WO2015086584A1 - Galvanische trennvorrichtung für prozessmessgeräte - Google Patents

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WO2015086584A1
WO2015086584A1 PCT/EP2014/077025 EP2014077025W WO2015086584A1 WO 2015086584 A1 WO2015086584 A1 WO 2015086584A1 EP 2014077025 W EP2014077025 W EP 2014077025W WO 2015086584 A1 WO2015086584 A1 WO 2015086584A1
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Harald Müller
Robert Lalla
Reiner Pfleger
Philippe Clade
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Endress+Hauser Flowtec Ag
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Definitions

  • the invention relates to a galvanic separation device for measuring devices of process measurement technology and process automation.
  • a measuring device usually comprises a sensor and electronics for detecting at least one process parameter and is supplied with electrical energy. This is done either via a separate cable pair (4-wire version) or via a pair of wires shared with a signal output (2-wire version).
  • a supply circuit should be galvanically isolated from the sensor circuit. Such galvanic isolation of the supply circuit is usually carried out in a DC / DC converter circuit. Minimum requirements exist with regard to the thickness of a solid insulation (for example: 1 mm) and with respect to a creepage distance (for example: 2 mm) between supply and sensor circuit.
  • a DC / DC converter circuit of measuring devices includes a conventional transformer, consisting of a soft magnetic ferrite or iron core, a bobbin made of plastic, and at least one primary and a secondary winding of enameled copper wire.
  • Winding body ensures that between the primary and secondary winding and the magnetic core, the required minimum distances are maintained, for example by a two-chamber design.
  • the transformer In order to mount such a transformer on a printed circuit board in the SMD-equipped printed circuit board, the transformer typically has on its underside angled connection wires which can be soldered in an automated soldering process, for example in reflow soldering, blunt on solder pads of the printed circuit board.
  • PCB is soldered.
  • Automatic soldering for example in the reflow soldering oven, is problematic because of the largely concealed soldering or connecting pads.
  • the invention is therefore the object of a galvanic
  • the galvanic separation device according to the invention is characterized by simple construction and associated ease of manufacture and by their particular suitability for automatic assembly and soldering processes.
  • the invention will be described and explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Showing:
  • Fig. 1 is a side view of an embodiment of a
  • Fig. 2 is a view of another side galvanic separation device of Fig. 1;
  • Fig. 3 is a side view of the galvanic separation device of FIG. 1 after soldering the separator on a circuit board.
  • a preferred embodiment of a galvanic separation device 10 which is designed as a printed circuit board transformer or planar transformer, is shown.
  • the separator 10 comprises a primary winding layer 12, a secondary winding layer 14, a middle insulating layer 16 between the primary winding layer 12 and the secondary winding layer 14, and two outer insulating layers 18 and 20 on the primary winding layer 12 and the secondary winding layer 14.
  • a ferrite core 22 consisting of two parts 22a and 22b encloses the outer insulation layers 18 and 20.
  • the primary winding layer 12 as well as the secondary winding layer 14 each consist of several layers of known spiral
  • the middle insulating layer 16 between the primary winding layer 12 and the secondary winding layer 14 is longer down (or higher in the selected figure) than the latter, these primary and secondary winding layers 12 and 14 in turn are longer than the two outer insulating layers 18 and 20, which are the primary and secondary winding layers 12 and 14 opposite to the
  • Insulate ferrite core 22. 2 the two outer insulating layers 18 and 20 leave the solder pads 24 and 26 of the primary and secondary winding layers 12 and 14 exposed and accessible and do not cover them, so that the solder pads 24 and 26, as shown in FIG. 3, with corresponding solder pads 32 of the circuit board 30 can be soldered.
  • Fig. 3 shows this state, wherein the solder is designated by "34".
  • Fig. 2 also shows that in the preferred embodiment shown here
  • the layers 12, 14, 16, 18 and 20 need not be strictly rectangular, but, as shown here, narrow downwards. It can thus be achieved that the ferrite core 22 consisting of two halves 22a, 22b does not protrude beyond the lower regions of the layers 12, 14, 16, 18 and 20.
  • the space requirement of the separator 10 on the circuit board 30 is extremely low compared to conventional transformers and requires little more space than the recess 36 in the circuit board 30, in the middle
  • Insulation layer 16 and thus the separator 10 is inserted. This helps to miniaturize the electronics of the meter.
  • FIG. 2 also shows a cut-out 28 passing through layers 12, 14, 16, 18 and 20 for receiving the two sides from the outside
  • Insulation layers 18, 20 mounted ferrite core halves 22a and 22b, the For example, each formed as an E-core or a corresponding subspecies, so that they form a closed magnetic circuit.
  • Secondary winding layer 14 designed and arranged so that they meet the required in the regulations minimum distances to all edges of the
  • Primary winding layer 12 and the secondary winding layer 14 and the milled 28 comply. It is also important in this case to dimension a width of the spiral-shaped conductor tracks in such a way that the respective acceptable winding impedance is not exceeded.
  • the processing of the separator 10 of the invention is very simple. After solder paste (34) on the solder pads 32 of the circuit board 30 together with the solder paste for others, not here
  • ferrite core 22 is inserted vertically with its central insulation layer 16 in the slot or the recess 36 of the circuit board 30.
  • the entire printed circuit board 30 is then soldered together, for example, with other components mounted on the printed circuit board 30 in a conventional SMD reflow soldering process.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine galvanische Trennvorrichtung (10), die als Planar-Transformator einfach zu fertigen, einfach zu bestücken und auf einer Leiterplatte (30) zusammen mit anderen Bauteilen auf der Leiterplatte (30) gelötet werden kann. Die erfindungsgemäße Trennvorrichtung (10) umfaßt dazu eine Primärwicklungsschicht (12) mit spiralförmigen Leiterbahnen und Lötpads (24), eine Sekundärwicklungsschicht (14) mit spiralförmigen Leiterbahnen sowie Lötpads (26), eine mittlere Isolationsschicht (16), zwei äußeren Isolationsschichten (18, 20) und einen, die äußeren Isolationsschichten umschließenden, mehrteiligen Ferritkern (22), wobei die mittlere Isolationsschicht (16) eine andere Länge aufweist als die Primär- und die Sekundärwicklungsschicht (12 und 14) und als die zwei äußeren Isolationsschichten (18, 20), so dass bei bündiger Montage aller Schichten (12, 14, 16, 18 und 20) an einer Stirnseite der Trennvorrichtung (10) die mittlere Isolationsschicht (16) am längsten ist und der gegenüber der Primär- und die Sekundärwicklungsschicht (12 und 14) überstehende Teil der mittleren Isolationsschicht (16) zur Aufnahme in einer entsprechenden Ausnehmung (36) einer Leiterplatte (30) dient und die galvanische Trennvorrichtung (10) damit senkrecht zur Leiterplatte (30) angeordnet wird.

Description

Galvanische Trennvorrichtung für Prozessmessgeräte
Die Erfindung betrifft eine galvanische Trennvorrichtung für Messgeräte der Prozessmesstechnik und Prozessautomation. Ein solches Messgerät umfasst üblicherweise einen Sensor und eine Elektronik zur Erfassung mindestens eines Prozessparameters und wird mit elektrischer Energie versorgt. Dies erfolgt entweder über ein separates Leitungspaar (4-Leiter-Version) oder über ein mit einem Signalausgang gemeinsam genutztes Leitungspaar (2-Leiter- Version). Aus funktionalen Gründen wie auch aus Gründen des Explosions- Schutzes soll ein Versorgungsstromkreis vom Sensorstromkreis galvanisch isoliert sein. Eine solche galvanische Isolation des Versorgungsstromkreises erfolgt üblicherweise in einer DC/DC-Wandler-Schaltung. Mindest- Anforderungen bestehen dabei bezüglich der Dicke einer festen Isolation (z.B.: 1 mm) sowie bezüglich einer Kriechstrecke (z.B.: 2mm) zwischen Versorgungs- und Sensorstromkreis.
Üblicherweise enthält eine DC/DC-Wandlerschaltung von Messgeräten einen herkömmlichen Transformator, bestehend aus einem weichmagnetischen Ferrit- oder Eisenkern, einem Wickelkörper aus Kunststoff , sowie mindestens einer Primär- und einer Sekundär-Wicklung aus Kupferlackdraht. Der
Wickelkörper stellt sicher, dass zwischen Primär- und Sekundär-Wicklung sowie zum magnetischen Kern hin die geforderten Mindest-Abstände eingehalten werden, beispielsweise durch eine Zweikammer-Bauform. Um solch einen Transformator auf einer Leiterplatte im SMD-bestückten Leiterplatte zu montieren weist der Transformator typischerweise auf seiner Unterseite abgewinkelte Anschlussdrähte auf, die in einem automatisierten Lötprozess, beispielsweise bei Reflow-Löten, stumpf auf Lötpads der Leiterplatte gelötet werden können. Die erwähnten, herkömmlichen Transformatoren als galvanische
Trennvorrichtung sind jedoch im Verhältnis zu den anderen Bauteilen auf der Leiterplatte sehr groß und erfordern bei Layout der Leiterplatte eine Menge Platz. Besonders bei Transformatoren, die als galvanische Trennvorrichtung von Messgeräten verwendet werden, die in Explosions-gefährdeten Bereichen eingesetzt werden sollen, ist die Fertigung dieser Transformatoren sehr aufwendig, um die von Explosions-Schutz-Vorschriften geforderten Abstände zwischen Primär- und Sekundär-Seite sicherzustellen. In der Patentschrift US 7,663,460 B2 ist ein sehr komplex aufgebauter Planar- Transformator zur senkrechten Montage auf einer Leiterplatte beschrieben, der im Wesentlichen rechteckig geformt ist und an seiner Schmalseite (unten) Kontaktpads aufweist, mit denen er stumpf auf Kontaktpads auf einer
Leiterplatte aufgelötet wird. Automatisches Löten, beispielsweise im Reflow- Lötofen ist wegen der größtenteils verdeckten Löt- bzw. Anschlusspads problematisch.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine galvanische
Trennvorrichtung für Messgeräte der Prozessmesstechnik und
Prozessautomation, die in ihrer Ausführung als Leiterplatten- bzw. Planar- Transformator einfach zu fertigen, einfach zu bestücken und einfach auf einer Leiterplatte zusammen mit anderen Bauteilen auf der Leiterplatte gelötet werden kann. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine galvanische Trennvorrichtung für
Prozessmessgeräte mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen galvanische Trennvorrichtung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 7 hervor.
Die galvanische Trennvorrichtung nach der Erfindung zeichnet sich durch einfachen Aufbau und damit verbundene einfache Fertigung und durch ihre besondere Eignung für automatische Bestückungs- und Lötprozesse aus. Die Erfindung wird nachfolgend unter Verweis auf die beigefügte Zeichnung genauer beschrieben und erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen galvanische Trennvorrichtung; Fig. 2 eine Ansicht einer anderen Seite galvanische Trennvorrichtung nach Fig. 1 ; und
Fig. 3 eine Seitenansicht der galvanischen Trennvorrichtung nach den Fig. 1 nach Lötung der Trennvorrichtung auf eine Leiterplatte.
In Fig. 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen galvanische Trennvorrichtung 10, die als Leiterplatten-Transformator oder Planar-Transformator ausgeführt ist, dargestellt. Die Trennvorrichtung 10 umfasst eine Primärwicklungsschicht 12, eine Sekundärwicklungsschicht 14, eine mittlere Isolationsschicht 16 zwischen der Primärwicklungsschicht 12 und der Sekundärwicklungsschicht 14 und zwei äußere Isolationsschichten 18 und 20 auf der Primärwicklungsschicht 12 und der Sekundärwicklungsschicht 14. Ein aus zwei Teilen 22a und 22b bestehender Ferritkern 22 umschließt die äußeren Isolationsschichten 18 und 20.
Die Primärwicklungsschicht 12 wie auch die Sekundärwicklungsschicht 14 bestehen jeweils aus mehreren Lagen an sich bekannter spiralförmiger
Leiterbahnen, die durch interne Isolierlagen voneinander isoliert sind. Mittels an sich bekannter Durchkontaktierungen von Lage zu Lage sind die genannten spiralförmigen Leiterbahnen miteinander verschaltet. Mit den Leiterbahnen verbundene Kontaktpads 24 und 26 (siehe dazu auch Fig. 2 und 3) dienen zum Löten und zum Verbinden mit der Schaltung einer Leiterplatte 30 (siehe dazu Fig. 3), die die galvanische Trennvorrichtung 10 letztlich trägt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit und Vereinfachung sind die spiralförmigen Leiterbahnen, die internen Isolierlagen und die Durchkontaktierungen hier nicht in der Zeichnung dargestellt. Der Fachmann weiß, wie eine solche Primärwicklungsschicht 12 bzw. Sekundärwicklungsschicht 14 zu berechnen und konstruktiv aufzubauen ist. Die Fig. 1 bis 3 zeigen die galvanische Trennvorrichtung 10 in fertigem Zustand und in einer Position, in der sie auf einer Leiterplatte 30 (siehe dazu Fig. 3) verlötet wird. Das bedeutet, dass sinnvollerweise die Primär- und die
Sekundärwicklungsschicht 12 und 14, die mittlere Isolationsschicht 16 und die zwei äußeren Isolationsschichten 18 und 20 auf der von der Leiterplatte 30 (siehe dazu Fig. 3) abgewandten Stirnseite der Trennvorrichtung bündig abschließen. Dies ist für die Erfindung nicht unbedingt zwingend, vereinfacht jedoch die Herstellung.
In den Fig. 1 bis 3 ist deutlich erkennbar, dass die mittlere Isolationsschicht 16 zwischen der Primärwicklungsschicht 12 und der Sekundärwicklungsschicht 14 nach unten hin länger (oder höher in der gewählten Abbildung) ist als die letzteren, wobei diese Primär- und Sekundärwicklungsschichten 12 und 14 wiederum länger sind als die zwei äußeren Isolationsschichten 18 und 20, die die Primär- und Sekundärwicklungsschichten 12 und 14 gegenüber dem
Ferritkern 22 isolieren. Wie auch Fig. 2 zu entnehmen ist, lassen die zwei äußeren Isolationsschichten 18 und 20 die Lötpads 24 und 26 der Primär- und Sekundärwicklungsschichten 12 und 14 frei und zugänglich und überdecken sie nicht, so dass die Lötpads 24 und 26, wie in Fig. 3 veranschaulicht, mit entsprechenden Lötpads 32 der Leiterplatte 30 verlötet werden können. Fig. 3 zeigt diesen Zustand, wobei das Lot durch"34" bezeichnet wird.
Fig. 2 zeigt auch, dass bei dem hier dargestellten bevorzugten
Ausführungsbeispiels der erfindungsgmäßen Trennvorrichtung 10 die Schichten 12, 14, 16, 18 und 20 nicht streng rechteckig sein müssen, sondern sich, wie hier gezeigt, nach oben hin verschmälern. Damit kann erreicht werden, dass der aus zwei Hälften 22a, 22b bestehende Ferritkern 22 nicht über die unteren Bereiche der Schichten 12, 14, 16, 18 und 20 hinausragt. Der Platzbedarf der Trennvorrichtung 10 auf der Leiterplatte 30 (siehe Fig. 3) ist äußerst gering im vergleich zu herkömmlichen Transformatoren und benötigt nur wenig mehr Platz als die Ausnehmung 36 in der Leiterplatte 30, in die mittlere
Isolationsschicht 16 und damit die Trennvorrichtung 10 gesteckt wird. Dies hilft bei der Miniaturisierung der Elektronik des Messgerätes.
Fig. 2 zeigt auch eine durch Schichten 12, 14, 16, 18 und 20 hindurchgreifende Ausfräsung 28 zur Aufnahme der beidseitig von den äußeren
Isolationsschichten 18, 20 montierter Ferritkern-Hälften 22a und 22b, die beispielsweise jeweils als E-Kern oder einer entsprechenden Unterart geformt sind, so dass sie einen geschlossenen Magnetkreis bilden.
Um den Vorschriften und Erfordernissen für Explosionsschutz zu genügen, sind die spiralförmigen Leiterbahnen der Primärwicklungsschicht 12 und der
Sekundärwicklungsschicht 14 derart gestaltet und angeordnet, dass sie die in den Vorschriften geforderten Mindestabstände zu allen Rändern der
Primärwicklungsschicht 12 und der Sekundärwicklungsschicht 14 und zur Ausfräsungen 28 einhalten. Wichtig in diesem falle ist auch, eine Breite der spiralförmigen Leiterbahnen so zu dimensionieren, dass die jeweils akzeptable Wicklungs-Impedanz nicht überschritten wird.
Wie durch Fig. 3 veranschaulicht, ist die Verarbeitung der erfindungsgemäßen Trennvorrichtung 10 sehr einfach. Nachdem Lotpaste (34) auf die Lötpads 32 der Leiterplatte 30 zusammen mit der Lotpaste für andere, hier nicht
dargestellte Bauteile, beispielsweise SMD, auf der Leiterplatte 30 aufgetragen wurde, wird die fertig aufgebaute galvanische Trennvorrichtung 10
einschließlich Ferritkern 22 senkrecht mit ihrer mittleren Isolierungsschicht 16 in den Schlitz bzw. die Ausnehmung 36 der Leiterplatte 30 eingesteckt. Die gesamte Leiterplatte 30 wird dann beispielsweise zuammen mit anderen auf der Leiterplatte 30 bestückter Bauteile in einem üblichen SMD-Reflow-Lötprozess verlötet.
Durch Batch-Fertigung kann die erfindungsgemäße galvanische
Trennvorrichtung in großen Stückzahlen und damit kostengünstig hergestellt werden und kann, wie oben erwähnt, wie ein normales SMD-Bauteil verarbeitet werden, ohne dass eine Selektiv-Lötung erforderlich ist. Bezugszeichenliste:
10 galvanische Trennvorrichtung
12 Primärwicklungsschicht
14 Sekundärwicklungsschicht
16 mittlere Isolationsschicht
18 erste äußere Isolationsschicht
20 zweite äußere Isolationsschicht
22 Ferritkern
22a erster Ferritkern-Teil
22b zweiter Ferritkern-Teil
24 Lötpads von 12
26 Lötpads von 14
28 Ausfräsung
30 Leiterplatte
32 Lötpad von 30
34 Lot
36 Ausnehmung (Schlitz) in 30 zur Aufnahme von 16

Claims

Patentansprüche
1 . Galvanische Trennvor chtung (10) für Prozessmessgeräte, der als
Leiterplatten-Transformator oder Planar-Transformator ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens
- eine Primärwicklungsschicht (12) aus mehreren Lagen spiralförmiger
Leiterbahnen, die durch interne Isolierlagen voneinander isoliert und mit Durchkontaktierungen von Lage zu Lage miteinander verschaltet sowie mit Lötpads (24) zum Löten der Trennvorrichtung (10) versehen sind;
- eine Sekundärwicklungsschicht (14) aus mehreren Lagen spiralförmiger Leiterbahnen, die durch interne Isolierlagen voneinander isoliert und mit Durchkontaktierungen von Lage zu Lage verschaltet sowie mit Lötpads (26) zum Löten der Trennvorrichtung (10) versehen sind;
- eine mittlere Isolationsschicht (16) zwischen der Primärwicklungsschicht (12) und der Sekundärwicklungsschicht (14);
- zwei äußeren Isolationsschichten (18, 20) auf der Primärwicklungsschicht (12) und der Sekundärwicklungsschicht (14) und
- einen, die äußeren Isolationsschichten umschließenden, mehrteiligen
Ferritkern (22)
umfasst, wobei die mittlere Isolationsschicht (16) eine andere Länge aufweist als die Primär- und die Sekundärwicklungsschicht (12 und 14) und als die zwei äußeren Isolationsschichten (18, 20),
so dass bei bündiger Montage aller Schichten (12, 14, 16, 18 und 20) an einer Stirnseite der Trennvorrichtung (10) die mittlere Isolationsschicht (16) am längsten ist und der gegenüber der Primär- und die Sekundärwicklungsschicht (12 und 14) überstehende Teil der mittleren Isolationsschicht (16) zur Aufnahme in einer entsprechenden Ausnehmung (36) einer Leiterplatte (30) dient und die galvanische Trennvorrichtung (10) damit senkrecht zur Leiterplatte (30) angeordnet wird.
2. Galvanische Trennvorrichtung (10) nach Anspruch 1 , dadurch
gekennzeichnet, dass die äußeren Isolationsschichten (18 und 20) am kürzesten sind und sie bei bündiger Montage aller Schichten (12, 14, 16, 18 und 20) an einer Stirnseite der Trennvorrichtung (10) die mit den spiralförmigen Leiterbahnen der Primär- und der Sekundärwicklungsschicht (12 und 14) verbundenen Lötpads (24 und 26) nicht bedecken und freilassen, so dass diese mit entsprechenden Lötpads (32) auf der Leiterplatte (30) verlötet werden können.
3. Galvanische Trennvorrichtung (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit durchgängigen, alle Schichten (12, 14, 16, 18 und 20) durchgreifenden Bohrungen oder Ausfräsungen (28) zur Aufnahme beidseitig montierter Ferritkern-Hälften (22a und 22b) versehen ist.
4. Galvanische Trennvorrichtung (10) nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die spiralförmigen Leiterbahnen der Primär- und der Sekundärwicklungsschicht (12 und 14) derart angeordnet sind, dass sie die von Vorschriften des Explosions-Schutzes geforderten Mindestabstände zu allen Rändern und Ausfräsungen (28) der Leiterplatte (30) einhalten.
5. Galvanische Trennvorrichtung (10) nach Anspruch 3 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der spiralförmigen Leiterbahnen der Primär- und der Sekundärwicklungsschicht (12 und 14) derart dimensioniert ist, dass sie die von Vorschriften des Explosions-Schutzes geforderten Wicklungsimpedanz für die Primär- und der Sekundärwicklungsschicht (12 und 14) nicht
überschritten wird.
6. Galvanische Trennvorrichtung (10) nach einem der vorgehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Isolationsschicht (16) und die zwei äußeren Isolationsschichten (18 und 20) dicker sind als die internen Isolierlagen der Primär- und der Sekundärwicklungsschicht (12 und 14).
PCT/EP2014/077025 2013-12-11 2014-12-09 Galvanische trennvorrichtung für prozessmessgeräte WO2015086584A1 (de)

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