Rohde & Schwarz liegt bei Jung-Ingenieuren vorn

Rohde&Schwarz ist bei jungen Nachrichtentechnikern überaus beliebt, das belegen gleich zwei Studien: Beim Absolventenbarometer der Personalmarketing-Agentur trendence und bei der Studie von access kommt das Unternehmen auf Platz 2. Auch bei den Elektrotechnikern erreichte das Unternehmen mit den Plätzen 10 bzw. 7 eine gute Positionierung.

Bei marktgängigen Induktivitäten nehmen Entwickler oft große Magnetfeldlängen in Kauf, weil nur so die erforderliche Wicklungslänge klein gehalten werden kann. Der Kompromiss zwischen magnetischer Länge und Wicklungslänge brachte die bekannten Bauformen wie E- und Ringkern-Induktivitäten hervor. Diese sind in der Regel mit einem Luftspalt behaftet, der zum einen die Montage vereinfacht, zum anderen aber die effektive Permeabilität beeinträchtigt. Dieser Umstand lässt sich bei hohen Leistungen gut kompensieren, weniger aber bei kleineren Leistungen. Im Folgenden werden Lösungsvorschläge mit neuen Materialien und planaren Strukturen vorgestellt, die für Abhilfe sorgen.

Die Befragten verbinden mit Rohde&Schwarz vor allem attraktive Arbeitsaufgaben, ein interessantes Produktportfolio, hohe Innovationskraft, internationale Einsatzmöglichkeiten sowie großen Markterfolg. »Das ist eine Bestätigung für unsere Personalpolitik« freut sich Personalleiter Dr. Hubert Amend. »Wir wecken bei den jungen Leuten nicht nur fachlich Interesse, sondern bieten daneben offene Organisationsstrukturen und Freiraum für kreative Köpfe. Deshalb sind wir für die Zukunft zuversichtlich.«

Auch der jährlichen Mitarbeiterbefragung der deutschen Wirtschaftszeitung Capital zufolge zählte Rohde&Schwarz 2006 unter den Großunternehmen zu den drei besten Arbeitgebern in Deutschland.

Das trendence Institut für Personalmarketing GmbH (Berlin) und die access AG (Köln) fragen die deutschen Hochschul-Absolventen und Young Professionals einmal im Jahr nach ihren bevorzugten Arbeitgebern. Seit sechs Jahren wählen Teilnehmer aus beiden Zielgruppen Rohde&Schwarz auf die vorderen Plätze.

Dem breiten Anwendungsspektrum in Elektrotechnik und Elektronik entspricht die große Vielfalt der Induktivitäten, die auf dem Markt in allen Leistungsklassen angeboten werden – beginnend bei kleinsten Magnetkernspulen bis hin zu schwergewichtigen Einheiten im kW-Bereich und darüber. Das Augenmerk der Entwicklung galt lange Zeit hauptsächlich neuen Kernmaterialien für höhere Arbeitsfrequenzen und weniger der mechanischen Ausgestaltung.

Dabei können durch neue Bauformen Induktivitäten u.a. im Sinne eines höheren Wirkungsgrades ganz wesentlich verbessert werden. Es bieten sich auch neue Materialien an, die bei den bisherigen Bauformen eher selten eingesetzt wurden. Die neuen Konstruktionen ermöglichen kostengünstigere, kleinere und umweltfreundlichere Lösungen für fast alle Produktgruppen – etwa für Drosseln, Ansteuer-, Trenn- und Wandlertrafos, ferner für Ringkern- und E-Kern-Induktivitäten sowie für eine Vielzahl von Anwendungen sowohl im NF- wie auch im HF-Bereich, in der Funkentstörtechnik, in Stecker-, Leistungs- und Schaltnetzteilen etc.

Bei heute üblichen Bauformen sind die Länge der magnetischen Feldlinien lFe und die Länge einer stromführenden Wicklung lCu in etwa gleich. Die magnetische Feldstärke H wird um so größer, je kleiner die Länge lFe ist. Werden die Höhe h und die Breite b des Magnetkerns reduziert, die Tiefe z aber entsprechend vergrößert, so erreicht man gleichzeitig eine Verkleinerung der Magnetfeldlänge lFe und der Windungszahl N (unter Beibehaltung der magnetischen Feldstärke H = I x N / lFe). Die Induktivität wird flach, der Wicklungsdraht ist über die volle Länge von Magnetmaterial umschlossen und trägt deshalb in seiner ganzen Länge zur Induktion bei (siehe Bild 1). Von diesem Ansatz ausgehend, lassen sich neue Bauformen entsprechend neu gewonnener Freiheitsgrade realisieren. Außerdem sind nun auch neue Materialien einsetzbar, die sich bei bis dato verfügbaren Bauformen noch als unzweckmäßig erwiesen haben.

Planare Geometrien lassen sich „maßschneidern“

Für die bis heute üblichen Induktivitäten werden vorgegebene Bauformen verwendet, was dazu führt, dass der Anwender meist mit der jeweils größeren Leistungsklasse arbeiten muss. Bei Transformatoren ist dies häufig der Fall. Wenn der Entwickler z.B. eine Applikation realisiert, welche elektrisch eine Baugröße zwischen EI30 und EI40 erforderlich macht, muss demzufolge die nächst größere Bauform zum Einsatz kommen. Dies allein kann gut und gerne zu 20 % höherem – unnötigen – Ballast führen. Planare induktive Bauelemente können wesentlich besser auf den Bedarf zugeschnitten werden. Außerdem ergeben sich materialbedingte Verbesserungen, weil aufgrund der Konstruktion flache und vollkommen luftspaltfreie Induktivitäten gut machbar sind. Darüber hinaus ergeben sich qualitative Verbesserungen, die in Tabelle 1 fest gehalten sind.

Neue Materialien für den Magnetkreis

Die hier beschriebenen Induktivitäten kommen ohne massigen Magnetkreis aus. Sie bestehen vielmehr aus dünnwandigen Teilen, so dass nahezu alle weichmagnetischen Materialien verwendet werden können. Mit NiFe- und CoFe-Legierungen sowie nanokristallinen oder amorphen Legierungen stehen Werkstoffe zur Verfügung, die schon bei sehr geringen Feldstärken ihre Sättigungsflussdichte erreichen und eine Permeabilität bis 100 000 und mehr haben. Derartiges Material wird als Halbzeug in Form von Bändern, Stangen, Drähten oder in Form von Halbfertigprodukten wie Bandkernen angeboten.

Bei den planaren Geometrien wird weichmagnetisches Material vorteilhaft in Röhrenform (ohne Luftspalt) verwendet, so dass die Eigenschaften des Magnetwerkstoffes (Permeabilität) voll ausgeschöpft werden. Auch die elektrischen Daten können besser optimiert werden – etwa hinsichtlich der gespeicherten Energie, der gewünschten Induktivität oder der Betriebsfrequenz (Spannung/Zeit-Integral). Ausgangspunkt dafür sind die nachstehenden Formeln, die den Zusammenhang zwischen den elektrischen Größen und den magnetischen bzw. mechanischen Eigenschaften beschreiben:

Energie im Kern:

(1)

Induktivität:

(2)

Spannung/Zeit-Integral:

(3)

Bei Induktivitäten sind sehr viele der elektrischen Daten eng mit der mechanischen Form verzahnt. Tabelle 1 zeigt die Dimensionierung verschiedener Kernformen im Vergleich zur planaren Induktivität – unter der Voraussetzung, dass die gespeicherte Energie in allen Kernen gleich ist. Es werden zunächst auch gleiche magnetische Eigenschaften unterstellt – also

  • gleiche relative Permeabilität,
  • gleiche maximale Flussdichte
  • und ein voll genutzter Wickelraum (Kupferfüllfaktor = 1).

Die Auflistung (Auszug aus einer umfangreicheren Vergleichstabelle) zeigt, dass mit all den Bauformen vergleichbare Werte erreicht werden können. Dies gilt auch für den Kupferwiderstand, der im Falle der planaren Induktivität durch einen größeren Rohrdurchmessers ri (s. Bild 1) verringert werden kann.

Werden bei planaren Induktivitäten die – bedingt durch den Wegfall von Luftspalten – hohe relative Permeabilität und die besseren Materialien berücksichtigt, so ergibt sich das im folgenden Abschnitt beschriebene Bild.

Bei dem Vergleich zwischen einem induktiven Bauelement mit E-Kern und einem induktiven Bauelement mit planarem Aufbau (siehe Bild 2) bestimmen bei gleichem magnetischem Material im Wesentlichen die geometrischen Größen AFe, lFe und die Windungszahl N die elektrischen Daten. Bei gleicher gespeicherter magnetischer Energie E ist insbesondere das Produkt AFe x lFe konstant zu halten. Ein vorgegebener Induktivitätswert wird durch die Größe AFe x N2 / lFe bestimmt.

Wie bereits vermerkt, kann bei planaren Ausführungen lFe sehr klein gehalten werden. Um die Fläche AFe konstant zu halten, muss aber die elektrisch wirksame Länge der Induktivität entsprechend vergrößert werden, was bei gleichen elektrischen Eigenschaften drei wichtige Faktoren positiv beeinflusst (siehe auch Tabelle 2):

  • Die proportional geringere Windungszahl N,
  • die entsprechend geringere Eisenweglänge lfe und
  • die höhere effektive Leitungslänge pro Windung lCu

Mit dem neuen Freiheitsgrad in der Formgestaltung ergeben sich u.a. die in Tabelle 3 aufgelisteten qualitativen Verbesserungen. Diese Tabelle zeigt, dass die planaren Induktivitäten in vieler Hinsicht von Vorteil sind und dass es gute Gründe gibt, diese Bauform für viele Anwendungsbereiche in die engere Wahl zu ziehen.

Um die beschriebenen Eigenschaften zu ermöglichen, müssen bei der Montage die Windungen durchtrennt und wieder zusammengefügt werden. Wegen der geringen Windungszahl ist dies auch gut möglich und erlaubt zudem Konstruktionen, die ohne den oft sperrigen Spulenkörper auskommen. Dieser Umstand für sich führt schon zu wesentlich kleineren Abmessungen. Hinzu kommt, dass der Magnetkreis den vorhandenen räumlichen Bedingen auf der Platine besser angepasst werden kann. In verschiedenen, bis dato realisierten Praxisbeispielen lag der Durchmesser des Röhrchens für den Magnetkreis bei 3 mm.

Kleinere Durchmesser oder flache Röhren können durchaus in Platinen vergossen werden, so dass die Induktivität von der Oberfläche ganz verschwindet und die gesamte Fläche für andere Bauelemente zur Verfügung steht. Vergossene induktive Bausteine bieten nebenbei auch eine wesentlich höhere Isolationsfestigkeit. Für die angelegten Spannungen sind an den kritischen Stellen nicht mehr die Feuchteklassen für den Betrieb in umgebender Luft maßgebend, sondern die Verhältnisse im Vergussmaterial – und das bei geringerem Platzbedarf.

Die planare Induktivität als Einzelbaustein bringt ebenfalls viele Freiheitsgrade in der Auslegung mit sich. Ein gutes Beispiel dafür ist die Lösung mit geklappten Röhren, wobei die Leitungen an den Stirnseiten zu den wenigen notwendigen Windungen verbunden (z.B. durch Bonden oder mit Verbindungsstegen) bzw. zu den Anschlüssen herausgeführt werden (Bild 3).

Bei Platinen werden heute durchaus schon 25 µm für Leiterbahnen erreicht. Damit sind 20 Windungen pro Millimeter möglich, bei Nutzung der Vorder- und Rückseite also 40 Windungen. Auch bei flexiblen Substraten gibt es Entwicklungen zu feineren Strukturen, welche die Forderung für eine möglichst geringe Feldlinienlänge lFe erfüllen.

Unterstützt werden diese Maßnahmen durch Fortschritte in der Fertigungstechnik und nicht zuletzt dadurch, dass die beschriebenen Bauarten mit wenigen Windungen auskommen.

Auch für leistungsintensivere Applikationen geeignet

Werden die Vorteile planarer Konstruktionen ausgeschöpft, so lassen sich optimierte Induktivitätsgrößen realisieren. In vielen Fällen dürfte dieses Optimum bei relativ kleinen Leistungen liegen. Größere Leistungen wiederum werden durch den Einsatz mehrerer Einzelelemente bzw. Zellen (z.B. parallel geschaltet) verwirklicht.

Eine ähnliche Strategie wird bei Halbleitern schon lange gefahren – etwa bei MOS-Transistoren. Leistungs-MOSFETs bestehen aus einer Vielzahl von Einzelelementen, die den Vorgaben beispielsweise in Bezug auf Strom und Duchlasswiderstand entsprechen und nach Bedarf parallelgeschaltet sind.

Die beschriebenen planaren Konstruktionen ermöglichen aufgrund der kleinen Abmessungen eine derartige Vorgehensweise auch auf dem Gebiet induktiver Bauelemente. Damit wird diese Technik auch für das weite Feld der Leistungsinduktivitäten interessant – nicht nur wegen des günstigeren Aufbaus, sondern auch wegen der besseren Regelungsmöglichkeiten, etwa indem je nach Bedarf weitere Induk-tivitätseinheiten parallel zugeschaltet werden.

Stellt die jeweilige Applikation besondere Anforderungen z.B. an Güte oder Spannungsfestigkeit, so können diese Eigenschaften durch den größeren Freiheitsgrad im Aufbau besser herausgearbeitet werden. Das gilt insbesondere auch für den Faktor Miniaturisierung. Die bis dato vorgestellte Technik eignet sich schon wegen des Wegfalls von Spulenkörpern und wegen der weitgehend freien Auswahl bei den Materialien gut für maßgeschneiderte Lösungen, die durch den vereinfachten Aufbau oft auch noch kostengünstiger sind und auch von den Fortschritten in der Mikromechanik profitieren.