Entmystifizierung von PCB-Transformatoren - Ein vollständiger Leitfaden

Entmystifizierung von PCB-Transformatoren - Ein vollständiger Leitfaden

Leiterplattentransformatoren (PCB) spielen eine wichtige Rolle in elektrischen Systemen, da sie die Spannung je nach Bedarf für die Energieumwandlung erhöhen oder verringern.

Dieser umfassende Leitfaden bietet einen detaillierten Einblick in die PCB-Transformatoren sind, wie sie funktionieren, ihre Bestandteile, Prüfverfahren und Faktoren, die für die Auswahl eines geeigneten Transformators für Ihre Anwendung maßgeblich sind.

Inhaltsübersicht
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    Was ist ein PCB-Transformator?

    Ein PCB-Transformator ist ein Transformator, der direkt auf einer Leiterplatte und nicht als eigenständiges Bauteil hergestellt wird. Die Transformatorspulen, der Kern und die Verdrahtung werden bei der Herstellung der Leiterplatte geätzt oder auf die Leiterplatte montiert und nicht separat hergestellt.

    PCB-Transformator
    PCB-Transformator

    Leiterplattentransformatoren bieten dieselbe wichtige Spannungsumwandlungsfunktion, indem sie Wechselspannungen durch elektromagnetische Induktion nach oben oder unten transformieren. Die Integration direkt auf einer Leiterplatte ermöglicht jedoch miniaturisierte Stromversorgungen, kompakte Elektronik und eine effiziente Leiterplattenproduktion mit hoher Dichte.

    Leiterplattentransformatoren finden sich in der Unterhaltungselektronik, in medizinischen Geräten, Telekommunikationsgeräten, Leistungswandlern, Audio-Hardware und industriellen Steuersystemen. Sie reichen von kleinen Signaltransformatoren bis zu Hochleistungsmodellen mit bis zu 300 W. Die richtige Auswahl und Integration von PCB-Transformatoren ist der Schlüssel zur Leistung eines elektrischen Systems.

    Kurze Einführung in PCB-Transformatoren

    Aus welchem Material besteht ein PCB-Transformator?

    Für den Bau von PCB-Transformatoren werden unter anderem folgende Materialien verwendet:

    Spulenwicklungen aus Kupfer - Geformt aus geätztem Laminat Kupferleiterbahnen auf den Leiterplattenschichten.

    Ferritkern - Hergestellt aus ferromagnetischer Keramik zur Konzentration und Kanalisierung des magnetischen Flusses.

    PCB-Substrat - Normalerweise FR-4 Glas-Epoxid. Elektrotechnische Materialien vermeiden Störungen.

    Lötmittel - Wird für Spulenanschlüsse und Befestigungselemente verwendet. Blei oder bleifrei.

    Vergussmasse - Die Spulen sind zum Schutz und zur Stabilität vollständig mit Epoxidharz ummantelt.

    Befestigungsmaterial - Abstandshalter, Schrauben und Unterlegscheiben befestigen den Kern über den PCB-Spulen.

    PCB-Transformatoren nutzen die hohe Leiterbahndichte und Zuverlässigkeit von Leiterplatten, um Präzisionsspulenwicklungen zu erzeugen, die mit manueller Verdrahtung nicht möglich sind. Das schichtweise PCB-Fertigungsverfahren integriert alle Transformatorenelemente in einem kompakten, langlebigen Paket.

    Wie funktioniert ein Transformator auf einer Leiterplatte?

    Wie funktioniert ein Transformator auf einer Leiterplatte?
    Wie funktioniert ein Transformator auf einer Leiterplatte?

    Das Funktionsprinzip eines Transformators auf einer Leiterplatte folgt der gleichen elektromagnetischen Induktion wie das eines Einzeltransformators:

    ● An die Primärwicklung des Transformators wird eine Eingangswechselspannung angelegt.

    Dieser Eingangswechselstrom erzeugt einen schwankenden magnetischen Fluss im Kern.

    Der wechselnde Kernfluss induziert eine wechselnde Spannung an der Sekundärwicklung.

    Das Verhältnis der Windungen zwischen den Wicklungen steigert oder senkt die Spannung entsprechend dem Windungsverhältnis.

    Der ●AC-Eingang wird dabei in eine andere Ausgangswechselspannung umgewandelt.

    Bei einem Leiterplattentransformator ersetzen die Kupferspulenbahnen die Drahtwicklungen und bilden den induktiven Primär- und Sekundärkreis. Das schwankende Magnetfeld innerhalb des Ferritkerns wandelt die Spannung wie bei herkömmlichen Transformatoren um.

    Durch die Integration direkt auf der Leiterplatte können Leiterbahnbreiten und Windungsverhältnisse angepasst werden, um extrem kompakte und anpassbare PCB-Transformatoren im Bereich von Milliwatt bis Hunderten von Watt zu schaffen.

    Was sind die Bestandteile eines PCB-Transformators?

    PCB-Transformatoren enthalten die folgenden Hauptkomponenten und Unterbaugruppen:

    Gedruckte Schaltung (PCB)
    Bildet die Grundlage, auf der alle elektrischen Elemente und Verbindungen montiert werden. Enthält die präzise geätzten flachen Leiterbahnwicklungen aus Kupfer, die herkömmliche Drahtspulen ersetzen. Das PCB-Substrat isoliert und sichert die Komponenten elektrisch.

    Kern
    Der Ferritkern bietet einen kontrollierten Weg für die Kanalisierung des magnetischen Flusses, der durch den Strom erzeugt wird, der durch die Kupferleiterwicklungen fließt. Typische Kernkonfigurationen sind E-Kerne, Toroide und E-I-Kombinationen. Die Kerngeometrie und die Materialeigenschaften haben einen großen Einfluss auf die Leistungsübertragungsfähigkeit.

    Spulenwicklungen
    Die strategisch geformten und verlegten Kupferbahnen auf der Leiterplatte bilden die leitenden Wicklungen des Transformators. Je nach Transformator-Topologie kann es 2 bis 4+ Spulenwicklungen geben. Die Breite und Länge der Leiterbahnen sowie die Anzahl der Windungen bestimmen die Induktivität.

    Abschlüsse
    Freigelegte, lötbare Pads, die mit jeder Spulenwicklung verbunden sind, ermöglichen Verbindungen zwischen dem auf der Leiterplatte eingebetteten Transformator und externen Komponenten oder Schaltungen. Die Anschlüsse verankern den Transformator elektrisch mit der Leiterplatte.

    Befestigungsmaterial
    Abstandshalter, Unterlegscheiben, Schrauben und manchmal Federklemmen befestigen den Ferritkern mechanisch fest über den darunter liegenden Leiterplattenwicklungen. Dadurch entsteht die geschlossene Kerngeometrie, die für die Konzentration der magnetischen Flussfelder für die Induktion entscheidend ist.

    Vergussmasse
    In Umgebungen mit starken Vibrationen oder bei Hochspannungsanwendungen sind die Transformatoren vollständig mit einer Epoxid-Vergussmasse eingekapselt. Dadurch werden die Wicklungen elektrisch isoliert und vor Umweltverschmutzungen geschützt. Der Verguss erhöht die Zuverlässigkeit.

    Elektrische Abschirmung
    Einige Präzisions-Niedrigpegel-Signaltransformatoren sind mit geerdeten Faraday'schen Abschirmkäfigen um die Spulen herum ausgestattet, um induktive Störungen durch nahe gelegene PCB-Komponenten und Schaltungen zu minimieren. Dies ermöglicht eine Isolierung trotz enger Abstände.

    Isolierung
    Dünne Isolierungen wie Kaptonband, Drahtisolierungen oder Kunststoffumhüllungen verhindern versehentliche Kurzschlüsse zwischen dicht gepackten Spulenwicklungen und anderen leitenden Oberflächen. Die Isolierung widersteht extremen Temperaturen.

    Kühlung
    Größere Hochleistungs-Leiterplattentransformatoren können mit Kühlkörpern, Kühlpads, Luftstromabschaltungen oder anderem Wärmemanagement ausgestattet sein, um einen übermäßigen Temperaturanstieg während des Dauerbetriebs bei Nennlast zu verhindern.

    Was ist der Unterschied zwischen PCB- und Nicht-PCB-Transformatoren?

    Difference Between PCB and Non-PCB Transformers
    Difference Between PCB and Non-PCB Transformers

    There are some key differences between PCB transformers and conventional
    standalone wired transformers:

    ●Coil Material – PCB transformers create windings from flat copper foil traces on board layers rather than using individually insulated magnet wire windings. This allows winding geometries and densities not feasible by manual winding.

    ●Automated Production – PCB transformers are manufactured on automated SMT-Linien capable of extremely high volume production. This compares to standalone transformers being manually wound and assembled. The consistency benefits manufacturing.

    ●Miniaturization – The printed trace construction permits much more tightly packed windings with precise dimensional control. This enables extreme miniaturization down to transformer heights as little as 3-5mm – not achievable with wound bobbins.

    ●Integrated Manufacturing – PCB transformers combine into the normal printed circuit board production process rather than requiring later discrete transformer installation. This streamlines and automates manufacturing.

    ●Customization – PCB CAD allows fully customizing winding patterns, trace widths, turns ratios, and other parameters for optimization. Hand-wound bobbins are far less configurable.

    ●Cost – At high production volumes, PCB transformer costs can be significantly lower than discrete counterparts when factoring in automated manufacturing savings. However, cost is similar at lower quantities.

    The automated printed board fabrication yields higher precision, smaller size, and full customization compared to manual winding methods. But the power transfer physics remain identical.

    How do you Test a PCB Transformer?

    PCB transformers can be tested for both manufacturing defects and design performance deviations using different methods:

    ●Prüfung der EntwurfsregelnPCB design software verifies critical design rules like trace spacing, clearances between layers, etc. are strictly followed to avoid short circuits. This validates manufacturability.

    ●Kontinuitätsprüfung – A multimeter or ohmmeter checks for any open circuits or shorted loops in the winding traces indicating potential cracks or manufacturing flaws in conductors. Verifies electrical integrity.

    ●Phasenprüfung – Apply an AC voltage to the primary coil contacts and probe the secondary to ensure the phase relationships match expectations. Confirms windings are correctly wired in PCB layers.

    ●Turns Ratio Test – Applying a fixed low voltage AC to the primary winding while probing the secondary allows validating the expected transformer turns ratio is accurately achieved, indicative of proper winding patterns.

    ●Leitwertprüfung – An inductance meter can quantify the precise inductance both the primary and secondary windings exhibit. The measured inductances should fall within the acceptable tolerance of design targets.

    ●Magnetischer Flusstest – A current probe confirms strong magnetic flux fields exist around the ferrite core when the transformer runs at nominal input voltage and load. Measures electromagnetic performance.

    ●Isolationsprüfung – A megohm meter verifies the insulation resistance levels between transformer windings and core meet minimum design criteria to avoid short circuit failures during operation.

    ●Hipot-Prüfung – High potential testing stresses insulation to levels above maximum operating voltages, validating the design withstands transient spikes without arcing or dielectric breakdown.

    How do you Identify a PCB Transformer?

    How do you Identify a PCB Transformer
    How do you Identify a PCB Transformer

    Verifying the presence and specifications of a PCB transformer requires identifying key physical features and markings:

    ●Printed coils are visible on the board surface instead of wires. May be partially concealed under epoxy potting.

    ●A ferrite core is mounted over the PCB, often with an E, toroid, or EE shape.
    Standoffs secure it in place.

    ●Primary and secondary coil termination points are marked on circuit schematics with symbols for a transformer.

    ●Component reference designator like “T1” or “XFMR1” identifies the transformer on PCB silkscreens and schematics.

    ●Transformer specifications like input and output voltages, turns ratio, power rating, inductance values, insulation class, etc. provided on a component datasheet.

    ●Warning symbols indicate isolation boundaries and high voltage hazards for high voltage PCB power transformers.

    Understanding the telltale physical construction and identifying the printed coils and ferrite core verifies the presence of a PCB transformer versus a discrete wired transformer. Checking reference designators and specifications confirms transformer properties.

    How do you Choose a PCB Transformer?

    Selecting the optimal PCB transformer for a particular application requires evaluating numerous design factors and tradeoffs:

    ●Input/Output Voltages – The transformer must provide an adequate turns ratio to properly step up or down between the source input voltage and target load output voltage. Tolerances must be considered.

    ●Output Power – The continuous load current flowing through the transformer multiplied by voltage difference dictates the minimum output power rating needed to avoid magnetic saturation.

    ●Frequency – The transformer’s usable frequency range must comfortably envelope the driving circuit frequency for efficient power transfer. Higher frequencies demand more leakage inductance control.

    ●Efficiency – Higher transformer efficiency reduces wasted power dissipated as heat while maximizing usable power transfer to the load. This improves reliability while minimizing cooling needs.

    ●Größe - Die Grundfläche des Kerns und der Wicklung muss ausreichende Abstände und Kriechstrecken zwischen Hoch- und Niederspannungsstromkreisen für Sicherheitszertifizierungen ermöglichen. Die begrenzte Grundfläche kann die Leistungskapazität einschränken.

    ●Isolationsklasse - Die Anforderungen an die Durchbruchspannung und die Isolierung diktieren die Auswahl der Isolierung, um maximale transiente Spannungsspitzen ohne dielektrischen Ausfall oder Lichtbogenbildung zu bewältigen. Auch die Störfestigkeit spielt eine Rolle.

    ●Umwelt - Transformatoren müssen extremen Temperaturen, Feuchtigkeit, mechanischen Stößen und Vibrationen standhalten, die in der jeweiligen Anwendungsumgebung auftreten können. Verguss und Beschichtungen schützen vor Verunreinigungen.

    ●Zertifizierungen - Sicherheits-, Emissions- und behördliche Zertifizierungen wie EN, UL, FCC, die für die Anwendung erforderlich sind, können Konstruktionseinschränkungen und Konformitätsprüfungen erforderlich machen. Die Zertifizierungskosten steigen mit dem Leistungsniveau.

    ●Cost - Bei den Gesamtkosten eines Transformators müssen Leistung, Größe, Merkmale, Prüfanforderungen und Herstellungserwägungen mit den Budgeteinschränkungen in Einklang gebracht werden. Inkrementelle Verbesserungen verursachen zusätzliche Kosten.

    Die enge Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Hersteller von Leiterplattentransformatoren gewährleistet, dass die optimale Wahl des Transformators getroffen wird, bei der technische Anforderungen und wirtschaftliche Erwägungen in Einklang gebracht werden.

    Schlussfolgerung

    PCB-Transformatoren stellen eine spezielle Klasse von Miniaturtransformatoren dar, die mit Hilfe von Leiterplatten hergestellt werden.

    Wenn Elektroingenieure den Aufbau, die Funktionen, die Prüfung, die Identifizierung und die Auswahlkriterien dieser Bauteile verstehen, können sie diese wichtigen Geräte effektiv in alle Arten von elektronischen Geräten integrieren, um eine zuverlässige Energieumwandlung zu gewährleisten.

    Die Anpassungsfähigkeit und Miniaturisierung, die durch die PCB-Herstellungstechniken ermöglicht werden, werden auch weiterhin innovative Transformatorenkonstruktionen fördern.

    FAQ-über PCB

    Ein PCB-Transformator ist ein Transformator, der direkt auf einer Leiterplatte und nicht als eigenständiges Bauteil hergestellt wird. Die Transformatorspulen, der Kern und die Verdrahtung werden bei der Herstellung der Leiterplatte geätzt oder auf die Leiterplatte montiert und nicht separat hergestellt.

    • Spulenwicklungen aus Kupfer
    • Ferritkern
    • PCB-Substrat
    • Lötmittel
    • Vergussmasse
    • Befestigungsmaterial

    ●Prüfung der Entwurfsregeln

    ●Kontinuitätsprüfung

    ●Phasenprüfung

    ●Turns Ratio Test

    ●Leitwertprüfung

    ●Magnetischer Flusstest

    ●Isolationsprüfung

    ●Hipot-Prüfung

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