DE19544915A1 - Spule-/Transformatorbauteil mit niedrigem Profil - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektronische Bauteile mit niedrigem Profil. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Spulen-/Transformatorbauteile mit niedrigem Pro­ fil, niedrigen Herstellungskosten und gutem Betriebsver­ halten.

In der Elektronikindustrie herrscht ein Bedarf für Bauteile mit niedrigem Profil, niedrigen Herstellungskosten und gutem Betriebsverhalten. Anwendungsgebiete wie z. B. PCMCIA- Karten, tragbare Computer oder andere elektronische Geräte mit einem sehr kleinen zur Verfügung stehenden Raum ver­ langen von den Herstellern, solche Bauteile zu liefern.

Es sind elektronische Bauteile mit niedrigem Profil im Stand der Technik bereits bekannt, aber die meisten Kon­ struktionen mit niedrigem Profil sind um ebene Konstruk­ tionen zentriert, die aus abwechselnden Schichten von iso­ lierenden Material und Kupferfolien gebildet sind, oder die Techniken schließen Spulen ein, die auf vielschichtigen Leiterplatten-Material ausgebildet sind. Diese Konstruk­ tionen des Standes der Technik verursachen hohe Produk­ tionskosten und weisen weitere Nachteile bei der Herstel­ lung auf.

Andere Konstruktionen des Standes der Technik für Vorrich­ tungen niedrigen Profils beinhalten die Verwendung von Toroiden. Konstruktionen von Toroiden weisen zwar einen sehr hohen elektrischen Wirkungsgrad auf, aber es bedarf eines hohen Arbeitsaufwands für die Wicklung und den An­ schluß.

Herkömmliche Spulenleitungen für Spulen und Transformatoren werden an einem separaten metallischen Anschluß abgeschlos­ sen, der in den Sockel gepreßt ist. Eingepreßte Anschlüsse erhöhen die Kosten für den Sockel um einen Faktor zwei bis drei. Diese Konstruktion des Standes der Technik erfordert eine separate gelötete Verbindung innerhalb des Bauteils. Diese mechanischen Verbindungen erzeugen eine Stelle in dem Bauteil, wo ein Fehler auftreten kann, weshalb das Produkt schon an sich eine niedrigere Zuverlässigkeit hat.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Spulen- oder Transformatorbauteils mit niedrigem Profil und gutem Betriebsverhalten.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Be­ reitstellung eines Spulen- oder Transformatorbauteils niedrigen Profils mit einem Kern, der zumindest teilweise in den Rahmen des tragenden Sockels montiert ist.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Be­ reitstellung einer Spule oder eines Transformators niedrigen Profils unter Verwendung einer selbsttragenden Spule, wodurch ein Spulenträger nicht mehr gebraucht wird.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Be­ reitstellung eines Spulen- oder Transformatorbauteils niedrigen Profils, das mit einem Epoxid-Klebstoff zusam­ mengefügt ist.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Be­ reitstellung eines Spulen- oder Transformatorbauteils niedrigen Profils mit einem Ferritkern, der in einer Viel­ zahl von verschiedenen Formen ausgebildet sein kann.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Be­ reitstellung eines Spulen- oder Transformatorbauteils niedrigen Profils mit drahtumwickelten Anschlüssen, um die Notwendigkeit eines in dem Sockel ausgebildeten metalli­ schen Anschlusses zu vermeiden.

Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Spulen-/Transformatorbauteils niedrigen Profils, das für die Verwendung in PCMCIA-Karten, transportablen oder Notebook-Computern, DC-DC-Konverter­ schaltungen für batteriebetriebene Vorrichtungen und andere Produkte geeignet ist, die eine extrem kompakte Bauweise benötigen.

Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Spulen-/Transformatorbauteils niedrigen Profils, das mit automatisierten Produktions­ techniken fertiggestellt werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Spulen- oder Transformatorbauteils niedrigen Profils zur Verfügung zu stellen, das die Nachteile des Standes der Technik vermei­ det.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird mit den Merk­ malen des Anspruchs 1 gelöst.

Die übrigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestal­ tungen des Anmeldungsgegenstandes im Sinne der Aufgaben­ stellung.

Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen offen­ sichtlich werden.

Erfindungsgemäß enthält ein Spulen- oder Transformatorbau­ teil niedrigen Profils einen Sockel mit einer Vielzahl von Vorsprüngen, einem Kernsatz und einer vorgewickelten Drahtspule. Der Sockel ist aus einem einzelnen Stück ge­ formten Kunststoff gebildet. Eine Aussparung ist in dem Sockel zur Aufnahme eines Abschnitts des Kernsatzes ausge­ bildet. Eine Drahtspule ist zwischen einer unteren Kern­ hälfte und einer oberen Kernhälfte angeordnet. Der Kernsatz ist in der Aussparung des Sockels angeordnet und das ganze ist mit einem Klebstoff zusammengefügt. Das niedrige Profil der vorliegenden Konstruktion wird teilweise dadurch er­ reicht, daß der Kernsatz in die Aussparung des Sockels ein­ gesetzt ist.

Anschlüsse werden durch die Vorsprünge, die sich von dem Sockel aus erstrecken, und Drahtleitungen gebildet, die sich von der Drahtspule aus erstrecken. Die Drahtleitungen werden zunächst um die Vorsprünge des Sockels gewickelt und dann in geschmolzenes Lötmittel eingetaucht. Die an den Sockelvorsprüngen ausgebildeten Anschlüsse sorgen für einen sehr kostengünstigen Anschluß und beseitigen ebenfalls die Notwendigkeit von eingepreßten metallischen Anschlüssen, wie sie in vielen Sockeln des Standes der Technik vorkom­ men.

Das fertige Bauteil kann an eine Leiterplatte auf vielfäl­ tige Weise montiert werden, d. h. einschließlich der Montage auf die PC-Bord-Oberfläche und die Montage durch die PC- Bord-Fläche. Ebenfalls kann eine beliebige Zahl von Formen eines Kernsatzes bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden.

Fig. 1 zeigt eine Explosionszeichnung eines Ausfüh­ rungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines der An­ schlüsse, der durch einen Sockelvorsprung und eine Draht­ leitung gebildet ist.

Fig. 3 zeigt Seitenansichten von alternativen Methoden zur Befestigung der vorliegenden Erfindung auf eine Leiterplatte.

Fig. 4 zeigt alternative Gestaltungen des Ferritkerns der vorliegenden Erfindung.

Die vorliegende Erfindung wird nun beschrieben, wie sie für ihr bevorzugtes Ausführungsbeispiel verwendet wird. Es ist nicht beabsichtigt, die vorliegende Erfindung auf dieses beschriebene Ausführungsbeispiel zu beschränken. Es ist be­ absichtigt, daß die Erfindung alle Alternativen, Modifika­ tionen und Äquivalente umfaßt, die im Erfindungsgedanken und Anwendungsbereich enthalten sind.

Fig. 1 zeigt eine Explosionszeichnung eines Bauteils 10 der vorliegenden Erfindung. Bei der Herstellung des Bau­ teils 10 wird zunächst ein Sockel 12 zur Verfügung ge­ stellt. Der Sockel 12 umfaßt ein einzelnes Stück geformten Kunststoffs. Der Kunststoff ist so ausgewählt, daß er die hohen Temperaturen aushalten kann, die bei der Herstellung des Bauteils und dem Einbau in die Leiterplatte auftreten können (größer als 230°C). Der Sockel 12 enthält eine Viel­ zahl von Vorsprüngen 14, die sich von dem Sockel 12 aus er­ strecken. Die Vorsprünge 14 werden bei der Ausbildung von Bauteilanschlüssen verwendet. Der Sockel 12 enthält eine Aussparung 16, die so ausgebildet ist, daß eine untere Kernhälfte 18 von der Aussparung 16 aufgenommen werden kann. Die Sockelkonstruktion ist durch herkömmliche indu­ strielle Formtechniken in großer Stückzahl sehr billig her­ zustellen.

Das niedrige Profil des gesamten Bauteils 10 wird dadurch erreicht, daß sich ein Abschnitt des Kernsatzes durch den Sockel 12 erstreckt. Durch Verwendung dieser Technik wird die maximale Höhe des Bauteils durch die benötigte Höhe ei­ nes vertikal gestapelten Kernsatzes bestimmt. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist die untere Kernhälfte 18 in der Ausspa­ rung 16 angeordnet und erstreckt sich zumindest teilweise durch den Sockel 12. Die untere Kernhälfte 18 bildet mit einer oberen Kernhälfte 20 ein ähnliches Paar, die über der unteren Kernhälfte 18 angeordnet ist. Zwischen der unteren Kernhälfte 18 und der oberen Kernhälfte 20 ist eine vorgewickelte Spule 22 angeordnet. Ein Klebemittel 24 wird verwendet, um das ganze zusammen zu verbinden, nachdem der Sockel 12, die untere Kernhälfte 18, die obere Kernhälfte 20 und die Spule 22 zusammengebaut sind. Das Bauteil 10 wird mit Klebstoff 24 durch Bedeckung eines Gebietes an der Verbindungslinie der zwei Kernhälften und der Verbindungs­ linie zwischen der unteren Kernhälfte 18 und dem Sockel 12 zusammengefügt. Fig. 1 zeigt eine alternative Stelle für das verbindende Klebemittel 24A, wenn im Zentrum offene Kerne bei dem Bauteil 10 verwendet werden. Die mit Kleb­ stoff zusammengefügte Konstruktion stellt ein dauerhaftes kräftiges Bauteil zur Verfügung, wobei alle Teile miteinan­ der verbunden sind. Die verbundene Konstruktion wird eben­ falls das "Brummen" in dem Transformator oder den Spulen­ wicklungen beseitigen, was allgemein beklagt wird.

Die Grundkonstruktion der unteren Kernhälfte 18 und der oberen Kernhälfte 20 der vorliegenden Erfindung kann einer großen Vielfalt von Kerngestaltungen und Kernmaterialien entnommen werden. Fig. 4 zeigt verschiedene Beispiele von möglichen Kernkonstruktionen, die z. B. die E-E 32, ER 34, ER-I 38, E-I 36, C-C 40, C-I 42, Topf 44, Stift-Scheibe 46 und die Stift-Manschette 48 Kernformen einschließen, aber nicht darauf begrenzt sind. Jeder Kernsatz, der um vorge­ wickelte Spulen angeordnet werden kann, kann in der vor­ liegenden Erfindung verwendet werden.

Eine Vielzahl von Materialien kann für die Kerne der vor­ liegenden Erfindung ausgewählt werden, aber die bevorzugte Wahl wird meistens wegen seiner inhärenten Eigenschaften Ferrit sein. Der üblichste Anwendungsbereich der Bauteile 10 niedrigen Profils sind DC-DC-Konverterschaltungen, die typischerweise die Wahl von Ferrit für das Kernmaterial er­ fordern. Zusätzlich kann Ferrit in verschiedene komplexe Formen gebracht werden. Ebenfalls ist Ferrit, wenn es für mit Aussparung versehene Kerne verwendet wird, das am meisten vorzuziehende Kernmaterial zur Verwendung in einem DC-DC-Konverter.

Die Wicklungen der Spulen 22 sind bei der vorliegenden Er­ findung selbsttragend konstruiert, wobei die Spulen perfekt geschichtet sind um für die größtmöglichste Packungsdichte zu sorgen. Ebenfalls wird der herkömmliche Spulenkörper, der als Wickelschablone in ähnlichen Konstruktionen ver­ wendet wird, nicht benutzt, um den Platzbedarf für den Wickelraum zu erniedrigen, die Höhe zu vermindern und die Materialkosten zu reduzieren. Die Spulen 22 der vorliegen­ den Erfindung können auf bestehenden automatisierten Vor­ richtungen erzeugt werden, was für eine hohe Produktions­ leistung bei sehr niedrigen Arbeitskosten sorgen kann. Ver­ schiedene Wicklungen können konstruiert werden, um den be­ vorzugten Drahtdurchmesser in Abhängigkeit von den elektri­ schen Anforderungen an die Schaltung auszunutzen. In der Vergangenheit wurden automatisch gewickelte Transformatoren und ähnliche Bauteile mit einem einzelnen Drahtquerschnitt konstruiert, um die niedrigsten Bauteilkosten zu erreichen. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist jede Spule eine Vielzahl von Drahtanschlüssen 26 auf, die sich von der Spule 22 aus erstrecken. Jeder Drahtanschluß 26 wird mit einem Sockelvorsprung 14 verbunden, um einen Anschluß zu bilden.

Fig. 2 zeigt, wie die Anschlüsse der vorliegenden Erfin­ dung ausgebildet sind. Jeder Drahtanschluß 26 aus der vor­ gewickelten Spule 22 bildet einen Abschluß auf einem geeig­ neten Sockelvorsprung 14. Der Drahtanschluß 26 ist um den Sockelvorsprung 14 in einer "federförmigen" Gestalt gewic­ kelt. Wenn dieser federförmig gestaltete Abschluß in ge­ schmolzenes Lötmittel getaucht wird, wird die Drahtisolie­ rung von dem Draht weggeschmolzen. Der federförmig gestal­ tete Abschluß wird von dem Lötmittel, z. B. Lötzinn, in eine kontinuierliche zylindrische Form gebracht, die den An­ schluß bildet.

Die drahtgewickelten Anschlüsse können auf Sockelvorsprün­ gen 14 ausgebildet werden, die eine Vielzahl von Formen ha­ ben können. Z.B. können die Sockelvorsprünge einen kreis­ förmigen, ovalen, rechteckigen, quadratischen, trapez­ förmigen oder irgend einen anderen Querschnitt aufweisen. Verschiedene Gestalten von Vorsprüngen 14 sorgen für unter­ schiedliche Vorteile, wenn unterschiedliche Profile dem automatisierten Wickler oder der Oberfläche der Leiter­ platte, auf die das Bauteil montiert wird, zugeführt werden. Typischerweise kann die Anzahl von Anschlüssen an einem Bauteil bei Bauteilen, die diesen Grundstil oder diese Grundkonstruktion aufweisen, von 4 bis 12 variieren. Natürlich können andere Konstruktionen eine abweichende An­ zahl von Anschlüssen aufweisen.

Die drahtgewickelten Anschlüsse der vorliegenden Erfindung gestatten die Verwendung eines billig herzustellenden Sockel s und sorgen ebenfalls für einen sehr kostengünstigen Drahtabschluß. Die Kosten des Abschlusses sind niedrig, weil ein separater metallischer Anschluß nicht in den Sockel 12 gepreßt bzw. eingebettet werden muß. Die Kosten für einen eingepreßten Anschluß würden die Kosten eines Sockels erheblich erhöhen. Diese drahtgewickelten An­ schlüsse weisen deshalb den Vorteil auf, eine mechanische Verbindung für jeden Anschluß auf dem Bauteil 10 zu ver­ meiden. Das ist der Fall, weil bei einem herkömmlichen ein­ gepreßten Anschluß eine Verbindung zwischen dem Spulenan­ schluß und dem gepreßten metallischen Anschluß hergestellt werden muß.

Die Spulen-/Transformatorkonstruktion der vorliegenden Er­ findung mit dem Sockel 12, den Wicklungen 22, dem Kernsatz 18 und 20 und den Anschlüssen kann mit automatisierten Herstellungsverfahren fertig zusammengebaut und zur Verfü­ gung gestellt werden. Der Wickel 22 kann automatisch auf bestehenden Wickelvorrichtungen gewickelt werden. Der Sockel 12, der Kernsatz 18 und 20 und die Wickel 22 können halbautomatisch auf einer automatisierten Vorrichtung zu­ sammengesetzt werden. Das verbindende Klebemittel 24 kann über eine automatische Spendervorrichtung zugeführt werden. Die Anschlüsse können ebenfalls automatisch mit Vorrichtun­ gen fertiggestellt werden, die ähnlich zu den herkömmlichen Drahtwickelvorrichtungen sind.

Die Konstruktion der vorliegenden Erfindung gestattet, das Bauteil 10 auf eine Leiterplatte (PCB) 28 auf verschiedene Weisen zu montieren. Fig. 3 zeigt einige Beispiele von unterschiedlichen zusammengefügten Konfigurationen. Z.B. kann das Bauteil auf die Leiterplattenoberfläche (Fig. 3A) oder durch die Leiterplattenfläche (Fig. 3B) montiert werden. Bei einer alternativen Bauteilgestalt, die mit den Anschlußabschnitten des Bauteils durch die Leiterplatte ragt, kann es auf einer Seite der Leiterplatte montiert sein (Fig. 3C, 3D).

Wenn die vorliegende Erfindung auf einen Transformator an­ gewendet wird, ist ein erwünschtes Betriebsverhalten mit wirklich isolierten Wicklungen bereits mit dieser Bauteil­ konstruktion erreicht. Sehr wenige Hersteller bieten gegen­ wärtig Transformatoren mit einem tatsächlich niedrigen Profil an, das in den DC-DC-Konverterschaltungen von PCMCIA-Typ II Anwendungen verwendet werden kann. Isolierte Wicklungen bieten einen erheblichen Vorteil, weil sowohl positive als auch negative Spannungen von einer einzelnen Spannungsquelle erzeugt werden müssen. Der Grad der Isola­ tion kann durch Beschichtung des Kerns mit einem Isolier­ material, wie z. B. Paylen und durch zusätzliche isolierende Unterlegscheiben aus dielektrischem Material, wie z. B. Mylar, zwischen den gewickelten Spulen während des Zusam­ menbaus erhöht werden.

Die vorliegende Erfindung ist konstruiert, um einen maxi­ malen volumetrischen Wirkungsgrad, ein extrem niedriges Profil und eine relativ große Strombelastbarkeit aufzu­ weisen. Vorzugsweise werden die Bestandteile der vorlie­ genden Erfindung mit automatisierten Vorrichtungen herge­ stellt und weisen niedrige Kosten an Rohmaterial auf. Die Materialien werden sorgfältig ausgewählt, damit sie die harten Bedingungen, die auf auf Oberflächen montierte Bau­ teile während ihrer Fertigung, Montage und Lebensdauer wirken, aushalten.

Claims (15)

1. Elektronisches Bauteil (10) mit niedrigem Profil auf­ weisend:
einen Sockel (12) mit einer Aussparung (16), der eine Vielzahl von Vorsprüngen (14) aufweist, die sich von dem Sockel (12) aus erstrecken;
ein erstes und zweites Kernelement (18, 20), die einen Kernsatz bilden;
eine vorgewickelte Spule (22), die zumindest teilweise innerhalb des Kernsatzes (18, 20) angeordnet ist, wobei die vorgewickelte Spule (22) eine Vielzahl von Drahtanschlüssen (26) aufweist;
dadurch gekennzeichnet, daß der Kernsatz zumin­ dest teilweise innerhalb der Aussparung (16) angeord­ net ist; und
daß mindestens einer der Drahtanschlüsse (26) um einen der Vorsprünge (14) gewickelt ist, um einen Bauteil­ anschluß zu bilden.

2. Elektronisches Bauteil (10) gemäß Anspruch 1, wobei der Sockel (12) und der Kernsatz (18, 20) mit einem Klebstoff miteinander verbunden sind.

3. Elektronisches Bauteil (10) gemäß einem der vorher­ gehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend eine Schicht von Lötmittel, die an mindestens einem Abschnitt des Bauteilanschlusses angeordnet ist.

4. Elektronisches Bauteil (10) gemäß einem der vorher­ gehenden Ansprüche, wobei das Bauteil einen Transfor­ mator bildet.

5. Elektronisches Bauteil (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Bauteil eine Induktivität bildet.

6. Elektronisches Bauteil (10) gemäß einem der vorher­ gehenden Ansprüche, wobei das Bauteil ein Bauteil zur Oberflächenmontage ist.

7. Elektronisches Bauteil (10) gemäß einem der vorher­ gehenden Ansprüche, wobei der Sockel (12) aus einem Kunststoff gebildet ist, der Temperaturen von minde­ stens 230°C aushalten kann.

8. Elektronisches Bauteil (10) gemäß einem der vorher­ gehenden Ansprüche, wobei das erste und zweite Kern­ satzelement (18, 20) aus Ferrit gebildet ist.

9. Elektronisches Bauteil (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Vorsprünge (14) einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.

10. Elektronisches Bauteil (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Vorsprünge (14) einen ovalen Quer­ schnitt aufweisen.

11. Elektronisches Bauteil (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Vorsprünge (14) einen trapezförmi­ gen Querschnitt aufweisen.

12. Elektronisches Bauteil (10) gemäß einem der vorher­ gehenden Ansprüche, wobei die Vorsprünge (14) aus dem gleichen Material wie der Sockel (12) ausgebildet sind.

13. Elektronisches Bauteil (10) gemäß einem der vorher­ gehenden Ansprüche, wobei die vorgewickelte Spule (22) eine selbsttragende Spule ist.

14. Elektronisches Bauteil (10) gemäß einem der vorher­ gehenden Ansprüche, wobei die Aussparung (16) sich vollständig durch den Sockel (12) erstreckt.

15. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bau­ teils (10) niedrigen Profils gemäß einem der vorher­ gehenden Ansprüche mit folgenden Schritten:

• (a) zur Verfügungstellen eines Sockels (12) mit einer Aussparung (16), wobei der Sockel (12) eine Vielzahl von Vorsprüngen (14) aufweist, die sich von dem Sockel (12) aus erstrecken;
• (b) zur Verfügungstellen eines ersten Kernelementes (18), das zumindest teilweise innerhalb der Aussparung (16) angeordnet ist;
• (c) zur Verfügungstellen einer vorgewickelten Spule (22), die auf das erste Kernelement angeordnet wird, wobei die Spule eine Vielzahl von Drahtanschlüssen (26) aufweist, die sich von der Spule aus erstrecken;
• (d) zur Verfügungstellen eines zweiten Kernelements (20), das über das erste Kernelement (18) und die vor­ gewickelte Spule (22) angeordnet wird, so daß die vor­ gewickelte Spule (22) zwischen dem ersten und zweiten Kernelement (18, 20) angeordnet ist, wobei das zweite Kernelement (20) und das erste Kernelement (18) ein Paar bilden;
• (e) Wickeln mindestens eines der Drahtanschlüsse (26) um einen der Vorsprünge (14), um einen Anschluß zu bilden;
• (f) den Anschluß geschmolzenem Lötmittel Aussetzen.