EP2920798B1 - Planarübertrager - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Planarübertrager mit einer Primärwicklung, mit einer Sekundärwicklung, mit einer Koppelwicklung und mit einem Leitersubstrat, das Träger eines oder mehrerer Magnetkernringe ist.
• Die US 8,022,802 B2 betrifft einen Sensor zur Messung elektrischer Parameter in einer Hochspannungsumgebung und umfasst Trenntransformatoren in mehreren Ausführungsformen, darunter eine Ausführungsform mit einer einzigen Haupt-Schaltungsplatine für mehrere nebeneinander angeordnete Wicklungen, die über Magnetkernringe magnetisch verkettet sind, und eine weitere Ausführungsform mit einer Haupt-Schaltungsplatine, einer Neben-Schaltungsplatine und zwei Magnetkernringen, die durch Öffnungen der Haupt- und Neben-Schaltungsplatinen hindurchreichen. In und auf der Haupt-Schaltungsplatine befinden sich die Primärwicklung und die Sekundärwicklung, während auf der Neben-Schaltungsplatine die Koppelwicklung zur Kopplung der beiden Magnetkernringe angeordnet ist. Zwischen den beiden Schaltungsplatinen befindet sich einiger Zwischenraum, und die Koppelwicklung auf der Neben-Schaltungsplatine weist ebenfalls einen Abstand zu dem jeweiligen Rand der Öffnungen in den Magnetkernringen auf. Auf diese Weise werden relativ große Ringkernöffnungen in den Magnetkernringen benötigt.
• Bei einem weiteren Übertrager ( DE 10 2005 041 131 A1 ) sind die ferromagnetischen Kerne zur Bildung von Spulen gewickelt, wobei die Wicklungen der Spulen auf verschiedenen ferromagnetischer Kernen angebracht sind, um geforderte Isolationsabstände einzuhalten. Die ferromagnetischen Kerne sind über eine zusätzliche, in eine Leiterplatte eingelassene Windung magnetisch miteinander gekoppelt. Wegen der notwendigen Bewicklung der ferromagnetischen Kerne ist ein so gebauter Übertrager nur mit hohen Kosten zu fertigen.
• Aus US 2011/0140824 A1 ist ein Übertrager bekannt, bei dem potentialmäßig zu trennende Wicklungen asymmetrisch auf verschiedenen Leiterplatten angebracht sind, die übereinander gestapelt mit einem zweiteiligen ferromagnetischen Kern zu dem Übertrager verbunden sind.
• In US 2011/0095620 A1 wird ein Planarübertrager für miniaturisierte Anwendungen beschrieben, dessen Spulenwindungen auf entgegenliegenden Seiten eines isolierenden Substrats angeordnet sind. Das Gerät arbeitet aufgrund von Induktion, ohne ferromagnetische Kerne.
• Aus EP 0 715 322 A1 ist ein in Planartechnik gefertigter Übertrager bekannt, bei dem Leiterbahnen in Schichtlagen in einer Leiterplatte untergebracht sind und so Transformatorwicklungen bilden. Ein ferromagnetischer Kern umgibt die Transformatorwicklungen mit ringförmigen Schenkeln außen, und mit einem zylindrischen Schenkel innen.
• Aus DE 20 2009 002 383 U1 ist ein Planartransformator bekannt, der eine mehrlagige Platine enthält, die hohe Spannungsfestigkeit der Leiterplattenlagen untereinander, zwischen den primären zu den sekundären Wicklungen, gewährleistet. Der Übertrager kann mit entgegengerichteten Signalen potentialfrei angesteuert werden. Ein zu übertragendes Signal in positiver magnetischer Flussrichtung einer gemeinsamen primären Wicklung, oder einer einzelnen primären Wicklung erzeugt unmittelbar ein positives Steuersignal in einer ersten sekundären Wicklung in gleicher Koppelrichtung. Ein Signal in negativer magnetischer Flussrichtung einer zweiten oder der gleichen Wicklung erzeugt unmittelbar in einer zweiten sekundären Wicklung in entgegengesetzter Koppelrichtung zur ersten sekundären Wicklung ein ebenfalls positives Steuersignal oder in der ersten sekundären Wicklung ein negatives Steuersignal, und wenn kein weiteres Signal übertragen werden soll, erfolgt eine durch Schaltungselemente automatische oder digital gesteuerte Entmagnetisierung des Übertragers durch eine oder zwei als Kurzschluss angesteuerte Wicklungen unmittelbar am Ende eines zuvor übertragenen Signals.
• DE 10 2009 037 340 A1 zeigt einen Übertrager, bei dem bewickelte, ringförmige Kerne über eine Kurzschlusswicklung verbunden sind. Die Kurzschlusswicklung wird bspw. durch Löten mit entsprechenden Kontakten einer Leiterplatte verbunden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Planarübertrager anzugeben, der einfach zu fertigen ist und auf kleinstem Raum eine Potentialtrennung für zwei oder mehrere Potentialgruppen ermöglicht. Die Aufgabe wird jeweils gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche 1 und 2.
• Der neue Planarübertrager weist mindestens zwei mit Jochschenkeln versehene ferromagnetische Kerne und ein einziges, plattenförmiges Leitersubstrat zur Bildung einer Primärwicklung und mindestens einer Sekundärwicklung auf, die durch mindestens eine Koppelwicklung miteinander gekoppelt sind. Das Leitersubstrat bildet einen plattenförmigen Träger für die ferromagnetischen Kerne, welche unter Bildung von zusammenbaubaren Jochkernhälften geteilt sind und dabei mindestens zwei hindurchgreifende Jochschenkel aufweisen, die durch Aussparungen im Leitersubstrat gesteckt werden können, um durch Schließen der Jochkernhälften jeweils einen Magnetkernring zu bilden.
• Um auf kleinstem Raum eine Potentialtrennung zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung zu erzielen, muss man in Kauf nehmen, dass die Magnetkernringe nur geringe Trennabstände zu dem plattenförmigen Leitersubstrat einhalten, das im Bereich einer ersten Ringkernöffnung Teile der Primärwicklung und im Bereich einer zweiten Ringkernöffnung Teile der Sekundärwicklung nahe der Oberfläche des Leitersubstrates aufnimmt. Damit wird der betreffende Magnetkernring potentialmäßig der benachbarten Primärwicklung beziehungsweise Sekundärwicklung zugeschlagen, obzwar natürlich eine als Funktionsisolierung bezeichnete Isolationsschicht die betreffende Wicklung von dem ferromagnetischen Material der mindesten zwei Magnetkernringe trennt, die beabstandet angeordnet über die Koppelwicklung elektromagnetisch miteinander verkettet sind, jedoch auf unterschiedlichen Potentialen (der Primärwicklung beziehungsweise der Sekundärwicklung) liegen. Damit muss die Koppelwicklung einen ausreichenden Isolationstrennabstand zu benachbarten Innenseiten der Ringkernöffnungen und zu benachbarten Windungen von Primärwicklung und Sekundärwicklung einhalten, damit die Potentiale durch einen Gesamt-Isolationstrennabstand voneinander geschieden werden können. Dieser Gesamt-Isolationstrennabstand kann auf die jeweiligen Trennabstände zwischen Koppelwicklung und Ringkernöffnung beziehungsweise benachbarter Windung von Primärwicklung oder Sekundärwicklung aufgeteilt werden, wobei jedoch ein jeweiliges Mindestmaß an Trennabstand eingehalten werden muss.
• Bei einer ersten Bauweise nimmt der eine Schenkel des Magnetkernringes die Primärwicklung auf, während der andere Schenkel von einem ersten Teilbereich der Koppelwicklung umschlungen ist, die mit einem zweiten Teilbereich auch den Schenkel eines benachbarten Ringkernes umschlingt, dessen anderer Schenkel die Sekundärwicklung aufnimmt. Es können mehrere mit Sekundärwicklungen versehene Sekundärmagnetkernringe mit einem einzelnen Primärmagnetkernring gekoppelt werden.
• Bei einer zweiten Bauweise wird jeweils ein erster Schenkel der beiden Magnetkernringe von zwei Wicklungen in unterschiedlichen Schichtebenen des Leitersubstrates umschlungen, wobei die Koppelwicklung die beiden Magnetkernringe verbindet und die Primärwicklung dem einen Magnetkernring zugeordnet ist, während die Sekundärwicklung dem anderen Magnetkernring zugeordnet ist. Soweit ein jeweils zweiter Schenkel der beiden Magnetkernringe in einer der unterschiedlichen Schichtebenen des Leitersubstrates frei von den erwähnten Wicklungen ist, kann dort eine Hilfswicklung, etwa zu Kontrollzwecken, angeordnet werden. Es ist aber auch möglich, die Primärwicklung oder die Sekundärwicklung mit einem Abschnitt auf dem freien Schenkel fortzusetzen.
• Indem die Magnetkernringe als zweigeteilte Jochkerne und die Wicklungen einschließlich der Koppelwicklung als integrale Teile des plattenförmigen Leitersubstrats ausgebildet werden, ist die Herstellung des Planarübertragers vereinfacht, da die Schenkel der Jochkerne nur durch Aussparungen in dem plattenförmigen Leitersubstrat gesteckt und zu jeweils einem Magnetkernring komplettiert werden brauchen. Gleichzeitig ermöglicht diese Ausbildung eine gute Raumausnutzung der Ringkernöffnung bei gleichzeitiger Potentialtrennung zwischen benachbarten Magnetkernringen.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1

eine erste Bauform eines Übertragers in Planarbauweise in schematischer Draufsicht,

Fig. 2

den Übertrager von Fig. 1 gemäß Schnitt A-B,

Fig. 3

eine zweite Bauform eines Übertragers in Draufsicht und

Fig. 4

gemäß Schnitt C-D,

Fig. 5

einen Übertrager mit zwei Sekundärwicklungen in Draufsicht und

Fig. 6

gemäß Schnitt E-F,

Fig. 7

einen weiteren Übertrager mit zwei Sekundärwicklungen in Draufsicht,

Fig. 8

einen weiteren Übertrager in schematischer Draufsicht und

Fig. 9

gemäß Schnitt G-H,

Fig. 10

eine Variante des weiteren Übertragers nach Fig. 8, 9 in schematischer Draufsicht,

Fig. 11

einen weiteren Übertrager mit Koppelwicklung oberflächennah in schematischer Draufsicht und

Fig. 12

gemäß Schnitt I-J,

Fig. 13

einen weiteren Übertrager mit E-förmigen Kernhälften in schematischer Draufsicht und

Fig. 14

gemäß Schnitt K-L.

• Fig. 1 und 2 stellen eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Übertragers in Planarbauweise dar. Die Hauptteile des Übertragers sind eine Primärwicklung 1, eine Sekundärwicklung 2, eine Koppelwicklung 3, ein erster zweiteiliger Magnetkernring 4, ein zweiter zweiteiliger Magnetkernring 5 und ein einziges plattenförmiges Leitersubstrat 6. Die Magnetkernringe 4, 5 umfassen jeweils zwei Jochkernhälften 41, 51 und 42, 52, die sich zu dem Ring 4 mit der ersten Ringkernöffnung 43 beziehungsweise dem Ring 5 mit der zweiten Ringkernöffnung 53 schließen. Die Magnetkernringe 4, 5 weisen jeweils Durchgriffsschenkel 44, 45 bzw. 54, 55 und Verbindungsschenkel zwischen den Durchgriffsschenkeln auf. Der Schenkel 44 bzw. 54 kann der einen oder der anderen Kernhälfte 41, 42 bzw. 51, 52 angehören, oder auch geteilt sein, wie in Fig. 9 dargestellt. Das plattenförmige Leitersubstrat 6 weist zwei Paare von Aussparungen 61, 62 und 63, 64 auf, die Durchbrechungen für die Durchgriffsschenkel 44, 45 bzw. 54, 55 der Magnetkernringe 4, 5 bilden. Die Paare 61, 62 und 63, 64 der Aussparungen sind über eine Isolationsstrecke voneinander getrennt und nehmen die Durchgriffsschenkel 44, 45 bzw. 54, 55 der Magnetkernringe 4, 5 auf. Die Primärwicklung 1 umgibt die Aussparung 61 in mehreren Schichtebenen des Leitersubstrates 6, von denen hier vier Schichtebenen 11, 12, 13, 14 angedeutet sind und die sich auf der Oberfläche des Leitersubstrats, oder oberflächennah, und in dem Leitersubstratinneren erstrecken. Das Leitersubstrat 6 füllt die Ringkernöffnungen 43 beziehungsweise 53 beinahe aus.
• Wie in Fig. 1 angedeutet, nimmt die Primärwicklung 1 in jeder Schichtebene einen spiralförmigen Verlauf ein. Die vier Spiralformen sind untereinander verbunden, um die Primärwicklung 1 zu ergeben. In ähnlicher Weise sind Spiralformen der Sekundärwicklung in vier Schichtebenen 21, 22, 23, 24 vorhanden und umgeben die Aussparung 64.
• Die Koppelwicklung 3 umschlingt mit ihrem Teilbereich 34 den Durchgriffsschenkel 45 und mit ihrem Teilbereich 35 den Durchgriffsschenkel 55 und ist im Sinne einer Kurzschlusswicklung in sich geschlossen, d. h. bildet einen Leitungsring. Die Koppelwicklung kann in zwei Schichtebenen 31, 32 angeordnet sein und ist von allen Seiten von einer Isolationsschicht mit einer Dicke umgeben, die einen Teil-Isolationstrennabstand von L/2 ergibt. Dabei bedeutet "L" den Gesamt-Isolationstrennabstand, der sich aus der Plattendicke des Leitersubstrates 6 minus dem Abstand der Schichtebenen 31, 32 voneinander errechnet. Die Schichtebenen 12, 13 und 22, 23 sind durch eine Isolierschicht voneinander getrennt, die als "Funktionsisolierung" bezeichnet wird.
• Durch Vermittlung der Magnetkernringe 4, 5 und der Koppelwicklung 3 sind die Primärwicklung 1 und die Sekundärwicklung 2 bei galvanischer Trennung im Gesamt-Isolationstrennabstand L miteinander gekoppelt.
• Die Magnetkernringe 4 und 5 mit ihren Kernhälften 41, 42 bzw. 51, 52 umgeben die jeweilige Ringöffnung 43, bzw. 53. Die Kernhälften können gleich oder ungleich sein, und können aus unterschiedlichen geometrischen Formen zusammengesetzt sein. Die Querschnitte können rechteckig, abgerundet, rund oder oval sein. Zwischen den Kernhälften können Luftspalte vorgesehen sein, es ist aber auch möglich, die Luftspalte weitgehend zu schließen, wenn die Kernhälften durch Aufeinanderkleben oder Klammern zusammenmontiert werden. Im Einzelnen können die Kernhälften U-, I- und E-Formen annehmen.
• Wie in Fig. 1 dargestellt, nehmen die Lagen der Primärwicklung 1 in etwa die Hälfte der Querschnittsfläche der Ringöffnung 43 ein, während die Lagen 31, 32 der Koppelwicklung 3 die andere Querschnittsflächenhälfte der Ringöffnung 43 einnehmen. Dabei werden Teil-Isolationstrennabstände von L/2 sowohl zu den Jochschenkeln, als auch zu der Primärwicklung 1 eingehalten.
• Die gleiche Situation findet sich hinsichtlich der Sekundärseite wieder. Auch hier nehmen die Lagen der Sekundärwicklung 2 in etwa die Hälfte der Querschnittsfläche der Ringöffnung ein und die Koppelwicklung 3 weist Teil-Isolationstrennabstände von L/2 zum Öffnungsrand bzw. zu den Lagen der Sekundärwicklung auf. Auf diese Weise gibt es eine Potentialtrennung zwischen der Primärwicklung 1 und der Sekundärwicklung 2 mit einem Gesamt-Isolationstrennabstand 2·L/2 = L, der mindestens so groß gewählt wird, wie von der Norm EN 60079-11 gefordert, dass heißt den minimalen Gesamt-Isolationstrennabstand, oder mehr, ergibt.
• Die Koppelwicklung 3 ist zu allen anderen Potentialen isoliert aufgebaut. Dadurch kann der Isolationstrennabstand L in zwei Teil-Isolationstrennabständen aufgebaut werden. Die Aufteilung des Gesamt-Isolationstrennabstandes L kann abweichend von der Aufteilung L/2 + L/2 auch in anderer Weise erfolgen. Zur Erfüllung der Anforderungen aus der EN 60079-11 muss der kleinere Teil-Isolationstrennabstand größer L/3 sein. Wie auch aus den zeichnerischen Darstellungen ersichtlich, brauchen von der Primärwicklung 1 bzw. Sekundärwicklung 2 zu dem zugehörigen Magnetkernring 4 bzw. 5 keine großen Isolationsabstände eingehalten werden. Es genügt häufig die erwähnte Funktionsisolierung, so dass die einzelnen Windungen der Wicklungen nicht durch die benachbarten Verbindungsschenkel überbrückt werden. Man kann deshalb den Magnetkernringen das gleiche elektrische Potential zuordnen wie den Wicklungen.
• Der Isolationstrennabstand zwischen den benachbarten Magnetkernringen 4 und 5 wird ausreichend groß gewählt, damit die Magnetkernringe ihre jeweiligen unterschiedlichen Potentiale im Betrieb des Übertragers halten. Wenn die Primär- und Sekundärwicklungen zu den zugehörigen Magnetkernringen keine großen Isolierabstände einhalten, bedeutet dies, dass sehr viel von der Querschnittsfläche der Ringöffnung 43 oder 53 für die Windungen der Wicklungen 1 bzw. 2 genutzt werden kann und dieser Platzgewinn bedeutet eine größere Windungsanzahl auf gleicher Fläche und damit die Erzielung einer höheren Induktivität, verglichen mit dem Fall, dass die Wicklungen nicht an dem Rand der Ringöffnungen heranreichen dürfen. Der neue Planarübertrager eignet sich deshalb zur Miniaturisierung.
• Die Fig. 3, 4 zeigen eine Variante des Übertragers nach Fig. 1, 2, wobei die Innenlage des plattenförmigen Leitersubstrats 6 nur für die Koppelwicklung 3 benutzt wird, die auch hier mit jeweils dem halben Isolationstrennabstand L/2 von allen anderen Potentialen getrennt ist. Die Primärwicklung 1 und die Sekundärwicklung 2 liegen auf der Ober- und Unterseite des Leitersubstrats 6, oder oberflächennah in Überdeckung mit den Teilbereichen 34 bzw. 35 der Koppelwicklung 3. Gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1, 2 kann die Ringöffnung 43, 53 kleiner gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1, 2 ausgeführt werden, allerdings auf Kosten der Anzahl der Windungen von Primär- und Sekundärwicklung.
• Fig. 5 und 6 zeigen eine Variante des Übertragers mit zwei Sekundärwicklungen. Demgemäß gibt es zwei Sekundärmagnetkernringe 5a, 5b und zwei Sekundärwicklungen 2a und 2b sowie eine Koppelwicklung 3 mit zwei "Ohren" oder Zweigen 36, 37. Die Schenkel der Magnetkernringe durchdringen das Leitersubstrat 6 an den Öffnungen 61, 62, 63a, 63b, 64a, 64b. Ansonsten entsprechen die Einzelheiten dem des Übertragers nach Fig. 1 und 2. Es können aber auch die Einzelheiten, wie zu Fig. 3 und 4 beschrieben, angewendet werden. Bei dem Aufbau des Übertragers nach Fig. 5, 6 sind die Ausgänge der Sekundärwicklungen 2a, 2b voneinander unabhängig. Die jeweilige Ausgangsspannung hängt vom Übersetzungsverhältnis der Primärwicklung zur jeweiligen Sekundärwicklung ab, d. h. die Ausgänge sind parallel geschaltet. Wird ein Ausgang nicht benutzt, kann am anderen Ausgang trotzdem ein Strom abgenommen werden.
• Fig. 7 zeigt eine weitere Variante des Übertragers mit zwei Sekundärwicklungen 2a, 2b. Für diese Variante werden drei Magnetkernringe 4, 5a, 5b und eine Koppelwicklung 3 verwendet, die alle drei Magnetkernringe 4, 5a, 5b miteinander verkettet. Die Schenkel der Magnetkernringe durchdringen das Leitersubstrat 6 an den Öffnungen 61, 62, 63a, 63b, 64a, 64b. Die Ausgänge der beiden Sekundärwicklungen sind funktionsmäßig nicht unabhängig voneinander, da sie im Ersatzschaltbild in Reihe liegen. Dies bedeutet, dass im Idealfall nur an beiden Ausgängen gleichzeitig jeweils ein Strom fließen kann.
• Fig. 8 und 9 zeigen eine Bauweise des Übertragers, bei dem jeder der Magnetkernringe 4, 5 einen von zwei Wicklungen umschlungenen Schenkel 44 bzw. 54 aufweist. Der Schenkel 44 wird von der Primärwicklung 1 und von dem Teilbereich 34 der Koppelwicklung 3 umschlungen, während der Schenkel 54 von der Sekundärwicklung 2 und von dem Teilbereich 35 der Koppelwicklung 3 umschlungen wird. Der zum Schenkel 44 parallele Schenkel 45 und der zum Schenkel 54 parallele Schenkel 55 sind somit frei und können beispielsweise eine Hilfswicklung tragen, die zu Kontrollzwecken benutzbar ist. Wie aus Fig. 9 ersichtlich, liegen die Primärwicklung 1 und die Sekundärwicklung 2 auf der Ober- und Unterseite des Leitersubstrates 6, oder oberflächennah und in teilweiser Überdeckung mit den Teilbereichen 34, 35 der Koppelwicklung 3, die in zwei Schichtlagen 31, 32 angeordnet sein kann.
• Fig. 10 zeigt eine Variante zur Ausführungsform nach Fig. 8, 9. Die Schenkel 44, 45 bzw. 54, 55, der beiden Magnetkernringe 4 und 5 sind jeweils mit spiralförmigen Wicklungsabschnitten 15, 16, 17, 18 bzw. 25, 26, 27, 28 belegt. Der Wicklungsabschnitt 15 bildet linksdrehende spiralförmige Windungen auf der Oberseite des Leitersubstrates 6 und durchstößt das Leitersubstrat in einem Via, um auf der Unterseite des Leitersubstrates 6 nochmals linksdrehende spiralförmige Windungen zu bilden, die in der Zeichnung weitgehend von dem Wicklungsabschnitt 15 überdeckt werden und deshalb in der Zeichnung nur in Spuren zu sehen sind. Der Wicklungsabschnitt 16 ist auf der Unterseite mit dem Wicklungsabschnitt 17 leitend verbunden, und zwar mit der äußeren Leitungswindung des Wicklungsabschnittes 17. Von dort werden rechtsdrehende spiralförmige Windungen durchlaufen, die wiederum teilweise von dem Wicklungsabschnitt 18 überdeckt werden. Mittels einer Via wird die Leitung auf die Oberseite des Leitersubstrates 6 geführt, wo sich die rechtsdrehenden spiralförmigen Windungen bis zur Leitungsklemme am äußeren Rand des Leitersubstrates 6 fortsetzen. Die Formen der Sekundärwicklung 2 sind spiegelbildlich zu der Form der Primärwicklung 1. Der Koppelwicklung 3 erstreckt sich in einer Schichtebene im Inneren des Leitersubstrates 6 korrespondierend zur Darstellung in Fig. 9.
• Die Fig. 11 und 12 zeigen eine Ausführungsform des Übertragers, bei der die Koppelwicklung 3 auf der Ober- und Unterseite des Leitersubstrates 6 liegt und somit das gleiche Potential wie die Magnetkernringe 4, 5 hat. Ein Isolationstrennabstand zwischen den Magnetkernringen ist nicht erforderlich. Die Primärwicklung 1 sowie die Sekundärwicklung 2 verläuft in den Innenlagen des Leitersubstrates mit je einem halben Isolationstrennabstand zu den Magnetkernringen 4, 5 und zur Koppelwicklung 3. Die Kernhälften 41, 42 bzw. 51, 52 sind beispielsweise U-förmig gestaltet. Hier, wie in den anderen Ausführungsformen, können die Magnetkernringe auch in anderer Weise als dargestellt zusammengebaut werden, wobei die Hälften jeweils aus mehr als einem Teil bestehen können. So kann man beispielsweise vier Schenkelstäbe zu einem Magnetkernring zusammenfügen.
• Die Fig. 13, 14 zeigen eine Ausführungsform des Übertragers mit E-förmigen Kernhälften 41, 42, die beim Zusammenschluss einen mittleren Steg korrespondierend zu dem Schenkel 44 bilden, der durch die Öffnung 61 im Leitersubstrat 6 hindurch reicht. Auch der andere Magnetkernring 6 weist einen solchen mittleren Steg zur Bildung des Schenkels 54 auf. Der Schenkel 44 wird von der Primärwicklung 1 und der Schenkel 54 von der Sekundärwicklung 2 spiralförmig in zwei Schichtebenen 11, 14 umrundet, ähnlich wie dies in Fig. 9 dargestellt ist. Die Koppelwicklung 3 mit ihren Teilbereichen 34, 35 bildet eine geschlossene Schleife um die beiden mittleren Stege der Magnetkernringe. Es kann dies in zwei Schichtebenen 31, 32 innerhalb des Leitersubstrates 6 erfolgen.
• Wegen der E-Form der Kernhälften 41, 42 bzw. 51, 52 werden jeweils drei Öffnungen 61, 62a, 62b bzw. 64, 63a, 63b in dem Leitersubstrat 6 benötigt. Je zwei dieser Öffnungen werden als Paare im Sinne der nachfolgenden Patentansprüche angesehen. Die Ausführungsform nach Fig. 13, 14 entspricht funktionell der Ausführungsform nach Fig. 8, 9. Es kann aber auch eine Bauweise gemäß Fig. 10 angewendet werden, wobei der dritte Schenkel 46 bzw. 56 noch für eine Hilfswicklung zur Verfügung steht. Auch könnte man für die Jochschenkel 44, 45 und 54, 55 die Bauweise nach Fig. 1, 2 bei freien Schenkeln 46, 56 zu Ersatzzwecken anwenden. Schließlich könnte man auch zwei oder drei Primärwicklungen und entsprechende Sekundärwicklungen miteinander, z. B. zwecks Ausfallersatzes, kombinieren.
• Das plattenförmige Leitersubstrat 6 in allen Ausführungsformen wird vorzugsweise als Elektronik-Leiterplatte hergestellt. Die Herstellung als gespritztes Substrat ist jedoch auch möglich. Der Übertrager lässt sich sowohl als einzelnes Bauteil mit separater Leiterplatte herstellen, wobei dann dieses Bauteil auf einer Hauptleiterplatte bestückt werden muss, als auch direkt in eine Hauptleiterplatte integrieren.
• Zu den beschriebenen Varianten können weitere Varianten hinzutreten. Beispielsweise ist es möglich, die Primärwicklung und/oder die Sekundärwicklung mit einer oder mehreren Mittenanzapfungen zu versehen.
• Der Übertrager wird wie folgt hergestellt:
  Es werden zweiteilige, Jochschenkel aufweisende ferromagnetische Kerne, wie beschrieben und dargestellt, bereitgestellt. Die ferromagnetischen Kerne enthalten zwei Hälften 41, 42, bzw. 51, 52, die zu einer geschlossenen Ringstruktur, den Magnetkernringen 4, 4a, 4b, 5, 5a, 5b, zusammengebaut werden können und nicht unbedingt aus nur zwei Teilen bestehen. Außerdem wird ein Leitersubstrat 6 mit wenigstens zwei Paaren von Aussparungen 61, 62, 63, 64 als Jochschenkel-Durchbrechungen bereitgestellt, und zwar für jeden Magnetkernring ein eigenes, von anderen Paaren getrenntes Paar von Aussparungen. Mindestens eine der beiden Aussparungen des ersten Paares, nämlich die Durchbrechung 61, ist von der Primärwicklung 1 umgeben hergestellt worden, ebenso die zweite Aussparung 64 des zweiten Paares hinsichtlich der Sekundärwicklung 2. Die andere Aussparung 62 des ersten Paares ist über die Koppelwicklung 3 mit der Aussparung 63 des benachbarten Paares von Aussparungen verknüpft.
• Die Jochkernhälften 41, 42 bzw. 51, 52 werden dadurch zu den Magnetkernringen 4, 5 montiert, dass die Jochschenkel durch die zugehörigen Aussparungen des Leitersubstrates 6 durchgesteckt werden und die Joch-Kernhälften zur Bildung je eines magnetischen Kreises geschlossen werden. Dadurch wird die Primärwicklung 1 mit der Koppelwicklung 3 und über diese mit der Sekundärwicklung 2 elektromagnetisch verkettet.
• Aus Vorstehendem ist ersichtlich, dass der erfindungsgemäße Übertrager einfach zu fertigen ist. Zwischen der Primärseite und der Sekundärseite kann eine Potentialtrennung erreicht werden, wie sie beispielsweise für explosionsgefährdete Bereiche nach der Norm EN 60079-11 gefordert wird. Dabei werden nur kleine Räume innerhalb der Ringstruktur der Magnetkernringe benötigt, da eine relativ große Packungsdichte der Wicklungen auf der Primärseite und der Sekundärseite möglich ist, ohne dass man auf die konventionelle Bewicklung der Jochschenkel zurückgreifen muss. Deshalb ist die wirtschaftliche Fertigung der neuen Übertrager möglich, auch bei miniaturisierter Bauweise der Übertrager.

Claims (2)

1. Planarübertrager, umfassend:

   - eine Primärwicklung (1),

   - wenigstens eine Sekundärwicklung (2),

   - wenigstens eine Koppelwicklung (3),

   - einen ersten, mit Jochschenkeln (44, 45) versehenen, aus einem ferromagnetischen Kern bestehenden Magnetkernring (4), der zwei Jochkernhälften (41, 42) enthält, die eine erste Ringkernöffnung (43) umgeben,

   - einen zweiten, mit Jochschenkeln (54, 55) versehenen, aus einem ferromagnetischen Kern bestehendem Magnetkernring (5), der zwei Jochkernhälften (51, 52) enthält, die eine zweite Ringkernöffnung (53) umgeben, und

   - ein einziges plattenförmiges Leitersubstrat (6), welches die erste Ringkernöffnung (43) und die zweite Ringkernöffnung (53) beinahe ausfüllt und wenigstens zwei Paaren von Aussparungen (61, 62; 63, 64) aufweist, die Durchbrechungen zur Aufnahme der Jochschenkel (44, 45; 54, 55) der ferromagnetischen Kerne bilden,

   - wobei wenigstens eine (61) der beiden Aussparungen des ersten Paares von der Primärwicklung (1) umgeben ist und diese Aussparung (61) oder die andere Aussparung (62) des ersten Paares von einem ersten Teilbereich (34) der Koppelwicklung (3) umschlungen ist,

   - wobei ferner wenigstens eine (64) der beiden Aussparungen des zweiten Paares von der Sekundärwicklung (2) umgeben ist und diese Aussparung (64) oder die andere Aussparung (63) von einem zweiten Teilbereich (35) der Koppelwicklung (3) umschlungen ist,

   - wobei die Primärwicklung (1), die Sekundärwicklung (2) und die Koppelwicklung (3) als integrale Teile des einzigen plattenförmigen Leitersubstrates ausgebildet sind,

   - wobei zur Potentialtrennung zwischen der Primärwicklung (1) und der Sekundärwicklung (2) wenigstens ein Gesamt-Isolationstrennabstand der Länge L eingehalten ist,

   - wobei die Primärwicklung (1) einen spiralförmigen Verlauf in zwei oder mehreren Schichtebenen (11, 12, 13, 14) des einzigen plattenförmigen Leitersubstrates (6) einnimmt,

   - wobei die wenigstens eine Sekundärwicklung (2) einen spiralförmigen Verlauf in zwei oder mehreren Schichtebenen (21, 22, 23, 24) des einzigen plattenförmigen Leitersubstrates (6) einnimmt,

   - wobei die Koppelwicklung (3) sich in Schichtebenen (31, 32) innerhalb des plattenförmigen Leitersubstrates (6) erstreckt, wobei Schichtebenen (11, 14) der Primärwicklung (1) und Schichtebenen (21, 24) der Sekundärwicklung (2) sich auf der Oberfläche des Leitersubstrates (6) oder oberflächennah erstrecken, wobei

   die Koppelwicklung (3) zu benachbarten Lagen der Primärwicklung (1) und zum ersten Magnetkernring (4) jeweils einen ersten Teil-Isolationstrennabstand einhält, wobei die Koppelwicklung (3) zu benachbarten Lagen der Sekundärwicklung (2) und zum zweiten Magnetkernring (5) jeweils einen zweiten Teil-Isolationstrennabstand einhält,

   und wobei der Gesamt-Isolationstrennabstand sich aus der Summe des ersten Teil-Isolationstrennabstands und des zweiten Teil-Isolationstrennabstands ergibt, wobei der erste Teil-Isolationstrennabstand 1/3 bis 1/2 des Gesamt-Isolationstrennabstands beträgt, während der zweite Teil-Isolationstrennabstand 2/3 bis 1/2 des Gesamt-Isolationstrennabstands beträgt, oder umgekehrt.
2. Planarübertrager, umfassend:

   - eine Primärwicklung (1),

   - wenigstens eine Sekundärwicklung (2),

   - wenigstens eine Koppelwicklung (3),

   - einen ersten, mit Jochschenkeln (44, 45) versehenen, aus einem ferromagnetischen Kern bestehenden Magnetkernring (4), der zwei Jochkernhälften (41, 42) enthält, die eine erste Ringkernöffnung (43) umgeben,

   - einen zweiten, mit Jochschenkeln (54, 55) versehenen, aus einem ferromagnetischen Kern bestehendem Magnetkernring (5), der zwei Jochkernhälften (51, 52) enthält, die eine zweite Ringkernöffnung (53) umgeben, und

   - ein einziges plattenförmiges Leitersubstrat (6), welches die erste Ringkernöffnung (43) und die zweite Ringkernöffnung (53 beinahe ausfüllt und wenigstens zwei Paaren von Aussparungen (61, 62; 63, 64) aufweist, die Durchbrechungen zur Aufnahme der Jochschenkel (44, 45; 54, 55) der ferromagnetischen Kerne bilden,

   - wobei wenigstens eine (61) der beiden Aussparungen des ersten Paares von der Primärwicklung (1) umgeben ist und diese Aussparung (61) oder die andere Aussparung (62) des ersten Paares von einem ersten Teilbereich (34) der Koppelwicklung (3) umschlungen ist,

   - wobei ferner wenigstens eine (64) der beiden Aussparungen des zweiten Paares von der Sekundärwicklung (2) umgeben ist und diese Aussparung (64) oder die andere Aussparung (63) von einem zweiten Teilbereich (35) der Koppelwicklung (3) umschlungen ist,

   - wobei die Primärwicklung (1), die Sekundärwicklung (2) und die Koppelwicklung (3) als integrale Teile des einzigen plattenförmigen Leitersubstrates ausgebildet sind,

   - wobei zur Potentialtrennung zwischen der Primärwicklung (1) und der Sekundärwicklung (2) wenigstens ein Gesamt-Isolationstrennabstand der Länge L eingehalten ist,

   - wobei die Primärwicklung (1) einen spiralförmigen Verlauf in zwei oder mehreren Schichtebenen (12, 13) des einzigen plattenförmigen Leitersubstrates (6) einnimmt,

   - wobei die wenigstens eine Sekundärwicklung (2) einen spiralförmigen Verlauf in zwei oder mehreren Schichtebenen (22, 23) des einzigen plattenförmigen Leitersubstrates (6) einnimmt,

   - wobei die Koppelwicklung (3) sich in Schichtebenen (31, 32) des plattenförmigen Leitersubstrates (6) erstreckt,

   wobei die Schichtebenen (12, 13) der Primärwicklung (1) und die Schichtebenen (22, 23) der Sekundärwicklung (2) sich jeweils nur im Inneren des Leitersubstrates (6) erstrecken, wobei die Koppelwicklung (3) sich auf der Oberfläche des Leitersubstrates (6) oder oberflächennah erstreckt, wobei die Lagen der Primärwicklung (1) zur Koppelwicklung (3) und zum ersten Magnetkernring (4) jeweils einen ersten Teil-Isolationstrennabstand einhalten, wobei die Lagen der Sekundärwicklung (2) zur Koppelwicklung (3) und zum zweiten Magnetkernring (5) jeweils einen zweiten Teil-Isolationstrennabstand einhalten,

   und wobei der Gesamt-Isolationstrennabstand sich aus der Summe des ersten Teil-Isolationstrennabstands und des zweiten Teil-Isolationstrennabstands ergibt, wobei der erste Teil-Isolationstrennabstand 1/3 bis 1/2 des Gesamt-Isolationstrennabstands beträgt, während der zweite Teil-Isolationstrennabstand 2/3 bis 1/2 des Gesamt-Isolationstrennabstands beträgt, oder umgekehrt.

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