ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА С ИМПЛАНТИРОВАННЫМ ОПТИЧЕСКИМ ДАТЧИКОМ ТОКА
PRINTED CIRCUIT BOARD WITH IMPLANTED OPTICAL CURRENT SENSOR

Изобретение относится к печатной плате, содержащей проводящую дорожку, имеющую выемку, которая расположена в ходе проводящей дорожки так, что проводящая дорожка прервана, при этом в выемке расположен имплантат с левым, правым, нижним и верхним краем. Имплантат служит для измерения проходящего в проводящей дорожке тока.
При измерении тока и напряжения в узлах силовых электронных блоков, например преобразователей  электроэнергии, часто возникают за счет сильных электромагнитных полей и изменений во времени больших токов в режиме переменного тока проблемы электромагнитной совместимости. В зависимости от известного до настоящего времени способа измерения, например, с помощью шунта, или способа XMR, затраты на измерение тока являются значительными для достижения достаточной точности измерения. Например, магнитное центрирование плотности потока в магнитомягких сердечниках оказывает двоякое влияние на измерение тока. С одной стороны, за счет этого в подлежащий измерению контур тока вводится дополнительная индуктивность, так что изменяются первоначальные пути прохождения тока. С другой стороны, в сердечнике могут возникать настолько большие потери высокочастотного тока, что возможно лишь кратковременное измерение или оно совсем невозможно.
Кроме того, при измерении тока с помощью шунтирующих сопротивлений возможна также большая теряемая мощность, которую, возможно, необходимо отводить с помощью соответствующих затрат на охлаждение, за счет чего уменьшается коэффициент полезного действия системы.
Кроме того, при электромагнитном измерении с помощью железных сердечников или катушек проблемой является то, что в большинстве случаев имеющееся на печатной плате конструктивное пространство ограничено.
Задачей данного изобретения является создание средств для измерения тока, которые особенно не чувствительны к электромагнитным влияниям, нуждаются лишь в минимальном конструктивном пространстве в приборе, соответственно на печатной плате, и не оказывают заслуживающего упоминания влияния на коэффициент полезного действия системы.
Из выложенной публикации DE 100 00 306 А1 известен волоконно-оптический датчик тока. Этот волоконно-оптический датчик тока работает на основе магнитооптического эффекта или эффекта Фарадея. За счет магнитного поля сдвигается по фазе передаваемый через световод свет. При этом фазовый сдвиг пропорционален току и может быть измерен.
Известны до настоящего времени волоконно-оптические датчики тока, такие как, например, волоконно-оптический датчик тока фирмы АВВ
(www.add.de/cawp/seitp202/c8448d801f0653dbc1257169002d8156.aspx, являются слишком большими по своей конструктивной форме и размерам для использования на печатной плате. Также фирмой Phoenix Contact предлагается волоконно-оптический датчик тока с кольцевой формой, который зажимается на шине со сферической головкой и через который должен проходить кабель. Этот датчик также не пригоден для использования на печатной плате.
Названная выше задача решена тем, что, согласно изобретению, создан имплантат для печатной платы, который располагается в печатной плате. При этом имплантат имеет проводник, который при установленном в печатной плате имплантате замыкает прерванную с помощью выемки проводящую дорожку, при этом имплантат имеет первый оптический слой и второй оптический слой, и проводник расположен между обоими слоями, первый и второй оптический слой имеют каждый по меньшей мере одну световодную структуру с первым концом и вторым концом, при этом в правой краевой зоне имплантата, в которой лежат соответствующие вторые концы световодных структур, расположено световодное средство, для того чтобы введенный на первом конце световодной структуры первого стеклянного слоя свет отклонялся ко второму концу световодной структуры второго оптического слоя, с целью окружения проводника путем прохождения лучей света, при этом имплантат или печатная плата дополнительно имеет оптический передатчик и оптический приемник со средствами оценки, за счет чего образован волоконно-оптический датчик тока для измерения проходящего через проводник тока. При этом средства оценки предназначены для определения фазового сдвига между передаваемым и принимаемым светом.
Таким образом, с помощью имплантата образовано работающее без соприкосновения измеряющее ток устройство, которое заделано внутрь проводящей дорожки. Согласно изобретению, для имплантата используется технология трехмерных электрооптических печатных плат (EOCB Electro Optical Circuit Board). Для интегрирования оптических передаточных путей в имплантат, соответственно в используемую для имплантата печатную плату ЕОСВ, заделываются, например, интегрированные по всей поверхности стеклянные пленки. Эти стеклянные пленки пригодны для заделывания в них световодных структур. С помощью этих интегрированных в печатную плату, соответственно имплантат, световодных структур реализуется волоконно-оптический датчик тока в виде надстройки на печатной плате. Световодные структуры могут быть реализованы предпочтительно в соответствии с методом модификации показателя преломления с помощью лазера в прозрачных материалах.
Таким образом, с помощью изобретения можно простым образом создавать окружающие необходимый для волоконно-оптического принципа измерения тока проводник волокна в качестве ЕОСВ с заделанными световодными структурами и использовать для выполняемого без соприкосновения и без обратного влияния измерения тока. При этом для измерения тока можно использовать участки уже имеющейся печатной платы посредством интегрирования имплантата ЕОСВ в обычную печатную плату.
Таким образом, из уже имеющейся и без того проводящей дорожки удаляется участок и заменяется участком проводника, выполненного в виде ЕОСВ со световодными структурами. Этот выполненный в виде имплантата ЕОСВ выполнен дополнительно в качестве оптического датчика тока, который работает по принципу Фарадея для измерения электрического тока.
В другом варианте выполнения дополнительно в левой краевой зоне имплантата, соответственно печатной платы, расположено другое световодное средство, и первый и второй слой имеют несколько световодных структур, при этом соответствующие концы световодных структур соединены с помощью световодных средств, и тем самым путь прохождения лучей света окружает проводник как обмотка.
В другом альтернативном варианте выполнения первые концы и вторые концы расположены заканчивающимися заподлицо с первой краевой зоной, соответственно, правой краевой зоной, и световодные средства снабжены трапециевидным профилем, при этом более длинная сторона основания трапеции расположена обращенной к концам, и тем самым на плечах внутри трапеции световодного средства может происходить полное отражение для проходящих лучей.
В другом альтернативном решении предусмотрено, что первые концы и вторые концы скошены для полного отражения и расположены с выходом за левую концевую зону, соответственно, правую концевую зону, и световодные средства выполнены с прямоугольным профилем и расположены между первыми концами и вторыми концами.
Например, для электрически надежного соединения имплантата в печатной плате, наружный контур нижнего и верхнего края имплантата и/или внутренний контур края согласованной выемки имеет периодически повторяющуюся структуру, в частности, зубчатую, зазубренную или волнистую структуру, при этом структура предпочтительно покрыта слоем металлом и может приводиться в процессе оплавления припоя в электрический контакт с печатной платой.
Относительно названной вначале проблемы измерения тока в силовых электронных блоках указанная вначале задача также решена с помощью вентильного преобразователя переменного тока с печатной платой по любому из п.п. 1-5 формулы изобретения.
Ниже приводится пояснение изобретения на основании примера выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг. 1 - печатная плата с выемкой;
фиг. 2 - печатная плата с введенным в выемку имплантатом;
фиг. 3 - разрез имплантата с оптическими слоями;
фиг. 4 - также разрез имплантата с изображением отклонения хода лучей; и
фиг. 5 -  преобразователь с интегрированными в печатную плату измеряющими ток устройствами.
На фиг. 1 показана печатная плата 1 с проводящей дорожкой 2. Проводящая дорожка 2 служит для пропускания тока I. Для интегрирования измеряющего ток устройства в печатную плату 1, печатная плата имеет выемку 3, которая расположена в ходе проводящей дорожки 2 так, что проводящая дорожка 2 прервана, при этом позже при вставленном в выемку 3 имплантате 4 возможно измерение тока с помощью имплантата 4.
На фиг. 2 показана печатная плата 1 из фиг. 1 с расположенным в выемке 3 имплантатом 4. Имплантат 4 имеет левый край l, правый край r, нижний край u и верхний край о.
1
28
При этом имплантат 4 снабжен проводником 5 (см. фиг. 3), который при установленном имплантате 4 замыкает прерванную выемкой 3 проводящую дорожку 2 для прохождения тока. Имплантат 4 имеет первый оптический слой 6 и второй оптический слой 7, и проводник 5 расположен между обоими слоями 6, 7. Первый и второй оптический слой 6, 7 имеют каждый несколько световодных структур 10,…,10.
1
28
1
28
1
28
На фиг. 2 имплантат 4 показан с верхней стороны. Нижняя сторона имплантата 4 имеет также несколько световодных структур 20,…,20. Световодные структуры 10,…,10 и 20,…,20 расположены в качестве световодных каналов в тонком стекле печатной платы ЕОСВ, при этом тонкое стекло представляет оптические слои 6, 7.
1
1
В правой краевой зоне 8 имплантата 4, в которой лежат соответствующие вторые концы 12 световодных структур, расположено световодное средство 30 для отклонения подаваемого на первом конце 11 световодной структуры 10 первого оптического слоя 6 света ко второму концу 12 световодной структуры 20 второго оптического слоя 7, с целью окружения проводника путем 40 прохождения лучей света. Дополнительно к этому, в левой краевой зоне 9 расположено другое световодное средство 31 для соединения множества световодных структур первого и второго оптического слоя друг с другом. Таким образом, с помощью световодных средств 30, 31 множество световодных структур соединяются оптически так, что путь прохождения лучей света многократно окружает проводник 5 как обмотка.
На имплантате 4 расположен оптический передатчик 41 и оптический приемник 42 со средствами 43 оценки, за счет чего образуется волоконно-оптический датчик тока для измерения проходящего через проводник 5 тока.
На фиг. 3 показаны возможные системы для отклонения пути прохождения лучей с помощью световодных средств 30. В показанном вверху варианте выполнения первые концы и вторые концы скошены для полного отражения и расположены с выступанием за левую, соответственно, правую краевую зону 8, и световодные средства 30, 31 выполнены с прямоугольным профилем и расположены между первыми концами 11 и вторыми концами 12.
В показанном внизу варианте выполнения первые концы 11 и вторые концы 12 расположены заподлицо с левой краевой зоной 8, соответственно, правой краевой зоной (при этом на фиг. 3 всегда показана лишь правая краевая зона 8), и световодные средства 30, 31 выполнены с трапециевидным профилем, при этом более длинная сторона основания трапеции обращена к концам для обеспечения возможности полного отражения пути прохождения лучей внутри световодных средств 30, 31.
На фиг. 4 еще раз показан принцип отклонения пути прохождения лучей внутри печатной платы. Исходя из печатной платы ЕОСВ, т.е. печатной платы с интегрированными световодными структурами из тонкого стекла, можно за счет установки трапеции на верхний слой 6 и второй слой 7 отклонять подаваемый в световодную структуру луч света из первого слоя 6 во второй слой 7. При этом в верхнем варианте выполнения показано отклонение с помощью прямоугольного профиля, и в среднем варианте выполнения показано отклонение с помощью трапециевидного профиля, при этом в нижнем варианте выполнения совсем нет отклоняющего средства, поскольку здесь первый оптический слой 6 и второй оптический слой 7 расположены так близко друг к другу, что при скошенных концах световодных структур свет выводится и снова вводится.
Имплантат, согласно изобретению, выполненный в качестве волоконно-оптического датчика тока можно предпочтительно использовать в показанном на фиг. 5 преобразователе. Преобразователь 50 является трехфазным преобразователем L1, L2, L3 переменного тока и может управлять электродвигателем М через три провода U, V, W. Преобразователь 50 имеет выпрямитель/сетевой фильтр 51, промежуточный контур 52, инвертор 53 и электронный регулировочный блок 54. Согласно изобретению, между инвертором 53 и подлежащим управлению электродвигателем М в печатной плате 1 для каждого провода U, V, W интегрировано, соответственно, первое измеряющее ток устройство 61, второе измеряющее ток устройство 62 и третье измеряющее ток устройство 63. При этом измеряющие ток устройства 61, 62, 63 выполнено каждое в виде поясненного выше имплантата 4.