DE19948897A1 - Schnittstellenmodule für lokale Datennetzwerke - Google Patents
Schnittstellenmodule für lokale DatennetzwerkeInfo
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Abstract
Ein Schnittstellenmodul für lokale Datennetzwerke weist eine Reihe von induktiven Bauelementen (7, 8) auf, die dazu dienen, eine Schnittstellenschaltung (3, 4) mit einer Datenleitung (6) zu verbinden. Die induktiven Bauelemente, insbesondere der Übertragen (8), weisen Magnetkerne (9) aus einer amorphen oder nanokristallinen Legierung und zeichnen sich durch ein besonders kleines Bauvolumen aus.
Description
Die Erfindung betrifft ein Schnittstellenmodul für lokale
Datennetzwerke mit wenigstens einem induktiven Bauelement
zur Koppelung von Schnittstellenschaltungen an eine der Ver
bindung von Rechnern dienende Datenleitung.
Derartige Module werden auch als LAN-Module bezeichnet. In
LAN-Schnittstellenmodulen wurden bisher Ringkerne aus hoch
permeablem Ferritmaterial (typisch µ = 5000) für Übertrager
und Drosseln eingesetzt. Um die erforderliche Hauptindukti
vität auch mit IDC = 8 mA zu erreichen, muß bei Ferriten die
Windungszahl hoch ausgelegt werden, typischerweise 20 bis 40
Windungen bei 100 MBit/s-Ethernet-Übertragern. Die hohe Win
dungszahl führt zum einen zu fertigungstechnischen Nachtei
len, z. B. bei der Ausführung der Übertrager in Planartech
nik. Außerdem beanspruchen LAN-Schnittstellenmodule mit Fer
ritkernen viel Platz.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, Schnittstellenmodule mit wenigstens ei
nem induktiven Bauelement zu schaffen, die sich für den Ein
satz in lokalen Datennetzwerken eignen und ein kleines Bauvo
lumen aufweisen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß jedes induktive Bau
element einen Magnetkern aus einer amorphen oder nanokristal
linen Legierung aufweist.
Typischerweise reicht der Hauptfrequenzbereich von lokalen
Datennetzwerken bis 10 MHz (10 Mbit/s Ethernet) bzw. bis 125
MHz (100 Mbit/s Ethernet) oder im Fall von Gigabit-Ethernet
sogar noch höher. Wie oben erwähnt, sind bei Verwendung von
Ferritkernen zum Erreichen der erforderlichen Induktivität
bei
IDC bis 8 mA hohe Windungszahlen nötig. Diese führen zu hohen
Koppel- und Wicklungskapazitäten sowie zu einer großen Streu
induktivität. Diese Einflüsse wirken sich nachteilig auf die
Impulsform aus, und zwar durch Überschwinger sowie große An
stiegs- und Abfallzeiten.
Es besteht zwar die Möglichkeit bei amorphen und nanokristal
linen Legierungen die Permeabilität durch ein entsprechendes
Herstellungsverfahren sehr hoch einzustellen, aber dies hätte
zur Folge, daß die Magnetkerne leicht in Sättigung gehen.
Amorphe und nanokristalline Legierungen lassen sich jedoch
auch auf mittlere Permeabilitätswerte im Bereich von 12000
bis 80000 einstellen und verfügen im allgemeinen über eine
hohe Sättigungsinduktion. Es ist daher bei nanokristallinen
und amorphen Legierungen möglich, die geometrischen Abmessun
gen eines Magnetkerns, seine Permeabilität und die Windungs
zahl so aufeinander abzustimmen, daß kleine Bauformen möglich
werden. Besonders hervorzuheben ist, daß die Windungszahlen
auf optimale Werte eingestellt werden können, so daß sich
gleichzeitig eine geringe Streuinduktivität und Wicklungska
pazität ergibt. Somit lassen sich mit amorphen und nanokri
stallinen Magnetkernen Schnittstellenmodule schaffen, die die
Anforderungen an die Signalform normgerecht erfüllen und sich
zusätzlich durch ein besonders kleines Bauvolumen sowie die
Möglichkeit zur kostengünstigen Fertigung in Planartechnik
auszeichnen.
Für den Einsatz in Schnittstellenmodulen für lokale Daten
netzwerke besonders geeignete Legierungen sind Gegenstand der
abhängigen Ansprüche.
Nachfolgend wird die Erfindung näher anhand der beigefügten
Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Übersicht über ein Teil eines lokalen Datennetz
werks;
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung von indukti
ven Bauelementen in einem Schnittstellenmodul;
Fig. 3 ein Diagramm, das die Abhängigkeit des Realteils der
Permeabilität im seriellen Ersatzschaltbild für eine
nanokristalline Legierung und einen Ferrit dar
stellt;
Fig. 4 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Induktivität
im Parallel-Ersatzschaltbild einer Spule mit einem
nanokristallinen Magnetkern und einer Spule mit ei
nem Ferritkern von der Gleichstrombelastung dar
stellt;
Fig. 5 die Temperaturabhängigkeit der Permeabilität von
amorphen und nanokristallinen Legierungen im Ver
gleich zu der Temperaturabhängikeit der Permeabili
tät von Ferriten;
Fig. 6 den Frequenzgang des Realteils der Permeabilität ei
ner nanokristallinen Legierung im Vergleich zu einem
Ferrit;
Fig. 7 den Frequenzgang der Induktivität im Parallelersatz
schaltbild für eine Spule mit einem Magnetkern aus
einer nanokristallinen Legierung und für Spulen von
Ferritkernen;
Fig. 8 den Frequenzgang des Ohmschen Widerstands im Paral
lelersatzschaltbild für einen Magnetkern aus einer
nanokristallinen Legierung;
Fig. 9 den Frequenzgang der mit dem nanokristallinen Mag
netkern aus Fig. 7 und 8 erzielbaren Einführungs
dämpfung; und
Fig. 10 ein Beispiel für eine flachen Hystereseschleife ei
nes Magnetkerns aus einer nanokristallinen Legie
rung.
Lokale Datennetzwerke oder LANs (Local Area Networks) dienen
der Verbindung von Rechnern (PCs, Workstations, Mainframes)
zur Datenübertragung über kurze Strecken. Man unterscheidet
LANs nach Übertragungsstandards (IEEE 802.3, Ethernet, IEEE
802.4 (Token Bus), IEEE 802.5 (Token Ring), Übertragungsraten
(z. B. 10 MBit/s, 100 MBit/s für Ethernet) und physikalischem
Übertragungsmedium (RG58-Koaxialkabel, Twisted Pair, Glasfa
ser, usw.). Rechner können über verschiedene Topologien
(Stern, Bus, Ring) zusammengeschaltet werden. Dabei werden,
wie in Fig. 1 dargestellt, Zentral-Einheiten 1 wie Hubs,
Switches, Bridges und Router sowie Netzkarten 2 (NICs = Net
work Interface Cards) in den Rechnern benötigt. Zur Übertra
gung der Daten in der physikalischen Schicht wird in diesen
Geräten und Karten ein Logik-Baustein 3 (Baustein für die
physikalische Schicht) verwendet, der entweder direkt oder
über einen Sender-Empfänger-Baustein 4 (Transceiver) an ein
LAN-Schnittstellenmodul 5 gekoppelt wird. Dieses LAN-
Schnittstellenmodul 5 stellt dann die Verbindung zu einer Da
tenleitung 6 her.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel des Schnittstellenmo
duls 5 dargestellt. Das Schnittstellenmoduls 5 in Fig. 2 um
faßt einen Übertrager 7, sowie stromkompensierte Drosseln 8,
die jeweils Magnetkerne 9 aufweisen. Die Magnetkerne 9 können
aus demselben oder aus unterschiedlichen Material sein. Neben
den in Fig. 2 dargestellten Bauelementen kann das Schnitt
stellenmodul weitere induktive Bauelemente wie Übertrager-,
Drossel- und Filterbauelemente aufweisen.
Im folgenden beschränken wir uns bei der Beschreibung auf
LAN-Schnittstellenmodule 5 für 10 MBit/s- und 100 MBit/s-
Ethernet als für alle diese LAN-Technologien repräsentative
Systeme. Der Hauptfrequenzbereich der Signale ist < 10 MHz
für 10 MBit/s-Ethernet und < 125 MHz für 100 MBit/s-
Ethernet. Mit den hier vorgestellten LAN-
Schnittstellenmodulen 5 sind jedoch auch höhere Übertragungs
raten (z. B. für Gigabit-Ethernet) vorstellbar.
An die im LAN-Schnittstellenmodul 5 eingesetzten induktiven
Bauelemente sind die folgenden Anforderungen gestellt:
- a) minimales Bauvolumen
- b) Eignung für die verschiedene Übertragungscodesysteme, z. B.
- - MLT3 (100 MBit/s)
- - 4B5B (100 MBit/s)
- - Manchester-Codierung (10 MBit/s)
- c) Für 100 MBit/s-Ethernet muß nach ANSI X3.263-95 §9.1.7
gelten:
Hauptinduktivität < 350 µH bei 100 kHz, 100 mVrms und 0 mA < IDC < 8 mA - d) Für 100 MBit/s-Ethernet muß nach ANSI X3.263-95 §9.1.7 für die Anstiegszeit tAnstieg und die Abfallzeit tAbfall der Im pulse gelten: 3 ns < tAnstieg, tAbfall < 5ns
- e) geringes Kerngewicht und SMD-Fähigkeit
- f) Ringkernform, dadurch einfachere Sicherheitsanforderungen nach IEC 950
- g) geringe Einfügedämpfung und hohe Reflexionsdämpfung (für 100 MBit/s-Ethernet nach ANSI X3.263-95 §9.1.5) im gesam ten Frequenzbereich
- h) geringer und monotoner Temperaturgang der relevanten mag netischen Kenngrößen im Bereich -40°C-100°C.
Bei den hier vorgestellten induktiven Bauelementen handelt es
sich um induktive Bauelemente für das LAN-Schnittstellenmodul
5, die statt eines Ferritkerns den Magnetkern 9 in der Form
eines kleinen Metallbandkerns aus einer amorphen oder nano
kristallinen Legierung enthalten. Dieser erhält seine normge
rechten Eigenschaften durch eine optimierte Kombination aus
Banddicke, Legierung und Wärmebehandlung im Magnetfeld sowie
kerntechnologische Fertigungsschritte.
Eine erste grundlegende Anforderung ist, daß die Induktivität
des LAN-Übertragers 7 bei 100 kHz größer ist als 350 µH. Dies
muß im gesamten Temperaturbereich von 0 bis 70°C oder sogar
von -40°C bis +85°C, eventuell sogar von -40°C bis +120°C,
bei einem Gleichstrom von bis zu 8 mA gewährleistet sein. Wie
Fig. 3, 4 und 5 zeigen, wurde diese Anforderung bei richtig
abgestimmter Legierung, Kerndimension und Bewicklung bei
spielsweise mit nanokristallinen, aber auch mit amorphen Le
gierungen erfüllt.
Fig. 3 ist ein Diagramm, in dem der Realteil der Permeabili
tät im seriellen Ersatzschaltbild gegen die Stärke des
Gleichfelds aufgetragen ist. Dabei veranschaulicht die durch
gezogene Kurve die Abhängigkeit des Realteils der Permeabili
tät der nanokristallinen Legierung (FeCuNb)77,5(SiB)22,5, wäh
rend die gestrichelte Kurve die Abhängigkeit des Realteils
der Permeabilität eines MnZn-Ferrits mit der Handelsbezeich
nung ("Ferronics B") andeutet.
Fig. 4 zeigt die ideale Induktivität des Übertragers 7 in
Abhängigkeit von der Gleichstromvorbelastung. Die durch
gezogene Kurve stellt die Induktivität des Übertragers 5
mit dem Magnetkern 9 aus der nanokristallinen Legierung
(FeCuNb)77,5(SiB)22,5 bei einer Anfangspermeabilität
µi(p) = 40000 und 9 Windungen dar. Die gestrichelte Linie ist
die ideale Induktivität eines Übertragers mit einem MnZn-
Ferritkern ("Ferronics B") mit einer Anfangspermeabilität von
µi = 5000 und 20 Windungen. Aus Fig. 4 geht hervor, daß der
Übertrager 5 mit dem Magnetkern 9 aus der nanokristallinen
Legierung trotz der geringen Windungszahl die Anforderungen
wesentlich besser erfüllt als der Übertrager mit dem Ferrit
kern.
In Fig. 5 ist die relative Permeabilitätsänderung bezogen
auf die Permeabilität bei Raumtemperatur in Prozent für ver
schiedene Materialien aufgetragen. Eine erste steil anstei
gende Kurve stellt die Temperaturänderung eines MnZn-Ferrits
mit dem Handelsnamen "Siferrit N27" dar. Die Permeabilität
eines weiteren MnZn-Ferrits ("Ferronics B") schwankt im Tem
peraturbereich von -40 bis 120°C um mehr als +/- 40%. Die
relative Permeabilitätsänderung für das nanokristalline
Fe73,5Cu1Nb3Si15,5B7 und das amorphe (CuFi)72(MuMnSiB)28 liegt da
gegen im Bereich von +/- 20%.
Des weiteren kann man an Fig. 6 und 7 ersehen, daß bei LAN-
Übertrager 5 mit Metallbandkern anders als bei einem solchen
mit Ferritkern keine Resonanzen auftreten (Fig. 6), und daß
durch die Wicklungskapazität verursachte Resonanzen wegen der
niedrigeren Windungszahl erst am oberen Rand des Signalspek
trums auftreten (Fig. 7) und damit - im Vergleich zum Ferrit
- eine kleinere Phasenverschiebung der Signale zur Folge ha
ben. Dies kann sich auf die effektive Bitrate auswirken, da
weniger Bitfehler durch die verwendeten Übertragungsprotokol
le korrigiert werden müssen.
Eine zweite grundlegende Anforderung ist, daß die Ein
fügungsdämpfung aE des Übertragers 7 über den gesamten Fre
quenzbereich möglichst gering ist. Mit den hier vorgestellten
Magnetkernen 9 sind bei f ≧ 100 kHz aE-Werte von deutlich un
ter 1 dB erreichbar. Für einen vorgegebenen Wellenwiderstand
(hier: 100 Ω ) nimmt die Einfügungsdämpfung mit zunehmendem
Wert für Rp ab. Rp ist dabei der ohmsche Widerstand im Paral
lelersatzschaltbild für den Übertrager 7, der die Ummagneti
sierungsverluste im Magnetkern 9 sowie die ohmschen Kupfer
verluste der Bewicklung repräsentiert. Auf der Grundlage der
Elektrodynamik läßt sich mit der Dichte ρmech der Zusammenhang
Rp(f) = 2.Π 2.N 2. (1/ρmech).(AFe/lFe).f 2.B 2/PFe(f) (1)
herleiten, wobei PFe(f) den Frequenzgang der spezifischen Ge
samtverluste darstellt, die ihrerseits wieder von den Hyste
rese- und von den Bandeigenschaften abhängen. Bei den hier
betrachteten Frequenzen von mehr als 100 kHz und extrem li
nearen Hystereseschleifen, spielen allerdings nur noch
bandabhängige Wirbelstromverluste sowie gyromagnetische Ef
fekte eine Rolle.
Wie aus Fig. 8 und 9 hervorgeht, lassen sich mit den hier
verwendeten, wärmebehandelten Magnetlegierungen ausreichend
kleine aE- bzw. ausreichend große Rp-Werte auch bei den hier
angestrebten niedrigen Windungszahlen erreichen. Wie auch
leicht anhand von Gleichung (2) nachvollzogen werden kann,
lassen sich besonders hohe Rp-Werte bei möglichst niedrigen
Banddicken von ≦ 20 µm, besser ≦ 17 µm oder möglichst sogar
≦ 14 µm erreichen. Noch weiter verbessern läßt sich der Rp-
Wert durch eine Beschichtung von mindestens einer Bandober
fläche mit einem elektrisch isolierenden Medium, das eine
kleine Dielektrizitätszahl von εr < 10 besitzen muß.
Eine dritte grundlegende Anforderung ist, daß die Streuinduk
tivität Ls sowohl des Übertragers 7 als auch der stromkompen
sierten Drosseln 8 möglichst klein ist. Dies geht aus den An
forderungen aus ANSI X3.263 1995 Punkte 9.1.3. (Überschwin
gen des Signals), 9.1.6. (Anstiegszeiten des Signals) sowie
9.1.5. (Reflexionsdämpfungsanforderungen) hervor. Eine große
Streuinduktivität hat ein Überschwingen sowie eine große An
stiegszeit des Signals zur Folge. Bei höheren Signalfrequen
zen wird die Reflexionsdämpfung durch eine große Streuinduk
tivität reduziert. Aufgrund der verwendeten Kerngeometrie
(Ringbandkern) und der aufgrund hoher Permeabilität möglichen
geringen Windungszahl lassen sich - im Gegensatz zu Ferriten
- sehr kleine Streuinduktivitäten erzielen.
Zusammenfassend läßt sich festhalten, daß sich durch die Kom
bination aus flacher Hystereseschleife sowie verglichen mit
Ferritlösungen deutlich höherer Permeabilität µ und Sätti
gungsinduktion Bs bei Verwendung von dünnen Bändern der hier
verwendeten, wärmebehandelten Legierungen mit hohem spezifi
schen elektrischen Widerstand Induktivitäten für LAN-
Schnittstellenmodule mit besonders niedrigen Windungszahlen
und kleiner Baugröße herstellen lassen.
In den hier zugrunde liegenden Untersuchungen wurde erkannt,
daß sich die normgerechten Eigenschaften der kleinen Magnet
kerne 9 von in den LAN-Schnittstellenmodulen verwendeten In
duktivitäten mit amorphen, nahezu magnetostriktionsfreien Ko
balt-Basis-Legierungen sowie mit praktisch magnetostriktions
freien feinkristallinen Legierungen erreichen lassen. Letzte
re werden üblicherweise als "nanokristalline Legierungen" be
zeichnet und sind durch ein extrem feines Korn mit einem
mittleren Durchmesser von weniger als 100 nm gekennzeichnet,
das mehr als 50% des Materialvolumens einnimmt. Eine wichti
ge Voraussetzung ist, daß die Magnetkerne 9 eine hohe Sätti
gungsinduktion von Bs < 0,55 T, vorzugsweise < 0,9 T, besser
< 1 T und eine lineare Hystereseschleife mit einem Sätti
gungs- zu Remanenzverhältnis Br/Bs < 0,2, vorzugsweise
< 0,08 besitzen. In diesem Zusammenhang zeichnen sich die ma
gnetostriktionsfreien nanokristallinen Werkstoffe auf Fe-
Basis durch eine besonders hohe Sättigungsinduktion von 1,1 T
oder mehr aus. Eine Aufzählung sämtlicher betrachteter und
für geeignet befundener Legierungssysteme findet sich weiter
unten. Eine typische Schleifenform entnimmt man Fig. 10 Eine
solche Hystereseschleife läßt sich beispielsweise durch die
nachfolgend beschriebenen Fertigungsgänge erreichen:
Das mittels Rascherstarrungstechnologie hergestellte weichma gnetische amorphe Band der Dicke d ≦ 22 µm, vorzugsweise ≦ 17 µm, besser ≦ 14 µm aus einer der unten aufgezählten Legierun gen wird auf speziellen Maschinen spannungsfrei zum Magnet kern 9 in dessen Endabmessung gewickelt. Alternativ kommen hierbei aber auch Magnetkerne 9 in Frage, die aus einem Sta pel gestanzter Scheiben aus besagten Legierungen aufgebaut sind.
Das mittels Rascherstarrungstechnologie hergestellte weichma gnetische amorphe Band der Dicke d ≦ 22 µm, vorzugsweise ≦ 17 µm, besser ≦ 14 µm aus einer der unten aufgezählten Legierun gen wird auf speziellen Maschinen spannungsfrei zum Magnet kern 9 in dessen Endabmessung gewickelt. Alternativ kommen hierbei aber auch Magnetkerne 9 in Frage, die aus einem Sta pel gestanzter Scheiben aus besagten Legierungen aufgebaut sind.
Es wurde herausgefunden, daß sich die normgerechten Anforde
rungen an die Frequenzeigenschaften dann noch besser erfüllen
lassen, wenn das Band vor dem Wickeln des Magnetkerns 9 oder
vor dem Stanzen der Scheiben auf einer oder auf zwei Seiten
elektrisch isolierend beschichtet wird. Hierfür wird je nach
Legierung, Wärmebehandlung und Anforderungen an die Güte der
Isolationsschicht ein Oxidations-, Tauch-, Durchlauf-, Sprüh-
oder Elektrolyseverfahren am Band eingesetzt. Dasselbe kann
aber auch durch Tauchisolation des gewickelten oder gestapel
ten Magnetkern 9 erreicht werden. Bei der Auswahl des isolie
renden Mediums ist darauf zu achten, daß dieses einerseits
auf der Bandoberfläche gut haftet, andererseits keine Ober
flächenreaktionen verursacht, die zu einer Schädigung der Mag
neteigenschaften führen können. Bei den hier verwendeten Le
gierungen haben sich Oxide, Acrylate, Phosphate, Silikate und
Chromate der Elemente Ca, Mg, Al, Ti, Zr, Hf, Si als wir
kungsvolle und verträgliche Isolatoren herausgestellt. Beson
ders effektiv, aber trotzdem schonend, war dabei Mg, welches
als flüssiges magnesiumhaltiges Vorprodukt auf die Bandober
fläche aufgebracht wird, und sich während einer speziellen,
die Legierung nicht beeinflussenden Wärmebehandlung in eine
Schicht aus MgO umwandelt, deren Dicke zwischen 50 nm und 1
µm liegen kann.
Bei der anschließenden Wärmebehandlung der isolierten oder
unisolierten Magnetkerne 9 zur Einstellung der weichmagneti
schen Eigenschaften ist zu unterscheiden, ob der Magnetkern 9
aus einer Legierung besteht, die sich zur Einstellung einer
nanokristallinen Struktur eignet oder nicht.
Magnetkerne 9 aus Legierungen, die sich zur Nanokristallisa
tion eignen, werden zur Einstellung des nanokristallinen Ge
füges einer exakt abgestimmten Kristallisationswärmebehand
lung unterzogen, die je nach Legierungszusammensetzung zwi
schen 450°C und 690°C liegt. Typische Haltezeiten liegen
zwischen 4 Minuten und 8 Stunden. Je nach Legierung ist diese
Wärmebehandlung im Vakuum oder im passiven oder reduzierenden
Schutzgas durchzuführen. In allen Fällen sind materialspezi
fische Reinheitsbedingungen zu berücksichtigen, die fallweise
durch entsprechende Hilfsmittel wie elementspezifische Absor
ber- oder Gettermaterialien herbeizuführen sind. Dabei wird
durch eine exakt abgeglichene Temperatur- und Zeitkombination
ausgenutzt, daß sich bei den hier eingesetzten, weiter unten
näher beschriebenen Legierungszusammensetzungen gerade die
Magnetostriktionsbeiträge von feinkristallinem Korn und amor
pher Restphase ausgleichen und die erforderliche Magneto
striktionsfreiheit (|λs| < 2 ppm, vorzugsweise sogar |λs| <
0,2 ppm) entsteht. Die hier gewünschten hohen Permeabilitäten
setzen diese besonders exakt abgeglichenen Magnetostriktions
werte und damit eine besonders exakt eingestellte Korngrößen
verteilung und damit Legierungszusammensetzung voraus. Wich
tig ist dabei eine genaue Kontrolle der Magnetkerntemperatur
im Bereich der Kristallentstehung. Auf keinen Fall darf das
Material soweit erhitzt werden, daß durch die Bildung unmag
netischer Phasen wie z. B. Fe-Boride eine irreversible Schä
digung der Magneteigenschaften entsteht.
Je nach Legierung und Ausführungsform des Bauelements wird
zur Erreichung hoher Permeabilitätswerte entweder feldfrei
oder im Magnetfeld längs zur Richtung des gewickelten Bandes
("Längsfeld") oder quer dazu ("Querfeld") getempert. In be
stimmten Fällen kann auch eine Kombination aus zwei oder so
gar drei dieser Magnetfeldkonstellationen zeitlich hinterein
ander oder parallel nötig werden.
Die magnetischen Eigenschaften, d. h. die Linearität und die
Steigung der Hystereseschleife, können - falls nötig - weit
räumig durch eine zusätzliche Wärmebehandlung in einem Mag
netfeld, das parallel zur Rotationssymmetrieachse des Mag
netkerns 9 steht - also senkrecht zur Bandrichtung, variiert
werden. Je nach Legierung und dimensionsbedingt einzustellen
dem Permeabilitätsniveau sind dabei Temperaturen zwischen 350°C
und 690°C erforderlich. Aufgrund der Kinetik der atomaren
Reorientierungsvorgänge sind normalerweise die resultierenden
Permeabilitätswerte umso höher, je niedriger die Querfeldtem
peratur angesetzt wird. Diese Magnetfeld-Wärmebehandlung wird
entweder direkt mit der Kristallisationswärmebehandlung kom
biniert oder separat durchgeführt. Für die Glühatmosphäre
gelten dieselben Bedingungen wie bei der Temperung zur Ein
stellung der nanokristallinen Struktur.
Bei Magnetkernen 9 aus Amorphwerkstoffen erfolgt die Einstel
lung der magnetischen Eigenschaften, d. h. von Verlauf und
Steigung der linearen flachen Hystereseschleife durch eine
Wärmebehandlung in einem Magnetfeld, das parallel zur Rotati
onssymmetrieachse des Magnetkerns 9 verläuft - also senkrecht
zur Bandrichtung. Durch eine günstige Führung der Wärmebe
handlung wird ausgenutzt, daß sich der Wert der Sättigungsma
gnetostriktion während der Wärmebehandlung um einen von der
Legierungszusammensetzung abhängigen Betrag in positive Rich
tung verändert, bis er in den Bereich |λs| < 2 ppm, vorzugs
weise sogar |λs| < 0,05 ppm trifft. Wie Tabelle 2 zeigt, wur
de dies auch dann erreicht, wenn der Betrag von λs im as
quenched Zustand des Bandes deutlich über diesem Wert lag. Je
nach eingesetzter Legierung kann eine Bespülung des Magnet
kerns 9 mit einem reduzierenden (z. B. NH3, H2, CO), passiven
oder sogar schwach oxidierenden Schutzgas (z. B. He, Ne, Ar,
N2, CO2) nötig werden, so daß an den Bandoberflächen weder
Oxidationen noch andere Reaktionen auftreten können. Genauso
wenig dürfen im Innern des Materials festkörperphysikalische
Reaktionen durch eindiffundierendes Schutzgas ablaufen.
Je nach Lage von Curietemperatur und Kristallisations
temperatur der verwendeten Legierung können die Magnetkerne 9
für die in den LAN-Schnittstellenmodulen 5 verwendeten Induk
tivitäten unter angelegtem Magnetfeld mit einer Rate von 0,1
bis 10 K/min auf Temperaturen zwischen 180°C und 420°C auf
geheizt werden, auf diesen Temperaturen im Magnetfeld zwi
schen 0,25 und 48 Stunden gehalten werden und anschließend
mit 0,1-5 K/min wieder auf Raumtemperatur abgekühlt werden.
Aufgrund der allgemeinen Zusammenhänge Ku ∝ Ms (Ta)2 und Ku ∝
1/µ (Ku = Anisotropieenergie, Ms = Sättigungsmagnetisierung,
Ta = Anlaßtemperatur im Magnetfeld) sind die erzielten
Schleifen bei den hier eingesetzten Amorphlegierungen umso
flacher, je höher Ms ist. Demnach befindet man sich in einem
Dilemma, in dem sich hohe Permeabilitäten und hohe Sätti
gungsinduktionen, die bei hohen Unsymmetrieströmen allerdings
unverzichtbar sind, gegenseitig ausschließen.
Besonders kleine Magnetkerne 9 für LAN-Übertrager 7 lassen
sich dann erreichen, wenn die eingesetzten Amorphlegierungen
einerseits niedrige Curietemperaturen von beispielsweise we
niger als 250°C, andererseits aber eine immer noch hinrei
chend hohe Sättigungsinduktion von beispielsweise 0,65 Tesla
oder mehr besitzen. Solche, im Prinzip widersprüchlichen Kom
binationen lassen sich dadurch erreichen, daß der Metalloid
gehalt (z. B. Si, B etc.) der Legierung schrittweise erhöht
wird, und/oder gleichzeitig ein antiferromagnetisches Element
wie z. B. Mn im Bereich weniger at% der Legierung zugeschlagen
wird. Infolge kleiner magnetischer Momente bei gleichzeitig
temperaturbedingter Verzögerung der Reorientierungskinetik
lassen sich dann unterhalb der Curietemperatur mittels defi
nierter Abkühlung im Querfeld besonders kleine uniaxiale
(Quer-)Anisotropien von nur 1 J/m3 oder noch weniger und da
mit Permeabilitätswerte von beispielsweise 20000 bis 200000
erreichen.
Eine wichtige Voraussetzung zum Erreichen derartig hoher Per
meabilitäten ist, daß jegliche Art von Störtermen wie z. B.
magnetoelastische Anisotropien gegenüber den gewünschten mag
netfeldinduzierten Anisotropien vernachlässigbar sind. Zur
Erfüllung dieser Voraussetzung muß der gewickelte Magnetkern
9 in der Form eines Metallbandkern auch bei kleinsten Magne
tostriktionswerten mittels einer Relaxationsglühung entspannt
werden. Die hierzu notwendige Temperatur ist so hoch anzuset
zen, daß die Relaxationskinetik einerseits hinreichend
schnell abläuft, andererseits jedoch noch keine Kristallisa
tion entsteht. Eine besonders hohe Effektivität ist mit die
sem Vorgehen dann zu erzielen, wenn die Kristallisations- und
Curietemperatur um weit mehr als 100°C auseinander liegen,
was gerade bei den hier eingesetzten Amorphlegierungen mit
hohem Metalloidgehalt der Fall ist.
Fallweise kann zur Erhöhung der uniaxialen Anisotropieenergie
zusätzlich zum langsamen Abkühlen der Magnetkerne 9 im Quer
feld ein Temperaturplateau im Querfeld eingefügt werden. Den
bekannten Einflüssen von Temperaturabhängigkeit der Sätti
gungsmagnetisierung und Reorientierungskinetik folgend, sind
hier der optimale Abstand zur Curietemperatur und die Halte
dauer bis zum asymptotischen Erreichen des Gleichgewichtswer
tes der uniaxialen Anisotropie die entscheidenden Parameter,
die an die jeweilige Legierung anzupassen sind.
Aufgrund der entmagnetisierenden Felder im Inneren eines Mag
netkernstapels, die zu einer betragsmäßigen Schwächung und
einer Divergenz der Feldlinien führen, lassen sich auch bei
hohen Permeabilitätswerten hinreichend lineare Schleifen da
durch erreichen, daß die Magnetkerne 9 während der Querfeld
behandlung stirnseitig exakt so aufgestapelt sind, daß die
Stapelhöhe mindestens das 10-fache, besser wenigstens das 20-
fache des Magnetkernaußendurchmessers beträgt. Dies gilt in
gleicher Weise bei nanokristallinen wie bei amorphen Magnet
werkstoffen. Eine typische Magnetisierungskurve, die den li
nearen Charakter der hier realisierten Schleifen unter
streicht, ist der Fig. 10 zu entnehmen.
Im Anschluß an die Wärmbehandlung werden die Magnetkerne 9
elektrisch isoliert (z. B. oberflächlich passiviert, beschich
tet, wirbelgesintert oder in einem Kunststoffgehäuse verkap
selt), mit den Primär- und Sekundärwicklungen versehen und
gegebenenfalls im Bauelementgehäuse verklebt oder vergossen.
Hierbei besteht auch die Möglichkeit einen Aufbau in soge
nannter Planartechnologie zu verwenden. Dieses Verfahren ist
unabhängig davon, ob der Magnetkern 9 aus amorphem oder nano
kristallinem Material besteht. Aufgrund der Sprödigkeit hat
allerdings die mechanische Handhabung der ausgetemperten
nanokristallinen Magnetkerne 9 mit besonderer Vorsicht zu er
folgen.
Eine weitere Fertigungsmöglichkeit ist, daß das Band zunächst
einer Querfeldtemperung im Durchlauf unterzogen und anschlie
ßend zum Bandkern gewickelt wird. Der weitere Ablauf verläuft
wie oben beschrieben.
Die wesentlichen erfüllten Voraussetzungen für 10/100Base-T-
Übertrager sind dabei:
- - Die Hauptinduktivität des Magnetkerns 9 in der Form eines
bewickelten Metallbandkerns muß nach ANSI X3.263 1995
die folgende Bedingung erfüllen:
Lh < 350 µH bei 100 kHz. - - Für den Widerstand Rp im Parallel-Ersatzschaltbild sind bereits mit geringen Windungszahlen ausreichend hohe Werte von über < 1kΩ erreichbar.
- - Die Hauptinduktivität erfüllt diesen Wert auch bei einer maximalen Gleichstromvorbelastung von 8 mA in einem Tem peraturbereich von -40° bis 85°C, bei Verwendung von nanokristallinen Legierungen auch bis 120°C.
- - Der Linearitätsfehler der Hystereseschleife des Magnet
kerns 9 ist so gering, daß für das Verhältnis von Per
meabilität µ zur mittleren Permeabilität µ im Bereich
Bs/100 bis 0,8 Bs gilt:
1,2 < µ (B)/µ < 0,8, vorzugsweise 1,1 < µ (B)/µ < 0,9,
wobei B gleichfalls im Intervall Bs/100 bis 0,8 Bs liegt. - - Unter Verwendung amorpher und nanokristalliner Magnet werkstoffe ergeben sich nach abgeglichener Querfeldtem perung für vorgegebene Werte der Hauptinduktivität z. B. die in Tab. 1 dargestellten typischen Abmessungen des Magnetkerns 9, wobei die Abmessungen in der Reihenfolge Außendurchmesser, Innendurchmesser und Höhe des in der Gestalt eines Ringbandkerns vorliegenden Magnetkerns 9 angegeben sind.
Ähnliche Abmessungen des Magnetkerns 9 ergeben sich auch beim
Einsatz der anderen unten aufgezählten Legierungen, die an
wendungsspezifisch eingesetzt werden.
Bei der Dimensionierung der induktive Bauelemente des
Schnittstellenmoduls 5, insbesondere des Übertragers 7, sind
eine Reihe von Zusammenhängen zu beachten.
Für die Induktivität des Übertragers 7 gilt der Zusammenhang
L = N2µoµrAfe/lfe (2)
N = Windungszahl
µo = universelle Permeabilitätskonstante
µr = Permeabilität des Materials
Afe = Eisenquerschnitt des Magnetkerns
lfe = Eisenweglänge des Magnetkerns.
µo = universelle Permeabilitätskonstante
µr = Permeabilität des Materials
Afe = Eisenquerschnitt des Magnetkerns
lfe = Eisenweglänge des Magnetkerns.
Aus Gleichung (2) wird ersichtlich, daß die erforderliche In
duktivität bei minimalem Bauvolumen nur dann erreichbar ist,
wenn Windungszahlen, Permeabilität, Eisenquerschnitt und Ei
senweglänge aufeinander abgestimmt sind. Die im gesamten Be
reich der Arbeitsfrequenz gültige Permeabilität µ des Kernma
terials ist neben der günstigen ringförmigen Geometrie der
ausschlaggebende Parameter für eine möglichst kompakte Abmes
sung des Übertragers 7. Je nachdem welche der nachfolgend
aufgezählten Legierungen zum Einsatz kommt, und wie die zuge
hörige Wärmebehandlung geführt wird, läßt sich in definierter
Weise ein Permeabilitätsbereich zwischen 10000 und 100000 ab
decken. Die mit diesen Magnetkernen 9 realisierten LAN-
Schnittstellenmodule 5 besitzen aufgrund ihrer Bauform, der
hohen Permeabilität und der hohen Sättigungsinduktion der
eingesetzten Metallbandkerne gegenüber den Ferritkernen einen
starken Volumenvorteil.
Bei der Auswahl des Kernwerkstoffes für die Induktivitäten
des Übertragers 7 entsteht eine Einschränkung dadurch, daß
der Magnetkern 9 bei der Gleichstromvorbelastung von 8 mA
nicht in Sättigung gehen darf. Ferner muß der Klirrfaktor bei
maximaler Idc-Aussteuerung unter einer normgemäß festgelegten
Grenze bleiben. Die mit der Idc-Vorbelastung verbundene mag
netische Feldstärke HDC ist durch
Hdc = N.Idc/lfe (3)
gegeben. Die Induktivität und der Klirrfaktor dürfen bei die
ser Gleichstromvorlastung im gesamten Temperaturbereich nur
sehr geringfügig abfallen.
Im Gegensatz zu den induktiven Bauelementen mit Ferriten, bei
denen Gleichung (2) die Windungszahlen festlegt, ist für die
Dimensionierung von induktiven Bauelementen mit nanokristal
linen oder amorphen Metallkernen Gleichung (1) maßgebend. Die
Windungszahl N darf nämlich nicht zu klein gewählt werden, da
sonst die Einfügedämpfung aufgrund des zu geringen Rp-
Widerstands des Übertragers 7 zu groß wird. Außerdem haben
kleine Windungszahlen hohe Streuinduktivitäten zur Folge, die
ein Überschwingen sowie eine große Anstiegszeit des Signals
bewirken. Eine Erhöhung der Windungszahl führt ferner zu ei
ner kleineren Signalaussteuerung Bac und damit zu einem gerin
geren Klirrfaktor. Der Übertrager 7 weist daher bevorzugt
mittlere Windungszahlen zwischen 5 und 25 Windungen auf.
Diese Situation erfordert bei der Werkstoffauswahl eine Kom
bination aus hoher Sättigungsinduktion Bs, hoher Permeabili
tät µ und geringen Kernverlusten (~ 1/Rp).
Eine hohe Permeabilität und damit eine geringe Windungsanzahl
sowie die Ringbandform der Magnetkerne 9 führen zu kleinen
Übertragern 7 mit kleiner Streuinduktivität und kleinen Kop
pel- und Wicklungskapazitäten. Dies wiederum führt zu kürze
ren Anstiegszeiten, besserer Unsymmetriedämpfung sowie ver
bessertem Übertragungsverhalten im gesamten Frequenzbereich.
Nachfolgend werden mehrere geeignete Legierungssysteme be
schrieben. Es wurde herausgefunden, daß sich mit den nachfol
gend beschriebenen Legierungssystemen unter Einhaltung der
oben genannten Bedingungen induktive Bauelemente für die
Schnittstellenmodule 5 mit besonders linearen Hysterese
schleifen und kleinen Bauformen herstellen lassen, die alle
normgerechten Eigenschaften besitzen.
Es sei angemerkt, daß bei der Angabe der nachfolgend aufge
führten Legierungssysteme die Kleiner- und Größerzeichen die
Grenzen miteinschließen; außerdem sind alle at%-Angaben als
ungefähr zu betrachten.
Ein erstes Legierungssystem weist die Zusammensetzung
Coa(Fe1-cMnc)bNidMeSixByCz auf, wobei M ein oder mehrere Elemen
te aus der Gruppe Nb, Mo, Ta, Cr, W, Ge und/oder P bezeich
net und a+b+d+e+x+y+z = 100 ist, mit
Co | a = 40-82 at%, vorzugsweise 55 < a < 72 at% |
Fe+Mn | b = 3-10 at% |
Mn/Fe | c = 0-1, vorzugsweise x < 0.5 |
Ni | d = 0-30 at%, vorzugsweise d < 20 at% |
M | e = 0-5 at%, vorzugsweise e < 3 at% |
Si | x = 0-18 at%, vorzugsweise x < 1 at% |
B | y = 8-26 at%, vorzugsweise 8-20 at% |
C | z = 0-3 at% |
15<e+x+y+z<30, vorzugsweise 20<e+x+y+z<30 |
Legierungen dieses Systems bleiben nach der beschriebenen
Wärmebehandlung amorph. Abhängig von der Zusammensetzung und
Wärmebehandlung konnten damit extrem lineare Hysterese
schleifen mit einem sehr weiten Permeabilitätsbereich zwi
schen 500 und 150000 oder sogar mehr realisiert werden.
Für die vorliegende Erfindung hat sich als besonders wichtig
herausgestellt, daß sich der Wert der Sättigungs
magnetostriktion mit einer auf die Legierungszusammensetzung
abgestimmten Wärmebehandlung sicher auf besonders kleine Wer
te von |λs| < 0,1 ppm einstellen läßt. Dadurch bedingt ist
eine besonders lineare Schleifenform, die zu einer besonders
hohen Konstanz der Permeabilität über einen weiten Indukti
onsbereich führt. Außerdem wird hierdurch das Auftreten
schädlicher magnetoelastischer Resonanzen des ringbandförmi
gen Magnetkerns 9 vermieden. Diese würden bei bestimmten Fre
quenzen des Induktionsverlaufes zu Einbrüchen in der Permea
bilität und/oder zu erhöhten Ummagnetisierungsverlusten füh
ren. Bei den Untersuchungen wurde herausgefunden, daß gerade
die Kombination aus dieser annähernden Magnetostriktionsfrei
heit, einer möglichst geringen Banddicke (am besten kleiner
17 µm) und einem vergleichsweise hohen spezifischen elektri
schen Widerstand von 1,1 bis 1,5 µΩm zu einem extrem guten
Frequenzverhalten führt, das für den Übertrager 7 besonders
gut geeignet ist.
Ein zweites Legierungssystem weist die Zusammensetzung
FexCuyMzSivBw auf, wobei M ein Element aus der Gruppe Nb, W,
Ta, Zr, Hf, Ti, Mo oder eine Kombination aus diesen bezeich
net und x + y + z + v + w = 100 at% ist, mit
Fe | x = 100 at%-y-z-v-w |
Cu | y = 0,5-2 at%, vorzugsweise 1 at% |
M | z = 1-6 at%, vorzugsweise 2-4 at% |
Si | v = 6,5-18 at%, vorzugsweise 14-17 at% |
B | w = 5-14 at%, vorzugsweise 6-9 at% |
wobei v + w < 18 at%, vorzugsweise v + w = 20 bis 24 at% ist. |
Legierungen dieses Systems haben sich wegen ihrer linearen
Schleifenform und ihres sehr guten Frequenzverhaltens für den
Übertrager 7 als sehr gut geeignet herausgestellt. Besonders
gute Eigenschaften werden bei den als "vorzugsweise" hervor
gehobenen Legierungszusammensetzungen erreicht, da hier,
ebenso wie im Legierungssystem 1 ein Nulldurchgang der Sätti
gungsmagnetostriktion eingestellt werden kann. Dabei wurde
auch hier herausgefunden, daß gerade die Kombination aus ei
nem hohen spezifischen elektrischen Widerstand von 1,1 bis
1,2 µΩm und einer kleinen Banddicke zu einem ausgezeichneten
Frequenzverhalten führt, das durch reduzierte Banddicken von
14 µm oder sogar noch darunter weiter gesteigert werden kann.
Wie aus Fig. 3 hervorgeht, sind bei optimal abgestimmter Wär
mebehandlung bei 100 kHz Anfangspermeabilitäten von µi (100
kHz) < 25000 problemlos einhaltbar, bei den hier durchgeführ
ten Untersuchungen wurde fallweise sogar µi < 50000 beobach
tet.
Daneben hat sich auch die mit Bs = 1,1 bis 1,3 T gemessene,
vergleichsweise hohe Sättigungsinduktion bei extrem linearen
Schleifen als sehr vorteilhaft erwiesen, da hierdurch eine
hohe Stabilität gegenüber Unsymmetrieströmen entsteht. Außer
dem werden hohe Werte für die gyromagnetische Grenzfrequenz,
die letztlich von Bs/µi abhängt, erzielt. Letzteres ist eine
wichtige Voraussetzung für hohe Permeabilitäten im MHz-
Bereich. Zusätzlich wurde gefunden, daß die Temperaturcharak
teristik der Magnetkerne 9 über die Wärmebehandlung zur Ein
stellung der Permeabilität gezielt angepaßt werden kann. Dar
aus können gerade bei rauhen Umweltbedingungen, wie sie in
Telekommunikationseinrichtungen durchaus auftreten können,
nicht anders realisierbare anwendungsspezifische Vorteile er
wachsen.
Ein drittes Legierungssystem ist zusammengesetzt gemäß
FexZryNbzBvCuw, wobei x + y + z + v + w = 100 at% ist, mit
Fe | x = 100 at%-y-z-v-w, vorzugsweise 83-86 at% |
Zr | y = 2-5 at%, vorzugsweise 3-4 at% |
Nb | z = 2-5 at%, vorzugsweise 3-4 at% |
B | v = 5-9 at% |
Cu | w = 0,5-1,5 at%, vorzugsweise 1 at% |
wobei y + z < 5 at%, vorzugsweise 7 at% ist,@ | und y + z + v < 11, vorzugsweise 12-16 at% ist. |
Mit Legierungen dieses Systems werden durch Querfeld
wärmebehandlungen, die legierungsspezifisch im Intλervall
zwischen 510°C und 680°C durchzuführen sind, ebenfalls li
neare Hystereseschleifen mit Permeabilitäten zwischen ca.
12.000 und mehr als 30.000 erreicht. Bei Banddicken um 15 µm
liegen bei 100 kHz immer noch Anfangspermeabilitäten von na
hezu 20.000 vor und damit ein gutes, für die induktiven Bau
elemente im Schnittstellenmodul 5 geeignetes Frequenzverhal
ten. Besonders günstig wirkt sich auch hier die hohe Sätti
gungsinduktion von 1,5 bis 1,6 T auf die Größe des induktiven
Bauelements und die Lage der gyromagnetischen Grenzfrequenz
aus. Hervorzuheben ist hier die sehr kleine Sättigungsmagne
tostriktion, die bei Anlaßtemperaturen um 600°C deutlich un
ter |λs| = 1 ppm liegt.
Ein viertes Legierungssystem hat die Zusammensetzung
FexMyBzCuw, wobei M ein Element aus der Gruppe Zr, Hf, Nb be
zeichnet und x + y + z + w = 100 at% ist, mit
Fe | x = 100 at%-y-z-w vorzugsweise 83-91 at% |
M | y = 6-8 at%, vorzugsweise 7 at% |
B | z = 3-9 at% |
Cu | w = 0-1,5 at%. |
Mit Legierungen dieses Systems läßt sich die Grund
voraussetzung |λs| < 1 ppm erfüllen. Die mit den durch
geführten Querfeldbehandlungen zwischen 510°C und 680°C
legierungsspezifisch erreichbaren Permeabilitäten liegen zwi
schen 2000 und 15000. Die hohe Sättigungsinduktion von 1,5
bis 1,6 T erlaubt ebenfalls die Realisierung sehr kleiner
Schnittstellenmodule 5.
Ein fünftes Legierungssystem hat die Zusammensetzung
(Fe0,98Co0,02)90-xZr7B2+xCu1 mit x = 0-3, vorzugsweise x = 0,
wobei bei entsprechendem Abgleich der restlichen Legierungs
bestandteile Co durch Ni ersetzbar ist.
Mit diesem System ist bei legierungsspezifisch abgestimmter
Querfeldwärmebehandlung ebenfalls ein Nulldurchgang in der
Sättigungmagnetostriktion zu erreichen, der bei Anfangsper
meabilitäten von µi < 10000 besonders lineare Hysteresever
läufe erlaubt. Dadurch werden die Frequenzgänge der komplexen
Permeabilität so gut, daß sie denen der Legierungssysteme 1
und 2 sehr nahe kommen. Herausragender Vorteil dieses Systems
ist die hohe Sättigungsinduktion, die mit Werten um Bs = 1,70
T liegt.
Aufgrund der besonders günstigen Kombination aus annäherender
Magnetostriktionsfreiheit und hoher Sättigungsinduktion las
sen sich wieder Schnittstellenmodule 5 mit besonders kleinen
Bauformen realisieren.
Die Legierungssysteme 2 bis 5 erhalten nach der Wärmebehand
lung eine feinkristalline Struktur mit Korndurchmessern unter
100 nm. Diese Körner sind von einer amorphen Phase umgeben
die allerdings weniger als 50% des Materialvolumens ein
nimmt.
Sämtliche Legierungssysteme 1 bis 5 zeichnen sich durch die
folgenden Eigenschaften aus:
- - sehr lineare Hystereseschleife.
- - Betrag der Sättigungsmagnetostriktion |λs| < 2 ppm, vorzugs weise < 0,1 ppm nach der Wärmebehandlung. Bei den Kobalt- Basis-Amorphwerkstoffen dadurch einzustellen, daß der Fe und Mn-Gehalt entsprechend feinangepaßt wird. Bei den nanokri stallinen Legierungen über die Größe des feinkristallinen Korns, zu erreichen durch eine gezielte Abstimmung der Wärme behandlung, des Metalloidgehaltes und des Gehaltes an Re fraktärmetallen.
- - Sättigungsinduktion von 0.56 T-1.7 T. Die Sättigungsin duktion kann durch die Wahl des Gehaltes an Ni, Co, M, Si, B und C feinabgestimmt werden.
- - Bänder, deren Dicken weniger als 17 µm betragen können
- - Hoher spezifischer elektrischer Widerstand, der bis zu 1,5 µΩm betragen kann.
Die oben genannten Anforderungen und Legierungsbereiche wer
den nach Durchführung der beschriebenen Wärmebehandlung z. B.
durch die in Tabelle 2 aufgeführten Legierungsbeispiele ein
gehalten bzw. erfüllt.
Die in Tabelle 2 amorphen, fein- oder nanokristallinen Legie
rungen zeichnen sich durch besonders hohe Werte der Sätti
gungsinduktion von bis zu 1,7 Tesla aus. Diese lassen ver
gleichsweise hohe Permeabilitätswerte zu, wodurch gegenüber
Ferritübertragern Vorteile hinsichtlich Baugröße und Bewick
lung entstehen.
Claims (13)
1. Schnittstellenmodul für lokale Datennetzwerke mit einem
als Übertrager dienenden induktiven Bauelement (7) zur Koppe
lung von Schnittstellenschaltungen an eine der Verbindung von
Rechnern dienende Datenleitung, wobei das induktive Bauele
ment einen Magnetkern (9) und eine Vielzahl von darauf aufge
brachten Wicklungen aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß das als Übertrager dienende induktive Bauelement (7) ei
nen Magnetkern (9) aus einer amorphen oder nanokristallinen
Legierung mit einer Permeabilität µ < 15000 aufweist und die
Windungszahlen der Wicklungen zwischen 5 und 25 liegen.
2. Schnittstellenmodul nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die amorphe oder nanokristalline Legierung eine Permeabi
lität µ < 30000 aufweist.
3. Schnittstellenmodul nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Legierung die Zusammensetzung Coa(Fe1-cMnc)bNidMeSixByCz
aufweist, wobei M ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe
Nb, Mo, Ta, Cr, W, Ge und/oder P bezeichnet und
a+b+d+e+x+y+z = 100 at% ist, mit
Co a = 40-82 at%
Fe+Mn b = 3-10 at%
Mn/Fe c = 0-1
Ni d = 0-30 at%
M e = 0-5 at%
Si x = 0-18 at%
B y = 8-26 at%
C z = 0-3 at%
und 15 at% < e+x+y+z < 30 at%
4. Schnittstellenmodul nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Beziehungen gelten:
Co a = 55-72 at%
Mn/Fe c = 0-0,5
Ni d = 0-20 at%
M e = 0-3 at%
B y = 8-20 at%
Si x = 1-18 at%
und 20 at% < e+x+y+z < 30 at%
5. Schnittstellenmodul nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Legierung die Zusammensetzung FexCuyMzSivBw aufweist,
wobei M ein Element aus der Gruppe Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti, Mo
oder eine Kombination aus diesen bezeichnet und x + y + z + v
+ w = 100 at% ist, mit
Fe x = 100 at%-y-z-v-w
Cu y = 0,5-2 at%
M z = 1-6 at%
Si v = 6,5-18 at%
B w = 5-14 at%,
wobei v + w < 18 at% ist.
6. Schnittstellenmodul nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Beziehungen gelten:
Cu y = 1 at%
M z = 2-4 at%
Si v = 14-17 at%
wobei v + w = 20 bis 24 at% ist.
7. Schnittstellenmodul nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Legierung die Zusammensetzung FexZryNbzBvCuw auf
weist, wobei x + y + z + v + w = 100 at% ist, mit
8. Schnittstellenmodul nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Beziehungen gelten:
Fe x = 83-86 at%
Zr y = 3-4 at%
Nb z = 3-4 at%
Cu w = 1 at%
wobei y + z < 7 at% und y + z + v < 12 bis 16 at% ist.
9. Schnittstellenmodul nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Legierung die Zusammensetzung FexMyBzCuw aufweist, wo
bei M ein Element aus der Gruppe Zr, Hf, Nb bezeichnet und x
+ y + z + w = 100 at% ist, mit
Fe x = 100 at%-y-z-w
M y = 6-8 at%
B z = 3-9 at%
Cu w = 0-1,5 at%.
10. Schnittstellenmodul nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Beziehungen gelten:
Fe x = 83-91 at%
M y = 7 at%.
11. Schnittstellenmodul nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Legierung die Zusammensetzung (Fe0,98Co0,02)90-XZr7B2+XCu1
aufweist mit x = 0-3 at%, wobei bei entsprechendem Abgleich
der restlichen Legierungsbestandteile Co durch Ni ersetzbar
ist.
12. Schnittstellenmodul nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß x = 0 gilt.
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EP00972702A EP1221169A1 (de) | 1999-10-11 | 2000-10-09 | Schnittstellenmodule für lokale datennetzwerke |
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