PCBトランスの謎を解く-完全ガイド

PCBトランスの謎を解く-完全ガイド

プリント基板(PCB)トランスは、電力変換の必要に応じて電圧を上下させるなど、電気システムにおいて重要な役割を果たしています。

この包括的なガイドブックでは、以下の項目について詳しく解説している。 PCBトランス トランスの種類、仕組み、構成部品、試験方法、用途に適したトランスを選択するための要因など。

目次
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    PCBトランスとは?

    PCBトランスとは、独立した部品としてではなく、プリント基板上に直接構築されたトランスを指す。トランスのコイル、コア、配線は、別個に製造されるのではなく、プリント基板製造時に基板上にエッチングまたは実装される。

    PCBトランス
    PCBトランス

    PCBトランスは、電磁誘導によってAC電圧を上下させるという、電圧変換に不可欠な機能を提供します。しかし、プリント基板に直接組み込むことで、電源の小型化、電子機器のコンパクト化、効率的な高密度基板製造が可能になります。

    PCBトランスは、民生用電子機器、医療機器、通信機器、電力変換器、オーディオ・ハードウェア、産業用制御システムなどで使用されています。小型のシグナルトランスから最大300Wのハイパワーモデルまで様々です。適切なPCBトランスの選択と統合は、電気システムの性能の鍵となります。

    PCBトランスの簡単な紹介

    PCBトランスの材質は?

    PCBトランスを構成する材料には、以下のものがある:

    銅コイル巻線 - エッチングラミネート 銅線 をPCB層上に配置した。

    フェライトコア - 磁束を集中させて流すために使用される強磁性セラミック製。

    PCB基板 - 通常 FR-4 ガラスエポキシ。電気グレードの材料は干渉を避ける。

    はんだ - コイル終端および取り付け金具に使用。鉛または鉛フリー。

    ポッティングコンパウンド - エポキシ樹脂でコイルを完全に包み込み、保護と安定性を確保。

    取付金具 - スタンドオフ、ネジ、ワッシャーでコアをPCBコイルに取り付ける。

    PCBトランスは、プリント基板の高いトレース密度と信頼性を利用し、手作業では不可能な精密なコイル巻線を実現します。層PCB製造プロセスは、コンパクトで耐久性のあるパッケージにすべてのトランス要素を統合します。

    回路基板上のトランスの仕組み

    回路基板上のトランスの仕組み
    回路基板上のトランスの仕組み

    回路基板上のトランスの動作原理は、単体のトランスと同じ電磁誘導に従う:

    トランスの一次巻線に入力交流電圧が印加される。

    この交流入力電流がコアに変動磁束を発生させる。

    変化するコア磁束は、二次巻線に変化する電圧を誘起する。

    巻線間の巻数比で電圧を上下させる。

    これにより、AC入力は異なる出力AC電圧に変換される。

    PCBトランスでは、銅のコイル・トレースがワイヤーの巻線に代わり、誘導性の一次および二次回路を形成します。フェライトコア内の変動磁界は、従来のトランスと同様に電圧を変換します。

    基板上に直接組み込むことで、トレース幅や巻数比を調整し、ミリワットから数百ワットまでの非常にコンパクトでカスタマイズ可能なPCBトランスを作成することができます。

    PCBトランスのコンポーネントとは?

    PCBトランスには、以下の主要部品とサブアセンブリが含まれている:

    プリント基板(PCB)
    すべての電気エレメントと接続の土台となる。標準的なワイヤーコイルに代わる、正確にエッチングされた平らな銅トレース巻線が含まれています。PCB基板は、コンポーネントを電気的に絶縁し、固定します。

    コア
    フェライトコアは、銅トレース巻線を通過する電流によって発生する磁束を流すための制御された経路を提供します。典型的なコア構成は、E コア、トロイダル、E-I の組み合わせです。コアの形状と材料特性は、電力伝達能力に大きく影響します。

    コイル巻線
    PCB上の戦略的に形成され、配線された銅トレースは、トランスの導電性巻線を構成する。トランスのトポロジーによっては、2~4巻き以上のコイル巻線があります。トレースの幅、長さ、巻き数によってインダクタンスが決まります。

    終了
    各コイル巻線に接続された露出したはんだ付け可能なパッドにより、PCBに組み込まれたトランスと外部の部品や回路との接続が可能です。終端は、トランスをより広い基板に電気的に固定します。

    取付金具
    スタンドオフ、ワッシャー、ネジ、場合によってはスプリングクリップが、フェライトコアをPCB巻線の下にしっかりと機械的に固定します。これにより、誘導のために磁束を集中させるのに重要なクローズドコアの形状が形成されます。

    ポッティングコンパウンド
    高振動環境または高電圧アプリケーションでは、トランスはエポキシポッティングコンパウンドで完全にカプセル化されます。これにより巻線が電気的に絶縁され、環境汚染物質から保護されます。ポッティングは信頼性を高めます。

    電気シールド
    一部の精密低レベル信号トランスは、近くのPCBコンポーネントや回路からの誘導干渉を最小限に抑えるため、コイルの周囲にアースされたファラデー・シールド・ケージを組み込んでいます。これにより、狭い間隔にもかかわらず絶縁が可能になります。

    断熱
    カプトンテープ、ワイヤー絶縁、プラスチックラップのような薄い絶縁は、密に詰まったコイル巻線と他の導電性表面との間の偶発的な短絡を防ぎます。絶縁は極端な温度に耐える。

    冷却
    より大きなハイパワーPCBトランスは、定格負荷での連続動作中の過度の温度上昇を防ぐために、ヒートシンク、冷却パッド、エアフローカットアウト、またはその他の熱管理を組み込むことができる。

    PCBトランスと非PCBトランスの違いとは?

    PCBトランスと非PCBトランスの違い
    PCBトランスと非PCBトランスの違い

    PCBトランスと従来のトランスには、いくつかの重要な違いがある。
    独立型有線変圧器:

    コイル材質 - PCBトランスは、個別に絶縁されたマグネットワイヤー巻線を使用するのではなく、基板層上の平坦な銅箔トレースから巻線を作成します。これにより、手動巻線では実現不可能な巻線形状や密度が可能になります。

    自動化生産 - PCBトランスは、自動化された SMTライン 極めて大量生産が可能である。これは、手作業で巻かれ、組み立てられる単体のトランスと比較した場合である。一貫性は製造に有利です。

    小型化 - プリントトレース構造は、正確な寸法制御により、より密な巻線が可能です。これにより、巻線ボビンでは実現不可能な、わずか3~5mmのトランス高さまで極限まで小型化することができます。

    統合製造 - PCBトランスは、後で個別のトランスを設置する必要がなく、通常のプリント基板製造工程に統合されます。これにより、製造が合理化され、自動化されます。

    カスタマイズ - PCB CADでは、巻線パターン、トレース幅、巻数比、その他のパラメータを完全にカスタマイズして最適化することができます。手巻きのボビンは、設定可能性がはるかに低い。

    コスト - 生産量が多い場合、PCBトランスのコストは、自動製造によるコスト削減を考慮すると、ディスクリート製品よりも大幅に低くなります。しかし、数量が少なくてもコストは同様です。

    自動化されたプリント基板製造は、手作業による巻線方法と比較して、高精度、小型化、完全なカスタマイズが可能である。しかし、電力伝達の物理的性質は同一である。

    PCBトランスのテスト方法は?

    PCBトランスは、さまざまな方法で製造上の欠陥と設計上の性能偏差の両方をテストすることができます:

    デザインルールチェックPCB設計ソフトウェア は、トレース間隔、層間のクリアランスなどの重要な設計ルールが、短絡を避けるために厳密に守られていることを検証します。これにより製造性が検証されます。

    連続性チェック - マルチメーターまたはオームメーターは、導体の潜在的な亀裂または製造上の欠陥を示す巻線トレースの開回路または短絡ループをチェックします。電気的完全性を確認します。

    位相チェック - 一次コイルの接点にAC電圧を印加し、二次コイルをプローブして、位相関係が予想と一致していることを確認する。巻線がPCB層に正しく配線されていることを確認する。

    回転比テスト - 二次巻線をプローブしながら一次巻線に固定の低電圧交流を印加することで、期待されるトランスの巻数比が正確に達成され、適切な巻線パターンであることを検証することができます。

    インダクタンス・チェック - インダクタンスメーターは、一次巻線と二次巻線の両方が示す正確なインダクタンスを定量化することができます。測定されたインダクタンスは、設計目標の許容誤差内に収まるはずです。

    磁束試験 - 電流プローブにより、トランスが公称入力電圧と負荷で動作しているときに、フェライトコアの周囲に強い磁束場が存在することを確認します。電磁性能を測定します。

    断熱試験 - メガオームメーターは、変圧器の巻線とコアの間の絶縁抵抗レベルが設計上の最低基準を満たしていることを確認し、変圧器の巻線とコアの間の絶縁抵抗レベルが設計上の最低基準を満たしていることを確認します。 オペレーションを行う。

    ハイポット試験 - 高電位試験は、最大動作電圧を超えるレベルまで絶縁にストレスを与え、アーク放電や絶縁破壊なしに過渡スパイクに耐える設計を検証します。

    PCBトランスの識別方法は?

    PCBトランスの識別方法
    PCBトランスの識別方法

    PCBトランスの存在と仕様を確認するには、主要な物理的特徴とマーキングを識別する必要があります:

    プリントコイルは、配線の代わりに基板表面に見える。エポキシポッティングで部分的に隠蔽可能。

    フェライトコアはプリント基板の上に取り付けられる。
    スタンドオフで固定する。

    回路図にはトランスの記号で1次コイルと2次コイルの終端点が記されています。

    T1 "や "XFMR1 "のような部品参照デジグネータは、PCBシルクスクリーンや回路図でトランスを識別します。

    入力電圧、出力電圧、巻数比、定格電力、インダクタンス値、絶縁クラスなどのトランスの仕様は、部品のデータシートに記載されています。

    警告記号は、高電圧PCB電源トランスの絶縁境界と高電圧の危険性を示します。

    物理的な構造を理解し、プリントコイルとフェライトコアを特定することで、PCBトランスがディスクリート配線されたトランスであるかどうかを確認できます。リファレンス・デジグネータと仕様をチェックすることで、トランスの特性を確認します。

    PCBトランスの選び方

    特定の用途に最適なPCBトランスを選択するには、多くの設計要因とトレードオフを評価する必要があります:

    入出力電圧 - トランスは、ソース入力電圧とターゲット負荷出力電圧の間を適切にステップアップまたはステップダウンするために、適切な巻数比を提供しなければならない。公差を考慮しなければならない。

    出力電力 - トランスを流れる連続負荷電流に電圧差を掛けたものが、磁気飽和を回避するために必要な最小定格出力を決定する。

    周波数 - トランスの使用可能周波数範囲は、効率的な電力伝送のために、駆動回路の周波数を快適に包含しなければならない。周波数が高いほど、より多くのリーケージ・インダクタンス制御が要求される。

    効率 - トランス効率を高めることで、熱として放散される無駄な電力を削減し、負荷への使用可能な電力伝達を最大化します。これにより、冷却の必要性を最小限に抑えながら、信頼性を向上させます。

    サイズ - コアと巻線のフットプリントは、安全認証のために高電圧回路と低電圧回路との間に十分な間隔と沿面距離を確保しなければならない。フットプリントの制限により、電力容量が制限される場合があります。

    絶縁クラス - 絶縁破壊電圧と絶縁要件は、誘電体破壊やアーク放電を起こさずに最大過渡電圧スパイクを処理する絶縁選択を指示します。ノイズ耐性も要因の一つです。

    環境 - トランスは、極端な温度、湿度、機械的衝撃、振動に耐えなければなりません。ポッティングやコーティングは汚染物質から保護します。

    資格 - アプリケーションによって要求される安全性、エミッション、EN、UL、FCCなどの規制認証には、設計上の制限や適合試験が必要になる場合があります。認証コストは出力レベルに応じて増加します。

    コスト - トランスの総コストは、性能、サイズ、機能、テスト要件、製造上の考慮事項と予算の制約とのバランスをとる。改良の積み重ねが費用を増加させます。

    経験豊富なPCBトランスメーカーと密接に協力することで、技術的ニーズと商業的配慮のバランスを考慮した最適なトランスを選択することができます。

    結論

    PCBトランスは、プリント基板製造法で製造される特殊な小型トランスの一種です。

    その構造、機能、テスト、識別、および選択基準を理解することにより、電気エンジニアは、信頼性の高い電力変換のために、あらゆる電子機器にこれらの重要なデバイスを効果的に統合することができます。

    PCB製造技術によってもたらされるカスタマイズ性と小型化は、今後も革新的なトランス設計に拍車をかけ続けるだろう。

    よくある質問-PCBについて

    PCBトランスとは、独立した部品としてではなく、プリント基板上に直接構築されたトランスを指す。トランスのコイル、コア、配線は、別個に製造されるのではなく、プリント基板製造時に基板上にエッチングまたは実装される。

    • 銅コイル巻線
    • フェライトコア
    • PCB基板
    • はんだ
    • ポッティングコンパウンド
    • 取付金具

    デザインルールチェック

    連続性チェック

    位相チェック

    回転比テスト

    インダクタンス・チェック

    磁束試験

    断熱試験

    ハイポット試験

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