Демистификация трансформаторов печатных плат - полное руководство

Демистификация трансформаторов печатных плат - полное руководство

Printed circuit board (PCB) transformers play a vital role in electrical systems, stepping voltages up or down as needed for power conversion.

This comprehensive guide provides an in-depth look at what PCB transformers are, how they work, their components, testing procedures, and factors guiding appropriate transformer selection for your application.

Оглавление
    Добавьте заголовок, чтобы начать генерировать оглавление

    What is a PCB Transformer?

    A PCB transformer refers to a transformer constructed directly on a printed circuit board rather than as a separate standalone component. The transformer coils, core, and wiring are etched or mounted onto the board during PCB fabrication rather than manufactured separately.

    PCB Transformer
    PCB Transformer

    PCB transformers provide the same essential voltage conversion functionality stepping AC voltages up or down through electromagnetic induction. However, the integration directly onto a printed board allows for miniaturized power supplies, compact electronics, and efficient high density board production.

    PCB transformers can be found in consumer electronics, medical equipment, telecom devices, power converters, audio hardware, and industrial control systems. They range from small signal transformers to high power models up to 300W. Proper PCB transformer selection and integration is key to electrical system performance.

    Краткое введение в трансформаторы для печатных плат

    What Material is a PCB Transformer?

    The materials used to construct PCB transformers include:

    Copper coil windings – Formed from etched laminated copper traces on the PCB layers.

    Ferrite core – Made of ferromagnetic ceramic used to concentrate and channel magnetic flux.

    PCB substrate – Usually FR-4 glass epoxy. Electrical grade materials avoid interference.

    Solder – Used for coil terminations and mounting hardware. Lead or lead-free.

    Potting compound – Epoxy completely encased coils for protection and stability.

    Mounting hardware – Standoffs, screws and washers mount the core over the PCB coils.

    PCB transformers utilize the high trace density and reliability of printed boards to create precision coil windings not possible with hand wiring. The layered PCB fabrication process integrates all transformer elements in a compact durable package.

    How Does a Transformer Work on a Circuit Board?

    How Does a Transformer Work on a Circuit Board
    How Does a Transformer Work on a Circuit Board

    The operating principle of a transformer on a circuit board follows the same electromagnetic induction as a standalone transformer:

    ●An input AC voltage is applied to the transformer’s primary winding.

    ●This AC input current creates a fluctuating magnetic flux in the core.

    ●The changing core flux induces a varying voltage across the secondary winding.

    ●The ratio of turns between the windings steps the voltage up or down per the turns ratio.

    ●AC input is thereby converted to a different output AC voltage.

    On a PCB transformer, the copper coil traces replace wire windings to form the inductive primary and secondary circuits. The fluctuating magnetic field within the ferrite core transforms voltage just as with conventional transformers.

    Integration directly on the board allows adjusting trace widths and turns ratios to create extremely compact and customizable PCB transformers ranging from milliwatts to hundreds of watts.

    What are the Components of a PCB Transformer?

    PCB transformers contain the following key components and sub-assemblies:

    Printed Circuit Board (PCB)
    Forms the foundation on which all electrical elements and connections are mounted. Contains the precisely etched flat copper trace windings that replace standard wire coils. The PCB substrate electrically isolates and secures components.

    Core
    The ferrite core provides a controlled pathway for channeling the magnetic flux generated by the current passing through the copper trace windings. Typical core configurations are E-Cores, toroids, and E-I combinations. The core geometry and material properties heavily influence power transfer capabilities.

    Coil Windings
    The strategically shaped and routed copper traces on the PCB constitute the conductive windings of the transformer. There may be 2 to 4+ coil windings depending on the transformer topology. The trace width, length, and number of turns sets the inductance.

    Terminations
    Exposed solderable pads connected to each coil winding allow connections to be made between the transformer embedded on the PCB and external components or circuits. Terminations anchor the transformer electrically to the broader board.

    Mounting Hardware
    Standoffs, washers, screws, and sometimes spring clips mechanically affix the ferrite core firmly over the PCB windings beneath. This creates the closed core geometry critical for concentrating magnetic flux fields for induction.

    Potting Compound
    В условиях повышенной вибрации или высокого напряжения трансформаторы полностью заключаются в эпоксидный герметик. Это обеспечивает электрическую изоляцию обмоток и защиту от загрязнений окружающей среды. Потирование повышает надежность.

    Электрическое экранирование
    В некоторых прецизионных низкоуровневых сигнальных трансформаторах используются заземленные экранирующие клетки Фарадея вокруг катушек для минимизации индуктивных помех от расположенных рядом компонентов и схем печатной платы. Это обеспечивает изоляцию, несмотря на ограниченное расстояние между ними.

    Изоляция
    Тонкая изоляция, например каптоновая лента, изоляция проводов или пластиковая обмотка, предотвращает случайные замыкания между плотно упакованными витками катушки и другими проводящими поверхностями. Изоляция выдерживает перепады температур.

    Охлаждение
    В больших мощных трансформаторах печатных плат могут использоваться радиаторы, охлаждающие прокладки, вырезы для воздушного потока или другие средства терморегулирования для предотвращения чрезмерного повышения температуры при длительной работе с номинальной нагрузкой.

    В чем разница между трансформаторами с печатной платой и трансформаторами без печатной платы?

    Разница между трансформаторами с печатной платой и трансформаторами без печатной платы
    Разница между трансформаторами с печатной платой и трансформаторами без печатной платы

    Существуют некоторые ключевые отличия между трансформаторами на печатных платах и обычными трансформаторами
    автономные проводные трансформаторы:

    ● Материал катушки - Трансформаторы для печатных плат создают обмотки из плоских трасс медной фольги на слоях платы, а не используют отдельные изолированные обмотки из магнитопровода. Это позволяет создавать геометрию и плотность обмоток, недостижимые при ручной намотке.

    ●Автоматизированное производство - Трансформаторы печатных плат производятся на автоматизированных Линии SMT Способны производить очень большие объемы продукции. Это сравнимо с отдельными трансформаторами, которые наматываются и собираются вручную. Согласованность действий выгодна для производства.

    ●Миниатюризация - Печатная конструкция трассировки позволяет гораздо плотнее укладывать обмотки с точным контролем размеров. Это позволяет достичь предельной миниатюризации вплоть до высоты трансформатора 3-5 мм, что недостижимо при использовании намотанной шпули.

    ● Интегрированное производство - Трансформаторы для печатных плат встраиваются в обычный процесс производства печатных плат, а не требуют последующей установки отдельного трансформатора. Это упрощает и автоматизирует производство.

    ● Кастомизация - САПР печатных плат позволяет полностью настроить схемы намотки, ширину трасс, соотношение витков и другие параметры для оптимизации. Шпули ручной намотки гораздо менее настраиваемы.

    ● Стоимость - При больших объемах производства стоимость трансформаторов для печатных плат может быть значительно ниже, чем у дискретных аналогов, если учесть экономию на автоматизированном производстве. Однако при меньших объемах производства стоимость будет аналогичной.

    Автоматизированное производство печатных плат обеспечивает более высокую точность, меньшие размеры и полную адаптацию по сравнению с ручными методами намотки. Но физика передачи энергии остается идентичной.

    Как протестировать трансформатор печатной платы?

    Трансформаторы печатных плат могут быть проверены на наличие как производственных дефектов, так и отклонений от проектных характеристик с помощью различных методов:

    ● Проверка правил проектированияПрограммное обеспечение для проектирования печатных плат Проверяет строгое соблюдение критических правил проектирования, таких как расстояние между трассами, зазоры между слоями и т.д., чтобы избежать короткого замыкания. Это подтверждает технологичность.

    ● Проверка непрерывности - Мультиметр или омметр проверяет наличие обрывов или коротких замыканий в обмотке, указывающих на возможные трещины или производственные дефекты в проводниках. Проверяет целостность электропроводки.

    ● Проверка фаз - Подайте переменное напряжение на контакты первичной обмотки и проверьте вторичную обмотку, чтобы убедиться, что соотношение фаз соответствует ожиданиям. Убедитесь, что обмотки правильно подключены к слоям печатной платы.

    ● Тест на коэффициент оборачиваемости - Подача фиксированного низкого напряжения переменного тока на первичную обмотку при прощупывании вторичной обмотки позволяет проверить, что ожидаемое соотношение витков трансформатора точно достигнуто, что свидетельствует о правильной схеме намотки.

    ● Проверка индуктивности - Измеритель индуктивности позволяет точно определить индуктивность первичной и вторичной обмоток. Измеренная индуктивность должна находиться в пределах допустимого отклонения от проектных значений.

    ● Испытание на магнитный поток - Токовый пробник подтверждает наличие сильных полей магнитного потока вокруг ферритового сердечника, когда трансформатор работает при номинальном входном напряжении и нагрузке. Измеряет электромагнитные характеристики.

    ● Испытание изоляции - Мегаомметр проверяет соответствие уровня сопротивления изоляции между обмотками и сердечником трансформатора минимальным проектным критериям, чтобы избежать короткого замыкания во время операция.

    ● Испытание сосков - Испытания высоким потенциалом подвергают изоляцию нагрузкам, превышающим максимальное рабочее напряжение, что позволяет убедиться в том, что конструкция выдерживает переходные скачки без дуги или пробоя диэлектрика.

    Как определить трансформатор печатной платы?

    Как определить трансформатор печатной платы
    Как определить трансформатор печатной платы

    Проверка наличия и технических характеристик трансформатора печатной платы требует определения основных физических характеристик и маркировки:

    ● На поверхности платы вместо проводов видны напечатанные катушки. Могут быть частично скрыты под эпоксидной заливкой.

    ●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.

    ● Стоимость – 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.

    Заключение

    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.

    Часто задаваемые вопросы о печатной плате

    A PCB transformer refers to a transformer constructed directly on a printed circuit board rather than as a separate standalone component. The transformer coils, core, and wiring are etched or mounted onto the board during PCB fabrication rather than manufactured separately.

    • Copper coil windings
    • Ferrite core
    • PCB substrate
    • Solder
    • Potting compound
    • Mounting hardware

    ● Проверка правил проектирования

    ● Проверка непрерывности

    ● Проверка фаз

    ● Тест на коэффициент оборачиваемости

    ● Проверка индуктивности

    ● Испытание на магнитный поток

    ● Испытание изоляции

    ● Испытание сосков

    Похожие посты

    Похожие посты

    Печатная плата импеданса - все, что вам нужно знать

    Печатная плата импеданса - все, что вам нужно знать

    Импедансные платы печатных плат являются основой высокопроизводительных электронных систем, в которых целостность сигнала имеет первостепенное значение. Эти специализированные печатные платы тщательно разрабатываются и изготавливаются ...
    Как установить резистор на печатную плату

    Как установить резистор на печатную плату?

    Применение резисторов на печатной плате (ПП) является важным аспектом проектирования схем. Резистор - это компонент, используемый для ограничения ...
    Распаковка SMT-сборки печатных плат - Технология поверхностного монтажа

    Распаковка SMT-сборки печатных плат - Технология поверхностного монтажа

    В этой статье рассказывается о том, что определяет процессы SMT-сборки печатных плат, оборудование, структуру затрат, преимущества перед предшественниками и стратегии выбора партнеров-производителей.
    Традиционное производство печатных плат и быстрое прототипирование печатных плат - подробное сравнение

    Традиционное производство печатных плат и быстрое прототипирование печатных плат - подробное сравнение

    В постоянно развивающемся мире электроники создание печатных плат (ПП) является одним из важнейших аспектов разработки продукции. Будь то потребительские ...
    IBE Electronics встретится с вами на выставке CES (Consumer Electronics Show) 2024

    IBE Electronics встретится с вами на выставке CES (Consumer Electronics Show) 2024

    Как один из глобальных ODM/OEM производителей с массовой производственной базой, IBE приглашает вас посетить наш стенд 2012&2014 и стенд 2929 в январе ...
    Запрос Цитировать

    Оставить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

    ru_RURussian
    Прокрутка к началу