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"Funkentstördrossel und Verfahren zu
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zur Herstellung "
Die Erfindung betrifft olne Funkentstördrossel
für Halbleiterschaltungen, insbesondere für solche mit Phasenanschnittsteuerungen,
bestehend aus einem Rinokern und einer isoliert auf diesem angeordneten Drahtwicklung,
wobei der Ringkern mindestens zwei Komponenten (A, 8, ...) enthält, von denen die
eine Komponente (A) ein durch Druck verfestigter Körper aus ferromagnetischem Metallpulver
und einem Isoierstoff ist.
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Halbleiterschaltungen mit Phasenanschnittssteuerung finden zunehmend
stärkere Verbreitung auf allen Gebieten der Technik. Phasenanschnittsteuerungen
werden beispielsweise zur Steuerung der Energieaufnahme von Wechselstromverbrauchern,
wie Gluhlampen, Leuchtstoffröhren, Heizgeräten, Motoren etc. verwendet. Aus der
Funktion derartiger Phasenanschnittssteuerungen ergeben sich zwangsläufig starke
Funkstörungen, die aufgrund einer Vorschrift des Verbandes deutscher Elektrotechniker
unterdrUckt werden müssen (VDE-Vorschrift 0875). Funkentstördrosseln stellen dabei
nur einen Teil der gesamten Entstörmittel dar, die einen nicht unerheblichen Kostenfaktor
an den Gesamtkosten der elektrischen Ausrüstung ausmachen. Die Funkentstördrosseln
werden im allgemeinen in Kombination mit einem oder mehreren Kondensatoren eingesetzt,
wobei die Tandenz besteht, daß eine Verschlechterung der Eigenschaften der Funkentstördrossel
durch einen höheren Aufwand im Hinblick auf die Kondensatoren ausgeglichen werden
muß. Die Entstörmittel müssen infolgedessen als Ganzes betrachtet werden.
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Ein'esonders interessantes Anwendungsgebiet sind die sogenannten pilner-Schaltungen,
die in zunehmendem Umfange in der Wohnungs-
Installationstechnik
verwendet werden. Hierbei wird die Forderung gestellt, daß die Dimmer-Schalter einschließlich
der Entstörmittel in den genormten Unterputzdosen untergebracht werden müssen, deren
verfügbares Volumen für Schalter ohne Helligkeitsregler gerade eben ausreichend
ist. Eine Vergrößerung des Bauvolumens der Funkentstörmittel ist infolgedessen nur
auf Kosten der Abmessungen des Schalters möglich, die sich in letzter Zeit bereits
einer unteren Grenze angenähert haben.
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Die Ringkerne der fUr den genannten Zweck brauchbaren, bekannten Funkentstördrosseln
bestehen im allgemeinen aus mindestens zwei Komponenten, um eine ausreichende Dämpfungswirkung
Uber den gesamten vorgeschriebenen Frequenzbereich von 0,15 bis 30 MHz und ein geringes
Lastverhältnis zu erreichen.
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Bekannt geworden ist für diesen Zweck die Kombination aus Ferrit und
einem geblechten Kern, der beispielsweise aus Transformatorenblech besteht (DT-AS
2 058 509). Der geblechte Kern hat dabei neben einer Dämpfung insbesondere im unteren
Teil des Frequenzbereichs die Aufgabe, die Funkentstördrossel am unteren Ende des
Leistungsbereichs, für den Schaltung und Entstörmittel ausgelegt sind, zu stabilisieren.
So wird beispielsweise bei Dimmer-Schaltungen gefordert, daß ca. 10 X der Nennleistung
als Minimal last flackerfrei geregelt werden können, d.h. daß die zu regelnde Leistung
am oberen Grenzwert (z.B. 600 W als größte anschließbare Last) bis auf 10 X dieses
Wertes (z.B.
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60 W als kleinste anschliEbare Last) herabgesetzt werden kann.
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Sobald bei den bisherigen Ringkernen Eingriffe in die Kernzusammensetzung
vorgenommen wurden, hatte dies meist eine ungenügende Stabilität bzw. Flackerfreiheit
zur Folge.
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Man hat daher zur Absenkung der unteren Leistungsorenze derartiger
Dimmer-Schaltungen häufig zu teuren und schwierig herzustellenden Ringbandkernen
mit hohen Nickelanteilen gegriffen
Den geblechten Kernen wohnt Jedoch die Eigenschaft inne, daß sie unter der Netzfrequenz
zum Brummen neigen. Diese Neigung muß entweder durch entsprechende Legierungswahl
und Blechstärke unterdrückt werden (OT-OS 18 13 643) oder durch Eingiessen in Gießharz
(DT-AS 2 119 950), eine Maßnahme, die besonders aufwendig ist.
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Es ist auch bereits bekannt, fUr die eine Komponente Reineisenpulver
mit einem Bindemittelzusatz zu verwenden und mit dieser Komponente eine aus Eisendraht
bestehe Wicklung zu vereinigen (DT-OS 25 05 080). Mit einer solchen Lösung ist es
gelungen, die Forderung nach einet billigen Ringkern mit guten Dämpfungseigenschaften
und hoher Brummfreiheit zu erfUllen. Bei der bekannten Lösung ist allerdings immer
noch die Herstellung der Eisendrahtwicklung aufwendig, insbesondere deswegen, weil
die Verarbeitung des Eisendrahtes einerseits und des Eisenpulvers andererseits durch
zwei grundsätzlich verschiedene Arbeitsverfahren geschieht, nämlich durch Wickeln
und.Pressen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Funkentstördrossel
der eingangs beschriebenen Gattuno anzugeben, die ausschließlich durch Verpressen
pulverförmiger Komponenten hergestellt werden kann und dennoch enge elektrische
Toleranzen In Verbindung mit einer guten Dämpfungswirkung über den gesamten Frequenzbereich
besitzt und etwa 10 X der Maximal leistung der Dimmer-Schaltung völlig flackerfrei
zu regeln erlaubt.
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Dabei soll die Funkentstördrossel die VDE-Vorschrift 0875, Entstörgrad
"N",erfüllen, Die Einhaltung dieser Vorschrift soll dabei in Verbindung mit den
übrigen,
bekannten Entstörmitteln erfolgen.
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Bezüglich der Aufgabenstellung spielt die Oberlegung 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 Erfindung dadurch, daß mindestens eine
weitere Komponente aus gleichfalls ferromagnetischem Metallpulver besteht, welches
einen unterschiedlichen Gehalt an Isolierstoff aufweist.
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FUr die beiden Komponenten kommt somit ausschließlich ferromagnetisches
Metallpulver, vorzugsweise Reineisenpulver zum Einsatz, wobei sich die Komponenten
lediglich durch den Gehalt an Isolierstoff unterscheiden. Vorzugsweise weist hierbei
die Komponente A einen Isolierstoffanteil von 0,05 bis 4,0 Gewichtsprozent und die
Komponente B einen Isolierstoffanteil kleiner als 0,04 Gewichtsprozent auf.
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Als Isolierstoff kommen hierbei sämtliche Stoffe in Frage, die einen
ausreichenden Abstand der einzelnen Pulverpartikel bei entsprechender Isolierung
gewährleisten und dem Ringkern eine ausreichende mechanische Festigkeit verleihen,
d.h. die Eigenschaft eines Bindemittels haben. Die Skala der in Frage kommenden
Isolierstoffe reicht dabei von Thermoplasten Uber Duroplaste bis zu pulverförmigen,
anorganischen Isolierstoffen, Die fUr den genannten Zweck in Frage kommenden Isolierstoffe
bzw. Bindemittel sind jedoch Stand der Technik, so daß hierauf
nicht
naher eingegangen zu werden braucht.
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DarUberhinaus kann indestens einer Komponente zur Schonung der Preßform
und zur Verringerung des notwendigen Pressendrucks eines der üblichen Gleitmittel
zugesetzt werden, wobei jedoch der Grundsatz zu beachten ist, daß die Komponente
mit dem kleineren Isolierstoffanteil möglichst frei von Gleitiitteln sein sollte,
sei es, daß von Anfang an praktisch kein Gleit.ittel zugesetzt wird, sei es, daß
das GleitmittEl nach dem Preßvorgang wieder ausgetrieben wird.
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FUr sämtliche Komponenten kann Reineisenpulver mit einer Korngrößenverteilung
zwischen 10/1 und 500so verwendet werden.
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Für besondere Zwecke, bei denen etne weitere Verringerung der Kernverluste
angestrebt wird und der Preis keine ausschlaggebende Rolle spielt, kann auch legiertes
Eisenpulver anstelle des reinen Eisenpulvers verwendet werden. So ist es besonders
vorteilhaft für die Komponente A Metallpulver aus einer Legierung mit bis zu 82
Gewichtsprozent Nickel und bis zu 5 Gewichtsprozent Molybdän zu verwenden, für die
Komponente B Metallpulver aus einer Legieren9 mit bis zu 10 Gewichtsprozent Silizium.
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Es ist jedoch besonders vorteilhaft, die Korngrößenverteilungen für
die einzelnen Komponenten zu differenzieren. So ist es besonders zweckmäßig* für
die Komponente A Reineisenpulver mit einer Korngröße zwischen 10 u und 100 und fUr
die Komponente B Rtineisenpulver mit einer Korngröße zwischen 100 und 500leu zu
verwenden.
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Hinsichtlich der Verteilung der einzelnen Komponenten auf das Gesamtvolumen
des Ringkerns sind im Prinzip zwei Lösungen mög-
lich, nämlich
die axiale Schichtung und die Schichtung in Umfangsrichtung des Ringkerns. Bei der
axialen Schichtung wird bei der Herstellung so vorgegangen, daß in das Preßwerkzeug
die einzelnen Komponenten aufeinandergeschichtet und gemeinsam verpreßt werden.
Durch den Preßvorgang entsteht eine.0bergangszone geringer Tiefe zwischen den einzelnen
Komponenten in Form einer Verzahnung, die eine hohe mechanische Festigkeit aufweist.
Es ist dabei besonders zweckmäßig, den Ringkern aus drei Schichten aufzubauen, wobei
die Komponente B zwischen zwei Schichten aus der Komponente A liegt (Sandwich-Bauweise).
Die Komponente A ist hierbei diejenige mit dem größeren Isolierstoffanteil und -
zweckmäßig - mit dem feineren Metallpulver. Es ist Jedoch gleichfalls möglich, die
1Schichtung" in Umfangsrichtung des Kerns vorzunehmen.
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Schließlich ist es aber auch möglich, die einzelnen Komponenten quasihomogen
miteinander zu vermischen und gemeinsam zu einem Ringkern zu verpressen. Eine solche
Maßnahme setzt voraus, daß das ferromagnetische Metallpulver der einen Komponente
(Komponente B) eine sehr viel größere Korngröße aufweist, d.h. beispielsweise eine
solche, die oberhalb 0,8 mm liegt. Man spricht hier zweckmäßigerweise von Metallgranulat.
Ein solches Granulat wird natUrlich ohne jeden Isolierstoffanteil eingesetzt, da
der das Granulat allseitig umgebende Isolierstoffanteil der anderen Komponente (Komponente
A) fUr die notwendige Isolierung und mechanische Verbindung sorgt. Durch das relativ
grobe Granulat wird gleichfalls die erfindungsgemäße Differenzierung hinsichtlich
des Isolierstoffanteils erreicht.
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Ein weiterer Vorteil stellt sich dann ein, wenn als Isolierstoff ein
temperaturbeständiger anorganischer Isolierstoff aus der Gruppe Wasserglas, Quarzmehl,
Kaolin verwendet wird.
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In diesem Fall ist es möglich, einer oder allen Komponenten
zur
Schonung der Preßform ein Gleitmittel aus der Gruppe der Paraffine zuzusetzen, welches
nach dem Preßvorgang bei höherer Temperatur ausgetrieben wird.
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Durch den erfindungsgemäßen Aufbau bzw. die Zusammensetzung des Ringkerns
sowie durch die Verfahren zu seiner Herstellung wird in Verbindung mit dem nachträglichen
Aufbringen einer aus Kupferdraht bestehenden Drahtwicklung, durch die der Betriebsstrom
zum Verbraucher fließt, eine Funkentstördrossel erreicht, die unter Verzicht auf
jeden Schneid- oder Stanzvorgang ausschließlich aus pulverförmigen Komponenten hergestellt
wird, dabei reproduzierbar qute Dämpfungseigenschaften Uber den gesamten in Frage
kommenden Frequenzbereich aufweist und zugleich etwa 10 % der Maximal last als Minimal
last zu regeln erlaubt. Brummgeräüsche sind bei den erfindungsgemäßen Ringkernen
weitaus geringer. Die Herstellung des Ringkerns findet unter Verwendung entsprechender
Dosiervorrichtungen ausschließlich an einer Presse statt; es ist also außer einer
Mischung der einzelnen Komponenten keinerlei Vorfertigung oder Lagerhaltung von
auf andere Weise hergestellten Ringernkomponenten erforderlich.
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AusfUhrungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes seien nachfolgend
anhand der Figuren 1 bis 3 näher beschrieben.
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Es zeigen: Figur 1 einen Radialschnitt durch eine vollständige Funkentstördrossel
mit der bevorzugten Dreifachschichtung A - B - A der einzelnen Komponenten des Ringkern,
Figur 2 einen Radialschnitt durch einen Ringkern mit
einer Zweifachschichtung
der Komponenten A und B, und Figur 3 eine Draufsicht auf einen Ringkern mit einer
"Schichtung" in Umfangsrichtung des Ringkerns.
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In Figur 1 ist mit 10 ein Ringkern bezeichnet, der aus zwei Komponenten
A und B besteht, die dreifach übereinandergeschichtet sind, wobei die Komponente
B zwischen zwei Schichten aus der Komponente A eingebettet ist. Die Komponente A
besteht aus Reineisenpulver mit einer Korngrößenverteilung um ein Maximum von etwa
50 /u mit einem Isolierstoffanteil von etwa 2 Gewichtsprozent, während die Komponente
B aus Reineisenpulver mit einer Korngrößenverteilung um ein Maximum von etwa 250/u
und einem Isolierstoffanteil von etwa 0,02 Gewichtsprozent besteht. Die einzelnen
Komponenten wurden gemeinsam verpreßt und stellen ein untrennbares Ganzes dar.
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Der Ringkern hat im vorliegenden Falle folgende Abmessungen: Außendurchmesser
= 35 mm; Innendurchmesser = 20 mm; Höhe 9 mm. Das Gewicht beträgt ca. 40 g.
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Der Ringkern 10 ist auf seiner Oberfläche allseitig mit einem durch
Wirbelsintern hergestellten Isolierstoff-Xberzug 11 versehen, auf den eine äußere
Drahtwicklung 12 aus 145 Windungen eines Kupferdrahtes mit einem Durchmesser von
0,71 mm aufgebracht ist.
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Es handelt sich bei dem Gegenstand nach Figur 1 um eine typische Funkentstördrossel,
wie sie fUr Thyristor-Triac-Schaltungen verwendet wird, die in Verbindung mit Helligkeitsreglern
(Dimmern) Anwendung finden. Die genannte Drossel kann für einen Dimmer verwendet
werden, der sowohl eine Maximalleistung von 600 Watt als auch eine Minimalleistung
von 60 Watt stabil, d.h. flackerfrei regelt, wobei der Drossel ein Kondensator der
Kapazität
C = 0,15/u Fzugeordnet ist. Das angegebene Lastverhältnis
von 10 : 1 ist fUr praktische Zwecke mehr als ausreichend, d.h.
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die untere Grenzleistung von 60 glatt hat sich als brauchbar erwiesen.
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Figur 2 zeigt einen Ringkern 10a, der gleichfalls aus zwei Komponenten
A und B besteht* die jedoch nur eine Zweifachschichtung bilden. Ein solcher Ringkern,
an die Stelle des Ringkerns 10 in Figur 1 gesetzt, führt in Verbindung mit einem
Entstörkondensator gleicher Größe zu Eigenschaften, die nur unwesentlich ungünstiger
sind als diejenigen des Gegenstandes nach Figur 1, wobei insbesondere die Entstöreigenschaften
im wesentlichen die gleichen Werte innerhalb des gesamten Frequenzbereichs erreichen.
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Figur 3 zeigt eine Alternative eines Ringkerns 10c, bei der die einzelnen
Komponenten in Umfangsrichtunn "geschichtet" sind. Im vorliagenden Falle ist außer
den Komponenten A und B noch eine Komponente C vorhanden, die gleichfalls aus ferromagnetischem
Metallpulver mit wiederum einem unterschiedlichen Gehalt an Isolierstoff besteht.
Der Isolierstoffgehalt der Komponente C liegt zweckmäßig zwischen dem Isolierstoffgehalt
der Komponenten A und B. Sofern zweckmäßig für die Komponente C auch eine differenzierte
Korngröße des ferromagnetischen Metallpulvers verwendet wird, liegt diese gleichfalls
in der Mitte zwischen den Korngrößen der Komponenten A und B.
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Die Gewichtsverhältntsse der etnzelnen Komponenten können durch einfache
Versuche leicht abgestimmt werden, Bei zwei Komponenten A und 8 sollen die Massenverhältntsse
A : B zwischen 0,3 : 0,7 und 0,7 : 0,3 vorzugsweise bei etwa 0,5 : 0,5 liegen.
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