DE60215593T2

DE60215593T2 - Transformator Abschirmung

Info

Publication number: DE60215593T2
Application number: DE60215593T
Authority: DE
Inventors: Wenjian Hopkinton Gu; Robert Oakton Parker; James A. Bolton Sozanski
Original assignee: Bose Corp
Current assignee: Bose Corp
Priority date: 2001-08-13
Filing date: 2002-08-12
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2022-08-13
Also published as: EP1284487A2; EP1284487A3; CN1419252A; US20030030534A1; HK1054463A1; US7477120B2; CN1302494C; DE60215593D1; JP4503223B2; JP2003086436A; EP1284487B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Transformatoren, insbesondere auf die Abschirmung von Transformatoren, um Störungen auf Grund von elektromagnetischer Strahlung zu reduzieren.
Es ist ein wesentliches Ziel der Erfindung, einen verbesserten elektrischen Transformator und eine Transformatorabschirmung bereitzustellen.
EP-A-02 91 093 umfaßt einen Transformator mit:
einem ersten Transformatorkernbereich mit ersten Wicklungen;
einer Abschirmung zum elektrischen Abschirmen des ersten Transformatorkernbereichs von dem zweiten Transformatorkernbereich, wobei die Abschirmung einen elektrisch leitenden Bereich an ihrer Oberfläche aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein solcher Transformator dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende Bereich mit einem elektrisch leitenden Bereich elektrisch verbunden ist, um kapazitive Verschiebungsströme zurück in ihre Quelle zu lenken.
Der Transformator ist vorzugsweise ein Bauteil einer schaltenden Schaltung, wie ein Verstärker oder eine Stromversorgung.
Der Transformator kann in einer Stromversorgung für eine elektronische Vorrichtung verwendet werden, wobei er umfaßt Eingangsanschlüsse zum Eingeben von elektrischem Strom aus dem Netz, einen Gleichrichter zum Gleichrichten des elektrischen Stroms aus dem Netz, um gleichgerichteten, elektrischen Strom zu produzieren, eine schaltende Schaltung zum Schalten des gleichgerichteten, elektrischen Stroms, um geschalteten, gleichgerichteten Strom zu produzieren, wobei der Transformator die Spannung verändert.
Der Transformator kann auch verwendet werden in einer elektronischen Vorrichtung mit einer Antenne für den Empfang von Hochfrequenzsignalen, einem Tuner zum Tunen der Hochfrequenzsignale und einer schaltenden Stromversorgung zum Erzeugen von elektrischem Strom für den Tuner. Die schaltende Stromversorgung umfaßt den Transformator.
Andere Merkmale, Ziele und Vorteile werden aus der nachfolgenden detaillierte Beschreibung deutlich werden, die sich auf die folgenden Zeichnungen bezieht, in denen:
1 eine isometrische Ansicht einer Transformatoranordnung ist, die die vorliegende Erfindung einschließt;
2 eine isometrische Explosionsansicht der Transformatoranordnung aus 1 ist;
3 eine erste erfindungsgemäße Ausführung der Transformatorabschirmung ist;
4 ein Querschnitt einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführung eines Transformators ist;
5 eine dritte erfindungsgemäße Ausführung eines Transformators ist; und
6 ein Blockschaltbild einer elektronischen Vorrichtung ist, die die Erfindung enthält.
Unter Bezugnahme nun auf die Zeichnungen und genauer auf 1 wird dort eine Transformatoranordnung gezeigt, die die Erfindung umfaßt. Die Transformatoranordnung 10 umfaßt einen Kern 12, der aus zwei Abschnitten 12a und 12b besteht. Eine Primärwicklung 14 ist um einen ersten Kernbereich 12a gewikkelt und eine Sekundärwicklung 16 ist um einen zweiten Kern bereich 12b gewickelt. Eine elektrostatische Abschirmung 22 isoliert elektrisch die Primärwicklung 14 von der Sekundärwicklung 16 und isoliert ebenso elektrisch den ersten Kernbereich 12a von dem zweiten Kernbereich 12b. Die elektrostatische Abschirmung 22 wird später vollständiger erörtert werden. Ein Kunststoffspulenkörper 24 kann bereitgestellt werden, um so die Kernbereiche 12a und 12b an Ort und Stelle zu halten, um die Anordnung der Primär- und der Sekundärwicklung zu ermöglichen, um Verbindungsstifte für elektrische Verbindungen zu anderen Vorrichtungen bereitzustellen und um eine mechanische Unterstützung für die Kernbereiche 12a und 12b bereitzustellen.
Unter Bezugnahme nun auf 2 wird dort eine Explosionsdarstellung der Transformatoranordnung aus 1 gezeigt. Der erste Kernbereich 12a und der zweite Kernbereich 12b sind beide E-förmig und inverse E-förmige Blöcke aus einer Substanz, wie Ferrit, das eine hohe magnetische Permeabilität aufweist. Andere Formen für die Kernbereiche schließen "C"- und inverse "C"-Formen, Halbringe und viele andere ein. Die elektrostatische Abschirmung 22 ist so geformt und positioniert, daß sie zwischen dem ersten Kernbereich und dem zweiten Kernbereich liegt und kann darüber hinaus so positioniert werden, daß sie zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung liegt.
Unter Bezugnahme auf 3 wird dort eine Ausführung einer elektrostatischen Abschirmung 22 gezeigt. Die elektrostatische Abschirmung 22 umfaßt ein Substrat 26 aus gedrucktem Leiterplattensubstratmaterial. An einer Oberfläche (hiernach die leitende Oberfläche) des Substrats 26 befindet sich eine Struktur 28 aus einem elektrisch leitenden Material, wie Kupfer, in einer kammartigen Struktur, die aus parallelen Bahnen 29 aus Kupfer besteht, die an einem Ende über eine Verbindungsbahn 32 elektrisch verbunden sind. Ein Ableitungselektrodenkabel 30 (oder irgendeine andere elektrisch leitende Komponente) ist elektrisch mit der Verbindungsbahn 32 der Struktur aus elektrisch leitendem Material verbunden und ist mit einem Schaltkreisbereich verbindbar, der kapazitive Verschiebungsströme zu deren Quelle leitet. Zusätzlich zu kammartigen Strukturen, können auch andere Strukturen aus leitendem Material verwendet werden. Eine wünschenswerte Eigenschaft der Strukturen ist, daß sie großflächige Kreisläufe vermeiden, die signifikante, elektrische Wirbelströme leiten, die das Magnetfeld des Kerns 12 beeinträchtigen könnten. In einem Ausführungsbeispiel der Ausführung aus 3 ist das Substrat 26 0,2 mm stark und 44,7 mm breit. Dort befinden sich 148 parallele Kupferbahnen 29, die 0,15 mm breit und um 0,15 mm voneinander beabstandet sind. Zur Übersichtlichkeit sind die Bahnen in 3 nicht maßstabsgerecht gezeigt; die Anzahl von parallelen Bahnen und die Abmessungen der Bahnen sind so, wie zuvor beschrieben. In einem Ausführungsbeispiel ist die elektrostatische Abschirmung so positioniert, daß die leitende Oberfläche der Primärwicklung 14 und dem ersten Kernbereich 12a gegenüberliegt. Die Ausführung aus 3 kann so aufgebaut und angeordnet werden, daß die leitende Struktur 28 in elektrischem Kontakt mit dem ersten Kernbereich 12a steht, so daß jegliche elektrische Ströme, die in dem ersten Kernbereich 12a auftreten können, über das Ableitungselektrodenkabel 30 abgeleitet werden.
Unter Bezugnahme auf 4 ist dort eine Querschnittsansicht entlang der Linie 4-4 aus 2 von einer zweiten Ausführung der elektrostatischen Abschirmung 22 gezeigt. Eine dünne Schicht aus elektrisch isolierendem Material 34 (wie 0,2 mm starkes Polyester) ist mit einer dünnen leitenden Schicht 36 (wie Indiumzinnoxid) bedeckt. Die Stärke und die elektrischen Eigenschaften der leitenden Schicht sind so gewählt, daß die Oberflächenleitfähigkeit in etwa bei 20 Ohm pro Quadrat liegt und so, daß dort nur unwesentliche Wirbelströme in der leitenden Schicht auftreten, die einen unwesentlichen Einfluß auf das Magnetfeld des Kerns 12 haben. Die Abmessungen und elektrischen Eigenschaften der leitenden Schicht sind ferner so gewählt, daß sie eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweisen, um kapazitive Verschiebungsströme zu einem Ableitungselektrodenkabel 30 zurückzu leiten, so daß die kapazitiven Verschiebungsströme in ihre Quelle zurückgeleitet werden können.
Unter Bezugnahme auf 5 wird dort eine dritte Ausführung der elektrostatischen Abschirmung 22 gezeigt. Die Abschirmung aus 5 ist ein plattenförmiges Element 37 aus im wesentlichen gleichmäßig leitenden Material mit einem Oberflächenwiderstand in dem Bereich von 10 bis 100 Ohm pro Quadrat. Die physikalischen und elektrischen Abmessungen des plattenförmigen Elements sind so gewählt, daß dort eine ausreichende Leitfähigkeit vorhanden ist, um kapazitive Verschiebungsströme zu dem Ableitungselektrodenkabel 30 zurückzuleiten und so, daß der Einfluß auf das Magnetfeld des Kerns 12 unwesentlich ist. Ein plattenförmiges Element aus kohlenstoffimprägniertem Polymer mit einer Stärke von 0,2 mm ist geeignet.
Unter Bezugnahme auf 6 wird dort ein Blockschaltbild einer elektronischen Vorrichtung gezeigt, die einen erfindungsgemäßen abgeschirmten Transformator umfaßt. Ein Audiosystem 40 umfaßt eine schaltende Stromversorgung 42, die elektrischen Strom von einem Netzstecker 44 erhält, der mit einer externen elektrischen Stromquelle (wie Wechselstrom aus dem Netz) verbindbar ist. Die schaltende Stromversorgung 42 wandelt den Strom aus dem Netz in Strom für eine Audiosignalverstärkungs- und -wandlerschaltung 46 um. Die Audiosignalverstärkungs- und -wandlerschaltung 46 verstärkt die Audiosignale von dem Audiosignalprozessor 50 und wandelt sie in Schallwellen um. Der Audiosignalprozessor 50 verarbeitet die Audiosignale von mehreren Quellen, einschließlich eines AM/FM-Tuner 48. Der AM/FM-Tuner 48 empfängt und stimmt das von der Antenne 52 empfangene Funk- bzw. Radiosignal ab.
Die schaltende Stromversorgung 42 umfaßt einen ersten Gleichrichter 54 und eine schaltende Schaltung 56, an die der erfindungsgemäße Transformator 10 gekoppelt ist. Der Transformator 10 umfaßt eine elektrostatische Abschirmung 22, die zwischen den zwei Kernbereichen 12a und 12b und zwischen der Primärwicklung 14 und Sekundärwicklung 16 positioniert ist, wobei die leitende Struktur (28 aus 3 oder 36 aus 4) der Primärwicklung 14 und dem ersten Kernbereich 12a gegenüberliegt. Das Ableitungselektrodenkabel 30 verbindet die leitende Struktur (28 aus 3 oder 36 aus 4) der elektrostatischen Abschirmung 22 mit der schaltenden Schaltung 56. Eine optionale zweite elektrostatische Abschirmung 22' ist zwischen den Kernbereichen 12a und 12b und zwischen der Primärwicklung 14 und der Sekundärwicklung 16 positioniert, wobei die leitende Struktur oder Schicht (28 aus 3 oder 36 aus 4) der elektrostatischen Abschirmung 22' der Sekundärwicklung 16 und dem zweiten Kernbereich 12b gegenüberliegt. Ein Ableitungselektrodenkabel 30' der elektrostatischen Abschirmung 22' verbindet die leitende Struktur mit einer gemeinsamen Leitung 49 zur Sekundärwicklung 16. Endanschlüsse der Sekundärwicklung 16 sind an einem zweiten Gleichrichter 58 gekoppelt, der an die Audiosignalverstärkungs- und -wandlerschaltung 46 gekoppelt ist, die die Audiosignale, die sie von dem Audiosignalprozessor 50 erhalten hat, verstärkt und wandelt. Die schaltende Schaltung 56 kann die Spannung an den Sekundärwicklungen 16 mittels vieler Methoden, einschließlich einer Frequenzmodulation, Pulsmodulation oder einer Pulsweitenmodulation und anderen modulieren. Eine alternative Anordnung der Kombination der elektrostatischen Abschirmung 22 und der elektrostatischen Abschirmung 22' ist ein einzelnes, elektrisch isolierendes Substrat von ausreichender Stärke mit einer ersten leitenden Struktur oder Schicht (28 aus 3 oder 36 aus 4) auf einer Oberfläche des Substrates, die dem ersten Kernbereich 12a und der Primärwicklung 14 gegenüberliegt, und mit einer zweiten leitenden Struktur oder Schicht (28 aus 3 oder 36 aus 4) an einer zweiten Oberfläche des Substrates, die dem zweiten Kernbereich 12b und der Sekundärwicklung 16 gegenüberliegt.
In Betrieb richtet der Gleichrichter 54 den Wechselstrom aus dem Netz zu Gleichstrom gleich. Die schaltende Schaltung 56 wandelt den Gleichstrom in elektrische Pulse um, die typi scherweise eine signifikant höhere Frequenz als der Wechselstrom aus dem Netz haben. Der Transformator 10 wandelt die elektrischen Pulse in eine andere, typischerweise niedrigere Spannung um. Ein zweiter Gleichrichter 58 wandelt die Hochfrequenzausgabe des Transformators 10 in Gleichstrom einer geeigneten Spannung um, um die Audiosignalverstärkungs- und -wandlerschaltung 46 mit Strom zu versorgen. Die Audiosignalverstärkungs- und -wandlerschaltung 46 verstärkt und wandelt Audiosignale um, die sie von dem Audiosignalprozessor 50 empfangen hat. Der Spannungspegel an den Ausgangsanschlüssen des Gleichrichters 58 wird durch die schaltende Schaltung 56 moduliert. Eine Modulation kann durch viele Methoden, einschließlich einer Frequenzmodulation, einer Pulsmodulation oder einer Pulsweitenmodulation und anderer durchgeführt werden. Die erste elektrostatische Abschirmung 22 und die zweite elektrostatische Abschirmung 22' schirmen ab und leiten jedwede kapazitive Verschiebungsströme zurück in die Quelle der elektrischen Ströme und minimieren dadurch eine elektromagnetische Abstrahlung der Transformatoranordnung 10.
Eine erfindungsgemäße elektronische Vorrichtung ist vorteilhaft, da die kapazitiven Verschiebungsladungen zwischen beiden Wicklungen und zwischen den Kernhälften signifikant gedämpft werden. Dort besteht daher ein geringeren Bedarf nach einer Filterung von elektromagnetischen Störungen von einer Stromleitung und von Ausgangskabeln. Zusätzlich besteht ein geringerer Bedarf an einer Abschirmung vor elektromagnetischen Störungen der Vorrichtung gegenüber nahe stehender elektronischer Geräte oder Bauteile elektronischer Geräte, da eine Vorrichtung, die die Erfindung umfaßt, weniger elektromagnetische Störungen erzeugt. Die Abschirmung kann kostengünstig hergestellt werden und leicht in den Transformator integriert werden. Ein Transformator, der die Abschirmung umfaßt, benötigt weniger der teureren Abschirmungsvorrichtungen vor elektromagnetischen Störungen, die schwieriger anzuordnen sind und andere Funktionen beeinträchtigen können, wie das Verhindern einer Transformatorüberhitzung.
In Transformatoren, die mehr als zwei Kernbereiche aufweisen, können mehrere Abschirmungen zum Abschirmen eines Kernbereichs von zwei oder mehr anderen Kernbereichen eingesetzt werden.
Eine erfindungsgemäße Transformatorabschirmung verhindert kapazitive Verschiebungsströme, die zwischen den Kernbereichen des Transformators fließen, ohne die magnetischen Eigenschaften der Kernbereiche wesentlich zu beeinflussen. Ein Transformator, der die Erfindung umfaßt, kann wesentlich geringere Abstrahlungen auf Grund von elektromagnetischen Störungen als ein konventioneller Transformator aufweisen.
Es ist offensichtlich, daß Fachleute nun zahlreichen Nutzen daraus ziehen können und sich von der speziellen Vorrichtung und den Techniken entfernen können, die hierin offenbart sind, ohne die erfinderischen Konzepte zu verlassen. Konsequenterweise ist die Erfindung so auszulegen, daß sie jedes neue Merkmal und jede neue Kombination der Merkmale, die hier offenbart sind, umfaßt und nur durch die nachfolgenden Ansprüche beschränkt wird.

Claims

Transformator (10) mit: einem ersten Transformatorkernbereich (12a) mit ersten Wicklungen (14); einem zweiten Transformatorkernbereich (12b) mit zweiten Wicklungen (16); einer Abschirmung (22) zum elektrischen Abschirmen des ersten Transformatorkernbereichs von dem zweiten Transformatorkernbereich, wobei die Abschirmung einen elektrisch leitenden Bereich (28, 36) an ihrer Oberfläche aufweist; dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende Bereich (28, 36) mit einem elektrisch leitenden Bereich (30) elektrisch verbunden ist, um kapazitive Verschiebungsströme zurück in ihre Quelle zu leiten.
Transformator (10) nach Anspruch 1, wobei die Abschirmungsvorrichtung ein elektrisch isolierendes Substrat (26) und eine Struktur (28) eines elektrisch leitenden Materials umfaßt, die auf dem Substrat angeordnet ist.
Transformator (10) nach Anspruch 2, wobei die Struktur (28) umfaßt: mehrere, parallele Bahnen (29) aus dem elektrisch leitenden Material; und eine Verbindungsbahn (32) aus dem leitenden Material, die die mehreren, parallelen Bahnen miteinander verbindet, wobei der elektrisch leitende Bereich (30) elektrisch mit der Verbindungsbahn gekoppelt ist.
Transformator (10) nach Anspruch 2, wobei die Abschirmungsvorrichtung (22) so angeordnet ist, daß die Struktur der ersten Wicklung gegenüberliegt.
Transformator (10) nach Anspruch 1, wobei die Abschirmungsvorrichtung (22) ein plattenförmiges Element (37) aus einem Material mit einem elektrischen Widerstand in dem Bereich von 10 bis 100 Ohm pro Quadrat umfaßt.
Transformator (10) nach Anspruch 5, wobei die Abschirmungsvorrichtung (22) ein kohlenstoffimprägniertes Polymer umfaßt.
Transformator (10) nach Anspruch 1, wobei die Abschirmungsvorrichtung (22) ein elektrisch isolierendes Substrat (26, 34) und eine leitende Beschichtung (28, 36) umfaßt, die einen elektrischen Oberflächenwiderstand in dem Bereich von 10 bis 100 Ohm pro Quadrat aufweist.
Transformator (10) nach Anspruch 7, wobei die leitende Beschichtung (36) Indiumzinnoxid umfaßt.
Transformator (10) nach Anspruch 1, wobei die Abschirmungsvorrichtung (22) umfaßt: eine erste und eine zweite Oberfläche mit einem leitenden Material (28, 36), das an der ersten Oberfläche angeordnet ist, wobei die Abschirmungsvorrichtung so positioniert ist, daß die erste Oberfläche der ersten Wicklung (14) gegenüberliegt.
Transformator (10) nach Anspruch 9, wobei das leitende Material (28, 36) in elektrischem Kontakt mit dem ersten Kernbereich (12a) steht.
Transformator (10) nach Anspruch 9, ferner mit: einer zweiten Abschirmungsvorrichtung (22') mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche mit einem leitenden Material, das an der zweiten Oberfläche angeordnet ist, wobei die zweite Abschirmungsvorrichtung (22') so positioniert ist, daß die zweite Oberfläche der zweiten Abschir mungsvorrichtung dem zweiten Kernbereich (12b) gegenüberliegt.
Transformator (10) nach Anspruch 1, ferner mit einem dritten Kernbereich und einer zweiten Abschirmungsvorrichtung, die so aufgebaut und angeordnet ist, um den ersten Kernbereich von dem dritten Kernbereich elektrisch abzuschirmen.
Elektrische Stromversorgung (42) mit: einem Transformator (10) nach einem der Ansprüche 1–12; einer elektrischen Energiequelle (44); und einer schaltenden Schaltung (56), die an die elektrische Energiequelle gekoppelt ist, wobei die schaltende Schaltung mit dem Transformator gekoppelt ist.
Stromversorgung (42) nach Anspruch 13, ferner mit: Eingangsanschlüssen (44) zum Eingeben von elektrischem Strom aus dem Netz, der durch eine elektrische Spannung gekennzeichnet ist; einem Gleichrichter (54), der zum Gleichrichten des elektrischen Stroms aufgebaut und angeordnet ist, um gleichgerichteten, elektrischen Strom zu erzeugen; und einer schaltenden Schaltung (56), die zum Schalten des gleichgerichteten, elektrischen Stroms aufgebaut und angeordnet ist, um geschalteten, gleichgerichteten, elektrischen Strom für den Transformator zu erzeugen, wobei die Vorrichtung zum Betrieb als Stromversorgung aufgebaut und angeordnet ist.
Stromversorgung (42) nach Anspruch 14, ferner mit: einer Antenne (52); und einem Tuner (48), der mit der Antenne gekoppelt ist, wobei die elektrische Stromversorgung (42) so aufgebaut und angeordnet ist, um den Tuner mit Strom versorgen.