WO2016193017A1 - Planar-transformator zur energieübertragung - Google Patents

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WO2016193017A1
WO2016193017A1 PCT/EP2016/061329 EP2016061329W WO2016193017A1 WO 2016193017 A1 WO2016193017 A1 WO 2016193017A1 EP 2016061329 W EP2016061329 W EP 2016061329W WO 2016193017 A1 WO2016193017 A1 WO 2016193017A1
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circuits
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planar transformer
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Peter Scholz
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Phoenix Contact Gmbh & Co.Kg
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Definitions

  • the present invention relates to a planar transformer for power transmission.
  • Transformers are often used for electrical isolation of circuits according to various standards, and depending on the design of the transformers on this energy, signals and / or data can be transmitted.
  • Planar transformers i. Transformers, which are characterized by a special design due to a flat design, are used for energy transmission, in particular in the context of isolation amplifiers, which in this case provide a galvanic isolation of multiple circuits and / or different AC voltage levels
  • Isolation amplifier for galvanic isolation between a primary circuit and at least one secondary circuit in the signal processing of analog signals is shown in the attached Fig. 15. Accordingly, located at the marked 1
  • Input signal in particular an analogue
  • the analog input signal is usually supplied to an input signal processing circuit, and the signal processed thereby
  • the connection marked 6 is again connected to ground (GND2).
  • the circuits of the input signal processing and the circuits of the output signal processing can be galvanically separated from each other.
  • Power supply circuit connected, for example, provides an input voltage of 20 to 30 V, wherein the terminal connection marked 8 is again connected to ground (GND3). About two equals, from each other and from
  • Transformer is then passed through one of the secondary circuits e.g. the input signal processing circuit power to
  • Secondary circuit e.g. the amplifier circuit power to power supply.
  • the currents applied here in the primary and secondary circuits are consequently substantially larger than the currents which are present in the circuits of a transformer adapted for signal transmission, which thus generally also leads to a significantly increased generation of heat.
  • the heat development is also generally greater, the smaller the dimensioning of the transformer is designed. This, however, is contrary to the general endeavor of a steady miniaturization of electrical and electronic components.
  • the heat generated in electronic components often also be discharged by convection to the environment, which in terms of by the
  • transformers for power transmission are common in devices along with others
  • Isolation amplifier can be necessary for the energy transfer and an intrinsically safe electrical isolation of individual or all circles, as in particular in Ex ⁇ areas, ie in hazardous areas, used circuits that need to be supplied with energy.
  • Intrinsically safe means that the transformer is designed and optimized in terms of geometry such that the transformer for a certain level of protection is susceptible to interference and ensures prescribed separation distances. This can basically be done by both
  • High-frequency power transformer known in multilayer technology, which forms based on an EE core primary and secondary windings on different multilayer plates, each having a core hole for receiving the at least the middle leg of the core.
  • the circuit guide is thus limited by the two outer legs in a horizontal extension and any separate circuits must necessarily be formed in different layers, which leads to a large
  • planar transformers or planar transformer are known in which individual turns or (part) windings or even entire circles of the
  • Transformers are arranged substantially in a plane next to each other. This allows a flat design, so that the transformer can be integrated, for example, in devices with low height.
  • the pre-registrations DE 10 2012 016 569 AI and DE 10 2012 003 364 AI of the present applicant planar transducers which have a layer structure with a plurality of
  • a first circuit may be a primary winding and is electrically isolated from a second circuit, which may be a secondary winding can, and with at least one magnetic core.
  • the first circuit and the second circuit thereafter lie substantially in a horizontal plane and form a layer within the layer structure.
  • Subdivided circuits wherein the galvanically separated circuits of the first circuit and the second circuit are arranged in the vertical direction one above the other.
  • the circuits each extend in the vertical direction into a plurality of subcircuits, the connecting elements are electrically connected to each other.
  • Layer structure formed and passed through vias for electrical contacting to the outside. Is e.g. as a separation distance in solid insulation medium between two galvanically isolated circuits one
  • Magnetic core of two parts which are either glued or stapled.
  • the cores thus used are e.g. E cores or ER or EQ cores.
  • planar transformer is thinner and fewer layers can be used, which is advantageous for cost reasons.
  • 61010-1 regulates that for voltage classes up to 300 V two conductors that are connected to different circuits or
  • Windings belong and are arranged side by side on the same inner layer, min. 0.4 mm distance to each other.
  • dielectric strength of the individual insulation layers of the layer structure of the printed circuit board This concerns e.g. two tracks of different circuits or windings that intersect at different locations.
  • Insulation requirements can be adhered to here required insulation give a certain minimum thickness of the individual insulation layers.
  • planar transformers are to be dimensioned for the explosive area, the requirements are often even greater, for example, according to DIN EN 60079-11, conductor tracks in solid insulation may be used in the 375 V class
  • Voltage class and protection level ia, ib should not fall below a minimum value of 1 mm. This applies to printed conductors on inner layers of a printed circuit board both in the horizontal direction (side by side on the same layer) and in the vertical direction (one above the other on different layers with insulating layer in between).
  • Printed circuit boards are referred to as LS in the following description, solid insulation in the horizontal direction with "x” and in the vertical direction with "y”. If there are several circuits with different insulation requirements, for better clarity with LSij on the
  • circuit i including its windings or winding
  • circuit j including its windings or winding are accessed.
  • LS23 would characterize the creepage distance between circuit 2 and circuit 3.
  • clearances and creepage distances can be partially avoided or reduced.
  • Certain standards stipulate that clearances and creepage distances can also be divided, for example, a required clearance of 5 mm can be subdivided into twice 2.5 mm. This may be necessary, for example, because the magnetic core in principle as electrical is assumed conductive. For example, the
  • Primary circuit to the magnetic core have an air and creepage distance of 2.5 mm and the magnetic core to the secondary circuit also an air and creepage distance of 2.5 mm.
  • the core then lies on a virtual "intermediate potential".
  • Circuits should provide to improve the heat dissipation again, especially with improved utilization of the enclosed by the vertical and horizontal extent of a planar transfomor volume, thereby expediently simultaneously further miniaturization of electrical and / or electronic components
  • planar transformer can be used in particular within separation amplifiers, preferably also in adjacent arrangement of a plurality of devices with such separation amplifiers, e.g. along a mounting rail, can be dispensed with additional heat sink.
  • the aim of the invention is therefore in particular also, with a cost-effective printed circuit board technology as possible a planar transformer with as many galvanically "good” (read: high
  • Insulation classes of separate circuits including their windings or windings
  • the invention solves the problem in a surprising manner by an article having the feature of claim 1, wherein preferred embodiments of the subject
  • a sandwiched printed circuit board having at least three layers for forming electrical conductor tracks, wherein a first and a second of these layers form outer layers of the circuit board and each further of these layers forms an inner layer of the circuit board, and wherein between each of these layers in each case an insulating material with a
  • a number of at least three electrically isolated from each other circuits comprises, wherein a first circuit forms a primary circuit, a second circuit forms a first secondary circuit and each further circuit forms another equal secondary circuit of the planar transformer, and wherein for energy transmission via the
  • a magnetic core at least partially encloses the sandwich structure and acts at least on the first, second and third circuits.
  • the magnetic core is made of two interconnected magnetic core parts
  • Central part and two outer legs forms a U-shape
  • the circuit board has two recesses and the two outer limbs of the first core part inserted into these recesses and connected at their, remote from the central part ends with the second core part.
  • a conductor is formed on at least one of the outer layers and for all other of the at least three circuits traces are formed on an inner layer or a plurality of inner layers, wherein a conductor of at least one circuit of the at least three circuits around a first Outside leg is twisted around and Conductor tracks of at least two further circuits of the at least three circuits are wound around the second outer leg.
  • At least two further circuits of the at least three circuits strip conductors are formed on one and the same inner layer.
  • An expedient embodiment provides, for each, on a layer for forming electrical conductor tracks
  • Traced conductor is electrically connected at least one end to a via, which is electrically connected to a, arranged on a different layer connection for electrically contacting the conductor
  • a supplementary or alternative development provides that a predetermined minimum distance of an air gap and creepage distance between two circuits determines the minimum distance between the through-connection of a circuit and the edges of the two recesses.
  • a further additional or alternative development provides that a through-connection which is connected to a conductor track wound around an outer leg is always arranged in the interior of the conductor track wound around the outer leg.
  • planar transformer is integrated according to the invention in the housing of an isolation amplifier.
  • Conductor coated a protective coating and / or the core is related to the potential of the, formed on an outer layer trace with respect to the electrical isolation of the circuits.
  • Insulation layers are selected according to insulation requirements. Thus, it can also happen that an insulation layer is composed of several partial layers.
  • insulating layers may be e.g. Cores or so-called "prepregs" (pre-impregnated fibers)
  • prepregs pre-impregnated fibers
  • interconnects of a common circuit between different layers are interconnected by vias through all layers.
  • Vias are therefore also expedient consistently lined with electrically conductive material, the invention takes into account here in appropriate
  • Inner layer 2 is arranged, in practical implementation of the invention, a minimum distance to the via. Thus, for example, a certain area on the circuit board can not be used.
  • the first winding must also comply with safety distances (creepage and clearance) for each through-connection of the second winding, since each plated-through hole for the second winding is expediently also present on the outer layers. Consequently, the invention allows as few as possible
  • Layers to get along the layer structure also on a 4-, 5, -, 6, 7, 8 or more layers layer structure
  • a protective varnish in particular one Soldering stopper. Be formed on outer layers traces to form turns of a circuit of the planar transflector, it may happen that the magnetic core is in the immediate vicinity of these tracks. Advantageous embodiments of the invention even provide that the magnetic core lies directly above these printed conductors or even is glued there. Since the magnetic core may have some electrical conductivity (although typically poor), and this conductivity is again poorly functional due to resulting eddy currents and losses, this magnetic core is not considered an isolator in the invention.
  • protective lacquer in particular a solder-stop lacquer. This ensures a corresponding isolation of the arranged on an outer layer (partial) winding relative to the magnetic core located directly above.
  • protective lacquer often has only low insulation properties, it is not included in the calculation of the
  • Fig. 1 is an equivalent circuit diagram of a four circuits
  • FIG. 2 shows a schematic view of a planar transformer according to the invention for implementing the equivalent circuit diagram according to FIG. 1 and with a printed circuit board kept transparent for reasons of illustration;
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view through the planar transformer according to FIG. 2;
  • Fig. 4 is a schematic detail of the
  • FIG. 5 is a schematic plan view against the y-direction of FIG. 2 on a, a first outer layer of Printed circuit board forming PCB layer of
  • Fig. 6 is a schematic plan view against the y-direction of FIG. 2 on a, a first inner layer of the circuit board forming circuit board position of
  • FIG. 7 is a schematic plan view against the y-direction of FIG. 2 on a, a second inner layer of the circuit board forming circuit board position of
  • FIG. 8 is a schematic plan view against the y-direction of FIG. 2 on a, a second outer layer of the circuit board forming circuit board position of
  • Fig. 9 is a schematic plan view of one of the
  • FIGS. 5 and 8 modified training of on the outer layers of a
  • Fig. 10 is an equivalent circuit diagram of three circuits
  • Fig. 11 is an equivalent circuit diagram of four circuits
  • FIG. 12 shows a first schematic view of a planar transformer according to the invention for realizing the equivalent circuit diagram according to FIG. 11 and with a printed circuit board kept transparent for reasons of illustration
  • FIG. 13 shows a further schematic view of the planar transformer according to FIG. 12 with the printed circuit board held transparent
  • Fig. 14 is a schematic Thomasaufsicht through the
  • Fig. 15 is a greatly simplified diagram concerning the
  • Isolation amplifier for galvanic isolation of analog signals.
  • FIGS. 1 to 8 preferred embodiments according to the invention
  • a preferred embodiment of a planar transformer for energy transmission according to the invention is intended e.g. realize the equivalent circuit diagram shown in Fig. 1 of a transformer.
  • Circuit 1 e.g. 10 turns and to the
  • Power transmission form a primary circuit of the planar transformer for feeding current.
  • Winding a second circuit 2 should, for example, comprise 4 turns and form a first secondary circuit of the planar transformer for discharging current.
  • the winding of a third circuit 3 in this case, for example, comprise 13 turns and form a second secondary circuit of the planar transformer for tapping current.
  • Substitute circuit diagram according to FIG. 1 in an expedient refinement furthermore furthermore comprises a fourth circuit 4, for example a winding with 13 turns, and a third secondary circuit of the planar transformer for
  • Circuits 4, 2 and 3 is thus a 4-way transformer in the turn ratio 10: 13: 4: 13 to realize.
  • FIG. 2 is a schematic view of such a planar transformer according to the invention in whole with the
  • Reference numeral 100 is occupied.
  • the planar transformer 100 for energy transmission has a vertical extension, in particular along the Y direction shown in FIG. 2, and a
  • the planar transformer 100 has a sandwich-type printed circuit board 7 with at least three layers to
  • the layers LI and L2 form outer layers of the printed circuit board and any further of these layers, e.g. 4, the layers L3 and L4, an inner layer of the circuit board. Between all these layers is in each case a suitable insulation material with a specific
  • FIG. 2 A schematic plan view against the y-direction of FIG. 2 in the present example, a first
  • FIG. 5 a schematic plan view opposite to the y direction of FIG. 2 on the in the present example a first inner layer of the printed circuit board forming circuit board layer L3 of the planar transformer is shown in FIG , a schematic plan against the y-
  • Circuit board position L4 of the planar transformer is shown in Fig. 7 and a schematic plan view opposite to the y-direction of FIG. 2 on in the present example, the second outer layer of the circuit board forming circuit board layer L2 of the planar transformer is shown in Fig. 8.
  • a magnetic core generally designated by the reference numeral 5 at least partially encloses the sandwich structure.
  • the magnetic core 5 is composed of two interconnected magnetic core parts, wherein a first core part 5a with a middle part 5m and two outer legs 5sl and 5s2 extending from this middle web forms a U-shape, this U-shape
  • the second core part 5b likewise has a U-shape in the present example, so that in this case the two core parts 5a and 5b are expediently connected to each other via their ends of the outer limbs remote from the middle part.
  • the outer legs 5sl and 5s2 need not completely penetrate the recesses 7a and 7b, but respective interconnected outer legs may also be interconnected within the sandwiched printed circuit board as e.g. the fig. 3 and 4 can be seen.
  • the second core part 5b may be e.g. also have only an elongated web or a plate and form approximately an I-shape.
  • the two core parts 5a and 5b would be connected to each other via the ends of the outer legs 5sl and 5s2 remote from the middle part 5m with the elongated web of the second core part, then the outer legs 5sl and 5s2 suitably completely penetrate the recesses 7a and 7b.
  • the Fign. 2 to 8 it can be seen that the illustrated planar transformer has a number of at least three
  • Circuits 1, 2, 3 has. These are also each galvanically isolated from each other, according to the above
  • a first circuit 1 can consequently form a primary circuit, a second circuit 2 a first secondary circuit and the third circuit 3 a to the first secondary circuit
  • magnetic core 5 acts at least on the first circuit 1, on the second circuit 2 and on the third circuit 3. Consequently, current can be supplied via the primary circuit fed via the equal secondary circuits each an output current for the purpose of energy transfer are dissipated, in particular the feed and
  • Planar transformer is to implement the
  • Circuit 4 is designed such that it in the present example one to the first two secondary circuits
  • the magnetic core 5 thus acts in this case at least on the first circuit 1, on the second circuit 2, on the third circuit 3 and on the fourth circuit 4.
  • a conductor track is formed on at least one of the outer layers illustrated embodiment for the circuit 1. It is noted that external leads to outer layers, the example are also provided as tracks that are far enough away that are not taken into account, e.g. a
  • the 10 turns of the winding of this serving as a primary circuit circuit 1 on the two outer layers LI and L2 are arranged. Five turns on the LI position and five turns on the L2 position. For the arrangement of the first five turns on the layer LI on this a track la is designed accordingly. The same is true for the other five
  • the printed circuit la is from the outgoing connection A (Fig. 5) to a Through hole 6-1 out and the conductor lb is guided by the through-connection 6-1 to outwardly guided connection connection B (Fig. 8).
  • Through-connection 6-1 leads from the layer LI through the entire printed circuit board to the layer L2 and is the
  • the at least three circuits i. According to the present embodiment for the circuits 2, 3 and 4, tracks on one
  • one conductor 2a or 3a for example, each formed on the layer L3, as well as the Fig. 6 refer.
  • the conductor 2a of the circuit 2 is in this case on the position L3 between one inside the through the conductor track
  • the conductor 3a of the circuit 3 is in this case between a arranged in the interior of the turns formed by the conductor 3a 3a through holes 6-3 and guided on the layer 3 to the outside terminal connection F (Fig. 6) out.
  • the conductor 3a of the circuit 3 is in this case between a arranged in the interior of the turns formed by the conductor 3a 3a through holes 6-3 and guided on the layer 3 to the outside terminal connection F (Fig. 6) out.
  • Through-holes 6-2 and 6-3 are conveniently carried out for the sake of simplicity through the entire circuit board from the position LI to the position L2 and throughout with
  • Conductor 2a of the circuit 2 also forms all four turns on the layer L3, so that the
  • Terminal connection C e.g. on one of the outer layers, providing.
  • the circuit 2 can not with another in the figures for clarity
  • Terminal connection C is given in the direction of the terminal connection D, in which case the current flow again does not necessarily have to go from C to D.
  • the conductor 3a of the circuit 3 also forms
  • Outer thighs wound around is the conductor 2a of the circuit 2 wound around the outer leg 5sl around, which is inserted into the recess 7a and the track la of the circuit 1 and the track 3a of the
  • the circuit 3 and 4 are each a conductor 3b and 4a, for. each formed on the layer L4, as well as the Fig. 7 can be seen.
  • the conductor 3b of the circuit 3 is hereby guided on the layer L4 between the connection connection E routed outwards on the layer L4 and the through-connection 6-3 (FIG. 7). Both turns formed by the interconnects 3a and 3b or partial windings of the
  • Circuit 3 are therefore connected via the via 6- 3 with each other and connected in series.
  • Circuit 3 can with a in the figures
  • connection connections E and F are electrically contacted, the current flow thereby to implement the equivalent circuit diagram of FIG. from the connection E in the direction of
  • Terminal connection F is given, whereby in this case too, the current flow does not necessarily have to go from E to F.
  • the conductor track 4a of the circuit 4 is arranged between a through-connection 6-4 arranged in the interior of the turns formed by the conductor track 4a and the connection connection H guided outward on the layer L4 (FIG. 7).
  • the conductor 4a of the circuit 4 thus forms all four turns on the layer L4, so that the
  • Terminal connection G e.g. on one of the outer layers, providing.
  • the circuit 4 can not with another in the figures for clarity
  • Terminal connection G is given in the direction of the terminal connection H, in which case the current flow again does not necessarily have to go from G to H.
  • the technologically permissible minimum distance is generally selected as a rule. This also applies to the distance of the conductor tracks to the edges, for example, a milling contour, the recesses 7a and 7b. This is according to the invention further for the circuit for which a conductor is formed on at least one of the outer layers, ie according to the illustrated embodiment of the circuit.
  • the traces la and lb on the outer layers LI and L2 of the circuit 1, but according to the invention are preferably coated with a protective lacquer 10, such as a solder resist (see Fig .. 4), the isolation between the respective trace of an outer layer and the respective, located on the side of this outer layer
  • the two core parts 5a and 5b are further preferably glued together by means of an adhesive 55, wherein also another connection, e.g. a staple is possible, and can in the area of the contact surface a
  • Air gap 50 which is appropriate to keep low. Furthermore, at least one of the
  • Dielectric strength of the resist can not be guaranteed, since such a resist generally has only a thickness in the range of about ⁇ 5pm. According to the invention, the insulation by the resist 10 is therefore for the insulation between the turns
  • Circuits not only comply with the clearance and creepage distances LS12, LS13, LS14 to the track on each outer layer, but also to the magnetic core. 5
  • Creepage distances LS12, LS13, LS14 comply with the tracks la and lb, but also to the magnetic core 5.
  • Creepage distances LS12, LS13, LS14 comply with the tracks la and lb, but also to the magnetic core 5.
  • Vias must thus be maintained, at least in their lined with electrically conductive material areas, the creepage distances and creepage distances.
  • lined through-holes 6-1, 6-2, 6-3 and 6-4 are provided, therefore, even with the positioning of the plated-through holes 6-2, 6-3 and 6-4 a continuous clearance and creepage distances LS12, LS13, LS14 enough
  • Recesses or holes 7a and 7b may assume slightly different arrangements due to possible tolerances, these creepage distances and creepage distances in the turns all circuits that are not the potential of the turns on the outer layer are assigned, ie according to the embodiment shown in the turns of the circuits 2 to 4, and also suitably adhered to the edges of the recesses 7a and 7b, since these represent the limiting "barriers" for the magnetic core elongated web or formed as a plate, this can thereby still enlarged
  • this core part can be e.g. protrude beyond the recesses and may make it necessary to increase the security area around the core possibly even further.
  • the aforementioned clearance and creepage distances are then expediently adhered to the core dividing ends projecting beyond the recesses. Due to the inventive design of traces for only a single circuit on at least one of the outer layers in particular such that the magnetic core 5 is to assign the result of the potential of this circuit arithmetically, therefore, the circuits 2 to 4 and therefore their tracks or turns now not be placed more on the outer layers. Im figured
  • Conductor tracks of the first circuit 1 are arranged.
  • the conductor tracks for forming the respective turns can be placed both around the leg 5sl with the associated hole 7a and around the other leg 5s2 with the associated hole 7b. It should be noted that electrically and magnetically slightly different
  • the clock edges must be as synchronous, directly
  • Windings of the circuit 3 asymmetrically distributed to the layers L3 and L4 and placed around the hole 7b. So the first eleven turns on the L3, in particular
  • Winding connected to the via 6-3 Since this in turn extends over all layers due to the preferred technology, the outer layers are also affected and the clearance and creepage distance LS13 from here must be 5.2 mm to the interconnects 1a and 1b of the windings of the
  • Feed through 6-3 around are at a
  • Embodiment according to the invention for the conductor tracks in Practical implementation to take into account the insulation properties.
  • the tracks of all circuits with turns only on the inner layers only so close to the holes 7a and 7b, in particular their edges or their Fräskonturen, placed that the minimum value for the solid insulation is respected.
  • the magnetic core may theoretically also approach tolerances due to tolerance even up to the limit of the recesses 7a and / or 7b.
  • the minimum value for the fixed insulation between two different circuits associated conductor tracks on the same inner layer with x 0.4 mm specified. If tolerances with respect to the pattern, e.g. of 0.1 mm, and the recess, e.g. also 0.1 mm, is added e.g. one
  • Minimum distance of xA 0.6 mm to the edges, e.g. the
  • Respective turn 3a and 3b and the feedthrough 6- 1 complied with (see Fig. 6, 7). Due to the layer structure and an insulation layer between the layers LI and L3 with a minimum thickness yl3 of, for example, 0.2 mm, it is further ensured that the interconnect 3a does not come too close to the interconnect la of the winding la.
  • the track 3b on the layer L4 is formed similar to the layer L3, but with the difference that two instead of eleven turns are used.
  • the asymmetry (11 or 2 turns) of the circuit 3 further favors the formation of the circuits 2 and 4, the conductor tracks 2a and 4a thus one above the other about the outer leg 5sl and consequently and the recess 7aherum can be wound. Since here only two inner layers L3 and L4 for the turns of two galvanically isolated
  • each circuit uses only one layer.
  • the conductor 4a to form the thirteen turns of the circuit 4 is thus completely formed on the layer L4, in particular spirally, so that all 13 turns are placed side by side on the layer L4 (see Fig. 7). Since only a limited space is available in the intermediate space between the two recesses 7a and 7b, the turns of the conductor 4a protrude relatively close to the recess 7b. Also for this reason, only space for a small number of turns on the layer L4 is reserved for the circuit 3, in the example shown for the with the track 3b formed two turns of the circuit 3. Between the interconnects 3b and 4a is in turn in more appropriate
  • the insulation thickness y34 thus suitably corresponds to
  • Insulation thickness yl3 and y24 Insulation thickness yl3 and y24.
  • the through-connection 6-4 which belongs to the circuit 4, in turn, is so far from the magnetic core 5, in particular from the edge of the recess 7a, and from the tracks la and lb of the circuit 1 in the x-direction (ie in xl and x2 -
  • the circuit 4 can be contacted at one of the layers LI, L2 or L3 with the associated circuit, so that the
  • connection G Through connection 6-4 the connection G
  • Mixed form may be given in the invention such that the circuits can be partially separated from each other galvanically separated and partially separated from each other intrinsically safe.
  • a first circuit is either a conductor arranged on an outer layer or there are two tracks arranged on both outer layers.
  • Fig. 9 shows a modified or alternative embodiment in which further turns lc, ld of the first circuit 1 and the other
  • Recess 7a are guided. These turns must then be adapted to the winding or winding sense so that the magnetic fluxes in the core in the same direction
  • a second circuit is a conductor to form associated turns on a first inner layer with turns to one first outer leg, for example, to the inserted into the recess 7 a, arranged.
  • a fourth circuit is a conductor tracks for the formation of
  • Windings around the first outer leg and for a fifth circuit is a conductor tracks for the formation of
  • circuit 1 As a modification to the substitute form of Fig. 1, e.g. can be dispensed with the circuit 4 and so only three circuits, for example, as shown in FIG. 10, starting from a primary winding (circuit 1) to two
  • Winding ratio can be realized 11:12:12, this may already be sufficient in the context of the invention, three layers of a circuit board for forming electrical traces. Based on the replacement scarf image of Fig. 10, e.g. for a first circuit of
  • the turns formed hereby can be around a first Outer leg and / or wound around the second outer leg of the magnetic core around.
  • the remaining two circuits can thus be formed in each case a conductor on the then single inner layer, in which case the trace of a circuit of the remaining two circuits to a first
  • Outer leg is wound around and the conductor track of the other circuit of the remaining two circuits is wound around the second outer leg. Due to the number of turns shown in FIG. 10, however, a planar transformer based thereon with only three layers has a slightly larger horizontal extent, since either twelve turns of the circuits 2 and 3 are arranged on the inner layer or eleven turns of the circuit 1 and twelve turns of the circuit 2 or 3 are arranged on the inner layer. The turns of each remaining circuit are arranged on an outer layer or two outer layers.
  • FIGS. 11 to 14 Another preferred embodiment according to the invention will be described with reference to FIGS. 11 to 14 and is based on e.g. 11, a planar transformer with four circuits 1, 2, 3 and 4 is to be realized based on the equivalent circuit diagram according to FIG. one of the circuits 1, 4 and 3 is the primary circuit and the rest of the circuits are in turn equal to each other secondary circuits.
  • Planar transformer according to the invention are the general Properties identical to those previously described, so that again only the differences will be discussed.
  • a special feature is, for example, that it is different
  • Circuits 1, 2 and 3 those of the planar transfomor according to FIGS. 1 to 8, but the circuit 4 with the connection connections G and H for a safe separation of more than 300 V, e.g. be designed by 1000V.
  • Circuit 4 also the horizontal and vertical
  • Circuits are arranged directly above or below the turns of the circuit 4. As a result, the entire height can still be kept low, despite the
  • circuit 4 is expediently distributed on inner layers, so that on an outer layer or more
  • the windings of another circuit are arranged, whereby in particular these turns can contribute directly to the improved heat dissipation via a direct heat emission to the ambient air.
  • Circuit board 7 with six layers LI to L6 for forming electrical conductor tracks (see Fig .. 12 to 14).
  • Printed circuit board is thus slightly thicker overall than in the embodiment according to FIGS. 1 to 8.
  • the turns of the circuit 4 are formed on the innermost two layers L4 and L5 and none of the turns of the other circuits is arranged directly above or below the turns of the circuit 4.
  • Circuit 4 on the layer L4 about the recess 7a and a second conductor 4b for forming 5 turns of the circuit 4 on the layer L5 are also arranged around the recess 7a (see Fig. 14). With the increased vertical requirement with respect to the circuit 4 is then, for example, an increased distance only to be observed between the layers LI and L4 and between the layers L5 and L2 of each yl4. Because the
  • the thickness of the entire circuit board 7 is thus twice the increased distance yl4 and once the smaller distance of e.g. 0.2mm or five times
  • the turns of the circuits 1, 2 and 3 can also be distributed over two layers, which in turn reduces the required horizontal extent. Are eg the tracks of the
  • the inner end of each turn of the circuit 1 and 3 is then in turn suitably electrically connected to a through-connection 6-1 or 6-3, to which in turn guided on another location outwardly, but not explicitly shown for reasons of clarity connection is laid.
  • two plated-through holes 6-2-1 and 6-2-2 are electrically connected to the windings in the reference of the circuit 2, so that not only one connection connection, which is not explicitly shown for reasons of clarity, is led outward but also the center tap C x can be provided on another location outwards.
  • the total surface area of the conductor tracks, in particular copper conductor tracks, and thus the amount of heat-absorbing and heat-dissipating material can consequently be dimensioned larger in all other dimensions of the planar transformer as a whole when standing
  • Embodiments used technology ie with a sandwich-type circuit board 7 with six layers LI to L6 to form electrical conductors, resist and normal vias nine galvanically isolated, especially intrinsically safe separate circuits
  • Circuit is either a trace on one
  • the four inner layers may be used around a first outer leg of the magnetic core, and the same four inner layers around the second outer leg of the magnetic core may be used to form further windings belonging to four further circuits.
  • a planar transformer according to the invention can thus be integrated in a preferred embodiment within an isolation amplifier, in particular in the housing of an isolation amplifier, which in the figures, however, for reasons of
  • Winding of the transformer 1a, 1b, 2a, 2b,
  • 3a, 3b, 4a, 4b strip conductors; A, A ', B, B', C, C,
  • Insulation material between two different circuits Insulation distances within the

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Planar-Transformator (100) zur Energieübertragung mit einer sandwichartig aufgebauten Leiterplatte mit mindestens drei Lagen zum Ausbilden elektrischer Leiterbahnen, wobei eine erste (L1) und eine zweite (L2) dieser Lagen Außenlagen der Leiterplatte bilden und jede weitere dieser Lagen eine Innenlage der Leiterplatte bildet, und wobei zwischen allen diesen Lagen jeweils ein Isolationsmaterial mit einer Mindestdicke angeordnet ist, mit einer Anzahl von jeweils voneinander galvanisch getrennten Stromkreisen (1, 2, 3), wobei ein erster Stromkreis (1) einen Primärkreis bildet und jeder weitere Stromkreis (2, 3) einen gleichberechtigten Sekundärkreis bildet, mit einem magnetischen Kern (5), der aus zwei miteinander verbundenen, magnetischen Kernteilen (5a, 5b) zusammengesetzt ist, wobei ein erster Kernteil (5a) mit einem Mittelteil (5m) und zwei Außenschenkeln (5s1, 5s2) eine U-Form ausbildet, und wobei die Leiterplatte zwei Aussparungen (7a, 7b) aufweist und die beiden Außenschenkel des ersten Kernteils in diese Aussparungen eingesetzt und an deren, vom Mittelteil entfernten Enden mit dem zweiten Kernteil verbunden sind, wobei für genau einen einzigen Stromkreis (1) der wenigstens drei Stromkreise (1, 2, 3) eine Leiterbahn auf wenigstens einer der Außenlagen ausgebildet ist und wobei eine Leiterbahn von wenigstens einem Stromkreis (2) der wenigstens drei Stromkreise (1, 2, 3) um einen ersten Außenschenkel herum gewunden ist und Leiterbahnen von wenigstens zwei weiteren Stromkreisen (1, 3) der wenigstens drei Stromkreise (1, 2, 3) um den zweiten Außenschenkel herum gewunden sind.

Description

Planar-Transformator zur Energieübertragung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Planar- Transformator zur Energieübertragung.
Transformatoren werden häufig zur galvanischen Trennung von Stromkreisen nach verschiedenen Normen eingesetzt, wobei je nach Auslegung der Transformatoren über diese Energie, Signale und/oder Daten übertragen werden können.
Planar-Transformatoren, d.h. Transformatoren, die sich in Folge einer besonderen Bauform durch eine flache Bauweise auszeichnen, werden zur Energieübertragung insbesondere im Rahmen von Trennverstärkern eingesetzt, welche hierbei eine galvanische Trennung mehrerer Stromkreise bereitstellen und/oder auch verschiedene Wechselspannungsniveaus
verbinden können.
Ein stark vereinfachtes Blockschaltbild betreffend den Einsatz eines Transformators innerhalb eines
Trennverstärkers zur galvanischen Trennung zwischen einem Primärkreis und wenigstens einem Sekundärkreis bei der Signalverarbeitung von Analogsignalen ist der beigefügten Fig. 15 zu entnehmen. Demgemäß liegt an der mit 1 gekennzeichneten
Anschlussverbindung im Betrieb ein zu verarbeitendes
Eingangssignal an, insbesondere eine analoge
Eingangsspannung oder ein analoger Eingangsstrom, und die mit 2 gekennzeichnete Anschlussverbindung ist auf Masse (GND1) gelegt. In Bezug auf die in Fig. 15 skizzierte
Signalverarbeitungskette wird das analoge Eingangssignal in der Regel einer Eingangssignalverarbeitungsschaltung zugeführt, und das hierüber verarbeitete Signal
anschließend z.B. an den Primärkreis eines zur
Signalübertragung angepassten Transformator gelegt. Über den Sekundärkreis des Transformators wird das Signal abgegriffen und einer Ausgangssignalverarbeitung, welche z.B. eine Verstärkerschaltung und gegebenenfalls noch eine Filterschaltung umfasst, zugeführt, bevor an der mit 5 gekennzeichneten Anschlussverbindung das Ausgangssignal am Ende der Signalverarbeitungskette abgreifbar ist. Die mit 6 gekennzeichnete Anschlussverbindung ist wiederum auf Masse (GND2) gelegt. Mittels des zur Signalübertragung
angepassten Transformators können folglich die Schaltungen der Eingangssignalverarbeitung und die Schaltungen der Ausgangssignalverarbeitung galvanisch voneinander getrennt werden .
In Bezug auf die in Fig. 15 ebenfalls skizzierte
Energieübertragung zur Versorgung einzelner aktiver
Schaltungen der Signalverarbeitungskette mit der
notwendigen Betriebsspannung wird üblicherweise ein
weiterer, jedoch zur Energieübertragung angepasster
Transformator eingesetzt, der im dargestellten Fall eine galvanische Trennung eines Primärkreises und zweier
Sekundärkreise sicherstellt. Hierbei wird an den
Primärkreis des Transformators über die mit 7
gekennzeichnete Anschlussverbindung eine
Energieversorgungsschaltung angeschlossen, die z.B. eine Eingangsspannung von 20 bis 30 V bereitstellt, wobei die mit 8 gekennzeichnete Anschlussverbindung wiederum auf Masse (GND3) gelegt ist. Über zwei gleichberechtigte, voneinander und vom
Primärkreis galvanisch getrennte Sekundärkreise des
Transformators wird dann über einen der Sekundärkreise z.B. der Eingangssignalverarbeitungsschaltung Energie zur
Spannungsversorgung übertragen über den anderen
Sekundärkreis z.B. der Verstärkerschaltung Energie zur Spannungsversorgung übertragen. Die hierbei in den Primär- und Sekundärkreisen anliegenden Ströme sind folglich wesentlich größer als die Ströme, die in den Kreisen eines zur Signalübertragung angepassten Transformators anliegen, welche somit in der Regel auch zu einer wesentlich erhöhten Wärmeentwicklung führt. Die Wärmeentwicklung ist ferner in der Regel umso größer, je kleiner die Dimensionierung des Transformators ausgelegt ist. Dies wiederum steht jedoch dem generellen Bestreben einer stetigen Miniaturisierung von elektrischen und elektronischen Bauteilen entgegen. So kann zwar die bei elektronischen Bauteilen anfallende Wärme häufig ferner durch Konvektion an die Umgebung abgegeben werden, welches im Hinblick auf die durch die
Miniaturisierung steigende volumenspezifische Wärmeleistung solcher Bauteile jedoch auch unter Zuhilfenahme von
Belüftungsöffnungen oftmals nicht mehr gewährleistet werden kann und folglich zu der Gefahr einer Überschreitung der zulässigen Bauteiltemperaturen führen kann.
Ferner sind Transformatoren zur Energieübertragung häufig in Geräten gemeinsam mit weiteren
elektrischen/elektronischen Bauteilen eingehaust, wobei eine Vielzahl von solchen Geräten wiederum jeweils
benachbart zueinander angeordnet ist, z.B. entlang einer Tragschiene. Dies führt zu einer nochmals wesentlich erhöhten Wärmeentwicklung insgesamt und bedingt folglich den Einsatz zusätzlicher Wärmeableitungselemente, z.B. auch eines zwischen jeweils zwei solcher Geräte angeordneten Kühlkörpers, wie beispielsweise in der DE 10 2008 059 320 AI vorgesehen.
Je nach Einsatzgebiet eines solchen oder ähnlichen
Trennverstärkers kann für die Energieübertragung auch eine eigensichere galvanische Trennung einzelner oder aller Kreise notwendig sein, wie insbesondere bei in Ex¬ Bereichen, d.h. in explosionsgefährdeten Bereichen, eingesetzten Schaltungen, die mit Energie versorgt werden müssen.
Eigensicher bedeutet hierbei, dass der Transformator hinsichtlich der Geometrie derart ausgelegt und optimiert ist, dass der Transformator für ein bestimmtes Schutzniveau Stör-unanfällig ist und vorgeschriebene Trennabstände sicherstellt. Dies kann grundsätzlich sowohl durch
gewickelte Spulen als auch durch auf Leiterplatten
gedruckte oder geätzte Spulen 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 gegenüber gewickelten Spulen grundsätzlich verbesserten thermischen Eigenschaft bei gleichem Kernvolumen liegen und die Herstellungskosten können geringer ausfallen. Aus der DE 41 37 776 ist ein
Hochfrequenzleistungsübertrager in Multilayertechnik bekannt, der basierend auf einem E-E-Kern Primär- und Sekundärwicklungen auf verschiedenen Multilayerplatten ausbildet, die jeweils ein Kernloch zur Aufnahme des zumindest mittleren Schenkels des Kerns aufweisen. Die Stromkreisführung ist folglich durch die beiden äußeren Schenkel in horizontaler Ausdehnung begrenzt und jegliche getrennten Stromkreise müssen zwangsläufig in verschiedenen Lagen ausgebildet werden, welches zu einer großen
vertikalen Ausdehnung führt und bei notwendiger Wärmeabfuhr eine nochmals entsprechend größere Dimensionierung nach sich zieht.
Aus der WO 03/003391 AI ist ein E-I oder E-E-Übertrager bekannt der zwei um den Mittelsteg gewickelte Spulen und zwei um den gleichen Außenschenkel gewickelte Spulen aufweist. Hierdurch lassen sich zwei Primär- und zwei
Sekundärspulen verwirklichen, wobei die ersten Primär- und Sekundärspulen eine erste Übertragungsstrecke bilden und um den Mittelsteg angeordnet sind und die zweiten Primär- und Sekundärspulen eine zweite Übertragungsstrecke bilden und um den Außenschenkel angeordnet ist. Dieser Übertrager eignet sich somit nicht für Anwendungen, bei welchen
Energie von einem Primärkreis auf zwei Sekundärkreise übertragen werden soll, wobei bei allen drei Kreisen eine galvanische, insbesondere eigensichere Trennung gegeben sein muss .
Es sind ferner Planar-Transformatoren (oder auch planarer Übertrager) bekannt, bei denen einzelne Windungen oder (Teil-) Wicklungen oder auch gesamte Kreise des
Transformators im Wesentlichen in einer Ebene nebeneinander angeordnet sind. Dies ermöglicht eine flache Bauform, so dass der Transformator beispielsweise auch in Geräte mit geringer Bauhöhe integriert werden kann. So beschreiben z.B. die Voranmeldungen DE 10 2012 016 569 AI und die DE 10 2012 003 364 AI der hiesigen Anmelderin planare Übertrager, die einen Schichtenaufbau mit einer Mehrzahl von
Stromkreisen aufweisen, wobei ein erster Stromkreis eine Primärwicklung sein kann und galvanisch von einem zweiten Stromkreis getrennt ist, der eine Sekundärwicklung sein kann, und mit mindestens einen magnetischen Kern. Der erste Stromkreis und der zweite Stromkreis liegen hiernach im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene und bilden eine Schicht innerhalb des Schichtaufbaus . Beim planaren
Übertrager gemäß DE 10 2012 016 569 AI ist ferner
mindestens der erste Stromkreis oder der zweite Stromkreis in eine Mehrzahl galvanisch voneinander getrennten
Stromkreisen unterteilt, wobei die galvanisch voneinander getrennten Stromkreise des ersten Stromkreises bzw. des zweiten Stromkreises in vertikaler Richtung übereinander angeordnet sind. Beim planaren Übertrager gemäß DE 10 2012 003 364 AI erstrecken sich die Stromkreise jeweils in vertikaler Richtung in eine Mehrzahl von Teilstromkreisen, die Verbindungselemente elektrisch mit einander verbunden sind.
Um vorgeschriebene Trennabstände zwischen den Stromkreisen einschließlich deren Windungen oder (Teil-) Wicklungen sowie zum magnetischen Kern einzuhalten, sind hierbei gemäß beiden Voranmeldungen die Windungen oder (Teil-) Wicklungen der Stromkreise jeweils auf inneren Schichten des
Schichtenaufbaus ausgebildet und über Durchkontaktierungen zur elektrischen Kontaktierung nach außen geführt. Ist z.B. als Trennabstand in festem Isolationsmedium zwischen zwei galvanisch getrennten Stromkreisen eine
Mindestisolationsdicke des Isolationsmediums von TO
vorgeschrieben, lehren die Voranmeldungen, dass und wie diese Dicke zwischen allen galvanisch getrennten
Stromkreisen einschließlich deren Windungen oder
(Teil-) Wicklungen einzuhalten ist und, dass und wie
lediglich eine halbe solche Dicke jeweils zum magnetischen Kern einzuhalten ist. Die klassische Herangehensweise zur Dimensionierung von Planar-Transformatorn bzw. Planartransformatoren kann somit darin gesehen werden, in einem Multilagenaufbau alle
Windungen oder (Teil-) Wicklungen übereinander um einen gemeinsames Loch auf der Leiterplatte zu positionieren, wobei die Dicke der einzelnen Isolationsschichten
entsprechend der Isolationsanforderungen gewählt werden muss. Durch ein zentrales Loch wird ein Magnetkern geführt. Um den so entstandenen magnetischen Kreis zu schließen, werden typischerweise zwei weitere Löcher in die
Leiterplatte eingebracht und durch diese ebenfalls der Magnetkern geführt. Um den magnetischen Kreis ohne
Auftrennen der Leiterplatte zu schließen, besteht der
Magnetkern aus zwei Anteilen, die entweder verklebt oder geklammert werden. Die so verwendeten Kerne sind z.B. E- Kerne oder ER- bzw. EQ-Kerne.
Durch die übereinander geschichtete Anordnung der Windungen oder (Teil-) Wicklungen von Stromkreisen wird eine hohe HauptInduktivität und eine gute Kopplung bzw. eine geringe Streuinduktivität erreicht, was positive Auswirkungen auf die Signalqualität hat. Als Nachteil ist zu nennen, dass bei hohen Isolationsanforderungen und vielen galvanisch zu trennenden Windungen oder (Teil-) Wicklungen verschiedener Stromkreise eine aufwändige Leiterplattentechnologie verwendet werden muss.
Dieser Nachteil kann umgangen werden, wenn die Windungen oder (Teil-) Wicklungen teilweise nebeneinander und
teilweise übereinander angeordnet werden. Hierzu müssen lediglich zwei Löcher in die Leiterplatte, z.B. durch
Fräsung, gebracht werden, durch die jeweils ein Schenkel eines U-förmigen Magnetkerns gebracht wird. Der magnetische Kreis wird auch hier wiederum durch die Verwendung zweier Teilkerne geschlossen.
Um jedes Loch herum wird mindestens eine Windung oder
(Teil-) Wicklung platziert. Dadurch kann ein Teil der
Isolationsanforderungen in die horizontale Ebene verlagert werden. Durch diese Maßnahme wird der Planar-Transformator dünner und es können weniger Lagen verwendet werden, was aus Kostengründen vorteilhaft ist. Der mögliche Nachteil einer dadurch entstandenen geringeren Kopplung bzw.
größeren Streuinduktivität kann häufig schaltungstechnisch kompensiert werden.
Werden Planar-Transformatoren bzw. Planartransformatoren für Trennverstärker oder ähnliche Funktionalitäten
benötigt, gibt es häufig besondere Anforderungen an die Isolationseigenschaften der Übertrager. Dies äußert sich beispielsweise in Luft- und Kriechstrecken von einigen Millimetern für Isolationsfestigkeiten im kV-Bereich, die in speziellen Normen und Vorschriften geregelt sind. Aber auch innerhalb der Leiterplatten gibt es
Sicherheitsabstände zwischen den einzelnen galvanisch getrennten Wicklungen, so ist z.B. in der Norm DIN EN
61010-1 geregelt, dass für Spannungsklassen bis 300 V zwei Leiter, die zu unterschiedlichen Stromkreisen oder
Wicklungen gehören und nebeneinander auf derselben inneren Lage angeordnet sind, min. 0,4 mm Abstand zueinander einhalten müssen. Auch gibt es spezielle Anforderungen an die Spannungsfestigkeit der einzelnen Isolationsschichten des Lagenaufbaus der Leiterplatte. Dies betrifft z.B. zwei Leiterbahnen unterschiedlicher Stromkreise oder Wicklungen, die sich auf unterschiedlichen Lagen kreuzen. Um die
Isolationsanforderungen hier einzuhalten, kann sich bei geforderter Isolierung eine gewisse Mindestdicke der einzelnen Isolationslagen ergeben.
Sollen Planartransformatoren für den Explosionsbereich dimensioniert werden, so sind die Anforderungen häufig noch stärker, so dürfen beispielsweise nach der DIN EN 60079-11 Leiterbahnen in fester Isolierung bei der 375 V
Spannungsklasse und Schutzniveau ia, ib einen Mindestwert von 1 mm nicht unterschreiten. Dies gilt für Leiterbahnen auf Innenlagen einer Leiterplatte sowohl in horizontale Richtung (nebeneinander auf derselben Lage) als auch in vertikaler Richtung (übereinander auf unterschiedlichen Lagen mit Isolationsschicht dazwischen) .
Luft- und Kriechstrecken auf der Oberfläche der
Leiterplatte werden in der nachfolgenden Beschreibung mit LS bezeichnet, feste Isolierung in horizontaler Richtung mit „x" und in vertikaler Richtung mit „y" . Gibt es mehrere Stromkreise mit unterschiedlichen Isolationsanforderungen, kann zur besseren Übersichtlichkeit mit LSij auf die
Isolation zwischen Stromkreis i einschließlich dessen Windungen oder Wicklung und Stromkreis j einschließlich dessen Windungen oder Wicklung zugegriffen werden. So würde beispielsweise LS23 die Luft- und Kriechstrecke zwischen Stromkreis 2 und Stromkreis 3 charakterisieren.
Durch die Verwendung spezieller Lackierungen können Luft- und Kriechstrecken teilweise vermieden bzw. verringert werden. In gewissen Normen ist auch geregelt, dass Luft- und Kriechstrecken auch aufgeteilt werden können, so kann beispielsweise eine geforderte Luftstrecke von 5 mm in zweimal 2,5 mm unterteilt werden. Dies kann z.B. von Nöten sein, da der Magnetkern prinzipiell als elektrisch leitfähig angenommen wird. So kann beispielsweise der
Primärkreis zum Magnetkern eine Luft- und Kriechstrecke von 2,5 mm aufweisen und der Magnetkern zum Sekundärkreis ebenfalls eine Luft- und Kriechstrecke von 2,5 mm. Der Kern liegt dann auf einem virtuellen „Zwischenpotential".
Es ist eine wesentliche Aufgabe der Erfindung, bei einem Planar-Transformator zur Energieübertragung, welcher wenigstens drei galvanisch voneinander getrennte
Stromkreise bereitstellen soll, die Wärmeabfuhr nochmals zu verbessern, insbesondere auch bei verbesserter Ausnutzung des durch die vertikale und horizontale Ausdehnung eines Planar-Transfomators umschlossenen Volumens, um hierdurch zweckmäßig gleichzeitig die weitere Miniaturisierung von elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen
voranzutreiben, so dass ein solcher Planar-Transformator insbesondere auch innerhalb von Trennverstärkern einsetzbar ist, wobei bevorzugt auch bei benachbarter Anordnung einer Vielzahl von Geräten mit solchen Trennverstärkern, z.B. entlang einer Tragschiene, auf zusätzliche Kühlkörper verzichtet werden kann. Ziel der Erfindung ist es folglich insbesondere auch, mit einer möglichst kostengünstigen Leiterplattentechnologie einen Planar-Transformator mit möglichst vielen galvanisch „gut" (sprich: hohe
Isolationsklassen) voneinander getrennten Stromkreisen einschließlich deren Windungen oder Wicklungen
bereitzustellen.
Die Erfindung löst die Aufgabe in überraschender Weise durch einen Gegenstand mit dem Merkmal des Anspruch 1, wobei bevorzugte Ausgestaltungen Gegenstand der
Unteransprüche sind.
Demgemäß ist ein Planar-Transformator zur
Energieübertragung mit einer vertikalen Ausdehnung und einer horizontalen Ausdehnung vorgesehen, der eine
sandwichartig aufgebaute Leiterplatte mit mindestens drei Lagen zum Ausbilden elektrischer Leiterbahnen aufweist, wobei eine erste und eine zweite dieser Lagen Außenlagen der Leiterplatte bilden und jede weitere dieser Lagen eine Innenlage der Leiterplatte bildet, und wobei zwischen allen diesen Lagen jeweils ein Isolationsmaterial mit einer
Mindestdicke angeordnet ist. Ferner ist eine Anzahl von wenigstens drei jeweils voneinander galvanisch getrennten Stromkreisen umfasst, wobei ein erster Stromkreis einen Primärkreis bildet, ein zweiter Stromkreis einen ersten Sekundärkreis und jeder weitere Stromkreis einen weiteren gleichberechtigten Sekundärkreis des Planar-Transformators bildet, und wobei zur Energieübertragung über den
Primärkreis Strom eingespeist und über die Sekundärkreise jeweils ein Ausgangsstrom abgeführt wird. Ein magnetischer Kern umschließt zumindest teilweise den sandwichartigen Aufbau und wirkt zumindest auf den ersten, zweiten und dritten Stromkreis. Der magnetische Kern ist aus zwei miteinander verbundenen, magnetischen Kernteilen
zusammengesetzt, wobei ein erster Kernteil mit einem
Mittelteil und zwei Außenschenkeln eine U-Form ausbildet, und wobei die Leiterplatte zwei Aussparungen aufweist und die beiden Außenschenkel des ersten Kernteils in diese Aussparungen eingesetzt und an deren, vom Mittelteil entfernten Enden mit dem zweiten Kernteil verbunden sind. Für genau einen einzigen Stromkreis der wenigstens drei Stromkreise ist eine Leiterbahn auf wenigstens einer der Außenlagen ausgebildet und für alle weiteren der wenigstens drei Stromkreise sind Leiterbahnen auf einer Innenlage oder mehreren Innenlagen ausgebildet, wobei eine Leiterbahn von wenigstens einem Stromkreis der wenigstens drei Stromkreise um einen ersten Außenschenkel herum gewunden ist und Leiterbahnen von wenigstens zwei weiteren Stromkreisen der wenigstens drei Stromkreise um den zweiten Außenschenkel herum gewunden sind.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass für
wenigstens zwei weitere Stromkreise der wenigstens drei Stromkreise Leiterbahnen auf ein und derselben Innenlage ausgebildet sind.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, für jede, auf einer Lage zum Ausbilden elektrischer Leiterbahnen
ausgebildete Leiterbahn zumindest mit einem Ende mit einer Durchkontaktierung elektrisch verbunden ist, die mit einer, auf einer anderen Lage angeordneten Anschlussverbindung zum elektrischen Kontaktieren der Leiterbahn elektrisch
verbunden ist.
Eine zweckmäßige Weiterbildung sieht vor, dass die
Durchkontaktierung durchgängig sowohl durch alle Lagen der Leiterplatte geführt und mit elektrisch leitfähigem
Material ausgekleidet ist.
Eine ergänzende oder alternative Weiterbildung sieht vor, dass ein vorgegebener minimaler Abstand einer Luft- und Kriechstrecke zwischen zwei Stromkreisen den minimalen Abstand zwischen der Durchkontaktierung eines Stromkreises und den Rändern der beiden Aussparungen festlegt.
Eine weitere ergänzende oder alternative Weiterbildung sieht vor, dass eine zu einer um einen Außenschenkel gewundenen Leiterbahn zugehörige Durchkontaktierung stets im Innern der um den Außenschenkel gewundenen Leiterbahn angeordnet ist.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltung sehen vor, dass für wenigstens einen der Stromkreise Leiterbahnen um beide Außenschenkel herum gewunden sind und/oder auf zwei
verschiedenen Lagen ausgebildet sind.
Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass der Planar-Transformator nach der Erfindung im Gehäuse eines Trennverstärkers integriert ist.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltung sehen vor, dass
wenigstens eine, auf einer Außenlage ausgebildete
Leiterbahn ein Schutzlack übergezogen ist und/oder der Kern in Bezug auf die galvanische Trennung der Stromkreise dem Potential der, auf einer Außenlage ausgebildeten Leiterbahn zuzuordnen ist.
Als Leiterplattentechnologie kommt folglich ein Standard- Multilayer-Lagenaufbau in Betracht, typischerweise
insbesondere mit 4 oder 6 Lagen. Die Dicken der
Isolationslagen sind je nach Isolationsanforderung gewählt. So kann es auch vorkommen, dass eine Isolationsschicht aus mehreren Teilschichten zusammengesetzt wird.
Bei einem solchen Lagenaufbau in Standard- Leiterplattentechnologie gibt es leitfähige Innen- und Außenlagen, die durch Isolationsschichten voneinander getrennt sind. Die Isolationsschichten können z.B. Kerne oder auch sogenannte „Prepregs" (vorimprägnierte Fasern) sein. Bevorzugt werden mittels Durchkontaktierungen (vias) durch alle Lagen hindurch Leiterbahnen eines gemeinsamen Stromkreises zwischen unterschiedlichen Lagen miteinander verbunden .
Besonders bevorzugt werden in Rahmen der Erfindung nur solche „normalen" Durchkontaktierungen verwendet. Es gibt jedoch auch andere Kontaktierungsmöglichkeiten, die z.B. nur von einer bestimmten Lage nach einer anderen, insbesondere zu der einen bestimmten Lage benachbarten Lage gehen. Solche Technologien sind jedoch in der Herstellung aufwendiger und also auch teurer.
Bei Einsatz der bevorzugten Standardtechnologie mit den Durchkontaktierungen durch alle Lagen, welche
Durchkontaktierungen folglich auch zweckmäßig durchgängig mit elektrisch leitfähigem Material ausgekleidet sind, berücksichtigt die Erfindung hierbei in zweckmäßige
Ausführung, dass gegebenenfalls auch Mindestabstände zu diesen Durchkontaktierungen eingehalten sind. Sollen z.B. bei einer Wicklung, die in einem 4-Lagen-Aufbau mit einer jeweiligen Teilwicklung auf der Außenlage 1 und auf der Außenlage 4 angeordnet ist, die beiden Teilwicklungen auf den Lagen 1 und 4 miteinander verbunden sein, so gehen die Durchkontaktierungen auch durch die Lagen 2 und 3. Somit hält eine andere Wicklung, die beispielsweise auf der
Innenlage 2 angeordnet ist, in praktischer Umsetzung der Erfindung einen Mindestabstand zu der Durchkontaktierung ein. Somit kann beispielsweise ein bestimmter Bereich auf der Leiterplatte nicht genutzt werden. Andersherum muss die erste Wicklung zu jeder Durchkontaktierung der zweiten Wicklung auch Sicherheitsabstände (Luft- und Kriechstrecke) einhalten, da jede Durchkontaktierungen für die zweite Wicklung zweckmäßig auch auf den Außenlagen präsent ist. Folglich ermöglicht die Erfindung mit möglichst wenigen
Lagen auszukommen, wobei der Lagenaufbau auch auf einen 4- , 5,-, 6-, 7-, 8- oder noch mehrlagigen Lagenaufbau
erweitert werden kann, und also zusätzliche Innenlagen und auch Isolationsschichten hinzugefügt werden. Ein weiterer relevanter Aspekt ist die bevorzugte
Verwendung eines Schutzlackes, insbesondere eines LötStopplackes . Werden auf Außenlagen Leiterbahnen zur Bildung von Windungen eines Stromkreises des Planar- Transfomators ausgebildet, kann es vorkommen, dass sich der Magnetkern in unmittelbarer Nähe dieser Leiterbahnen befindet. Zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung sehen sogar vor, dass Magnetkern direkt über diesen Leiterbahnen liegt bzw. sogar dort festgeklebt ist. Da der Magnetkern eine gewisse elektrische Leitfähigkeit aufweisen kann (wenn auch typischerweise schlecht) , und diese Leitfähigkeit aufgrund von resultierenden Wirbelströmen und Verlusten wiederum schlecht für Funktion ist, wird dieser Magnetkern im Rahmen der Erfindung nicht als Isolator betrachtet.
Damit der Kern die einzelnen Windungen einer Wicklung nicht direkt kurzschließen kann, wird somit bevorzugt Schutzlack, insbesondere ein Lötstopplack eingesetzt. Dieser sorgt für eine entsprechende Isolation der auf einer Außenlage angeordneten (Tei-) Wicklung gegenüber dem sich direkt darüber befindlichen Magnetkern. Da der Schutzlack häufig jedoch nur geringe Isolationseigenschaften aufweist, wird er im Rahmen der Erfindung nicht in die Berechnung der
Isolationseigenschaften einbezogen. Das führt dazu, dass der Magnetkern rechnerisch zweckmäßig auf das gleiche
Potential wie die auf einer Außenlage angeordnete (Tei- ) Wicklung gelegt wird. Dies führt dann wiederum dazu, dass auf beiden Außenlagen bevorzugt nur die Windungen einer einzigen Wicklung angebracht sind, da sich der Kern ja in unmittelbarer Nähe zu beiden Außenlagen befindet und die Isolationseigenschaften eines Schutzlackes in der Regel nicht ausreichen, um zwei Wicklungen gegeneinander zu isolieren. Wenn sich jedoch nur die Windungen einer
einzelnen Wicklung auf den Außenlagen befindet, wird das Potential des Magnetkerns im rahmen der Erfindung dieser Wicklung zugeordnet und es gibt auf beiden Außenlagen im Bereich des Kerns, der zugehörigen Löcher und der
Leiterbahnen auf der Außenlagen ein einziges Potential zu dem alle anderen Wicklungen entsprechende Luft- und
Kriechstrecken einhalten müssen. Dies wird in den
nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Wesentliche Vorteile und Merkmale der Erfindung können somit darin gesehen werden, dass mit wenigen Lagen (typ. 4, max . 6) und Standard-Leiterplattentechnologie und einem "einfachen" U-Kern sehr flexible Planar-Transformatoren mit vielen Wicklungen und individuellen Isolationsanforderungen generierbar sind. Somit ist es z.B. erstmals möglich, mit einem Kern und 4-Lagen Layout einen 4-fach Übertrager zu realisieren. Diese und weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden auch anhand der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ersatzschaltbild eines vier Stromkreise
umfassenden Transformators, Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Planar- Transformators nach der Erfindung zur Realisierung des Ersatzschaltbildes gemäß Fig. 1 und mit aus Darstellungsgründen transparent gehaltener Leiterplatte, Fig. 3 eine schematische Schnittansicht durch den Planar- Transformator gemäß Fig. 2,
Fig. 4 eine schematischen Detailausschnitt aus der
Schnittansicht gemäß Fig. 3,
Fig. 5 eine schematische Aufsicht entgegen der y-Richtung gemäß Fig. 2 auf eine, eine erste Außenlage der Leiterplatte bildende Leiterplattenlage des
Planar-Transformators gemäß Fig. 2,
Fig. 6 eine schematische Aufsicht entgegen der y-Richtung gemäß Fig. 2 auf eine, eine erste Innenlage der Leiterplatte bildende Leiterplattenlage des
Planar-Transformators gemäß Fig. 2,
Fig. 7 eine schematische Aufsicht entgegen der y-Richtung gemäß Fig. 2 auf eine, eine zweite Innenlage der Leiterplatte bildende Leiterplattenlage des
Planar-Transformators gemäß Fig. 2,
Fig. 8 eine schematische Aufsicht entgegen der y-Richtung gemäß Fig. 2 auf eine, eine zweite Außenlage der Leiterplatte bildende Leiterplattenlage des
Planar-Transformators gemäß Fig. 2, Fig. 9 eine schematische Aufsicht auf eine zu der
Anordnung gemäß Fign. 5 und 8 abgewandelte Ausbildung von auf den Außenlagen einer
Leiterplatte gewundenen Leiterbahnen im Rahmen der Erfindung, Fig. 10 ein Ersatzschaltbild eines drei Stromkreise
umfassenden Transformators,
Fig. 11 ein Ersatzschaltbild eines vier Stromkreise
umfassenden Transformators mit Mittelabgriff,
Fig. 12 eine erste schematische Ansicht eines Planar- Transformators nach der Erfindung zur Realisierung des Ersatzschaltbildes gemäß Fig. 11 und mit aus Darstellungsgründen transparent gehaltener Leiterplatte, Fig. 13 eine weitere schematische Ansicht des Planar- Transformators gemäß Fig. 12 mit transparent gehaltener Leiterplatte,
Fig. 14 eine schematische Schnittaufsicht durch den
Planar-Transformator gemäß Fig. 12,
Fig. 15 ein stark vereinfachtes Schaubild betreffend den
Einsatz eines Transformators innerhalb eines
Trennverstärkers zur galvanischen Trennung von Analogsignalen .
Alle Figuren zeigen schematische nicht maßstabsgerechte Darstellungen. Ähnliche oder identische Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Nachfolgend wird zunächst anhand der Figuren 1 bis 8 auf bevorzugte Ausführungsformen gemäß der Erfindung
detaillierter eingegangen.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines Planar-Transformators zur Energieübertragung gemäß der Erfindung soll z.B. das in Fig. 1 gezeigte Ersatzschaltbild eines Transformators realisieren .
Demgemäß soll hierbei die Wicklung eines ersten
Stromkreises 1 z.B. 10 Windungen umfassen und zur
Energieübertragung einen Primärkreis des Planar- Transformators zum Einspeisen von Strom bilden. Die
Wicklung eines zweiten Stromkreises 2 soll z.B. 4 Windungen umfassen und einen ersten Sekundärkreis des Planar- Transformators zum Abführen von Strom bilden. Die Wicklung eines dritten Stromkreises 3 soll hierbei z.B. 13 Windungen umfassen und einen zweiten Sekundärkreis des Planar- Transformators zum Abgreifen von Strom bilden. Gemäß Ersatzschaltbild nach Fig. 1 soll in einer zweckmäßigen Ausgestaltung darüber hinaus ferner ein vierter Stromkreis 4 z.B. eine Wicklung mit 13 Windungen umfassen und einen dritten Sekundärkreis des Planar-Transformators zum
Abführen von Strom bilden.
Im Uhrzeigersinn betrachtet und ausgehend von dem
Primärkreis (Stromkreis 1) hin zu den Sekundärkreisen
(Stromkreise 4, 2 und 3) ist somit ein 4-Wege-Transformator in dem Windungsverhältnis 10:13:4:13 zu realisieren.
Hierbei wird zur Energieübertragung Strom in einen „Weg" eingespeist und aus drei „Wegen" abgeführt, d.h. im Rahmen der Erfindung Energie von einem Primärkreis in drei
Sekundärkreise übertragen. Hierfür reicht eine
sandwichartig aufgebaute Leiterplatte mit 4 Lagen zum
Ausbilden elektrischer Leiterbahnen aus. Alle Windungen der Stromkreise sollen in bevorzugter Ausführung darüber hinaus für eine eigensichere Trennung von 300V nach DIN EN 61010 ausgelegt sein und eine PrüfSpannung von 3 kV aufweisen. Dies führt zu einer Luft- und Kriechstrecke LS von 5,2 mm zwischen allen 4 Wicklungen, also LS12 = LS13 = LS14 = LS23 = LS24 = LS34 = LS = 5,2 mm. Hierbei bezeichnet:
LS12 die Luft- und Kriechstrecke zwischen den Stromkreisen 1 und 2,
LS13 die Luft- und Kriechstrecke zwischen den Stromkreisen 1 und 3,
LS14 die Luft- und Kriechstrecke zwischen den Stromkreisen
1 und 4,
LS23 die Luft- und Kriechstrecke zwischen den Stromkreisen
2 und 3,
LS24 die Luft- und Kriechstrecke zwischen den Stromkreisen 2 und 4 und LS34 die Luft- und Kriechstrecke zwischen den Stromkreisen 3 und 4.
Mit den Buchstaben A bis F sind in Figur 1 jeweilige frei liegende Anschlussverbindungen zur elektrischen
Kontaktierung der Windungen von außen gekennzeichnet.
Ein zweckmäßiger Aufbau eines dem Ersatzschaltbild nach Fig. 1 entsprechenden Planar-Transformators zur
Energieübertragung nach der Erfindung ist den Figuren 2 bis 8 zu entnehmen. In Fig. 2 ist in schematischer Ansicht ein solcher Planar- Transformator nach der Erfindung im Ganzen mit dem
Bezugszeichen 100 belegt.
Der Planar-Transformator 100 zur Energieübertragung besitzt eine vertikale Ausdehnung, insbesondere entlang der mit Y gekennzeichneten Richtung gemäß Fig. 2, und eine
horizontale Ausdehnung, insbesondere entlang der mit xl gekennzeichneten Richtung und entlang der mit x2
gekennzeichneten Richtung gemäß Fig. 2.
Der Planar-Transformator 100 weist eine sandwichartig aufgebaute Leiterplatte 7 mit mindestens drei Lagen zum
Ausbilden elektrischer Leiterbahnen auf, wie insbesondere in den Fig. 3 bis 8 zu sehen. Eine erste und eine zweite dieser Lagen, z.B. gemäß Fig. 4 die Lagen LI und L2, bilden Außenlagen der Leiterplatte und jede weitere dieser Lagen, z.B. gemäß Fig. 4 die Lagen L3 und L4, eine Innenlage der Leiterplatte. Zwischen allen diesen Lagen ist jeweils ein geeignetes Isolationsmaterial mit einer bestimmten
Mindestdicke angeordnet, wobei die diesbezüglichen Lehren der DE 10 2012 003 364 AI und/oder der DE 10 2012 016 569 AI für den Offenbarungsgehalt im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit zum Wissen des Fachmann mit einbezogen sind.
Eine schematische Aufsicht entgegen der y-Richtung gemäß Fig. 2 auf die im vorliegenden Beispiel eine erste
Außenlage der Leiterplatte bildende Leiterplattenlage LI des Planar-Transformators ist in Fig. 5, eine schematische Aufsicht entgegen der y-Richtung gemäß Fig. 2 auf die im vorliegenden Beispiel eine erste Innenlage der Leiterplatte bildende Leiterplattenlage L3 des Planar-Transformators ist in Fig. 6, eine schematische Aufsicht entgegen der y-
Richtung gemäß Fig. 2 auf die im vorliegenden Beispiel eine zweite Innenlage der Leiterplatte bildende
Leiterplattenlage L4 des Planar-Transformators ist in Fig. 7 und eine schematische Aufsicht entgegen der y-Richtung gemäß Fig. 2 auf die im vorliegenden Beispiel die zweite Außenlage der Leiterplatte bildende Leiterplattenlage L2 des Planar-Transformators ist in Fig. 8 gezeigt.
Wie insbesondere den Fign. 2 bis 4 zu entnehmen, umschließt ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 5 gekennzeichneter magnetischer Kern zumindest teilweise den sandwichartigen Aufbau. Der magnetische Kern 5 ist aus zwei miteinander verbundenen, magnetischen Kernteilen zusammengesetzt, wobei ein erster Kernteil 5a mit einem Mittelteil 5m und zwei sich von diesem Mittelsteg erstreckenden Außenschenkeln 5sl und 5s2 eine U-Form ausbildet, wobei diese U-Form
insbesondere auch im Rahmen der Erfindung in eine C-Form oder V-Form übergehen kann. In der Leiterplatte 7 sind zwei Aussparungen 7a und 7b eingebracht und die beiden
Außenschenkel 5sl und 5s2 des ersten Kernteils sind in diese Aussparungen eingesetzt. Der zweite Kernteil 5b ist mit dem ersten Kernteil 5a an den vom Mittelsteg 5m
entfernten Enden der Außenschenkel 5sl und 5s2 verbunden. Der zweite Kernteil 5b weist im vorliegenden Beispiel gleichermaßen eine U-Form auf, so dass in diesem Fall die beiden Kernteile 5a und 5b zweckmäßig jeweils über deren vom Mittelteil entfernten Enden der Außenschenkel mit einander verbunden sind. Für den Fachmann ist es
ersichtlich, dass die Außenschenkel 5sl und 5s2 daher nicht vollständig die Aussparungen 7a und 7b durchdringen müssen, sondern jeweilige miteinander verbundene Außenschenkel auch innerhalb der sandwichartig aufgebauten Leiterplatte mit einander verbunden sein können, wie dies z.B. den Fign. 3 und 4 zu entnehmen ist. Alternativ kann der zweite Kernteil 5b z.B. auch lediglich einen länglichen Steg oder eine Platte aufweisen und in etwa eine I-Form ausbilden. In diesem Fall würden die beiden Kernteile 5a und 5b über die vom Mittelteil 5m entfernten Enden der Außenschenkel 5sl und 5s2 mit dem länglichen Steg des zweiten Kernteils miteinander verbunden sein, wobei dann die Außenschenkel 5sl und 5s2 zweckmäßig vollständig die Aussparungen 7a und 7b durchdringen. Den Fign. 2 bis 8 ist zu entnehmen, dass der dargestellte Planar-Transformator eine Anzahl von wenigstens drei
Stromkreisen 1, 2, 3 besitzt. Diese sind ferner jeweils voneinander galvanisch getrennt, gemäß vorstehenden
Ausführungen zu Fig. 1 in bevorzugter Ausführung
insbesondere eigensicher galvanisch getrennt. Ein erster Stromkreis 1 kann folglich einen Primärkreis bilden, ein zweiter Stromkreis 2 einen ersten Sekundärkreis und der dritte Stromkreis 3 einen zum ersten Sekundärkreis
gleichberechtigten zweiten Sekundärkreis, wobei der
magnetischer Kern 5 zumindest auf den ersten Stromkreis 1, auf den zweiten Stromkreis 2 und auf den dritten Stromkreis 3 wirkt. Über den Primärkreis kann folglich Strom eingespeist und über die gleichberechtigten Sekundärkreise jeweils ein Ausgangsstrom zum Zweck der Energieübertragung abgeführt werden, insbesondere Die Einspeisung und
Abführung erfolgt insbesondere über die frei liegende
Anschlussverbindungen zur elektrischen Kontaktierung der Windungen. Beim dem in den Fig. 2 bis 8 dargestellten
Planar-Transformator ist zur Umsetzung des
Ersatzschaltbildes gemäß Fig. 1 ferner ein vierter
Stromkreis 4 derart ausgebildet, dass er im vorliegenden Beispiel einen zu den ersten beiden Sekundärkreisen
weiteren gleichberechtigten Sekundärkreis bildet. Der magnetische Kern 5 wirkt in diesem Fall somit zumindest auf den ersten Stromkreis 1, auf den zweiten Stromkreis 2, auf den dritten Stromkreis 3 und auf den vierten Stromkreis 4. Für genau einen einzigen Stromkreis ist auf wenigstens einer der Außenlagen eine Leiterbahn ausgebildet, gemäß dargestellter Ausführungsform für den Stromkreis 1. Hierbei ist angemerkt, dass externe Zuleitungen auf Außenlagen, die z.B. auch als Leiterbahnen vorgesehen sind, die weit genug entfernt sind, nicht berücksichtigt werden, z.B. eine
Anschlusskontaktierung auf der Außenlage an
Durchkontaktierung (Via) 6-2 an Anschlussverbindung C.
Im Einzelnen sind im vorliegenden Beispiel die 10 Windungen der Wicklung dieses als Primärkreis dienenden Stromkreises 1 auf den beiden äußeren Lagen LI und L2 angeordnet. Fünf Windungen auf der Lage LI und fünf Windungen auf der Lage L2. Für die Anordnung der ersten fünf Windungen auf der Lage LI ist auf dieser eine Leiterbahn la entsprechend ausgebildet. Entsprechend ist für die anderen fünf
Windungen auf der Lage L2 eine Leiterbahn lb auf der Lage L2 ausgebildet. Die Leiterbahn la ist von der nach außen geführten Anschlussverbindung A (Fig. 5) zu einer Durchkontaktierung 6-1 geführt und die Leiterbahn lb ist von der Durchkontaktierung 6-1 zur nach außen geführten Anschlussverbindung B (Fig. 8) geführt. Die
Durchkontaktierung 6-1 führt von der Lage LI durch die gesamte Leiterplatte hindurch zur Lage L2 und ist der
Einfachheit halber zweckmäßig durchgängig mit elektrisch leitfähigem Material ausgekleidet. Beide Teilwicklungen, d.h. die fünf Windungen umfassende Teilwicklung auf der Lage LI und die fünf Windungen umfassende Teilwicklung auf der Lage L2, des Stromkreises 1 sind folglich über die Durchkontaktierung 6-1 miteinander über alle Lagen
miteinander verbunden und in Reihe geschaltet. Der
Stromkreis kann mit einer in den Figuren aus
Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellten, zum
Stromkreis 1 zugehörigen Schaltung an den nach außen geführten Anschlussverbindungen A und B elektrisch
kontaktiert werden, wobei der Stromfluss hierdurch zur Realisierung des Ersatzschaltbildes gemäß Fig. 1 z.B. von der Anschlussverbindung A in Richtung der
Anschlussverbindung B vorgegeben sei. Hierbei ist
angemerkt, dass der Stromfluss nicht zwangsläufig von A nach B gehen muss (Wechselsignale) . Die Punkte im
Ersatzschaltbild kennzeichnen nur den Wicklungssinn. Ist der Wicklungssinn gleichsinnig, ergibt eine positive
Signalflanke an einer Wicklung eine positive Flanke an der anderen Wicklung. Ist der Wicklungssinn gegensinnig, ergibt eine positive Signalflanke an einer Wicklung eine negative Flanke an der anderen Wicklung, und umgekehrt.
Ferner sind für alle weiteren Stromkreise der wenigstens drei Stromkreise, d.h. gemäß vorliegender Ausgestaltung für die Stromkreise 2, 3 und 4, Leiterbahnen auf einer
Innenlage oder mehreren Innenlagen ausgebildet. Gemäß dargestellter Ausführungsform sind für den Stromkreis 2 und 3 jeweils eine Leiterbahn 2a bzw. 3a z.B. jeweils auf der Lage L3 ausgebildet, wie auch der Fig. 6 zu entnehmen. Die Leiterbahn 2a des Stromkreises 2 ist hierbei auf der Lage L3 zwischen einer im Innern der durch die Leiterbahn
2a gebildeten Windungen angeordneten Durchkontaktierung 6-2 und der auf der Lage 3 nach außen geführten
Anschlussverbindung D geführt (Fig. 6) . Die Leiterbahn 3a des Stromkreises 3 ist hierbei zwischen einer im Innern der durch die Leiterbahn 3a gebildeten Windungen angeordneten Durchkontaktierung 6-3 und der auf der Lage 3 nach außen geführten Anschlussverbindung F (Fig. 6) geführt. Die
Durchkontaktierungen 6-2 und 6-3 sind der Einfachheit halber zweckmäßig durch die gesamte Leiterplatte von der Lage LI bis zur Lage L2 geführt und durchgängig mit
elektrisch leitfähigem Material ausgekleidet. Die
Leiterbahn 2a des Stromkreises 2 bildet ferner alle vier Windungen auf der Lage L3 aus, so dass die
Durchkontaktierung 6-2 ferner gleichzeitig eine
Anschlussverbindung C, z.B. auf einer der Außenlagen, bereitstellt. Der Stromkreis 2 kann mit einer weiteren in den Figuren aus Übersichtlichkeitsgründen nicht
dargestellten, zum Stromkreis 2 zugehörigen Schaltung an den Anschlussverbindungen C und D elektrisch kontaktiert werden, wobei der Stromfluss hierdurch zur Realisierung des Ersatzschaltbildes gemäß Fig. 1 dann z.B. von der
Anschlussverbindung C in Richtung der Anschlussverbindung D vorgegeben sei, wobei auch hierbei der Stromfluss wiederum nicht zwangsläufig von C nach D gehen muss. Die Leiterbahn 3a des Stromkreises 3 bildet ferner
lediglich elf Windungen auf der Lage L3 aus. Wie ferner aus den Figuren ersichtlich, sind bei der dargestellten Ausgestaltung darüber hinaus eine Leiterbahn von wenigstens einem Stromkreis der wenigstens drei
Stromkreise um einen ersten Außenschenkel herum gewunden und Leiterbahnen von wenigstens zwei weiteren Stromkreisen der wenigstens drei Stromkreise um den zweiten
Außenschenkel herum gewunden. Z.B. ist die Leiterbahn 2a des Stromkreises 2 um den Außenschenkel 5sl herum gewunden, der in die Aussparung 7a eingesetzt ist und die Leiterbahn la des Stromkreises 1 sowie die Leiterbahn 3a des
Stromkreises 3 um den Außenschenkel 5s2 herum gewunden, der in die Aussparung 7b eingesetzt ist.
Ferner sind gemäß dargestellter Ausführungsform für den Stromkreis 3 und 4 jeweils eine Leiterbahn 3b bzw. 4a z.B. jeweils auf der Lage L4 ausgebildet, wie auch der Fig. 7 zu entnehmen. Die Leiterbahn 3b des Stromkreises 3 ist hierbei auf der Lage L4 zwischen der auf der Lage L4 nach außen geführten Anschlussverbindung E und der Durchkontaktierung 6-3 geführt (Fig. 7) . Beide durch die Leiterbahnen 3a und 3b gebildeten Windungen bzw. Teilwicklungen des
Stromkreises 3 sind folglich über die Durchkontaktierung 6- 3 miteinander verbunden und in Reihe geschaltet. Der
Stromkreis 3 kann mit einer in den Figuren aus
Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellten zugehörigen Schaltung an den Anschlussverbindungen E und F elektrisch kontaktiert werden, wobei der Stromfluss hierdurch zur Realisierung des Ersatzschaltbildes gemäß Fig. 1 dann z.B. von der Anschlussverbindung E in Richtung der
Anschlussverbindung F vorgegeben sei, wobei auch hierbei der Stromfluss wiederum nicht zwangsläufig von E nach F gehen muss. Die Leiterbahn 4a des Stromkreises 4 ist zwischen einer im Innern der durch die Leiterbahn 4a gebildeten Windungen angeordneten Durchkontaktierung 6-4 und der auf der Lage L4 nach außen geführten Anschlussverbindung H (Fig. 7)
geführt. Die Leiterbahn 4a des Stromkreises 4 bildet somit alle vier Windungen auf der Lage L4 aus, so dass die
Durchkontaktierung 6-4 ferner gleichzeitig die
Anschlussverbindung G, z.B. auf einer der Außenlagen, bereitstellt. Der Stromkreis 4 kann mit einer weiteren in den Figuren aus Übersichtlichkeitsgründen nicht
dargestellten, zum Stromkreis 4 zugehörigen Schaltung an den Anschlussverbindungen G und H elektrisch kontaktiert werden, wobei der Stromfluss hierdurch zur Realisierung des Ersatzschaltbildes gemäß Fig. 1 dann z.B. von der
Anschlussverbindung G in Richtung der Anschlussverbindung H vorgegeben sei, wobei auch hierbei der Stromfluss wiederum nicht zwangsläufig von G nach H gehen muss.
Bei der Dimensionierung der Leiterbahnen ist bevorzugt einerseits darauf zu achten, möglichst breite Leiterbahnen zu verwenden, damit die ohmschen Verluste möglichst klein sind, andererseits sind die Leiterbahnen wiederum nicht zu breit zu auszubilden, so dass ein möglichst platzsparender Planar-Transformator realisierbar ist und Streufelder nicht zu groß werden. Bezüglich des Abstands zwischen zwei benachbarten Leiterbahnen wird grundsätzlich in der Regel der technologisch erlaubte Mindestabstand gewählt. Dies gilt auch für den Abstand der Leiterbahnen zu den Rändern, z.B. einer Fräskontur, der Aussparungen 7a und 7b. Dies trifft gemäß der Erfindung weiterhin für den Stromkreis zu, für den eine Leiterbahn auf wenigstens einer der Außenlagen ausgebildet ist, d.h. gemäß dargestellter Ausführungsform für den Stromkreis 1. Eine Leiterbahn auf einer Außenlage, und also gemäß der dargestellten Ausführung die Leiterbahnen la und lb auf den Außenlagen LI und L2 des Stromkreises 1, sind jedoch gemäß der Erfindung bevorzugt mit einem Schutzlack 10, z.B. einem Lötstopplack überzogen (vgl. Fig. 4), der eine Isolation zwischen der jeweiligen Leiterbahn einer Außenlage und dem jeweiligen, auf Seiten dieser Außenlage befindlichen
Bereich des Kernteils 5a bzw. 5b des Kerns 5 bereitstellt.
Die beiden Kernteile 5a und 5b sind ferner bevorzugt mittels eines Klebers 55 miteinander verklebt, wobei auch eine anderweitige Verbindung, z.B. ein Klammern möglich ist, und können im Bereich der Kontaktfläche einen
Luftspalt 50 aufweisen, der zweckmäßig jedoch gering zu halten ist. Ferner ist zweckmäßig zumindest eine der
Kernhälften an der Leiterplatte 7 durch Klebung befestigt, die Kernhälfte, wobei durch diese Klebung zunächst eine mechanische Stabilität erreicht wird und Vibrationen vermieden werden.
Ferner ist jedoch durch die Klebung des Magnetkerns 5 an die Leiterplatte 7 die Isolation zwischen den auf der entsprechenden Außenlage durch eine Leiterbahn
ausgebildeten Windungen, gemäß dargestellter Ausgestaltung somit insbesondere zwischen den Windungen lb und dem Kern 5b, sehr gering, da die Leiterbahnen auf der Lage L2 nur von dem Schutzlack 10 umgeben sind. Eine hohe
Spannungsfestigkeit des Schutzlacks kann jedoch nicht garantiert werden, da ein solcher Schutzlack in der Regel lediglich eine Dicke im Bereich von ca. ^ 5pm besitzt. Gemäß der Erfindung wird die Isolation durch den Schutzlack 10 daher für die Isolationen zwischen den Windungen
rechnerisch nicht mitberücksichtigt, und der Magnetkern 5 wird dem Potential der Windungen auf der äußeren Lage zugeordnet. Somit müssen die Windungen aller anderen
Stromkreise nicht nur die Luft- und Kriechstrecken LS12, LS13, LS14 zur Leiterbahn auf einer jeden äußeren Lage einhalten, sondern auch zu dem Magnetkern 5.
Bezogen auf die dargestellte Ausführung müssen somit die Leiterbahnen und die hierdurch gebildeten Windungen der Stromkreise 2, 3 und 4 nicht nur die Luft- und
Kriechstrecken LS12, LS13, LS14 zu den Leiterbahnen la und lb einhalten, sondern auch zu dem Magnetkern 5. Sind in der Leiterplatte gemäß bevorzugten Ausführungen durchgängig durch die Leiterplatte geführte Durchkontaktierungen vorgesehen, sind diese zusätzlich dem Potential der
jeweiligen Stromkreise, die diese Durchkontaktierungen beinhalten, zuzuordnen. Auch für derartige
Durchkontaktierungen müssen somit, zumindest in deren mit elektrisch leitfähigem Material ausgekleideten Bereichen, die Luft- und Kriechstrecken eingehalten sein.
Bei der dargestellten Ausgestaltung, bei welcher bevorzugt somit lediglich durch die gesamte Leiterplatte geführte und vollständig mit elektrisch leitfähigem Material
ausgekleidete Durchkontaktierungen 6-1, 6-2, 6-3 und 6-4 vorgesehen sind, muss demnach auch bei die Positionierung der Durchkontaktierungen 6-2, 6-3 und 6-4 durchgängig ein den Luft- und Kriechstrecken LS12, LS13, LS14 genügender
Abstand zu den Leiterbahnen la und lb und zu dem Magnetkern 5 eingehalten sein. Damit der Magnetkern 5 in den
Aussparungen bzw. Löchern 7a und 7b aufgrund von möglichen Toleranzen leicht unterschiedliche Anordnungen annehmen kann, sind diese Luft- und Kriechstrecken bei den Windungen alle Stromkreise, die nicht dem Potential der Windungen auf der äußeren Lage zugeordnet sind, d.h. gemäß dargestellter Ausgestaltung bei den Windungen der Stromkreise 2 bis 4, ferner zweckmäßig zu den Rändern der Aussparungen 7a und 7b eingehalten, da diese die begrenzenden „Barrieren" für den Magnetkern darstellen. Ist einer der beiden Kernteile lediglich als länglicher Steg oder als Platte ausgebildet, kann dieser hierdurch noch vergrößerte
Positioniertoleranzen zur Folge haben. So kann dieser Kernteil z.B. über die Aussparungen weiter hinausragen und kann es erforderlich machen, den Sicherheitsbereich um den Kern ggf. noch zusätzlich zu vergrößern. Die vorgenannten Luft- und Kriechstrecken sind dann zweckmäßig zu den über die Aussparungen weiter hinausragenden Kernteilenden eingehalten . Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung von Leiterbahnen für nur einen einzigen Stromkreis auf wenigstens einer der Außenlagen insbesondere derart, dass der Magnetkern 5 in Folge dem Potential dieses Stromkreises rechnerisch zu zuordnen ist, können folglich die Stromkreise 2 bis 4 und also deren Leiterbahnen bzw. Windungen nunmehr nicht mehr auf den Außenlagen platziert werden. Im darstellten
Beispiel sind diese Außenlagen durch den Stromkreis 1 blockiert, insbesondere durch die Leiterbahn lb des
Stromkreises 1 auf der Lage L2. Die gilt aus den genannten Gründen auch für den Außenschenkel 5sl in der Aussparung 7a, obwohl um diesen herum auf den Außenlagen keine
Leiterbahnen des ersten Stromkreises 1 angeordnet sind.
Folglich sind alle Leiterbahnen weiterer Stromkreise auf den Innenlagen verteilt. Da es sich bei dem
zusammengefügten Magnetkern um einen geschlossenen
magnetischen Kreis handelt, zumindest um einen im Wesentlichen geschlossenen magnetischen Kreis, können die Leiterbahnen zur Bildung der jeweiligen Windungen jedoch sowohl um den Schenkel 5sl mit dem zugehörigen Loch 7a als auch um den anderen Schenkel 5s2 mit dem zugehörigen Loch 7b platziert werden. Hierbei ist anzumerken, dass sich elektrisch und magnetisch leicht unterschiedliche
Eigenschaften ergeben können, je nachdem, ob sich
Leiterbahnen zweier unterschiedlicher Windungen direkt übereinander an einem Schenkel oder nebeneinander an unterschiedlichen Schenkeln gegenüberstehen. Während sich im ersten Fall eine höhere magnetische und kapazitive Kopplung einstellt, ist diese im nebeneinander angeordneten Fall etwas geringer. Diese Eigenschaften können
schaltungstechnisch jedoch im Rahmen des Fachwissens berücksichtigt werden. Im Rahmen der Erfindung wird daher hierauf nicht näher eingegangen. Es kann jedoch
beispielsweise sinnvoll sein, mehrere Sekundärseiten eines Sekundärkreises oder verschiedener Sekundärkreise, deren Taktflanken möglichst synchron sein müssen, direkt
übereinander zu platzieren. Direkt übereinander bedeutet hierbei im Rahmen der Erfindung, dass die entsprechenden Leiterbahnen auf unterschiedlichen Lagen weitgehend direkt übereinander geführt sind und/oder die entsprechenden Windungen auf unterschiedlichen Lagen um denselben
Außenschenkel gewunden sind. Je besser Sekundärkreise direkt übereinander platziert sind, desto optimaler ist die Kopplung .
Wie vorstehend bereit angesprochen, sind z.B. die dreizehn Windungen umfassende Wicklung des Stromkreises 3
asymmetrisch auf den beiden Innenlagen L3 und L4 um das
Loch 7b herum platziert, die dreizehn Windungen umfassende Wicklung des Stromkreises 4 auf der Innenlage L4 um das Loch 7a und die vier Windungen umfassende Wicklung des Stromkreises 2 auf der Innenlage L3 um das Loch 7a. Somit sind alle Lagen möglichst gut ausgenutzt und die ohmschen Widerstände der einzelnen Stromkreisendungen minimiert. Bei der in den Figuren 2 bis 8 dargestellten
Ausführungsform sind nunmehr, wie vorstehend aufgezeigt, die Leiterbahnen 3a und 3b zur Bildung der dreizehn
Windungen des Stromkreises 3 asymmetrisch auf die Lagen L3 und L4 verteilt und um das Loch 7b platziert. So werden die ersten elf Windungen auf der Lage L3, insbesondere
spiralförmig, angeordnet und zweckmäßig die innerste
Windung mit der Durchkontaktierung 6-3 verbunden. Da sich diese wiederum aufgrund der bevorzugten Technologie über alle Lagen erstreckt, sind auch die Außenlagen betroffen und es muss die Luft- und Kriechstrecke LS13 von hier 5,2 mm zu den Leiterbahnen la und lb der Windungen des
Stromkreises 1 auf den beiden Außenlagen LI und L2
eingehalten werden (vgl. auch Fign. 5, 8) . Aus diesem Grund sind alle elf, auf der Lage L3 angeordneten Windungen des Stromkreises 3 zweckmäßig so weit nach „außen gezogen", d.h. auch um die Durchkontaktierung 6-3 herum geführt.
Durch diese Maßnahme ergibt sich wiederum ein größeres Streufeld, das jedoch technisch berücksichtigt werden kann. An die Durchkontaktierung 6-3 sind ebenfalls die restlichen zwei Windungen des Stromkreises 3 angeschlossen, die mittels der Leiterbahn 3b auf Lage L4 platziert sind. Auch die Leiterbahn 3b bzw. die hierdurch gebildeten Windungen sind in zweckmäßiger Weise gleichermaßen um die
Durchkontaktierung 6-3 herum geführt. Wie bereits vorstehend angesprochen, sind bei einer
Ausgestaltung gemäß der Erfindung für die Leiterbahnen in praktischer Umsetzung die Isolationseigenschaften zu berücksichtigen. So sind die Leiterbahnen aller Stromkreise mit Windungen lediglich auf den Innenlagen nur so nah an die Löcher 7a und 7b, insbesondere deren Rändern oder deren Fräskonturen, platziert, dass der Mindestwert für die feste Isolierung jeweils eingehalten wird. Hierdurch darf der Magnetkern zweckmäßig Toleranz-bedingt theoretisch auch bis an die Grenze der Aussparungen 7a und/oder 7b heranreichen.
In vorliegenden Beispiel ist z.B. der Mindestwert für die feste Isolierung zwischen zwei, verschiedenen Stromkreisen zugehörigen Leiterbahnen auf der gleichen Innenlage mit x=0,4 mm vorgegeben. Werden noch Toleranzen bezüglich des Leiterbildes, z.B. von 0,1 mm, und der Aussparung, z.B. auch von 0,1 mm, hinzugerechnet, wird z.B. ein
Mindestabstand von xA=0,6 mm zu den Rändern, z.B. den
Fräskonturen, der Aussparungen 7a und 7b gewählt.
Folglich ist zwischen der Leiterbahnen 3a, 3b und dem Rand der Aussparung 7b ein Mindestabstand von xA13=XA=0,6 mm gegeben (vgl. Fign. 6, 7) . Ebenso muss gemäß zweckmäßiger Ausgestaltung der Durchkontaktierungen darauf geachtet werden, dass der Mindestabstand von x=0,4 mm auch zwischen den Leiterbahnen 3a, 3b und der Durchkontaktierung 6-1, welche dem Stromkreis 1 zuzuordnen ist, eingehalten. Die Toleranz einer Fräsung oder eines Aussparungsrandes spielt hierbei in der Regel keine Rolle. Zweckmäßig wird jedoch eine Toleranz des Leiterbildes, z.B. von 0,1 mm,
berücksichtigt und folglich ist zweckmäßig ein
Sicherheitsabstand z.B. von xl3=0,5 mm zwischen der
jeweiligen Windung 3a bzw. 3b und der Durchkontaktierung 6- 1 eingehalten (vgl. Fign. 6, 7) . Durch den Lagenaufbau und eine Isolationsschicht zwischen den Lagen LI und L3 mit einer Mindestdicke yl3 von z.B. 0,2 mm ist ferner sichergestellt, dass die Leiterbahn 3a nicht zu nah an die Leiterbahn la der Wicklung la heranreicht. Die Leiterbahn 3b auf der Lage L4 ist ähnlich zu der Lage L3 ausgebildet, jedoch mit dem Unterschied, dass zwei statt elf Windungen verwendet ausgebildet sind. Hier ist somit zweckmäßig ferner die Isolationsschicht zwischen den Lagen L2 und L4 mit einer Mindestdicke von y24=yl3 vorgesehen, so dass sichergestellt ist, dass auch die Leiterbahn 3b auf der Lage L4 nicht zu nah an die Leiterbahn lb auf der Lage L2 heranreicht.
Die Asymmetrie (11 bzw. 2 Windungen) des Stromkreises 3 begünstigt darüber hinaus die Bildung der Stromkreise 2 und 4, deren Leiterbahnen 2a bzw. 4a somit übereinander um den Außenschenkel 5sl und folglich und die Aussparung 7aherum gewunden werden können. Da hier nur zwei Innenlagen L3 und L4 für die Windungen zweier galvanisch getrennter
Stromkreise, insbesondere zweier eigensicher galvanisch getrennter Stromkreise zur Verfügung stehen, werden
vorteilhaft für die Windungen eines jeden Stromkreises nur eine Lage verwendet. Die Leiterbahn 4a zur Bildung der dreizehn Windungen des Stromkreises 4 wird somit komplett auf der Lage L4 ausgebildet, insbesondere spiralförmig, so dass alle 13 Windungen nebeneinander auf der Lage L4 platziert sind (vgl. Fig. 7) . Da im Zwischenraum zwischen den beiden Aussparungen 7a und 7b nur ein begrenzter Platz zur Verfügung steht, ragen die Windungen der Leiterbahn 4a relativ nahe an die Aussparung 7b heran. Auch aus diesem Grund ist für den Stromkreis 3 somit nur Platz für eine geringe Anzahl von Windungen auf der Lage L4 reserviert, im dargestellten Beispiel für die mit der Leiterbahn 3b gebildeten zwei Windungen des Stromkreises 3. Zwischen den Leiterbahnen 3b und 4a ist wiederum in zweckmäßiger
Ausgestaltung der Sicherheitsabstand von z.B. x34=0,5 mm (Mindestabstand zuzüglich einer Toleranz des Leiterbildes) eingehalten. Durch den Lagenaufbau ist ebenfalls wiederum sichergestellt, dass die Isolation mit der Dicke y34 zwischen der Lage L3 und L4 ausreichend ist, um die
einzelnen Stromkreise 2 und 4 sowie 3 und 4 galvanisch, und insbesondere auch eigensicher, voneinander zu trennen. Die Isolationsdicke y34 entspricht somit zweckmäßig der
Isolationsdicke yl3 und y24.
Die Durchkontaktierung 6-4, die zu dem Stromkreis 4 gehört, ist wiederum so weit vom Magnetkern 5, insbesondere von dem Rand der Aussparung 7a, und von den Leiterbahnen la und lb des Stromkreis 1 in x-Richtung (d.h. in xl- und x2-
Richtung) entfernt, dass die Luft- und Kriechstrecke von LS14 eingehalten wird. An der Durchkontaktierung 6-4 kann der Stromkreis 4 an einer der Lagen LI, L2 oder L3 mit der zugehörigen Schaltung kontaktiert werden, so dass die
Durchkontaktierung 6-4 die Anschlussverbindung G
bereitstellt .
Ferner ist zwischen der Leiterbahn 4a und dem Rand der Aussparung 7a zweckmäßig wiederum ein Mindestabstand von xA14=xA=0,6 mm gegeben und zwischen der Leiterbahn 4a und der Durchkontaktierung 6-2 ist zweckmäßig wiederum ein
Sicherheitsabstand z.B. von x24=0,5 mm eingehalten (vgl. Fig. 7) .
Die Dimensionierung der Leiterbahn 2a auf der Lage L3 für die Windungen des Stromkreises 2 ist bevorzugt ähnlich zu der Leiterbahn 4a für die Windungen des Stromkreises 4. Die Durchkontaktierung 6-2 ist somit wiederum so weit vom Loch 7a entfernt, dass die Luft- und Kriechstrecke LS12 = 5,2 mm eingehalten ist und, dass auch auf der Innenlage L4 der Abstand zwischen der Durchkontaktierung 6-2 und den
Leiterbahnen 4a der Windungen des Stromkreises 4 von bevorzugt x24 = 0,5 mm nicht unterschritten wird. Ferner ist zwischen der Leiterbahn 2a und dem Rand der Aussparung 7a zweckmäßig wiederum ein Mindestabstand von xA12=xA=0,6 mm gegeben und zwischen den Leiterbahnen 2a und 3a wiederum in zweckmäßiger Ausgestaltung der Sicherheitsabstand von z.B. x23=0,5 mm (Mindestabstand zuzüglich einer Toleranz des Leiterbildes) eingehalten.
Somit sind alle Stromkreise 1 bis 4 gemäß den
Isolationsanforderungen voneinander galvanisch getrennt, insbesondere auch eigensicher voneinander getrennt und der Planar-Transformator gemäß der Erfindung ist
fertiggestellt. Es sei darauf hingewiesen, dass auch
Mischform im Rahmen der Erfindung derart gegeben sein kann, dass die Stromkreise teilweise galvanisch voneinander getrennt und teilweise eigensicher voneinander getrennt angeordnet sein können.
Theoretisch sind somit im Rahmen der Erfindung bei
Verwendung von vier Lagen einer Leiterplatte zum Ausbilden elektrischer Leiterbahnen, einem Schutzlack, insbesondere Lötstopplack, auf einer auf einer Außenlage befindlichen Leiterbahn und normalen Durchkontaktierungen, d.h. durch die gesamte Leiterplatte hindurch geführten
Durchkontaktierungen mit durchweg ausgekleidetem
elektrischen Material, fünf galvanisch getrennte,
insbesondere auch eigensicher galvanisch getrennte
Stromkreise möglich. Zur Bildung von zugehörigen Windungen eines ersten Stromkreises ist entweder eine Leiterbahn auf einer Außenlage angeordnet oder es sind zwei Leiterbahnen auf beiden Außenlagen angeordnet.
Ferner kann, insbesondere auch aus Gesichtspunkten der optimalen Kupferausnutzung die Ausbildung von auf
Außenlagen ausgebildeten Leiterbahnen gegenüber den Fign. 5 und 8 nochmals verbessert werden. Sind bei den Fign. 5 und 8 auf den Außenlagen nur Windungen nur um die Aussparung 7b herum platziert, zeigt Fig. 9 eine abgewandelte oder alternative Ausführungsform, bei welcher weitere Windungen lc, ld des ersten Stromkreises 1 auch um die andere
Aussparung 7a geführt sind. Diese Windungen müssen dann vom Wicklungs- bzw. auch Windungssinn so angepasst sein, dass sich die magnetischen Flüsse im Kern gleichsinnig
überlagern. Dies bedeutet im konkreten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9, dass die durch die Leiterbahnen la und lb gebildeten Windungen und die durch die Leiterbahnen lc und ld gebildeten Windungen antiseriell verbunden sind, also die durch die Leiterbahn la gebildete Windung und die durch die Leiterbahn lc gebildete Windung elektrisch verbunden sind, welches durch die, zwischen den mit A x und B x gekennzeichneten Anschlussverbindungen gestrichelte Linie skizziert ist. Die grundlegenden Eigenschaften bleiben jedoch von dieser Maßnahme unberührt, jedoch müssen in diesem Fall ggf. die Leiterbahnen auf den Innenlagen und die Durchkontaktierungen 6-2 und 6-4 (vgl. Fig. 5 und 8) angepasst bzw. verschoben werden, da sich LS12 und LS14 verschieben und mindestens eine neue Durchkontaktierung 6- la hinzuzufügen ist (vgl. Fig. 9) . Z.B. sind gemäß einer Ausgestaltung nach Fig. 9 folglich für wenigstens einen der Stromkreise, d.h. im dargestellten Fall für den Stromkreis 1, Leiterbahnen und damit auch Windungen um beide Außenschenkel herum gewunden. Ferner sind in zweckmäßiger Ergänzung für diesen Stromkreis auch Leiterbahnen und damit auch Windungen auf zwei verschiedenen Lagen ausgebildet d.h. im dargestellten Fall auf den Lagen LI und L2.Für einen zweiten Stromkreis ist eine Leiterbahn zur Bildung von zugehörigen Windungen auf einer ersten Innenlage mit Windungen um einen ersten Außenschenkel, z.B. um den in die Aussparung 7a eingesetzten, angeordnet. Für einen dritten Stromkreis ist eine Leiterbahn zur Bildung von zugehörigen Windungen auf derselben Innenlage mit Windungen um den zweiten Außenschenkel des Magnetkerns, z.B. um den in die Aussparung 7b eingesetzten, angeordnet. Für einen vierten Stromkreis ist eine Leiterbahnen zur Bildung von
zugehörigen Windungen auf einer zweiten Innenlage mit
Windungen um den ersten Außenschenkel und für einen fünften Stromkreis ist eine Leiterbahnen zur Bildung von
zugehörigen Windungen auf derselben zweiten Innenlage mit Windungen um den zweiten Außenschenkel des Magnetkerns angeordnet .
Kann in Abwandlung zum Ersatzschalbild gemäß Fig. 1 z.B. auf den Stromkreis 4 verzichtet werden und sollen also nur drei Stromkreise beispielsweise gemäß Fig. 10 ausgehend von einer Primärwindung (Stromkreis 1) hin zu zwei
Sekundärwindungen (Stromkreise 2 und 3) in dem
Windungsverhältnis 11:12:12 realisiert werden, können hierfür im Rahmen der Erfindung bereits drei Lagen einer Leiterplatte zum Ausbilden elektrischer Leiterbahnen ausreichend sein. Basierend auf dem Ersatzschalbild gemäß Fig. 10 kann z.B. für einen ersten Stromkreis der
wenigstens drei Stromkreise 1, 2, 3 eine Leiterbahn auf wenigstens einer der Außenlagen ausgebildet sein. Die hiermit gebildeten Windungen können um einen ersten Außenschenkel und/oder um den zweiten Außenschenkel des Magnetkerns herum gewunden sein.
Für die verbleibenden zwei Stromkreise kann somit jeweils eine Leiterbahn auf der dann einzigen Innenlage ausgebildet sein, wobei dann die Leiterbahn des einen Stromkreises der verbleibenden zwei Stromkreise um einen ersten
Außenschenkel herum gewunden ist und die Leiterbahn des anderen Stromkreises der verbleibenden zwei Stromkreise um den zweiten Außenschenkel herum gewunden ist. Aufgrund der Anzahl der in Fig. 10 angegebenen Windungen besitzt ein hierauf basierter Planar-Transformator mit lediglich drei Lagen jedoch eine etwas größere horizontale Ausdehnung, da entweder jeweils zwölf Windungen der Stromkreise 2 und 3 auf der Innenlage angeordnet sind oder elf Windungen des Stromkreises 1 und zwölf Windungen des Stromkreises 2 oder 3 auf der Innenlage angeordnet sind. Die Windungen des jeweils verbleibenden Stromkreises sind auf einer Außenlage oder beiden Außenlagen angeordnet.
Die weiteren generellen Eigenschaften eines solchen Planar- Transformators sind identisch zu dem vorher Beschriebenen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform gemäß der Erfindung wird noch anhand der Figuren 11 bis 14 beschrieben und basiert auf z.B. auf dem Ersatzschaltbild gemäß Fig. 11. Basierend auf dem Ersatzschalbild gemäß Fig. 11 soll ein Planar-Transformator mit vier Stromkreisen 1, 2, 3 und 4 realisiert werden, wobei z.B. einer der Stromkreise 1, 4 und 3 der Primärkreis ist und die restlichen Stromkreise wiederum untereinander gleichberechtigte Sekundärkreise sind .
Auch bei einem dieses Ersatzschaltbild realisierenden
Planar-Transformator nach der Erfindung sind die generellen Eigenschaften identisch zu dem vorher Beschriebenen, so dass wiederum nur auf die Unterschiede eingegangen wird.
Eine Besonderheit ist z.B., dass es unterschiedliche
Isolationsvorschriften gibt. Aus Gründen der Einfachheit entsprechen zwar die Isolationsvorschriften für die
Stromkreise 1, 2 und 3 denen des Planar-Transfomators gemäß den Fig. 1 bis 8, jedoch soll der Stromkreis 4 mit den Anschlussverbindungen G und H für eine sichere Trennung von mehr als 300 V, z.B. von 1000 V ausgelegt sein. Dies hat in diesem konkreten Zusammenhang zur Folge, dass die Luft- und Kriechstrecken von LS14, LS24 und LS34 vergrößert sind, z.B. auf 11,2 mm, wohingegen für alle anderen Luft- und Kriechstrecken z.B. wiederum ein Abstand von 5,2 mm
einzuhalten ist. Ferner sind dann in Bezug auf den
Stromkreis 4 auch die horizontalen und vertikalen
Anforderungen an die feste Isolierung gestiegen, wohingegen in Bezug auf alle andere Stromkreise wiederum die
horizontalen und vertikalen Anforderungen an die feste Isolierung der Ausführungsform gemäß den Fign. 1 bis 8 entsprechen.
Ein weiterer Unterschied ist z.B., dass gemäß Darstellung für den Stromkreis 2, zusätzlich ein Mittelabgriff bzw. eine mittlere Anschlussverbindung C x gegeben sein soll.
Um dennoch eine flache Bauform mit einem Planar- Transformator nach der Erfindung mit einer weiterhin guten Wärmeabführung zu realisieren, ist gemäß den Figuren 12 bis 14 der zu realisieren, so dass der Transformator
beispielsweise in Geräte mit geringer Bauhöhe integriert werden kann, sind um einen Schenkel bevorzugt lediglich die Windungen des Stromkreises 4 gewunden und die Windungen aller weiteren Stromkreise sind um den anderen Schenkel gewunden, wobei keine der Windungen dieser weiteren
Stromkreise direkt über- oder unterhalb der Windungen des Stromkreises 4 angeordnet sind. Hierdurch kann die gesamte Bauhöhe weiterhin gering gehalten werden, trotz der
erhöhten vertikalen Anforderungen in Bezug auf Stromkreis 4 und die Wärmeentwicklung im gesamten horizontalen und vertikalen Bereich des Stromkreises 4 ist allein durch diesen begründet. Ferner ist für eine nochmals verbesserte Wärmeabführung der Stromkreis 4 zweckmäßig auf Innenlagen verteilt, so dass auf einer Außenlage oder mehreren
Außenlagen die Windungen eines weiteren Stromkreises angeordnet sind, wodurch insbesondere diese Windungen über eine direkte Wärmeabgabe an die Umgebungsluft nochmals zur verbesserten Wärmeabführung beitragen können.
Gewählt ist hierauf basierend eine sandwichartige
Leiterplatte 7 mit sechs Lagen LI bis L6 zur Ausbildung elektrischer Leiterbahnen (vgl. Fig. 12 bis 14) . Die
Leiterplatte ist somit insgesamt etwas dicker als bei der Ausführungsform gemäß den Fign. 1 bis 8. Zweckmäßig sind die Windungen des Stromkreises 4 auf den innersten zwei Lagen L4 und L5 ausgebildet und keine der Windungen der weiteren Stromkreise ist direkt über- oder unterhalb der Windungen des Stromkreises 4 angeordnet. Z.B. ist eine erste Leiterbahn 4a zur Bildung von 5 Windungen des
Stromkreises 4 auf der Lage L4 um die Aussparung 7a und eine zweite Leiterbahn 4b zur Bildung von 5 Windungen des Stromkreises 4 auf der Lage L5 ebenfalls um die Aussparung 7a angeordnet (vgl. Fig. 14) . Mit der erhöhten vertikalen Anforderung in Bezug auf den Stromkreis 4 ist dann z.B. ein vergrößerter Abstand lediglich zwischen den Lagen LI und L4 sowie zwischen den Lagen L5 und L2 von jeweils yl4 einzuhalten. Da die
vertikalen Anforderung in Bezug auf die übrigen Stromkreise denen gemäß Ausführungsform nach den Fign. 1 bis 8
entsprechen, sind zwischen den anderen Lagen wiederum jeweils nur Abstand von z.B. 0,2 mm einzuhalten. Die Dicke der gesamten Leiterplatte 7 ist somit durch zwei Mal den vergrößerten Abstand yl4 und ein Mal den geringeren Abstand von z.B. 0,2mm vorgegeben oder durch fünf Mal den
geringeren Abstand von jeweils von z.B. 0,2mm, sofern nach Beispiel 0,4 mm für yl4 ausreichend sind.
Da sich in Bezug auf den Stromkreis 4 auch die Luft- und Kriechstrecken von LS14, LS24 und LS34 vergrößern begründet dies die weite Entfernung der die Leiterbahnen 4a und 4b elektrisch miteinander verbindenden Durchkontaktierung 6-4. von dem Loch 7a. Sind z.B. die Windungen der Stromkreise 1 auf wenigstens einer der Außenlagen angeordnet, entspricht diese weite Entfernung der die Leiterbahnen 4a und 4b elektrisch miteinander verbindenden Durchkontaktierung 6-4. von dem Loch 7a der Luft- und Kriechstrecke LS14. Da auch die horizontalen Anforderungen an die feste Isolierung in Bezug auf den Stromkreis 4 gestiegen sind, ist auch der Abstand der Leiterbahnen 4a und 4b des Stromkreises 4 von dem Rand der Aussparung 7a größer als zuvor. Sind die
Windungen der Stromkreise 1 auf wenigstens einer der
Außenlagen angeordnet, so kann dieser Abstand der
Leiterbahnen 4a und 4b des Stromkreises 4 von dem Rand der Aussparung 7a entsprechend den Ausführungen zur
Ausgestaltung nach den Fign. 1 bis 8 mit xA14
gekennzeichnet werden (vgl. Fig. 13) . Allerdings können bei Einsatz von sechs Lagen auch die Windungen der Stromkreise 1, 2 und 3 jeweils auf zwei Lagen verteilt werden, welches wiederum die benötigte horizontale Ausdehnung reduziert. Sind z.B. die Leiterbahnen des
Stromkreises 1 auf die beiden Außenlagen LI und L2
verteilt, können die Leiterbahnen des Stromkreises 2 z.B. auf die beiden Lagen L3 und L4 und die Leiterbahnen des Stromkreises 3 z.B. auf die beiden Lagen L5 und L6 verteilt sein, insbesondere von der Anzahl her jeweils möglichst gleich verteilt sein. Das innere Ende einer jeden Windung des Stromkreises 1 und 3 ist dann wiederum zweckmäßig mit einer Durchkontaktierung 6-1 bzw. 6-3 elektrisch verbunden, an welche wiederum eine auf einer anderen Lage nach außen geführte, jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht explizit dargestellte Anschlussverbindung gelegt ist. In den Bezug des Stromkreises 2 sind aufgrund des geforderten Mittelabgriffs C x zwei Durchkontaktierungen 6-2-1 und 6-2-2 mit den Windungen elektrisch verbunden, so dass hierüber nicht nur eine, aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht explizit dargestellte Anschlussverbindung nach außen geführt ist, sondern auch der Mittelabgriff C x auf einer anderen Lage nach außen bereitgestellt werden kann. Die Gesamtfläche der Leiterbahnen, insbesondere Kupfer- Leiterbahnen, und damit die Menge an wärmeaufnehmenden und wärmeabführenden Material kann folglich wiederum größer bei ansonsten gleichen Dimensionen des Planar-Transformators insgesamt als beim Stand dimensioniert werden
Theoretisch sind mit dieser bei bevorzugten
Ausführungsformen eingesetzten Technologie, d.h. mit einer sandwichartigen Leiterplatte 7 mit sechs Lagen LI bis L6 zur Ausbildung elektrischer Leiterbahnen, Schutzlack und normalen Durchkontaktierungen neun galvanisch getrennte, insbesondere auch eigensicher getrennte Stromkreise
realisierbar .
Zur Bildung von zugehörigen Windungen eines ersten
Stromkreises ist entweder eine Leiterbahn auf einer
Außenlage angeordnet oder es sind zwei Leiterbahnen auf beiden Außenlagen angeordnet. Zur Bildung von zu vier weiteren Stromkreisen gehörenden Windungen können die vier Innenlagen um einen ersten Außenschenkel des Magnetkerns und zur Bildung weiterer zu vier weiteren Stromkreisen gehörenden Windungen können dieselben vier Innenlagen um den zweiten Außenschenkel des Magnetkerns genutzt werden.
Theoretisch sind folglich mit dieser Technologie, d.h. mit einer sandwichartigen Leiterplatte 7 mit einer Mehrzahl von N Lagen zur Ausbildung elektrischer Leiterbahnen,
Schutzlack und normalen Durchkontaktierungen ((N-2)*2)+l galvanisch getrennte, insbesondere auch eigensicher
getrennte Stromkreise realisierbar.
In der Praxis wird man jedoch bevorzugt mehrere Innenlagen zusammenfassen, um geringere Kupferverluste zu ermöglichen. Ein Planar-Transformator gemäß der Erfindung kann somit in bevorzugter Ausführung innerhalb eines Trennverstärkers, insbesondere im Gehäuse eines Trennverstärkers integriert sein, welches in den Figuren jedoch aus Gründen der
Übersichtlichkeit nicht weiter dargestellt ist. Bezugszeichenliste
1, 2, 3, 4 Stromkreis bzw. Potentialgruppe bzw.
Wicklung des Transformators; la, lb, 2a, 2b,
3a, 3b, 4a, 4b Leiterbahnen; A, A' , B, B' , C, C ,
D, E, F, G, H Anschlussverbindungen zur elektrischen
Kontaktierung; 5 magnetischer Kern;
5a erster Teil des magnetischen Kerns;
5b zweiter Teil des magnetischen Kerns;
5m Mittelteil des ersten Teils des
magnetischen Kerns; 5sl, 5s2 Außenschenkel des ersten Teils des magnetischen Kerns;
6-1,, 6-la, 6-2, 6-2-1,
6-2-3, 6-3, 6-4a Durchkontaktierungen; 7 Leiterplatte; 7a, 7b Aussparungen in der Leiterplatte;
LI, L2, L3, L4
L5, L6 Lagen zur Ausbildung von
Leiterbahnen;
LS Luft- und Kriechstrecken; x, y Isolierabstände innerhalb des
Isolationsmaterials zwischen zwei verschiedenen Stromkreisen; Isolierabstände innerhalb des
Isolationsmaterials zwischen einem Stromkreisen und dem Rand einer
Aussparung; erfindungsgemäßer Planar-Transformator

Claims

Patentansprüche
1. Planar-Transformator (100) zur Energieübertragung mit einer vertikalen Ausdehnung und einer horizontalen
Ausdehnung aufweisend
- eine sandwichartig aufgebaute Leiterplatte mit mindestens drei Lagen zum Ausbilden elektrischer
Leiterbahnen, wobei eine erste (LI) und eine zweite (L2) dieser Lagen Außenlagen der Leiterplatte bilden und jede weitere dieser Lagen eine Innenlage der Leiterplatte bildet, und wobei zwischen allen diesen Lagen jeweils ein Isolationsmaterial mit einer Mindestdicke angeordnet ist,
- eine Anzahl von wenigstens drei jeweils voneinander galvanisch getrennten Stromkreisen (1, 2, 3), wobei ein erster Stromkreis (1) einen Primärkreis bildet, ein zweiter Stromkreis (2) einen ersten Sekundärkreis und jeder weitere Stromkreis (3) einen weiteren gleichberechtigten
Sekundärkreis des Planar-Transformators (100) bildet, und wobei zur Energieübertragung über den Primärkreis Strom eingespeist und über die Sekundärkreise jeweils ein
Ausgangsstrom abgeführt wird,
- ein magnetischer Kern (5) , der zumindest teilweise den sandwichartigen Aufbau umschließt und zumindest auf den ersten Stromkreis (1), auf den zweiten Stromkreis (2) und auf den dritten Stromkreis wirkt;
- wobei der magnetische Kern (5) aus zwei miteinander verbundenen, magnetischen Kernteilen (5a, 5b)
zusammengesetzt ist, wobei ein erster Kernteil (5a) mit einem Mittelteil (5m) und zwei Außenschenkeln (5sl, 5s2) eine U-Form ausbildet, und wobei die Leiterplatte zwei
Aussparungen (7a, 7b) aufweist und die beiden Außenschenkel des ersten Kernteils in diese Aussparungen eingesetzt und an deren, vom Mittelteil entfernten Enden mit dem zweiten Kernteil verbunden sind,
- wobei für genau einen einzigen Stromkreis (1) der wenigstens drei Stromkreise (1, 2, 3) eine Leiterbahn auf wenigstens einer der Außenlagen ausgebildet ist und für alle weiteren der wenigstens drei Stromkreise (1, 2, 3) Leiterbahnen auf einer Innenlage oder mehreren Innenlagen ausgebildet sind - und wobei eine Leiterbahn von wenigstens einem
Stromkreis (2) der wenigstens drei Stromkreise (1, 2, 3) um einen ersten Außenschenkel herum gewunden ist und
Leiterbahnen von wenigstens zwei weiteren Stromkreisen (1, 3) der wenigstens drei Stromkreise (1, 2, 3) um den zweiten Außenschenkel herum gewunden sind.
2. Planar-Transformator nach Anspruch 1, wobei für
wenigstens zwei weitere Stromkreise (2, 3) der wenigstens drei Stromkreise (1, 2, 3) Leiterbahnen auf ein und
derselben Innenlage ausgebildet sind.
3. Planar-Transformator nach Anspruch 1 oder 2, wobei für jede, auf einer Lage zum Ausbilden elektrischer
Leiterbahnen ausgebildete Leiterbahn zumindest mit einem Ende mit einer Durchkontaktierung elektrisch verbunden ist, die mit einer, auf einer anderen Lage angeordneten
Anschlussverbindung zum elektrischen Kontaktieren der
Leiterbahn elektrisch verbunden ist.
4. Planar-Transformator nach Anspruch 3, wobei die
Durchkontaktierung durchgängig sowohl durch alle Lagen der Leiterplatte geführt und mit elektrisch leitfähigem
Material ausgekleidet ist.
5. Planar-Transformator nach Anspruch 3 oder 4, wobei ein vorgegebener minimaler Abstand einer Luft- und
Kriechstrecke zwischen zwei Stromkreisen den minimalen Abstand zwischen der Durchkontaktierung eines Stromkreises und den Rändern der beiden Aussparungen festlegt.
6. Planar-Transformator nach Anspruch 3, 4 oder 5, wobei eine zu einer um einen Außenschenkel gewundenen Leiterbahn zugehörige Durchkontaktierung stets im Innern der um den Außenschenkel gewundenen Leiterbahn angeordnet ist.
7. Planar-Transformator nach einem der vorstehenden
Ansprüche, wobei für wenigstens einen der Stromkreise Leiterbahnen um beide Außenschenkel herum gewunden sind und/oder auf zwei verschiedenen Lagen ausgebildet sind.
8. Planar-Transformator nach einem der vorstehenden
Ansprüche, wobei dieser im Gehäuse eines Trennverstärkers integriert ist.
9. Planar-Transformator nach einem der vorstehenden
Ansprüche, wobei wenigstens eine, auf einer Außenlage ausgebildete Leiterbahn ein Schutzlack übergezogen ist und/oder der Kern in Bezug auf die galvanische Trennung de Stromkreise dem Potential der, auf einer Außenlage ausgebildeten Leiterbahn zuzuordnen ist.
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