DE4340928A1 - Übertrager mit Schirmung sowie Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Übertrager gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher Übertrager ist bekannt aus der AT-PS 182 176.

Aus der DE 19 01 793 A ist ein Übertrager mit nebeneinanderliegenden Einzelwicklungen bekannt, die durch eine Schirmung voneinander getrennt sind. Die Schirmung dient dort zur Unterbindung der Übertragung von Hochfrequenzstörsignalen zwischen den beiden Einzelwicklungen. Die Schirmung besteht aus einer den Kernschenkel umfassenden Scheibe mit einem Kurzschlußtrennschlitz, der HF-mäßig überbrückt ist.

Der Übertrager gemäß der AT-PS 182 176 weist eine ebensolche Schirmung auf, die zur Isolierung von einer Kunststoffmasse umgeben ist.

Aus der DE 31 00 419 C2 ist ein Hochspannungstransformator bekannt, bei dem Primär- und Sekundärwicklung durch Isolationsmittel (Vergußmasse) voneinander getrennt sind und zwischen ihnen - hier konzentrisch zum Wickelkern - ein auf Masse gelegter längsgeschlitzter, zylinderförmiger Metallschirm angeordnet ist. Über diesen Metallschirm erfolgt die Wärmeableitung von den Wicklungen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Übertrager anzugeben, welcher auf einfache Weise unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse zuläßt. Diese Aufgabe wird durch Maßnahmen des Anspruchs 1 gelöst. Die weiteren Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen bzw. Verwendungsmöglichkeiten auf.

Da die Leiterbahnen zumindest einer der Übertragerwicklungen in mehreren Lagen einer Multilayer untergebracht sind, können sie über Durchkontaktierung wahlweise zu unterschiedlichen Gesamtwicklungen zusammengeschaltet werden, so daß der Übertrager für unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse bei sonst gleichem Aufbau realisierbar ist. Dies reduziert die Lagerhaltung und den Qualitätstestaufwand für Übertrager, die an unterschiedlichen Verbrauchern betrieben werden.

Durch die Maßnahmen der Erfindung ist gewährleistet, daß insbesondere bei Anwendung der Maßnahmen nach den Ansprüchen 4 bis 7 Rißwachstum infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten wirksam unterdrückt wird. Insbesondere wird eine Ablösung der Schirmung von der Isolationsmasse unterbunden, da die Multilayer flexibel ist und infolge ähnlicher Ausdehnungskoeffizienten ihrer Außenschichten zur angrenzenden Isolationsmasse keine mechanischen Spannungen auftreten. Dieser Vorteil kommt um so mehr zur Wirkung, wenn gemäß Anspruch 4 die Schirmung in die Multilayer als Abschlußlage integriert ist. Der Übertrager nach der Erfindung arbeitet zuverlässig sowohl unter Weltraumbedingungen (Vakuum) als auch im sogenannten Zwischendruckbereich; d. h. in einem Druckbereich zwischen atmosphärischem Normaldruck und Vakuum, während der Startphase eines Satelliten.

Im Gegensatz zur Lösung gemäß DE 31 00 419 A2 kann die Schirmung insbesondere bei tiefen Temperaturen kein Auslöser von Rissen mehr sein.

Bisher bekannte Stromübertrager können nicht ohne weiteres im Paschenminimum betrieben werden, da Glimmentladungen auftreten können, die sich bei Einsatz des Stromübertragers in einer Regelschaltung auf die durch den Übertrager transformierte Regelgröße störend auswirken. So ist bei Verwendung eines herkömmlichen Übertragers als Bestandteil eines Kathodenstromreglers für einen Wanderfeldröhrenverstärker die Anodenspannung nicht mehr konstant. Außerdem sinkt der Wirkungsgrad der gesamten Stromversorgungsschaltung.

Wird der Kern auf Massepotential gelegt, können keine Entladungen im Paschenminimum vom Kern ausgehen. Aufgrund geringerer Koppelkapazitäten der Einzelwicklungen zum Kern, ist es aber aus regelungstechnischen Gründen vorteilhaft, den Kern nicht an ein festes Potential anzubinden, sondern gemäß einer Ausgestaltung auf floatendes Potential zu legen. Von der Kernoberfläche können jetzt zwar im Zwischendruckbereich Entladungen auftreten, jedoch sind diese durch die Isolierung des Kern gegenüber Massepotential und der Wicklung, die auf Hochspannungspotential liegt, so gering, daß keinerlei Beeinflussung der Regelgröße erfolgt. Zusätzlich wird durch diese Maßnahme die Oberfläche der Isolationsmasse (Vergußmasse) der Wicklung, die auf Hochspannungspotential liegt, durch Entladungen weniger stark beansprucht. Läge der Kern auf Massepotential, so würden ständig Entladungen von der Vergußoberfläche zum entsprechenden Massepunkt erfolgen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Übertrager gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Schirmungsring,

Fig. 3 eine Einzelwicklung mit Leiterbahnen in mehreren Lagen einer Multilayer im Längsschnitt,

Fig. 4 eine Leiterbahnschicht innerhalb der Multilayer für eine Einzelwicklung,

Fig. 5 ein Prinzipschaltbild zur Zusammenschaltung der Leiterbahnen zu Gesamtwicklungen und

Fig. 6 einen Wicklungsaufbau, bei der die Schirmung die Abschlußlage der Multilayer bildet.

In Fig. 1 ist ein Übertrager gemäß der Erfindung dargestellt. Dieser Übertrager weist einen dreischenkligen Kern auf, der die Einzelwicklungen w1 und w2 bis auf Seitenfenster vollständig umschließt. Die Einzelwicklungen w1 und w2 sind nebeneinanderliegend auf einem Spulenkörper SK angeordnet, welcher zum Wickelkern KE als mittlerem Schenkel konzentrisch verläuft. Der Spulenkörper SK weist jeweils im Bereich der Wicklungsenden Vorsprünge VS auf, so daß Wicklungskammern entstehen, die die Einzelwicklungen w1, w2 bis auf die dem Wickelkern KE abgewandten Oberflächen vollständig umgeben. Die beiden Einzelwicklungen w1 und w2 sind gegeneinander durch eine Schirmung S getrennt, die im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 über der Kammeraußenwand des Spulenkörpers SK für die Einzelwicklung w2 angeordnet ist. Diese Schirmung S besteht aus einem scheibenförmigen Ring (Fig. 2) in Form einer Multilayer. Diese Multilayer weist eine elektrisch leitende Schicht ES, z. B. eine Kupferschicht, auf, welche zwischen zwei isolierenden Außenschichten AS angeordnet ist. Wie Fig. 2 zeigt, ist die leitende Schicht ES durch einen Kurzschlußtrennschlitz KT unterbrochen. Der Spulenkörper SK mitsamt den Einzelwicklungen w1 und w2 und dem Schirmanschluß S ist in eine Isolationsmasse VM eingebettet und zwar so, daß diese Isolationsmasse VM alle außenliegenden Teile um ca. 10% übersteht und ein zylindrischer ringförmiger Verbundkörper gebildet wird.

Als Isolationsmasse eignet sich eine Vergußmasse aus Epoxidharz, welche gegebenenfalls glasfaserverstärkt oder mit sonstigen anorganischen Materialien gefüllt sein kann (vgl. etz Band 105 (1984) Heft 9, Seite 441 oder US 41 76 334 "epoxy-glass laminate"). Damit keine Haftungsprobleme oder mechanische Spannungen zwischen Schirmung S und Isolationsmasse VM auftreten, bestehen die Außenschichten AS der Schirmung aus dem chemisch gleichen oder zumindest ähnlichen Material wie das der Isolationsmasse VM. Der thermische Ausdehnungskoeffizient der Isolationsmasse VM und den Außenschichten AS muß zumindest in der gleichen Größenordnung liegen, damit keine Rißbildung entstehen kann. Die Multilayer der Schirmung S bildet, wie Fig. 2 zeigt, gleichzeitig Anschlußmöglichkeiten für die Drahtenden der Einzelwicklungen w1 und w2 in Form der Lötaugen LA1 bis LA4 und den Schirmanschluß; in Fig. 2 über eine Leiterbahn LB zum Lötauge LAS geführt. Die Wickeldrähte und der Schirmanschluß werden vorteilhafterweise mit überschrumpften Schaltdrähten aus der Vergußmasse geführt. Das Schrumpfschlauchmaterial wird so gewählt, daß die Haftfestigkeiten des Materials durch Reinigungsverfahren wie Coronaentladungen und Plasmaätzen um ein Mehrfaches gesteigert werden können. Es besteht auch die Möglichkeit, Hochspannungslitzen zu verwenden, jedoch muß deren Haftung in der Vergußmasse sichergestellt sein.

Der Kern ist im Bereich jeweils einer Schenkelmitte geteilt (Fig. 1, Trennungslinien gestrichelt). Um die beiden Kernhälften zu zentrieren, ist eine Zentrierhülse ZH, z. B. aus PEEK Kunststoff, vorgesehen. Diese Zentrierhülse dient gleichzeitig als Abstandshalter zwischen dem Verbundkörper, bestehend aus den in die Isolationsmasse VM eingebetteten Einzelwicklungen w1, w2, Schirmung S und Spulenkörper SK. Letzter Verbundkörper ist nämlich von den Kernteilen jeweils durch einen Luftspalt LS getrennt und nur an eines der Schenkeljoche - im dargestellten Beispiel das untere - angeklebt. Die Befestigung sollte immer an jenem Joch erfolgen, das gewährleistet, daß die Schwerkraft des Verbundkörpers der Beschleunigung des Kerns entgegen wirkt. Der Verbundkörper wird also bei Beschleunigung des Kerns gegen den Kern gedrückt. Der Luftspalt LS zur Zentrierhülse ZH läßt sich durch mindestens einen Anschlag AG einstellen, der vorzugsweise an jedem Ende der Zentrierhülse ZH angebracht ist, das entfernt von der Anklebefläche des Verbundkörpers gelegen ist. Der Luftspalt LS bietet eine ausreichende Hochvakuumisolierung bei Betrieb im Weltall. Die Zentrierhülse ZH vermindert die Gefahr eines Überschlages bei Betrieb bis ca. 90°C unter Normaldruck.

Der Kern des Übertragers mit dem zentralen Wickelkern WK und den Außenschenkeln DK sowie die dazugehörigen Joche ist vom Massepotential, auf dem der Massekörper MK liegt, durch eine Isolierschicht IS getrennt. Diese Isolierschicht, z. B. aus PEEK Kunststoff, ist so bemessen, daß im Druckbereich unter 10^-2 mbar (Vakuumbetrieb) keine Entladungen über diese Isolierschicht IS auftreten können.

Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Übertragers als Bestandteil eines Kathodenstromreglers für einen Wanderfeldröhrenverstärker (vgl. DE 38 43 260 C1) stellt die Wicklung w2 die Anodenspule dar und die Wicklung w1 die Kathodenspule. Gleichspannungsmäßig liegt die Anodenspule auf einem Potential, welches zwischen 500 V und ca. 5 kV variiert. Die leitende Schicht ES der Schirmung S ist ebenfalls auf dieses "floatende" Potential gelegt, damit Überschläge, insbesondere im Zwischendruckbereich, direkt abgeleitet werden können. Die Anodenspule führt auf die Lötaugen LA3 und LA4. Zweckmäßigerweise wird demnach das Lötauge LAS mit dem Lötauge LA4 verbunden. Die Kathodenspule liegt gleichspannungsmäßig auf ca. 6 kV. An den Massekörper MK wird die Helix der Wanderfeldröhre angeschlossen.

Um unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse für den Übertrager zu realisieren, sind für mindestens eine der Einzelwicklungen - im dargestellten Beispiel die Wicklung w2 - erfindungsgemäß Leiterbahnen b1, b2, b3, . . . in mehreren Lagen einer Multilayer ML (Fig. 3) vorgesehen, wobei die Leiterbahnen in den unterschiedlichen Lagen über Leiterbrücken, hier einfach durch Durchkontaktierungen D realisiert, wahlweise zu unterschiedlichen Gesamtwicklungen zusammenschaltbar sind.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine Leiterbahnschicht innerhalb der Multilayer ML der Einzelwicklung w2. Daraus ist ersichtlich, daß z. B. die Leiterbahn b1 in einer einzelnen Schicht der Multilayer ML spiralförmig um den Wickelkern KE angeordnet ist und jeweils über Durchkontaktierungen D mit einer weiteren Leiterbahn b2 in einer darunter- oder darüberliegenden Schicht der Multilayer ML zusammenschaltbar ist.

Wie Fig. 5 zeigt, können die Leiterbahnen b1, b2, b3 unterschiedlicher Lagen über Leiterbrücken, bzw. die Durchkontaktierungen D beliebig zusammengeschaltet werden, z. B. teilweise oder vollständig in Serie geschaltet werden, so daß die Einzelwicklung w2 zusammen mit der Einzelwicklung w1 ein gewünschtes Übersetzungsverhältnis vorgibt, z. B. für den Betrieb eines Kathodenstromreglers eines Wanderfeldröhrenverstärkers mit unterschiedlichem Kathodenstrom I_K. Für einen Strombereich von z. B. 30 bis 120 mA mußten bisher drei verschiedene Übertrager bereitgehalten werden. Mit der Erfindung kann dieser Bereich nachträglich durch unterschiedliche Anordnung von Leiterbrücken zwischen den Leiterbahnen abgedeckt werden.

In der Ausgestaltung nach Fig. 6 bildet die Schirmung S die Abschlußlage der Multilayer ML und ist damit in die Multilayer ML integriert mit den eingangs geschilderten Vorteilen.

Die typischen Spannungsbelastungen des Übertragers nach der Erfindung stellen sich somit wie folgt dar:
Beim Einschalten der Stromversorgung "läuft der Kern auf die Kathodenspannung von 6 kV hoch". Im Zwischendruckbereich während der Startphase des Satelliten durchläuft der Kern das Paschenminimum, d. h. es ergeben sich theoretisch unendlich viele Entladungen, so daß der Kern Massepotential annimmt. Mit dem Eintritt in das Vakuum des Weltalls kann sich der Kern auf die maximale Spannung UK (Kathodenspannung) aufladen. Dieses Wiederaufladen des Kerns dauert mehrere Stunden bedingt durch die hohen Isolationswiderstände der Isolierschicht IS und des Vergußmaterials VM. Im Hochvakuum des Weltalls bleibt der Kern auf der Spannung U_K; es sei denn, daß eine lokale Druckerhöhung auftritt, die eine Entladung des Kerns bewirkt. Der Kern des Übertragers dann als Schalen- oder RM-Kern ausgebildet sein.

Durch die Maßnahmen der Erfindung ist sowohl ein sicherer Betrieb im Zwischendruckbereich als auch ein zuverlässiger Langzeitbetrieb (Lebensdauer des Satelliten größer als 10 Jahre) unter Weltraumbedingungen möglich.

Claims (15)

1. Übertrager bestehend aus:

• - mindestens zwei nebeneinanderliegenden Einzelwicklungen (w1, w2) auf einem Wickelkern (KE),
• - einer Schirmung (S), die mindestens zwei der nebeneinanderliegenden Einzelwicklungen (w1, w2) voneinander trennt, wobei die Schirmung (S) aus einer elektrisch leitenden Schicht (ES) besteht, die durch einen Kurzschlußtrennungsschlitz (KT) unterbrochen ist, und eine Isolierung (AS) gegen die Einzelwicklungen (w1, w2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß für zumindest eine der Einzelwicklungen (w2) Leiterbahnen (b1, b2, . . .) in mehreren Lagen einer Multilayer (ML) vorgesehen sind und daß die Leiterbahnen (b1, b2) in den unterschiedlichen Lagen über Leiterbrücken (D) wahlweise zu unterschiedlichen Gesamtwicklungen zusammenschaltbar sind.

2. Übertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbrücken (D) als Durchkontaktierungen zwischen Leiterbahnen (b1, b2, . . .) unterschiedlicher Lagen ausgebildet sind.

3. Übertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (b1, b2, . . .) in den verschiedenen Lagen der Multilayer (ML) spiralförmig um eine Aussparung (ASP) für einen Wickelkern (KE) angeordnet sind.

4. Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmung (S) in die Multilayer (ML) als Abschlußlage integriert ist.

5. Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelwicklungen (w1, w2) sowie die Schirmung (S) bzw. die Einzelwicklung/en (w1, w2) mit integrierter Schirmung in eine Isolationsmasse (VM) eingebettet sind.

6. Übertrager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient von Isolationsmasse (VM) und Multilayer (ML) in der gleichen Größenordnung liegt.

7. Übertrager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient der Schirmungsisolierung (AS) und Isolationsmasse (VM) in der gleichen Größenordnung liegt.

8. Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelkern (KE) auf floatendes Potential gelegt und gegenüber Massepotential isoliert ist.

9. Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelkern (KE) Bestandteil eines dreischenkligen Kerns (DK) ist, welcher im Bereich der Schenkelmitten geteilt ist, und daß eine Zentrierhülse (ZH) für die beiden Kernhälften vorgesehen ist.

10. Übertrager nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundkörper, bestehend aus den in die Isolationsmasse (VM) eingebetteten Einzelwicklungen (w1, w2) und Schirmung (S) bzw. Multilayer mit integrierter Schirmung, sowie ein gegebenenfalls vorgesehener Spulenkörper (SK), nur an eines der Schenkeljoche angrenzt und von den übrigen Kernteilen bzw. der Zentrierhülse (ZH) jeweils durch einen Luftspalt (LS) getrennt ist.

11. Übertrager nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrierhülse (ZH) einen Anschlag aufweist zur Einstellung des Luftspaltes (LS) zwischen Wickelkern (KE) und dem Verbundkörper, bestehend aus den in die Isolationsmasse (VM) eingebetteten Einzelwicklungen (w1, w2) und Schirmung (S).

12. Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsenden der Einzelwicklungen (w1, w2) sowie der Anschluß der Schirmung (S) mit überschrumpften Schaltdrähten aus der Isolationsmasse (VM) geführt sind.

13. Übertrager nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung des Wickelkerns (KE, DK) gegen Massepotential so bemessen ist, daß im Druckbereich unter 10^-2 mbar keine Entladungen über die Isolierung auftreten können.

14. Verwendung des Übertragers nach einem der Ansprüche 1 bis 13 für einen auf Hochspannungspotential arbeitenden Meßwandler.

15. Verwendung des Übertragers nach einem der Ansprüche 1 bis 14 für einen Meßwandler, welcher Bestandteil eines Kathodenstromreglers für einen Wanderfeldröhrenverstärker ist.