3 mm.
  • Intrinsically safe transformers are designed and optimized in terms of geometry so that the required
  • Transformers with wound coils wherein the windings of the coils are mounted due to required isolation distances on different ring cores, which are magnetically coupled to each other via an additional embedded in a circuit board winding.
  • the trained transformer is based on classic winding technology
  • EP 0 715 322 A1 describes a transformer or transformer whose conductor tracks are completely in
  • Planar technology is made with layer structure, in which the interconnects in one piece assembled
  • Printed circuit board are housed.
  • the circuit board is surrounded by a closed magnetic core.
  • a planar transformer, preferably intrinsically safe transformer is provided with a
  • the layer structure for example in the form of one or more printed circuit boards.
  • the layer structure may comprise a plurality of circuits, wherein at least a first
  • the transformer has a first magnetic layer and a second magnetic layer, wherein the first magnetic layer has a first side of the first magnetic layer
  • Magnetic layers in this context characterize layers, eg. B. platelets of a material that acts on magnetic fields conductive. These may be in particular ferrite plates.
  • the transformer thus has at least a first
  • Circuit and the second circuit are electrically isolated from each other by at least one insulating layer.
  • the first magnetic layer and the second magnetic layer may have different potential groups or
  • the first circuit is here, for example, the
  • the secondary circuit of a transformer for example, the secondary circuit of a transformer.
  • the transformer or transformer has a first magnetic layer and a second magnetic layer, wherein the first magnetic layer is a first side of the layer structure is limited and the second magnetic layer delimits a second side of the layer structure. It is provided that the first magnetic layer and the second magnetic layer are separated from one another and can be assigned to different potential groups or circuits.
  • the two magnetic layers thus form magnetic cores or core parts which are galvanically isolated from the nearest circuits by e.g. Lack are separated so that turns of the coils of a magnetic layer can not be short-circuited.
  • Magnet core to provide, in which a first magnetic layer and a second magnetic layer are separated from each other and may have different potentials or different circuits can be assigned.
  • the transformer may have a layered structure printed on a multilayer
  • the magnetic core is separated. It can be synonymous of several coupled coils are spoken, the magnetic fields are conducted with shielding ferrites. Alternatively or additionally, the term of a transformer with an air gap can also be selected.
  • the transformer or transformer according to the invention is therefore also suitable to meet all of the standard DIN EN 60079-11 required safety distances and at the same time offers the functionality in terms of energy and / or data or signal transmission.
  • the total thickness of a transformer is reduced or minimized. This is particularly advantageous if the transformers are to be integrated into narrow housings which have, for example, a total thickness of approximately 6 mm and if a maximum of approximately 4.5 mm space is available within the housing.
  • An advantage of the invention is that the overall height of the transformer and preferably intrinsically safe transformer is reduced at constant horizontal dimensions.
  • the first circuit is arranged on a first layer and the second circuit is arranged on a second layer, wherein between the first
  • the insulation layer can be considered here as the main insulation layer, while also more insulation layers than
  • Circuits have multiple layers, via an electrical contact, for example within the
  • Circuit adjacent to the first magnetic layer and the second circuit adjacent to the second magnetic layer are Circuit adjacent to the first magnetic layer and the second circuit adjacent to the second magnetic layer.
  • the first circuit is adjacent to the first magnetic layer and the second
  • the minimum isolation distance TO is expediently designed such that an intrinsically safe electrical isolation between the first circuit and a second circuit is provided.
  • a total insulation thickness between the first magnetic layer and the second magnetic layer of (N-1) x TO may be provided, where TO is the minimum isolation distance, and is preferably designed such that an intrinsically safe galvanic isolation between the first circuit and a second circuit
  • the core of the transmission is only (N - 1) times the minimum thickness of TO, that is (N - 1) x TO instead of conventional N x TO. According to one embodiment of the invention
  • the total thickness of the transformer is not more than about 4 mm.
  • the total thickness of the transformer thicknesses of printed conductors, insulation materials, ferrites, paints, etc. are taken into account. Furthermore, the space requirement of the transformer is reduced or minimized. This increases the available space for
  • Core parts are optimized or minimized so that the space requirement is minimal and the geometric shape of the cores or core parts is as simple as possible. This is consistent with a required cost optimization of
  • the transformer can be inexpensively mounted on the layer structure and the transformer can thereby be produced inexpensively.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a conventional
  • Fig. 2 is a schematic representation of a conventional
  • Fig. 3 is a schematic representation of a transformer with two circuits according to a first
  • Fig. 4 is a schematic representation of a transformer with two circuits according to a second
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a
  • the transformer 10 having a first circuit 1 and a second circuit 2.
  • the transformer 10 is e.g. designed as an intrinsically safe PCB transformer, as known for example from EP 0 715 322 AI.
  • the transformer 10 has a layer structure with primary and a
  • Fig. 1 shows a cross section through a circuit board 9, which is enclosed by a core 4, wherein the core 4 pierces the circuit board 9 at several points.
  • the printed circuit board 9 has a plurality of layers, which consist of layers of
  • Conductor tracks 5a to 5d and insulation layers 6a to 6c and 7a to 7b composed.
  • the insulation layers can be divided into those (6a to 6c), which separate the individual circuits 1, 2 from each other and those (7a to 7b), which provide insulation within the individual circuits.
  • the insulation layers 7a to 7b allow a variety of conductor structures, such as
  • the layers within a circuit can with a
  • electrical contact 8 such as a
  • the insulation thickness T1 is greater than or equal to the protection level required for the protection class, which is a necessary condition for an intrinsically safe transformer.
  • the required level of protection thus corresponds in this case to the minimum isolation distance TO, also referred to as the required insulation thickness or minimum insulation thickness. Since the core 4 is considered as a conductive body, in addition to the required first isolation between the primary and Secondary side (insulation 1) and a second insulation between the individual turns of the circuits and the core 4 are ensured (isolation 2).
  • the second insulation can be divided into two parts T21 and T22, wherein the sum of the thicknesses T21 and T22 of the second insulation is also greater than or equal to the required for the protection class indestisolationsdicke TO.
  • the two components T21 and T22 are chosen to be identical and equal to half the first insulation for reasons of symmetry.
  • the classic printed circuit board transformer 10 is equipped with a magnetic core 4 to a possible
  • the magnetic core 4 surrounds the circuit board 9 or parts of the
  • Printed circuit board with or without an air gap is arranged both above and below the circuit board 9 and each side of the circuit board 9. Since the production-related thicknesses TK1 and TK2 of the magnetic core 4 above and below the circuit board. 9
  • the required thickness of the insulation layer TO is, for example, 1 mm
  • the total thickness of the conventional printed circuit board transformer 10 is greater than 4 mm. In many applications, the thickness is between 6 mm and 12 mm with a total area of about 6 cm 2 to 8 cm 2 .
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a
  • FIG. 2 illustrates a layer structure of a printed circuit board 9 in the case of three safely galvanically isolated circuits 1, 2, 3 as a further embodiment variant, starting from FIG. 1.
  • the turns of the first circuit 1 and 2, respectively of the first potential group 1 are in this example as three
  • Windings of the circuit 2 and the circuit 3 each with two traces 5d and 5e or 5f and 5g
  • Insulating layers with a first insulation (insulation 1), a second insulation (insulation 2) and a third insulation (insulation 3) are used, each greater than or equal to the minimum insulation thickness TO must be selected, which corresponds to the protection level required for the protection class.
  • the overall thickness of the transformer 10 increases. In general, that the total insulation thickness at N safely galvanic
  • the total thickness of the transformer 10 takes into account further layer thicknesses, such as the
  • Insulation layers 7a to 7c are Insulation layers 7a to 7c.
  • a minimum insulation distance between the first circuit and at least one second circuit is such
  • Insulation thickness or minimum insulation thickness the level of protection required for the protection class.
  • a minimum isolation distance between the circuits can be useful and advantageous.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a
  • Transformer 20 according to an embodiment of the Invention with a first circuit 1 and a second circuit 2, which are galvanically isolated from each other.
  • the height of the transformer 20 may according to the invention
  • the magnetic core 4 is formed of different proportions 4a and 4b, which are formed for example of ferrite plates and can cause a shielding effect of the magnetic field substantially.
  • core portions 4a, 4b are present.
  • the core portions 4a, 4b can be assigned to the respectively closest potential groups 1, 2.
  • N x TO Total insulation thickness at least N x TO, where N denotes the number of safely separate circuits 1, 2, 3 and TO that the protection level accounted for
  • Minimum insulation thickness in the insulating medium is. Due to the described separation of the core 4, the insulation layers 6a and 6c from FIGS. 1 and 6a and 6d from FIG. 2 can be dispensed with and the total thickness of the transformer correspondingly reduced by at least 1 ⁇ T0. In general, the total insulation thickness can thus be reduced from at least N ⁇ TO to (N-1) ⁇ TO.
  • the total insulation thickness is reduced to (N-1) x TO by separating the magnetic core 4 into two parts 4a, 4b.
  • (N 2) insulated circuits 1, 2, the minimum
  • Reduction factor of two reduced is N / (N-1).
  • the minimum distance of all core portions 4a, 4b also corresponds at least to the required one
  • Minimum isolation to provide an intrinsically safe transformer 20 It should be noted that the required separation distance between the core portions may vary depending on the isolation medium.
  • Fig. 4 shows another embodiment of a
  • Transformer 20 a first circuit 1, a second circuit 2 and a third circuit 3.
  • Circuit board 9 of the transformer 20 in Fig. 4 are
  • FIGS. 5 and 6 show a further embodiment of an intrinsically safe transformer 20 according to the invention in various perspectives.
  • Fig. 5 are three different views of a
  • the basic form of the coils from FIGS. 5 and 6 can also be modified in such a way that a rectangular basic shape with spiral windings results. Accordingly, it may be useful in this case, even the basic form of
  • Circuit board 9 is arranged. Both are isolated
  • the inner winding can be provided with a contact 8 and returned to an additional layer 5b, 5c.
  • PCB 9 magnetic materials are attached.
  • this is provided by two cylindrical ferrite plates 4 a and 4 b
  • the total thickness of the transformer 20 thus formed is, for example, 3.6 mm, while the extent in the x-direction and y-direction is approximately 20 mm, for example.
  • Insulation layers additional layers
  • Transformer or transformer can meet all the requirements of EN 60079-11 according to required safety distances and at the same time offers the functionality regarding energy and / or data or signal transmission.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen planaren Übertrager, insbesondere eigensicheren Übertrager (20) aufweisend einen Schichtaufbau mit einem ersten Stromkreis (1) und einem mindestens zweiten Stromkreis (2), wobei der erste Stromkreis (1) und der zweite Stromkreis (2) galvanisch voneinander durch mindestens eine Isolationsschicht (6b) getrennt sind. Der Übertrager (20) weist eine erste magnetische Schicht (4a) und eine zweite magnetische Schicht (4b) auf, wobei die erste magnetische Schicht (4a) eine erste Seite des Schichtaufbaus begrenzt und die zweite magnetische Schicht (4b) eine zweite Seite des Schichtaufbaus begrenzt, wobei die erste magnetische Schicht (4a) und die zweite magnetische Schicht (4b) voneinander getrennt sind und unterschiedlichen Potentialgruppen zugeordnet sein können.

Description

Planarer Übertrager mit Schichtaufbau Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Interfacetechnik mit elektronischen
Bauelementen, die für Mess-, Steuer- und Regelungsaufgaben, insbesondere als Trennverstärker, eingesetzt werden können. Diese Trennverstärker stellen eine galvanische Trennung zwischen einem Primärkreis und einem Sekundärkreis bereit und sind beispielsweise für einen eigensicheren Betrieb geeignet .
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Übertrager, insbesondere einen planaren, nicht störanfälligen
Übertrager, der für eigensichere Stromkreise geeignet ist und im Folgenden als planarer eigensicherer Übertrager bezeichnet wird.
Übertrager oder Transformatoren und insbesondere
eigensichere Übertrager oder Transformatoren werden zur galvanischen Trennung von Stromkreisen nach verschiedenen Normen eingesetzt, wobei über die Übertrager sowohl Energie als auch Signale und/oder Daten übertragen werden können.
In verschiedenen Vorschriften und Normen, beispielsweise DIN EN 60079-11, sind für verschiedene Sicherheitsklassen von Betriebsmitteln Mindestabstände für die sichere
Trennung der Stromkreise und somit auch der Windungen oder Wicklungen der Transformatoren vorgegeben. Diese
Mindestabstände sind vom Isoliermedium abhängig, so dass
1
BESTÄTIGUNGSKOPIE die Mindestabstände in FeststoffIsolierung, Luft- und
Kriechstrecken unterteilt sind. In einer typischen
Isolationsklasse, beispielsweise Schutzniveau 375 V, beträgt der minimale Trennabstand bei fester Isolierung beispielsweise 1 mm, die Kriechstrecke in Luft 10 mm und die Kriechstrecke unter einer Schutzschicht etwa 3,3 mm.
Eigensichere Übertrager sind hinsichtlich der Geometrie derart ausgelegt und optimiert, dass die benötigten
Trennabstände für ein bestimmtes Schutzniveau
sichergestellt werden. Dies kann sowohl durch gewickelte Spulen als auch durch gedruckte oder geätzte Spulen auf Leiterplatten gewährleistet werden. Dabei ist bei
gedruckten oder geätzten Spulen von Vorteil, dass keine zusätzlichen Wicklungsprozesse benötigt werden und eine gute Reproduzierbarkeit gewährleistet werden kann. Weitere Vorteile können in einer verbesserten thermischen
Eigenschaft bei gleichem Kernvolumen liegen. Ferner können Herstellungskosten geringer ausfallen.
DE 10 2005 041 131 AI offenbart einen eigensicheren
Übertrager mit gewickelten Spulen, wobei die Wicklungen der Spulen aufgrund von geforderten Isolierungsabständen auf verschiedenen Ringkernen angebracht sind, die über eine zusätzliche in eine Leiterplatte eingelassene Windung magnetisch miteinander gekoppelt sind. Der so ausgebildete Übertrager basiert auf klassischer Wicklungstechnik
kombiniert mit einer Leiterplattentechnologie, wobei die Leiterplatte sowohl zur Isolierung als auch zur
mechanischen Fixierung verwendet wird.
In US 2011/0140824 AI wird ein Übertrager vorgeschlagen, bei dem die zu isolierenden Stromkreise bzw. Windungen asymmetrisch auf verschiedenen Leiterplatten angebracht sind, die anschließend übereinander mit einem magnetischen Kern zu einem Transformator bzw. Übertrager verbunden werden. Der Kern kann hierbei aus zwei Hälften gebildet werden, die beispielsweise verklebt und/oder geklammert werden, um eine mechanische Stabilität zu gewährleisten.
In US 2011/0095620 AI wird ein planarer Übertrager für miniaturisierte Anwendungen beschrieben mit zwei Windungen, die auf gegenüberliegenden Seiten eines isolierenden
Substrates liegen. Das physikalische Grundprinzip der
Übertragung von Energie bzw. Daten beruht auf Induktion. Es handelt sich hierbei jedoch um keinen eigensicheren
Übertrager, wobei auch kein magnetischer Kern verwendet wird.
In EP 0 715 322 AI ist ein Übertrager bzw. Transformator beschrieben, dessen Leiterbahnen vollständig in
Planartechnik mit Lagenaufbau gefertigt ist, bei dem die Leiterbahnen in einer zu einem Stück zusammengefügten
Leiterplatte untergebracht sind. Die Leiterplatte wird von einem geschlossenen Magnetkern umgeben.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
Miniaturisierungsmöglichkeiten der oben beschriebenen planaren Übertrager vorzuschlagen, insbesondere eine
Miniaturisierung von eigensicheren planaren Übertragern zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Erfindungsgemäß wird ein planarer Übertrager, bevorzugt eigensicherer Übertrager bereitgestellt mit einem
Schichtaufbau, beispielsweise in Form einer oder mehrerer Leiterplatten. Der Schichtaufbau kann eine Mehrzahl von Stromkreisen aufweisen, wobei mindestens ein erster
Stromkreis und mindestens ein zweiter Stromkreis
galvanisch, bevorzugt eigensicher, voneinander isoliert werden. Ferner weist der Übertrager eine erste magnetische Schicht und eine zweite magnetische Schicht auf, wobei die erste magnetische Schicht eine erste Seite des
Schichtaufbaus begrenzt und die zweite magnetische Schicht eine zweite Seite des Schichtaufbaus begrenzt.
Magnetische Schichten kennzeichnen in diesem Zusammenhang Schichten, z. B. Plättchen aus einem Material, das leitend auf magnetische Felder wirkt. Dies können insbesondere Ferritplatten sein.
Der Übertrager weist somit mindestens einen ersten
Stromkreis und mindestens einen zweiten Stromkreis
innerhalb eines Schichtaufbaus auf, wobei der erste
Stromkreis und der zweite Stromkreis galvanisch voneinander durch mindestens eine Isolationsschicht getrennt sind. Der ersten magnetischen Schicht und der zweiten magnetischen Schicht können unterschiedliche Potentialgruppen oder
Stromkreise zugewiesen werden.
Der erste Stromkreis ist hierbei beispielsweise der
Primärkreis und der zweite Stromkreis ist hierbei
beispielsweise der Sekundärkreis eines Transformators.
Ferner weist der Übertrager oder Transformator eine erste magnetische Schicht und eine zweite magnetische Schicht auf, wobei die erste magnetische Schicht eine erste Seite des Schichtaufbaus begrenzt und die zweite magnetische Schicht eine zweite Seite des Schichtaufbaus begrenzt. Es ist vorgesehen, dass die erste magnetische Schicht und die zweite magnetische Schicht voneinander getrennt sind und unterschiedlichen Potentialgruppen bzw. Stromkreisen zugewiesen werden können.
Die beiden magnetischen Schichten bilden somit magnetische Kerne bzw. Kernteile, die galvanisch von den am nächsten liegenden Stromkreisen durch z.B. Lack getrennt sind, damit Windungen der Spulen von einer magnetischen Schicht nicht kurzgeschlossen werden können.
Die technische Lösung liegt somit darin, einen Übertrager mit einem nicht geschlossenen bzw. stark geöffneten
Magnetkern bereitzustellen, bei dem eine erste magnetische Schicht und eine zweite magnetische Schicht voneinander getrennt sind und unterschiedliche Potentiale aufweisen können oder unterschiedlichen Stromkreisen zugewiesen werden können. Der Übertrager kann einen Schichtaufbau aufweisen, der auf einer mehrschichtigen gedruckten
Schaltungsplatte basiert. Auch können Ätzverfahren zur Herstellung des Schichtaufbaus verwendet werden. Es wird somit ein Übertrager oder Transformator
bereitgestellt, dessen magnetischer Kern aufgetrennt ist. Es kann synonym von mehreren gekoppelten Spulen gesprochen werden, deren magnetische Felder mit schirmenden Ferriten geführt werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann auch der Begriff eines Transformators mit Luftspalt gewählt werden. Der erfindungsgemäße Übertrager oder Transformator ist somit geeignet auch alle der Norm DIN EN 60079-11 nach geforderten Sicherheitsabstände zu erfüllen und bietet gleichzeitig die Funktionalität hinsichtlich Energie- und/oder Daten- bzw. Signalübertragung.
Gemäß besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen kann daher vorgesehen werden, dass ein Mindestisolationsabstand zwischen dem ersten Stromkreis und wenigstens dem zweiten Stromkreis eine eigensichere galvanische Trennung
bereitstellt.
Erfindungsgemäß wird die Gesamtdicke eines Übertragers verringert oder minimiert. Dies ist vor allem von Vorteil, wenn die Übertrager in schmale Gehäuse integriert werden sollen, die beispielsweise eine Gesamtdicke von ca. 6 mm aufweisen und wenn innerhalb des Gehäuses maximal etwa 4,5 mm Platz zur Verfügung steht. Somit ist es ein besonderer Vorteil der Erfindung, einen Übertrager und insbesondere auch einen eigensicheren Übertrager bereitstellen zu können, der eine Gesamtdicke von beispielsweise 4,5 mm nicht übersteigt. Ein Vorteil der Erfindung ist es, dass die Bauhöhe des Übertragers und bevorzugt eigensicheren Übertragers bei gleichbleibenden horizontalen Ausmaßen verringert wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Übertragers ist der erste Stromkreis auf einer ersten Schicht angeordnet und der zweite Stromkreis auf einer zweiten Schicht angeordnet, wobei zwischen der ersten
Schicht und der zweiten Schicht jeweils eine
Isolationssehicht angeordnet ist. Die Isolationsschicht kann hierbei als Hauptisolationsschicht angesehen werden, während auch weitere Isolationsschichten als
Nebenisolationsschichten innerhalb des ersten und/oder zweiten Stromkreises verwendet werden können, um
beispielsweise elektrisch leitfähige Spulen mit mehreren Windungen bereitzustellen, indem beispielsweise die
Stromkreise mehrere Schichten aufweisen, die über einen elektrischen Kontakt, beispielsweise innerhalb der
Nebenisolation, verbunden werden können. Gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Übertragers kann vorgesehen werden, dass der erste
Stromkreis an die erste magnetische Schicht angrenzt und der zweite Stromkreis an die zweite magnetische Schicht angrenzt .
Auf diese Weise können die übrigen herkömmlichen
Isolationen am magnetischen Kern, insbesondere zwischen den einzelnen Stromkreisen und dem Kern weggelassen werden, da der Kern in mehrere Anteile aufgetrennt wird und die einzelnen Anteile des Kerns den jeweils am nächsten
liegenden Stromkreisen und deren Potentialen zugeordnet werden können. Dies ist unter anderem möglich, da die
Anteile des magnetischen Kerns unterschiedliche Potentiale annehmen können und elektrisch und mechanisch nicht
miteinander verbunden sind.
Es ist somit vorgesehen, dass der erste Stromkreis an die erste magnetische Schicht angrenzt und der zweite
Stromkreis an die zweite magnetische Schicht angrenzt. In diesem Zusammenhang ist unter "angrenzen" zu verstehen, dass sich die Schichten in unmittelbarer Nähe befinden, sich aber nicht berühren müssen, da beispielsweise zwischen den Schichten eine Lackschicht vorhanden ist. Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Übertragers kann vorgesehen werden, dass der erste
Stromkreis und der zweite Stromkreis einen
Mindestisolationsabstand TO zueinander aufweisen und an keinem geometrischen Ort zwischen dem ersten Stromkreis und dem zweiten Stromkreis der Mindestisolationsabstand TO unterschritten wird, wobei der Mindestisolationsabstand zweckmäßig derart ausgelegt ist, dass eine eigensichere galvanische Trennung zwischen dem ersten Stromkreis und einem zweiten Stromkreis bereitstellt ist.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Übertragers kann eine Gesamtisolationsdicke zwischen der ersten magnetischen Schicht und der zweiten magnetischen Schicht von (N - 1) x TO vorgesehen werden, wobei TO der Mindestisolationsabstand ist und bevorzugt derart ausgelegt ist, dass eine eigensichere galvanische Trennung zwischen dem ersten Stromkreis und einem zweiten Stromkreis
bereitstellt ist, und N die Anzahl der galvanisch
voneinander getrennten Stromkreise ist. Somit findet eine Reduzierung der Anzahl der Isolationsschichten in
vertikaler Richtung (Richtung entlang des Schichtenaufbaus) insbesondere auch bei N eigensicher getrennten Wicklungen derart statt, dass die benötigte Gesamtisolationsschicht in der vertikalen Dimension zwischen den magnetischen
Kernteilen des Übertrages nur (N - 1) mal die Mindestdicke von TO beträgt, also (N - 1) x TO statt herkömmlich N x TO . Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Übertragers ist bei einer geforderten
Mindestisolationsdicke TO einer Isolationsschicht von etwa 1 mm die Gesamtdicke des Übertragers nicht mehr als etwa 4 mm. Bei der Gesamtdicke des Übertragers werden Dicken von Leiterbahnen, Isolationsmaterialien, Ferriten, Lacken, etc. berücksichtigt. Ferner wird der Platzbedarf des Übertragers verringert oder minimiert. Dies erhöht den verfügbaren Platz für
beispielsweise andere elektronische Komponenten und kann zum Beispiel durch höhere Frequenzen und/oder andere
Materialien ermöglicht werden.
Auch kann die Geometrie der magnetischen Kerne bzw.
Kernteile derart optimiert oder minimiert werden, so dass der Platzbedarf minimal wird und die geometrische Form der Kerne bzw. Kernteile möglichst einfach wird. Dies steht in Einklang zu einer geforderten Kostenoptimierung von
Elektronikgeräten, die insbesondere eigensichere Übertrager beinhalten. Ferner entfallen durch den nicht geschlossenen magnetischen Kern die herkömmlich benötigten Aussparungen in der Leiterplatte, was Platz und Kosten sparen kann. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die Kernteile mit Standard Klebeverfahren und üblichen Toleranzen
kostengünstig auf den Lagenaufbau angebracht werden können und der Übertrager hierdurch kostengünstig produziert werden kann.
Durch das Fehlen des geschlossenen oder nahezu
geschlossenen Kerns können weitere Anforderungen an den Schaltungsentwurf entstehen, da die Induktivitäten und die Kopplungen der Spulen durch diese Maßnahme typischerweise reduziert werden. Dies kann durch geeignete Gegenmaßnahmen kompensiert werden. So können beispielsweise zur
effizienten Energieübertragung und zur Kompensation der auftretenden Streuinduktivitäten kapazitive Effekte ausgenutzt werden, was häufig zu einer oder mehreren
Resonanzen im System führen kann.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und werden nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen
Übertragers mit zwei Stromkreisen;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen
Übertragers mit drei Stromkreisen;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Übertragers mit zwei Stromkreisen gemäß eines ersten
Ausführungsbeispiels der Erfindung;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Übertragers mit zwei Stromkreisen gemäß eines zweiten
Ausführungsbeispiels der Erfindung; und
Fig. 5 und Fig. 6
jeweils eine schematische Darstellung in
verschiedenen Ansichten eines Übertrages mit zwei spiralförmigen Spulen gemäß eines dritten
Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines
herkömmlichen Übertragers 10 mit einem ersten Stromkreis 1 und einem zweiten Stromkreis 2. Der Übertrager 10 ist z.B. als eigensicherer Leiterplattenübertrager ausgebildet, wie beispielsweise aus EP 0 715 322 AI bekannt. Der Übertrager 10 weist einen Lagenaufbau auf mit Primär- und einer
Sekundärseite, die jeweils durch die beiden Stromkreise 1, 2 gebildet werden. Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Leiterplatte 9, die von einem Kern 4 umschlossen ist, wobei der Kern 4 die Leiterplatte 9 an mehreren Stellen durchstößt. Das
Durchstoßen kann beispielsweise durch Fräsungen in der Leiterplatte 9 bereitgestellt werden. Die Leiterplatte 9 weist mehrere Lagen auf, die sich aus Schichten von
Leiterbahnen 5a bis 5d und Isolationsschichten 6a bis 6c sowie 7a bis 7b zusammensetzt. In diesem speziellen
Lagenaufbau können die Isolationsschichten unterteilt werden in solche (6a bis 6c) , die die einzelnen Stromkreise 1, 2 voneinander trennen und solche (7a bis 7b), die innerhalb der einzelnen Stromkreise für eine Isolierung sorgen. Die Isolationsschichten 7a bis 7b ermöglichen vielfältige Leiterstrukturen, wie beispielsweise
spiralförmige Windungen auf der Lage 5a, die mit einem Rückleiter auf der Lage 5b versehen werden können. Die Lagen innerhalb eines Stromkreises können mit einer
elektrischen Kontaktierung 8 wie beispielsweise einer
Durchlochkontaktierung verbunden werden.
In dem Lagenaufbau des eigensicheren Transformators aus Fig. 1 sind die beiden Stromkreise 1, 2 bzw.
Potentialgruppen 1, 2 über eine erste feste Isolation oder FeststoffIsolation der Dicke Tl (Isolation 1) galvanisch voneinander getrennt. Für einen eigensicheren Übertrager ist hierbei die Isolationsdicke Tl größer oder gleich dem für die Schutzklasse geforderten Schutzniveau, was eine notwendige Bedingung für einen eigensicheren Übertrager ist. Das geforderte Schutzniveau entspricht in diesem Fall somit dem Mindestisolationsabstand TO, auch als geforderte Isolationsdicke oder Mindestisolationsdicke bezeichnet. Da der Kern 4 als leitender Körper betrachtet wird, muss neben der benötigten ersten Isolation zwischen der Primär- und Sekundärseite (Isolation 1) auch eine zweite Isolation zwischen den einzelnen Windungen der Stromkreise und dem Kern 4 sichergestellt werden (Isolation 2) . Die zweite Isolation kann dabei in zwei Anteile T21 und T22 aufgeteilt werden, wobei die Summe aus den Dicken T21 und T22 der zweiten Isolation ebenfalls größer oder gleich der für die Schutzklasse geforderten indestisolationsdicke TO ist. Beispielsweise weisen die beiden Anteile der zweiten
Isolation eine gleiche Dicke auf.
Eine zusätzliche Nebenbedingung für die Auslegung eines Übertrages ist beispielsweise in DIN EN 60079-11 derart gefordert, dass keiner der beiden Anteile T21 und T22 einen Mindestanteil der gesamten zweiten Isolation,
beispielsweise ein Drittel der zweiten Isolation,
unterschreiten darf. In der Regel werden die beiden Anteile T21 und T22 aus Symmetriegründen identisch und gleich der Hälfte der ersten Isolation gewählt. Der klassische Leiterplattenübertrager 10 ist mit einem magnetischen Kern 4 ausgestattet, um eine möglichst
optimale magnetische Leitfähigkeit vereint mit einer maximalen Schirmwirkung zu erzielen. Hierbei umschließt der magnetische Kern 4 die Leiterplatte 9 oder Teile der
Leiterplatte mit oder ohne einen Luftspalt und ist sowohl oberhalb als auch unterhalb der Leiterplatte 9 sowie jeweils seitlich der Leiterplatte 9 angeordnet. Da die herstellungsbedingten Dicken TK1 und TK2 des magnetischen Kerns 4 oberhalb und unterhalb der Leiterplatte 9
typischerweise größer als die geforderte Isolationsdicke TO mit TK1, TK2 > TO sind (wenn TO beispielsweise 1 mm
beträgt) , ergibt sich eine Gesamtdicke des
Leiterplattenübertragers 10 von mindestens viermal der Mindestisolationsdicke TO. Hierbei sind die Schichtdicken der Leiterbahnen (5a bis 5d) sowie die Dicken der
zusätzlichen Isolationsschichten (7a bis 7b) noch nicht einbezogen.
Beträgt die geforderte Dicke der Isolationsschicht TO beispielsweise 1 mm, so ist die Gesamtdicke des klassischen Leiterplattenübertragers 10 größer als 4 mm. In vielen Anwendungen beträgt die Dicke zwischen 6 mm und 12 mm bei einer Gesamtfläche von ca. 6 cm2 bis 8 cm2.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines
herkömmlichen Übertragers 10 mit drei Stromkreisen 1, 2, 3. Fig. 2 verdeutlicht einen Lagenaufbau einer Leiterplatte 9 im Fall von drei sicher galvanisch getrennten Stromkreisen 1, 2, 3 als weitere Ausführungsvariante ausgehend von Fig. 1. Die Windungen des ersten Stromkreises 1 bzw. der ersten Potentialgruppe 1 sind in diesem Beispiel als drei
Leiterbahnebenen 5a bis 5c ausgeführt, während die
Windungen des Stromkreises 2 und des Stromkreises 3 jeweils mit zwei Leiterbahnebenen 5d und 5e bzw. 5f und 5g
ausgeführt sind.
Als Folgerung aus dem vorangegangenen Konzept eines
eigensicheren Betriebes müssen zur sicheren galvanischen Trennung aller drei Stromkreise 1, 2, 3 drei
Isolationsschichten mit einer ersten Isolation (Isolation 1) , einer zweiten Isolation (Isolation 2) und einer dritten Isolation (Isolation 3) verwendet werden, die jeweils größer oder gleich der Mindestisolationsdicke TO gewählt werden müssen, welche dem für die Schutzklasse geforderten Schutzniveau entspricht. Hierdurch vergrößert sich folglich die Gesamtdicke des Übertragers 10. Allgemein gilt, dass die Gesamtisolationsdicke bei N sicher galvanisch
voneinander getrennten Stromkreisen mindestens N x TO beträgt. Die Gesamtdicke des Übertragers 10 berücksichtigt weitere Schichtdicken, wie beispielsweise die
Leiterbahnstärke 5a bis 5g und die weiteren
Isolationsschichten 7a bis 7c.
Wie vorstehend aufgezeigt, ist eine notwendige Bedingung bei eigensicheren Übertragern und also zur eigensicheren galvanische Trennung zweier Stromkreise, dass ein
indestisolationsabstand zwischen den galvanisch zu
trennenden Stromkreisen bereitgestellt werden muss, welcher dem für die entsprechende Schutzklasse geforderten
Schutzniveau entspricht.
Bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann daher zweckmäßig vorgesehen werden, dass ein Mindestisolationsabstand zwischen dem ersten Stromkreis und wenigstens einem zweiten Stromkreis eine solche
eigensichere galvanische Trennung bereitstellt. Im Fall eines eigensicheren Übertragers entspricht also der
Mindestisolationsabstand, auch als geforderte
Isolationsdicke oder Mindestisolationsdicke bezeichnet, dem für die Schutzklasse geforderten Schutzniveau.
Auch für eine Auslegung des Übertragers im nicht- eigensichereren Betrieb, jedoch nach anderen Vorschriften bzw. Normen konzipiert, kann ein Mindestisolationsabstand zwischen den Stromkreisen sinnvoll und vorteilhaft sein.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines
Übertragers 20 gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem ersten Stromkreis 1 und einem zweiten Stromkreis 2, die voneinander galvanisch getrennt sind.
Die Bauhöhe des Übertragers 20 kann erfindungsgemäß
reduziert werden, da auf den ursprünglich geschlossenen oder nahezu geschlossenen magnetischen Kern 4, der in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt ist, verzichtet wird. Vielmehr wird der magnetische Kern 4 aus verschiedenen Anteilen 4a und 4b gebildet, die beispielsweise aus Ferritplatten gebildet werden und im Wesentlichen eine Schirmwirkung des magnetischen Feldes verursachen können.
Durch die Auftrennung des Kerns 4 in zwei Teilkerne 4a, 4b kann auf die zweite Isolation (Isolation 2) der Fig. 1 bzw. auf die dritte Isolation (Isolation 3) der Fig. 2 zwischen den Stromkreisen 1, 2, 3 und dem Kern 4 verzichtet werden. Es ist vorgesehen, wie in Fig. 3 gezeigt, dass keine
Verbindung zwischen den als elektrisch leitfähig
betrachteten Kernanteilen 4a, 4b vorhanden ist. Hierbei können die Kernanteile 4a, 4b den jeweils am nächsten liegenden Potentialgruppen 1, 2 zugeordnet werden.
Die vorliegende Erfindung nutzt somit eine im Folgenden näher beschriebene Vorgehensweise zur Reduzierung der
Gesamtdicke des in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten bekannten Lagenaufbaues . Wie beschrieben beträgt nach bekannter
Dimensionierung gemäß Fig. 1 und Fig. 2 die
Gesamtisolationsdicke mindestens N x TO, wobei N die Anzahl der sicher getrennten Stromkreise 1, 2, 3 bezeichnet und TO die dem Schutzniveau Rechnung getragene
Mindestisolationsdicke in dem isolierenden Medium ist. Durch das beschriebene Auftrennen des Kerns 4 kann auf die Isolationsschichten 6a und 6c aus der Fig. 1 bzw. 6a und 6d aus der Fig. 2 verzichtet werden und die Gesamtdicke des Transformators verringert sich entsprechend um mindestens 1 x TO. Allgemein kann die Gesamtisolationsdicke somit von mindestens N x TO auf (N - 1) x TO reduziert werden.
Erfindungsgemäß wird die Gesamtisolationsdicke auf (N - 1) x TO durch Auftrennen des magnetischen Kerns 4 auf zwei Teile 4a, 4b reduziert. Im Spezialfall von zwei (N = 2) zu isolierenden Stromkreisen 1, 2 wird die minimale
Gesamtisolationsdicke von 2 x TO auf 1 x TO um einem
Reduktionsfaktor von zwei reduziert. Allgemein ist der Reduktionsfaktor entsprechend N / (N - 1) .
Vorteilhafterweise entspricht der minimale Abstand aller Kernanteile 4a, 4b auch mindestens der geforderten
Mindestisolation, um einen eigensicheren Übertrager 20 bereitzustellen. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die benötigte Trennstrecke zwischen den Kernanteilen je nach Isolationsmedium variieren kann.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Übertragers 20. Hierbei weist der
Übertrager 20 einen ersten Stromkreis 1, einen zweiten Stromkreis 2 und einen dritten Stromkreis 3 auf. Die
Überlappungen von den Kernanteilen 4a, 4b zu der
Leiterplatte 9 des Übertragers 20 in Fig. 4 sind
unterschiedlich im Vergleich zu Fig. 3. Ferner ist in
Fig. 4 der zweite Stromkreis 2 nach rechts verschoben, also versetzt zu dem ersten Stromkreis 1. Somit sind bei diesem Ausführungsbeispiel die Stromkreise 1, 2, 3 unterschiedlich ausgerichtet . Fig. 5 und Fig. 6 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen eigensicheren Übertragers 20 in verschiedenen Perspektiven.
In Fig. 5 sind drei verschiedene Ansichten eines
Übertragers 20 dargestellt. In Fig. 5 (a) ist der
vollständige Übertrager 20 zu sehen, in Fig. 5 (b) ist der Übertrager 20 ohne die Kernteile 4a, 4b dargestellt und in Fig. 5 (c) ist zusätzlich die Leiterplatte 9 entfernt.
In Fig. 6 sind alle Schichten des Übertrages 20 aus Fig. 5 in Explosionsansicht dargestellt. Die kreisförmige
Grundform der Spulen aus Fig. 5 und Fig. 6 kann auch derart abgeändert werden, dass sich eine rechteckige Grundform mit spiralförmigen Windungen ergibt. Dementsprechend kann es in diesem Fall sinnvoll sein, auch die Grundform der
Kernateile 4a, 4b rechteckig zu gestalten. In Fig. 5 und 6 sind die beiden Stromkreise der
Potentialgruppen 1 und 2 auf verschiedenen Lagen der
Leiterplatte 9 angeordnet. Isoliert werden beide
Potentialgruppen 1, 2 über die Isolationsschicht 6b mit der Dicke Tl, die größer oder gleich der Mindestisolationsdicke TO der jeweiligen Schutzgruppe ist. Im Fall von
spiralförmigen Spulen kann die innere Windung mit einer Kontaktierung 8 versehen werden und auf einer zusätzlichen Lage 5b, 5c zurückgeführt werden. Zur Erhöhung der elektromagnetischen Kopplung zwischen den beiden Spulen 1, 2 und zur Verminderung oder Minimierung von Streufeldern können oberhalb und unterhalb der
Leiterplatten 9 magnetische Materialien angebracht werden. In den Ausführungsbeispielen der Fig. 5 und Fig. 6 ist dies durch zwei zylinderförmige Ferritplatten 4a und 4b
realisiert. Die Gesamtdicke des so geformten Übertragers 20 beträgt beispielsweise 3,6 mm während die Ausdehnung in x- Richtung und y-Richtung beispielsweise jeweils ca. 20 mm beträgt .
Bei den beschriebenen Transformatoren oder Übertragern 20 der Fig. 3 bis Fig. 6 kann vorgesehen sein, dass die einzelnen Windungen mit den entsprechenden
Sicherheitsabständen versehen übereinander in einem
besonderen Schichtenaufbau aufgebracht sind. Somit gibt es Isolationsschichten (erste Schichten) für die geforderten Trennabstände und weitere wesentlich dünnere
Isolationsschichten (zusätzliche Schichten) , die
beispielsweise der Rückführung einer Leiterbahn innerhalb einer Wicklung dienen. Dies ist unter anderem erforderlich, wenn eine spiralförmige Windung auf einer anderen Lage von innen nach außen geführt werden muss. Der so geformte
Transformator oder Übertrager kann alle der Norm EN 60079- 11 nach geforderten Sicherheitsabstände erfüllen und bietet gleichzeitig die Funktionalität hinsichtlich Energie- und/oder Daten- bzw. Signalübertragung.
Bezugszeichenliste
1 Stromkreis bzw. Potentialgruppe
2 Stromkreis bzw. Potentialgruppe
3 Stromkreis bzw. Potentialgruppe
4 magnetischer Kern, z.B. Ferritkern
4a erster Teil eines magnetischen Kerns
4b zweiter Teil eines magnetischen Kerns
5a bis 5g Leiterbahnschichten
6a bis 6d Isolationsschichten zwischen den Stromkreisen
7a bis 7c Isolationsschichten innerhalb eines Stromkreises
8 elektrische Kontaktierung
9 Leiterplatte
10 herkömmlicher Übertrager bzw. Transformator
20 erfindungsgemäßer Übertrager bzw. Transformator
TO Mindestisolation / Schutzniveau / Isolationsdicke
TK1 erste Dicke eines magnetischen Kerns
TK2 zweite Dicke eines magnetischen Kerns
Tl erste Isolationsdicke
T2 zweite Isolationsdicke
T21 Abstand / Isolationsdicke
T22 Abstand / Isolationsdicke
T31 Abstand / Isolationsdicke
T32 Abstand / Isolationsdicke

Claims

Patentansprüche
1. Planarer Übertrager, insbesondere eigensicherer
Übertrager (20) aufweisend
einen Schichtaufbau mit einer Mehrzahl von
Stromkreisen (1, 2, 3), wobei ein erster Stromkreis (1) und mindestens ein zweiter Stromkreis (2) galvanisch
voneinander durch mindestens eine Isolationsschicht (6b, 6c) getrennt sind,
eine erste magnetische Schicht (4a) und eine zweite magnetische Schicht (4b) ,
wobei die erste magnetische Schicht (4a) eine erste Seite des Schichtaufbaus begrenzt und die zweite
magnetische Schicht (4b) eine zweite Seite des
Schichtaufbaus begrenzt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste magnetische Schicht (4a) und die zweite magnetische Schicht (4b) voneinander getrennt sind und unterschiedlichen Potentialgruppen zugewiesen werden können.
2. Übertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stromkreis (1) auf einer ersten Schicht
angeordnet ist und der mindestens zweite Stromkreis (2) auf einer zweiten Schicht angeordnet ist, wobei zwischen der ersten Schicht und der mindestens zweiten Schicht jeweils die Isolationsschicht (6b, 6c) angeordnet ist.
3. Übertrager nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Stromkreis (1) an die erste magnetische Schicht (4a) angrenzt und der zweite Stromkreis (2) an die zweite magnetische Schicht (4b) angrenzt.
4. Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Stromkreis (1) und der zweite Stromkreis (2) einen Mindestisolationsabstand TO zueinander aufweisen, insbesondere einen Mindestisolationsabstand, der zwischen dem ersten Stromkreis (1) und dem zweiten Stromkreis (2) eine galvanische Trennung, insbesondere eine eigensichere galvanische Trennung, bereitstellt, und,
dass an keinem geometrischen Ort zwischen dem ersten
Stromkreis und dem zweiten Stromkreis der
Mindestisolationsabstand TO unterschritten wird.
5. Übertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamtisolationsdicke zwischen der ersten magnetischen
Schicht (4a) und der zweiten magnetischen Schicht (4b) (N - 1) x TO beträgt, wobei TO der Mindestisolationsabstand ist und N die Anzahl der sicher galvanisch voneinander
getrennten Stromkreise (1, 2, 3) ist.
6. Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens ein Stromkreis (1, 2, 3) aus zwei leitenden Schichten (5a, 5b) gebildet ist und zwischen den leitenden Schichten (5a, 5b) mindestens eine isolierende Schicht (7a) angeordnet ist .
7. Übertrager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die leitenden Schichten (5a, 5b) ein oder mehrere Windungen einer Spule bilden, indem die leitenden Schichten (5a, 5b) mit einer elektrischen Verbindung (8) verbunden sind.
8. Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Gesamthöhe des Übertragers (20) das Vierfache eines gesamten Isolationsabstands der Isolation (6b) zwischen einer Primärseite ausgebildet als erster Stromkreis (1) und einer Sekundärseite ausgebildet als zweiter Stromkreis (2) nicht überschrei et.
9. Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
bei einer geforderter Mindestisolationsdicke TO der
Isolationsschicht (6) von etwa 1 mm die Gesamtdicke des Übertragers (20) nicht mehr als etwa 4 mm beträgt.
10. Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
die Mindestisolationsdicke TO mindestens etwa 0,25 mm, vorzugsweise etwa 1 mm beträgt.
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