DE4306128A1 - IDSN-Übertrager mit einem zusammengesetzten Magnetkern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schnittstellenübertrager zum Einsatz in einem digitalen Übertragungssystem mit einem zusammengesetzten Magnetkern. Ein derartiger Schnitt­ stellenübertrager findet insbesondere Anwendung bei der sogen. SO-Schnittstelle des ISDN-Netzes als Übertrager an der Schnittstelle zwischen dem Netzabschluß und den einzelnen Endgeräten.

ISDN ist ein weltweites digitales Kommunikationssystem, bei dem verschiedene Leitungsschnittstellen auftreten. Die Schnittstelle zwischen dem Netzabschluß und den End­ geräten wird dabei als S0-Benutzerschnittstelle bezeich­ net. An einem Netzabschluß können bis zu 8 Endgeräte angeschlossen werden. Aus der EP-A 378 823 und der EP-A 392 202 ist es bekannt, daß zur Erfüllung der postali­ schen Normen neben Ferriten amorphe Co-Basislegierungen bzw. feinkristalline Fe-Basislegierungen verwendet werden können. Die dort angegebenen amorphen bzw. feinkristalli­ nen Magnetkernmaterialien haben den Vorteil, daß damit Schnittstellenübertrager hergestellt werden können, die ein kleineres Bauvolumen aufweisen als bei Verwendung von Ferrit. Zudem können mit diesen Materialien die ISDN- Anforderungen auch mit einem einfachen Wicklungsaufbau und geringer Windungszahl erfüllt werden. Insbesondere gilt dies auch für eine dort erwartete Gleichstrom­ vormagnetisierung von bis zu 12 mA. Es hat sich nunmehr aber gezeigt, daß durch ungünstige Betriebsbedingungen, wie beispielsweise durch Einstecken eines zusätzlichen Endgerätes während des laufenden Betriebes, kurzzeitig höhere Gleichstromvormagnetisierungen von etwa 50 mA auftreten können. Bei einer solch hohen Vormagnetisierung befindet sich der Magnetkern aus amorphen oder fein­ kristallinen Legierungen jedoch bereits in der magneti­ schen Sättigung, so daß die Induktivität des Übertragers kurzzeitig sehr gering ist. Dies führt dazu, daß die gesendeten Impulse nicht richtig übertragen werden können. Als Folge hiervon kann eine Störung im System auftreten.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, einen Ringbandkern zum Einsatz in einem ISDN-Übertrager derart abzuwandeln, daß auch bei höherer Gleichstromvormagneti­ sierung noch eine ausreichende Restinduktivität vorhanden ist, um eine Störung zu vermeiden. Gleichzeitig soll jedoch eine Vergrößerung des Bauelementes vermieden werden.

Aus dem von der Vacuumschmelze GmbH herausgegebenen und von R. Boll bearbeiteten Buch "Weichmagnetische Werk­ stoffe", 3. Auflage, 1977, S. 146 ist es bekannt, für spezielle Anwendungen, wie Fernleitungsübertrager oder Meßwandler mit großem Aussteuerbereich sogen. Mischkerne zu verwenden. Hierbei werden zwei Werkstoffe mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften kombiniert. Es kann sich dabei beispielsweise um Mischkerne aus einer Legierung mit großer Anfangspermeabilität und einer Legierung mit hoher Sättigungsinduktion handeln. Nach den angegebenen Ausführungsformen können die beiden Magnetkerne aus den unterschiedlichen Legierungen übereinander oder inein­ ander angeordnet werden. Auch in der DE-A 24 05 689 wird ein zusammengesetzter Magnetkern angegeben, bei dem zwei rechteckige Kerne aufeinandergestapelt sind. Einer der Kerne-besteht dabei aus Ferrit und weist einen schmalen Luftspalt auf. Mit einem solchen zusammengesetzten Magnetkern soll ein Transformator herstellbar sein, der ausgezeichnete magnetische Eigenschaften für einen Strom zeigt, der aus einem Gleichstrom- und einem Wechselstrom­ anteil besteht.

Nach der EP-A 121 839 ist für einen Transformator ein zusammengesetzter Magnetkern vorgesehen, der zwei ineinander geschachtelte Ringkerne aufweist, wobei einer der Kerne aus kornorientiertem Elektrostahl und der andere aus amorphem Magnetmaterial besteht.

Weiterhin ist aus der DE-A 36 08 519 ein zusammen­ gesetzter Magnetkern bekannt, bei dem zwei Ringkerne übereinander angeordnet sind, wobei einer der Kerne einen Spalt aufweist. Der Kern ist zur Anwendung in einer linearen Speicherdrossel vorgesehen.

In der EP-B 159 669 wird ein Magnetkreis aus zwei Teilkreisen beschrieben, die jeweils aus verschiedenen Eisen-Nickel-Legierungen bestehen. Aus der DE-A 30 08 447 ist ein induktives Bauteil bekannt, bei dem ein bereits bewickelter Kern von einer magnetischen Substanz, wie z. B. Ferrit in einer Kunststoffmatrix, eingekapselt wird.

Schließlich wird in der DE-A 211 19 915 ein zusammen­ gesetzter Magnetkern angegeben, bei dem zwei aufeinander gestapelte Ringkerne verwendet werden. Einer der Ringkerne ist metallisch, während der andere aus Ferrit besteht und einen Luftspalt aufweist.

Mit den oben beschriebenen bekannten zusammengesetzten Kernen kann zwar das Verhalten unter Gleichstrom­ vormagnetisierung verändert werden, wobei insbesondere durch geeignete Wahl der Werkstoffe der beiden Teilkerne ein vergrößerter Aussteuerbereich erzielt werden kann, jedoch weisen die bekannten Ausführungsformen den Nachteil auf, daß hiermit eine wesentliche Vergrößerung des Magnetkerns und damit auch eines mit diesem Kern hergestellten Schnittstellenübertragers verbunden ist.

Zur Lösung der genannten Aufgabe wird daher ein Schnitt­ stellenübertrager nach Anspruch 1 vorgeschlagen. Der zusammengesetzte Magnetkern weist somit einen Ringband­ kern aus einer weichmagnetischen Legierung als ersten Teilkern und einen zweiten Teilkern aus Ferritmaterial auf, wobei erfindungsgemäß der zweite Teilkern aus Ferritmaterial als Umhüllung (Trog) des Ringbandkerns ausgebildet ist und eine geringere Permeabilität als der Ringbandkern aufweist.

Zwar ist aus DE-GM 77 26 882 eine Umhüllung für ring­ förmige Kerne aus ferromagnetischem Material bekannt; jedoch handelt es sich hierbei um eine aus Metall gezogene Umhüllung mit einer besonderen Ausgestaltung der Kanten- und Kappenränder. Die dort vorgeschlagene Um­ hüllung ist als Schutz der Wicklung aus Kupfer-Lackdraht vor Beschädigungen durch scharfe Kanten des Kernes vorge­ sehen, so daß dem Gebrauchsmuster eine andere Aufgabe zugrundeliegt. Die erfindungsgemäß vorgesehenen Merkmale werden daher dort weder offenbart noch nahegelegt.

Für den Ringbandkern in dem erfindungsgemäß zusammen­ gesetzten Magnetkern werden einerseits magnetostriktions­ arme amorphe Co-Basislegierungen bevorzugt, die insbeson­ dere neben Co im wesentlichen Fe und Mn mit einem Gesamt­ anteil von 3 bis 8 at.-% sowie Metalloide mit einem Anteil von 24 bis 29 at.-% und wahlweise bis zu 15 at.-% Ni sowie bis zu 2 at.-% Mo, Cr, V und/oder Nb enthalten. Andererseits kann der Ringbandkern vorzugsweise auch aus einer magnetostriktionsarmen Fe-Basislegierung mit einem Fe-Anteil von mehr als 60 at.-% bestehen, deren Gefüge zu mehr als 50% feinkristalline Körner mit einer Korngröße von weniger als 100 nm aufweist. Insbesondere enthalten diese feinkristallinen Legierungen neben Fe im wesent­ lichen (in at.-%) 0,1 bis 3% Cu, 0,1 bis 30% weitere Metalle, wie Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti oder Mo, bis zu 30% Si, bis zu 25% B, wobei der Gesamtgehalt an Si und B im Bereich zwischen 5 und 30% liegt. Die Umhüllung bzw. der Trog aus Ferritmaterial weist vorzugsweise eine Permeabi­ lität von weniger als 5000 auf. Als Untergrenze der Permeabilität des Ferritmaterials ist insbesondere ein Wert von 1000 vorgesehen. Je nach speziellem Anwendungs­ fall können jedoch auch Ferritmaterialien mit anderen Permeabilitätswerten geeignet sein. Beispielsweise seien die Ferrite N27 oder N67 genannt.

Durch die Verwendung eines Troges aus Ferritmaterial bestehen gute Formgebungsmöglichkeiten. Insbesondere kann der Trog auch sehr dünnwandig ausgeführt werden, wobei Wandstärken von weniger als 1 mm realisiert werden können. Durch einen Lacküberzug auf dem Ferrittrog kann eine zusätzliche Isolierung erzeugt werden. Der erfin­ dungsgemäße Magnetkern ist somit sehr kompakt und kann direkt mit Draht zur Herstellung der Wicklungen bewickelt werden.

Anhand der Ausführungsbeispiele und Figuren wird die Erfindung im weiteren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a + 1b die Abhängigkeit der Induktivität von einem Gleichstrom für einen Übertrager mit zusammengesetztem Kern;

Fig. 2 eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen zusammengesetzten Magnetkerns;

Fig. 3 eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung des Magnetkerns mit teilweiser Umhüllung durch den Ferrittrog.

Bei einem Übertrager mit dem erfindungsgemäß zusammen­ gesetzten Magnetkern ist bei geringen Gleichströmen bzw. Feldern der metallische Ringbandkern mit seiner höheren Permeabilität wirksam. Bei sehr hohen Gleichströmen bzw. Feldern, bei denen der Ringbandkern sich bereits in der magnetischen Sättigung befindet, übernimmt der Ferrittrog die magnetische Funktion und stellt eine Restinduktivität zur Verfügung, die bei Verwendung des Magnetkerns in einem ISDN-Übertrager eine Impulsübertragung noch erlaubt. In den Fig. 1a und 1b ist die Induktivität in Abhängigkeit von einem Gleichstrom für einen Übertrager mit einem Ringbandkern aus der feinkristallinen Legierung mit der Bezeichnung VITROPERM 500 F in Kurve 1 und für einen reinen Ferritkern mit einem Ferrit des Typs M33 in der Kurve 2 dargestellt. Der Übertrager wies zwei Wick­ lungen mit jeweils 25 Windungen auf. Die Meßfrequenz betrug 20 kHz. In Kurve 3 ist der Induktivitätsverlauf für einen zusammengesetzten Magnetkern aus einem Ringkern mit der Legierung VITROPERM 500 F und dem Ferrit M33 dargestellt. Der Vergleich der angegebenen Kurven zeigt das oben bereits beschriebene Verhalten. Mit der erfin­ dungsgemäßen Kombination wird somit auch bei größerer Gleichstromvormagnetisierung, bei der der Ringbandkern sich bereits in der Sättigung befindet, eine ausreichende Restinduktivität zur Verfügung gestellt. So beträgt beispielsweise die Induktivität des zusammengesetzten Kernes bei einer Gleichstromvormagnetisierung mit einem Gleichstrom von 50 mA noch etwa 1,5 mH, während der Übertrager mit dem Ringbandkern dort nur noch eine Induktivität von weniger als 0,3 mH aufweist.

In Fig. 2 ist eine spezielle Ausgestaltung des erfin­ dungsgemäßen Magnetkernes dargestellt. Hierbei befindet sich der Ringkern 4 in einer Umhüllung, die aus zwei Halbschalen 5, 6 aus Ferritmaterial zusammengesetzt ist. Bei dieser Ausführungsform ist der Ringbandkern voll­ ständig von Ferritmaterial umgeben.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, bei der die Umhüllung aus Ferritmaterial einseitig offen gestaltet ist. In einen solchen offenen Trog 7 kann der Ringbandkern 4 eingesetzt werden. Um ein Herausfallen des Ringbandkerns aus dem offenen Trog zu verhindern, ist ein Deckel 8 aus Kunststoffmaterial oder ebenfalls aus Ferrit vorgesehen.

Die erfindungsgemäßen Übertrager können insbesondere als ISDN-Schnittstellenübertrager eingesetzt werden. Es kön­ nen damit Übertrager realisiert werden, die ohne Gleich­ stromvorbelastung eine Induktivität von mehr als 20 mH und mit einer Gleichstromvorbelastung von 50 mA eine Induktivität von beispielsweise mehr als 1 mH aufweisen und damit die postalischen Bestimmungen erfüllen. Darüberhinaus können die erfindungsgemäßen Übertrager beispielsweise auch zur Realisierung von EIB - Übertra­ gern eingesetzt werden.

Claims (13)

1. Schnittstellen-Übertrager zum Einsatz in einem digitalen Übertragungssystem mit einem zusammengesetzten Magnetkern, der einen Ringbandkern (4) aus einer weich­ magnetischen Legierung als ersten Teilkern und einen zweiten Teilkern aus Ferritmaterial aufweist, wobei der zweite Teilkern aus Ferritmaterial als Umhüllung (Trog) (5, 6; 7) des Ringbandkerns (4) ausgebildet ist und eine geringere Permeabilität als der Ringbandkern (4) aufweist.

2. Schnittstellen-Übertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung aus Ferritmaterial in Form von zwei Halbschalen (5, 6) vorliegt.

3. Schnittstellen-Übertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung aus Ferritmaterial zum Einsetzen des Ringbandkerns als einseitig offener Trog (7) ausgebildet ist.

4. Schnittstellen-Übertrager nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ferritmaterial eine Permeabilität von weniger als 5000 aufweist.

5. Schnittstellen-Übertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ferritmaterial eine Permeabilität von mehr als 1000 aufweist.

6. Schnittstellen-Übertrager nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung aus Ferritmaterial eine Wandstärke von weniger als 1 mm aufweist.

7. Schnittstellen-Übertrager nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung mit einem Lacküberzug als Isolierschutz versehen ist.

8. Schnittstellen-Übertrager nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringbandkern aus einer magnetostriktionsarmen, amorphen Co-Basislegierung besteht.

9. Schnittstellen-Übertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphe Co-Basislegierung neben Co im wesentlichen Fe und Mn mit einem Gesamtanteil von 3 bis 8 Atom-% sowie Metalloide mit einem Anteil von 24 bis 29 Atom-% und wahlweise bis zu 15 Atom-% Ni sowie bis zu 2 Atom-% Mo, Cr, V und/oder Nb enthält.

10. Schnittstellen-Übertrager nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring­ bandkern aus einer magnetostriktionsarmen Fe-Basis­ legierung mit einem Eisenanteil von mehr als 60 Atom-% besteht, deren Gefüge zu mehr als 50% feinkristalline Körner mit einer Korngröße von weniger als 100 nm aufweist.

11. Schnittstellen-Übertrager nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung neben Eisen im wesent­ lichen (in Atomprozent) 0,1 bis 3% Kupfer, 0,1 bis 30% weitere Metalle, wie Niob, Wolfram, Tantal, Zirkon, Hafnium, Titan oder Molybdän, bis zu 30% Silizium und bis zu 25% Bor enthält, wobei der Gesamtgehalt an Silizium und Bor im Bereich zwischen 5 und 30% liegt.

12. Schnittstellen-Übertrager nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager ohne Gleichstromvorbelastung eine Induktivität L von mehr als 20 mH und mit einer Gleichstromvorbe­ lastung von 50 mA eine Induktivität von mehr als 1 mH aufweist.

13. Zusammengesetzter Magnetkern, der einen Ringbandkern (4) aus einer weichmagnetischen Legierung als ersten Teilkern und einen zweiten Teilkern aus Ferritmaterial aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teilkern aus Ferritmaterial als Umhüllung (Trog) (5, 6, 7) des Ringbandkerns (4) ausgebildet ist und eine geringere Permeabilität als der Ringbandkern (4) aufweist.