DE19816748A1 - Schaltnetzteiltransformator für hohe Isolationsanforderungen bei kleinen zu übertragenden Leistungen - Google Patents
Schaltnetzteiltransformator für hohe Isolationsanforderungen bei kleinen zu übertragenden LeistungenInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf einen Transformator, der insbesondere zur Verwendung in hochfrequent betriebenen Schaltnetzteilen zur Trennung hoher Potentialunterschiede und bei Leistungen von einigen Watt einsetzbar ist. Der Transformator weist zwei Eisenkernhälften (11) mit je einer Wicklung (12) auf. Jeder Schenkel (10) der Kernhälften (11) ist im Bereich seiner Stirnfläche (16) mit einem Isolierkörper (15) umgeben oder abgedeckt, wobei die Isolierkörper (15) halbleitendes Material enthalten oder damit beschichtet sind und ein Abstand (a) zwischen den Eisenkernhälften (11) besteht.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Transformator, der vorzugsweise in einem
hochfrequent betriebenen Schaltnetzteil zur Potentialtrennung und Spannungsan
passung eingesetzt werden kann.
Bei vielen neuartigen elektronischen Sensoren (z. B. elektronische Strom- und
Spannungssensoren in Mittelspannungsnetzen) wird eine kostengünstige, kleinvo
lumige und sehr zuverlässige Spannungsversorgung benötigt. Derartige Span
nungsversorgungen müssen gewöhnlich nur eine Dauerleistung von ein bis zwei
Watt liefern, was schaltungstechnisch selbst bei hoher geforderter Stabilität der Ver
sorgungsspannung mühelos zu realisieren ist. Problematisch ist vielmehr die Einhal
tung der teilweise sehr hohen Isolationsanforderungen, wenn das Netzteil primärsei
tig mit einer geerdeten Spannungsquelle und sekundärseitig direkt mit dem Sensor
auf dem Potential (z. B. 20 kV) der zu messenden Größe verbunden ist. Will man
demzufolge den vorstehend postulierten Forderungen Rechnung tragen, sind bei
solchen Netzteilen besondere konstruktive Maßnahmen bezüglich des potentialtren
nenden Bauteils, dem Transformator, erforderlich.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Transformator mit sehr
guter elektrischer Isolationsfähigkeit zwischen Primär- und Sekundäranschluß anzu
geben, der ein geringes Volumen aufweist und kostengünstig herzustellen ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Transformator gemäß einem der unabhängigen An
sprüche gelöst. Bei einem solchen Transformator sind Primärwicklung und Sekun
därwicklung je einer Kernhälfte zugeordnet. Ein Spalt zwischen beiden Kernhälften
stellt in erster Linie die Isolation sicher. Das elektrische Feld wird durch spezielle
Isolierkörper gesteuert. Die Isolierkörper sind jeweils im Bereich der Stirnflächen der
Kernhälften angeordnet, können mit der Ebene der Stirnflächen abschließen oder
die Stirnflächen überdecken. Die Isolierkörper können beispielsweise aus einem
Kunststoff bestehen, der mit halbleitenden Material versetzt ist, oder mit einem
halbleitenden Material beschichtet sein.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der
vorgeschlagene Transformator sehr hohe Isolationsanforderungen von beispielswei
se 20 kV mit festem Isolierstoff erfüllt. Die hohe Leistungsdichte führt zu einem ko
stengünstigen, leichten und nur geringen Raumbedarf erfordernden Netzteil.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh
rungsbeispiele weiter erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Variante eines Transformators mit zwei U-Kernhälften, auf de
nen je eine Wicklung angeordnet ist. Jede Stirnseite des U-Kernes weist
je eine aus Isolationsmaterial bestehende Kugelfunkenstrecke auf, auf de
ren Oberfläche ein halbleitendes Material aufgebracht wurde.
Fig. 2 eine zweite Variante des Transformators mit zwei U-Kernhälften, auf de
nen je eine Wicklung angeordnet ist. Jede Stirnseite des U-Kernes weist
nur eine, beide Schenkel verbindende, aus Isolationsmaterial bestehende
Kugelfunkenstrecke auf, auf deren Oberfläche ein halbleitendes Material
aufgebracht wurde.
Fig. 3 eine dritte Variante des Transformators, der zwei E-Kernhälften aufweist,
auf denen je eine Wicklung angeordnet ist. Jede Stirnseite des E-Kernes
weist eine aus Isolationsmaterial bestehende Kugelfunkenstrecke auf, auf
deren Oberfläche ein halbleitendes Material aufgebracht wurde.
Fig. 4 eine vierte Variante des Transformators mit zwei U-Kernhälften, auf de
nen je eine Platinenwicklung angeordnet ist.
Fig. 5 eine mögliche einfache Schaltung, mit der unter Einsatz einer der Trans
formatorvarianten ein Schaltnetzteil für hohe Isolationsanforderungen bei
kleinen Ausgangsleistungen realisiert ist.
In Fig. 1 ist eine erste Variante des Transformators dargestellt. Es sind zwei U-
Kernhälften 11 aus z. B. Ferritmaterial zu erkennen, auf denen je eine Wicklung 12
aufgebracht ist. Eine der Wicklungen 12 ist als Primärwicklung, die andere als Se
kundärwicklung ausgestaltet. Die beiden U-Kernhälften 11 weisen einen definierten
Abstand a voneinander auf. Der für die Übertragung von Leistung "parasitäre" Spalt
fungiert in erster Linie als Isolationsstrecke zwischen Primär- und Sekundärseite.
D. h., zwischen Primär- und Sekundärseite des Transformators existiert keinerlei lei
tende Verbindung, wodurch ein Transformator mit hoher Isolationsfestigkeit geschaf
fen ist. Der Abstand a ist einerseits so klein wie möglich zu wählen, damit eine Lei
stungsübertragung bzw. eine beide Wicklungen durchsetzende magnetische Induk
tion B erreicht werden kann. Andererseits muß der Abstand a gerade so groß ge
wählt werden, daß hohe elektrische Feldstärken E vermieden sind.
Damit auch hohe Potentialunterschiede von z. B. 20 kV mit dem Transformator sicher
beherrscht werden, sind an den Stirnseiten der U-Kernhälften aus Kunststoff beste
hende Isolierkörper 15 als Kugelfunkenstrecken aufgebracht, die zwecks Potential
steuerung mit einem halbleitenden Material durchsetzt oder beschichtet und elek
trisch mit der jeweiligen Kernhälfte verbunden sind. Eine solche Kugelfunkenstrecke
kann z. B. aus einem Kunststoff bestehen, der mit Kohlenstaub versetzt ist. Auf diese
Weise nehmen sowohl die Kernhälfte als auch die Kugelfunkenstrecke immer das
gleiche Potential an. Die jeweilige Kernhälfte kann deshalb ohne Probleme jeweils
mit ihrer Stirnfläche 16 mit der Oberfläche der Kugelfunkenstrecke abschließen, wie
in Fig. 1 dargestellt ist. Eine für die Potentialsteuerung kritische Spitze-Platte Anord
nung mit örtlich hohen elektrischen Feldstärken tritt nicht auf.
Will man mit dem in Fig. 1 dargestellten Transformator beispielsweise ein Potential
von 20 kV dauerhaft und ohne Glimmen isolieren, sollte der Abstand a einen Betrag
von 6-7 mm aufweisen. Damit resultiert dann eine maximale Feldstärke zwischen
den beiden gegenüberliegenden Kugelfunkenstrecken von 2-3 kV/mm, was als
ständige Feldstärkebelastung von Feststoffisolationsmaterial gängig ist. Um bei ei
ner derart großen Luftspalteinlage die eigentliche Transformatorfunktion noch ge
währleisten zu können, sollte der Abstand b zwischen den beiden Schenkeln 10 der
jeweiligen U-Kernhälften 11 möglichst groß gegenüber dem Abstand a gewählt wer
den. Damit ist nämlich gewährleistet, daß der magnetische Widerstand zwischen
den beiden gegenüberliegenden Kernhälften immer deutlich kleiner ist als der ma
gnetische Widerstand zwischen den beiden Schenkeln der eigenen Kernhälfte. Ein
Großteil der magnetischen Feldlinien wird sich dann immer noch durch das Kernma
terial beider Kernhälften schließen, als gemeinsamer Nutzfluß, und nicht nur als
Streufluß über die Schenkel der eigenen Kernhälfte. Auf diese Weise kann auch
noch bei größerem Abstand b eine Transformatorwirkung erzielt werden. Eine Lei
stungsübertragung von einigen Watt ist demzufolge ohne weiteres möglich.
Die Wicklungen 12 sind jeweils auf einem elektrisch isolierenden Wicklungskörper
18 aufgebracht. An Wicklungsanschlüssen 19 ist eine Primärspannung up(t) anleg
bar, bzw. eine Sekundärspannung us(t) abgreifbar.
In den Fig. 1 bis 4 sind jeweils Schnittebenen A-A eingetragen. Eine Draufsicht auf
eine Transformatorhälfte in dieser Schnittebene A-A ist jeweils im unteren Teil der
Zeichnungsfigur zur weiteren Verdeutlichung dargestellt.
In Fig. 2 ist eine zweite Variante des Transformators dargestellt. Anstelle von zwei
Isolierkörpern bzw. Kugelfunkenstrecken ist jede U-förmige Kernhälfte 21 mit einer
einzigen länglichen Funkenstrecke 25 ausgestattet, die beide Schenkel 20 um
schließt. Entgegen der in Fig. 1 dargestellten Variante schließen die Enden der
Kernschenkel 20 auch nicht direkt mit der Oberfläche der Funkenstrecken ab, son
dern die Kernschenkel 20 enden kurz unter der Oberfläche der Funkenstrecke 25.
Auf diese Weise kann eine einfachere Montage von Kern 21 und Funkenstrecke 25
erzielt werden, z. B. durch Einkleben des Kernes mittels Silikon oder Silikon-Gel. Ei
ne Beschichtung der Kugelfunkenstrecke mit halbleitendem Material kann ohne
Probleme vor dem Zusammenbau erfolgen. Diese Art der Verbindung von Kern und
Funkenstrecke ist natürlich auch bei der in Fig. 1 dargestellten Variante möglich. Die
Wicklungen 22 des Transformators sind wiederum auf Wickelkörpern 28 aufge
bracht und weisen Anschlüsse 29 auf.
Fig. 3 zeigt eine dritte Variante des Transformators auf Basis von zwei E-Kernhälften
31. Die Wicklungen 32 sind auf den Mittelschenkeln 30 der jeweiligen Kernhälften
31 aufgebracht. Zur Steuerung des elektrischen Feldes dienen Kugelfunkenstrecken
35, die den in Fig. 1 gezeigten Isolierkörpern 15 gleichen. Alternativ können aber
auch die in Fig. 2 dargestellten einstückigen Funkenstrecken mit drei Einfassungen
für die Kernschenkel 30, 33 verwendet werden.
In Fig. 4 ist eine vierte Variante des Transformators dargestellt. Zur Feldsteuerung
dienen in diesem Fall keine Funkenstrecken sondern die Wicklungen selbst, die als
sogenannte Platinenwicklung 42 mit geringer Leiterhöhe ausgeführt sind. Durch die
flächenhafte Anordnung der Wicklungen 42 wirken diese quasi wie eine Äquipoten
tialfläche auf die gegenüberliegende Wicklung, so daß auch bei dieser Wicklungs
anordnung keine Bereiche mit örtlich hohen elektrischen Feldstärken (Spitze-Platte
Anordnung) zu erwarten sind. Die Ränder der Platinenwicklungen 42 können zur
verbesserten Feldsteuerung wie bei den in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Funken
strecken abgerundet werden. Die Platinenwicklungen 42 sind als z. B. keramische
Isolierplatte 47 mit darauf z. B. mittels eines Direktverbindungsverfahrens aufge
brachten, zu Leiterbahnen 45 und Flachwicklungen 50 strukturierten Metallschichten
oder Metallfolien 48, z. B. Kupferfolien, ausgeführt. Eine Kontaktierung der Wicklun
gen kann - um gefährliche Spitzen durch Lot zu vermeiden - in einfacher Weise von
der Rückseite der Platinenwicklung 42 erfolgen. Zu diesem Zweck weisen die Wick
lungen Durchkontaktierungen 44 auf. Eine Verbindung von Zuleitung 49 und Leiter
bahn 48 kann auf der Rückseite der Platinenwicklung 42 erfolgen. Die Kernhälften
des Transformators sind mit 41, deren Schenkel mit 40 und die Stirnflächen mit 46
bezeichnet.
Fig. 5 zeigt eine mögliche einfache Schaltung, mit der ein Schaltnetzteil unter Ein
satz eines der in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Transformatoren T kostengünstig
realisiert werden kann. Primärseitig handelt es sich dabei um einen nullspannungs
geschalteten Klasse-E Konverter (wie z. B. bekannt aus N. Mohan, T. Undeland, W.
Robbins; Power Electronics, Converters, Applications and Design, John Wiley &
Sons, Inc., Second Edition 1995, Seite 271), der nahe der Resonanz des Filternetz
werkes, bestehend aus Kondensator C1 und der primärseitigen Streuinduktivität des
Transformators T betrieben wird. Die Schaltung erzwingt eine hochfrequente sinus
förmige Spannung up(t) mit durch den Resonanzkreis und die Schaltfrequenz ein
stellbaren Amplitude an der Primärseite des Transformators. Sekundärseitig wird die
sinusförmige Spannung us(t) mittels eines einfachen Brückengleichrichters G
gleichgerichtet und durch einen Kondensator Ca geglättet. Die Induktivität L1 und
der Kondensator C2 sind Resonanzelemente und stellen das Nullspannungsschal
ten sicher. Vorteilhaft, da sehr kleinvolumig, kann eine solche Schaltung bei sehr
hohen Schaltfrequenzen von z. B. 500 kHz betrieben werden. Mit T1 ist der Schalter
des Konverters bezeichnet, mit ui(t) die Eingangsspannung, mit ua(t) die Ausgangs
spannung des Schaltnetzteils.
Claims (7)
1. Transformator mit:
- a) zwei U-förmigen Eisenkern-Hälften (11)
- b) je einer Wicklung (12) auf jeder Eisenkern-Hälfte (11),
- c) jeden Schenkel (10) der Eisenkern-Hälften (11) im Bereich seiner Stirnflä chen (16) etwa ring- oder halbkugelförmig umgebenden, aus elektrisch iso lierendem Material bestehenden Isolierkörpern (15), die als Kugelfunken strecken wirken, wobei die Isolierkörper (15) zur Steuerung des elektrischen Feldes ein halbleitendes Material enthalten oder damit beschichtet sind, und wobei
- d) die Eisenkern-Hälften (11) so angeordnet sind, daß ihre mit Isolierkörpern (15) versehenen Stirnflächen (16) zueinander weisen, und daß ein Abstand
- e) zwischen sich gegenüberliegenden Isolierkörpern (15) besteht, wobei die Isolierkörper (15) entweder die Stirnflächen (16) überdecken oder bündig mit diesen abschließen. (Fig. 1)
2. Transformator mit
- a) zwei U-förmigen Eisenkern-Hälften (21),
- b) je einer Wicklung (22) auf jeder Eisenkern-Hälfte (21),
- c) zwei stabförmigen, aus elektrisch isolierendem Material bestehenden und als Kugelfunkenstrecken wirkenden Isolierkörpern (25), die jeweils einstüc kig über beide Stirnflächen (26) einer der Eisenkern-Hälften (21) reichen und die an ihren Enden (23) abgerundet sind, wobei die Isolierkörper (25) zur Steuerung des elektrischen Feldes ein halbleitendes Material enthalten oder damit beschichtet sind, und wobei
- d) die Eisenkern-Hälften (21) so angeordnet sind, daß ihre mit Isolierkörpern (25) versehenen Stirnflächen (26) zueinander weisen, und daß ein Abstand
- e) zwischen sich gegenüberliegenden Isolierkörpern (25) besteht, wobei die Isolierkörper (25) entweder die Stirnflächen (26) überdecken oder bündig mit diesen abschließen. (Fig. 2)
3. Transformator mit
- a) zwei E-förmigen Eisenkern-Hälften (31),
- b) jeweils einer Wicklung (32) auf dem Mittelschenkel (30) der Eisenkern- Hälften (31),
- c) auf jeder der drei Stirnflächen (36) der Eisenkern-Hälften (31) angeordneten, etwa halbkugelförmigen, aus elektrisch isolierendem Material bestehenden Isolierkörpern (35), die als Kugelfunkenstrecken wirken, wobei die Isolier körper (35) zur Steuerung des elektrischen Feldes ein halbleitendes Material enthalten oder damit beschichtet sind, und wobei
- d) die Eisenkern-Hälften (31) so angeordnet sind, daß ihre mit Isolierkörpern (35) versehenen Stirnflächen (36) zueinander weisen, und daß ein Abstand
- e) zwischen sich gegenüberliegenden Isolierkörpern (35) besteht, wobei die Isolierkörper (35) entweder die Stirnflächen (36) überdecken oder bündig mit diesen abschließen. (Fig. 3)
4. Transformator mit
- a) zwei U-förmigen oder E-förmigen Eisenkern-Hälften (41), die so angeordnet sind, daß ihre Stirnflächen (46) zueinander weisen,
- b) zwei Platinenwicklungen (42), von denen je eine einer der Eisenkern-Hälften (41) zugeordnet ist, und wobei die Platinenwicklungen (42) jeweils eine Iso lierplatte (47) mit darauf angeordneter flacher Wicklung (50) aufweisen,
- c) die Platinenwicklungen (42) jeweils mit ihrer elektrisch isolierenden Isolier platte (47) die Stirnflächen (46) einer der Eisenkern-Hälften (41) abdecken, so daß sich die Wicklung (50) jeweils auf der den Stirnflächen (46) abge wandten Seite befindet, und wobei ein Abstand (a) zwischen den Platinen wicklungen (42) besteht.
5. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich
net, daß die Isolierkörper (15, 25, 35) an den sich in einem Abstand (a) gegenüberlie
genden Stellen Abflachungen (100, 200, 300) aufweisen.
6. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich
net, daß die Schenkel (10, 20, 30) der Eisenkern-Hälften (11, 21, 31) einen im Ver
gleich zum Abstand (a) der Isolierkörper (15, 25, 35) oder dem Abstand (a) der Plati
nenwicklungen (42) großen Abstand (b) voneinander haben.
7. Transformator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Abstand (a) zwischen den Isolierkörpern (15, 25, 35), bzw. den
Platinenwicklungen (42) mehrere Millimeter, bei einer Spannung von 20 kV etwa 6
bis 7 mm, beträgt.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998116748 DE19816748A1 (de) | 1998-04-16 | 1998-04-16 | Schaltnetzteiltransformator für hohe Isolationsanforderungen bei kleinen zu übertragenden Leistungen |
EP99106743A EP0951025A1 (de) | 1998-04-16 | 1999-04-03 | Schaltnetzteiltransformator für hohe Isolationsanforderungen bei kleinen zu übertragenden Leistungen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998116748 DE19816748A1 (de) | 1998-04-16 | 1998-04-16 | Schaltnetzteiltransformator für hohe Isolationsanforderungen bei kleinen zu übertragenden Leistungen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19816748A1 true DE19816748A1 (de) | 1999-10-21 |
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ID=7864636
Family Applications (1)
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DE1998116748 Withdrawn DE19816748A1 (de) | 1998-04-16 | 1998-04-16 | Schaltnetzteiltransformator für hohe Isolationsanforderungen bei kleinen zu übertragenden Leistungen |
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EP (1) | EP0951025A1 (de) |
DE (1) | DE19816748A1 (de) |
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Also Published As
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EP0951025A1 (de) | 1999-10-20 |
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Legal Events
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