Avmystifiering av PCB-transformatorer - en komplett guide

Avmystifiering av PCB-transformatorer - en komplett guide

PCB-transformatorer (Printed Circuit Board) spelar en viktig roll i elektriska system genom att höja eller sänka spänningen beroende på vad som krävs för kraftomvandling.

Denna omfattande guide ger en djupgående inblick i vad PCB-transformatorer är, hur de fungerar, deras komponenter, testförfaranden och faktorer som styr valet av lämplig transformator för din tillämpning.

Innehållsförteckning
    Lägg till en rubrik för att börja generera innehållsförteckningen

    Vad är en PCB-transformator?

    En PCB-transformator är en transformator som är konstruerad direkt på ett kretskort i stället för som en separat fristående komponent. Transformatorns spolar, kärna och ledningar etsas eller monteras på kortet under PCB-tillverkning i stället för att tillverkas separat.

    PCB-transformator
    PCB-transformator

    PCB-transformatorer ger samma viktiga spänningsomvandlingsfunktion och stegar upp eller ned växelspänningar genom elektromagnetisk induktion. Integrationen direkt på ett tryckt kort möjliggör dock miniatyriserade nätaggregat, kompakt elektronik och effektiv kortproduktion med hög densitet.

    PCB-transformatorer finns i konsumentelektronik, medicinsk utrustning, telekomutrustning, kraftomvandlare, ljudhårdvara och industriella styrsystem. De sträcker sig från små signaltransformatorer till högeffektsmodeller på upp till 300 W. Korrekt val och integrering av PCB-transformatorer är avgörande för elsystemets prestanda.

    Kort introduktion till PCB-transformatorer

    Vilket material består en PCB-transformator av?

    De material som används för att tillverka PCB-transformatorer är bl.a:

    Lindning av kopparspolar - Formad från etsad laminerad kopparledningar på kretskortets lager.

    Ferritkärna - Tillverkad av ferromagnetisk keramik som används för att koncentrera och kanalisera magnetiskt flöde.

    PCB-substrat - Vanligtvis FR-4 epoxi för glas. Material av elektrisk kvalitet undviker störningar.

    Lödning - Används för spolavslutningar och monteringsdetaljer. Bly eller blyfri.

    Ingjutningsmassa - Spolarna är helt omslutna av epoxi för skydd och stabilitet.

    Monteringsutrustning - Standoffs, skruvar och brickor monterar kärnan över PCB-spolarna.

    PCB-transformatorer utnyttjar den höga spårdensiteten och tillförlitligheten hos kretskort för att skapa precisionslindningar som inte är möjliga med manuell kabeldragning. Den skiktade PCB-tillverkningsprocessen integrerar alla transformatorelement i ett kompakt och hållbart paket.

    Hur fungerar en transformator på ett kretskort?

    Hur fungerar en transformator på ett kretskort?
    Hur fungerar en transformator på ett kretskort?

    Funktionsprincipen för en transformator på ett kretskort följer samma elektromagnetiska induktion som en fristående transformator:

    ● En ingående växelspänning appliceras på transformatorns primärlindning.

    ● Denna växelström skapar ett fluktuerande magnetiskt flöde i kärnan.

    ● Det varierande kärnflödet inducerar en varierande spänning över sekundärlindningen.

    ● Antalet varv mellan lindningarna gör att spänningen ökar eller minskar med varvtalet.

    Den ingående AC-spänningen omvandlas därmed till en annan utgående AC-spänning.

    På en PCB-transformator ersätter kopparspolens spår trådlindningar för att bilda de induktiva primär- och sekundärkretsarna. Det fluktuerande magnetfältet i ferritkärnan omvandlar spänningen precis som i konventionella transformatorer.

    Integration direkt på kretskortet gör det möjligt att justera spårvidder och vridningsförhållanden för att skapa extremt kompakta och anpassningsbara PCB-transformatorer som sträcker sig från milliwatt till hundratals watt.

    Vilka är komponenterna i en PCB-transformator?

    PCB-transformatorer innehåller följande viktiga komponenter och underenheter:

    Tryckt kretskort (PCB)
    Utgör grunden på vilken alla elektriska element och anslutningar monteras. Innehåller de exakt etsade platta kopparspårlindningarna som ersätter vanliga trådspolar. PCB-substratet isolerar och säkrar komponenterna elektriskt.

    Kärnan
    Ferritkärnan ger en kontrollerad väg för kanalisering av det magnetiska flöde som genereras av strömmen som passerar genom kopparspårlindningarna. Typiska kärnkonfigurationer är E-Cores, toroider och E-I-kombinationer. Kärnans geometri och materialegenskaper påverkar i hög grad kraftöverföringsförmågan.

    Lindning av spole
    De strategiskt formade och dragna kopparspåren på kretskortet utgör transformatorns ledande lindningar. Det kan finnas 2 till 4+ spolvindningar beroende på transformatorns topologi. Spårbredden, längden och antalet varv bestämmer induktansen.

    Uppsägningar
    Exponerade lödbara kontaktytor som är anslutna till varje spollindning gör det möjligt att ansluta transformatorn på kretskortet till externa komponenter eller kretsar. Termineringarna förankrar transformatorn elektriskt till det bredare kortet.

    Monteringsutrustning
    Standoffs, brickor, skruvar och ibland fjäderklämmor fäster mekaniskt ferritkärnan stadigt över PCB-lindningarna under. Detta skapar den slutna kärngeometri som är avgörande för att koncentrera magnetiska flödesfält för induktion.

    Sprutblandning
    I miljöer med höga vibrationer eller högspänningstillämpningar är transformatorerna helt inkapslade i en epoximassa. Detta isolerar lindningarna elektriskt och skyddar mot miljöföroreningar. Ingjutningen ökar tillförlitligheten.

    Elektrisk avskärmning
    Vissa precisionstransformatorer för lågnivåsignaler har jordade Faraday-skärmande burar runt spolarna för att minimera induktiva störningar från närliggande PCB-komponenter och kretsar. Detta möjliggör isolering trots snäva avstånd.

    Isolering
    Tunn isolering som Kapton-tejp, trådisolering eller plastfolie förhindrar oavsiktliga kortslutningar mellan tätt packade spolrullar och andra ledande ytor. Isolering tål extrema temperaturer.

    Kylning
    Större PCB-transformatorer med hög effekt kan ha kylflänsar, kylplattor, luftflödesavbrott eller annan termisk styrning för att förhindra alltför stora temperaturökningar under kontinuerlig drift vid nominell belastning.

    Vad är skillnaden mellan PCB- och icke-PCB-transformatorer?

    Skillnad mellan PCB- och icke-PCB-transformatorer
    Skillnad mellan PCB- och icke-PCB-transformatorer

    Det finns några viktiga skillnader mellan PCB-transformatorer och konventionella
    fristående trådanslutna transformatorer:

    ● Material i spolen - PCB-transformatorer skapar lindningar från platta kopparfoliespår på kartonglager i stället för att använda individuellt isolerade magnettrådslindningar. Detta möjliggör lindningsgeometrier och tätheter som inte är möjliga med manuell lindning.

    ●Automatiserad produktion - PCB-transformatorer tillverkas på automatiserade SMT-linjer kan producera extremt stora volymer. Detta kan jämföras med fristående transformatorer som lindas och monteras manuellt. Enhetligheten gynnar tillverkningen.

    ●Miniaturisering - Den tryckta spårkonstruktionen möjliggör mycket tätare packade lindningar med exakt dimensionskontroll. Detta möjliggör extrem miniatyrisering ner till transformatorhöjder så låga som 3-5 mm - vilket inte är möjligt med lindade spolar.

    ●Integrerad tillverkning - PCB-transformatorer kombineras med den normala tillverkningsprocessen för kretskort i stället för att kräva senare installation av separata transformatorer. Detta effektiviserar och automatiserar tillverkningen.

    ●Anpassning - PCB CAD gör det möjligt att helt anpassa lindningsmönster, spårvidder, varvtal och andra parametrar för optimering. Handlindade spolar är mycket mindre konfigurerbara.

    ●Kostnad - Vid höga produktionsvolymer kan kostnaderna för PCB-transformatorer vara betydligt lägre än för diskreta motsvarigheter när man tar hänsyn till automatiserade tillverkningsbesparingar. Kostnaden är dock liknande vid lägre kvantiteter.

    Den automatiserade mönsterkortstillverkningen ger högre precision, mindre storlek och fullständig kundanpassning jämfört med manuella lindningsmetoder. Men kraftöverföringsfysiken förblir identisk.

    Hur testar man en PCB-transformator?

    PCB-transformatorer kan testas för både tillverkningsfel och avvikelser från designprestanda med olika metoder:

    ● Kontroll av konstruktionsreglerProgramvara för PCB-design verifierar att kritiska konstruktionsregler som spåravstånd, avstånd mellan lager etc. följs strikt för att undvika kortslutningar. Detta validerar tillverkningsbarheten.

    ● Kontinuitetskontroll - En multimeter eller ohmmeter kontrollerar om det finns några öppna kretsar eller kortslutna slingor i lindningsspåren som indikerar potentiella sprickor eller tillverkningsfel i ledarna. Verifierar den elektriska integriteten.

    ●Fas kontroll - Anslut en växelspänning till den primära spolens kontakter och undersök den sekundära spolen för att säkerställa att fasförhållandena motsvarar förväntningarna. Bekräfta att lindningarna är korrekt kopplade i PCB-lagren.

    ● Test av omsättningshastighet - Genom att applicera en fast lågspänning AC på primärlindningen samtidigt som sekundärlindningen mäts kan man validera att transformatorns förväntade varvtal uppnås korrekt, vilket indikerar korrekta lindningsmönster.

    ● Kontroll av induktans - En induktansmätare kan kvantifiera den exakta induktans som både primär- och sekundärlindningen uppvisar. De uppmätta induktanserna bör ligga inom den acceptabla toleransen för konstruktionsmålen.

    ● Test av magnetiskt flöde - En strömsond bekräftar att det finns starka magnetiska flödesfält runt ferritkärnan när transformatorn körs med nominell ingångsspänning och belastning. Mäter elektromagnetisk prestanda.

    ●Testning av isolering - En megohmmätare verifierar att isolationsresistansnivåerna mellan transformatorns lindningar och kärna uppfyller minimikraven för att undvika kortslutningsfel under drift.

    ●Hipot Testning - Högpotentialtestning belastar isoleringen till nivåer över maximal driftspänning, vilket validerar att konstruktionen klarar transienta spikar utan ljusbågar eller dielektriskt brott.

    Hur identifierar man en PCB-transformator?

    Hur identifierar man en PCB-transformator?
    Hur identifierar man en PCB-transformator?

    För att verifiera förekomst och specifikationer för en PCB-transformator måste viktiga fysiska egenskaper och märkningar identifieras:

    ● Tryckta spolar är synliga på kretskortets yta istället för trådar. Kan vara delvis dolda under epoxi.

    ● En ferritkärna monteras över kretskortet, ofta i form av ett E, en toroid eller en EE.
    Standoffs säkrar den på plats.

    ●Primära och sekundära spolanslutningspunkter är markerade på kretsscheman med symboler för en transformator.

    ●Komponentreferensbeteckning som "T1" eller "XFMR1" identifierar transformatorn på PCB-silkscreens och schematiska ritningar.

    ●Transformatorspecifikationer som in- och utspänning, varvtal, märkeffekt, induktansvärden, isolationsklass etc. anges i ett komponentdatablad.

    ● Varningssymboler indikerar isoleringsgränser och högspänningsrisker för PCB-transformatorer med hög spänning.

    Genom att förstå den avslöjande fysiska konstruktionen och identifiera de tryckta spolarna och ferritkärnan verifieras förekomsten av en PCB-transformator jämfört med en diskret kopplad transformator. Kontroll av referensbeteckningar och specifikationer bekräftar transformatorns egenskaper.

    Hur väljer man en PCB-transformator?

    Att välja den optimala PCB-transformatorn för en viss applikation kräver utvärdering av många designfaktorer och kompromisser:

    ● Ingångs-/utgångsspänningar - Transformatorn måste ha ett tillräckligt varvtal för att kunna stega upp eller ned korrekt mellan källans ingångsspänning och målbelastningens utgångsspänning. Toleranser måste beaktas.

    ● Utgående effekt - Den kontinuerliga belastningsström som flödar genom transformatorn multiplicerat med spänningsskillnaden bestämmer den minsta uteffekt som krävs för att undvika magnetisk mättnad.

    ●Frekvens - Transformatorns användbara frekvensområde måste bekvämt omsluta den drivande kretsens frekvens för effektiv kraftöverföring. Högre frekvenser kräver mer kontroll av läckageinduktansen.

    ●Effektivitet - Högre transformatoreffektivitet minskar onödig effekt som avleds som värme samtidigt som överföringen av användbar effekt till lasten maximeras. Detta förbättrar tillförlitligheten samtidigt som kylbehovet minimeras.

    ●Storlek - Fotavtrycket för kärnan och lindningen måste tillåta tillräckliga avstånd och krypavstånd mellan hög- och lågspänningskretsar för säkerhetscertifieringar. Fotavtrycket kan begränsa effektkapaciteten.

    ● Isoleringsklass - Kraven på genombrottsspänning och isolering dikterar val av isolering för att hantera maximala transienta spänningstoppar utan dielektriskt fel eller ljusbågar. Även brusimmunitet spelar in.

    ●Miljö - Transformatorer måste tåla extrema temperaturer, luftfuktighet, mekaniska stötar och vibrationer som förväntas inom applikationens miljöområde. Ingjutningar och beläggningar skyddar mot föroreningar.

    ●Certifieringar - Säkerhets-, emissions- och regulatoriska certifieringar som EN, UL, FCC som krävs för tillämpningen kan kräva designbegränsningar och efterlevnadstestning. Kostnaderna för certifiering ökar med effektnivåerna.

    ●Kostnad - Den totala transformatorkostnaden balanserar prestanda, storlek, funktioner, testkrav och tillverkningsöverväganden mot budgetbegränsningar. Stegvisa förbättringar ökar kostnaderna.

    Ett nära samarbete med en erfaren tillverkare av PCB-transformatorer säkerställer ett optimalt transformatorval som balanserar tekniska behov och kommersiella överväganden.

    Slutsats

    PCB-transformatorer är en specialklass av miniatyrtransformatorer som tillverkas med hjälp av produktionsmetoder för tryckta kretskort.

    Genom att förstå deras konstruktion, funktioner, testning, identifiering och urvalskriterier kan elingenjörer effektivt integrera dessa viktiga enheter i alla typer av elektronisk utrustning för tillförlitlig kraftomvandling.

    Den anpassningsbarhet och miniatyrisering som möjliggörs av PCB-tillverkningstekniker kommer att fortsätta att driva på innovativa transformatorkonstruktioner.

    FAQ - om PCB

    En PCB-transformator är en transformator som är konstruerad direkt på ett kretskort i stället för som en separat fristående komponent. Transformatorns spolar, kärna och ledningar etsas eller monteras på kortet under PCB-tillverkning i stället för att tillverkas separat.

    • Lindning av kopparspolar
    • Ferritkärna
    • PCB-substrat
    • Lödning
    • Ingjutningsmassa
    • Monteringsutrustning

    ● Kontroll av konstruktionsregler

    ● Kontinuitetskontroll

    ●Fas kontroll

    ● Test av omsättningshastighet

    ● Kontroll av induktans

    ● Test av magnetiskt flöde

    ●Testning av isolering

    ●Hipot Testning

    Relaterade inlägg

    Relaterade inlägg

    PCB Impedance Board - Allt du behöver veta

    PCB Impedance Board - Allt du behöver veta

    PCB-impedanskort är ryggraden i högpresterande elektroniska system, där signalintegriteten är av yttersta vikt. Dessa specialiserade kretskort är minutiöst designade och tillverkade ...
    Hur man installerar ett motstånd på ett kretskort

    Hur installerar man ett motstånd på ett kretskort?

    Användningen av resistorer på ett kretskort (PCB) är en viktig aspekt av kretsdesign. Motstånd är en komponent som används för att begränsa ...
    Uppackning av SMT PCB-montering - Ytmonteringsteknik

    Uppackning av SMT PCB-montering - Ytmonteringsteknik

    Denna artikel förklarar vad som definierar SMT PCB-monteringsprocesser, maskiner, kostnadsstrukturer, fördelar jämfört med föregångare och urvalsstrategier för tillverkningspartners.
    Konventionell PCB-tillverkning vs. snabb prototypning av PCB - en detaljerad jämförelse

    Konventionell PCB-tillverkning vs. snabb prototypning av PCB - en detaljerad jämförelse

    I den ständigt föränderliga elektronikbranschen är skapandet av tryckta kretskort (PCB) en kritisk aspekt av produktutvecklingen. Oavsett om det gäller konsument...
    IBE Electronics möter dig på CES (Consumer Electronics Show) 2024

    IBE Electronics möter dig på CES (Consumer Electronics Show) 2024

    Som en av de globala ODM / OEM-tillverkarna med en masstillverkningsbas inbjuder IBE dig att besöka vår monter 2012&2014 och monter 2929 den januari ...
    Begär en offert

    Lämna en kommentar

    Din e-postadress kommer inte publiceras. Obligatoriska fält är märkta *

    sv_SESwedish
    Bläddra till toppen