WO2019038329A1 - Elektrisches modul mit einem planartransformator - Google Patents

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electrical module
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Peter Scholz
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Phoenix Contact Gmbh & Co.Kg
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Definitions

  • the invention relates to an electrical module with a planar transformer.
  • Planar transformers also called planar transformers, are used, among other things, for the electrical isolation of circuits, with a planar transformer being a special feature of a transformer, which is characterized by its particularly flat design. Planar transformers can have a height in the
  • Millimeter Rail are preferably used in electrical modules or electrical devices that are designed to be particularly compact in terms of their geometric dimensions.
  • planar transformers can transmit energy, signals and / or data. Due to the transformer characteristic also circuits with different AC voltage levels can be interconnected.
  • planar transformer or a planar transformer is described, which is designed particularly flat. This is achieved by arranging the individual windings of the planar transformer side by side in a plane instead of as usual. As a result, the overall height of the planar transformer can be further reduced.
  • Low profile planar transformers are particularly suitable for use on narrow, low profile electrical equipment. Such an electrical device is for example a buffer amplifier.
  • a major challenge with narrow electrical devices, such as isolation amplifiers, is to make good use of the available volume within a housing in order to be able to arrange as many components as possible with the required spacing and associated interconnects.
  • the available height inside the housing is particularly relevant for the assembly of printed circuit boards or boards, as the
  • Limits of the housing specify a maximum placement height.
  • buffer amplifiers are often sized for industrial applications.
  • sensors connected to the isolating amplifiers can also be used in potentially explosive areas. Therefore, the isolation amplifiers used for this purpose are according to relevant standards, e.g. according to DIN EN 60079-11, designed and dimensioned.
  • relevant standards e.g. according to DIN EN 60079-11, designed and dimensioned.
  • Table 5 of DIN EN 60079-11 e.g. Version EN 60079-11: 2012, Table 5 of which is based on the table of attached Figure 9.
  • Table 5 specifies minimum values for clearances and creepage distances as well as separation distances, which must be adhered to at air-isolated and solids-isolated distances in order to maintain a certain level of protection or a voltage class.
  • the separation distance in solid insulation in protection level ia, ib is at least one millimeter (1.0 mm ) must be.
  • This value is also referred to as "separation distance" or "TO".
  • the predetermined separation distances TO specify minimum distances and must always be adhered to in the components of an electrical device used. This also applies, for example, to conductor tracks 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 an insulating layer in between). Accordingly, the requirements of the Separation distances TO for isolating amplifiers or its transformers are met if they are to be dimensioned according to the corresponding standard.
  • the intrinsic safety criterion dictates a certain minimum thickness of a printed circuit board for a transformer. However, one generally wants to keep the thickness of the printed circuit board as low as possible in order to make the best possible use of the limited space within a housing for equipping the printed circuit board with components, in particular for exploiting the maximum possible
  • the invention accordingly proposes an electrical module with a planar transformer, wherein the electrical module has a housing with an interior space. The interior of the housing has an internal height. Furthermore, the electrical module has a main printed circuit board with a first thickness, wherein at least one electronic component is arranged on the main printed circuit board. It is further provided that the planar transformer is arranged on an additional printed circuit board with the second thickness, wherein the main printed circuit board has a recess which receives the additional printed circuit board.
  • the main circuit board and the additional circuit board are connected to each other via a connection. Furthermore, both the main circuit board and the additional circuit board may each have a plurality of electrically conductive and electrically insulating layers.
  • a "printed circuit board” (printed circuit board, PCB) is understood to mean a carrier for electronic components.
  • a main circuit board and one or more additional circuit boards may be arranged in a common housing.
  • the housing protects the internal structure of the electrical module.
  • the housing may, for example, be cuboid or have any geometric shape that allows to arrange the components of the electrical module within an interior of the housing.
  • the interior in this case has a geometric extension with a height, width and depth, wherein these sizes do not have to have the same extent at all points within the housing, ie, the housing may differ for example from a rectangular base or cuboid geometry.
  • electrical module is to be understood in the following to mean that an electrical module can be part of a more complex electrical device, whereby the electrical module is a closed unit with its own housing understand that may have interfaces for electrical and / or mechanical contact with other modules or electrical equipment. Furthermore, an electrical module may be part of an electrical device. Furthermore, it may also be possible for a plurality of modules to be combined to form an overall unit, for example by juxtaposing individual module housings on a common electrical rail or by electrically interconnecting the modules with one another to form a larger unit, for example an electrical device.
  • the inventively proposed module preferably has a housing height PI or total thickness in the vertical direction in the millimeter range of, for example, about 0.5 cm to about 1.8 cm or more, but not more than a few centimeters, preferably less than two centimeters.
  • housing heights for example, about 3 mm to about 5 mm possible. Accordingly remain in the interior of the housing as assembly height PO, for example, 4.5 mm to about 1.6 cm, due to a wall thickness of the housing.
  • assembly height PO for example, 4.5 mm to about 1.6 cm, due to a wall thickness of the housing.
  • the term "assembly height" is understood to mean the expansion of the module in the orthogonal direction with respect to an arranged printed circuit board inside the housing
  • a mounting height can be present on both sides of the printed circuit board, i.e. from the respective surface of the printed circuit board
  • the housing shape of the electrical module is preferably formed cuboid, so that there is a constant assembly height along the main circuit board.
  • the circuit board has, for example, a thickness HO of 1 mm.
  • Printed circuit board thickness HO of the enclosure height PI remains mounting heights P01 and P01 on the two sides of the PCB, whereby the assembly heights can be smaller than 2 mm. It is envisaged that the planar transformer is not received directly on the main circuit board of the electrical module, but is arranged on an additional circuit board. For this purpose, the main circuit board has a recess, wherein in this Recess the additional circuit board is arranged. In this way, the
  • Main circuit board to be replaced in a predetermined area by the additional circuit board is replaced in a predetermined area by the additional circuit board.
  • An integration of the additional printed circuit board in the surface of the main circuit board has the advantage that the space in the interior of the housing of the electrical module is used compactly to arrange further mechanical component elements, such as connectors, and electrical components and the planar transformer therein.
  • the use of an additional circuit board has the advantage that insulation requirements can be met, even if the main circuit board for this purpose does not have a sufficiently large thickness.
  • the main circuit board may have a minimum first thickness to the mechanical
  • planar transformer to ensure. Therefore, the planar transformer can not be integrated into the module without additional measures and is arranged on the additional printed circuit board.
  • the additional printed circuit board has a minimum thickness in order to ensure the desired level of protection of the planar transformer. It is in addition to the mechanical requirements also electrically in relation to a required
  • Main circuit board and the additional circuit board is stepped.
  • a stage can improve a mechanical fixation because the geometry of the stage
  • connection itself is part of the main circuit board and / or the additional circuit board. This means that in such a case, no further component is used to connect between the main circuit board and the auxiliary circuit board
  • a step-shaped geometry has the advantage that a support surface or a contact surface is provided by the step, depending after which layer has the step in the interior of the housing.
  • step is to be understood as meaning a geometry which has a first surface with a first orientation and a second surface with a second orientation, wherein the first and the second surface are arranged at right angles or nearly at right angles to each other
  • one of the surfaces of the staircase geometry is aligned parallel to a surface of one of the circuit boards, and advantageously one of the surfaces of the staircase geometry is oriented perpendicular to a surface of one of the circuit boards.
  • connection is formed by a step on the main circuit board.
  • the stage may be designed such that the additional printed circuit board is supported on the main circuit board and the stage also serves as a mechanical stop for the additional printed circuit board.
  • connection is formed by a step on the additional printed circuit board.
  • Main circuit board a stepped geometry in their edge regions, so the step-shaped geometries of the two printed circuit boards can be an interlocking
  • connection has an oblique contact surface.
  • the oblique contact surface can be formed, for example, in an edge region of the main printed circuit board and / or the additional printed circuit board.
  • connection is linear.
  • a “line connection” is a connection to understand that has a small contact surface and is ideally formed from a line in three-dimensional view. This line appears as a point in a cross-sectional view and provides a connection between the main board and the auxiliary board.
  • the punctiform connection in sectional view can be described in a three-dimensional view as a linear connection or contact line with any position in space.
  • Such a contact line can be present as a mechanical and / or electrical connection, for example as
  • Deep milling be provided, wherein the electrical contact can be made by metallization of the deep milling.
  • a line-shaped connection in particular in the form of an electrical connection, by, for example
  • connection is both an electrical and a mechanical connection.
  • connection may provide mechanical stability and electrical connection between the main circuit board and the auxiliary circuit board.
  • the advantage of a linear connection is, for example, a simple production of the connection. This can be inexpensive and fast to produce.
  • connection has a contact surface.
  • the contact surface may be oblique, vertical or vertical within the interior of the housing or with respect to one of the
  • a "contact surface” is to be understood as meaning an area that is at least partially planar and allows contact between two printed circuit boards at several points or a contiguous surface
  • a contact surface may be provided, for example, by a step-shaped geometry provided that the mating contact surface is planar with the step-shaped geometry
  • a contact surface has the advantage that the connection
  • vibration-proof can be formed, which, for example, in
  • a combination of a linear connection and a connection through a contact surface is also possible.
  • a planar connection may be present, while in a further area a linear connection is present, wherein both types of connection together provide the connection according to the invention between the main circuit board and the additional circuit board.
  • connection has a deep groove.
  • a deep groove is understood as meaning a mechanical depression which is designed such that it forms a
  • a deep milling is understood to mean a vertical milling (z-axis milling) in which one or more non-vertically continuous depressions are milled.
  • z-axis milling a vertical milling in which one or more non-vertically continuous depressions are milled.
  • Main board cooperates and provides a connection. It can also be provided that the main circuit board has a Tiefenfräsung, which cooperates with a corresponding geometry of the additional printed circuit board and a
  • a deep milling for example, has the advantage that it is easy to manufacture and this precise geometries can be produced.
  • Main circuit board is arranged centrally with respect to the inner height. This has the advantage that the main circuit board can be equipped on both sides similar with components. Furthermore, a contacting of the main printed circuit board to the outside can also take place in a simple manner in that the housing has a recess through which the main printed circuit board can at least partly protrude in order to provide, for example, a plug connection of a pluggable connection technology. Due to the symmetrical arrangement of the main circuit board with respect to an internal height or also with respect to an external height by uniform wall thicknesses of the housing, the contacting is also arranged centrally on the housing. In an alternative embodiment, with respect to the position of the main circuit board, it may be provided that the main circuit board is asymmetrical with respect to the main circuit board
  • connection provides an electrical and a mechanical connection.
  • the connection is located inside the housing and is preferably manufactured automatically.
  • the main circuit board and the additional circuit board have a common metallized contact surface.
  • Such a contact surface is advantageous for a permanent connection between the main circuit board and the additional circuit board.
  • the contact surface comprises copper material.
  • the contact surface may be formed by one or a plurality of metal pads.
  • the first thickness of the main circuit board is less than the second thickness of the additional circuit board. Accordingly, the heights of the two circuit boards are different. Accordingly, the thickness of the main circuit board is designed according to mechanical criteria and made as thin as possible. In this way, as far as possible a large assembly space is provided on both sides of the motherboard. Furthermore, the additional printed circuit board is subject to criteria for the design of the planar transformer, for example as
  • the additional printed circuit board is not only designed according to mechanical criteria in terms of their thickness, but also according to electrical criteria, for example, to meet a certain level of protection.
  • the height or thickness of the additional circuit board will be greater than the height or thickness of the main circuit board.
  • the main circuit board is equipped on both sides with at least one component. In this way, the available space in the interior of the housing of the electrical module is widely used.
  • the electrical module provides an isolation amplifier.
  • an isolation amplifier is understood as meaning an electrical unit which, with a planar transformer, forms a galvanic separation of at least two
  • Doubling a voltage value for example, a gear ratio with respect to the values of input to output of the isolation amplifier of 1: 2 is used.
  • the isolation amplifier is used in potentially explosive areas.
  • the proposed isolation amplifier meets, for example, a standard required for this purpose, such as the standard DIN EN 60079-1 1,
  • the isolation amplifier according to the invention is designed and dimensioned to take into account safety aspects, in particular to meet requirements for insulating properties or Mmdestisolationsabfar.
  • the standard DIN EN 60079-11, e.g. Version EN 60079-11: 2012 specifies, depending on a desired protection level, insulation properties and minimum distances within the isolation amplifier and its environment.
  • the planar transformer as part of the isolation amplifier in such a case meets the requirements of the desired level of protection and can accordingly as "intrinsically safe
  • Planar transformer or be designed as an intrinsically safe transformer ".
  • intrinsic safety is to be understood as a technical term, with respect to a
  • an electrical module which has Mmdestisolierabrange, wherein the minimum distances according to Table 5 of DIN EN 60079-11, version EN 60079-11: 2012 are selected, in particular the electrical module
  • an intrinsically safe module can be provided, which in
  • Fig. 2 shows a second embodiment of a lying within the scope of the invention
  • Fig. 3 shows a third embodiment of a lying within the scope of the invention
  • Fig. 4 shows an embodiment of an additional circuit board
  • Main circuit board is integrated in a plan view
  • FIG. 5 shows the additional printed circuit board of FIG. 4 in a plan view
  • FIG. 6 shows an embodiment of a main circuit board in cross-sectional view
  • 7 shows an exemplary embodiment of an additional printed circuit board in cross-sectional view with Tiefenfräsung.
  • FIG. 8 shows the additional printed circuit board of FIG. 7 with a metal contact
  • Fig. 1 1 shows an embodiment of a compound with two oblique
  • Fig. 12 shows an embodiment of a compound with two stepped
  • Fig. 13 shows an embodiment of a compound with an oblique contact surface and a step-shaped geometry.
  • FIGS. 1 to 3 each show an electrical module 100 in a cross-sectional view, the embodiments of FIGS. 1 to 3 differing in the arrangement of printed circuit boards and their connection 150 with one another.
  • the electrical modules 100 each have a housing, in each of which a main circuit board 110 and a
  • Additional printed circuit board 120 are arranged.
  • circuit board PCBl In such electrical modules or electrical devices with narrow housings is typically at least one circuit board PCBl or a board with a thickness of HO, depending on the embodiment, more or less centrally in the existing cavity of the housing is arranged.
  • circuit board PCB1 electronic components Bl, B2 are equipped, which form the electronic functionality of the module or device.
  • the electronic components are often present on both sides of the main circuit board 110. As shown in Figs. 1 to 3, for example, component Bl 112 on the top and component B2 113 on the underside of the main circuit board 110.
  • the main circuit board PCB1 110 is often placed more or less vertically in the center of the cavity, so the mounting heights P01 and P02 are identical or nearly the same.
  • the main circuit board PCB1 110 may also be slightly asymmetrically slid so that, for example, components 112, 113 may be located at a greater height on the top of the main circuit board and components 112, 113 having a lower height may be required on the bottom, so that different mounting heights are required become.
  • components 112, 113 may be located at a greater height on the top of the main circuit board and components 112, 113 having a lower height may be required on the bottom, so that different mounting heights are required become.
  • Additional printed circuit board 120 as well components on the top and / or bottom of the
  • Be arranged additional printed circuit board. 1 shows by way of example a component 127 on the upper side of the additional printed circuit board 120.
  • a more or less symmetrical placement of the main circuit board 110 within the cavity of the housing 101 is advantageous when external connections of the main circuit board 110 are to be made such that metallizations on the main circuit board 110 are to contact directly into connectors.
  • the main circuit board 110 can be partially pushed with their metal contacts outside or inside the housing 101 in a connector.
  • the illustrated electrical modules of FIGS. 1 to 3 may be isolation amplifiers. Such isolation amplifiers are provided in narrow housings.
  • the electrical modules of FIGS. 1 to 3 each have an outer width PI of, for example, about 6.2 mm.
  • a cavity is present with an internal height PO of, for example, about 4.5 mm.
  • the cavity is enclosed, for example, by two housing parts with a wall thickness of, for example, about 0.85 mm.
  • the main circuit board 110 may have a thickness HO of, for example, about 0.8 mm. This results in each case maximum
  • the mounting heights P01 and P02 could be further increased if the thickness of the circuit board HO was reduced.
  • a PCB thickness typically a PCB thickness of about 0.5 mm to about 1, 0 mm is selected.
  • the mounting heights P01, P02, for example, are each about 1.85 mm. Manufacturing tolerances are usually also taken into account, so that individual values can be different.
  • a central component of isolation amplifiers is the transformer or transformer. Accordingly, in almost every isolating amplifier there is at least one transformer dimensioned according to the standards in order to have a certain level of protection. In the area of a transformer, for example, galvanically isolated windings in solid insulation must at least comply with the dimension TO.
  • the transformer of a buffer amplifier is preferably formed as a planar transformer. According to the invention, the planar transformer is arranged on an additional printed circuit board, which may have a printed circuit board thickness Hl of 1.5 mm, for example, wherein the main printed circuit board 110 of the isolating amplifier is formed with a printed circuit board thickness H0 of, for example, 0.8 mm. Accordingly, the following relationship results: Hl> HO and Hl> TO, where TO is the required one
  • Minimum distance for a particular level of protection e.g. 1 mm according to Table 5 of the standard DIN EN 60079-11, e.g. the version EN 60079-11: 2012 is (see Fig. 9).
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a construction of an electrical module 100 with a planar transformer in accordance with the invention
  • planar transformer is manufactured as a component on an additional printed circuit board PCB2 with the thickness Hl, which complies with all insulation requirements, so that the planar transformer can be used as an intrinsically safe planar transformer.
  • the Planarübertrager a ferrite core, which has two ferrite core parts.
  • Ferrite core parts of the planar transformer Fl and F2 protrude in the vertical direction by the distance Kl and K2 from the additional printed circuit board in both directions, so that a total thickness of the transformer of Kl + Hl + K2 results.
  • the total thickness of the planar transformer may typically be e.g. are about 4 mm.
  • the planar transformer fits into the cavity PO of, for example, about 4.5 mm.
  • the supplemental circuit board has terminals on its outer layers, e.g. over a
  • the planar transformer 122 is thus a self-contained component, e.g. can be populated in an SMT process and points as
  • Windings includes as well as the two ferrite core parts Fl 124 and F2 125 on.
  • the two ferrite core parts 124 and 125 may be used as equal parts, i. be formed with identical height, but this is not absolutely necessary. Furthermore, the two ferrite core parts 124 and 125 may be used as equal parts, i. be formed with identical height, but this is not absolutely necessary. Furthermore, the two ferrite core parts 124 and 125 may be used as equal parts, i. be formed with identical height, but this is not absolutely necessary. Furthermore, the two ferrite core parts 124 and 125 may be used as equal parts, i. be formed with identical height, but this is not absolutely necessary. Furthermore, the two ferrite core parts 124 and 125 may be used as equal parts, i. be formed with identical height, but this is not absolutely necessary. Furthermore, the two ferrite core parts 124 and 125 may be used as equal parts, i. be formed with identical height, but this is not absolutely necessary. Furthermore, the two ferrite core
  • Additional printed circuit board in addition to the planar transformer also other components B3, such.
  • Protective components fuses, resistors, semiconductors, etc.
  • components B3 can be better thermally coupled to the transformer than if they were arranged on the main circuit board 110. This can e.g. be useful for thermal monitoring of the transformer in case of failure.
  • the main circuit board PCB1 110 has a recess 111 to the
  • the additional printed circuit board 120 in the region of the transformer 122 has a recess 121 through which one or both core halves may protrude, for example the lower one
  • the main circuit board PCB1 110 is not vertically centered in the cavity PO, but shifted so far down that the mounting height P02 is smaller than the mounting height P01.
  • P02 may become so small that even component B2 113 with a very small height, eg less than one millimeter ( ⁇ 1 mm), may possibly not be able to be equipped at all.
  • the main circuit board PCBl 110 remains vertically centered or at least approximately vertically centered in the cavity or the interior of the housing 101 with the inner height PO, so that the mounting heights P01 and P02 are identical or at least approximately the same size and both the component Bl as well as the component B2 can find enough space.
  • a so-called Tiefenfräsung 151 is also appropriate as shown in FIG. 2 introduced into the additional printed circuit board PCB2 120 as a compound 150, which is dimensioned so that on the one hand, the electrical and mechanical connection between the two
  • FIG. 3 shows a third exemplary embodiment of a construction of an electrical module 100 with a planar transformer 122 in accordance with the invention
  • the main circuit board PCBl 110 remains in a more or less central position as the auxiliary circuit board PCB2 120.
  • the additional circuit board PCB2 120 is no longer on the
  • Printed circuit board PCBl 110 on, as is the case with the embodiments of FIGS. 1 and 2, but "floats" in a recess 111 of the main circuit board PCBl 110. This can for example by means of temporary mounts in the manufacturing process will be realized. In this position, both circuit boards 110, 120 (PCBl and PCB2) are mechanically and electrically connected to each other, which is about
  • Solder connections can be done.
  • the supplementary circuit board PCB2 120 can be compared to the second embodiment in the third embodiment
  • FIGS. 4 to 8 show further possible embodiments according to the invention.
  • Fig. 4 shows a main PCB PCBl 110 in an embodiment, which is based on the second embodiment of FIG. 2.
  • FIGS. 5 to 8 show further details.
  • Fig. 4 shows the interior of an electrical module 100 in the plan view with a main circuit board 110 and an additional circuit board 120.
  • an additional circuit board PCB2 120 with two planar transformers 130, 140 attached, each having a ferrite core pair Fl and F2, with only the
  • Ferrite core parts 131, 141 can be seen in the plan view of FIG. 5.
  • the main circuit board PCBl 110 has the layer structure 114 shown in FIG. 6 with four electrically conductive layers and insulating layers therebetween.
  • the supplementary circuit board PCB2 120 of FIG. 4 and FIG. 5 has two edges each
  • the deep grooves 151 serve for the connection 150 between the main circuit board 110 and the additional circuit board 120. At the deep millings 151 there are copper contacts or copper pads (edge metallizations optional) which are connected to the main circuit board PCBl can be soldered.
  • Fig. 6 shows a layer structure of the main circuit board PCB1 having, for example, a maximum thickness of about 0.9 mm.
  • the individual layers alternately copper and an insulating layer have thicknesses in the micrometer range, for example, 35 ⁇ for each of a copper layer and 200 ⁇ for each one insulating layer, measured in the vertical direction of FIG.
  • FIG. 7 shows an exemplary layer structure of the additional printed circuit board of FIG. 4.
  • the additional printed circuit board PCB2 120 according to FIG. 7 has a layer structure 126 with four electrically conductive layers and insulating layers between them.
  • Planar transformer also still vias between each
  • Layers can be present.
  • the layer structure with the four layers for example, a maximum thickness of about 1.45 mm, without the outer
  • the additional circuit board has a stepped geometry 152, at the bottom of a metallic contact surface as
  • Edge metallization 153 is arranged, which is shown in Fig. 8.
  • Fig. 8 shows an embodiment with an edge metallization 153, wherein the metal is copper here (edge: edge plated pads).
  • edge metallization 153 the metal is copper here (edge: edge plated pads).
  • electrical connections between the main circuit board and the additional circuit board can be provided via the edge metallization 153.
  • FIGS. 10 to 13 show in addition to FIGS. 1 to 3 further embodiments of an electrical module 100 in a sectional view, wherein in FIGS. 10 to 13, only a part of the existing components are shown and for example the housing 101 and the electronic components 112, 113 are not shown.
  • FIGS. 10 to 13 each schematically show a main circuit board 110 and an additional circuit board 120, wherein the additional circuit board 120 is at least partially enclosed by two core parts 124 and 125.
  • the main circuit board 110 has in these embodiments smaller thickness compared to the additional circuit board 120 with a greater thickness.
  • FIGS. 10 to 13 Various variants of a type of connection 150 between a main circuit board 110 and an auxiliary circuit board 120 are shown in FIGS.
  • each embodiment of FIGS. 10 to 13 each have two connections 150, which are each formed the same or similar.
  • connection 150 between a straight contact surface of the main printed circuit board 110 and an oblique contact surface of FIG
  • the contact surface runs in Fig. 10 from bottom to top at an angle of approximately 45 degrees with respect to a horizontal orientation of
  • a blunt side of the connection surface is at the lower edge of the auxiliary circuit board, and a tip at the connection surface is at the upper edge of the auxiliary circuit board 120.
  • the height exceeds
  • Fig. 11 shows an embodiment of a compound 150 with a common oblique Kunststofffizze the main circuit board 1 10 and the additional circuit board 120.
  • the main circuit board 110 has an oblique Randfikiee, which corresponds to the oblique edge surface of the additional circuit board, so that both edge surfaces mechanically vollfizzig touch.
  • an electrical connection 150 is provided, which is linear and is shown in FIG. 11 in the sectional view as a point.
  • FIG. 12 shows an exemplary embodiment of a connection 150 having a step-shaped mechanical contact surface and a linear electrical connection 150 at the step, which is illustrated as a point-like connection in a sectional view of FIG. 12.
  • the edge portion of the main circuit board 110 has a step which forms a Aufiagefikiee upwards.
  • the edge portion of the additional circuit board 120 has a step which forms a Aufiagefikiee down.
  • the two stepped geometries correspond with each other.
  • the additional circuit board 120 rests on the main circuit board 110 at the connection 150. A reversal of the support would also be possible, so that the main circuit board 110 is supported on the additional conductor plate 120.
  • Fig. 13 shows an embodiment of a connection 150 in which the
  • Main circuit board 110 has an oblique Kunststofffikiee in its edge region. Furthermore, the additional printed circuit board 120 has a stepped geometry at its edge region. Here, the two edge geometries of the two circuit boards 110, 120 touch mechanically only in one point, or on a line, if the depth of the
  • Printed circuit boards 110, 120 considered. At this point in the cross-sectional view, a connection 150 is provided between the two circuit boards 110, 120, which acts both mechanically and electrically.
  • an electric module 100 which has a
  • Main circuit board 110 and at least one additional circuit board 120 wherein the main circuit board 110 and the auxiliary circuit board 120 can be electrically and mechanically connected to each other in different ways.
  • This connection 150 has the advantage that the electrical module 100 overall can have a low overall height and at the same time can be operated intrinsically safe in the sense of the standard DIN EN 60079-11 or on the international level of the version EN 60079-11: 2012. Reference numerals:

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Modul (100) mit einem Planartransformator. Hierbei weist das elektrische Modul (100) ein Gehäuse (101) mit einem Innenraum einer Innenlänge (L) und einer Innenhöhe (PO) auf. Femer weist das elektrische Modul (100) eine Hauptleiterplatte (110) mit einer ersten Dicke (HO) auf, wobei auf der Hauptleiterplatte (110) mindestens ein elektronisches Bauteil (112) angeordnet ist. Hierbei ist vorgesehen, dass auf einer Zusatzleiterplatte (120) mit der zweiten Dicke (Hl) der Planartransformator (122) angeordnet ist, wobei die Hauptleiterplatte (110) eine Ausnehmung (111) aufweist, die die Zusatzleiterplatte (120) aufnimmt. Ferner ist vorgesehen, dass die Hauptleiterplatte (110) und die Zusatzleiterplatte (120) über eine Verbindung (150) miteinander verbunden sind.

Description

Elektrisches Modul mit einem Planartransformator
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Modul mit einem Planartransformator.
Planartransformatoren, auch Planarübertrager genannt, dienen unter anderem der galvanischen Trennung von Stromkreisen, wobei ein Planartransformator eine besondere Ausprägung eines Transformators ist, der sich durch seine besonders flache Bauweise auszeichnet. Planartransformatoren können eine Bauhöhe im
Millimeterbereich aufweisen und werden vorzugsweise in elektrischen Modulen oder elektrischen Geräten verwendet, die besonders kompakt bezüglich ihrer geometrischen Abmessungen gestaltet werden sollen. Hierbei können Planartransformatoren Energie, Signale und/oder Daten übertragen. Durch die Transformatoreigenschaft können auch Stromkreise mit unterschiedlichen Wechselspannungsniveaus miteinander verbunden werden.
In EP 2818031 Bl wird ein Planartransformator bzw. ein Planarübertrager beschrieben, der besonders flach ausgeführt ist. Dies wird erreicht, indem die einzelnen Wicklungen des Planartransformators nebeneinander in einer Ebene statt wie üblich übereinander angeordnet sind. Dadurch kann die Bauhöhe des Planartransformators weiter reduziert werden. Planartransformatoren mit geringer Bauhöhe sind besonders geeignet, um sie für schmale elektrische Geräte geringer Bauhöhe zu verwenden. Ein solches elektrisches Gerät ist beispielsweise ein Trennverstärker.
Der Aufbau und die Verwendung eines Planartransformators in einem Trennverstärkers ist beispielsweise aus DE 10 2015 108 911 AI bekannt. Eine große Herausforderung bei schmalen elektrischen Geräten, wie Trennverstärkern, ist das zur Verfügung stehende Volumen innerhalb eines Gehäuses gut auszunutzen, um möglichst alle Bauteile mit dem erforderlichen Abstand und dazugehörige Leiterbahnen anordnen zu können. Hierbei ist die verfügbare Bauhöhe im Inneren des Gehäuses besonders relevant für die Bestückung von Leiterplatten bzw. Platinen, da die
Begrenzungen des Gehäuses eine maximale Bestückungshöhe vorgeben.
Ein weiterer Aspekt ist, dass Trennverstärker häufig für industrielle Anwendungen dimensioniert sind. Hierbei sollen beispielsweise auch an die Trennverstärker angeschlossene Sensoren in explosionsgefährdeten Zonen eingesetzt werden können. Deshalb werden die hierzu verwendeten Trennverstärker nach einschlägigen Normen, z.B. gemäß DIN EN 60079-11, ausgeführt und dimensioniert. Bei der Dimensionierung können neben verschiedenen Sicherheitsaspekten auch spezielle Anforderungen an die Isolationseigenschaften relevant sein, die sich in einzuhaltenden Luft- und
Kriechstrecken sowie feste Isolierung gliedern. Hierbei wird für die Dimensionierung und geometrische Gestaltung von Planartransformatoren und Trennverstärkern oftmals Tabelle 5 der DIN EN 60079-11, z.B. der Version EN 60079-11 :2012, auf deren Tabelle 5 die Tabelle der beigefügten Fig. 9 basiert, herangezogen. Die Tabelle 5 gibt Mindestwerte für Luft- und Kriechstrecken sowie Trennabstände vor, die bei luftisolierten und feststoffisolierten Abständen einzuhalten sind, um ein bestimmtes Schutzniveau bzw. eine Spannungsklasse einzuhalten.
In der auf Tabelle 5 der DIN EN 60079-11, Version EN 60079-11 :2012 ist z.B. in der 375 V Spannungsklasse festgelegt, dass der Trennabstand in fester Isolierung im Schutzniveau ia, ib einen Wert von mindestens einem Millimeter (1,0 mm) betragen muss. Dieser Wert wird auch als„Trennabstand" oder„TO" bezeichnet. Demnach geben die vorgegebenen Trennabstände TO Mindestabstände vor und sind bei den verwendeten Bauteilen eines elektrischen Gerätes jeweils einzuhalten. Dies gilt auch beispielsweise für Leiterbahnen einer Leiterplatte sowohl in horizontaler Richtung (nebeneinander auf derselben Lage) als auch in vertikaler Richtung (übereinander auf unterschiedlichen Lagen mit einer Isolierschicht dazwischen). Demnach müssen die Vorgaben der Trennabstände TO bei Trennverstärkern bzw. dessen Transformatoren erfüllt werden, wenn sie nach der entsprechenden Norm dimensioniert werden sollen.
Dennoch ergibt sich häufig ein praktisches Problem bei der Dimensionierung von elektrischen Geräten bzw. elektrischen Modulen mit einem Transformator, insbesondere mit einem Planartransformator. Auch wenn der normgerecht dimensionierte schmale Transformator prinzipiell in einen zur Verfügung stehenden Hohlraum PO eines schmalen Gehäuses, beispielsweise eines Gehäuses eines Trennverstärkers, hineinpasst, muss eine bestimmte Dicke einer Leiterplatte für den Transformator verwendet werden, um ein angestrebtes Schutzniveau zu gewährleisten. Beispielsweise ist gemäß der Norm DIN EN 60079-11, z.B. gemäß der Version EN 60079-11 :2012 (vgl. Fig. 9), eine Dicke der Leiterplatte von beispielsweise mindestens 1 mm zu verwenden, wenn die sogenannte„375 V-Klasse" der Tabelle 5 der Norm DIN EN 60079-11 (vgl. Fig. 9) eingehalten werden soll, da dort TO = 1 mm für diese Schutzklasse festgelegt wird. Transformatoren, die die vorgeschriebenen Mindestabstände einhalten, werden als „eigensichere Transformatoren" oder„eigensichere Übertrager" bezeichnet. Werden alle Mindestabstände in Bezug auf ein elektrisches Modul bzw. ein elektrisches Gerät eingehalten, so wird das elektrische Modul bzw. Gerät als„eigensicher" bezeichnet. Demnach gibt das Kriterium der Eigensicherheit eine bestimmte Mindestdicke einer Leiterplatte für einen Transformator vor. Allerdings möchte man im Allgemeinen die Dicke der Leiterplatte so gering wie möglich halten, um den begrenzten Platz innerhalb eines Gehäuses für eine Bestückung der Leiterplatte mit Bauelementen möglichst gut nutzen zu können, insbesondere zur Ausnutzung der maximal möglichen
Bestückungshöhe.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrisches Modul mit einem Planartransformator zur Verfügung zu stellen, um möglichst einerseits
Sicherheitsanforderungen bezüglich des Planartransformators bzw. des elektrischen Moduls insgesamt zu erfüllen und andererseits die Bauhöhe im Inneren eines Gehäuses des elektrischen Moduls gut ausnutzen zu können. Diese Aufgabe wird mit einem elektrischen Modul gemäß den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte oder zweckmäßige Ausführungsformen und
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung schlägt demgemäß ein elektrisches Modul mit einem Planartransformator vor, wobei das elektrische Modul ein Gehäuse mit einem Innenraum aufweist. Der Innenraum des Gehäuses weist eine Innenhöhe auf. Ferner weist das elektrische Modul eine Hauptleiterplatte mit einer ersten Dicke auf, wobei auf der Hauptleiterplatte mindestens ein elektronisches Bauteil angeordnet ist. Ferner ist vorgesehen, dass auf einer Zusatzleiterplatte mit der zweiten Dicke der Planartransformator angeordnet ist, wobei die Hauptleiterplatte eine Ausnehmung aufweist, die die Zusatzleiterplatte aufnimmt. Hierbei sind die Hauptleiterplatte und die Zusatzleiterplatte über eine Verbindung miteinander verbunden. Ferner können sowohl die Hauptleiterplatte als auch die Zusatzleiterplatte jeweils eine Vielzahl von elektrisch leitenden und elektrisch isolierenden Lagen aufweisen.
Unter einer„Leiterplatte" (Leiterkarte, Platine oder gedruckte Schaltung; englisch: printed circuit board, PCB) ist im vorliegenden Zusammenhang ein Träger für elektronische Bauteile verstanden. Die hier vorgeschlagenen Leiterplatten,
beispielsweise eine Hauptleiterplatte und ein oder mehrere Zusatzleiterplatten, können in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Das Gehäuse schützt die innere Struktur des elektrischen Moduls. Das Gehäuse kann beispielsweise quaderförmig sein oder jede beliebige geometrische Form aufweisen, die es erlaubt, die Bauteile des elektrischen Moduls innerhalb eines Innenraums des Gehäuses anzuordnen. Der Innenraum hat hierbei eine geometrische Ausdehnung mit einer Höhe, Breite und Tiefe, wobei diese Größen jeweils nicht an allen Stellen innerhalb des Gehäuses das gleiche Ausmaß haben muss, d.h. das Gehäuse beispielsweise von einer rechteckförmigen Grundfläche bzw. quaderförmigen Geometrie abweichen kann. Der Begriff„elektrisches Modul" ist im folgenden Zusammenhang so zu versehen, dass ein elektrisches Modul Teil eines komplexeren elektrischen Gerätes sein kann. Hierbei ist das elektrische Modul als eine abgeschlossene Einheit mit einem eigenen Gehäuse zu verstehen, das Schnittstellen zur elektrischen und/oder mechanischen Kontaktierung mit weiteren Modulen oder elektrischen Geräten aufweisen kann. Ferner kann ein elektrisches Modul Teil eines elektrischen Gerätes sein. Ferner kann es auch möglich sein, dass mehrere Module zu einer Gesamteinheit zusammengefasst werden können, beispielsweise durch Aneinanderreihung einzelner Modulgehäuse auf einer gemeinsamen elektrischen Schiene oder durch elektrische Verschaltung der Module miteinander zu einer größeren Einheit, beispielsweise einem elektrischen Gerät.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Modul hat vorzugsweise eine Gehäusebauhöhe PI bzw. Gesamtdicke in vertikaler Richtung im Millimeterbereich von beispielsweise etwa 0,5 cm bis etwa 1,8 cm oder auch mehr, jedoch maximal wenige Zentimeter, vorzugsweise geringer als zwei Zentimeter. Es sind auch Gehäusebauhöhen von beispielsweise etwa 3 mm bis etwa 5 mm möglich. Dementsprechend verbleiben im Innenraum des Gehäuses als Bestückungsbauhöhe PO beispielsweise 4,5 mm bis etwa 1,6 cm, bedingt durch eine Wandstärke des Gehäuses. Als„Bestückungsbauhöhe" wird die Ausdehnung des Moduls in orthogonaler Richtung in Bezug auf eine angeordnete Leiterplatte im Inneren des Gehäuses verstanden. Eine Bestückungsbauhöhe kann beidseitig der Leiterplatte vorhanden sein, d.h. von der jeweiligen Oberfläche der
Leiterplatte bis zur jeweiligen Innenbegrenzung des Gehäuses des Moduls. Ferner ist die Gehäuseform des elektrischen Moduls vorzugsweise quaderförmig ausgebildet, so dass sich eine konstante Bestückungsbauhöhe entlang der Hauptleiterplatte ergibt. Die Leiterplatte hat beispielsweise eine Dicke HO von 1 mm. Nach Abzug der
Leiterplattendicke HO von der Gehäusebauhöhe PI verbleiben Bestückungsbauhöhen P01 und P01 auf den beiden Seiten der Leiterplatte, wobei die Bestückungsbauhöhen jeweils kleiner als 2 mm sein können. Es wird vorgesehen, dass der Planartransformator nicht direkt auf die Hauptleiterplatte des elektrischen Modules aufgenommen wird, sondern auf einer Zusatzleiterplatte angeordnet ist. Hierzu weist die Hauptleiterplatte eine Ausnehmung auf, wobei in dieser Ausnehmung die Zusatzleiterplatte angeordnet ist. Auf diese Weise kann die
Hauptleiterplatte in einem vorbestimmten Bereich durch die Zusatzleiterplatte ersetzt werden. Eine Integration der Zusatzleiterplatte in die Fläche der Hauptleiterplatte hat den Vorteil, dass der Raum im Inneren des Gehäuses des elektrischen Moduls kompakt genutzt wird, um weitere mechanische Bauteilelemente, wie Steckverbindungen, sowie elektrische Bauteile und den Planartransformator darin anzuordnen. Die Verwendung einer Zusatzleiterplatte hat den Vorteil, dass Isolationsanforderungen erfüllt werden können, auch wenn die Hauptleiterplatte hierzu keine genügend große Dicke aufweist.
Ferner können durch die Verwendung einer Hauptleiterplatte und einer
Zusatzleiterplatte mehrere Dimensionierungskriterien erfüllt werden. Einerseits kann die Hauptleiterplatte eine minimale erste Dicke aufweisen, um die mechanischen
Eigenschaften der Hauptleiterplatte zu gewährleisten. Diese erste Dicke würde jedoch nicht ausreichen, um den geforderten Mindestabstand TO in Bezug den
Planartransformator zu gewährleisten. Daher kann der Planartransformator nicht ohne Zusatzmaßnahme in das Modul integriert werden und wird auf der Zusatzleiterplatte angeordnet. Die Zusatzleiterplatte weist eine Mindestdicke auf, um das angestrebte Schutzniveau des Planartransformators zu gewährleisten. Sie wird zusätzlich zu den mechanischen Anforderungen auch elektrisch in Bezug auf einen geforderten
Mindestabstand TO dimensioniert.
Ferner kann mit Vorteil vorgesehen werden, dass die Verbindung zwischen der
Hauptleiterplatte und der Zusatzleiterplatte stufenförmig ausgebildet ist. Eine Stufe kann eine mechanische Fixierung verbessern, da die Geometrie der Stufe eine
Auflagefläche bereitstellen kann. Ferner ist eine Stufe ebenfalls geeignet, einen elektrisch sicheren Kontakt herzustellen. Hierbei kann mit Vorteil vorgesehen werden, dass die Verbindung selbst Teil der Hauptleiterplatte und/oder der Zusatzleiterplatte ist. Diese bedeutet, dass in einem solchen Fall kein weiteres Bauteil verwendet wird, um eine Verbindung zwischen der Hauptleiterplatte und der Zusatzleiterplatte
bereitzustellen, sondern die Geometrie der vorhandenen Leiterplatten verwendet wird, um eine Verbindung bereitzustellen. Eine stufenförmige Geometrie hat den Vorteil, dass durch die Stufe eine Auflage fläche bzw. eine Anlagefläche bereitgestellt wird, je nachdem welche Lage die Stufe im Innenraum des Gehäuses hat. Hierbei ist unter „Stufe" eine Geometrie zu verstehen, die eine erste Fläche mit einer ersten Ausrichtung aufweist und eine zweite Fläche mit einer zweiten Ausrichtung aufweist, wobei die erste und die zweite Fläche rechtwinklig bzw. nahezu rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Die Lage der beiden Flächen im Raum kann hierbei beliebig sein und von einer herkömmlichen Treppenstufe abweichen. Vorteilhafterweise ist eine der Flächen der treppenförmigen Geometrie parallel zu einer Oberfläche einer der Leiterplatten ausgerichtet. Ferner ist vorteilhafterweise eine der Flächen der treppenförmigen Geometrie rechtwinklig zu einer Oberfläche einer der Leiterplatten ausgerichtet.
Ferner kann vorteilhafterweise vorgesehen werden, dass die Verbindung durch eine Stufe an der Hauptleiterplatte ausgebildet ist. Hierbei kann beispielsweise die Stufe derart ausgebildet sein, dass sich die Zusatzleiterplatte auf der Hauptleiterplatte abstützt und die Stufe gleichzeitig als mechanischer Anschlag für die Zusatzleiterplatte dient.
Zusätzlich oder als Alternative kann vorteilhafterweise vorgesehen werden, dass die Verbindung durch eine Stufe an der Zusatzleiterplatte ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform kann sich beispielsweise die Hauptleiterplatte auf der
Zusatzleiterplatte abstützen. Haben sowohl die Zusatzleiterplatte wie auch die
Hauptleiterplatte eine stufenförmige Geometrie in ihren Randbereichen, so können die stufenförmigen Geometrien der beiden Leiterplatten eine ineinandergreifende
Geometrie oder eine sich gegenseitig abstützende Geometrie bilden, so dass eine verbesserte Fixierung bereitgestellt wird. In einer weitere Ausführungsform kann vorgesehen werden, dass die Verbindung eine schräge Kontaktfiäche aufweist. Die schräge Kontaktfiäche kann beispielsweise in einem Randbereich der Hauptleiterplatte und/oder der Zusatzleiterplatte gebildet werden. Hierbei kann die schräge Geometrie in einem beliebigen Winkel als
Außenkante der Leiterplatte gebildet werden.
Ferner kann vorteilhafterweise vorgesehen werden, dass die Verbindung linienförmig ausgebildet ist. Unter einer„linienförmigen Verbindung" ist eine Verbindung zu verstehen, die eine geringe Kontaktfläche aufweist und im Idealfall aus einer Linie in dreidimensionaler Ansicht gebildet wird. Diese Linie erscheint als Punkt in einer Querschnittsansicht und stellt zwischen Hauptleiterplatte und Zusatzleiterplatte eine Verbindung bereit. Die punktförmige Verbindung in Schnittdarstellung kann in einer dreidimensionalen Betrachtungsweise als linienförmige Verbindung bzw. Kontaktlinie mit beliebiger Lage im Raum beschrieben werden. Eine solche Kontaktlinie kann als mechanische und/oder elektrische Verbindung vorliegen, beispielsweise als
Tiefenfräsung bereitgestellt werden, wobei der elektrische Kontakt durch Metallisierung der Tiefenfräsung erfolgen kann. Ferner kann eine linienförmige Verbindung, insbesondere in Form einer elektrischen Verbindung, durch beispielsweise
Punktschweißen oder eine Lötverbindung bereitgestellt werden. Demnach wird eine linienförmige Verbindung vorteilhafterweise verwendet, um eine elektrische
Verbindung zwischen zwei Leiterplatten herzustellen. Ferner ist es auch möglich, dass die Verbindung sowohl eine elektrische wie auch eine mechanische Verbindung ist. In einem solchen Fall kann die Verbindung eine mechanische Stabilität und eine elektrische Verbindung zwischen der Hauptleiterplatte und der Zusatzleiterplatte bereitstellen. Der Vorteil einer linienförmigen Verbindung ist beispielsweise eine einfache Herstellung der Verbindung. Diese kann kostengünstig und schnell herstellbar sein.
In einer weiteren Ausgestaltungsform kann vorgesehen werden, dass die Verbindung eine Kontaktfläche aufweist. Die Kontaktfläche kann hierbei schräg, vertikal oder senkrecht innerhalb des Innenraumes des Gehäuses oder in Bezug auf eine der
Leiterplatten angeordnet sein. Unter einer„Kontaktfläche" ist ein Bereich zu verstehen, der zumindest teilweise eben ausgebildet ist und an mehreren Stellen oder einer zusammenhängenden Fläche einen Kontakt zwischen zwei Leiterplatten ermöglicht. Eine Kontaktfläche kann beispielsweise durch eine stufenförmige Geometrie bereitgestellt werden, sofern die Gegenkontaktfläche die stufenförmige Geometrie flächig berührt. Eine Kontaktfläche hat den Vorteil, dass die Verbindung
erschütterungssicher ausgebildet werden kann, was beispielsweise in
explosionsgefährdeter Umgebung von Vorteil sein kann. Eine Kombination aus einer linienförmigen Verbindung und einer Verbindung durch eine Kontaktfläche ist auch möglich. So kann beispielsweise in einem Bereich der Verbindung eine flächige Verbindung vorhanden sein während in einem weiteren Bereich eine linienförmige Verbindung vorhanden ist, wobei beide Verbindungsarten zusammen die erfindungsgemäße Verbindung zwischen der Hauptleiterplatte und der Zusatzleiterplatte bereitstellt.
In einer Ausgestaltungsform kann mit Vorteil vorgesehen werden, dass die Verbindung eine Tiefenfräsung aufweist. Unter einer Tiefenfräsung wird in diesem Zusammenhang eine mechanische Vertiefung verstanden, die derart ausgestaltet ist, dass sie eine
Verbindung bereitstellen kann. Somit wird unter einer Tiefenfräsung ein senkrechtes Fräsen (z-Achsen-Fräsen) verstanden, bei der eine oder mehrere nicht vertikal durchgehende Vertiefungen gefräst werden. Beispielsweise weist die Zusatzleiterplatte eine Tiefenfräsung auf, die mit einer korrespondierenden Geometrie auf der
Hauptleiterplatte zusammenwirkt und eine Verbindung bereitstellt. Es kann auch vorgesehen werden, dass die Hauptleiterplatte eine Tiefenfräsung aufweist, die mit einer korrespondierenden Geometrie der Zusatzleiterplatte zusammenwirkt und eine
Verbindung bereitstellt. Eine Tiefenfräsung hat beispielsweise den Vorteil, dass sie einfach herzustellen ist und hierbei präzise Geometrien hergestellt werden können.
In einer Ausführungsform kann vorteilhaferweise vorgesehen werden, dass die
Hauptleiterplatte mittig in Bezug auf die Innenhöhe angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass die Hauptleiterplatte beidseitig gleichartig mit Bauelementen bestückt werden kann. Ferner kann auch auf einfache Weise eine Kontaktierung der Hauptleiterplatte nach außen erfolgen, indem das Gehäuse eine Ausnehmung aufweist, durch die die Hauptleiterplatte zumindest teilweise hindurchragen kann, um beispielsweise eine Steckverbindung einer steckbaren Anschlusstechnik bereitzustellen. Durch die symmetrische Anordnung der Hauptleiterplatte in Bezug auf eine Innenhöhe bzw. auch in Bezug auf eine Außenhöhe durch gleichmäßige Wandstärken des Gehäuses ist die Kontaktierung auch mittig am Gehäuse angeordnet. In einer alternativen Ausführungsform in Bezug auf die Lage der Hauptleiterplatte kann vorgesehen werden, dass die Hauptleiterplatte asymmetrisch in Bezug auf die
Innenhöhne angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass besonders hohe Bauteile auf einer Seite der Hauptleiterplatte angeordnet werden können, während Bauteile mit geringer Bauhöhe auf der gegenüberliegenden Seite der Hauptleiterplatte angeordnet sind. Auf diese Weise können auf der Hauptleiterplatte hohe Bauteile oder Bauelemente untergebracht werden, die ohne diese vorgeschlagene Anordnung der Hauptleiterplatte nicht im Gehäuse einen ausreichenden Raum gefunden hätten. Ferner kann mit Vorteil vorgesehen werden, dass die Verbindung eine elektrische und eine mechanische Verbindung bereitstellt. Somit kann durch eine Verbindung zwei Funktionen bereitgestellt werden, was wiederum platzsparend ist. Die Verbindung befindet sich im Inneren des Gehäuses und wird vorzugsweise automatisiert hergestellt. Ferner kann von Vorteil sein, dass die Hauptleiterplatte und die Zusatzleiterplatte eine gemeinsame metallisierte Kontaktfläche aufweisen. Eine solche Kontaktfläche ist vorteilhaft für eine dauerhafte Verbindung zwischen der Hauptleiterplatte und der Zusatzleiterplatte. Beispielsweise weist die Kontaktfläche Kupfermaterial aus. Ferner kann die Kontaktfläche durch ein oder eine Vielzahl von Metall-Pads gebildet werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen werden, dass die erste Dicke der Hauptleiterplatte geringer ist als die zweite Dicke der Zusatzleiterplatte. Demnach sind die Höhen der beiden Leiterplatten unterschiedlich. Es wird demnach die Dicke der Hauptleiterplatte nach mechanischen Kriterien ausgelegt und so dünn wie möglich ausgestaltet. Auf diese Weise wird möglichst ein großer Bestückungsraum beidseitig der Hauptplatine zur Verfügung gestellt. Ferner unterliegt die Zusatzleiterplatte Kriterien für die Auslegung des Planartransformators, der beispielsweise als
eigensicherer Planartransformator ausgebildet ist. In einem solchen Fall wird die Zusatzleiterplatte nicht nur nach mechanischen Kriterien bezüglich ihrer Dicke ausgelegt, sondern zusätzlich auch nach elektrischen Kriterien, um beispielsweise ein bestimmtes Schutzniveau zu erfüllen. Somit wird vorteilhafter die Höhe bzw. Dicke der Zusatzleiterplatte größer sein als die Höhe bzw. Dicke der Hauptleiterplatte. Es ist ferner von Vorteil, dass die Hauptleiterplatte beidseitig mit jeweils mindestens einem Bauteil bestückt ist. Auf diese Weise wird der zur Verfügung stehende Raum im Inneren des Gehäuses des elektrischen Moduls weitgehend genutzt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das elektrische Modul einen Trennverstärker bereitstellt.
Hierbei wird unter einem Trennverstärker eine elektrische Einheit verstanden, die mit einem Planartransformator eine galvanische Trennung von mindestens zwei
Stromkreisen bereitstellt und gleichzeitig ein Übersetzungsverhältnis bereitstellt, das zur Verstärkung von Spannung, Strom und/oder Signalen geeignet ist. Bei einer
Verdopplung eines Spannungswertes, wird beispielsweise ein Übersetzungsverhältnis bezüglich der Werte von Eingang zu Ausgang des Trennverstärkers von 1 :2 verwendet.
Ferner kann vorgesehen werden, dass der Trennverstärker in explosionsgefährdeten Zonen eingesetzt wird. Der vorgeschlagene Trennverstärker erfüllt beispielsweise eine hierzu erforderliche Norm, wie beispielsweise die Norm DIN EN 60079-1 1,
insbesondere Werte eines vorgegebenen Schutzniveaus der Norm DIN EN 60079-11, z.B. Version EN 60079-11 :2012. Demnach ist der erfindungsgemäße Trennverstärker ausgelegt und dimensioniert, um Sicherheitsaspekte zu berücksichtigen, insbesondere um Anforderungen an Isoliereigenschaften bzw. Mmdestisolationsabstände zu erfüllen. Die Norm DIN EN 60079-11, z.B. Version EN 60079-11 :2012, legt hierzu abhängig von einem angestrebten Schutzniveau Isolationseigenschaften und Mindestabstände innerhalb des Trennverstärkers und zu seiner Umgebung fest. Der Planartransformator als Teil des Trennverstärkers erfüllt in einem solchen Fall die Anforderungen des angestrebten Schutzniveaus und kann entsprechend als„eigensicherer
Planartransformator" bzw. als„eigensicherer Übertrager" ausgebildet sein. Hierbei ist der Begriff„Eigensicherheit" als Fachbegriff zu verstehen, der bezüglich einer
Normierung, wie der Norm DIN EN 60079-11, z.B. der Version EN 60079-11 :2012, zu verstehen ist. Demnach kann ein elektrisches Modul bereitgestellt werden, das Mmdestisolierabstände aufweist, wobei die Mindestabstände gemäß Tabelle 5 der DIN EN 60079-11, Version EN 60079-11 :2012 gewählt sind, insbesondere das elektrische Modul einen
Trennabstand von mindestens einem Millimeter aufweist. In einem solchen Fall unter Einhaltung von Mindestabständen gemäß Tabelle 5 der DIN EN 60079-11, Version EN 60079-11 :2012, kann ein eigensicheres Modul bereitgestellt werden, das in
explosionsgefährdeten Zonen eingesetzt werden kann.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden, lediglich als beispielhaft zu betrachtenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, wobei in den
Zeichnungen zeigen: ein erstes Ausführungsbeispiel eines im Rahmen der Erfindung liegender Aufbau eines elektrischen Moduls mit einem Planartransformator in
Querschnittsansicht;
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines im Rahmen der Erfindung liegender
Aufbau eines elektrischen Moduls mit einem Planartransformator in
Querschnittsansicht;
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines im Rahmen der Erfindung liegender
Aufbau eines elektrischen Moduls mit einem Planartransformator in
Querschnittsansicht;
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer Zusatzleiterplatte, die
Hauptleiterplatte integriert ist in einer Draufsicht;
Fig. 5 die Zusatzleiterplatte der Fig. 4 in einer Draufsicht; Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel einer Hauptleiterplatte in Querschnittsansicht; Fig. 7 ein Ausfuhrungsbeispiel einer Zusatzleiterplatte in Querschnittsansicht mit Tiefenfräsung;
Fig. 8 die Zusatzleiterplatte der Fig. 7 mit einer Metallkontaktierung;
Fig. 9 eine Tabelle mit Luft- und Kriechstrecken und Trennabständen hinsichtlich bestimmter Schutzniveaus basierend auf Tabelle 5 der Normversion EN
60079-11 :2012 zur Norm EN 60079-11;
Fig. 10 ein Ausführungsbeispiel einer Verbindung mit einer schrägen Kontaktfläche und einer geraden Kontaktfiäche;
Fig. 1 1 ein Ausführungsbeispiel einer Verbindung mit zwei schrägen
Kontaktflächen;
Fig. 12 ein Ausführungsbeispiel einer Verbindung mit zwei stufenförmigen
Geometrien; und
Fig. 13 ein Ausführungsbeispiel einer Verbindung mit einer schrägen Kontaktfläche und einer stufenförmigen Geometrie.
Nachfolgend wird auf die Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 Bezug genommen, welche jeweils eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellen. In den Fig. 1 bis 3 ist jeweils ein elektrisches Modul 100 in einer Querschnittsansicht dargestellt, wobei sich die Ausführungsbeispiele der Fig. 1 bis 3 in der Anordnung von Leiterplatten und deren Verbindung 150 miteinander unterscheiden. Die elektrischen Module 100 weisen jeweils ein Gehäuse auf, in dem jeweils eine Hauptleiterplatte 110 und eine
Zusatzleiterplatte 120 angeordnet sind.
In solchen elektrischen Modulen oder elektrischen Geräten mit schmalen Gehäusen befindet sich typischerweise mindestens eine Leiterplatte PCBl bzw. eine Platine mit einer Dicke von HO, die je nach Ausführungsform mehr oder weniger mittig in dem vorhandenen Hohlraum des Gehäuses angeordnet ist. Auf der Leiterplatte PCB1 sind elektronische Bauteile Bl, B2 bestückt, die die elektronische Funktionalität des Moduls bzw. Gerätes bilden. Um den zur Verfügung stehenden Platz optimal auszunutzen, sind die elektronischen Bauteile häufig auf beiden Seiten der Hauptleiterplatte 110 vorhanden. Wie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt, z.B. Bauteil Bl 112 auf der Oberseite und Bauteil B2 113 auf der Unterseite der Hauptleiterplatte 110. Durch die beidseitige Bestückung wird die Hauptleiterplatte PCB1 110 häufig mehr oder weniger vertikal in die Mitte des Hohlraumes platziert, damit die Bestückungshöhen P01 und P02 identisch oder nahezu gleich sind. Alternativ hierzu kann die Hauptleiterplatte PCB1 110 auch leicht asymmetrisch verschoben werden, damit beispielsweise auf der Oberseite der Hauptleiterplatte 110 Bauteile 112, 113 mit einer größeren Höhe angeordnet werden können und auf der Unterseite Bauteile 112, 113 mit einer geringeren Höhe, so dass unterschiedliche Bestückungshöhen benötigt werden. Ferner können auf der
Zusatzleiterplatte 120 ebenso Bauteile an der Ober- und/oder Unterseite der
Zusatzleiterplatte angeordnet sein. Fig. 1 zeigt beispielhaft ein Bauteil 127 an der Oberseite der Zusatzleiterplatte 120.
Es ist eine mehr oder weniger symmetrische Platzierung der Hauptleiterplatte 110 innerhalb des Hohlraumes des Gehäuses 101 von Vorteil, wenn externe Anschlüsse der Hauptleiterplatte 110 derart gestaltet werden sollen, dass Metallisierungen auf der Hauptleiterplatte 110 direkt in Steckverbinder kontaktieren sollen. Hierbei kann beispielsweise die Hauptleiterplatte 110 teilweise mit ihren Metallkontakten außerhalb oder innerhalb des Gehäuses 101 in einen Steckverbinder geschoben werden. Die gezeigten elektrischen Module der Fig. 1 bis 3 können Trennverstärker sein. Solche Trennverstärker werden in schmalen Gehäusen bereitgestellt.
Die elektrischen Module der Fig. 1 bis 3 haben jeweils eine äußere Breite PI von beispielsweise etwa 6,2 mm. Innerhalb des Gerätes ist ein Hohlraum der mit einer Innenhöhe PO von beispielsweise etwa 4,5 mm vorhanden. Der Hohlraum wird beispielsweise von zwei Gehäuseteilen mit einer Wandstärke von z.B. etwa 0,85 mm umschlossen. Hierbei kann beispielsweise die Hauptleiterplatte 110 eine Dicke HO von beispielsweise etwa 0,8 mm aufweisen. Es ergeben sich somit in jedem Fall maximale
Bestückungshöhen P01 und P02 innerhalb eines Hohlraumes der Höhe PO des quaderförmigen Gehäuses. Die Bestückungshöhen P01 und P02 könnten weiter erhöht werden, wenn die Dicke der Leiterplatte HO reduziert würde. Dagegen sprechen wiederum mechanische Aspekte, Isolationsanforderungen sowie ein Lagenaufbau der Leiterplatte, so dass typischerweise eine Leiterplattenstärke von etwa 0,5 mm bis etwa 1 ,0 mm gewählt wird. Die Bestückungshöhen P01, P02 betragen beispielsweise jeweils etwa 1 ,85 mm. Fertigungstoleranzen werden hierbei üblicherweise auch berücksichtig, so dass einzelne Werte unterschiedlich ausfallen können.
Ein zentrales Bauteil von Trennverstärkern ist der Transformator oder Übertrager. Dementsprechend befindet sich in nahezu jedem Trennverstärker mindestens ein Transformator, der entsprechend der Normen dimensioniert ist, um ein bestimmtes Schutzniveau zu haben. Es müssen im Bereich eines Transformators beispielsweise galvanisch getrennte Wicklungen in fester Isolierung mindestens das Maß TO zueinander einhalten. Ferner ist der Transformator eines Trennverstärkers vorzugsweise als Planartransformator ausgebildet. Erfindungsgemäß wird der Planartransformator auf einer Zusatzleiterplatte angeordnet, die eine Leiterplattenstärke Hl von beispielsweise 1,5 mm aufweisen kann, wobei die Hauptleiterplatte 110 des Trennverstärkers mit einer Leiterplattenstärke HO von beispielsweise 0,8 mm ausgebildet ist. Demnach ergibt sich folgender Zusammenhang: Hl > HO und Hl > TO, wobei TO der geforderte
Mindestabstand für ein spezielles Schutzniveau ist, z.B. 1 mm nach Tabelle 5 der Norm DIN EN 60079-11, z.B. der Version EN 60079-11 :2012 ist, (vgl. Fig. 9).
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines im Rahmen der Erfindung liegenden Aufbaus eines elektrischen Moduls 100 mit einem Planartransformator in
Querschnittsansicht. Der Planarübertrager wird als Bauteil auf einer Zusatzleiterplatte PCB2 mit der Dicke Hl gefertigt, die alle Isolationsanforderungen einhält, so dass der Planartransformator als eigensicherer Planartransformator verwendet werden kann. Ferner weist der Planarübertrager einen Ferritkern auf, der zwei Ferritkernteile aufweist. Die
Ferritkernteile des Planarübertragers Fl und F2 ragen in vertikaler Richtung um die Strecke Kl und K2 aus der Zusatzleiterplatte in beide Richtungen heraus, so dass sich eine Gesamtdicke des Transformators von Kl + Hl + K2 ergibt. Die Gesamtdicke des Planartransformators kann typischerweise z.B. bei etwa 4 mm liegen. Somit passt der Planartransformator in den Hohlraum PO von beispielsweise etwa 4,5 mm.
Die Zusatzleiterplatte hat Anschlüsse an ihren Außenlagen, die z.B. über eine
Verbindung 150 als Lötverbindung elektrisch und mechanisch mit der Hauptleiterplatte PCB1 110 kontaktiert sind. Der Planartransformator 122 ist somit ein eigenständiges Bauteil, das z.B. in einem SMT Prozess bestückt werden kann und weist als
Hauptbestandteile im Wesentlichen die Zusatzleiterplatte PCB2 120, die auch
Wicklungen beinhaltet sowie die beiden Ferritkernteile Fl 124 und F2 125 auf. Hierbei können die beiden Ferritkernteile 124 und 125 als Gleichteile, d.h. mit identischer Höhe ausgebildet sein, was aber nicht zwingend notwendig ist. Ferner kann die
Zusatzleiterplatte neben dem Planartransformator auch noch weitere Bauteile B3, wie z.B. Schutzbauteile (Sicherungen, Widerstände, Halbleiter, etc.) aufnehmen, die insbesondere ebenfalls auf SMT -Technologie basieren. Die Gründe dafür können vielfältig sein. So kann durch diese Maßnahme beispielsweise der zur Verfügung Bauraum noch besser ausgenutzt werden, andererseits können Bauteile B3 thermisch besser mit dem Transformator gekoppelt sein als wenn sie auf der Hauptleiterplatte 110 angeordnet wären. Dies kann z.B. für eine thermische Überwachung des Transformators im Fehlerfall sinnvoll sein. Die Hauptleiterplatte PCB1 110 weist eine Ausnehmung 111 auf, um die
Zusatzleiterplatte über eine Verbindung aufnehmen zu können. Ferner weist die Zusatzleiterplatte 120 im Bereich des Transformators 122 eine Ausnehmung 121 auf, durch die eine oder beide Kernhälften ragen können, beispielswiese die untere
Kernhälfte F2 125.
In der Ausführungsform der Fig. 1 ist die Hauptleiterplatte PCB1 110 allerdings nicht vertikal mittig im Hohlraum PO platziert, sondern so weit nach unten verschoben, dass die Bestückungshöhe P02 kleiner als die Bestückungshöhe P01 ist. Je nach konkreter Dimensionierung kann P02 so klein werden, dass selbst das Bauteil B2 113 mit sehr geringer Höhe, z.B. kleiner als einen Millimeter (< 1 mm), eventuell gar nicht mehr bestückt werden kann.
Um dies zu umgehen, wird ferner ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 vorgeschlagen. Hier verbleibt die Hauptleiterplatte PCBl 110 vertikal zentriert oder zumindest annähernd vertikal zentriert in dem Hohlraum bzw. dem Innenraum des Gehäuses 101 mit der Innenhöhe PO, so dass die Bestückungshöhen P01 und P02 identisch sind bzw. mindestens in etwa gleich groß sind und sowohl das Bauteil Bl als auch das Bauteil B2 genügend Platz finden können.
Hierbei wird ferner zweckmäßig gemäß Fig. 2 in die Zusatzleiterplatte PCB2 120 eine so genannte Tiefenfräsung 151 als Verbindung 150 eingebracht, die so dimensioniert ist, dass einerseits die elektrische und mechanische Verbindung zwischen den beiden
Leiterplatten 110, 120 erhalten bleibt, z.B. durch Kantenmetallisierung, und andererseits von den Toleranzen so ausgelegt ist, dass das Transformatorgebilde (mit den Dicken Hl + Fl + F2) noch in den Hohlraum PO hineinpasst. Die Ausgestaltung gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels in Fig. 2 hat unter anderem den Vorteil, dass sie einerseits gut maschinell produzierbar ist und andererseits die Leiterplatte PCBl 110 mehr oder weniger in der Mitte des Hohlraumes verbleiben kann, was Vorteile für die Bauteile Bl und B2 auf beiden Seiten der Leiterplatte hat. Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines im Rahmen der Erfindung liegender Aufbau eines elektrischen Moduls 100 mit einem Planartransformator 122 in
Querschnittsansicht. Bei diesem Ausführungsbeispiel verbleibt die Hauptleiterplatte PCBl 110 in mehr oder weniger mittlerer Stellung so wie die Zusatzleiterplatte PCB2 120. Allerdings liegt die Zusatzleiterplatte PCB2 120 nun nicht mehr auf der
Leiterplatte PCBl 110 auf, wie dies bei den Ausführungsformen der Fig. 1 und Fig. 2 der Fall ist, sondern„schwebt" in einer Ausnehmung 111 der Hauptleiterplatte PCBl 110. Dies kann beispielsweise mittels temporärer Halterungen im Fertigungsprozess realisiert werden. In dieser Stellung werden beide Leiterplatten 110, 120 (PCBl und PCB2) miteinander mechanisch und elektrisch verbunden, was z.B. über
Lötverbindungen geschehen kann. Die Zusatzleiterplatte PCB2 120 kann bei dem dritten Ausführungsbeispiel im Vergleich zum zweiten Ausführungsbeispiel
kostengünstiger sein, da die Tiefenfräsung 151 entfallen kann.
Die Fig. 4 bis Fig. 8 zeigen weitere mögliche Ausführungsformen gemäß der Erfindung. Hierbei zeigt Fig. 4 eine Hauptleiterplatte PCBl 110 in einer Ausführungsform, die sich an die zweite Ausführungsform der Fig. 2 anlehnt. Ferner zeigen die Fig. 5 bis Fig. 8 weitere Einzelheiten.
Fig. 4 zeigt das Innere eines elektrischen Moduls 100 in der Draufsicht mit einer Hauptleiterplatte 110 und einer Zusatzleiterplatte 120. Auf der Hauptleiterplatte PCBl 110 der Fig. 4 ist eine Zusatzleiterplatte PCB2 120 mit zwei Planartransformatoren 130, 140 angebracht, die jeweils ein Ferritkernpaar Fl und F2 aufweisen, wobei nur die
Ferritkernteile 131, 141 in der Draufsicht der Fig. 5 zu sehen sind. Die Hauptleiterplatte PCBl 110 hat den in Fig. 6 gezeigten Lagenaufbau 114 mit vier elektrisch leitenden Lagen und dazwischenliegenden Isolierschichten. Die Zusatzleiterplatte PCB2 120 der Fig. 4 und Fig. 5 hat an zwei Rändern jeweils
Tiefenfräsungen 151 (englisch:„depth milling"). Die Tiefenfräsungen 151 dienen der Verbindung 150 zwischen der Hauptleiterplatte 110 und der Zusatzleiterplatte 120. An den Tiefenfräsungen 151 befinden sich Kupfer-Kontaktierungen bzw. Kupfer-Pads (Kantenmetallisierungen optional), die mit der Hauptleiterplatte PCBl verlötet werden können.
Auf der Zusatzleiterplatte PCB2 120 der Fig. 5 sind Windungen der
Planartransformatoren 130, 140 auf einer Innenlage dargestellt. Auf einer weiteren Innenlage, die in Fig. 5 nicht dargestellt ist, befinden sich weitere Leiterbahnen, die ebenfalls zu den einzelnen Wicklungen gehören und diese vervollständigen. Auf den Außenlagen können Kupferflächen angeordnet sein, die zur Schirmung eingesetzt werden. Fig. 6 zeigt einen Lagenaufbau der Hauptleiterplatte PCB1, die beispielsweise eine maximale Dicke von etwa 0,9 mm aufweist. Die einzelnen Schichten abwechselnd Kupfer und eine Isolierschicht haben Dicken im Mikrometerbereich, beispielsweise 35 μιη für jeweils eine Kupferschicht und 200 μιη für jeweils eine Isolierschicht, gemessen in vertikaler Richtung der Fig. 6.
Fig. 7 zeigt einen beispielhaften Schichtaufbau der Zusatzleiterplatte der Fig. 4. Die Zusatzleiterplatte PCB2 120 gemäß Fig. 7 hat einen Lagenaufbau 126 mit vier elektrisch leitenden Lagen und dazwischen liegenden Isolierschichten. Die
Abmessungen der einzelnen Schichten sind ähnlich wie die der Fig. 6, nämlich beispielsweise 35 μιη für jeweils eine Kupferschicht und 200 μιη bis 600 μιη für jeweils eine Isolierschicht, gemessen in vertikaler Richtung der Fig. 7, wobei für den
Planartransformator auch noch Durchkontaktierungen zwischen den einzelnen
Schichten vorhanden sein können. Hierbei hat der Lagenaufbau mit den vier Schichten beispielsweise eine maximale Dicke von etwa 1,45 mm, ohne dass die äußeren
Kupferlagen berücksichtigt sind. Ferner weist die Zusatzleiterplatte eine stufenförmige Geometrie 152 auf, an deren Unterseite eine metallische Kontaktfläche als
Kantenmetallisierung 153 angeordnet ist, die in Fig. 8 dargestellt ist.
Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer Kantenmetallisierung 153, wobei das Metall hier Kupfer ist, (englisch: edge plated Pads). Über die Kantenmetallisierung 153 können insbesondere elektrische Verbindungen zwischen der Hauptleiterplatte und der Zusatzleiterplatte bereitgestellt werden.
Die Fig. 10 bis 13 zeigen zusätzlich zu den Fig. 1 bis 3 weitere Ausführungsformen eines elektrischen Moduls 100 in einer Schnittansicht, wobei in den Fig. 10 bis 13 nur ein Teil der vorhandenen Komponenten gezeigt sind und beispielsweise das Gehäuse 101 und die elektronischen Bauteile 112, 113 nicht dargestellt sind. Die Fig. 10 bis 13 zeigen jeweils schematisch eine Hauptleiterplatte 110 und eine Zusatzleiterplatte 120, wobei die Zusatzleiterplatte 120 durch zwei Kernteile 124 und 125 zumindest teilweise umschlossen ist. Die Hauptleiterplatte 110 hat in diesen Ausführungsbeispielen eine geringere Dicke im Vergleich zu der Zusatzleiterplatte 120 mit einer größeren Dicke bzw. Stärke bzw. Höhe.
In den Fig. 10 bis 13 werden verschiedene Varianten einer Art der Verbindung 150 zwischen einer Hauptleiterplatte 110 und einer Zusatzleiterplatte 120 gezeigt. Hierbei weist jedes Ausführungsbeispiel der Fig. 10 bis 13 jeweils zwei Verbindungen 150 auf, die jeweils gleich bzw. ähnlich ausgebildet sind. Es ist jedoch auch möglich, verschiedene Varianten zu kombinieren, so dass beispielsweise eine erste Verbindung 150 in einem elektrischen Modul 100 gemäß Fig. 10 ausgebildet ist und eine zweite Verbindung 150 in einem elektrischen Modul gemäß Fig. 12 ausgebildet ist. Beliebige Variationen sind im Rahmen der Erfindung vorgesehen.
Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Verbindung 150 zwischen einer geraden Kontaktfiäche der Hauptleiterplatte 110 und einer schrägen Kontaktfläche der
Zusatzleiterplatte 120. Hierbei läuft die Kontaktfläche in Fig. 10 von unten nach oben in etwa einem Winkel von 45 Grad in Bezug auf eine horizontale Ausrichtung der
Hauptleiterplatte 110. Eine stumpfe Seite der Verbindungsfiäche liegt an der unteren Kante der Zusatzleiterplatte und eine Spitze an der Verbindungsfläche liegt an der oberen Kante der Zusatzleiterplatte 120. Hierbei übersteigt die Höhe der
Zusatzleiterplatte 120 die Höhe der Hauptleiterplatte 110.
Fig. 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Verbindung 150 mit einer gemeinsamen schrägen Kontaktfiäche der Hauptleiterplatte 1 10 und der Zusatzleiterplatte 120. Hierbei weist auch die Hauptleiterplatte 110 eine schräge Randfiäche auf, die mit der schrägen Randfläche der Zusatzleiterplatte korrespondiert, so dass beide Randflächen sich mechanisch vollfiächig berühren. Zusätzlich zur mechanischen Verbindung 150 wird eine elektrische Verbindung 150 bereitgestellt, die linienförmig ausgebildet ist und in Fig. 11 in der Schnittansicht als Punkt dargestellt ist. Fig. 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Verbindung 150 mit einer stufenförmigen mechanischen Kontaktfiäche und einer linienförmigen elektrischen Verbindung 150 an der Stufe, die als punktförmige Verbindung in Schnittansicht der Fig. 12 dargestellt ist. Hierbei weist der Randbereich der Hauptleiterplatte 110 eine Stufe auf, die eine Aufiagefiäche nach oben bildet. Ferner weist der Randbereich der Zusatzleiterplatte 120 eine Stufe auf, die eine Aufiagefiäche nach unten ausbildet. Die beiden stufenförmigen Geometrien korrespondieren miteinander. Hierbei liegt die Zusatzleiterplatte 120 auf der Hauptleiterplatte 110 an der Verbindung 150 auf. Eine Umkehrung der Stützung wäre auch möglich, so dass sich die Hauptleiterplatte 110 auf der Zusatzleiterpatte 120 abstützt.
Fig. 13 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Verbindung 150 bei der die
Hauptleiterplatte 110 in ihrem Randbereich eine schräge Kontaktfiäche aufweist. Ferner weist die Zusatzleiterplatte 120 an ihrem Randbereich eine stufenförmige Geometrie auf. Hierbei berühren sich die beiden Randgeometrien der beiden Leiterplatten 110, 120 mechanisch nur in einem Punkt, bzw. auf einer Linie, wenn man die Tiefe der
Leiterplatten 110, 120 betrachtet. An diesem Punkt in der Querschnittsansicht wird eine Verbindung 150 zwischen den beiden Leiterplatten 110, 120 bereitgestellt, die sowohl mechanisch wie auch elektrisch wirkt.
Insgesamt kann ein elektrisches Modul 100 bereitgestellt werden, das eine
Hauptleiterplatte 110 und mindestens eine Zusatzleiterplatte 120 aufweist, wobei die Hauptleiterplatte 110 und die Zusatzleiterplatte 120 auf unterschiedliche Weisen miteinander elektrische und mechanisch verbunden werden können. Diese Verbindung 150 hat den Vorteil, dass das elektrische Modul 100 insgesamt eine niedrige Bauhöhe aufweisen kann und auch gleichzeitig eigensicher im Sinne dem Standard DIN EN 60079-11 bzw. auf internationaler Ebene der Version EN 60079-11 :2012 betrieben werden kann. Bezugszeichen:
100 Elektrisches Modul
101 Gehäuse
102 Wandstärke
110 Hauptleiterplatte PCB 1
111 Ausnehmung in der Hauptleiterplatte
112 elektronisches Bauteil B 1
113 elektronisches Bauteil B2
114 Lagenaufbau der Hauptleiterplatte mit den Lagen COl, C02, C03, C04
120 Zusatzleiterplatte PCB2
121 Ausnehmung in der Zusatzleiterplatte
122 erster Planartransformator
123 Ferritkern
124 erstes Ferritkernteil Fl des ersten Planartransformators
125 zweites Ferritkernteil F2 des ersten Planartransformators
126 Lagenaufbau der Zusatzleiterplatte mit den Lagen C01, C02, C03, C04 127 elektronisches Bauteil B3
130 zweiter Planartransformator
131 Ferritkernteil des zweiten Planartransformators
132 Primärwicklung des zweiten Planartransformators
133 Sekundärwicklung des zweiten Planartransformators
140 dritter Planartansformator
141 Ferritkernteil des dritten Planartransformators
142 Primärwicklung des dritten Planartransformators
143 Sekundärwicklung des dritten Planartransformators
150 Verbindung 151 Tiefenfräsung
152 stufenförmige Geometrie
153 Kantenmetallisierung HO Dicke der Leiterplatte bzw. Leiterplattenstärke
Hl Dicke der Leiterplatte bzw. Leiterplattenstärke
Kl Höhe des Ferritkernteils Fl
K2 Höhe des Ferritkernteil F2
PO Hohlraumhöhe im Inneren des Gehäuses
PI Außenbreite des Gehäuses
P01 Bestückungshöhe im Inneren des Gehäuses
P02 Bestückungshöhe im Inneren des Gehäuses TO geforderter Mindestabstand in Bezug auf ein Schutzniveau

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisches Modul (100) mit einem Planartransformator (122) aufweisend
ein Gehäuse (101) mit einem Innenraum m aufweisend eine Innenhöhe (PO); eine Hauptleiterplatte (110) mit einer ersten Dicke (HO), wobei auf der
Hauptleiterplatte (110) mindestens ein elektronisches Bauteil (112) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Zusatzleiterplatte (120) mit der zweiten Dicke (Hl) der Planartransformator (122) angeordnet ist;
wobei die Hauptleiterplatte (110) eine Ausnehmung (111) aufweist, die die Zusatzleiterplatte (120) aufnimmt; und wobei die Hauptleiterplatte (110) und die Zusatzleiterplatte (120) über eine Verbindung (150) miteinander verbunden sind.
2. Elektrisches Modul (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (150) stufenförmig ausgebildet ist.
3. Elektrisches Modul (100) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Verbindung (150) durch eine Stufe an der
Hauptleiterplatte (110) ausgebildet ist.
4. Elektrisches Modul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Verbindung (150) durch eine Stufe an der
Zusatzleiterplatte (120) ausgebildet ist.
5. Elektrisches Modul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass die Verbindung (150) eine schräge Kontaktfläche aufweist.
6. Elektrisches Modul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die Verbindung (150) linienförmig ausgebildet ist.
7. Elektrisches Modul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die Verbindung (150) eine Kontaktfläche aufweist.
8. Elektrisches Modul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Verbindung (150) eine Tiefenfräsung (151) aufweist.
9. Elektrisches Modul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass die Hauptleiterplatte (110) mittig in Bezug auf die
Innenhöhe (PO) angeordnet ist.
10. Elektrisches Modul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die Hauptleiterplatte (110) asymmetrisch in Bezug auf die Innenhöhe (PO) angeordnet ist.
11. Elektrisches Modul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, dass die Verbindung (150) eine elektrische und eine mechanische Verbindung bereitstellt.
12. Elektrisches Modul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, dass die Hauptleiterplatte (110) und die Zusatzleiterplatte (120) eine gemeinsame metallisierte Kontaktfläche aufweisen.
13. Elektrisches Modul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, dass die erste Dicke der Hauptleiterplatte (110) geringer ist als die zweite Dicke der Zusatzleiterplatte (120).
14. Elektrisches Modul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, dass die Hauptleiterplatte (110) beidseitig mit jeweils mindestens einem Bauteil (112, 113) bestückt ist.
15. Elektrisches Modul (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, dass das elektrische Modul (100) einen Trennverstärker bereitstellt.
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