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Stand der Technik
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Bei elektronischen Schaltkreisen werden häufig Induktivitäten eingesetzt, insbesondere als sogenannte Speicherdrosseln. Induktivitäten weisen typischerweise einen Magnetkern, einen Spulenkörper und eine Bewicklung aus einem elektrisch leitfähigen Material auf. Sie sind auf Schaltungsträgern oft die größten und schwersten Bauteile und damit begrenzend für die Schwingungsbelastbarkeit und Zuverlässigkeit. Baugröße und Gewicht solcher Induktivitäten werden auch durch die Bewicklung und die darin anfallenden Verluste bestimmt. Viele Induktivitäten, insbesondere Speicherdrosseln, werden mit einem elektrischen Signal bestromt, das aus einem Anteil Wechselstrom (AC) und einem Anteil Gleichstrom (DC) besteht. Auch die Verluste beim Betrieb lassen sich in einen AC-Anteil und einen DC-Anteil aufteilen. Es gibt unterschiedliche elektrische Leiter, die für eine Bewicklung eingesetzt werden können. In vielen Fällen werden Kupferdrähte oder aus einzelnen Kupferfilamenten aufgebaute Kupferlitzen eingesetzt, die eine gute Leitereigenschaften bei Gleichstrom oder Wechselstrom mit niedrigen Frequenzen aufweisen. Mit steigender Frequenz eines Wechselstromanteils nehmen die Verluste aber stark zu, was unter anderm auf den sogenannten „Skin-Effekt“ (Verdrängung des Stromflusses in Außenbereiche eines elektrischen Leiters) und den sogenannten „Proximity-Effekt“ (Einschnürung des Stromflusses durch Ströme in benachbarten Leitern) zurückzuführen ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Hiervon ausgehend soll eine neuartige Induktivität beschrieben werden, die hinsichtlich der Frequenz eines Wechselstroms vorteilhaft ist und insbesondere erst bei deutlich höheren Wechselstromfrequenzen eine signifikante Erhöhung des elektrischen Widerstandes erfährt.
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Hier beschrieben werden soll eine Induktivität mit einem Magnetkern und einer Bewicklung des Magnetkerns aus elektrisch leitfähigem Material, wobei die Bewicklung aus mindestens zwei parallel geschalteten unterschiedlichen elektrischen Leitern mit unterschiedlichen frequenzabhängigen elektrischen Eigenschaften bei Bestromung mit Wechselstrom (AC) aufgebaut ist.
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Mit dem Begriff „Indukitivät“ ist hier jedes beliebige Bauteil gemeint, mit welchem eine Induktivität L in einer elektrischen Schaltung bereit gestellt werden kann. Eine Induktivität baut ein magnetisches Feld auf, wenn diese von einem Strom durchströmt wird. Zum Aufbau dieses magnetischen Feldes ist Energie notwendig, die durch den elektrischen Strom in die Induktivität eingebracht werden muss. Fällt der durch die Induktivität strömende elektrische Strom weg, gibt die Induktivität die Energie des Feldes gegebenenfalls zielgerichtet ab. Dies kann durch geeignet mit der Induktivität verbundene Schalter, Dioden und oder Transistoren erreicht werden.
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Mit einer Parallelschaltung der unterschiedlichen elektrischen Leiter ist hier gemeint, dass beide elektrische Leiter parallel durchströmt werden können. Bevorzugt existiert zumindest eine elektrische Verbindung der beiden elektrischen Leiter, an der ein elektrischer Strom anteilsweise auf die beiden elektrischen Leiter aufgeteilt wird. Die Aufteilung des elektrischen Stroms auf die beiden elektrischen Leiter richtet sich nach dem vorliegenden (frequenzabhängigen) elektrischen Widerstand der beiden Leiter. Bevorzugt existiert darüber hinaus mindestens eine elektrische Verbindung der beiden elektrischen Leiter, an der elektrische Ströme aus den beiden Leitern wieder zusammengeführt werden. Bevorzugt ist die Induktivität so ausgebildet, dass es aus Sicht des elektrischen Schaltkreises (in welchen die Induktivität eingebettet ist) nicht erkennbar ist, dass innerhalb der Induktivität zwei elekrische Leiter mit unterschiedlichen frequenzabhängigen elektrischen Eigenschaften existieren. Für einen solchen elektrischen Schaltkreis sind nur die elektrischen Eigenschaften erkennbar, die sich aus dem Zusammenwirken der beiden unterschiedlichen elektrischen Leiter in der Induktivität ergeben.
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Es hat sich herausgestellt, dass eine Induktivität, die mit zwei unterschiedlichen elektrischen Leitern mit unterschiedlichen frequenzabhängigen elektrischen Eigenschaften bei Bestromung mit Wechselstrom (AC) aufgebaut ist, hinsichtlich ihres Verhaltens bei Wechselströmen mit hohen Frequenzen sehr vorteilhaft ist.
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Besonders vorteilhaft ist die Induktivität, wenn ein erster elektrischer Leiter im Wesentlichen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt ist.
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Besonders vorteilhaft ist die Induktivität weiter, wenn ein zweiter elektrischer Leiter Carbon Nanostrukturbasierte Leitermaterialien (CNL), die z.B. Graphen- oder Carbon-Nanotube-basiert sein können, enthält.
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Wie bereits eingangs ausgeführt, haben Leiter aus Kupfer insbesondere bei Gleichstrom und bei Wechseltrömen mit niedrigen Frequenzen sehr gute elektrische Eigenschaften und insbesondere einen niedrigen Widerstand.
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CNL-Leiter haben demgegenüber bei sehr hochfrequenten Wechselströmen gute elektrische Eigenschaften und verhältnismäßig niedrige Widerstände.
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Zur Vermeidung von zu starken Verlusten bei hohen Frequenzen werden daher insbesondere aus Filamenten aufgebaute sogenannte „Carbon Nanostrukturbasierte Leitermaterialien“ (CNL) eingesetzt, die durch ihre Struktur geringere Verluste bei hohen Frequenzen bewirken. Dafür kann aber bei CNL-Leitern die Leitfähigkeit für Gleichstrom deutlich geringer sein als bei Kupferleitern, so dass der Einsatz von CNL zu höheren Gesamtverlusten bei Bestromung mit Anteilen von Wechselstrom und Gleichstrom führen kann. Die Auswahl geeigneter elektrischer Leiter für Induktivitäten ist daher kompliziert und von vielen Faktoren abhängig.
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Die unmittelbare Verwendung von CNL-Leitern und Kupferleitern in einer einzigen Induktivität in der hier beschriebenen Weise hat überraschend positive Effekte hinsichtlich der Absenkung des elektrischen Widerstandes über einen sehr großen Frequenzbereich. Gleichzeitig ist der elektrische Widerstand bei niedrigen Frequenzen deutlich geringer als dies bei einer Induktivität nur mit einem CNL-Leiter der Fall wäre. Der reduzierende Einfluss auf den Anstieg des elektrischen Widerstands bei Wechselströmen mit hohen Frequenzen, den der (zusätzliche) CNL-Leiter ausübt, ist sehr stark.
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Die Tatsache, dass der elektrische Widerstand einer solchen Induktivität über einen weiten Frequenzbereich konstant niedrig ist, kann für verschiedenste elektrische Schaltungen genutzt werden, bei denen ein Quereinfluss der Frequenz eines Wechselstroms auf den elektrischen Widerstand der Induktivität unerwünscht ist.
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Besonders vorteilhaft ist die Induktivität, wenn ein erster elektrischer Leiter und ein zweiter elektrischer Leiter vom ersten unterschiedlichen elektrischen Leiter in der Bewicklung die gleiche Anzahl Windungen um den Magnetkern aufweisen und zumindest an einem ersten Anschlusspunkt und an einem zweiten Anschlusspunkt elektrisch miteinander verbunden sind.
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Der zumindest eine erste Anschlusspunkt und der zumindest eine zweite Anschlusspunkt können in einer bevorzugten Ausführungsform die Aufgabe haben, die Parallelschaltung des ersten elektrischen Leiters und des zweiten elektrischen Leiters zu gewährleisten. Diese Anschlusspunkte können darüber hinaus dem Zweck dienen, die Induktivität an weitere Komponenten einer elektronischen Schaltung anzuschließen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Induktivität ist ein erster elektrischer Leiter aus Kupfer oder einer Kupferlegierung von einem zweiten elektrischer Leiter aus CNL umgeben oder mit diesem verdrillt oder verflochten, wobei beide elektrischen Leiter gemeinsam die Bewicklung bilden.
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Wenn der CNL-Leiter den Leiter aus Kupfer umgibt, führt dies zu einem besonders starken Zusammenwirken der beiden Leiter hinsichtlich ihrer elektromagnetischen Eigenschaften und der Effekt der hier beschriebenen Induktivität hinsichtlich eines konstanten Widerstands über einen weiten Frequenzbereich ist besonders stark.
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Durch ein Verdrillen und/oder ein Verflechten des elektrischen Leiters als Kupfer und des elektrischen Leiters aus Metall kann dieser Effekt ebenfalls erreicht werden.
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Besonders bevorzugt ist auch, wenn der erste elektrische Leiter und der zweite elektrische Leiter untereinander über ihre gesamte Länge punktuell in elektrischem Kontakt stehen, jedoch einzelne Windungen beider Leiter gegeneinander und gegenüber dem Magnetkern durch eine Isolierung elektrisch isoliert sind.
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Die Isolierung einzelner Windungen des elektrischen Leiters gegeneinander und gegenüber dem Magnetkern ist erforderlich, damit die Windungen als Windungen wirken und der elektrische Strom nicht einem kürzestmöglichen Weg unter Umgehung der einzelnen Windungen folgt (Windungskurzschluss).
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Der elektrische Kontakt des ersten elektrischen Leiters und des zweiten elektrischen Leiters untereinander bzw. zueinander über ihre gesamte Länge (das heißt an einzelnen beliebigen Positionen jeder einzelnen Windung) führt dazu, dass an jeder belieibigen Position jeder einzelnen Windung ein elektrischer Austausch zwischen den beiden elektrischen Leitern stattfinden kann. Dies hat die Auswirkung, dass die positiven Eigenschaften der hier beschriebenen Induktivität hinsichtlich des konstanten elektrischen Widerstandes über einen weiten Frequenzbereich in besonders starkem Maße hervortreten.
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Auch besonders vorteilhaft ist, wenn der Magnetkern ringförmig ist und die Bewicklung in Form einer Ringspule um den Magnetkern ausgebildet ist.
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In einem ringförmigen Magnetkern kann sich in besonders effektiver Weise ein magnetisches Feld ausbilden, weil eine geschlossener Verlauf von magnetischen Feldlinien in einem ringförmigen Magnetkern möglich ist. Durch den Aufbau der Bewicklung nach Art einer Ringspule kann der Aufbau des magnetischen Feldes in dem Magnetkern von dem elektrischen Strom in der Bewicklung besonders effektiv unterstützt werden.
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Weiterhin besonders vorteilhaft ist, wenn die Bewicklung auf einem Bewicklungsträger angeordnet ist. Der Bewicklungsträger kann eine Oberfläche des Magnetkerns sein, die bevorzugt mit einer elektrischen Isolierung versehen ist, um einen Stromfluss von den elektrischen Leitern in den Magnetkern sicher zu vermeiden.
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Die hier beschriebene Induktivität sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele auf die die beschriebene Induktivität jedoch nicht beschränkt ist. Es zeigen:
- 1: eine Ausführungsvariante einer beschriebenen Induktivität,
- 2: beispielhaft einen Abschnitt des ersten elektrischen Leiters und des zweiten elektrischen Leiters, und
- 3: einen Verlauf von frequenzabhängigen elektrischen Widerständen.
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In 1 ist eine beschriebene Induktivität 1 dargestellt. Die Induktivität 1 hat einen Magnetkern 2, auf welchem eine Bewicklung 3 vorgesehen ist, welche aus einem ersten elektrischen Leiter 5 und einem zweiten elektrischen Leiter 6 besteht. Der erste elektrische Leiter 5 und der zweite elektrische Leiter 6 sind hier zumindest an einem ersten Anschlusspunkt 8 und an einem zweiten Anschlusspunkt 9 miteinander elektrisch verbunden. Bevorzugt sind der erste elektrische Leiter 5 und der zweite elektrische Leiter 6 über ihre gesamte Länge von dem ersten Anschlusspunkt 8 bis zu dem zweiten Anschlusspunkt 9 elektrisch leitend miteinander verbunden. Die Bewicklung bildet eine Vielzahl von Windungen 7 bzw. eine Ringspule 10. Die Windungen 7 sind untereinander und gegenüber dem Magnetkern mit einer elektrischen Isolierung 11 versehen, die bewirkt, dass ein elektrischer Strom den Windungen 7 folgt.
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2 zeigt einen bevorzugten Aufbau der Bewicklung 3 der Induktivität. Bevorzugt umgibt der zweite elektrische Leiter 6 den ersten elektrischen Leiter 5 coaxial.
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3 zeigt auf der senkrechten Widerstandsachse 13 aufgetragen über einen auf der Frequenzachse 12 dargestellten Frequenzbereich die Widerstände verschiedener Induktiväten im Vergleich zueinander. Der Kupfer-Widerstandsverlauf 14 einer Induktivität mit einer reinen Kupfer-Bewicklung ist im Vergleich zu einem CNL-Widerstandsverlauf 15 einer Induktitivtät mit reiner CNL-Bewicklung deutlich geringer. Dafür weist die CNL-Bewicklung insbesondere bei hochfrequenten Wechselströmen eine deutlich geringere Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes von der Frequenz auf. Der Kupfer-CNL-Widerstandsverlauf 16 zeigt die Frequenzabhängigkeit des Widerstandes einer hier beschriebenen Induktivität. Die Abhängigkeit des Widerstandes einer hier beschriebenen Induktivität ist gegenüber der Abhängigkeit des Widerstandes einer Induktivität mit reiner Kupfer-Bewicklung deutlich reduziert.
