[0001] Die Erfindung betrifft einen Magnetkern für einen Schnittstellen-Übertrager nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher Schnittstellen-Übertrager findet
beispielsweise Anwendung bei der sogenannten S₀ - Schnittstelle des ISDN-Netzes
als Übertrager an der Schnittstelle zwischen dem Netzabschluß und den einzelnen Endgeräten.
[0002] ISDN ist ein neues, weltweites, digitales Kommunikationssystem. Bei ISDN erfolgt
die Verbindung zwischen einer digitalen Ortsvermittlungsstelle und einem sogenannten
Netzabschluß über eine U
k0 - Leitungsschnittstelle. Die Entfernung zwischen der digitalen Ortsvermittlungsstelle
und einem Netzabschluß kann hierbei max. 8 km betragen. An einen einzigen Netzabschluß
können bis zu 8 Endgeräte angeschlossen werden. Bei den Endgeräten kann es sich beispielsweise
um Telefon, Bildschirmtelefon, Bildschirmtext, Faksimile, Textfax, Arbeitsplatzstation
u. a. handeln. Die Endgeräte können wiederum bis zu 150 m vom jeweiligen Netzabschluß
entfernt sein. Die Schnittstelle zwischen Netzabschluß und den Endgeräten wird als
S₀-Benutzerschnittstelle bezeichnet.
[0003] Die Anforderungen an eine solche S₀- Schnittstelle sind in der internationalen Norm
CCITT I.430 bzw. in der Norm FTZ 1 TR 230 der Deutschen Bundespost festgelegt. Diese
Normen legen beispielsweise die Impedanz der Schnitt stelle in Abhängigkeit von der
Frequenz oder auch eine sogen. Impulsmaske für die übertragenen digitalen Impulse
fest. Mit den sich aus diesen Normen ergebenden Anforderungen an die magnetischen
und elektrischen Eigenschaften von S₀ - Schnittstellen-Übertragern beschäftigt sich
beispielsweise die Firmenveröffentlichung PUBL 1101E von H. Hemphill, Using Pulse
Transformers for ISDN-Applications der Schaffner Elektronik AG, Luterbach, Schweiz.
In dieser Veröffentlichung sind in den Fig. 2 und 3 auch die Anforderungen an die
Impedanz und die Impulsübertragung nach den postalischen Normen dargestellt. Ob ein
digitaler Puls innerhalb der vorgegebenen Impulsmaske übertragen werden kann, hängt
im wesentlichen von der Induktivität und den Kapazitätswerten des Übertragers ab.
Die Induktivität L des Übertragers bestimmt im wesentlichen den Dachabfall des übertragenen
Impulses. Unter dem Dachabfall versteht man die unerwünschte Abnahme der Spannung
des übertragenden Impulses während der Impulsdauer. Um die ISDN-Anforderungen zu erfüllen,
muß die Induktivität des Übertragers größer als etwa 20 mH bei 10 kHz sein. Die Kapazitätswerte
des Übertragers wirken sich auf die Signalform des übertragenen Impulses insbesondere
beim Übergang vom High- in den Low-Zustand aus. Hierbei sind möglichst niedrige Werte
für die Koppelkapazität erforderlich. Als Koppelkapazität wird die Kapazität zwischen
zwei verschiedenen Wicklungen des Übertragers bezeichnet. Die Koppelkapazität ist
u. a. abhängig von der Zahl der aufgebrachten Windungen und auch von der Anordnung
der Wicklungen. Als Magnetkerne für einen S₀ - Schnittstellen-Übertrager werden in
der obengenannten Veröffentlichung beispielsweise sogen. RM6-Kerne angegeben. Als
Kernmaterial wird Ferrit genannt. Bei Verwendung von Ferritkernen sind die Werte für
die Permeabilität µ und die Sättigungsinduktion Bs beschränkt. Typische Werte hierfür
sind µ = 10 000, Bs = 0,45 T (SIFERIT T38 der Fa. SIEMENS).
[0004] Die Induktivität des Übertragers ist direkt proportional zur Permeabilität des Kernwerkstoffes.
Um mit den Werten der Permeabilität und Sättigungsinduktion der Ferrite die ISDN-Anforderungen
hinsichtlich der Induktivität, insbesondere auch bei einer Gleichstromvormagnetisierung
des Übertragers zu erfüllen, sind entweder ein vergleichsweise großer magnetischer
Kernquerschnitt oder hohe Windungszahlen erforderlich. Ein größerer magnetischer
Kernquerschnitt bedeutet aber eine Vergrößerung des Magnetkerns und somit eine Vergrößerung
des Bauvolumens des Übertragers. Erwünscht sind jedoch möglichst kleine Komponenten.
Eine höhere Windungszahl bedeutet zunächst eine Erhöhung der Koppelkapazität und somit
eine Verschlechterung des Übertragungsverhaltens. Um dies zu vermeiden, sind komplizierte
Wicklungsanordnungen mit zwischen den Wicklungen liegenden Isolierschichten erforderlich.
Die Herstellung der Wicklung wird hierdurch kompliziert und kostenaufwendig.
[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, einen Magnetkern für einen S₀ - Schnittstellen-Übertrager
anzugeben, der ein möglichst kleines Bauvolumen aufweist und der mit einem einfachen
Wicklungsaufbau und geringer Windungszahl die Herstellung eines S₀ - Schnittstellen-Übertragers
nach den ISDN-Anforderungen erlaubt. Die ISDN-Anforderungen sollen insbesondere auch
bei einer Gleichstromvormagnetisierung des Übertragers erfüllt werden.
[0006] Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Feinkristalline Fe-Basislegierungen weisen sehr geringe Magnetostriktionswerte auf.
Dies bedeutet, das der Permeabilitätsabfall durch Spannungen im Material sehr klein
ist.
[0007] Mit den erfindungsgemäßen Magnetkernen können kompakte Schnittstellen-Übertrager
mit kleinen Abmessungen hergestellt werden. Die Schnittstellen-Übertrager erfüllen
auch mit einem einfachen Wicklungsaufbau die in den Normen fest gelegten Anforderungen.
Insbesondere erreichen die Übertrager die geforderten Werte für die Induktivität
auch bei einer Vormagnetisierung, wie sie aufgrund einer unsymmetrischen Stromverteilung
im ISDN-Netz zu erwarten ist. Bei feinkristallinen Fe-Basislegierungen mit µ > 50
000 nimmt die Permeabilität bei geringer Vormagnetisierung bereits stark ab, so daß
die geforderte Induktivität nur mit vergleichsweise großem magnetischem Kernquerschnitt
bzw. hoher Windungszahl erreicht wird. Ist die Permeabilität µ < 20 000, so wird die
geforderte Induktivität ebenfalls nur durch die genannten Maßnahmen erreicht.
[0008] Feinkristalline Fe-Basislegierungen und Verfahren zu ihrer Herstellung sind aus der
EP-OS 271 657 bekannt. Es handelt sich hierbei insbesondere um Legierungen, die neben
Eisen im wesentlichen 0,1 bis 3 Atom-% Kupfer, 0,1 bis 30 Atom-% weitere Metalle,
wie Nb, W, Ta, Zr, Hf, Ti oder Mo, bis zu 30 Atom-% Silizium und bis zu 25 Atom-%
Bor enthalten, wobei der Gesamtgehalt an Silizium und Bor im Bereich zwischen 5 und
30 Atom-% liegt. Aufgrund ihrer guten magnetischen Eigenschaften bei hohen Frequenzen
werden diese Legierungen vorgeschlagen für Hochfrequenztransformatoren, Drosseln und
Magnetköpfe. Aus der EP-OS 299 498 sind weiterhin Magnetkerne aus einer feinkristallinen
Eisen-Basislegierung bekannt, die auch bei erhöhten Anwendungstemperaturen ihre guten
magnetischen Eigenschaften weitgehend behalten. Die genannten Anwendungsgebiete sind
im wesentlichen die gleichen, die bereits in der EP-OS 271 657 genannt wurden.
[0009] Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß feinkristalline Eisen-Basislegierungen
mit einer Anfangspermeabilität von mehr als 20 000 und weniger als 50 000 nur einen
sehr geringen Abfall der Permeabilität bei Vorliegen einer Gleichfeldvormagnetisierung
aufweisen. Diese Legierungen sind daher hervorragend geeignet für die Verwendung als
Magnetkernmaterial in Schnittstellen-Übertragern, die eine Induktivität L von mehr
als 20 mH, gemessen bei 10 kHz bei möglichst geringer Koppelkapazität aufweisen sollen.
Der Eisengehalt der geeigneten Legierungen beträgt mehr als 60 Atom-%. Die Legierungen
weisen ein Gefüge auf, das zu mehr als 50 % aus feinkristallinen Körnern mit einer
Korngröße von weniger als 100 nm, vorzugsweise von weniger als 25 nm besteht. Die
Materialien müssen eine flache Hystereseschleife mit einem Remanenzverhältnis von
weniger als 0,2 aufweisen.
[0010] Die Erfindung soll nun anhand der Figuren und Beispiele näher erläutert werden. Es
zeigen:
Fig. 1 die Schnittstellen und induktiven Bauelemente im ISDN-Netz,
Fig. 2 die Abhängigkeit der Permeabilität von einer Vormagnetisierung bei 20 kHz
und
Fig. 3 die Abhängigkeit der Induktivität von einem Vormagnetisierungsstrom bei 10
kHz.
[0011] In Fig. 1 sind die Schnittstellen und induktiven Bauelemente im ISDN-Netz dargestellt.
Dies sind die sogen. U
K 0 - Leitungsschnittstelle zwischen der digitalen Vermittlungsstelle
1 und dem Netzabschluß
2 (NT: Network Terminaton) sowie die S₀ - Teilnehmerschnittstelle zwischen dem Netzabschluß
2 und den Endgeräten
3 (TE = Terminal Equipment). Zur Übertragung der Informationen zwischen der digitalen
Vermittlungsstelle
1 und dem Netzabschluß
2 werden U
K 0 - Schnittstellen-Übertrager 4 eingesetzt. Die Verarbeitung der digitalen Signale
im Netzabschluß
2 erfolgt durch elektronische Bauelemente 5. Der Netzabschluß enthält weiterhin die
NT-Schnittstellen-Übertrager 6 der S₀ - Schnittstelle. Die Übermittlung der digitalen
Signale zwischen dem Netzabschluß
2 und einem Endgerät
3 erfolgt über die Sendeleitungen 7, 8 und die Empfangsleitungen 9, 10. Im Endgerät
3 erfolgt die Umsetzung der Signale über die TE-Schnittstellen-Übertrager 11 und die
Weiterverarbeitung mit elektronischen Bauelementen 12. Das Endgerät beinhaltet ferner
stromkompensierte Funkentstördrosseln 13.
[0012] Die erfindungsgemäßen Magnetkerne finden Anwendung in dem NT-Schnittstellen-Übertrager
6 und dem TE-Schnittstellen-Übertrager 11 der S₀ - Schnittstelle. Die Stromversorgung
der Endgeräte erfolgt teilweise von der digitalen Vermittlungsstelle über die S₀ -
Teilnehmerschnittstelle. Dies ist zum Beispiel dann der Fall, wenn es sich bei dem
Endgerät um einen Telefonapparat handelt. Die Fernspeisung der Endgeräte ist in der
Fig. 1 nicht dargestellt. Sie erfolgt über die Mittelanzapfung 14 der NT-Schnittstellen-Übertrager
6. Im nicht praxisgerechten Idealfall teilt sich der Speisestrom zu gleichen Teilen
auf die Sendeleitungen 7, 8 bzw. die Empfangsleitungen 9, 10 auf. In der Praxis werden
die verschiedenen Stromwege jedoch unterschiedliche Widerstände aufweisen. Als Ursachen
hierfür kommen beispielsweise unterschiedliche Wicklungswiderstände der Übertrager
sowie unterschiedliche Widerstände der Steckkontakte der Leitungen bzw. auch der
Anschlußschnur eines Endgerätes in Betracht. Eine solche Unsymmetrie des Stromes in
den Sendeleitungen 7, 8 bzw. in den Empfangsleitungen 9, 10 führt zu einer Vormagnetisierung
in den NT-SchnittstellenÜbertragern 6 bzw. den TE-Schnittstellen-Übertragern 11 der
S₀ - Schnittstelle. Intensive Untersuchungen und Berechnungen hierzu haben ergeben,
daß im TE-Schnittstellen-Übertrager 11 mit einem Vormagnetisierungsstrom von etwa
3 mA gerechnet werden muß. Der erwartete maximale Vormagnetisierungsstrom im NT-Schnittstellen-Übertrager
6 liegt dagegegen wesentlich höher, da an einen Netzanschluß bis zu acht Endgeräte
parallel angeschlossen werden können. Es wird hierfür ein Vormagnetisierungsstrom
bis etwa 12 mA erwartet.
[0013] Um die in der Norm geforderte Übertragung eines digitalen Impulses innerhalb der
vorgegebenen Impulsmaske zu gewährleisten, muß der Übertrager auch bei den angegebenen
Vor magnetisierungsströmen eine Induktivität von mehr als 20 mH aufweisen. Desweiteren
sollte die Koppelkapazität gering sein. Als obere Grenze hierfür sind etwa 100 pF
anzusehen.
Ausführungsbeispiele
[0014] Die in den nachfolgenden Beispielen genannten Magnetkernmaterialien wurden in Form
von dünnen Bändern nach dem aus der EP-OS 271 657 bekannten Verfahren hergestellt.
Aus den Bändern wurden dann Ringbandkerne gewickelt. Die Ringbandkerne wurden anschließend
einer Wärmebehandlung im Querfeld unterzogen, d. h. in einem Magnetfeld parallel zur
Rotations-Symmetrieachse der Ringbandkerne. Hierdurch wurden flache Hystereseschleifen
mit einem Remanenzverhältnis B
r/B
s von weniger als 0,2 erzielt, wobei B
r die remanente Induktion und B
s die Sättigungsinduktion angibt. Zum Vergleich wurden auch Ringbandkerne in einem
Längsfeld bzw. ohne Magnetfeld wärmebehandelt. Dies ergibt Magnetkernmaterialien mit
Werten für die Anfangspermeabilität und das Remanenzverhältnis außerhalb des beanspruchten
Bereichs. Mit Ringbandkernen der Abmessungen 0̸ 14 X 0̸ 7 x 6 mm wurden fertige Übertrager
hergestellt und jeweils die Abhängigkeit der Induktivität L von einem Vormagnetisierungsstrom
bei 10 kHz gemessen.
Beispiel a):
[0015] Ein Magnetkern, der neben 73,5 Atom-% Eisen, 1 Atom-% Kupfer, 3 Atom-% Niob, 13,5
Atom-% Silizium und 9 Atom-% Bor enthielt, wurde in einem Querfeld Wärmebehandlungen
von 1 h, 540°C und 3 h, 280°C, unterworfen. Dieser Magnetkern wies eine Anfangspermeabilität
von 23 000 auf. In Fig. 2 ist die Abhängigkeit der normierten Permeabilität (Permeabilität
mit Vormagnetisierung dividiert durch Permeabilität ohne Vormagnetisierung) in Abhängigkeit
von der Vormagnetisierung aufgetragen. Es zeigt sich hier eine geringe Abhängigkeit
der Permeabilität und somit auch der Induktivität von der Vormagnetisierung (Kurve
A). In Fig. 3, Kurve A ist die Abhängigkeit der Induktivität von einem Vormagnetisierungsstrom
für einen Übertrager mit einer Gesamtwindungszahl 2 N = 48 aufgetragen. Dieser Magnetkern
ist hervorragend für die Verwendung in einem Schnittstellen-Übertrager geeignet, der
einer Gleichstromvorbelastung unterworfen ist. Auch bei einer Gleichstromvorbelastung
von 12 mA beträgt die Induktivität noch 33 mH. Die geforderte Induktivität des Übertragers
von mindestens 20 mH erreicht man mit diesem Kern auch bei einer Vormagnetisierung
von 12 mA bereits mit einer Gesamtwindungszahl von 2 N = 36. Diese geringe Windungszahl
ergibt einen niedrigen Wert für die Koppelkapazität auch bei einfachem Wicklungsaufbau
von nur etwa 35 pF.
Beispiel b):
[0016] Magnetmaterialien mit der gleichen Zusammensetzung wie in Beispiel a) wurden einer
Wärmebehandlung im Querfeld von 1 h, 540 °C mit anschließender Abkühlung von 10 K/min
in diesem Feld unterzogen. Die daraus gefertigten Ringbandkerne wiesen eine Anfangspermeabilität
von 31 000 auf. Die Abhängigkeit der Permeabilität von der Vormagnetisierung ist
wiederum in Fig. 2 aufgetragen (Kurve B). Auch diese Magnetkerne wiesen nur eine
sehr geringe Abhängigkeit der Permeabilität von der Vormagnetisierung auf. Fertige
Übertrager mit einer Gesamtwindungszahl 2 N = 40 wiesen Induktivitätswerte deutlich
oberhalb des geforderten Mindestwertes auf (Fig. 3, Kurve B).
Beispiel c):
[0017] Magnetkernmaterialien mit der gleichen Zusammensetzung wie in den Beispielen a) und
b) wurden einer Wärmebehandlung im Querfeld von 1 h, 540 °C mit anschließender Abkühlung
an Luft unterzogen. Durch diese Wärmebehandlung wurde ein noch etwas größerer Wert
der Anfangspermeabilität von etwa 35 000 erreicht. Wie aus Fig. 2, Kurve C ersichtlich,
fällt die Permeabilität mit steigender Vormagnetisierung in diesem Fall etwas stärker
ab. Jedoch konnten auch mit diesem Kern die gestellten Anforderungen an den Schnittstellen-Übertrager
gut erfüllt werden, wie aus Fig. 3, Kurve C für Übertrager mit einer Gesamtwindungszahl
2 N = 38 ersichtlich ist.
Beispiel d):
[0018] Magnetkernmaterialien, die neben 73,5 Atom-% Eisen, 1 Atom-% Kupfer, 3 Atom-% Niob,
16,5 Atom-% Silizium und 6 Atom-% Bor enthielten, wurden der gleichen Wärmebehandlung
wie in Beispiel a) unterzogen. An diesen Materialien wurde eine Anfangspermeabilität
von 28 000 gemessen. Wie aus Fig. 2, Kurve D ersichtlich, wiesen auch diese Magnetkerne
nur eine geringe Abhängigkeit der Permeabilität von einer Vormagnetisierung auf.
Die Anforderungen an die Induktivität wurden mit einem Übertrager mit einer Gesamtwindungszahl
2 N = 42 wiederum sehr gut erfüllt (Fig. 3, Kurve D).
Beispiel e):
[0019] Magnetkernmaterialien der gleichen Zusammensetzung wie in Beispiel d) wurden einer
Wärmebehandlung wie in Beispiel b) unterzogen. Die Abhängigkeit der Permeabilität
von der Vormagnetisierung ist in Fig. 2, Kurve E, die Abhängigkeit der Induktivität
von einem Vormagnetisierungsstrom für einen Übertrager mit 2 N = 38 in Fig. 3, Kurve
E dargestellt.
Beispiel f):
[0020] Kerne der gleichen Zusammensetzung wie in den Beispielen d) und e) wurden einer Wärmebehandlung
wie in Beispiel c) unterzogen. Es wurde eine Permeabilität von 38 000 ermittelt.
Die Abnahme der Permeabilität in Abhängigkeit von einer Vormagnetisierung war wiederum
etwas größer als in den Beispielen d) und e) und ist in Fig. 2, Kurve F dargestellt.
Wie aus Fig. 3, Kurve F ersichtlich, wurde aber auch hier bei einer Gesamtwindungszahl
2 N = 36 eine Induktivität von sogar mehr als 30 mH bei einem Vormagnetisierungsstrom
von 12 mA erreicht.
[0021] Wie aus den obengenannten Beispielen ersichtlich, sind somit alle erfindungsgemäßen
Magnetkerne aus den Beispielen für die Verwendung in Schnittstellen-Übertragern sehr
gut geeignet.
[0022] Zum Vergleich wurden Magnetkernmaterialien der gleichen Zusammensetzung wie in den
Beispielen a) bis c) einer Wärmebehandlung ohne Magnetfeld für 1 h bei 540 °C mit
anschließender Luftkühlung (Beispiel g)) und einer Wärmebehandlung in einem Längsfeld
von 1 h, 540 °C mit einer anschließenden Abkühlgeschwindigkeit von 1 K/min (Beispiel
h) unterzogen. Der ohne Magnetfeld wärmebehandelte Kern wies eine Anfangspermeabilität
von 58 000 und der im Längsfeld behandelte Kern eine Anfangspermeabilität von 6000
auf. Wie aus Fig. 2 (Kurven G und H) ersichtlich, zeigten diese Vergleichskerne eine
sehr starke Abnahme der Permeabilität bei einer Gleichstromvormagnetisierung. Fertige
Übertrager mit dem ohne Magnetfeld behandelten Material (Beispiel g), die eine Gesamtwindungszahl
von 2 N = 28 aufwiesen, erreichten ohne Vormagnetisierungsstrom eine den erfindungsgemäßen
Übertragern vergleichbare Induktivität von etwa 35 mH, bei einem Vormagnetisierungsstrom
von 12 mA jedoch nur noch eine Induktivität von 7 mH, wie aus Fig. 3, Kurve G ersichtlich
ist. Übertrager, die Ringbandkerne mit dem im Längsfeld getemperten Material aus Beispiel
h) enthielten, wiesen ebenfalls einen starken Abfall der Induktivität mit zunehmendem
Vormagnetisierungsstrom auf, wie aus Fig. 3, Kurve H für einen Übertrager mit einer
Gesamtwindungszahl von 2 N = 42 zu ersehen ist.
[0023] Mit den erfindungsgemäßen Magnetkernen können dagegen sehr kompakte Übertrager hergestellt
werden, die die ISDN-Anforderungen erfüllen. Sie können insbesondere auch für die
NT-Schnittstellen-Übertrager 6 eingesetzt werden, bei denen ein Vormagnetisierungsstrom
bis etwa 12 mA erwartet wird.
1. Magnetkern für einen Schnittstellen-Übertrager, der zum Einsatz bei einem digitalen
Übertragungssystem eine Induktivität L von mehr als 20 mH bei möglichst geringer
Koppelkapazität aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß als Magnetkernmaterial eine magnetostriktionsarme Fe-Basislegierung mit einem
Eisenanteil von mehr als 60 Atom-% verwendet wird, deren Gefüge zu mehr als 50 % aus
feinkristallinen Körnern mit einer Korngröße von weniger als 100 nm besteht und die
ein Remanenzverhältnis Br/Bs von weniger als 0,2 sowie eine relative Anfangspermeabilität im Bereich von 20 000
bis 50 000 aufweist.
2. Magnetkern nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch eine Korngröße von weniger als 25 nm.
3. Magnetkern nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Legierung verwendet wird, die neben Eisen im wesentlichen 0,1 bis 3 Atom-%
Kupfer, 0,1 bis 30 Atom-% weitere Metalle, wie Niob, Wolfram, Tantal, Zirkon, Hafnium,
Titan oder Molybdän, bis zu 30 Atom-% Silizium und bis zu 25 Atom-% Bor enthält, wobei
der Gesamtgehalt an Silizium und Bor im Bereich zwischen 5 und 30 Atom-% liegt.
4. Schnittstellen-Übertrager, der einen Magnetkern gemäß Patentanspruch 1 enthält
und der bis zu einer Gleichstromvorbelastung von 12 mA eine Induktivität L von mehr
als 20 mH bei möglichst geringer Koppelkapazität aufweist.