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lt Funkentstördrossel und Verfahren zu ihrer Herstellung Die Erfindung
bezieht sich auf eine Funkentstördrossel für Haibleiterschaltungen, insbesondere
für solche mit Phasenanschnittsteuerungen, bestehend aus einem Ringkern und einer
isoliert auf diesem angeordneten Dral-csicklung, wobei der Ringkern zwei Komponenten
enthält, von denen die eine ein mehrlagiges Gebilde aus Weicheisen und die andere
ein durch Druck und Bindemittel verfestigter Körper aus ferromagnetischem Pulver
ist.
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Halbleiterschaltungen mit Phasenanschnittsteuerung finden zunehmend
stärkere Verbreitung auf allen Gebieten der Technik. Phasenanschnittsteuerungen
werden beispielsweise zur Steuerung der Energieaufnahme von Wechselstromverbrauchern,
wie Glühlampen, Leuchtstoffröhren, Heizgeräte, Motoren etc. verwendet. Aus der Funktion
derartiger Phasenanschnittsteuerungen ergeben sich zwangsläufig starke Funkstörungen,
die aufgrund einer Vorschrift des Verbandes deutscher Elektrotechniker unterdrückt
werden müssen (VDE-Vorschrift o875). Funkentstördrosseln stellen dabei nur einen
Teil der gesamten Entstörmittel dar, die einen nicht unerheblichen Kostenfaktor
an den Gesamtkosten der elektrischen Ausrüstung ausmachen. Es wird in einigen Fällen
auf den Einsatz der technisch eleganten Phasenanschnittsteuerung verzichtet, nur
weil der Aufwand an Funkentstörmitteln für den geforderten Zweck zu groß ware. Es
ist aber wenig wünschenswert, den Einsatz moderner, elektrischer Steuerungsmittel
daran scheitern zu lassen, daß der Aufwand für die vorgeschriebene Funkentstörung
unverhältnismäßig groß wird. Einwandfrei funktionierende Funkentstörmittel unter
Verwendung von Drosseln gehören jedenfalls bereits seit geraumer Zeit zum Stande-der
Technik.
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Durch die DT-OS 1 8o4 835 ist eine Funkentstordrossel vorbekannt,
deren Ringkern aus unterschiedlich legierten Blechstreifen besteht, die zu einem
Bandringkern zusammengewickelt sind. Eine solche Drossel besitzt zwar gute Dämpfungseigenschaften,
macht jedoch teuere Werkstoffe bzw. teuere Ausgangshalbzeuge erforderlich und ist
kompliziert in der Herstellung. Kostensteigernd wirkt dabei der hohe Nickelanteil
in der einen Kernkomponente. Für ein Massenprodukt, wie es eine Funkentstördrossel
darstellt, ist der zu treibende Aufwand zu groß, so daß in vielen
Fällen
auf einen Einsatz der Drossel verzichtet wird, weil der Anteil der Kosten für die
Funkentstörung an den Gesamtkosten unverhältnismäßig groß ist. Ein weiterer Nachteil
besteht in der Geräuschentwicklung: Derartige Bandringkerne neigen unter dem Einfluß
magnetostriktiver Kräfte zum Brummen.
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Durch die XT-OS 1 813 643 ist zwar eine Maßnahme bekannt, wie der
Schallpegel gesenkt werden kann. Dies erfolgt durch Erhöhung des Nickelanteils in
der einen Kernkomponente bis auf über 82 Gewichtsprozent, womit eine noch ungünstigere
Kostenbeeinflußung verbunden ist. Nickel ist bekanntlich tagespreisabhangig. Trotz
dieser Maßnahme treten immer noch zu hohe Brummgeräusche auf. Die geforderten elektrischen
und akustischen Werte sind außerdem sehr schwer reproduzierbar. Ein weiterer, bedeutender
Nachteil von Ringbandkernen liegt in der Notwendigkeit einer Wärmebehandlung des
fertigen Ringkerns. Eine solche Wärmebehandlung setzt bekanntlich eine sehr exakte
Verfahrensführung voraus.
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Durch die DT-AS 2 o58 509 und die DT-AS 2 119 95o ist eine Funkentstördrossel
der eingangs beschriebenen Gattung vorbekannt, die aus einer Kombination eines geblechten
Teilkerns und eines gepreßten Ferritteilkerns besteht. Der geblechte Teilkern neigt
dabei wiederum stark zu den unerwünschten Brummgeräuschen, die nur durch einen hohen
Fertigungsaufwand unterdrückt werden können. In der DT-AS 2 119 950 wird zu diesem
Zweck vorgeschlagen, den Kern innerhalb eines Bechers mit Gießharz zu vergießen
um eine Geräuschdämpfung zu erreichen. Die Verarbeitung von Gießharzen ist jedoch
eine extrem aufwendige und komplizierte Angelegenheit. Der Ferritteilkern muß außerdem
zur Erzielung optimaler Dämpfungseigenschaften geschlitzt sein,
wodurch
auch in diesem Teilkern wieder Brummgeräusche auftreten. Es wird daher empfohlen,
den oder die Schlitze nur teilweise auszuführen. Der hierdurch erzielte Kompromiß
ist jedoch wenig befriedigend. Außerdem ist das Schlitzen von Ferritkernen e,n aufwendiger
Vorgang, der nur mittels Spezialwerkzeugen durchgeführt werden kann, die zudem rasch
verschleißen. Dies führt zu einer erheblichen Verteuerung des Endproduktes. In der
Praxis wurden auch bei derartigen, kombinierten Ringkernen aufgrund schwer einhaltbarer
Toleranzen starke Streuungen der Dämpfungseigenschaften festgestellt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Funkentstördrossel
der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, die unter Verwendung problemlos zu
verarbeitender und billiger Werkstoffe innerhalb enger elektrischer Toleranzen mit
hoher Reproduzierbarkeit herstellbar ist, und die dabei im Wesentlichen die gleichen
elektrischen Eigenschaften besitzt, wie die bekannten Drosseln. Dabei soll die Drossel
die VDE-Vorschrift 0875, Entstörgrad "N" erfüllen, die einen maximalen Funkstörspannungs-Pegel
von 66 dB bei o,15o MHz bzw.
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60 dB ab 0,500 NHz bis 30 MHz vorschreibt. Die Einhaltung dieser Grenzwerte
soll dabei in Verbindung mit den übrigen, bekannten Entstörmitteln erfolgen.
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Bezüglich der Aufgabenstellung spielt die Überlegung eine Rolle, daß
es sich bei Funkentstördrosseln um Massenartikel handelt, bei denen die Einhaltung
engster elektrischer Toleranzen bei gleichzeitig merklich verringerten Herstellkosten
von besonderer Bedeutung ist, so daß der Einsatz auch bei Halbleiterschaltungen
ermöglicht wird, die selbst nur geringe Herstellkosten haben.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs beschriebenen
Funkentstördrossel gemäß der vorliegenden ErSindung dadurch, daß das mehrlagige
Gebilde aus einer Wicklung eines Eisendrahtes besteht und daß das ferromagnetische
Pulver Eisenpulver ist.
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Der Eisendraht kann hierbei legiert oder unlegiert sein. Mit besonderem
Vorteil kann jedoch für den genannten Zweck praktisch reiner Eisendräht verwendet
werden, der als Massenprodukt mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Durchmessern
im Handel ist. Die Wicklung aus Eisendraht nach Art eineM kernlosen Spule gestattet
dabei ein beliebiges Anpassen an die geforderten Bigenschaften der Drossel. Auf
teuere Stanz- bzw. Schneidwerkzeuge, wie sie für jede Größe der bekannten geblechten
Kerne benötigt werden, kann vollständig verzichtet werden.
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Als ferromagnetisches Pulver kann ebenfalls billiges, reines Eisenpulver
verwendet werden, das sich unter Zusatz von ca. o,o5 bis 2,o Gewichtsprozent üblicher
Bindemittel zu einem Ringkern verpressen läßt. Das Bindemittel spielt hierbei zusätzlich
die Rolle eines isolierstoffes, welches die metallische Berührung der Pulverteilchen
untereinander verhindert.
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Es wurde überraschend festgestellt, daß die erfindungsgemäße Kombination
der beiden Ringkernkomponenten zu einem billigen Ringkern mit engen elektrischen
Toleranzen führt, ohne daß hierfür teuere Werkstoffe bzw. Legierungen verwendet
werden müssen. Dieses Ergebnis ist um so mehr überraschend, als bei den bekannten
Lösungen eine Erfüllung höherer Anforderungen stets durch Verwendung von speziellen,
insbesondere teueren Vlerkstoffen angestrebt wurde.
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Die Ringkernkomponenten können dabei getrennt hergestellt werden,
und zwar durch einen Wickelvorgang einerseits (Ringkernspule aus Bisendraht) und
durch einen Preßvorgang andererseits (Pulverkern), wobei die Komponenten nachfolgend
durch einfaches Auf einanderlegen oder Ineinanderschieben vereinigt werden. Es bringt
aber besondere und zusätzliche Vorteile mit sich, wenn die Eisendrahtwicklung gemäß
der weiteren Erfindung in das Eisenpulver eingebettet ist. Dies wird in besonders
einfacher und zweckmäßiger Weise dadurch erreicht, daß eine Teilmenge des Eisenpulvers
mit Bindemittel in eine Preßform eingefüllt wird, daß die Wicklung aus Eisendraht
in die Preßform eingelegt wird und daß die Restmenge des Eisenpulvers auf die Wicklung
aufgefüllt wird, worauf Wicklung und Eisenpulver gemeinsam verpreßt werden. Es wurde
nämlich ebenfalls überraschend festgestellt, daß das Eisenpulver mit dem Bindemittel
bei entsprechender Wahl der Korngröße in die engen Zwischenräume der Drahtwicklung
eindringt, so daß durch das Pressen ein Verbundkörper erzeugt wird, dessen mechanische
Festigkeit unter Beibehaltung der elektrischen Werte erheblich gesteigert wird.
Es entsteht auf diese Weise ein gegenseitiges Durchdringen der beiden Kernkomponenten
im Sinne einer nicht ohne weiteres zerstörbaren Verzahnung. Dadurch werden die Brummgeräusche
ohne zusätzliche Maßnahmen auf einen sonst nicht erreichbaren Wert gesenkt. Unabhängig
davon, ob der Ringkern aus den beiden Komponenten durch einfaches Zusammensetzen
oder durch gemeinsames Verpressen hergestellt worden ist, wird auf den Verbundkörper
im Verlaufe des weiteren Fertigungsverfahrens eine übliche Schicht aus einem elektrisch
isolierenden Material auf gebracht, auf die nachfolgend die im allgemeinen aus Kupf
erdraht bestehende Drahtwicklung aufgebracht wird, durch die der Strom zum Verbraucher
fließt. Es handelt sich hierbei
jedoch um zum Stande der Technik
gehörende l4aßnahmen, so daß auf ein weiteres Eingehen hierauf verzichtet werden
kann. Im Gegensatz.zu der aus Kupferdraht bestehenden äußeren Drahtwicklung wird
die aus isendraht bestehende, zum Ringkern gehörende Wicklung als Kernspule bezeichnet.
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Der Draht durchmesser der Kernspule kann dabei in relativ weiten Grenzen
schwanken, wobei jedoch Zugeständnisse an die Größe des Ringkerns und an die Verarbeitungsmöglichkeit
des Drahtes zu machen sind. Außerdem wird der Drahtdurchmesser in Abhängigkeit von
dem im Ringkern zur Verfügung stehenden Volumen durch die Anzahl der unterzubringenden
Windungen bestimmt. Die Gewichtsverhältnisse von Eisecdrahtkomponente einerseits
und Eisenpulverkomponente andererseits liegen dabei etwa bei 1 zu 2, jedoch sind
Abweichungen von diesem Verhältnis möglich, die durch einfaches Ausprobieren gefunden
werden können.
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Es hat sich in der Praxis als zweckmäßig erwiesen, für kleine Ringkerne
dünne Drahtdurchmesser und für große Ringkerne große Drahtdurchmesser zu verwenden.
Beispielsweise verwendet man für einen Ringkern unterer Größe einen Drahtdurchmesser
von ca. o,l mm, für einen Ringkern oberer Größe einen Drahtdurchmesser von ca. 2,o
mm.
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Die Drahtoberfläche hat aufgrund des EIerstellveriahrens für den Draht
von Haus aus eine Oberflächenbeschaffenheit, die sogenannte Windungsschlüsse ausschaltet.
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Bezüglich der Korngröße des Eisenpulvers gilt die Smpfehlung, daß
die Korngröße zwischen etwa lo und Soo liegen soll, wobei das Pulver hinsichtlich
der Korngröße innerhalb bestimmter Bereiche eine statistische Korngrößen-
verteilung
mit einem Maximum aufweist. Es ist dabei zweckmäßig, das feinere Pulver für kleine
Kerne mit dünnen Drahtdurchmesser und das gröbere Pulver für größere Kerne mit stärkeren
Drahtdurchmessern zu verwenden. Für besondere Zwecke, ei denen eine weitere Verringerung
der Kernverluste und der Brummgeräusche angestrebt wird, und der Preis keine ausschlaggebende
Rolle spielt> kann auch legiert es Eisenpulver anstelle des reinen Eisenpulvers
verwendet werden. Als Legierungselemente kommen die üblichen Elemente in Frage,
insbesondere aber Nickel bis zu einem Gehalt von etwa 80 Gewichtsprozent. Der Schwerpunkt
der Erfindung liegt jedoch auf der völligen Vermeidung von teueren Legierungszusätzen.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und seine elektrischen Dämpfungseigenschaften
werden nachfolgend anhand der Figuren 1 und 2 näher beschrieben.
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Es zeigen: Figur 1 einen Radialschnitt durch eine vollständige Funkentstördrossel
mit der bevorzugten Ausführungsform der eingebetteten Kernspule. und Figur 2 ein
Diagramm, in dem der Funkstörspannungs-Pegel in dB über der Frequenz aufgetragen
ist.
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In Figur 1 ist mit lo ein Ringkern bezeichnet, der aus zwei Komponenten
besteht, nämlich aus einem durch Druck und Bindemittel verfestigten Körper aus ferromagnetischem
Pulver (Eisenpulver) 11 uia aus einer Wicklung 12 eines Eisendralltes 13 ç Die Wicklung
12 ist im vor-
liegenden Falle in das Pulver 11 eingebettet, d
.h. allseitig von dem Pulverkörper umgeben. Aus Figur 1 ist auch ersichtlich, daß
das Pulver 11 teilweise zwischen die einzelnen Lagen der Wicklung 12 eingedrungen
und unter dem Einfluß des Preßdrucks zusammen mit der Wicklung verfestigt worden
ist. Der Ringkern lo hat im vorliegenden Falle folgende Abmessungen: Außendurchmesser
= 35 mm; Innendurchmesser = 20 mm; Höhe = 9 mm.
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Das Gewicht beträgt 40 Gramm, wobei die Korngröße des verwendeten
Eisenpulvers in dem Bereich zwischen ao und 125 p liegt. Der Bindemittelanteil beträgt
o,2 Gewichtsprozent. Die Wicklung q2 besteht aus loo Windungen eines blankgeglühten
Eisendrahtes mit einem Durchmesser von o,5 mm und einem Gewicht von ca. 11,5 Gramm.
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Der Ringkern lo ist auf seiner Oberfläche allseitig mit einem durch
Wirbelsintern hergestellten Isolierstoffüberzug 14 versehen, auf den eine äußere
Drahtwicklung 15 aus 145 Windungen eines Kupferdrahltes mit einem Durchmesser von
o,71 mm aufgebracht worden ist.
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Es handelt sich bei dem Gegenstand nach Figur 1 um eine typische Funkentstördrossel,
wse sie für Thyristor-Triac-Schaltungen verwendet wird, die in Verbindung mit-Helligkcitsreglern
(Dimmern) Anwendung finden. Mit der genannten Drossel kann eine Maximalleistung
von 6oo Watt und eine Minimalleistung von 60 Watt stabil, d.h, flackerfrei, geregelt
werden, wobei der Drossel noch ein Entstörkondensator mit einer Kapazität von C
= o,15>a F zugeordnet wird. Das angegebene Lastverhältnis von lo zu 1 ist für
praktische Zwecke mehr als ausreichend, d.h. die untere Grenzleistung von Go Watt
hat sich als brauchbar -erwiesen.
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Figur 2 zeigt ein Diagramm, in dem der Funkstörspannungs Pegel dB
über einen Frequenzbereich zwischen o,1 und 30 Mllz aufgetragen ist (Abszissenwerte
logarithmisch). In dieses Diagramm sind als gestrichelte Linien die verschiedenen
Entstörgrade G, N und K nach der VDE-Vorschrift os75 eingetragen. Im vorliegenden
Falle muß die Funkentstördrossel dem Entstörgrad N für Dauerstörungen genügen.
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In dieses Diagramm wurden mehrere Meßwerte eingetragen und zu einer
kurve N verbunden, die mit der Funkentstördrossel nach Figur 1 bei einer maximalen
Belastung von 6 Watt gewonnen wurde. Es ist ersichtlich, daß die Entstöreigenschaften
der Drossel im gesamten, zu untersuchenden Frequenzbereich unterhalb des vorgegebenen
Entstörgrades N liegen, im Bereich höherer Frequenzen sogar beträchtlich darunter.
Damit erfüllt die erfindungsgemäße Funkentstördrossel trotz ihrer einfachen Herstellung
unter Verwendung billigster Werkstoffe alle gestellten Anforderungen.