Desmistificando os transformadores de PCB - um guia completo

Desmistificando os transformadores de PCB - um guia completo

Os transformadores de placa de circuito impresso (PCB) desempenham um papel fundamental nos sistemas elétricos, aumentando ou diminuindo a tensão conforme necessário para a conversão de energia.

Este guia abrangente oferece uma visão detalhada do que Transformadores PCB são, como funcionam, seus componentes, procedimentos de teste e fatores que orientam a seleção adequada do transformador para sua aplicação.

Tabela de Conteúdos
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    O que é um transformador de PCB?

    Um transformador PCB refere-se a um transformador construído diretamente em uma placa de circuito impresso, e não como um componente autônomo separado. As bobinas, o núcleo e a fiação do transformador são gravados ou montados na placa durante a fabricação da PCB, em vez de serem fabricados separadamente.

    Transformador de PCB
    Transformador de PCB

    Os transformadores de PCB fornecem a mesma funcionalidade essencial de conversão de tensão, aumentando ou diminuindo as tensões CA por meio de indução eletromagnética. Entretanto, a integração direta em uma placa impressa permite fontes de alimentação miniaturizadas, componentes eletrônicos compactos e produção eficiente de placas de alta densidade.

    Os transformadores de PCB podem ser encontrados em produtos eletrônicos de consumo, equipamentos médicos, dispositivos de telecomunicações, conversores de energia, hardware de áudio e sistemas de controle industrial. Eles variam de pequenos transformadores de sinal a modelos de alta potência de até 300W. A seleção e a integração adequadas do transformador de PCB são fundamentais para o desempenho do sistema elétrico.

    Breve introdução aos transformadores de PCB

    De que material é um transformador de PCB?

    Os materiais usados na construção de transformadores PCB incluem:

    Enrolamentos de bobina de cobre - Formado por laminado gravado traços de cobre nas camadas da placa de circuito impresso.

    Núcleo de ferrite - Feito de cerâmica ferromagnética, usado para concentrar e canalizar o fluxo magnético.

    Substrato de PCB - Normalmente FR-4 epóxi de vidro. Os materiais de grau elétrico evitam interferências.

    Solda - Usado para terminações de bobinas e hardware de montagem. Com ou sem chumbo.

    Composto de envasamento - Bobinas completamente revestidas com epóxi para proteção e estabilidade.

    Hardware de montagem - Os suportes, parafusos e arruelas montam o núcleo sobre as bobinas da placa de circuito impresso.

    Os transformadores de PCB utilizam a alta densidade de traços e a confiabilidade das placas impressas para criar enrolamentos de bobina de precisão que não são possíveis com a fiação manual. O processo de fabricação de PCB em camadas integra todos os elementos do transformador em um pacote compacto e durável.

    Como um transformador funciona em uma placa de circuito?

    Como um transformador funciona em uma placa de circuito?
    Como um transformador funciona em uma placa de circuito?

    O princípio operacional de um transformador em uma placa de circuito segue a mesma indução eletromagnética de um transformador autônomo:

    Uma tensão CA de entrada é aplicada ao enrolamento primário do transformador.

    Essa corrente de entrada CA cria um fluxo magnético flutuante no núcleo.

    O fluxo variável do núcleo induz uma tensão variável no enrolamento secundário.

    A proporção de voltas entre os enrolamentos aumenta ou diminui a tensão de acordo com a proporção de voltas.

    ●A entrada CA é convertida em uma tensão CA de saída diferente.

    Em um transformador PCB, os traços da bobina de cobre substituem os enrolamentos dos fios para formar os circuitos indutivos primário e secundário. O campo magnético flutuante dentro do núcleo de ferrite transforma a tensão da mesma forma que nos transformadores convencionais.

    A integração diretamente na placa permite ajustar a largura dos traços e a relação de espiras para criar transformadores de PCB extremamente compactos e personalizáveis que variam de miliwatts a centenas de watts.

    Quais são os componentes de um transformador de PCB?

    Os transformadores PCB contêm os seguintes componentes e subconjuntos principais:

    Placa de circuito impresso (PCB)
    Forma a base sobre a qual todos os elementos elétricos e conexões são montados. Contém os enrolamentos de traços de cobre planos gravados com precisão que substituem as bobinas de fio padrão. O substrato da PCB isola eletricamente e protege os componentes.

    Núcleo
    O núcleo de ferrite fornece um caminho controlado para canalizar o fluxo magnético gerado pela corrente que passa pelos enrolamentos de traço de cobre. As configurações típicas de núcleo são E-Cores, toroides e combinações E-I. A geometria do núcleo e as propriedades do material influenciam muito os recursos de transferência de energia.

    Enrolamentos da bobina
    Os traços de cobre estrategicamente moldados e roteados na placa de circuito impresso constituem os enrolamentos condutores do transformador. Pode haver de 2 a 4+ enrolamentos de bobina, dependendo da topologia do transformador. A largura, o comprimento e o número de voltas do traço definem a indutância.

    Rescisões
    As almofadas soldáveis expostas conectadas a cada enrolamento da bobina permitem que sejam feitas conexões entre o transformador embutido na placa de circuito impresso e os componentes ou circuitos externos. As terminações fixam eletricamente o transformador à placa mais ampla.

    Hardware de montagem
    Suportes, arruelas, parafusos e, às vezes, grampos de mola fixam mecanicamente o núcleo de ferrite com firmeza sobre os enrolamentos da placa de circuito impresso abaixo. Isso cria a geometria de núcleo fechado essencial para concentrar os campos de fluxo magnético para indução.

    Composto de envasamento
    Em ambientes de alta vibração ou aplicações de alta tensão, os transformadores são completamente encapsulados em um composto epóxi. Isso isola eletricamente os enrolamentos e protege contra contaminantes ambientais. O encapsulamento aumenta a confiabilidade.

    Blindagem elétrica
    Alguns transformadores de sinal de baixo nível de precisão incorporam gaiolas de blindagem de Faraday aterradas ao redor das bobinas para minimizar a interferência indutiva de componentes e circuitos de PCB próximos. Isso permite o isolamento apesar do espaçamento apertado.

    Isolamento
    O isolamento fino, como fita Kapton, isolamento de fios ou envoltórios de plástico, evita curtos acidentais entre enrolamentos de bobinas bem compactados e outras superfícies condutoras. O isolamento resiste a temperaturas extremas.

    Resfriamento
    Os transformadores de PCB de alta potência maiores podem incorporar dissipadores de calor, almofadas de resfriamento, cortes de fluxo de ar ou outro gerenciamento térmico para evitar aumentos excessivos de temperatura durante a operação contínua com cargas nominais.

    Qual é a diferença entre os transformadores PCB e não PCB?

    Diferença entre transformadores PCB e não-PCB
    Diferença entre transformadores PCB e não-PCB

    Existem algumas diferenças importantes entre os transformadores PCB e os convencionais
    transformadores autônomos com fio:

    Material da bobina - Os transformadores de PCB criam enrolamentos a partir de traços planos de folha de cobre nas camadas da placa, em vez de usar enrolamentos de fios magnéticos isolados individualmente. Isso permite geometrias e densidades de enrolamento que não são possíveis com o enrolamento manual.

    ●Produção automatizada - Os transformadores PCB são fabricados em sistemas automatizados Linhas SMT capaz de produzir volumes extremamente altos. Isso se compara aos transformadores autônomos que são enrolados e montados manualmente. A consistência beneficia a fabricação.

    Miniaturização - A construção do traço impresso permite enrolamentos muito mais compactados com controle dimensional preciso. Isso permite uma miniaturização extrema até alturas de transformador de apenas 3 a 5 mm, o que não é possível com bobinas enroladas.

    ●Fabricação integrada - Os transformadores de PCB são combinados ao processo normal de produção de placas de circuito impresso, em vez de exigir a instalação posterior de um transformador discreto. Isso simplifica e automatiza a fabricação.

    ●Personalização - O CAD para PCB permite personalizar totalmente os padrões de enrolamento, as larguras dos traços, as proporções de voltas e outros parâmetros para otimização. As bobinas de enrolamento manual são muito menos configuráveis.

    ●Custo - Em altos volumes de produção, os custos do transformador PCB podem ser significativamente menores do que os das contrapartes discretas quando se leva em conta a economia na fabricação automatizada. No entanto, o custo é semelhante em quantidades menores.

    A fabricação automatizada de placas impressas proporciona maior precisão, tamanho menor e personalização total em comparação com os métodos de enrolamento manual. Mas a física da transferência de energia permanece idêntica.

    Como testar um transformador de PCB?

    Os transformadores de PCB podem ser testados quanto a defeitos de fabricação e desvios de desempenho do projeto usando métodos diferentes:

    Verificação da regra de projetoSoftware de projeto de PCB verifica se as regras críticas de projeto, como espaçamento entre traços, folgas entre camadas etc., são rigorosamente seguidas para evitar curtos-circuitos. Isso valida a capacidade de fabricação.

    Verificação da continuidade - Um multímetro ou ohmímetro verifica se há circuitos abertos ou loops em curto nos traços do enrolamento, indicando possíveis rachaduras ou falhas de fabricação nos condutores. Verifica a integridade elétrica.

    ●Verificação de fase - Aplique uma tensão CA aos contatos da bobina primária e sondar a secundária para garantir que as relações de fase correspondam às expectativas. Confirma que os enrolamentos estão conectados corretamente nas camadas da placa de circuito impresso.

    Teste do índice de rotatividade - A aplicação de uma CA de baixa tensão fixa ao enrolamento primário durante a sondagem do secundário permite validar se a relação de voltas esperada do transformador foi alcançada com precisão, o que indica padrões de enrolamento adequados.

    Verificação da indutância - Um medidor de indutância pode quantificar a indutância exata que os enrolamentos primário e secundário apresentam. As indutâncias medidas devem estar dentro da tolerância aceitável das metas de projeto.

    Teste de fluxo magnético - Uma sonda de corrente confirma a existência de fortes campos de fluxo magnético ao redor do núcleo de ferrite quando o transformador funciona com tensão de entrada e carga nominais. Mede o desempenho eletromagnético.

    Teste de isolamento - Um medidor de megohm verifica se os níveis de resistência de isolamento entre os enrolamentos do transformador e o núcleo atendem aos critérios mínimos de projeto para evitar falhas de curto-circuito durante operação.

    ● Teste de Hipot - O teste de alto potencial estressa o isolamento a níveis acima das tensões operacionais máximas, validando que o projeto resiste a picos transitórios sem formação de arco ou ruptura dielétrica.

    Como identificar um transformador de PCB?

    Como identificar um transformador de PCB
    Como identificar um transformador de PCB

    Para verificar a presença e as especificações de um transformador PCB, é necessário identificar as principais características físicas e marcações:

    As bobinas impressas são visíveis na superfície da placa em vez de fios. Podem ficar parcialmente ocultas sob o revestimento de epóxi.

    Um núcleo de ferrite é montado sobre a placa de circuito impresso, geralmente com formato de E, toroide ou EE.
    Os suportes o fixam no lugar.

    Os pontos de terminação da bobina primária e secundária são marcados nos esquemas de circuitos com símbolos de transformador.

    O designador de referência do componente, como "T1" ou "XFMR1", identifica o transformador em serigrafias e esquemas de PCB.

    Especificações do transformador, como tensões de entrada e saída, relação de espiras, potência nominal, valores de indutância, classe de isolamento, etc., fornecidas em uma folha de dados do componente.

    Os símbolos de aviso indicam limites de isolamento e riscos de alta tensão para transformadores de potência de PCB de alta tensão.

    A compreensão da construção física reveladora e a identificação das bobinas impressas e do núcleo de ferrite verificam a presença de um transformador de PCB em comparação com um transformador com fio discreto. A verificação dos designadores e das especificações de referência confirma as propriedades do transformador.

    Como escolher um transformador para PCB?

    A seleção do transformador de PCB ideal para uma aplicação específica requer a avaliação de vários fatores e compensações de projeto:

    Tensões de entrada/saída - O transformador deve fornecer uma relação de espiras adequada para aumentar ou diminuir adequadamente a tensão de entrada da fonte e a tensão de saída da carga alvo. As tolerâncias devem ser consideradas.

    Potência de saída - A corrente de carga contínua que flui pelo transformador multiplicada pela diferença de tensão determina a potência nominal mínima de saída necessária para evitar a saturação magnética.

    ●Frequência - A faixa de frequência utilizável do transformador deve envolver confortavelmente a frequência do circuito de acionamento para uma transferência de energia eficiente. Frequências mais altas exigem mais controle da indutância de fuga.

    ●Eficiência - A maior eficiência do transformador reduz o desperdício de energia dissipada como calor e maximiza a transferência de energia utilizável para a carga. Isso aumenta a confiabilidade e minimiza as necessidades de resfriamento.

    ●Tamanho - A área ocupada pelo núcleo e pelo enrolamento deve permitir espaçamento e distâncias de fuga suficientes entre os circuitos de alta e baixa tensão para as certificações de segurança. Os limites de área ocupada podem restringir a capacidade de potência.

    Classe de isolamento - Os requisitos de tensão de ruptura e isolamento determinam as seleções de isolamento para lidar com picos máximos de tensão transitória sem falha dielétrica ou formação de arco. A imunidade a ruídos também é um fator importante.

    Meio ambiente - Os transformadores devem resistir a temperaturas extremas, umidade, choque mecânico e vibração esperados na faixa de ambiente da aplicação. O encapsulamento e os revestimentos protegem contra contaminantes.

    ●Certificações - As certificações de segurança, emissões e regulamentares, como EN, UL e FCC, exigidas pelo aplicativo, podem exigir restrições de projeto e testes de conformidade. Os custos de certificação aumentam com os níveis de potência.

    ●Custo - O custo total do transformador equilibra o desempenho, o tamanho, os recursos, os requisitos de teste e as considerações de fabricação com as restrições orçamentárias. As melhorias incrementais aumentam as despesas.

    Trabalhar em estreita colaboração com um fabricante experiente de transformadores para PCB garante a escolha do transformador ideal, equilibrando as necessidades técnicas e as considerações comerciais.

    Conclusão

    Os transformadores PCB representam uma classe especializada de transformadores em miniatura fabricados por meio de métodos de produção de placas de circuito impresso.

    Ao entender sua construção, funções, testes, identificação e critérios de seleção, os engenheiros elétricos podem integrar com eficiência esses dispositivos essenciais em todos os tipos de equipamentos eletrônicos para uma conversão de energia confiável.

    A capacidade de personalização e a miniaturização proporcionadas pelas técnicas de fabricação de PCBs continuarão alimentando os projetos inovadores de transformadores.

    Perguntas frequentes sobre PCB

    Um transformador PCB refere-se a um transformador construído diretamente em uma placa de circuito impresso, e não como um componente autônomo separado. As bobinas, o núcleo e a fiação do transformador são gravados ou montados na placa durante a fabricação da PCB, em vez de serem fabricados separadamente.

    • Enrolamentos de bobina de cobre
    • Núcleo de ferrite
    • Substrato de PCB
    • Solda
    • Composto de envasamento
    • Hardware de montagem

    Verificação da regra de projeto

    Verificação da continuidade

    ●Verificação de fase

    Teste do índice de rotatividade

    Verificação da indutância

    Teste de fluxo magnético

    Teste de isolamento

    ● Teste de Hipot

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