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Induktive
Bauelemente können
zum Beispiel als Drosseln, Übertrager
oder Trafos ausgebildet sein oder als Induktivität Teil von elektrischen Schaltungen
sein.
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In
elektrischen Schaltkreisen, insbesondere im Niedervoltbereich, bei
störungsempfindlichen
Leitungen der Kommunikations- und Informationstechnik sowie bei
empfindlichen elektronischen Bauelementen können Schutzbauelemente eingesetzt
werden. Mit diesen gelingt es, unzulässig hohe Ströme oder
Spannungen unschädlich
zu machen und gegen Masse abzuleiten oder in Wärmeenergie zu überführen. Damit
gelingt es, die Bauelemente vor unzulässiger Erwärmung, die zumindest eine Störung der
Bauelementfunktion bewirken kann, sowie im Extremfall vor einer
Zerstörung
zu schützen.
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Es
sind verschiedene Arten von Schutzbauelementen bekannt, die je nach
gewünschter
Funktion eingesetzt und gegebenenfalls auch miteinander kombiniert
werden können.
Zum Schutz vor zu hohen Strömen
und Spannungen können
beispielsweise Ableiter, Thermistoren oder Varistoren eingesetzt werden.
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Üblicherweise
werden Schutzbauelemente als separate Bauelemente eingesetzt und
beispielsweise auf Platinen verlötet.
Dabei benötigt
jedoch jedes verlötete
Bauelement eine gegebene elektrische Kriechstrecke, wofür ein gewisser
Freiraum zum benachbarten Bauelement eingehalten werden muss. Auch
benötigen
automatisch bestückte
Platinen einen gewissen Freiraum zwischen einzelnen Bauelementen,
damit der Bestückungsautomat
das Bauelement sicher absetzen oder gegebenenfalls auch wie der greifen
kann. Dies führt
insgesamt zu einem hohen Platz- bedarf auf Platinen, der über die
Summe der Bauelement-Abmessungen
selbst hinausgeht. Nicht zuletzt aus diesem Grund wird daher vielfach angestrebt,
unterschiedliche Bauelementfunktionen auf Modulen zu vereinigen,
um zwar einerseits die Leistungsfähigkeit zu verbessern und andererseits jedoch
Platz auf der Platine einzusparen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein induktives Bauelement anzugeben,
mit dem weiter Platz auf einer Platine eingespart werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Bauelement mit dem Merkmal von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung gehen aus weiteren Ansprüchen hervor.
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Grundlegende
Idee der Erfindung ist es, ein induktives Bauelement mit einem Schutzbauelement zu
kombinieren und dieses zu einem gemeinsamen Bauelement zusammenzufassen.
Dazu wird das induktive Bauelement, welches zumindest einen Spulenkörper mit
einer ersten Wicklung und am Spulenkörper angebrachte Anschlusspins
aufweist, über den
Spulenkörper
direkt mit einem Schutzbauelement zu verbinden. Das induktive Bauelement
ist zusammen mit dem Schutzbauelement wie ein einziges Bauelement
handhabbar, und kann wie ein einziges Bauelement auf eine Platine
bestückt
werden. Damit entfallen für
das erfindungsgemäße Bauelement
die ansonsten einzuhaltenden Kriechstrecken und Freiräume zwischen
dem induktiven Bauelement und dem Schutzbauelement, die andernfalls
bei getrennten Bauelementen z.B. zum Be- und Entstücken erforderlich
wären.
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Das
Bauelement ist über
die Anschlusspins elektrisch und mechanisch mit einer äußeren Schaltungsumgebung
z.B. einer Pla tine verbindbar. Dies gilt sowohl für das induktive
Bauelement als auch für das
Schutzbauelement, das elektrisch ebenfalls mit den Anschlusspins
verbunden ist und daher keine gesonderten Anschlüsse erfordert. Für das Schutzbauelement
können
am Spulenkörper
separate Anschlusspins vorgesehen sein. Möglich ist es jedoch auch, dass
induktives Bauelement und Schutzbauelement mit den gleichen Anschlusspins
verbunden sind, sodass sich dadurch bereits eine serielle oder parallele
Verschaltung von induktiven Bauelement und Schutzbauelement über die
Anschlusspins erreichen lässt.
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Das
Schutzbauelement kann quaderförmig ausgebildet
sein. Insbesondere kann es einen keramischen Bauelementkörper aufweisen,
welcher zumindest zwei auf einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen des
Bauelementkörpers
angeordnete Elektroden aufweist. Quaderförmige Bauelementkörper haben
den Vorteil, dass sie sich als Mehrzahl äußerst platzsparend anordnen
lassen, insbesondere auch in Verbindung mit weiteren im Querschnitt
rechteckigen anderen Bauelementen oder Bauelementkörpern von
weiteren Schutzbauelementen. Auch der Spulenkörper weist Seitenflächen auf,
die zumindest an drei Kanten einem Rechteck folgen: Die vierte obere
Kante der Seitenfläche eines
induktiven Bauelements kann der üblicherweise über einen
runden Wickelkörper
geführten
Wicklung folgen und beispielsweise auch abgerundet sein. Vorteilhaft
ist es daher, das Schutzbauelement mit einer Seitenfläche des
Spulenkörpers
zu verbunden. Von dort ist es besonders einfach möglich, die Elektroden
des Schutzbauelements über
dort aufgelötete
Anschlussdrähte
mit den Anschlusspins des Spulenkörpers zu verbunden.
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Das
Schutzbauelement kann als PTC-Widerstand ausgebildet sein und das
induktive Bauelement gegen zu hohe Ströme schützen.
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Möglich ist
es jedoch auch, mit dem Schutzbauelement nicht zum Schutz des induktiven
Bauelements vorzusehen, sondern mit dem induktiven und damit auch
mit dem Schutzbauelement elektrisch verbundene Schaltungen, Bauelemente
und Geräte zu
schützen.
Vorteilhaft ist es, wenn die für
die Schutzfunktion des Schutzbauelements erforderliche Größe des Schutzbauelements
in der gleichen Größenordnung
wie die des induktiven Bauelements liegt. Auf diese Weise gelingt
der relativ größte Platzgewinn
auf einer Platine, auf der das erfindungsgemäße induktive Bauelement verschaltet
werden kann.
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Ein
weiterer Raumgewinn auf der Platine, auf der das erfindungsgemäße Bauelement
bestückt wird,
gelingt mit einer Anordnung des Schutzbauelements im Rahmen der
Außenabmessungen
des induktiven Bauelements, bestehend aus Spulenkörper, Wicklung
und magnetischem Kern, welcher erst die vollständige Bauelementfunktion des
induktiven Bauelements gewährleistet.
Eine solche Anordnung gelingt z.B., wenn das Schutzbauelement unterhalb
der Wicklung angeordnet ist. Beispielsweise kann der Spulenkörper einen
Sockel mit einer Ausnehmung aufweisen, in der das Schutzbauelement
angeordnet ist. Diese Ausnehmung ist vorzugsweise von unten oder
außen
zugänglich
und vorzugsweise symmetrisch unterhalb der Wicklung angeordnet.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist der Spulenkörper zumindest eine zweite
Wicklung auf, über
die ein zweiter Strompfad definiert ist. Auch der zweite Strompfad
kann mit einem weiteren zweiten Schutzbauelement geschützt werden,
welches dann ebenfalls am Spulenkörper befestigt ist. Die beiden Wicklungen
können
elektrisch isoliert übereinander angeordnet
werden. Möglich
ist es jedoch auch, die beiden Wicklungen nebeneinander auf dem
Spulenkörper
anzuordnen. Dementsprechend können
auch die Schutzbauelemente nebeneinander angeordnet werden, beispielweise
unterhalb je einer Wicklung.
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Der
Spulenkörper
kann nach unten hin offene Kammern aufweisen, wobei pro Wicklung
vorzugsweise jeweils eine Kammer vorgesehen ist. In die Kammern
kann jeweils ein keramisches Schutzbauelement eingeschoben werden,
wobei der Innenraum der Kammer vorzugsweise an die Außenabmessungen
des Schutzbauelementes angepasst ist. Jedes Schutzbauelement kann
zwei Anschlussdrähte
aufweisen, die mechanisch und elektrisch mit den Anschlusspins am
Spulenkörper
verbunden sind.
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In
einer möglichen
Ausführungsform
ist der Spulenkörper
mit einem magnetischen Kern vom EP-Typ verbunden, beziehungsweise
in einem solchen Halbschalenkern angeordnet. Der EP-Kern umschließt den Spulenkörper zumindest
an den vier Außenseiten
und ist nach unten hin geöffnet.
Weist der Spulenkörper
einen den Außenabmessungen
des EP-Kerns folgenden Sockel auf, so ist ausreichend Volumen vorhanden,
innerhalb des Sockels eine der Anzahl der Wicklungen entsprechende
Anzahl von Schutzbauelementen anzuordnen.
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Die
Schutzbauelemente weisen dann vorzugsweise die Form von flachen
Quadern auf und sind geometrisch so im Sockel orientiert, dass sie
mit einer Seiten- oder Stirnfläche
nach unten weisen, während
die größere Hauptoberfläche zur
Seite weist. Bei einem Spulenkörper
mit zumindest zwei nebeneinander angeordneten Wicklungen sind die quaderförmigen Schutzbauelemente
vorzugsweise quer zur Hauptachse des Spulenkörpers angeordnet, welche der
magnetischen Achse entspricht und damit dem Mittelbutzen des EP-Kerns
folgt. Dies wird in einfacher Weise dadurch unterstützt, dass
jede Wicklung in einer Wickelkammer angeordnet ist, die beiderseits
quer zur genannten Hauptachse durch Flansche begrenzt ist, die sich
nach unten hin in den Sockel fortsetzen. Der dort vorgesehene Hohlraum
wird dann durch die verlängerten
Flansche in eine entsprechende Anzahl von Kammern unterteilt, die
jeweils unterhalb eines Wickelkörpers
angeordnet und zur Aufnahme je eines Schutzbauelements vorgesehen
sind.
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Die
beiden äußersten
Flansche beziehungsweise deren Verlängerung nach unten bilden zwei Seitenfläche des
Spulenkörpers,
weisen vorzugsweise Verstärkungen
auf und sind in den Verstärkungen mit
den Anschlusspins versehen. Diese können im Spulenkörper eingesteckt,
eingeschmolzen, eingeklipst oder eingedreht sein.
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Vorzugsweise
sind die Anschlusspins als L-Pins ausgebildet, die eine Verlötung des
induktiven Bauelements in SMD-Bauweise ermöglichen. Vorzugsweise weist
der Spulenkörper
je Wicklung vier Anschlusspins auf, wobei je zwei für die Wicklung und
je zwei das Schutzbauelement vorgesehen sind. Möglich ist es jedoch auch, eine
serielle Verschaltung von Wicklung und Schutzbauelement mit drei
Anschlusspins pro Wicklung zu erreichen, wobei einer der Anschlusspins
dann sowohl mit Schutzbauelement als auch einer Wicklung verbunden
ist.
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Ein
induktives Bauelement mit zwei und mehr Wicklungen kann als Transformator
ausgebildet sein, wobei sich die Wicklungen durch die Anzahl ihrer
Windungen unterscheiden können.
In einem solchen Transformator können
für unterschiedliche Wicklungen
unterschiedliche Schutzbauelemente vorgesehen sein.
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Die
Wicklungen können
jedoch auch gleich sein, sodass die beiden Spulen des fertigen Bauelements
gleiche Induktivitätswerte
aufweisen. In diesem Fall sind auch die Schutzbauele ment vorzugsweise
gleich, sodass insgesamt ein Bauelement mit hoher Symmetrie erhalten
wird. Ein induktives Bauelement mit zwei Wicklungen, die mit einem
magnetischen EP-Kern und zwei PTC-Widerständen als Schutzbauelemente
verbunden sind, können
vorteilhaft in einem Tiefpassfilter eingesetzt werden, welches zum
einen das Sprachsignal von der ADSL-Leitung trennt und zum anderen
vor zu hohen Ströme schützt. In
dieser Anwendung wird vorteilhaft die hohe Symmetrie genutzt, die
sich mit der erfindungsgemäßen Kombination
aus induktivem Bauelement und Schutzbauelement erzielen lässt, um
die Signalsymmetrie in den beiden Strompfaden der ADSL Leitung zu
erhalten.
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Ein
solches Tiefpassfilter besteht aus der Parallelschaltung einer Kapazität und einer
Induktivität, die
mit dem induktiven Bauelement realisiert wird. Ein für das Tiefpassfilter
außerdem
erforderlicher serieller Widerstand wird durch den Serienwiderstand
der Wicklung realisiert. Im erfindungsgemäßen induktiven Bauelement wird
jede durch je eine Wicklung und einen magnetischen Kern realisierte
Induktivität
je einem Tiefpassfilter für
je eine der beiden Datenleitunqen der ADSL Leitung zugeordnet. Für diese
Anwendung ist es auch vorteilhaft, dass der erforderlich Raumbedarf
für Schutzbauelement
und Spulenkörper
so aufeinander abgestimmt werden kann, dass sich das oder die Schutzbauelemente
bequem in den Sockel des Spulenkörpers
integrieren lassen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Figuren
näher erläutert. Diese
dienen allein dem besseren Verständnis
der Erfindung und sind daher nur schematisch und nicht maßstabsgetreu
ausgeführt. Gleiche
oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt
ein induktives Bauelement mit einer Wicklung,
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2 zeigt
ein weiteres Bauelement mit magnetischem Kern,
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3 zeigt
ein induktives Bauelement mit zwei Wicklungen und zwei Schutzbauelementen
von der Seite,
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4 zeigt
das Bauelement von unten,
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5 zeigt die Verschaltung des Bauelements
anhand eines Ersatzschaltbildes.
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1 zeigt
eine einfache schematische Darstellung eines induktiven Bauelements
mit einem Schutzbauelement in perspektivischer Ansicht. Der Spulenkörper SK
besteht aus einem trommelförmigen
Wickelkörper,
der beiderseits mit Flanschen F1, F2 versehen ist. Zwischen den
Flanschen F ist die Wicklung W auf den Wickelkörper aufgebracht. Die Flansche
F verlängern
sich nach unten in einen Sockel SO, der im unteren Bereich verbreitert
sein kann, um dort den Anschlusspins AP einen sicheren Halt zu gewährleisten.
Zwischen den beiden zum Sockel verlängerten Flanschen ist ein Schutzbauelement
SB angeordnet und mechanisch befestigt. Die Befestigung kann beispielsweise
allein durch ein Verklemmen Schutzbauelements SB zwischen den mit
einer gewissen Elastizität
ausgestatteten zum Sockel verlängerten
Flanschen erfolgen. Das Schutzbauelement ist beispielsweise ein
keramischer Bauelementkörper
aus einem PTC-Material, der auf den beiden zu den Flanschen weisenden
Hauptoberflächen
mit je einer Elektrode versehen ist. Ein elektrischer Anschluss
des Schutzbauelements SB erfolgt über zwei Anschlussdrähte, die
mit je einer Elektrode verlö tet und
mit je einem Anschlusspin AP des Spulenkörpers SK verbunden sind (in
der Figur nicht dargestellt).
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In
der Mitte weist der Wickelkörper
ein Kernloch KL auf, in das ein magnetischer Kern, beispielsweise
der Mittelbutzen eines E-Kerns und insbesondere eines EP-Kerns eingeschoben
werden kann, um das induktive Bauelement zu vervollständigen. Das
Schutzbauelement nimmt den Platz zwischen den beiden Flanschen im
Sockel SO vollständig
ein und schließt
vorzugsweise mit der Sockelunterkante und der Stirnfläche des
Sockels ab.
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In
der Figur nicht eingezeichnet sind Drahtführungsschlitze und mögliche mechanische
Verstärkungen
am Spulenkörper,
die die Stabilität
des Aufbaus erhöhen
können.
Der Spulenkörper
kann außerdem
an zumindest einer aus Unterseite, Vorderseite oder Rückseite
eine Querverstrebung aufweisen, die die beiden Flansche verbindet
und das Schutzbauelement SB in seiner Position fixiert. Vorzugsweise
ist jedoch zumindest eine Seite offen, um einen einfachen Einbau
des Schutzbauelements SB in den Spulenkörper SK zu ermöglichen.
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2 zeigt
eine ähnliche
Ausführung
in perspektivischer Darstellung, wobei hier über dem Spulenkörper bereits
ein magnetischer Kern MK, hier ein oben geschlossener EP-Kern aufgeschoben
ist. Die mit dem Mittelbutzen des EP-Kerns zusammenfallende magnetische
Achse MA ist angedeutet. Auch hier ist der Spulenkörper unterhalb
des magnetischen Kerns MK zu einem Sockel SO verlängert, welcher zumindest
zwei Seitenteile umfasst, zwischen denen der quaderförmige Bauelementkörper eines
Schutzbauelements SB angeordnet und befestigt ist. Die Anschlusspins
sind hier als L-Pins ausgebildet.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Erfindung von der Seite. Dieser Spulenkörper weist zwei Wicklungen
W1, W2 auf, die in je einer zwischen je zwei Flanschen F1, F2 beziehungsweise F2,
F3 gebildeten Wickelkammer angeordnet sind. Jeder der drei Flansche
ist nach unten zum Sockel SK verlängert. Im Sockel ist zwischen
je zwei Flanscher eine Kammer ausgebildet, in der je ein Schutzbauelement
SB1, SB2 angeordnet ist. Im oberen Bereich des Sockels SK ist ein
Drahtführungsschlitz
angedeutet, in dem beispielsweise ein Ende der Wicklung W herausgeführt und
gesichert zu einem Anschlusspin AP geleitet werden kann. Entsprechende weitere
Drahtführungen
können
auch in vertikaler Richtung angeordnet sein. Die Anschlussdrähte AD der
Schutzbauelemente SB sind ebenfalls zu den Anschlusspins geführt.
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4 zeigt
dieses oder ein ähnliches
Bauelement in einer Ansicht von unten. Zu sehen sind die Unterkanten
der drei Flansche F1 bis F3 mit jeweils zwischen zwei Flanschen
angeordneten Schutzbauelementen SB1, SB2. Jeder der beiden äußeren Flansche
F1, F3 trägt
je vier Anschlusspins AP und ist dazu entsprechend verstärkt. Der
mittlere Flansch F2 ohne Anschlusspins kann relativ dazu dünner ausgeführt sein.
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In
der Figur ist auch zu erkennen, dass die Schutzbauelemente SB einen
zentralen Lötkontakt LK
aufweisen, über
den jeweils ein Anschlussdraht AD mit der jeweiligen Elektrode auf
der Hauptoberfläche
des Schutzbauelements SB verbunden ist. Um Raum für diesen
Lötkontakt
und den damit verbundenen Anschlussdraht zu schaffen, können die
Flansche F vorzugsweise in der Mitte entsprechend konkav ausgebildet
sein, wie aus der Figur gut zu ersehen. Im konkaven Bereich der
Flansche werden auch die Anschlussdrähte AD der Schutzbauelemente
SB zur Unterseite des Spulenkörpers
und dort über
die Unterkante der äußeren Flansche
hin zu den Anschlusspins AP geführt
und dort befestigt. Die zwei übrigen
Anschlusspins werden mit den beiden Enden der jeweiligen Wicklung
verbunden.
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Ein
Bauelement, welches mehr als zwei Wicklungen aufweist, weist dann
auch eine entsprechend höhere
Anzahl an Schutzbauelementen und zur elektrischen Kontaktierung
auch eine entsprechend höhere
Anzahl an Anschlusspins auf.
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5 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild für eine bevorzugte
Anwendung des erfindungsgemäßen induktiven
Bauelements innerhalb eines Tiefpassfilters, welcher in einer Kommunikationsleitung, beispielsweise
einer ADSL-Leitung eingebaut werden kann und mithilfe des Schutzbauelements
SB diese gegen zu hohe Ströme
schützt.
In jeder der beiden Leitungen ist der Tiefpass aus der Parallelschaltung
einer Induktivität
L und einer Kapazität
C1 gebildet, die jeweils mit einem Widerstand R in Serie geschaltet
ist. In Serie zum Tiefpass ist das Schutzbauelement SB geschaltet.
Die beiden Induktivitäten
L1, L2 sind mithilfe des induktiven Bauelements verwirklicht, während sich
der Widerstand R jeweils aus dem Serienwiderstand der Wicklung ergibt.
Möglich
ist es auch, die Schaltung zusätzlich
anzupassen und ein Matching der Widerstände durchzuführen. Durch
die hohe Symmetrie der Anordnung bezüglich der identischen Werte
für Induktivität L und
Widerstand R kann eine Verzerrung gegeneinander der in den beiden
Signalleitungen geführten
Signale vermieden werden, so dass in der ADSL-Leitung auch kein
Verlust an Informationsgehalt auf tritt.
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Die
mit dem erfindungsgemäßen Bauelement
verwirklichbare Verschaltung wird durch das Ersatzschaltbild gemäß 5b verdeutlicht.
Die über einen
gemeinsamen magnetischen Kern in nerhalb eines einzigen induktiven
Bauelements verwirklichten beiden Induktivitäten der beiden Tiefpassfilter sind
magnetisch so orientiert, dass sich ihre Magnetfelder gegenseitigaufheben.
Dies wird durch gegenläufigen
Wickelsinn, der im Ersatzschaltbild durch den entsprechenden Punkt
angedeutet ist, verwirklicht.
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Obwohl
die Erfindung nur anhand weniger Ausführungsbeispiele dargestellt
wurde, ist sie nicht auf diese beschränkt. Bezüglich der genauen Ausgestaltung
des Spulenkörpers
ist eine Vielzahl von Variationen in Aufbau und Konstruktion des
Spulenkörpers
möglich,
die für
sich bekannt sind und mit dem neuen induktiven Bauelement zusammen
verwirklicht werden können.
Die bevorzugte Befestigung der Schutzbauelemente kann wie dargestellt
unterhalb des Bauelements zwischen zwei entsprechend verlängerten
Flanschen erfolgen. Möglich
ist es jedoch auch, den Sockel zu verschmälern und die Schutzbauelemente
außen
an der Seitenwand des Sockels anzuordnen. Die nur offen dargestellten
Kammern können
auch an weiteren Seiten oder unten geschlossen sein. Die Schutzbauelemente
sind als quaderförmige
insbesondere keramische Bauelementkörper dargestellt, können aber
auch davon abweichende Außenabmessungen
aufweisen. Möglich ist
es zum Beispiel, Schutzbauelemente einzusetzen, die in Form flacher
Zylinder eine runden oder elliptische Hauptoberfläche aufweisen.
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Bezüglich der
Raumausnutzung und der damit verbundenen elektrischen Eigenschaften
der Schutzbauelemente ist jedoch die quaderförmige und insbesondere flache
Ausführung
von Schutzbauelementen bevorzugt. Möglich ist es auch, im Falle mehrere
Schutzbauelemente im induktiven Bauelement diese in elektrischer
Flussrichtung nicht hintereinander sondern nebeneinander anzuordnen.
Die beiden oder mehreren Schutzbauelemente können auch quer oder parallel
zur magnetischen Achse angeordnet werden. Eine Anordnung der Schutzbauelemente
außen
am Spulenkörper
ermöglicht
auch ein beiderseitiges Anordnen von Schutzbauelementen am Sockel
des Spulenkörpers.
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Neben
der Anwendung in einem Tiefpassfilter kann ein erfindungsgemäßes induktives
Bauelement in beliebigen anderen Schaltungen eingesetzt werden.
Dabei ist es nicht erforderlich, dass Schutzbauelement und Induktivität unmittelbar
und direkt miteinander verschaltet sind. Da jede Wicklung und jedes
Schutzbauelement zu separaten Anschlusspins des Spulenkörpers geleitet
werden kann, kann eine beliebige Verschaltung von Induktivität und Schutzbauelement über die
Platine erfolgen, sodass beide Einheiten in einer Anwendung getrennt
voneinander eingesetzt werden können.