專利名稱：電場耦合變壓器及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明電埸耦合變壓器及其制造方法屬基本電氣元件，特別是變壓器的制造。
背景技術：
目前，普通磁耦合變壓器使用鐵芯和線圈，它的結構決定了它的體積、重量、形狀以及安裝方式都受到很大限制，這種限制妨礙了電子設備的小型化。由于普通變壓器采用磁通耦合，當回路磁通量變化時，要產生感應電動勢，在電流接通斷開時，這個電動勢很大，會造成元器件擊穿損壞，這種現(xiàn)象給開關電路設計增加了復雜性，需要選用高耐壓元器件，增加吸收、泄放回路等等。按普通磁耦合變壓器工作原理，初級電流大小由次級負載電流大小決定，當次級短路，電流很大時，初級電流也很大，因此使用普通磁耦合變壓器的電子電路電源，應設計保護電路，這也是使電子電路復雜的原因之一。盡管新材料如高μ磁導率材料的采用，也可以使磁耦合變壓器體積、重量有所減少，但它固有欠隹的特性仍然促使人們探求新型變壓器件，98年就有過以芯片代替變壓器的報道，它是在芯片中設計特殊結構，將這些微小結構排列成特殊陣列而具有變壓功能。還有人研究，希望通過回轉器將電容變?yōu)橛须姼刑匦栽嫵勺儔浩?，取代磁耦形式，但都未見有成功的報道。例如專?7198534.0平面變壓器、專利99100579.1無鐵芯印刷電路板型變壓器、專利99124453.2具有高耦合效率的變壓器等結構較復雜，成本較高，有瞬變電壓沖擊，沒有限流及短路保護功能，易出現(xiàn)短路大電流故障，給電子設備維修帶來極大不方便。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種電埸耦合變壓器及其制造方法，即用兩個平行導體板接上電源或信號源，構造出變壓前電埸，用另一個或多個導體板平行插入該電源電埸中進行分割，只要保證分割取能的電埸空間與被分割原埸空間體積之比，等于極板距離之比，滿足要變換電壓的變壓比關系式，就可以得到符合要求的電埸耦合變壓器。
本發(fā)明由金屬膜導體極板和介質薄膜片組成，金屬膜導體板可用鋁箔，介質用有機薄膜，迭層變壓器的迭片是小張電極導體板A、B、C，電極導體板A、B、C呈長方形，各有引腳向一邊突出，A板引腳在左，B板引腳在右，C板引腳在中間，各板面積可相同，有機膜也是長方形，它的長、寬邊尺寸都比導體板A、C、B、稍大，介質迭層厚度就是導體極板之間的距離，導體電極板從下向上按B、C、A、C周期性排列，BC之間介質層厚為d，AC之間介質層厚為r；有多組輸出的變壓器，迭片中C導體板可以有兩塊、多塊，對兩塊的C板，分別稱為C1、C2，下料做小張時，C1、C2的電極引腳位置錯開，按B、C2、C1、A、C1、C2、B周期性地逐層向上排列，各導體板之間用介質有機膜層隔開，卷制的電埸耦合變壓器，由長帶狀鋁箔做金屬導體板A、B、C，介質同樣用有機膜，接照介質層r--A板--介質層r--C板--介質層d--B板--介質層d--C板排好，然后卷制，制造方法包括如下步驟(1)定出需要輸出的電壓U和電流I，由I計算電容C，由U利用變壓比關系式確定分割電埸空間的各距離d值，再由d和C算出各導電極板面積S，可使各板面積相同；(2)采用導體板與介質層迭層形式制作，注意一個ACB面上還有一個ACB，A是同一導體板A，要保證任意相鄰的AB導體板之間的電埸都被C板分割。
(3)將每塊導電體電極板面積S分成m小張，制成小張電極導體板A、B、C，同時將有機膜介質切成長方形小塊，在迭片時將相鄰導體板絕緣，介質膜的厚度及分隔層數(shù)就確定了各分割的電埸距離d1，d2……。
(4)確定各導體電極及介質層的排列方式和順序。
(5)迭片、壓緊、熱壓塑封成型，制成片狀結構。
(6)多組輸出變壓器制作過程與此相同，只是C導體板有兩塊，分別為C1、C2，下料做小張時，C1、C2的電極引腳位置要錯開。
(7)卷繞制作時，將面積為S帶狀導體板同有機膜介質，按照介質層r--A板--介質層r--C板--介質層d--B板--介質層d--C板的排列方式卷繞，用普通有機膜電容器的引腳焊接方式及壓緊、環(huán)氧樹脂封裝，制成通孔插裝式元件。
本發(fā)明設計合理，結構簡單，體積小，重量輕，成本低，靈活，無瞬變電壓沖擊，具有限流及短路保護功能，避免大面積電路被燒損的可能，給電子設備維修帶來極大方便，宜作高頻、脈沖耦合變壓器使用或適于作電源。


圖1是本發(fā)明基本結構示意圖；圖2是本發(fā)明插入兩層導體板構造示意圖；圖3是本發(fā)明一組輸出符號圖；圖4是本發(fā)明多組輸出符號圖；圖5是本發(fā)明A片結構示意圖；圖6是本發(fā)明B片結構示意圖；圖7是本發(fā)明C片結構示意圖；圖8是本發(fā)明一種迭排方式示意圖；圖9是本發(fā)明成形迭片結構示意圖；圖10是本發(fā)明卷繞制作示意圖；圖11是本發(fā)明C1片結構示意圖；圖12是本發(fā)明C2片結構示意圖；圖13是本發(fā)明多組輸出迭片結構示意圖；圖14是本發(fā)明多組輸出結構示意圖；圖15是本發(fā)明演變圖；圖16是本發(fā)明一組輸出等效電路圖；圖17是本發(fā)明多組輸出等效電路圖；圖18是本發(fā)明多路使用示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明是利用電埸耦合來進行電壓電流變換的，若采用普通電容器卷繞方式，如圖10所示，可做成通孔插裝元件。采用片狀迭層結構，如圖8、13、14所示，先接圖5、6、7、11、12所示制成導體極板A、B、C、C1、C2，將然后導體極板A、B、C、C1、C2，如圖8、9、13、14所示，壓緊、熱壓塑封成型。如圖15所示，利用靠近的兩個任意曲面A、B，接上電源U1，它們之間就有了相應的電埸，利用第三個曲面與之靠近，它們之間存在電容，也就得到了相同的電埸。曲面C與之電容越大，得到相應電埸能量也就越多。將曲面改成平面，就成了兩塊成一定夾角的金屬平板A、B構成開放的交變電埸E，折彎了的金屬板C就是第三個曲面。為了提高電埸能量傳輸效率，可以向深處推進C板，于是就成為兩塊平行板A、B間加進一塊C導體板的結構，C導體板的上下表面就是彎折的兩個邊，這就是本發(fā)明的基本結構，如圖1所示。為了突出器件利用空間電埸傳輸特點，而又區(qū)別于已有的變壓器電路，可以使用如圖3所示的一組輸出電路符號、如圖4所示的多組輸出電路符號、如圖16、17所示的等效電路。由等效電路可見，本發(fā)明很象電容器串聯(lián)分壓輸出，但是，它們又有很大的不同。分立電容器串聯(lián)，就象電阻串聯(lián)一樣，是靠電流在容抗或阻抗上的壓降來分壓，各分立電容內電埸相互獨立，沒有直接聯(lián)系，而本發(fā)明則不同，它所分隔的電埸是連通而且相互影響的。在圖1中II區(qū)與III區(qū)的交變電埸始終是保持相等的，圖2中的II區(qū)、III區(qū)、IV區(qū)的電埸也始終保持相等的，在下面的分折中可以清楚地看到這點。由本發(fā)明的基本結構及等效電路可見它基本上是平板電容構造和電埸分割，借用于平板電容關系來討論就很簡單，如圖1、16、17所示，設A、B平板面積為S，C板面積為n/mS，CAC與CCB串聯(lián)電容為C2，電路總電容為C則CAC=ϵ·nsm·r]]>CCB=ϵ·nsm·d]]> 式中，t為金屬板C厚，ε為介質相對介電常數(shù)。C1=ϵ·m-nmsD=ϵ·(m-n)smD]]>C=C1+C2=ϵ[m(r+d)+nt]·sm·D·(r+d)]]>實際結構中，可令m＝n，這時C1＝O，C＝C2＝CAC串CCB。在C兩端加電壓 ，要求在CCB兩端得到電壓U2輸出，就首先求C2即兩個串聯(lián)電容的極板電荷Q2。Q2=C2U1=ϵ·nsm·(r+d)·U1]]>Q2也是CCB極板電荷，故U2=Q2CCB=ϵ·ns·U1m·(r+d)·mdϵ·ns]]> η=U2U1=d·ns(r+d)·ns=dr+d]]>如果精確地控制兩平行板之間被分割電埸空間--也就是兩部分極板之間距離--之比，就可以得到小于輸入電壓的任意數(shù)值的輸出電壓，實現(xiàn)電埸耦合電壓轉換，因此η=U2U1=dr+d]]>稱為本變壓器的變化比。
被分割各區(qū)域電埸I區(qū)間電埸EI=U1D]]>II區(qū)間電埸EII=UACr=Q1CAC·1r]]>=ϵ·ns·U1m(r+d)·mrϵ·ns·1r=U1r+d]]>III區(qū)間電埸EIII=UACd=Q2CCB·1d]]>=ϵ·ns·U1m(r+d)·mdϵ·ns·1d=U1r+d]]>即II、III區(qū)間內電埸強度相同而與導體板C所放置的位置無關，這正是被分割的電埸連通并互相影響，由于厚度為t的導體板C插入，縮短了A、B板作用距離，因而該兩區(qū)間埸強較I區(qū)強。一般的兩個分立電容串聯(lián)分壓，它們各自的內部電埸未必相同。 大小與C板面積成正比，與距離(r+d)成反比，由于負載電流IL也要由C板電荷Q2的變化來提供，這里I2也是最大可能輸出電流。當在CCB兩端接上負載RL，輸出電壓U2推動IL流過RL，于是有 →ΔE=ΔQC2·1r]]>便由電源提供位移電流增量來補充電荷，促使III區(qū)埸強回升。經(jīng)歷了失衡的區(qū)間電埸重新回到平衡關系。電埸耦合的結果，輸出電流最終仍是電源U1所提供。
本發(fā)明沒有電感線圈，也就沒有電路狀態(tài)突變時的自感電動勢ε對元器件的沖擊，這樣可以降低工作在開關狀態(tài)下對元器件高耐壓的要求，比如常見開關電源的開關管；也可使本發(fā)明作脈沖變壓器耦合的電路設計簡單化，比如同名端問題可以不予考慮，開關脈沖的吸收、泄放回路可以去掉等。本發(fā)明自身具有限流及短路保護功能，圖16、17等效電路可見，本發(fā)明總是要經(jīng)過串聯(lián)電容CAC再輸出電流，設計中，該串聯(lián)電容滿足了輸出電流要求的同時，也就限制了超過設計要求過大的電流輸出，即使輸出端短路也是如此。這就是本發(fā)明自身具有限流和短路保護功能，這個優(yōu)點使得電源電路的設計大為簡化，如圖18所示一個變壓器帶多個二級變壓，由于各自變壓器的限流和保護功能，可以把有短路大電流故障限制在一個具體的變壓器供電范圍，避免大面積電路被燒損的可能，給電子設備維修帶來極大的方便，本發(fā)明結構與電容器相似，它也具有電容器體積小、重量輕、成本低的優(yōu)點，采用迭層辦法，很容易做成片裝形式，而這點傳統(tǒng)變壓器就很難做到，由于本發(fā)明變壓比簡單，根據(jù)介質絕緣強度和厚度比較容易設計出合符要求的產品。本發(fā)明高頻信號傳輸失真小，它的阻抗變換關系和普通變壓器相似，很適宜作高頻、脈沖耦合變壓器。片狀迭層結構與電子設備塑料機殼合為一體，其面積可以取得很大，因此可以不考慮本發(fā)明的空間體積，在塑封加熱加壓成型過程中，提高本發(fā)明的緊密度，提高了熱穩(wěn)定性，還有利于通風散熱，這種方式適于作電源。空載的時候，有最大電流流過本發(fā)明，這是和磁耦合變壓器對稱的特點，使用當中盡量避免這種情況發(fā)生，最好將本發(fā)明用在穩(wěn)定滿載或大負載運行電路中。
權利要求
1.一種電埸耦合變壓器，其特征是由金屬膜導體極板和介質薄膜片組成，金屬膜導體板可用鋁箔，介質用有機薄膜，迭層變壓器的迭片是小張電極導體板A、B、C，電極導體板A、B、C呈長方形，各有引腳向一邊突出，A板引腳在左，B板引腳在右，C板引腳在中間，各板面積可相同，有機膜也是長方形，它的長、寬邊尺寸都比導體板A、C、B、稍大，介質迭層厚度就是導體極板之間的距離，導體電極板從下向上按B、C、A、C周期性排列，BC之間介質層厚為d，AC之間介質層厚為r；有多組輸出的變壓器，迭片中C導體板可以有兩塊、多塊，對兩塊的C板，分別稱為C1、C2，下料做小張時，C1、C2的電極引腳位置錯開，按B、C2、C1、A、C1、C2、B周期性地逐層向上排列，各導體板之間用介質有機膜層隔開；卷制的電埸耦合變壓器，由長帶狀鋁箔做金屬導體板A、B、C，介質同樣用有機膜，接照介質層r--A板--介質層r--C板--介質層d--B板--介質層d--C板排好，然后卷制組成。
2.一種電埸耦合變壓器的制造方法，其特征是包括如下步驟(1)定出需要輸出的電壓U和電流I，由I計算電容C，由U利用變壓比關系式確定分割電埸空間的各距離d值，再由d和C算出各導電極板面積S，可使各板面積相同；(2)采用導體板與介質層迭層形式制作，注意一個ACB面上還有一個ACB，A是同一導體板A，要保證任意相鄰的AB導體板之間的電埸都被C板分割。(3)將每塊導電體電極板面積S分成m小張，制成小張電極導體板A、B、C，同時將有機膜介質切成長方形小塊，在迭片時將相鄰導體板絕緣，介質膜的厚度及分隔層數(shù)就確定了各分割的電埸距離d1，d2……。(4)確定各導體電極及介質層的排列方式和順序。(5)迭片、壓緊、熱壓塑封成型，制成片狀結構。(6)多組輸出變壓器制作過程與此相同，只是C導體板有兩塊，分別為C1、C2，下料做小張時，C1、C2的電極引腳位置要錯開。(7)卷繞制作時，將面積為S帶狀導體板同有機膜介質，按照介質層r--A板--介質層r--C板--介質層d--B板--介質層d--C板的排列方式卷繞，用普通有機膜電容器的引腳焊接方式及壓緊、環(huán)氧樹脂封裝，制成通孔插裝式元件。
3.據(jù)權利要求1、2所述電埸耦合變壓器及其制造方法，其特征是迭片成片形。
4.據(jù)權利要求1、2所述電埸耦合變壓器及其制造方法，其特征是卷制成形。
5.據(jù)權利要求1、2所述電埸耦合變壓器及其制造方法，其特征是可一組輸出、多組輸出。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種電埸耦合變壓器及其制造方法,即用兩個平行導體板接上電源或信號源,構造出變壓前原電埸,用另一個或多個導體板平行插入該電源電埸中進行分割,只要保證分割取能的電埸空間與被分割原埸空間體積之比在平行導體板分割情況下,是導體板距離之比,滿足要變換電壓的變壓比關系式,就可以得到符合要求的電埸耦合變壓器。本發(fā)明設計合理,結構簡單,體積小,重量輕,成本低,靈活,無瞬變電壓沖擊,具有限流及短路保護功能,避免大面積電路被燒損的可能,給電子設備維修帶來極大方便,宜作高頻、脈沖耦合變壓器使用或適于作電源。
文檔編號H01G4/38GK1348195SQ0112782
公開日2002年5月8日 申請日期2001年9月6日 優(yōu)先權日2001年9月6日
發(fā)明者吳觀暉, 吳小樂 申請人:吳觀暉