AT15950U1 - Kleinbauender Transformator für ein Betriebsgerät für Leuchtmittel - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Transformator (T1) für eine Treiberschaltung zum Betreiben eines Leuchtmittels (LED), wobei der Transformator (T1) eine Primärwicklung (W1), ausgebildet als erste Planarspule (L2a), aufweist; sowie eine Sekundärwicklung (W2), ausgebildet als zweite Planarspule (L2b); und einen ersten Kern (K1), der im Wesentlichen nur mit der ersten Planarspule (L2a) elektromagnetisch zusammenwirkt; und einen zweiten Kern (K2), der sowohl mit der ersten Planarspule (L2a) als auch mit der zweiten Planarspule (L2b) elektromagnetisch zusammenwirkt.

Description

Beschreibung

KLEINBAUENDER TRANSFORMATOR FÜR EIN BETRIEBSGERÄT FÜR LEUCHTMITTEL [0001] Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Betriebsgeräte für Leuchtmittel, insbesondere LEDs, und insbesondere einen Transformator für ein Betriebsgerät.

[0002] Treiberschaltungen, zum Beispiel zum Betreiben von Leuchtdioden, sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Beispielsweise werden als Treiberschaltungen Leuchtmittelkonverter mit einem Resonanzkreis verwendet, nachfolgend als Resonanzkonverter bezeichnet. Bei diesen Resonanzkonvertern wird ein (Serien-) Resonanzkreis mittels einer Wechselspannung versorgt. Der Resonanzkreis versorgt wiederum eine Primärwicklung eines Transformators mit Energie. Die Sekundärwicklung des Transformators versorgt aus der Energie der Wechselspannung ein Leuchtmittel. Die dem Leuchtmittel zugeführte Versorgungsspannung muss typischerweise eine Gleichspannung sein. Dies kann grundsätzlich beispielsweise durch eine, dem Transformator nachgeschaltete Gleichrichterschaltung erfolgen.

[0003] Der Resonanzkonverter ist somit eine elektrische Schaltung, die mit einer Eingangsspannung versorgbar ist und an die Leuchtmittel, wie beispielsweise eine oder mehrere LEDs anschließbar sind, um das Leuchtmittel definiert elektrisch betreiben zu können.

[0004] Um die Energie vom Resonanzkreis an die Last transportieren zu können, wird die Last über einen idealen Übertrager bzw. den Transformator mit dem Resonanzkreis gekoppelt. Der Transformator dient dabei als galvanische Sperre bzw. als galvanische Barriere zwischen der generierten Wechselspannung und der zu dem Betreiben der Leuchtmittel-Gleichspannung. Diese galvanische Trennung ist bei der Verwendung von Resonanzkonvertern zum Betreiben von Leuchtmitteln unter Umständen gefordert und stellt u.a. eine Sicherheitsanforderung dar.

[0005] Der Transformator kann aufgrund seiner baulichen Ausgestaltung nicht als idealer Übertrager ausgebildet werden. Somit werden bei der praktischen Realisierung des Resonanzkonverters Komponenten des Transformators und Komponenten des Resonanzkreises kombiniert. Dabei werden insbesondere die Magnetisierungsinduktivität sowie die Streuinduktivität des Transformators ausgenutzt.

[0006] Der Resonanzkreis für Resonanzkonverter besteht zumindest aus einer Shunt-Spule. Die Shunt-Spule ist vorgesehen, die mittels der Wechselspannung bereitgestellte Energie zur Last transportieren zu können. Die jeweilige Induktivität für einen Resonanzkonverter muss dabei derart ausgestaltet, dass deren magnetische Flussdichte, deren Oszillationsfrequenz und auch deren Verlustparamater wie Streuinduktivität, Skin-Effekt und Proximity-Effekt auf die jeweiligen Anforderungen im Resonanzkonverter angepasst sind. Die jeweilige Induktivität für einen Resonanzkonverter kann dabei in unterschiedlichsten Formfaktoren bereitgestellt werden. Weitverbreitet sind Spulen, deren Windungen um einen Ferritkern herumgewickelt sind.

[0007] In einem Resonanzkonverter hat die verwendete Induktivität zwei unterschiedliche Eigenschaften zu erfüllen.

[0008] Einerseits ist die Induktivität vorgesehen, um Energie der bereitgestellten Wechselspannung effizient zwischen zu speichern. Andererseits soll die Energie der bereitgestellten Wechselspannung effizient über den Transformator an die Last übertragen werden. Beide Eigenschaften schließen sich mehr oder weniger aus, sodass bei der praktischen Ausgestaltung der Induktivität für einen Resonanzkonverter stets Kompromisslösungen zum Einsatz kommen, um die beiden Eigenschaften gleichzeitig erfüllen zu können.

[0009] Bei der Ausgestaltung der Induktivität ist die Streuinduktivität ausschlaggebend. Problematisch ist dabei, dass die Streuinduktivität lediglich ein Sekundärparameter einer Induktivität ist, welcher sich durch bauliche Gegebenheiten ergibt und nur sehr schwer bewusst einstellbar ist. Zudem ändert sich die Streuinduktivität sehr stark in Abhängigkeit der magnetischen Flussdichte. Somit wird entweder die maximale magnetische Flussdichte limitiert oder die magnetische Flussdichte wird derart variiert, dass dies nachteilig für die Funktionalität eines Resonanz1 /23

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Patentamt konverters ist.

[0010] Zudem wird eine Induktivität für einen Resonanzkonverter meist durch aufwendige iterative und empirische Ansätze entwickelt. Derartige Resultate für eine Induktivität sind dann zwar hochpräzise, allerdings nicht in großen Stückzahlen herstellbar.

[0011] Eine Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es, einen Transformator für ein Betriebsgerät mit geringer Grösse vorzuschlagen, der aber vorzugsweise hinsichtlich unterschiedlicher elektrischer Kennwerte leicht einstellbar ist.

[0012] Die Aufgabe wird mit den in den unabhängigen Ansprüchen beschriebenen Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind dabei in den jeweils abhängigen Ansprüchen beschrieben.

[0013] Insbesondere wird die Aufgabe durch einen Transformator für eine Treiberschaltung zum Betreiben eines Leuchtmittels gelöst. Der Transformator weist dazu eine Primärwicklung auf, die als erste Planarspule ausgebildet ist. Der Transformator weist eine Sekundärwicklung auf, die als zweite Planarspule ausgebildet ist. Der Transformator weist einen ersten Kern auf, der im Wesentlichen nur mit der ersten Planarspule elektromagnetisch zusammenwirkt. Der Transformator weist überdies einen zweiten, von dem ersten Kern getrennten Kern auf, der sowohl mit der ersten Planarspule als auch mit der zweiten Planarspule elektromagnetisch zusammenwirkt.

[0014] Durch das erfindungsgemäße Ausgestalten des Transformators mit zwei Kernen und dem entsprechenden unterschiedlichen Anordnen der ersten Planarspule bzw. der zweiten Planarspule an dem jeweiligen Kern können die Hauptinduktivität und die Streuinduktivität des Resonanzkonverters getrennt voneinander eingestellt werden. Gemäß der Erfindung kann die Primärwicklung des Transformators unabhängig von der Sekundärwicklung einen magnetischen Fluss erzeugen. Somit kann durch entsprechende Ausgestaltung der ersten Planarspule und des ersten Kerns unabhängig von der zweiten Planarspule und dem zweiten Kern eine sehr gute Energiezwischenspeicherung der bereitgestellten Energie als auch die nahezu verlustlose Energieübertragung zur Last bewerkstelligt werden.

[0015] Die erste Planarspule ist somit nicht stark mit der Sekundärseite des Transformators gekoppelt und kann als linearisierte Drosselinduktivität ausgebildet sein. Die erste Planarspule kann als Drosselinduktivität die Energie in Form ihres Magnetfeldes ideal Zwischenspeichern.

[0016] Die zweite Planarspule ist im Gegensatz zur ersten Planarspule aufgrund der sehr guten Koppelung der Primärwicklung und der Sekundärwicklung am zweiten Kern vorrangig zur effizienten Energieübertragung zwischen Primärseite und Sekundärseite vorgesehen.

[0017] Planarspulen werden auch als Flachspulen bezeichnet. Eine Planarspule ist dabei eine in einer Ebene ausgebildete Spule, die aus einem oder zwei Leitungen (bifilar) besteht. Damit wird ermöglicht, dass die Primärwicklung und die Sekundärwicklung des Transformators in zumindest einer Ebene ausgebildet sind. Somit kann der Transformator in seiner Größe deutlich reduziert werden. Der Transformator ist in seiner Verwendung im Resonanzkonverter ein das Gehäusemaß beeinflussendes Bauteil. Eine Reduktion der Transformatorgröße bei gleicher elektrischer Eigenschaft führt somit zur Verkleinerung der gesamten Treiberschaltung für Leuchtmittel.

[0018] Die Verwendung von Planarspulen ermöglicht die verbesserte Einsteilbarkeit von Hauptund Streuinduktivität des Transformators.

[0019] Die erste Planarspule und/oder die zweite Planarspule sind beispielsweise als Bifilarspule ausgebildet, das heißt die jeweilige Planarspule ist mit einem Leiterpaar ausgebildet. Bei gegensinnigem Stromfluss heben sich die beiden dadurch entstehenden magnetischen Felder gegenseitig nahezu auf. Hierbei fließt der Strom durch den bifilar verlegten Leiter hin und zurück. Der bifilar oder n-filar aufgebaute Transformator besitzt ein besonders gutes ImpulsÜbertragungsverhalten.

[0020] In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Primärwicklung sowohl um den ersten Kern

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Patentamt als auch um den zweiten Kern herum angeordnet. Weiterhin ist die Sekundärwicklung nur um den zweiten Kern herum angeordnet ist. Somit wird das gezielte elektromagnetische Zusammenwirken der jeweiligen Planarspule mit dem jeweiligen Kern verbessert. Durch diese Anordnung hat der Transformator eine wesentlich bessere magnetische Leitfähigkeit als Luft und ermöglicht so einen stärkeren magnetischen Fluss.

[0021] In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der erste Kern stabförmig ausgebildet und/oder der zweite Kern ist stabförmig ausgebildet. Durch die stabförmige Ausgestaltung des ersten Kerns und/oder des zweiten Kerns wird der magnetische Fluss im Kern gelenkt und eine l-Form für jeden der Kerne erhalten. Der erfindungsgemäße Aufbau unterscheidet sich von der bekannten sogenannten Kernbauform, da erfindungsgemäß die Windungen nicht separat auf den beiden Außenschenkeln platziert sind, sondern die Primärwicklung um einen ersten Kern und einen zweiten Kern herum geführt ist, während die Sekundärwicklung nur um den zweiten Kern herumgeführt ist. Somit wirkt die erste Planarspule sowohl mit dem ersten Kern also auch mit dem zweiten Kern zusammen. Der Querschnitt des jeweiligen Kerns wird im Verhältnis zur Windungszahl der Primärwicklung bzw. der Sekundärwicklung gewählt. Dabei ist die Flussdichte bei der maximal zulässigen Spannung nahe an der zulässigen magnetischen Sättigungsflussdichte.

[0022] In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der erste Kern und der zweite Kern El-förmig ausgebildet, wobei die Primärwicklung um einen Mittelschenkel des ersten Kerns als auch um einen Mittelschenkel des zweiten Kerns herum angeordnet. Die Sekundärwicklung ist nur um den Mittelschenkel des zweiten Kerns herum angeordnet. Durch die Ausgestaltung des Kerns mit Mittelschenkel wird eine El-Kernform erhalten. Diese unterscheidet sich von der bekannten Mantelbauform, da bei der Mantelbauform beide Windungen auf einem Mittelschenkel, entweder nebeneinander oder übereinander, angeordnet sind. Der Mittelschenkel ist in der El-Form der Kerne durch zwei Außenschenkel ergänzt, welche jeweils keine Windungen tragen.

[0023] Durch das erfindungsgemäße Verwenden von zwei Kernen in einem Transformator kann nun die Hauptinduktivität getrennt von der Streuinduktivität eingestellt werden, beispielsweise durch unterschiedliche Kerndurchmesser der Mittelschenkel oder durch unterschiedliche Durchmesser von Mittelschenkel und Außenschenkel. Somit wirkt der erste Kern im Wesentlichen nur elektromagnetisch mit der ersten Planarspule zusammen. Der zweite Kern wirkt sodann sowohl mit der ersten Planarspule als auch mit der zweiten Planarspule elektromagnetisch zusammen.

[0024] Die Induktivität der ersten Planarspule und der zweiten Planarspule ergibt sich aus der Windungsanzahl sowie aus dem von der Spule eingeschlossenen Material und den Abmessungen. Bevorzugt weisen die erste Planarspule und die zweite Planarspule eine Mehrzahl von Windungen auf, um die Induktivität zu steigern. Durch die magnetische Verkettung der einzelnen Windungen der ersten Planarspule und/oder der zweiten Planarspule untereinander, bedingt durch die räumlich nahe Anordnung der einzelnen Windungen, steigt die Induktivität der ersten Planarspule und/oder der zweiten Planarspule im Quadrat mit der Windungsanzahl. Eine Verdoppelung der Windungszahl bei gleichen geometrischen Abmessungen bewirkt somit eine Vervierfachung der Induktivität. Eine weitere Platzeinsparung ist somit durch Erhöhung der Windungszahl erreicht. Der Begriff Windung wird dem Begriff Wicklung in dieser Anmeldung gleichgesetzt.

[0025] Bevorzugt weist die erste Planarspule eine höhere Anzahl an Windungen auf als die zweite Planarspule. Die Streuinduktivität ergibt sich aus der ersten Planarspule, die um den ersten Kern herum ausgebildet ist, sodass eine höhere Anzahl von Windungen zu einer verbesserten Zwischenspeicherung der bereitgestellten Energie führt.

[0026] In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Primärwicklung und/oder die Sekundärwicklung durch eine spiralartig verlaufende oder rechteckig verlaufende Leiterbahn gebildet. Dies vereinfacht den Herstellungsprozess für den Transformator und ermöglicht ein Herstellen von Transformatoren für Resonanzkonverter in sehr großer Stückzahl. Je länger die Leiterbahnen sind, desto größer ist die Induktivität der jeweiligen Spule. Durch eine unterschiedliche Ausge3/23

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Patentamt staltung von Primärwicklung und Sekundärwicklung werden die Induktivitäten getrennt voneinander einstellbar.

[0027] Bevorzugt sind die Primärwicklung und die Sekundärwicklung auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet. Dies ermöglicht eine weitere Platzersparnis und Verkleinerung des Transformators. Die Primärwicklung und die Sekundärwicklung sind dabei entweder gewickelt oder bevorzugt als Leiterbahnen angeordnet. Die Windungen werden beispielsweise als Leitungsbahnen ausgebildet. Bevorzugt werden die Leiterbahnen als gedruckte Schaltung aus einer Kupferfolie kaschiert. Ein Ätzverfahren ermöglicht das einfache Ausgestalten der Leiterbahnen auf der Leiterplatte.

[0028] Bevorzugt ist die Leiterplatte schichtenförmig aufgebaut, wobei die Primärwicklung in einer ersten Leiterplattenschicht angeordnet ist und wobei die Sekundärwicklung in einer zweiten Leiterplattenschicht angeordnet ist. Somit können die Windungen der jeweiligen Planarspule auf verschiedene Ebenen verteilt werden. Dies reduziert den Flächenbedarf des Transformators.

[0029] In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Leiterplatte schichtenförmig aufgebaut, wobei die Primärwicklung in zumindest zwei Leiterplattenschichten angeordnet ist und/oder wobei die Sekundärwicklung in zumindest zwei Leiterplattenschichten angeordnet ist. Dies reduziert einerseits den Flächenbedarf der jeweiligen Spule, andererseits können parasitäre Effekte weiter verringert werden, indem gegenläufige Strompfade in unterschiedlichen Schichten übereinander platziert werden. Damit kann die Windungsanzahl weiter erhöht werden, ohne zusätzlich Fläche der Leiterplatte zu vergrößern.

[0030] In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der erste Kern ein zweiteiliger Kern und weist einen ersten Luftspalt auf. Um ideale Energieübertragungseigenschaften aufzuweisen, sollte der zweite Kern - der sowohl mit der ersten Planarspule als auch der zweiten Planarspule zusammenwirkt - keinen Luftspalt oder einen sehr viel kleiner ausgebildeten Luftspalt aufweisen. Dieser zweite Kern ist für die Übertragungseigenschaften des Transformators verantwortlich und transportiert die bereitgestellte Energie nahezu verlustlos an die Last, wenn er keinen Luftspalt aufweist. Der erste Luftspalt erhöht die Streuinduktivität. Die Energiespeicherung erfolgt somit vorrangig im ersten Kern des Transformators, sodass für die Anwendung im Resonanzkonverter der erste Transformatorkern zur Zwischenspeicherung der magnetischen Energie verwendet wird. Dieses Zwischenspeichern wird mit der Länge des ersten Luftspalts im magnetischen Kreis eingestellt. Somit sind das Speichern der elektromagnetischen Energie und das verlustlose Übertragen als Haupteigenschaften des Transformators voneinander entkoppelt und können unterschiedlich eingestellt werden.

[0031] In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der zweite Kern ein zweiteiliger Kern und weist einen zweiten Luftspalt auf. Bevorzugt ist die Länge des ersten Luftspalts von der Länge des zweiten Luftspalts verschieden. Die Länge des zweiten Luftspalts ist bevorzugt wesentlich geringer ist als die Länge des ersten Luftspalts. Auf diese Weise kann die Streuinduktivität des Transformators weiter eingestellt werden. Zur verbesserten Fertigung ist auch der zweite Kern zweiteilig ausgebildet, wodurch sich ein zweiter Luftspalt nicht komplett verhindern lässt. Somit sind das Speichern der elektromagnetischen Energie und das verlustlose Übertragen als Haupteigenschaften des Transformators weiterhin voneinander entkoppelt und können unterschiedlich eingestellt werden.

[0032] Wird ein Kern mit El-Form verwendet, so ist der jeweilige Luftspalt bevorzugt am Mittelschenkel des Kerns ausgebildet, um das elektromagnetische Zusammenwirken mit der jeweiligen Planarspule zu maximieren.

[0033] Als Transformatorkernmaterial sind vorrangig ferromagnetische Werkstoffe, beispielsweise Ferrite zu verwenden. Ferromagnetisches Material im Kern hat eine wesentlich bessere magnetische Leitfähigkeit als Luft und ermöglicht so einen stärkeren magnetischen Fluss. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der erste Kern aus einem vom Material des zweiten Kerns verschiedenen Material gefertigt. Auf diese Weise kann der magnetische Widerstand des ersten

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Kerns vom zweiten Kern verschieden sein, wodurch die resultierenden Induktivitäten weiter variieren können. Zur Steigerung des magnetischen Widerstandes und einhergehender Baugrößenverringerung weist die erste Planarspule bevorzugt einen weichmagnetischen ersten Kern auf. Im Gegensatz zu hartmagnetischen Werkstoffen wird der Hystereseverlust beim Ummagnetisieren klein gehalten.

[0034] Bevorzugt weist der erste Kern geometrische Abmessungen auf, die von den geometrischen Abmessungen des zweiten Kerns verschieden sind. Somit können beispielsweise die Dicke des Mittelschenkels und/oder die Abmessungen der Außenschenkel und/oder der Durchmesser des Kernbalkens der jeweiligen Kerne verschieden groß sein. Somit wird die resultierende Induktivität weiter zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule variieren.

[0035] In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Transformator einen dritten Kern auf, der im Wesentlichen nur mit der Sekundärwicklung elektromagnetisch zusammenwirkt. Auf diese Weise sind drei separate Kerne in dem Transformator vorgesehen, wobei nur der zweite Kern mit der ersten Planarspule und der zweiten Planarspule elektromagnetisch zusammenwirkt. Auf diese Weise kann die Eigenschaft bezüglich der verlustlosen Übertragung von Energie unabhängig von der Speicherung der elektromagnetischen Energie eingestellt werden.

[0036] Die gestellte Aufgabe wird weiterhin durch einen Resonanzkonverter zum Betreiben mindestens eines Leuchtmittels, beispielsweise einer LED-Strecke, gelöst. Der Resonanzkonverter weist eine Halbbrückenschaltung mit zwei in Serie geschalteten Schaltern auf, die von einer Steuerschaltung angesteuert werden. Der Resonanzkonverter weist überdies einen ausgehend von einem Mittenpunkt der beiden Schalter versorgten Resonanzkreis auf. Der Resonanzkonverter weist weiterhin einen Transformator auf, der primärseitig mit einer vom Resonanzkreis bereitgestellten Wechselspannung gespeist wird, wobei die Energie der Wechselspannung sekundärseitig zum Betreiben des Leuchtmittels verwendet wird.

[0037] Ein Resonanzkonverter, auch als Resonanzwandler betreibt eine Energieübertragung im Bereich eines Resonanzpunktes. Für Leistungsanwendungen ist angestrebt, die Verlustleistung bei den Schaltvorgängen in den Schaltern zu minimieren. Dabei wird entweder immer im Nulldurchgang der Spannung geschaltet, englisch: Zero Voltage Switching (ZVS) oder immer im Nulldurchgang des Stromes geschaltet, englisch: Zero Current Switching (ZCS). Dabei bildet die energieübertragende Strecke inklusive des Transformators einen Schwingkreis mit Kapazitäten und Induktivitäten, welche den Bereich der Schaltfrequenz mitbestimmt.

[0038] Erfindungsgemäß ist die Primärwicklung des Transformators als erste Planarspule ausgebildet. Die Sekundärwicklung des Transformators ist als zweite Planarspule ausgebildet ist. Ein erster Kern des Transformators wirkt im Wesentlichen nur mit der ersten Planarspule elektromagnetisch zusammen. Ein zweiter Kern des Transformators wirkt sowohl mit der ersten Planarspule als auch mit der zweiten Planarspule elektromagnetisch zusammen.

[0039] Auf diese Weise wird ein Resonanzkonverter erhalten, der sowohl gute Eigenschaften bezüglich der verlustlosen Übertragung von Energie von der Primärseite zur Sekundärseite des Transformators aufweist, als auch eine effiziente Zwischenspeicherung der bereitgestellten Energie aufweist. Der Resonanzkonverter kann so miniaturisiert hergestellt werden, da die verwendeten Planarspulen weniger Volumen einnehmen.

[0040] Bevorzugt weist die Sekundärwicklung des Transformators einen Mittelabgriff auf, sodass der Transformator sekundärseitig je ein Strompfad für jede der beiden Polaritäten der Wechselspannung vorsieht. Auf diese Weise bildet die Sekundärwicklung zwei Planarspulen, wodurch die Platzerfordernisse des Resonanzkonverters stärker reduziert sind. Überdies wird so eine effektive Gleichrichtung erhalten, da der Transformator mit Mittelabgriff an der Sekundärwicklung energetische Vorteile bietet gegenüber der Gleichrichtung mittels einer Gleichrichterschaltung.

[0041] Der Resonanzkonverter stellt über eine Steuerschaltung die Taktung der beiden Schalter der Halterschaltung ein.

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Patentamt [0042] Bevorzugt ist eine Shuntspule des Resonanzkreises durch die erste Planarspule gebildet ist. Weiter bevorzugt ist eine Resonanzspule des Resonanzkreises zumindest teilweise durch die erste Planarspule gebildet. Die nichtidealen Eigenschaften eines Transformators können nun sehr gezielt ausgenutzt werden, um Komponenten des Resonanzkreises und des Transformators zu kombinieren. Diese Kombination ist durch zwei separate Kerne im Transformator wesentlich verbessert, denn die Streuinduktivität kann nun getrennt von der Hauptinduktivität des Transformators eingestellt werden. Durch die gezielte Einsteilbarkeit können weitere ausgleichende Komponenten eingespart werden.

[0043] Die verbesserte Kombination von Komponenten verringert somit die Anzahl der Komponenten im Resonanzkonverter und den Platzbedarf des Resonanzkonverters.

[0044] Bevorzugt ist der Resonanzkonverter ein LLC-Konverter, sodass der Resonanzkreis aus einer Resonanzkapazität, einer Resonanzspule und einer Shuntspule besteht. Diese elektrischen Komponenten des Resonanzkreises können nun zumindest teilweise sehr effektiv durch den erfindungsgemäßen Transformator gebildet werden.

[0045] Die gestellte Aufgabe wird insbesondere auch durch einen Resonanzkreis für einen Resonanzkonverter zum Betreiben mindestens eines Leuchtmittels, beispielsweise einer LEDStrecke, gelöst. Dabei wird dem Resonanzkreis eingangsseitig eine Wechselspannung zugeführt. Dem Resonanzkreis ist ausgangsseitig ein Transformator nachgeschaltet, um die Energie der Wechselspannung dem Leuchtmittel bereitzustellen. Die Primärwicklung des Transformators ist als erste Planarspule ausgebildet. Die Sekundärwicklung des Transformators als zweite Planarspule ausgebildet. Ein erster Kern des Transformators wirkt im Wesentlichen nur mit der ersten Planarspule elektromagnetisch zusammen. Ein zweiter Kern des Transformators wirkt sowohl mit der ersten Planarspule als auch mit der zweiten Planarspule elektromagnetisch zusammen.

[0046] Bevorzugt ist eine Shuntspule des Resonanzkreises durch die erste Planarspule gebildet ist. Weiter bevorzugt ist eine Resonanzspule des Resonanzkreises zumindest teilweise durch die erste Planarspule gebildet.

[0047] Die oben genannten Ausgestaltungen des Transformators finden sowohl für den Transformator im Resonanzkonverter sowie für den, dem Resonanzkreis nachgeschalteten Transformator Anwendung.

[0048] Der beschriebene Resonanzkreis, der beschriebene Resonanzkonverter oder der beschriebene Transformator werden bevorzugt in einem elektronischen Vorschaltgerät zum Betrieb eines Leuchtmittels eingesetzt. Das Vorschaltgerät für Leuchtmittel dient dazu, die Spannung bzw. den Strom durch das Leuchtmittel zu steuern. Es kann als separates Bauelement in der Leuchte eingebaut sein oder auch im Leuchtmittel integriert sein. Das Vorschaltgerät kann mit einer Steuerschnittstelle, beispielsweise einer DALI-Schnittstelle, ausgestattet sein, um Steuer-, Überwachungs- und/oder Notfallbefehle zum Empfangen und diese am Leuchtmittel direkt umzusetzen.

[0049] Nachfolgend wird anhand von Figuren die Erfindung bzw. weitere Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung näher erläutert, wobei die Figuren lediglich Ausführungsbeispiele der Erfindung beschreiben. Gleiche Bestandteile in den Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren sind nicht als maßstabsgetreu anzusehen, es können einzelne Elemente der Figuren übertrieben groß bzw. übertrieben vereinfacht dargestellt sein.

[0050] Es zeigt:

[0051] Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Transformators gemäß dem Stand der Technik;

[0052] Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Transformators;

[0053] Fig. 3 eine Schnittdarstellung des in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Transformators als Draufsicht auf eine erste Schnittebene A-A';

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Patentamt [0054] Fig. 4 eine Schnittdarstellung des in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Transformators als Draufsicht auf eine zweite Schnittebene B-B';

[0055] Fig. 5 eine Schnittdarstellung des in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Transformators als Draufsicht auf eine dritte Schnittebene C-C';

[0056] Fig. 6 eine Schnittdarstellung des in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Transformators entlang der ersten Schnittebene A-A';

[0057] Fig. 7 eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Transformators;

[0058] Fig. 8 eine Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Transformators;

[0059] Fig. 9 eine Schnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Transformators;

[0060] Fig. 10 ein elektrischer Schaltkreis eines erfindungsgemäßen Resonanzkreises mit nachgeschaltetem erfindungsgemäßen Transformators;

[0061] Fig. 11 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Resonanzkonverters.

[0062] Die Fig. 1 zeigt einen Transformator gemäß dem Stand der Technik als Schnittdarstellung. Der Transformator T1 weist eine Primärwicklung W1 und eine Sekundärwicklung W2 auf. Sowohl die Primärwicklung W1 als auch die Sekundärwicklung W2 sind um einen Mittelschenkel MS eines Kerns K des Transformators gewickelt. Der Transformator ist ein sogenannter Manteltransformator und weist einen Kern K in Mantelbauform auf. Gemäß Fig. 1 befinden sich die Primärwicklung W1 und die Sekundärwicklung W2 auf dem Mittelschenkel MS des Kerns K übereinander. Der Mittelschenkel MS ist in dieser Bauform durch zwei Außenschenkel ergänzt, welche keine Windungen tragen.

[0063] Somit wirkt sowohl die Primärwicklung W1 als auch die Sekundärwicklung W2 in Verbindung mit dem Kern K elektromagnetisch zusammen.

[0064] Nachteilig an dem Aufbau gemäß Fig. 1 ist das vergleichsweise große Volumen des Transformators.

[0065] Weiterhin können die für einen Transformator in einem Resonanzkonverter benötigten Haupteigenschaften der Energiezwischenspeicherung und des verlustfreien Übertragens von Energie nicht kompromisslos vereint werden, sodass der Transformator entweder ein guter Energiezwischenspeicher oder ein guter Energieübertrager ist.

[0066] In Fig. 2 ist ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Transformators T in perspektivischer Ansicht dargestellt. Dabei ist eine Leiterplatte LP horizontal abgebildet. Auf der Leiterplatte LP sind die Primärwicklung W1 und die Sekundärwicklung W2 angeordnet. Die Primärwicklung W1 ist dabei als eine erste Planarspule L2a ausgebildet. Die Sekundärwicklung W2 ist dabei als eine zweite Planarspule L2b ausgebildet. Sowohl die Primärwicklung W1 als auch die Sekundärwicklung W2 weisen jeweils eine einzige Windung auf. Die Anzahl der Windungen der Primärwicklung W1 und der Sekundärwicklung W2 kann wesentlich höher sein, wobei bei dieser Darstellung auf eine Mehrzahl von Windungen verzichtet wurde. Alternativ können die Primärwicklung W1 und die Sekundärwicklung W2 auch als bifilare Spulen ausgebildet sein.

[0067] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Transformator T1 einen ersten Kern K1 und einen zweiten Kern K2 aufweist. Gemäß Fig. 2 sind sowohl der erste Kern K1 und der zweite Kern K2 zweiteilig ausgebildet, sodass eine vereinfachte Fertigung ermöglicht ist. Dabei sind die jeweiligen ersten Teile des ersten Kerns K1 und des zweiten Kerns K2 E-förmig ausgebildet. Die jeweils zweiten Teile des ersten Kerns K1 und des zweiten Kerns K2 sind plattenförmig bzw. balkenförmig ausgebildet.

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Patentamt [0068] Der erste Kern K1 und der zweite Kern K2 sind derart in die Leiterplatte LP integriert, dass die Primärwicklung W1 sowohl um den ersten Kern K1 als auch um den zweiten Kern K2 herum angeordnet ist. Somit wirkt die Primärwicklung W1 mit dem ersten Kern K1 und dem zweiten Kern K2 elektromagnetisch zusammen. Die Sekundärwicklung W2 ist dementgegen nur um den zweiten Kern K2 herum angeordnet ist, so dass im Wesentlichen nur der zweite Kern K2 mit der Sekundärwicklung W2 elektromagnetisch zusammenwirkt.

[0069] Der erfindungsgemäße Transformator T1 weist somit zwei Kerne K1, K2 auf. Der zweite Kern K2 ist sowohl von der Primärwicklung W1 als auch von der Sekundärwicklung W2 umgeben. Somit stellt sich eine wesentlich stärkere Energiekopplung zwischen der Primärwicklung W1 und der Sekundärwicklung W2 am zweiten Kern K2 ein. Der zweite Kern K2 sorgt somit für das verlustarme bzw. verlustlose Transportieren der Energie von einer, an der Primärwicklung W1 bereitgestellten Wechselspannung an eine, an die Sekundärwicklung W2 angeschlossene Last.

[0070] Dementgegen ist um den ersten Kern K1 nur die Primärwicklung W1 angeordnet bzw. ist die Sekundärwicklung W2 nicht um den ersten Kern K1 herum angeordnet. Damit ist die Energiekopplung der Primärwicklung W1 an die Sekundärwicklung W2 am ersten Kern K1 wesentlich geringer im Vergleich zu der Energiekopplung am zweiten Kern K2.

[0071] Der erste Kern K1 kann somit zur Einstellung der Streuinduktivität verwendet werden und dient demnach für die Zwischenspeicherung der Energie bei Verwendung in einem Resonanzkonverter.

[0072] Durch das unterschiedliche elektromagnetische Zusammenwirken können die beiden Haupteigenschaften des Transformators T1 auf die zwei Kerne K1, K2 aufgeteilt werden. Auf diese Weise kann die Streuinduktivität gezielt über den ersten Kern K1 eingestellt werden, da die Übertragung der Energie im Wesentlichen am zweiten Kern K2 erfolgt. Somit können durch entsprechende Ausgestaltung der beiden Kerne K1 und K2 die Eigenschaft hinsichtlich der Induktivität eines Resonanzkreises für einen Resonanzkonverter wie auch die Eigenschaft des Transformators als idealer Übertrager optimiert werden.

[0073] Diese Optimierung erfolgt beispielsweise durch das Ausbilden eines ersten Luftspalts LS1 am ersten Kern K1 und keines Luftspalts am zweiten Kern K2. Der magnetische Widerstand R_m und resultierend der magnetische Fluss Φ am ersten Kern K1 wird durch den ersten Luftspalt LS1 wesentlich erhöht. Schlussfolgernd ist die Streuinduktivität zum Zwischenspeichern der Energie wesentlich verbessert. Alternativ ist auch am zweiten Kern K2 ein Luftspalt LS2 vorgesehen. Der erste Luftspalt LS1 weist eine vom zweiten Luftspalt LS2 vergrößerte Länge auf, um die Übertrager-Eigenschaft des zweiten Kerns K2 nicht wesentlich zu verschlechtern.

[0074] Diese Optimierung erfolgt beispielsweise auch durch eine höhere Windungsanzahl der Primärwicklung W1 gegenüber der Windungsanzahl der Sekundärwicklung W2. Die höhere Anzahl an Windungen erhöht bei gleichem Kernquerschnitt wesentlich die Induktivität, gebildet durch den ersten Kern K1 und steigert die Zwischenspeichereigenschaft des Transformators.

[0075] Alternativ oder zusätzlich wird der erste Kern K1 im Gegensatz zum zweiten Kern K2 mit einem weichmagnetischen Kernmaterial ausgebildet. Die Primärwicklung W1 wirkt sodann als Drosselspule.

[0076] Alternativ wird der Kerndurchmesser des ersten Kerns K1 vergrößert gegenüber dem Kerndurchmesser des zweiten Kerns K2. Dies vergrößert den magnetischen Fluss zusätzlich.

[0077] In den folgenden Fig. 3 bis 6 werden verschiedene Schnittdarstellungen entlang bzw. auf unterschiedliche Schnittebenen A-A', B-B' und C-C' des in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Transformators T gezeigt.

[0078] In Fig. 3 ist eine Schnittdarstellung des in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Transformators als Draufsicht auf eine erste Schnittebene A-A' gezeigt. Die Primärwicklung W1 ist rechteckig und spiralartig um sowohl den ersten Kern K1 als auch den zweiten Kern K2

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Patentamt herum ausgebildet. Dementgegen ist die Sekundärwicklung W2 rechteckig und spiralartig nur um den zweiten Kern K2 herum angeordnet. Ein Strom, der durch die Primärwicklung W1 fließt, induziert eine Spannung aufgrund der magnetischen Eigenschaften des ersten Kerns K1 und des zweiten Kerns K2. Dementgegen wird ein Strom, der durch die Sekundärwicklung W2 fließt, nur auf Basis des zweiten Kerns K2 eine Spannung induzieren.

[0079] Werden nun die zwei Kerne K1 und K2 unterschiedlich dimensioniert, werden unterschiedliche Induktivitäten erzeugt und die verschiedenen Eigenschaften des Transformators T1 optimal angepasst. Die zum Übertragen der Energie notwendige Kopplung zwischen Primärseite und Sekundärseite des Transformators T1 wird somit vorrangig am zweiten Kern K2 vorgenommen. Dementgegen wird der zur Zwischenspeicherung der Energie notwendige hohe magnetische Fluss durch den ersten Kern K1 erhalten.

[0080] Die Kerne K1 und K2 weisen jeweils einen Mittelsteg MS auf, um den die Wicklungen W1, W2 herum angeordnet sind.

[0081] In Fig. 3 sind die Kerne K1 und K2 gleichgroß dimensioniert, um eine vereinfachte Herstellung zu ermöglichen. Alternativ kann der Mittelsteg MS des ersten Kerns K1 größer als der Mittelsteg MS des zweiten Kerns K2 ausgebildet werden, um den magnetischen Fluss am ersten Kern K1 weiter zu erhöhen.

[0082] In Fig. 4 ist eine Schnittdarstellung des in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Transformators als Draufsicht auf eine zweite Schnittebene B-B' gezeigt. Der zweite Kern K2 ist in El-Form ausgebildet und zweiteilig aufgebaut. Ein zweiter Luftspalt LS2 ist im Kern K2 vorgesehen, um den magnetischen Widerstand R_M des zweiten Kerns K2 zu beeinflussen. Der Vollständigkeit halber sind ebenfalls die Primärwicklung W1 und die Sekundärwicklung W2 um den Mittelschenkel MS des zweiten Kerns K2 auf der Leiterplatte LP dargestellt.

[0083] In Fig. 5 ist eine Schnittdarstellung des in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Transformators als Draufsicht auf eine dritte Schnittebene C-C' gezeigt. Der erste Kern K1 ist in El-Form ausgebildet und zweiteilig aufgebaut. Ein erster Luftspalt LS1 ist im Kern K1 vorgesehen, um den magnetischen Widerstand R_M des ersten Kerns K2 zu beeinflussen. Ebenfalls ist die Primärwicklung W1 um den Mittelschenkel MS des ersten Kerns K1 auf der Leiterplatte LP dargestellt.

[0084] Der erste Luftspalt LS1 weist eine größere Länge auf als der zweite Luftspalt LS2 des zweiten Kerns K2. Somit werden verschiedene magnetische Widerstände R_M an den Kernen K1, K2 eingestellt, wobei der größere Luftspalt LS1 dazu führt, dass die Streuinduktivität des Transformators T1 wesentlich erhöht wird, wodurch die Zwischenspeicherung von Energie verbessert wird. Der zweite Luftspalt LS2 weist eine wesentlich geringere Länge als der erste Luftspalt LS1 auf oder ist gar nicht vorhanden, um die Übertragungseigenschaften nicht zu verschlechtern.

[0085] In Fig. 6 ist eine Schnittdarstellung des in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Transformators entlang der ersten Schnittebene A-A' gezeigt. Die Leiterplatte LP ist hierbei einschichtig ausgebildet. Auf der Leiterplatte LP ist die Primärwicklung W1 um den ersten Kern K1 und den zweiten Kern K2 herum angeordnet. Auf der Leiterplatte LP ist die Sekundärwicklung W2 um den zweiten Kern K2 herum angeordnet. Die Primärwicklung W1 und die Sekundärwicklung W2 sind als Planarspulen L2a und L2b ausgebildet. Dabei sind die Wicklungen W1, W2 vorzugsweise als Leiterbahnen auf der Leiterplatte LP platziert. Die Leiterbahnen der Wicklungen W1, W2 können bifilar angeordnet sein. Die Leiterplatten können drucktechnisch appliziert sein oder in einem Ätzverfahren aus einer Kupferfolienschicht gewonnen werden. Dies ermöglicht ein kostengünstiges und massentaugliches Herstellen des Transformators.

[0086] Die Leiterbahnen der Wicklungen W1, W2 sind bevorzugt spiralartig ausgebildet, um eine höhere Anzahl an Windungen und eine längere Leiterbahnlänge zu ermöglichen. Damit können die Induktivitäten des Transformators T1 weiter optimiert werden.

[0087] In Fig. 7 ist eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfin9/23

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Patentamt dungsgemäßen Transformators T1 dargestellt. Dabei wurde die gleiche Ansicht wie in Fig. 6 gewählt. Im einzigen Unterschied zu Fig. 6 ist die Leiterplatte LP in Fig. 7 zweischichtig ausgebildet. Die Primärwicklung W1 ist dabei in einer ersten Leiterplattenschicht LPS1 ausgebildet. Die Sekundärwicklung W2 ist in einer zweiten Leiterplattenschicht LPS2 ausgebildet. Auf diese Weise ist eine weitere Platzreduktion erhalten, da die spiralartig ausgebildeten Wicklungen W1 und W2 nunmehr in zwei unterschiedlichen Ebenen ausgebildet sind. Das Volumen des Transformators T1 ist somit weiter reduziert. Außerdem können die Abstände der Windungen untereinander vergrößert werden, sodass der Proximity-Effekt reduziert wird.

[0088] In Fig. 8 eine Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Transformators dargestellt. Dabei wurde die gleiche Ansicht wie in Fig. 6 bzw. Fig. 7 gewählt. Im einzigen Unterschied zu Fig. 6 ist die Leiterplatte LP in Fig. 7 vierschichtig mit den Schichten LPS1, LPS2, LPS3 und LPS4 ausgebildet. Die Primärwicklung W1 ist dabei in einer ersten Schicht LPS1 und in einer dritten Schicht LPS3 angeordnet. Die Sekundärwicklung W2 ist dabei in einer zweiten Schicht LPS2 und in einer vierten Schicht LPS4 angeordnet. Die Schichtenanzahl kann weiter gesteigert werden, insbesondere können unterschiedliche Schichtanzahlen für die verschiedenen Wicklungen W1, W2 vorgesehen sein. Die Primärwicklung W1 weist eine größere Windungsanzahl als die Sekundärwicklung W2 auf, wodurch eine größere Streuinduktivität und schlussfolgernd eine größere Zwischenspeicherung von Energie erwirkt ist. Prinzipiell wird mit der höheren Schichtanzahl eine weitere Reduktion der Fläche des Transformators T und insbesondere eine Reduzierung des Volumens des Transformators T erwirkt. Die einzelnen Schichten LPS1 und LPS3 bzw. LPS2 und LPS4 der einzelnen Wicklungen W1, W2 sind beispielsweise mittels Durchkontaktierungen, englisch: Via, verbunden. Es kann überdies vorgesehen sein, dass die Leiterplatte LP zwei Leiterbahnenschichten aufweist, wobei eine erste Leiterbahnenschicht auf einer ersten Oberseite der Leiterplatte LP und eine zweite Leiterbahnenschicht auf einer der ersten Oberseite gegenüberliegenden zweiten Oberseite der Leiterplatte LP angeordnet ist.

[0089] In Fig. 9 ist eine Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Transformators T dargestellt. Dabei wurde die gleiche Ansicht wie in Fig. 3 gewählt. Im Unterschied zu Fig. 3 ist in Fig. 9 ein dritter Kern K3 angeordnet. Dabei ist die Sekundärwicklung W2 um den zweiten Kern K2 und den dritten Kern K3 herum angeordnet. Somit ist um den Kern K3 nur die Sekundärwicklung W2 angeordnet. Dies erhöht die Einsteilbarkeit der Induktivitäten des Transformators T1 weiter, denn nun kann die sekundärseitige Streuinduktivität verbessert eingestellt werden.

[0090] Exemplarisch für alle dargestellten Transformatoren T1 ist in Fig. 9 ebenfalls gezeigt, dass ein Mittelabgriff M1 an der Sekundärwicklung W2 angeordnet ist. Der dritte Kern K3 kann wiederum mit einem vom zweiten Kern K2 verschiedenen Material gefertigt sein und andere geometrische Abmessungen, beispielsweise Luftspaltlänge oder Kerndurchmesser, aufweisen.

[0091] In Fig. 10 ist ein elektrischer Schaltkreis eines erfindungsgemäßen Resonanzkreises RK mit nachgeschaltetem Transformator T1 gezeigt. Der Resonanzkreis RK ist in Fig. 10 als ein LLC-Resonanzkreis dargestellt. Der elektrische Resonanzkreis RK besteht dabei elektrisch betrachtet aus drei in Reihe geschalteten Komponenten. Ein Resonanzkondensator C1 ist dabei in Reihe geschaltet zu einer Resonanzspule L1. Die Resonanzspule L1 ist in Reihe geschaltet zu einer Shuntspule L2. Der Resonanzkondensator C1, die Resonanzspule L1 sowie die Shuntspule L2 bilden den LLC-Resonanzkreis RK, nachfolgend als Resonanzkreis RK bezeichnet. Die Spannung über der Shuntspule L2 wird einem idealen Transformator bereitgestellt. Der ideale Transformator weist eine Primärwicklung W1 und eine Sekundärwicklung W2 auf.

[0092] Betrachtet man nun eine praktische Realisierung des Transformators T1, so bildet die erste Planarspule L2a sowohl die Primärwicklung W1 als auch die Shuntspule L2. Die Resonanzspule L1 wird ebenfalls durch die Planarspule L2a gebildet. Die erste Planarspule L2a des erfindungsgemäßen Transformators T1 bildet somit die Primärwicklung 1, die Resonanzspule L1 und die Shuntspule L2. Da die Primärwicklung W1 gemäß der oben getroffenen Ausführun10/23

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Patentamt gen über Windungsanzahl, Luftspaltlänge, Kernmaterial, Kernabmessungen beliebig einstellbar ist, können die gewünschte Magnetisierungsinduktivität und Streuinduktivität durch das entsprechende Ausbilden der ersten Planarspule L2a und des ersten Kerns K1 unabhängig vom zweiten Kern K2 und der zweiten Planarspule L2b erhalten werden. Eine Reduktion der Komponenten und eine Reduktion des Platzbedarfs für den Resonanzkreis RK ist somit erhalten.

[0093] Der Resonanzkreis RK in Fig. 10 ist rein exemplarisch. Alternativ kann der Resonanzkreis RK lediglich aus einer Shuntspule L2 bestehen. Alternativ kann der Resonanzkreis RK auch ein LCC-Resonanzkreis sein. Alternativ kann auch ein Parallelresonanzkreis RK gebildet werden.

[0094] In Fig. 11 ist ein Resonanzkonverter gemäß der Erfindung dargestellt. Fig. 11 zeigt den schematischen Aufbau eines LLC-Konverters als Vertreter der Resonanzkonverter. Alternativ können auch ein LCC-Konverter oder beliebige andere Resonanzkonverter unter dem Erfindungsbegriff gefasst werden. Eine Steuerschaltung SE steuert eine Wechselrichter-Halbbrücke HB mit zwei Schaltern S1, S2 an, die in Serie geschaltet sind. Die Schalter S1, S2 sind als MOSFET ausgebildet. Wie in Fig. 11 dargestellt, wird die Halbbrückenschaltung HB durch eine Eingangsspannung versorgt, die exemplarisch als Busspannung V_Bus dargestellt ist. Statt einer Busspannung, die normalerweise eine DC-Spannung, also eine Gleichspannung ist, kann auch eine gleichgerichtete Wechselspannung zur Versorgung der Halbbrücke HB dienen.

[0095] Ausgehend von einem Mittenpunkt M der Halbbrücke HB, bzw. der beiden Schalter S1, S2, ist nun der Resonanzkreis RK versorgt, der gemäß Fig. 11 aus einer Serienschaltung des Resonanzkondensators C1, der Resonanzinduktivität L1 und der ersten Planarspule L2a gebildet ist. Die erste Planarspule L2a bildet die Primärwicklung W1 des erfindungsgemäßen Transformators T1 und stellt, wie in Fig. 10 erläutert, auch die Shuntspule L2 dar.

[0096] Ausgehend von dem Resonanzkreis RK wird nun der Transformator T1 primärseitig mit einer Wechselspannung gespeist. Der Transformator T1 weist eine Sekundärwicklung W2 mit Mittelabgriff M1 auf, um die in Fig. 11 gezeigten Induktivitäten L2b, L2c zu bilden. Die Induktivitäten L2b und L2c sind dabei auf der Sekundärseite des Transformators T1 angeordnet und als zweite Planarspule durch die Sekundärwicklung W2 gebildet.

[0097] Ausgehend von den Induktivitäten L2b und L2c ist dann jeweils ein Strompfad SP1 bzw. SP2 versorgt. Die Strompfade SP1 und SP2 verbinden somit jeweils eine Seite der Induktivität L2b, L2c mit einem Verbindungspunkt CP, wobei jeder Strompfad SP1, SP2 eine Diode D1, D2 zur Gleichrichtung aufweist.

[0098] Der erste Strompfad SP1 weist dabei die Diode D1 auf, während der zweite Strompfad SP2 eine zweite Diode D2 aufweist. Über den ersten Strompfad SP1 wird ein induzierte Strom l_Spi übertragen, über den Strompfad SP2 ein induzierter Strom l_Sp₂. Mit dem Verbindungspunkt CP ist andererseits ein Ausgangsanschluss E1 des Resonanzkonverters verbunden mit dem beispielsweise eine Last LED, z.B. ein Leuchtmittel und insbesondere wenigstens eine LED anschließbar ist.

[0099] Zwischen dem Verbindungspunkt CP und dem Ausgangsanschluss E1 ist weiter ein Glättungskondensator C2 mit seiner potentialhöheren Seite verbunden, wobei die potentialniedrigere Seite des zweiten Kondensators C2 auf dem sekundärseitigen Massepotential des Transformators liegen kann.

[00100] Die Steuerschaltung SE steuert den potentialhöheren Schalter S1 der Halbbrücke HB über ein Ansteuersignal HS („high side-Signal) an, während sie den potentialniedrigeren Schalter S2 der Halbbrücke mit einem Signal LS („low side-Signal) ansteuert. Dabei schaltet die Steuerschaltung SE die Schalter S1, S2, die vorzugsweise als Transistoren, z. B. FET, MOSFET, ausgebildet sind, alternierend an, um am Mittenpunkt M der Halbbrücke HB eine Wechselspannung für den Transformator T1 bereitzustellen.

[00101] In der Fig. 11 ist die Primärwicklung W1 des Transformators T1 auf ihrer potentialniedrigeren Seite mit der primärseitigen Masse verbunden, ebenso wie die potentialniedrigere Seite

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Patentamt des Halbbrückenschalters S2. Der Strom bzw. die Spannung durch die Primärwicklung L2a wird durch den Transformator T1 an die Sekundärwicklung W2 übertragen, wodurch in dem ersten Strompfad SP1 der Strom l_Spi und in dem zweiten Strompfad SP2 der Strom l_Sp₂ induziert wird.

[00102] Der Mittelabgriff M1 der Sekundärwicklung W2 dient indessen dazu, an dem Verbindungspunkt CP Ströme bzw. Spannungen bereitzustellen, die im Wesentlichen symmetrisch um einen Nullpunkt liegen.

[00103] Über die Dioden D1 und D2 wird an dem Verbindungspunkt CP ein Gleichstrom bzw. eine Gleichspannung bereitgestellt, um die Last LED zu betreiben. Die sekundärseitige Masse kann gemäß Fig. 11 entweder mit der primärseitigen Masse verbunden sein oder davon isoliert vorgesehen werden.

[00104] Insgesamt hängt dabei die am Ausgangsanschluss E1 liegende Spannung bzw. der anliegende Strom l_Spi bzw. l_Sp₂ von der an der primärseitigen Induktivität des Transformators T1 anliegenden Spannung bzw. der Wellenform der Spannung ab. Diese sind durch eine Veränderung einer Taktung bzw. Schaltfrequenz der Schalter S1, S2 bzw. einem Tastgrad (duty cycle) der Halbbrückenschaltung HB, d. h. insbesondere eine Veränderung der Einschaltzeitdauer der Schalter S1, S2, einstellbar.

[00105] Durch die Ausgestaltungen des Transformators T1 auf die erfindungsgemäße Art und Weise erfolgt eine galvanische Trennung der Primärwicklung W1 und der Sekundärwicklung W2 wodurch die Gesamtgröße des Transformators T1 reduziert wird und die Anzahl der Komponenten weiter verringert wird. Der Resonanzkonverter gemäß der Erfindung umfasst einen Transformator T1, dessen Induktivität durch zwei separate Kerne K1, K2 getrennt voneinander einstellbar ist.

[00106] Im Rahmen der Erfindung können alle beschriebenen und/oder gezeichneten und/oder beanspruchten Elemente beliebig miteinander kombiniert werden.

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Patentamt

BEZUGSZEICHENLISTE:

C1	Resonanzkondensator
C2	Ladekondensator
D1,D2 Gleichrichterdiode
K1	Erster Kern
K2	Zweiter Kern
K3	Dritter Kern
L1	Resonanzspule
L2	Shuntspule
L2a	primärseitige Spule des Transformators
L2b	sekundärseitige Spule des Transformati
LED	Leuchtmittel
LP	Leiterplatte
LPS1-	-LPS4 Schichten der Leiterplatte
LS1	Erster Luftspalt
LS2	Zweiter Luftspalt
M	Mittenpunkt der Halbbrücke
M1	Mittelabgriff der Sekundärwicklung
MS	Mittelschenkel des Kerns
RK	Resonanzkreis
S1	erster Schalter der Halbbrücke
S2	zweiter Schalter der Halbbrücke
SE	Steuerschaltung
SP1	Erster Signalpfad
SP2	Zweiter Signalpfad
T1	Transformator
W1	Primärwicklung
W2	Sekundärwicklung
φΡ	Magnetischer Fluss der Primärseite
®s	Magnetischer Fluss der Sekundärseite

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Patentamt

Claims (10)

1. Ansprüche

   1. Transformator (T1) für eine Treiberschaltung zum Betreiben eines Leuchtmittels (LED), dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator (T1) aufweist:

   - eine Primärwicklung (W1), ausgebildet als erste Planarspule (L2a);

   - eine Sekundärwicklung (W2), ausgebildet als zweite Planarspule (L2b);

   - einen ersten Kern (K1), der im Wesentlichen nur mit der ersten Planarspule (L2a) elektromagnetisch zusammenwirkt; und

   - einen zweiten Kern (K2), der sowohl mit der ersten Planarspule (L2a) als auch mit der zweiten Planarspule (L2b) elektromagnetisch zusammenwirkt.
2. 2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (W1) sowohl um den ersten Kern (K1) als auch um den zweiten Kern (K2) herum angeordnet ist und wobei die Sekundärwicklung (W2) nur um den zweiten Kern (K2) herum angeordnet ist; und/oder dass der erste Kern (K1) stabförmig ausgebildet ist und/oder dass der zweite Kern (K2) stabförmig ausgebildet ist; und/oder dass der erste Kern (K1) und der zweite Kern (K2) El-förmig ausgebildet sind; wobei die Primärwicklung (W1) um einen Mittelschenkel (MS) des ersten Kerns (K1) als auch um einen Mittelschenkel (MS) des zweiten Kerns (K2) herum angeordnet ist; und wobei die Sekundärwicklung (W2) nur um den Mittelschenkel (MS) des zweiten Kerns (K2) herum angeordnet ist; und/oder dass die erste Planarspule (L2a) und die zweite Planarspule (L2b) eine Mehrzahl von Windungen aufweist, wobei die erste Planarspule (L2a) eine höhere Anzahl an Windungen aufweist als die zweite Planarspule (L2b).
3. 3. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (W1) und/oder die Sekundärwicklung (W2) durch eine spiralartig verlaufende oder rechteckig verlaufende Leiterbahn gebildet ist; und/oder dass die Primärwicklung (W1) und die Sekundärwicklung (W2) auf einer gemeinsamen Leiterplatte (LP) angeordnet sind.
4. 4. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kern (K1) ein zweiteiliger Kern mit einem ersten Luftspalt (LS1) ist; und/oder dass der erste Kern (K1) aus einem vom Material des zweiten Kerns (K2) verschiedenen Material gefertigt ist;

   und/oder dass der erste Kern (K1) geometrische Abmessungen aufweist, die von den geometrischen Abmessungen des zweiten Kerns (K2) verschieden sind.
5. 5. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator (T1) einen dritten Kern (K3) aufweist, der im Wesentlichen nur mit der zweiten Planarspule (L2b) elektromagnetisch zusammenwirkt.
6. 6. Resonanzkonverter zum Betreiben mindestens eines Leuchtmittels (LED), beispielsweise einer LED-Strecke, wobei der Resonanzkonverter aufweist:

   - eine Halbbrückenschaltung (HB) mit zwei in Serie geschalteten Schaltern (S1, S2), die von einer Steuerschaltung (SE) angesteuert werden,

   - einen ausgehend von einem Mittenpunkt (M) der beiden Schalter (S1, S2) versorgten Resonanzkreis (RK),

   - einen Transformator (T1), der primärseitig mit einer vom Resonanzkreis (RK) bereitgestellten Wechselspannung gespeist wird, wobei die Energie der Wechselspannung sekundärseitig zum Betreiben des Leuchtmittels verwendet wird;

   dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (W1) des Transformators (T1) als erste Planarspule (L2a) ausgebildet ist; und

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   Patentamt dass die Sekundärwicklung (W2) des Transformators (T1) als zweite Planarspule (L2b) ausgebildet ist; und dass ein erster Kern (K1) des Transformators (T1) im Wesentlichen nur mit der ersten Planarspule (L2a) elektromagnetisch zusammenwirkt; und dass ein zweiter Kern (K2) des Transformators (T1) sowohl mit der ersten Planarspule (L2a) als auch mit der zweiten Planarspule (L2b) elektromagnetisch zusammenwirkt.
7. 7. Resonanzkonverter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklung (W2) einen Mittelabgriff (M1) aufweist, sodass der Transformator (T1) sekundärseitig je ein Strompfad (SP1, SP2) für jede der beiden Polaritäten der Wechselspannung vorsieht; und/oder dass eine Shuntspule (L2) des Resonanzkreises (RK) durch die erste Planarspule (L2a) gebildet ist; und/oder dass eine Resonanzspule (L1) des Resonanzkreises (RK) zumindest teilweise durch die erste Planarspule (L2a) gebildet ist.
8. 8. Resonanzkreis für einen Resonanzkonverter zum Betreiben mindestens eines Leuchtmittels (LED), beispielsweise einer LED-Strecke,

   - wobei dem Resonanzkreis (RK) eingangsseitig eine Wechselspannung zugeführt wird;

   - wobei dem Resonanzkreis (RK) ausgangsseitig ein Transformator (T1) nachgeschaltet ist, um die Energie der Wechselspannung dem Leuchtmittel (LED) bereitzustellen;

   dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (W1) des Transformators (T1) als erste Planarspule (L2a) ausgebildet ist; und dass die Sekundärwicklung (W2) des Transformators (T1) als zweite Planarspule (L2b) ausgebildet ist;

   dass ein erster Kern (K1) des Transformators (T1) im Wesentlichen nur mit der ersten Planarspule (L2a) elektromagnetisch zusammenwirkt; und dass ein zweiter Kern (K2) des Transformators (T1) sowohl mit der ersten Planarspule (L2a) als auch mit der zweiten Planarspule (L2b) elektromagnetisch zusammenwirkt.
9. 9. Resonanzkreis nach einem der Ansprüche 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (W1) eine Shuntspule (L2) des Resonanzkreises (RK) bildet; und/oder dass die Primärwicklung (W1) zumindest teilweise eine Resonanzspule (L1) des Resonanzkreises (RK) bildet; und/oder dass der erste Kern (K1) ein zweiteiliger Kern mit einem ersten Luftspalt (LS1) ist; und/oder dass der zweite Kern (K2) ein zweiteiliger Kern mit einem zweiten Luftspalt (LS2) ist.
10. 10. Betriebsgerät für Leuchtmittel, insbesondere LED-Konverter, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsgerät einen Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist.

    Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

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    1/8

    Fig. 1 - Stand der Technik

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    2/8

    Fig. 2

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    3/8

    A‘

    Fig. 3

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    4/8

    B B‘

    Fig.4

    C‘

    Fig. 5

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    5/8

    K1 K2

    Fig. 6

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    6Z8

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    M1

    W2

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    7/8

    Fig. 10

    22/23

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    8/8

    Q

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    Fig. 11 r—I <S <“vj

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