專利名稱：變壓器的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及接口技術領域。已經知道接口技術中包含諸 如用于測量控制和調節技術的模塊化轉換器這樣的電子元器件，尤其 是隔離放大器。這樣的隔離放大器可以用于標準常規信號的電流隔 斷、轉換、放大和濾波并且用于匹配模擬信號。這些隔離放大器在輸 入、輸出和饋電電路方面在電流上是彼此隔斷的。這一隔斷防止了不 同的傳感器電路和致動器電路因為由不同電路的接地造成的接地環 路的干擾而相互影響。
背景技術：
電流隔斷是由功率轉換中使用的感應無源元器件實現的。變壓 器是電子工程中一種重要的無源元器件。借助變壓器，可以提升或降
低AC電壓。如本例中那樣，如果變壓器并非用于功率轉換，而是用 于模擬信息傳遞，則變壓器的恰當稱謂是耦合變壓器。也有可能將變 壓器既用于功率轉換也用于信號傳遞。這兩種電子元器件都按照相同 的感應元器件原理操作。隔離放大器的電子元器件，包括變壓器，通 常安裝在電路板上；可以將該電路板安放在絕緣材料的外殼內并且可 以配備有螺旋、插入式或彈簧線夾端子。可以按照EN 50022將絕緣 材料外殼夾持到承載軌道上，并且這樣安裝在例如開關機箱中。不過 開關機箱中的總可用空間是有限的。由于這一限制，就存在著使電子 元器件(包括絕緣材料外殼)的總尺寸最小和更加經濟地制造它們的 研發要求。
從現有技術中可以充分地了解配備有一個或多個無源變壓器的 隔離放大器，例如，從Phoenix Contact GmbH & Co. KG的產品目錄 《Signal converter interface 2002》(TNR 5123474/04. 01. 02-00) 禾口《磨product catalog 2004》(TNR 5154139/04.15.04-00)中就可以找到這樣的隔離放大器。
這樣的隔離放大器由多個電子元器件組成。這些電子元器件之 一是用于實現信息信號的電流隔斷的變壓器。如果不存在載流子從一 個電路流入另一個直接相鄰電路的路徑，則稱這兩個電路是電流隔斷 的。電流隔斷電路之間的信息交換可以經由變壓器實現。變壓器由例 如軟磁材料的環形芯構成，該環形芯纏繞有至少兩匝絕緣導線。困難 的是例如如何將變壓器快速、經濟并且以節省空間的方式安裝在隔離 放大器的電路板上。因此在電路板上安裝變壓器對安裝技術設立了較
高的要求。為了安裝變壓器，使用了 SMD安裝技術(SMD:表面安裝裝 置)，其中借助吸管把持要安裝的元器件并且將其安裝在電路板的表 面上，EP1104931A2提出了使用經過改造的環形芯，該環形芯在其較 窄的外側上具有形成接觸表面的兩個表面區域，這些區域起到將環形 芯放在載體板上并且將其安裝在上面的作用。可以繼而將載體板安裝 在電路板上。DE3834590A1介紹了類似的情況。這些結構布置的缺點 在于，由電路板、載體板和安放在上面的變壓器造成的總高度并不適 合于減小隔離放大器的總寬度。
DE20309843U1提出了使用可以用SMD技術進行處理的變壓器； 它具有帶安放支撐腳的環形芯，從而不需要載體板并且可以將環形芯
直接安裝在電路板上。按照這種設計，通過消除載體板減小了總高度， 但是仍然存在本質的缺點變壓器的環形芯是垂直安放在電路板上的 并且這樣會造成總高度過高。
DE4214789C1因此采用了將變壓器的環形芯水平安裝在電路板 上的途徑。這種設計的最大缺點是，線圈只能在安裝好環形芯之后利 用電路板上的調節孔來固定，因此不適合于SMD安裝。
DE3318557A1提出適合于用在電路板上的以水平方式實現的結 構安排。這也不可能實現總高度的減小。
DE19615921A1介紹了在電路板中包含用來容納環形芯的切口的 構造。這會得到較低的總高度，應該適合于隔離放大器的使用。最大 的缺點在于，以將元件安裝成平坦的結構形態并不適合于SMD安裝技 術，因此不適合于大規模批量生產。這一結構設計也不滿足EX標準對空氣間隙和漏電路徑的較高要求。
因此本發明基于如何創造用于上述類型的隔離放大器的避免了 前述已知方案的缺點的感應元器件或變壓器的問題、如何對使得為具 有簡單有效的幾何機構的隔離放大器生產經濟型變壓器成為可能的 技術方案進行規定的問題，這種變壓器具有較低的總高度并且能夠利
用SMD安裝技術安裝在電路板上，而且盡管如此依然滿足EX標準對
空氣間隙和漏電路徑的較高要求。
按照本發明，這一問題通過按照權利要求1表述的特征得到了 解決。從隨后的從屬權利要求和下面的介紹可以得出本發明的優選實 現方式和細化。
發明內容
為了以能夠利用SMD安裝技術的結構形態和實現窄絕緣材料外 殼的小型化設計來創造具有本發明的這些特點的變壓器，提出了生產 這樣的隔離放大器在第一實施方式中，該隔離放大器在其電路板中
具有開口，用于變壓器的獨立整體安裝的部件，該部件代表隔離放大 器構造中的功能部分。在第二實施方式中，能夠獨立整體安裝的部件 是預先安裝的并且僅僅在安裝在隔離放大器的電路板上之后才構成 變壓器。第二實施方式中的變壓器僅僅是通過在焊接期間閉合短路線 圈來完成的。短路線圈的至少一部份位于主板或電路板上，有可能成 為平坦的短路線圈。按照另外一種可選方案，這也可以預先借助單獨 的焊接橋來完成。
模擬信號的傳輸非常容易受到工業環境中噪聲的影響。用于測 量、控制和調節技術的模塊化轉換器可以避免由于外部噪聲參數造成 的模擬信號失真。這樣通過模擬信號的精確轉換、隔離和匹配確保并 提高了傳輸質量，并且因此提高了控制環的質量。為了滿足這一質量 標準或者相應的法定標準，需要開發出一種變壓器部件，這種變壓器
部件滿足前述要求或者可以借助SMD安裝技術整體安裝到電路板的 開口中，并且因此可以整體安裝到隔離放大器的窄小絕緣外殼內。 這一問題是按照本發明通過下述技術規范解決的。技術問題在于將兩個或多個傳統繞線式環形芯連接成具有初級 繞組和一個或多個次級繞組的變壓器，其中感應部件可以是并聯連接 或者串聯連接的。在最簡單的結構等級上，初級繞組是纏繞在第一環 形芯上的，并且次級繞組纏繞在第二環形芯上。兩個成套的磁芯安裝 在具有在內部層內的一個或多個印制導體的一個單片基板上。安裝可
以利用SMD安裝機器人來完成。繞組的導體末端可以纏繞在接觸面的 線圈區域上。與驅動電路的電接觸，例如，是經由接觸面提供的。將 設置在基板的連接臂上的線圈區域插入到隔離放大器的電路板中，從 而變壓器的整體或者預制部件可以平坦地處于電路板上并且因此適 于SMD焊接。真空吸合裝置可以經由處于變壓器中央的吸合面對該部 件施加吸力，運送它，使它位于電路板上方并且將它放下。此外，隔 離放大器的印制導體是利用接觸面(例如通過鍍錫)連接到隔離放大 器的電路板上的，以形成完整的線圈，該線圈代表感應初級部件的輸 出線圈和感應次級部件的輸入線圈。基板的材料借助它的結構建立了 繞組之間的隔離。內部印制導體由至少0.5 mm的絕緣材料包裹。這 樣，能夠實現針對受EX保護的產品有關隔離的高要求。EX場所需要 的間隔以及用于確保初級和次級繞組的安全標準隔離的空氣和漏電 間隙是由中央輻板和中央層中的印制導體到基板邊緣的距離固有地 決定的。利用基板中印制導體的適當安排能夠實現兩個或更多短路線 圈，其中，短路線圈可以均勻地分布在感應部件的兩側，這樣會同時 得到感應部件接合的改善。
在附圖中純粹示意性地給出了本發明的一些實施方式并且將在 下文中詳細介紹。附圖l一3中給出的印制導體11是正常地包含在基 板10中的，并且是看不見的。為了更好地理解和說明，在基板10 的表面上示出了印制導體11。
圖1表示整體安裝到電路板中的變壓器的示意圖的平面圖，和 圖2表示變壓器的另一種布置方式，在兩個感應部件之間具有 隔擋零件，和圖3表示變壓器的另一種安排方式，具有三個并聯連接的感應 部件，和
圖4表示圖1的側視圖。
具體實施例方式
在圖1的示意圖中示出了整合在電路板20的開口 22中的變壓 器1，其中變壓器1包括部件2'，本文中此后也稱為具有軟磁材料的 磁芯4、 4'和基板10的套裝件，磁芯4、 4'具有中心孔5 (未示出)， 一個或多個絕緣線7的線圈6、 6'穿過該中心孔5，基板10具有內部 印制導體ll，基板10是一個或多個成套的磁芯4、 4'和6、 6'的支 撐；它包括一個或多個輻板12、 12 '以及一個或多個連接臂13， 一 個或多個內部印制導體11設置在輻板12、 12'中，連接臂13具有接 觸面14和金屬化線圈接觸區域15，在接觸面14的上側48和下側49 上進行了金屬化，用于將感應部件3、 3'與設置在電路板20上的電 子元器件(未示出)相連接，金屬化線圈接觸區域15用于固定線圈 6、 6'的起始匝16和末尾匝17，其中套裝件2給出了適合于表面安 裝的可小型化SMD部件，并且配備有至少兩個感應部件3、 3'。為了 使變壓器1的套裝件2能夠利用SMD技術安裝，基板10是平的。平 面基板10包含用于由吸管19 (未示出)將其安裝到電路板20上的 表面18。吸管19在表面18處抓住變壓器1的部件2并且運送部件2， 以將其安裝到電路板開口 22中，在電路板開口 22中，通過焊接、粘 接等經由金屬化接觸面14使部件2與電路板20成為一個整體并且與 電路板20連接。將電路板開口 22的切口 23設計成這樣在安裝了 套裝件2之后，使得兩個感應部件3、 3'以感應部件3、 3'不可能發 生向外的橫向位移的方式固定在電路板開口 22中。由于輻板的邊緣 或末端的作用，兩個感應部件3、 3'同樣也不可能朝向基板的中心發 生向內的位移。平面基板IO此外還包括兩個沿著基板10的縱方向處 于基板中間的輻板12、 12'，這兩個輻板12、 12'處于同一中心軸上 并且沿著相反的方向彼此背離，繞線式環形芯被按壓到這兩個輻板 12、 12'上。還有這樣的設計安裝可以由SMD安裝機器人來完成。因此可以預先制造好基板10。輻板12、 12'穿過感應部件3、 3'的中 心孔5，其中感應部件3'形成初級部件，而另一個感應部件3'形成 次級部件。這樣感應部件3包括具有初級繞組6的磁芯4，并且感應 部件3'包括具有次級繞組6'的磁芯4'，其中磁芯4、 4'由環形芯8、 8'形成。按照另外一種可選方案也可以將磁芯4、 4'還形成為矩形鐵 氧體芯。兩個成套的磁芯4、 6和4' 、 6'由基板10內部穿過環形芯8、 8'的中心孔5的印制導體11相連，基板中的印制導體11是由印制電 路形成的。基板10中設置的另外兩條印制導體24、25在感應部件3、 3'外側穿行。印制導體ll、 24、 25在基板10的端面31、 31'露出， 并且通過例如焊接連接到電路板20上，由此得到了線圈。如圖l中 所示，如果三個印制導體ll、 24、 25在基板IO上相互連接，則得到 兩個線圈32、 37。各個線圈32和37形成平面短路線圈33，該線圈 將初級繞組6與次級繞組6'連接起來。穿過基板10內部的產生兩個 感應部件3、 3'的耦合的印制導體11、 24、 25由至少0. 5匪的絕緣 材料35包裹，并且具有與標準EN 50020和EN 50014的規定相應的 邊緣距離，從而變壓器1的部件2滿足固有安全性的要求。
圖2中給出的變壓器1表示針對圖1的構造的另一種配置，并 且可以類似地預先制造。如果在環形隔擋套筒27的上側產生供吸管 使用的小平坦表面(未示出)，就可以實現能夠采用SMD的安裝。基 板IO上的輻板12不能象圖1中那樣從兩側到達(從兩側到達會導致 需要兩個輻板12、 12')，而是僅能夠從一側到達，從而結果得到一 個較長的輻板12。因此輻板12是兩個感應部件3、 3'的載體。感應 部件3、 3'是一個跟在另一個后面地安放的，并且由零件26間隔開。 零件26最好是由絕緣材料34制成的隔擋套筒27，并且是在組裝期 間在兩個感應部件3、 3'之間按壓到輻板12上的。借助隔擋套筒27 上的平坦表面(平化表面，未示出)，可以使用安裝機器人來進行安 裝。借助不同長度的隔擋套筒27，兩個感應部件3、 3'之間的距離可 以適合于各種各樣的標準規格，并不僅僅是EX規格。如圖1中所示， 兩個感應部件3、 3'經由印制導體11、 24、 25借助兩個平面線圈32、 37彼此連接，從而得到了兩個短路線圈。如按照另外一種可選方案，如圖2所示，印制導體ll、 24、 25可以包括具有微小間隔的兩條平 行印制導體11和29、印制導體24和29以及印制導體25和29，用 來連接兩個感應部件3、 3'。這一套裝件2的其它特性，例如連接臂 13的特性，與圖l中介紹的特性一致。
圖3表示變壓器1的構造的另一種配置。變壓器1的套裝件2 沿著虛線畫出的外輪廓39大體上相當于具有相互間隔120°的三個 切口 41的對稱六邊形40。沿著切口 41的中心線設置有各個垂直向 外指向的起到接納感應部件3、 3'的作用的輻板12、 12'。切口 41 的兩個平行內側42、 42'是由連接臂13、 13'加上的，連接臂13、 13' 類似地平行于輻板12并且與圖1中一樣，是由接觸面14和線圈接觸 區域15形成的。展開的連接臂13、 13'按照本發明是以這樣的方式 安排的它們類似地彼此間隔120° ，以便在供絕緣線7、 7'或線圈 6、 6'使用的線圈接觸區域15、 15'之間達到最大地可能距離"X"。 這個距離"X"確保兩個電流隔斷的區域之間有必要的間隔，以保護 變壓器1的"固有安全性"，并且這樣滿足了標準EN 50020的準則。 這個部件或套裝件2與三個感應部件3、 3'構成一個整體，其中的一 個感應部件3配備有初級繞組4，并且與之平行設置的兩個感應部件 3'配備有次級繞組4'。可以由吸管(未示出)在基板10的中心對變 壓器1施加吸力并且可以借助SMD安裝機器人21來安裝它。為了安 裝帶有初級感應元件3的基板10，用標識號"1"或者用管腳號44 的形式為輻板12和/或接觸臂13加上標號。標識號"1"使得SMD 安裝機器人21能夠在將套裝件2安裝在電路板20的開口 22中期間 實現部件2的安全定位。在將帶有初級繞組6的輸入側感應部件3 安裝在輻板12上之后，將兩個帶有次級繞組6'的輸出側感應部件3' 安裝在輻板12'上。輻板12、 12'和基板IO形成有連續的內部印制導 體11，如從圖1中了解到的那樣。印制導體11可以是一個或多個印 制導體11。在本結構布置中，有兩個相互平行并且間隔開微小距離 的印制導體ll、 29。印制導體ll、 29的特殊功能是，印制導體ll、 29在初級輸入側46的輸出側上沿著兩個方向45、 45'岔開，以便與 兩個次級輸出側47、 47'連接。在本實現方式中也是一樣，短路線圈僅僅是通過焊接到電路板20上完成的。這一部件2的其它特性，例 如連接臂13的特性，與圖l中介紹的相當。圖4以側視圖表示整合到電路板20中的具有按照圖1的套裝件 2的變壓器1，從圖中可以看出，非常明顯較低的總高度"Y"小于或 等于4.6 mm。總高度"Y"是由磁芯4及其繞組6決定的。基板10 內部的印制導體11在基板10的端面31處相互連接。這一部件2的 其它特性，例如連接臂13的特性，與圖l中介紹的特性一致。標記數字列表1變壓器2部件或套裝件3感應部件(初級)3'感應部件(次級)4磁芯(初級)4'磁芯(次級)5中心孔4繞組(初級)6'繞組(次級)7絕緣線8環形芯8'環形芯9未使用10基板11印制導體12輻板 12'輻板 13連接臂 13'連接臂 H接觸面14'接觸面15線圈接觸區域15'線圈接觸區域16起始匝17末尾匝18表面19吸管20電路板21 SMD安裝機器人22電路板開口23切口24印制導體25印制導體26零件27隔擋套筒28未使用29印制電路30端面31端面31'端面32繞組I33短路線圈34材料35絕緣材料36總高度37繞組II38未使用39外部輪廓40六邊形41切口42內部側 42'內部側 43未使用 44管腳號 45方向 45'方向 46輸入側 47輸出側 48端側 49下側 50上側 51未使用 52未使用 53未使用
權利要求
1.變壓器(1)，包括套裝件(2)，該套裝件(2)具有-具有中心孔(5)的軟磁材料磁芯(4)，一個或多個絕緣線(7)繞組(6)穿過該中心孔(5)，-具有內部印制導體(11)的基板(10)，該基板(10)是一個或多個成套磁芯(4，6)的載體，該基板(10)具有一個或多個輻板(12)以及一個或多個連接臂(13)，在輻板(12)中設置有用于接通一個或多個成套磁芯(4，6)的一個或多個內部印制導體(11)，一個或多個成套磁芯(4，6)可以推到輻板(12)上，一個或多個連接臂(13)具有接觸面(14)，接觸面(14)用于將感應部件(3)與設置在電路板(20)上的電子元器件連接起來，并且連接臂(13)具有用于固定繞組(6)的起始匝(16)和末尾匝(17)的接線區域(15)，-其中整套套裝件(2)給出小型化的電子部件并且配備有至少兩個感應部件(3，3’)。
2. 變壓器(1)，包括套裝件(2)，該套裝件(2)具有 一具有中心孔(5)的軟磁材料磁芯(4)， 一個或多個絕緣線(7)繞組(6)穿過該中心孔(5)，一具有內部印制導體(11)的基板(10)，該基板(10)是一 個或多個成套磁芯(4， 6)的載體，該基板(10)具有一個或多個輻 板(12)以及一個或多個連接臂(13)，在輻板(12)中設置有用于 接通一個或多個成套磁芯(4， 6)的一個或多個內部印制導體(11)， 一個或多個成套磁芯(4， 6)可以推到輻板(12)上， 一個或多個連 接臂(13)具有接觸面(14)，接觸面(14)用于將感應部件(3) 與設置在電路板(20)上的電子元器件連接起來，并且連接臂(13) 具有用于固定繞組(6)的起始匝(16)和末尾匝(17)的接線區域(15)，一其中預先安裝的套裝件(2)給出小型化的電子部件并且配備有至少兩個感應部件(3， 3')，并且其中短路線圈的至少一部分位 于電路板(20)上。
3. 按照權利要求l所述的變壓器(1)，其特征在于部件(2) 包含適合于SMD安裝技術的平面基板(10)。
4. 按照權利要求l一2所述的變壓器(1)，其特征在于平面基 板(10)具有供吸管(19)使用的平坦表面(18)。
5. 按照權利要求l一4所述的變壓器(1)，其特征在于基板(IO) 的輻板(12)穿過感應部件(3)的中心孔(5)。
6. 按照權利要求2所述的變壓器(1)，其特征在于部件(2) 包含初級和次級感應部件(3， 3')。
7. 按照權利要求6所述的變壓器(1)，其特征在于一個感應 部件(3)由具有初級繞組(6)的磁芯(4)形成，并且另一個感應 部件(3')由具有次級繞組(6')的磁芯(4')形成。
8. 按照權利要求l一6所述的變壓器(1)，其特征在于磁芯(4， 4')包括環形芯(8)。
9. 按照權利要求l一6所述的變壓器(1)，其特征在于磁芯(4， 4')包括矩形芯(8)。
10. 按照前述權利要求中的一項或多項所述的變壓器(1)，其 特征在于設置在輻板(12)上的成套磁芯(4， 6)和(4' ， 6')的連 接是由基板(10)和電路板(20)中的至少一個內部印制導體(11) 實現的。
11. 按照權利要求9所述的變壓器(1)，其特征在于基板(10) 和電路板(20)中的內部印制導體(11)給出了印制電路(30)。
12. 按照權利要求9一10所述的變壓器(1)，其特征在于印制 導體(11)連接在基板(10)的端面(31)處并且給出至少一個線圈(32)。
13. 按照權利要求9一11所述的變壓器(1)，其特征在于線圈 (32)形成至少一個平面短路線圈(33)，該線圈將初級繞組(6)與次級繞組(6')連接起來。
14. 按照前述權利要求中的一項或多項所述的變壓器(1)，其 特征在于基板(10)中的內部印制導體(11)由至少0.5 mm的絕緣 材料(35)包裹。
15. 按照前述權利要求中的一項或多項所述的變壓器(1)，其 特征在于部件(2)在固有安全性方面滿足標準EN 50020。
16. 按照前述權利要求中的一項或多項所述的變壓器(1)，其 特征在于所述套裝件(2)的總高度(36)小于或等于4. 6 mm。
全文摘要
本發明總體上涉及接口技術領域。已經知道接口技術領域中包含諸如用于測量技術、控制技術和控制工程的模塊化轉換器這樣的電子元器件，具體來說是隔離放大器。這些隔離放大器可以用于對標準信號進行電流隔斷、轉換、放大和濾波并且用于匹配模擬信號。這些隔離放大器在輸入、輸出和饋電電路中在電流上是彼此分離的。按照本發明，為達到隔斷的目的，使用SMD安裝技術將變壓器作為獨立部件整體安裝到隔離放大器的電路板中，其中變壓器包含由磁芯和繞組構成的感應部件與包含形成平面鼠籠式繞組的內部印制導體的基板的組合。
文檔編號H01F27/02GK101300649SQ200680040935
公開日2008年11月5日 申請日期2006年8月30日 優先權日2005年8月30日
發明者約爾格·布蘭克 申請人:菲尼克斯電氣公司