Desmitificación de los transformadores para circuito impreso - Guía completa

Desmitificación de los transformadores para circuito impreso - Guía completa

Los transformadores de placa de circuito impreso (PCB) desempeñan un papel vital en los sistemas eléctricos, aumentando o reduciendo la tensión según sea necesario para la conversión de energía.

Esta completa guía ofrece una visión en profundidad de lo que Transformadores PCB qué son, cómo funcionan, sus componentes, procedimientos de ensayo y factores que guían la selección del transformador adecuado para su aplicación.

Índice
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    ¿Qué es un transformador de circuito impreso?

    Un transformador PCB es un transformador construido directamente sobre una placa de circuito impreso en lugar de como un componente independiente. Las bobinas, el núcleo y el cableado del transformador se graban o montan en la placa durante la fabricación del circuito impreso, en lugar de fabricarse por separado.

    Transformador PCB
    Transformador PCB

    Los transformadores para placas de circuito impreso ofrecen las mismas funciones esenciales de conversión de tensión, aumentando o reduciendo la tensión alterna mediante inducción electromagnética. Sin embargo, la integración directa en una placa de circuito impreso permite fuentes de alimentación miniaturizadas, componentes electrónicos compactos y una producción eficiente de placas de alta densidad.

    Los transformadores PCB pueden encontrarse en electrónica de consumo, equipos médicos, dispositivos de telecomunicaciones, convertidores de potencia, hardware de audio y sistemas de control industrial. Van desde pequeños transformadores de señal hasta modelos de alta potencia de hasta 300 W. La correcta selección e integración de los transformadores PCB es clave para el rendimiento del sistema eléctrico.

    Brief Introduction to PCB Transformers

    ¿De qué material es un transformador para circuito impreso?

    Los materiales utilizados para construir los transformadores PCB incluyen:

    Bobinas de cobre - Formado a partir de laminado grabado trazas de cobre en las capas de la placa de circuito impreso.

    Núcleo de ferrita - De cerámica ferromagnética, se utiliza para concentrar y canalizar el flujo magnético.

    Sustrato PCB - Normalmente FR-4 epoxi de vidrio. Los materiales de grado eléctrico evitan las interferencias.

    Soldadura - Se utiliza para terminaciones de bobinas y herrajes de montaje. Con o sin plomo.

    Encapsulado - Bobinas completamente revestidas de epoxi para mayor protección y estabilidad.

    Material de montaje - Separadores, tornillos y arandelas montan el núcleo sobre las bobinas de PCB.

    Los transformadores PCB utilizan la alta densidad de trazas y fiabilidad de las placas impresas para crear bobinados de precisión que no son posibles con el cableado manual. El proceso de fabricación de PCB por capas integra todos los elementos del transformador en un paquete compacto y duradero.

    ¿Cómo funciona un transformador en una placa de circuito impreso?

    ¿Cómo funciona un transformador en un circuito impreso?
    ¿Cómo funciona un transformador en un circuito impreso?

    El principio de funcionamiento de un transformador en un circuito impreso sigue la misma inducción electromagnética que un transformador independiente:

    ●Se aplica una tensión alterna de entrada al devanado primario del transformador.

    ●Esta corriente alterna de entrada crea un flujo magnético fluctuante en el núcleo.

    El flujo cambiante del núcleo induce una tensión variable en el devanado secundario.

    La relación de vueltas entre los devanados aumenta o disminuye la tensión en función de la relación de vueltas.

    ●La entrada de CA se convierte así en una tensión de CA de salida diferente.

    En un transformador PCB, los trazos de cobre de la bobina sustituyen a los devanados de alambre para formar los circuitos primario y secundario inductivos. El campo magnético fluctuante dentro del núcleo de ferrita transforma la tensión igual que en los transformadores convencionales.

    La integración directa en la placa permite ajustar la anchura de las trazas y la relación de vueltas para crear transformadores de PCB extremadamente compactos y personalizables que van desde milivatios a cientos de vatios.

    ¿Cuáles son los componentes de un transformador para circuito impreso?

    Los transformadores PCB contienen los siguientes componentes y subconjuntos clave:

    Placa de circuito impreso (PCB)
    Forma la base sobre la que se montan todos los elementos eléctricos y las conexiones. Contiene las bobinas planas de cobre grabadas con precisión que sustituyen a las bobinas de alambre estándar. El sustrato de PCB aísla eléctricamente y fija los componentes.

    Núcleo
    El núcleo de ferrita proporciona una vía controlada para canalizar el flujo magnético generado por la corriente que pasa a través de los devanados de cobre. Las configuraciones típicas del núcleo son los núcleos en E, los toroides y las combinaciones E-I. La geometría del núcleo y las propiedades del material influyen enormemente en la capacidad de transferencia de potencia.

    Bobinados
    Las trazas de cobre estratégicamente formadas y enrutadas en la placa de circuito impreso constituyen los devanados conductores del transformador. Dependiendo de la topología del transformador, puede haber de 2 a más de 4 bobinas. La anchura, la longitud y el número de espiras determinan la inductancia.

    Terminaciones
    Las pastillas soldables expuestas conectadas a cada devanado de la bobina permiten realizar conexiones entre el transformador integrado en la placa de circuito impreso y los componentes o circuitos externos. Las terminaciones anclan eléctricamente el transformador a la placa más amplia.

    Material de montaje
    Separadores, arandelas, tornillos y, a veces, pinzas de muelle fijan mecánicamente el núcleo de ferrita sobre los devanados de la placa de circuito impreso. De este modo se crea la geometría de núcleo cerrado necesaria para concentrar los campos de flujo magnético para la inducción.

    Encapsulado
    In high vibration environments or high voltage applications, transformers are completely encapsulated in an epoxy potting compound. This electrically insulates windings and protects against environmental contaminants. Potting increases reliability.

    Electrical Shielding
    Some precision low-level signal transformers incorporate grounded Faraday shielding cages around coils to minimize inductive interference from nearby PCB components and circuits. This allows isolation despite tight spacing.

    Insulation
    Thin insulation like Kapton tape, wire insulation, or plastic wraps prevent accidental shorts between tightly packed coil windings and other conductive surfaces. Insulation withstands temperature extremes.

    Cooling
    Larger high-power PCB transformers may incorporate heatsinks, cooling pads, airflow cutouts, or other thermal management to prevent excessive temperature rises during continuous operation at rated loads.

    What is the Difference Between PCB and Non-PCB Transformers?

    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 Líneas SMT 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:

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

    ●Continuity Check – 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.

    ●Phase Check – 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.

    ●Inductance Check – 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.

    ●Magnetic Flux Test – 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.

    ●Insulation Testing – 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 Testing – 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.

    ●Size – The core and winding footprint must allow sufficient spacing and creepage distances between high and low voltage circuits for safety certifications. Footprint limits may constrain power capacity.

    ●Insulation Class – The breakdown voltage and isolation requirements dictate insulation selections to handle maximum transient voltage spikes without dielectric failure or arcing. Noise immunity also factors.

    ●Environment – Transformers must withstand temperature extremes, humidity, mechanical shock and vibration expected over the application environment range. Potting and coatings protect against contaminants.

    ●Certifications – Safety, emissions, and regulatory certifications like EN, UL, FCC required by the application may necessitate design restrictions and compliance testing. Certification costs increase with power levels.

    ●Cost – The total transformer cost balancing performance, size, features, testing requirements, and manufacturing considerations against budget constraints. Incremental improvements add expense.

    Working closely with an experienced PCB transformer manufacturer ensures making the optimal transformer choice balancing technical needs and commercial considerations.

    Conclusión

    PCB transformers represent a specialized class of miniature transformers fabricated through printed circuit board production methods.

    By understanding their construction, functions, testing, identification, and selection criteria, electrical engineers can effectively integrate these essential devices into all manner of electronic equipment for reliable power conversion.

    The customizability and miniaturization afforded by PCB manufacturing techniques will continue fueling innovative transformer designs.

    FAQ-sobre PCB

    Un transformador PCB es un transformador construido directamente sobre una placa de circuito impreso en lugar de como un componente independiente. Las bobinas, el núcleo y el cableado del transformador se graban o montan en la placa durante la fabricación del circuito impreso, en lugar de fabricarse por separado.

    • Bobinas de cobre
    • Núcleo de ferrita
    • Sustrato PCB
    • Soldadura
    • Encapsulado
    • Material de montaje

    ●Design Rule Check

    ●Continuity Check

    ●Phase Check

    ●Turns Ratio Test

    ●Inductance Check

    ●Magnetic Flux Test

    ●Insulation Testing

    ●Hipot Testing

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