專利名稱：采用回波補償原理的u型接口脈沖變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及了一個采用回波補償原理的U型接口脈沖變壓器。
在一個數(shù)字式的通信系統(tǒng)里，特別是一個ISDN-通信系統(tǒng)里，在數(shù)字式本地交換機和網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備之間的通信是通過一個公共的雙線回路來實現(xiàn)，在這個雙線回路的末端設(shè)置了一個所謂的UK0-或UHDSL-變壓器。這種ISDN-通信系統(tǒng)的大概觀點由

圖1可以得出。一個這樣的ISDN-通信系統(tǒng)在這里是由一個網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備(NTBA1)，一個ISDN-本地中繼局2，一個UK0-變壓器3，一個帶電流補償?shù)碾p重阻流圈4，一個集成開關(guān)電路5舉例如一個IEC PEB 2090，以及一個帶有DC/DC-換能器的電源6組成。
對于UK0-接口根據(jù)編碼和脈沖重復(fù)頻率f0來區(qū)別4B3T-系統(tǒng)和2B1Q-系統(tǒng)。4B3T-系統(tǒng)有一個60KHz的脈沖重復(fù)頻率f0和一個在3個三進(jìn)制符號上的4位編碼。2B1Q-系統(tǒng)與此相反給出了一個40KHz的脈沖重復(fù)頻率f0和一個在四進(jìn)制狀態(tài)的2位編碼。這個差別對于UK0變壓器的磁化電流的頻譜分布有影響。這個對于磁化電流頻譜分布的影響在圖2中被給出。就象在圖2中看到的那樣，相對于在4B3T編碼中高頻分量占優(yōu)勢的情況，在2B1Q-編碼的頻譜中帶有大電流振幅的低頻分量占了很大部分。在UK0-4B3T-接口的情況下在變壓器間的線路長度最多能夠是5Km.。對于UK0-2B1Q-接口和UHDSL-接口在變壓器之間的線路長度原則上要少一些。這個所傳送的COS2形式的脈沖的故障率必須小于10-7。
如果對于所觀察的系統(tǒng)(4B3T，2B1Q)這個直流電流達(dá)到80mA，在HDSL方式下甚至于還要大一些時，這個用于給終端用戶遠(yuǎn)距離供電的直流電流疊加信息脈沖就變得困難了。這個供電電流產(chǎn)生接口變壓器磁芯的恒場預(yù)加負(fù)載Hdc，接口變壓器磁芯的高度是由變壓器磁芯的結(jié)構(gòu)形式和所用磁芯材料的結(jié)構(gòu)方式來作出決定性的判斷。在這里一個基本的條件是，這個在規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)中確定的通信技術(shù)的特征參數(shù)，例如脈沖時標(biāo)和阻抗時標(biāo)，在最大可能的直流預(yù)加負(fù)載或在變動的直流預(yù)加負(fù)載情況下必須被保持。
對于被安裝在線路兩邊的接口變壓器來說提出了下面的要求
a)最小的結(jié)構(gòu)體積，b)傳輸碼系統(tǒng)的性能，-4B3T-Uk0(vg1.FZT 1 TR 220和ETSI-標(biāo)準(zhǔn)ETR80；60KHz，120k波特)-2B1Q-Uk0(vg1.ANSI-T1.601和ETSI-標(biāo)準(zhǔn)ETR80；40KHz，80波特)-2B1Q和CAP-HDSL(vg1.ETSI-標(biāo)準(zhǔn)ETR152；2M位/秒)c)根據(jù)已布好線的集成電路主電感是1到80mH，d)遠(yuǎn)距離供電的直流疊加--0到60mA對于4B3T-接口變壓器--0到80mA對于2B1Q-接口變壓器(根據(jù)Anzieh標(biāo)準(zhǔn)決定)e)傳送有效范圍＞800km(對于4B3T)或者15個回路根據(jù)ANSI(對于2B1Q)f)微弱的芯軟化和SMD(表面固定裝置)性能。
一直到現(xiàn)在都采用鐵氧體作為變壓器鐵芯材料，特別采用由鐵氧材料N27和N28制成的鐵氧體。這個必不可少的直流預(yù)加負(fù)載特性借助于磁滯曲線修正系數(shù)通過鐵氧體磁環(huán)磁芯的縫隙來達(dá)到。通過磁路的這個大的磁滯曲線修正系數(shù)鐵氧體材料原有的非線性BH-環(huán)被強烈的線性化了，以使變壓器滿足所要求的有效作用范圍或誤碼率。在這里其缺點是，這個磁滯曲線修正系數(shù)產(chǎn)生影響把實際有效的磁導(dǎo)率的值降低到200。為了獲得這個必不可少的在1到80mH之間的主電感對于鐵氧體磁環(huán)磁芯來說構(gòu)造條件是其體積必須被設(shè)計的非常大。
此外在應(yīng)用鐵氧體磁環(huán)磁芯時有一個缺點是，要求有高匝數(shù)的初級側(cè)和次級側(cè)繞組，而這種繞組就產(chǎn)生了電阻損耗和由電容引起的寄生效應(yīng)。
本發(fā)明的任務(wù)就是，對于數(shù)字式傳輸系統(tǒng)給出了一個可預(yù)加直流負(fù)載的接口變壓器，這個變壓器指明了一個盡可能小的結(jié)構(gòu)體積同時利用一個簡單的繞組結(jié)構(gòu)和很少的匝數(shù)保證了一個高的無故障的傳輸有效范圍，特別是保證傳輸范圍大于8km。
根據(jù)本發(fā)明這個任務(wù)通過一個可預(yù)加直流負(fù)載的接口變壓器得以解決，這個接口變壓器有一個在2到80mH之間的主電感和很小的對于有初級次級繞組的磁芯的數(shù)字式傳輸系統(tǒng)所產(chǎn)生的小寄生電容，變壓器在此給出了一個由至少70％非晶形的具有平坦線性的BH-環(huán)的軟磁體合金組成的磁芯同時指出了這個合金具有的成份，該成份由下面公式得出Coa(Fe1-cMnc)bNidMeSixByCz。
其中的一個或多個元素的M是來自V，Nb，Ta，Cr，Mo，W，Ge，P的集合，指數(shù)a到z給出了原子的百分比并且滿足下述要求40≤a≤82 0≤e≤53≤b≤10 0≤x≤150≤c≤18≤y≤260≤d≤30 0≤z≤3并附有條件15＜e+x+y+z＜30。
通過應(yīng)用非晶形的鐵磁性材料接口變壓器的磁芯能夠被制造出來，這個磁芯出色之處是有很小的結(jié)構(gòu)體積。此外對于這個類似金屬的磁芯來說放棄了高匝數(shù)，這樣就不會帶來大電阻的損失和電容引起的寄生效應(yīng)。
這種具有上面提到的成分且滿足下面條件的合金已證明了特別適用，50≤a≤82 e≤3c≤0.5 x≥1d≤20 y≤20并附有條件18＜e+x+y+z＜25.
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中環(huán)形鐵芯被規(guī)定作為磁芯，特別是環(huán)形帶狀鐵芯。根據(jù)這種類似金屬的合金的在開始時特別提到的特性環(huán)形帶狀鐵芯不需要被縱切。因此在優(yōu)選的設(shè)計中環(huán)形帶狀鐵芯是一個沒有被縱切的環(huán)形帶狀鐵芯。
根據(jù)當(dāng)前發(fā)明的環(huán)形帶狀鐵芯的磁帶以優(yōu)先的方式給出中等程度的小于8％磁帶厚度的磁帶上表面和下表面的峰-谷深度Ra。
本發(fā)明是以下面的知識為依據(jù)的，即接口變壓器的特性是利用非晶形的，幾乎沒有磁致伸縮的鈷基合金來達(dá)到最好，這種合金具有至少0.7特斯拉，在有利的情況下多于0.8特斯拉的飽和感應(yīng)，以及一個BH-環(huán)，并且這種BH-環(huán)給出了至少1A/cm，在有利的情況下高于2A/cm的場強，給出了一條線性的曲線。一個這樣的BH-環(huán)在圖3中得以描述。這種線性BH-環(huán)舉例來說可以通過下面描述的制造工藝過程來得到。
一個非晶形鐵磁性磁帶是用快速凝固的釉質(zhì)澆鑄而成，在這里如上面進(jìn)一步描述的特性被確定?？焖倌谭椒ɑ蚓邆淇焖倌痰倪B續(xù)鑄錠都被充分的了解。這里采用的原則性的工藝過程和設(shè)備在DE3731 781 C1中有詳細(xì)的實例描述。這個文件的對象在此明確的包含在當(dāng)前的申請中(“與參考資料共同”).
接著這種在一個特殊機器上的軟磁體非晶形磁帶以無應(yīng)力方式被繞在一個環(huán)形鐵芯上。這種磁性特征的設(shè)置，也就是說磁芯的這種線性平坦的BH-環(huán)是通過特殊的在磁場中的熱處理得以實現(xiàn)，這個磁場是和環(huán)形帶狀鐵芯的旋轉(zhuǎn)對稱軸平行的，也就是說跟磁帶的方向是垂直的。
然后熱處理被開始如下進(jìn)行，在熱處理期間在正向改變飽和磁致伸縮λS的值以便達(dá)到一個取決于合金成分的數(shù)值，直到這個值處在范圍|λS|＜0.5ppm里，有利的情況下處在|λS|＜0.1ppm范圍里。象表2得出的那樣，如果λS的數(shù)值在磁帶的猝熄狀態(tài)下明確的超出了這個范圍，那么這個磁帶也能實現(xiàn)。在這里重要的是根據(jù)所使用的合金利用氣流，利用還原性的或鈍態(tài)的保護(hù)氣體來清洗磁芯，以便于在磁帶表面實現(xiàn)氧化或其他的反應(yīng)。根據(jù)所用合金的成分在所建立的磁場中以1到10K/min的溫升變化速率在220℃到400℃溫度之間加熱這個鐵芯，在0.5和48小時之間在所建立的磁場中該鐵芯保持在這個溫度間隔里然后接著以0.1到5K/min的速率被冷卻。
接著這個鐵芯被表面鈍化、被涂上層、被旋轉(zhuǎn)燒結(jié)或在一個槽中被鍍膜，給初級或次級繞組裝上這個鐵芯并且可能被粘在或澆鑄在元件保護(hù)盒中。
根據(jù)預(yù)先確定的主電感和直流負(fù)載容量在下表1中可以獲得利用當(dāng)前發(fā)明可達(dá)到的鐵芯尺寸或鐵芯質(zhì)量。
>表1對于變壓器的電感適用于關(guān)系式L＝N2μoμrAfe/lfe(1)N＝繞組匝數(shù)μo＝通用的磁導(dǎo)率常數(shù)μr＝材料的磁導(dǎo)率Afe＝鐵芯的鐵芯截面lfe＝鐵芯的磁路長度。
如果繞組匝數(shù)，磁導(dǎo)率，鐵心截面和磁路長度互相調(diào)整，由等式(1)清楚的得出，這個必不可少的電感在最小的結(jié)構(gòu)體積時是可以實現(xiàn)的。這個鐵芯材料的磁導(dǎo)率值是處在對變壓器盡可能緊湊的尺寸起決定性作用的參數(shù)值的有利的環(huán)形幾何周圍。對于合適的合金根據(jù)實行的橫向場熱處理μr位于500到5000之間。和μr＝100-400被縱切的鐵氧體磁芯相比在某種條件下通過這個挑選出的環(huán)形結(jié)構(gòu)本身在最低的μ值500時有較大的體積優(yōu)勢。
在選擇鐵芯材料時原則性的限制是由于給用戶電話機遠(yuǎn)距離供電的直流電流疊加了用于傳送的信息信號而產(chǎn)生的，這個直流電流對于4B3Q變壓器典型方式時可以達(dá)到Idc＝60mA。這個直流電流產(chǎn)生一個恒場預(yù)加負(fù)載
Hdc＝IdcN/lfe(2)在這個恒場預(yù)加負(fù)載下磁導(dǎo)率僅僅允許有非常小的下降。由于這個原因則借助于象在圖4的例子中所描述的為UK0變壓器研制的不同的非晶形材料的μ(Hdc)特性曲線來實現(xiàn)材料的評價。
這個μ(Hdc)-特性曲線必須有足夠的恒定的延伸，以便這個變壓器能夠符合標(biāo)準(zhǔn)的保持利用回波補償原理所獲得的有效范圍。在這里必須以μ(Hdc)-特性曲線為基礎(chǔ)的這種區(qū)域和形式依賴于傳送信號的振幅。
如同圖2所表明的那樣，4B3Q-頻譜的低頻部分只顯示很少。因此高頻有效信號的工作點位置被有較高振幅的低頻圖象波動所影響的程度很小。代替工作點的低頻電路內(nèi)部的干擾，這個干擾例如是大部分存在于用戶電路中的DC-DC換流器的脈沖頻率(圖1)，這個在μ(Hdc)-特性曲線上的信號工作點位置確定在直流預(yù)加負(fù)載和其圖象波動的旁邊。在圖5a中描述了由具有不同表面特性的鐵芯材料組成的兩個4B3Q變壓器在低調(diào)整時的情況。因為低頻的干擾信號的振幅是相對小的，則小區(qū)波段的特性對屬于小調(diào)整的μ(Hdc)-特性曲線的波形有明確的影響。這個小區(qū)波段對于非晶形鐵芯以實際的水平的方式伸展，只要■磁帶是足夠的平滑(圖5a中，貫穿的曲線)■磁帶不是在不可控方式下結(jié)晶的■借助于橫向場退火產(chǎn)生的橫向的各向異性準(zhǔn)確的平行于磁芯軸線■飽和磁致伸縮實際上消失了■鐵芯是無應(yīng)力纏繞對此如果提到的條件被不完全的遵守，則由于磁滯效應(yīng)而在特性曲線(圖5a，用虛線畫出的曲線)中產(chǎn)生了電位阱，這個電位阱隨著理想狀態(tài)的偏差變得越來越深。工作點的調(diào)節(jié)由于低頻干擾信號而導(dǎo)致用于傳送的編碼的失真，由此通過回波補償?shù)母蓴_出現(xiàn)了位錯碼。
在圖5b中描述了對于2B1Q編碼的情況。基于變壓器鐵芯的重要的大的調(diào)節(jié)在依照圖5a(用虛線所畫的曲線)的小區(qū)波段內(nèi)的這個彎曲的過程被查明和失去其意義。相反這個依照圖5b特性曲線的對于大調(diào)節(jié)有效的過程確定了傳輸特性。制造條件和材料特性的影響在這里在這種所描述的方式里體現(xiàn)在特性曲線的過程里。如果工作點位于圖5b其中之一的特性曲線的陡起區(qū)域里時則信號傳輸(40-60kHz)情況根據(jù)表面特性通過由低頻信號部分產(chǎn)生的圖象波動被或多或少的影響了。
用于最后確定變壓器有效范圍的足夠好的位錯率，接著被實現(xiàn)，只要1)被熱處理的磁芯或磁帶的飽和磁致伸縮λS的數(shù)值至少小于0.5×10-6(有利情況時＜0.1×10-6)并且鐵芯是無應(yīng)力纏繞的。
2)這個磁帶上邊和磁帶下邊的公共的中等程度的表面粗糙度(根據(jù)DIN4726)至少小于磁帶厚度的8％，有利的情況下小于2.5％。
3)這個借助于DSC(加熱速率10K/min)確定的結(jié)晶溫度高于410℃，有利的情況下高于430℃。
4)在圖5a中的4B3T-編碼特性曲線的電位阱通過對準(zhǔn)的過調(diào)制被逐漸平坦化，這是通過盡可能小的鐵芯體積的設(shè)置成為可能的。相反對于2B1Q-編碼為了減少圖5b中特性曲線陡峭區(qū)域的影響要盡可能達(dá)到大的磁芯體積。
5)在磁場熱處理時輻射狀雜散場的干擾影響保持盡可能的小。措施例如是在力線方向上構(gòu)造足夠長的鐵芯堆，屏蔽外部磁場，避免鐵芯堆的軸相對于磁場對稱軸的翻轉(zhuǎn)。
6)通過非晶形合金典型的“自由體積”的減少通過熱處理的特別運用減小了磁滯以及在高調(diào)制時出現(xiàn)的干擾影響。
7)通過減小盡可能高的各向異性的能量Ku來減小磁滯以及對于高調(diào)制下出現(xiàn)的干擾影響的作用。
因此根據(jù)圖4的μ(Hdc)-特性曲線的可利用的恒定工作區(qū)域依賴于各向異性場強的大小Ha＝Bs/(μo*μr) (4)在組合中的合金成分必須利用橫向場熱處理確定如下，一方面飽和電感盡可能高，另一方面磁導(dǎo)率盡可能小。因此根據(jù)等式1一個特別小的磁導(dǎo)率必須利用放大繞組匝數(shù)N被均衡，在合金選擇和熱處理時給出了對于較高各向異性場強和足夠高的磁導(dǎo)率的讓步。
利用依照本發(fā)明的合金系統(tǒng)在遵守上述條件時產(chǎn)生帶有特殊線性磁滯回線的變壓器磁芯，這個磁滯回線具有所有符合規(guī)定的特性。鐵芯將產(chǎn)生特別優(yōu)秀的特性，如果合金保持盡可能少的Mn，兩種鐵磁性成分之一如Ni被加入合金里和/或有一個超過430℃的(利用DSC測量，以10K/min速率加熱)結(jié)晶溫度。
權(quán)利要求
1.帶有從2到80mH的主電感和很小寄生電容的可預(yù)加直流負(fù)載的接口變壓器對于裝有初級和次級繞組的磁芯的數(shù)字式傳送系統(tǒng)，其特征在于，磁芯由軟磁性的，至少70％非晶形的帶有平坦的最大線性化BH-環(huán)的合金構(gòu)成，該合金的成分由如下公式給出，Coa(Fei-cMnc)bNidMeSixByCz。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的可預(yù)加直流負(fù)載的接口變壓器，其特征在于，下述條件40≤a≤82 0≤e≤53≤b≤100≤x≤150≤c≤1 8≤y≤260≤d≤300≤z≤3附加有條件15＜e+x+y+z＜30。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的可預(yù)加直流負(fù)載的接口變壓器，其特征在于，含有環(huán)形鐵芯作為磁芯。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的可預(yù)加直流負(fù)載的接口變壓器，其特征在于，含有環(huán)形帶狀鐵芯作為環(huán)形鐵芯。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的接口變壓器，其特征在于，環(huán)形帶狀鐵芯沒縱切。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5的可預(yù)加直流負(fù)載的接口變壓器，其特征在于，磁帶給出了小于磁帶厚度8％的磁帶上面和磁帶下面的中等程度的粗糙度Ra.
7.用于制造依照權(quán)利要求4的可預(yù)加直流負(fù)載的接口變壓器的環(huán)形帶狀磁帶的方法采用下面步驟a)軟磁性的，至少70％非晶形的磁帶是借助快速凝固用釉質(zhì)澆鑄而成。b)磁帶是以無應(yīng)力方式纏繞在環(huán)形帶狀磁芯上；c)被纏繞的環(huán)形帶狀磁芯被放在與環(huán)形帶狀磁芯的旋轉(zhuǎn)對稱軸平行的磁場中且被包在熱處理的保護(hù)性氣氛中。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其特征在于，在溫度處于220℃≤T≤400℃中環(huán)形帶狀磁芯以1到10K/min的速率被加熱，對于在熱處理時間范圍0.5小時≤t≤48小時中時環(huán)形帶狀磁芯被保持在這個溫度區(qū)域中并且接著以0.1到5K/min的速率再被冷卻。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于，環(huán)形帶狀磁芯接著被表面鈍化和/或被涂層和/或被旋轉(zhuǎn)燒結(jié)。
全文摘要
在ISDN－通信系統(tǒng)中數(shù)字式本地交換機和網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備之間的通信聯(lián)系是通過公共的雙線回路實現(xiàn)的,在這個雙線回路的末端設(shè)置了一個所謂的U形－變壓器。網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備連到一個最終用戶,就是人們所說的U
文檔編號H01F27/25GK1231094SQ97198001
公開日1999年10月6日 申請日期1997年9月17日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月17日
發(fā)明者J·佩特佐爾德, J·貝赫勒, J·賓科夫斯基, G·赫爾策, V·克勒斯皮斯, L·卡普拉雷拉, H·溫克 申請人:真空融化股份有限公司