Wszystkie informacje o transformatorach montowanych na PCB

Konwersja prądu przemiennego na prąd stały rozpoczyna się od pozornie prostego urządzenia: transformatora. Komponenty te wykorzystują indukcję magnetyczną do przenoszenia mocy między dwiema cewkami bez konieczności bezpośredniego połączenia mechanicznego poprzez zmianę natężenia prądu w jednej z cewek. Istnieje wiele rodzajów transformatorów, które można zamontować na obudowie lub bezpośrednio na PCB. W tym artykule przyjrzymy się niektórym dostępnym opcjom transformatorów przeznaczonych do stosowania na PCB, które mogą zapewnić wysoką izolację podczas konwersji mocy.

Inną ważną kwestią do rozważenia jest wybór transformatorów do montażu na PCB, które zostaną użyte w nowym projekcie. Transformatory do montażu na PCB są dostępne w różnych rozmiarach, pakowane jako małe komponenty SMD do małych lub dużych mechanicznie montowanych przelotowo elementów do obsługi dużej mocy. Przyjrzymy się niektórym ważnym danym technicznym transformatorów, które należy wziąć pod uwagę przy stosowaniu tych komponentów w różnych typach systemów regulacji mocy.

Przegląd transformatorów do montażu na PCB

Transformatory zazwyczaj składają się z dwóch fizycznie oddzielonych cewek, które są indukcyjnie sprzężone przez pole magnetyczne, które oddziałuje pomiędzy cewką pierwotną i wtórną. Transformator do montażu na PCB jest przeznaczony do zintegrowania z płytką wraz z innymi komponentami (sekcja cyfrowa, kondycjonowanie mocy itp.) w celu zapewnienia transferu mocy między dwoma obwodami. Istotne jest to, że przenoszenie mocy odbywa się między cewkami przy jednoczesnym zachowaniu izolacji obu stron transformatora. Strona wejściowa płytki, która może stanowić zagrożenie dla bezpieczeństwa użytkownika, jest odizolowana od strony wyjściowej. Ta potrzeba izolacji jest ważną cechą, którą omówimy poniżej.

W rzeczywistości transformatory nie zawsze wykorzystują prostą strukturę pokazaną na niektórych schematach, gdzie kwadratowy rdzeń magnetyczny jest owinięty cewkami w celu zapewnienia sprzężenia magnetycznego. Zamiast tego konstrukcja cewki i rdzenia może być bardziej złożona, obejmująca topologie laminowane, rdzeniowo-płaszczowe lub ułożone w stos. Jeśli jesteś osobą projektującą obwody drukowane, zwykle martwisz się tylko o siłę sprzężenia indukcyjnego przez rdzeń, a także o izolację, ponieważ te dane określają wydajność konwersji mocy, a także poziom izolacji między cewkami.

Dane techniczne głównego transformatora do montażu na PCB

Głównym wyzwaniem związanym z użyciem transformatora do montażu na PCB w dowolnym obwodzie jest wybór odpowiedniego transformatora, który zapewni wysoce wydajną konwersję mocy przy jednoczesnym spełnieniu pewnych minimalnych wymogów dotyczących obsługi mocy. Jeśli chodzi o montaż na PCB, trzeba również wziąć pod uwagę typ montażu, rozmiar transformatora i rozpiętość osi – to tylko kilka ważnych elementów przy wyborze transformatora PCB. Poniżej przedstawiono niektóre z głównych specyfikacji:

• Wartości znamionowe pierwotne i wtórne – jak sama nazwa wskazuje, określają one limity napięcia i prądu w cewkach pierwotnych i wtórnych. Pierwszym krokiem jest wybór transformatora na podstawie wymaganego napięcia, a następnie trzeba tak poprowadzić projekt, aby nie przekroczyć limitu prądu transformatora określonego na cewkach wejściowych i wyjściowych.
• Moc znamionowa i sprawność – odnosi się do mocy, jaką może obsłużyć transformator. W opisie transformatora może być podana tylko moc znamionowa prądu stałego. Jest to moc znamionowa rezystancyjna – trzeba o tym pamiętać podczas analizy arkusza danych, ponieważ moc znamionowa bierna może być inna i będzie określona w odniesieniu do określonej częstotliwości. Sprawność jest często określana jako wartość prądu stałego i w określonych warunkach (tj. przy pełnym natężeniu prądu).
• Kształt – może to być decydujący czynnik przy wyborze transformatora ze względu na dostępną przestrzeń. Wybór transformatora do montażu na PCB jest często podyktowany rozmiarem płytki lub ograniczeniami obudowy. Transformatory te mogą być zamontowane wysoko na płytce, co czyni je podatnymi na wibracje.
• Rodzaj montażu (SMT lub pole lutownicze z otworem) – transformatory SMT mają płaską dolną powierzchnię z pinami na zewnętrznym korpusie. Dzięki temu komponent można przylutować do PCB. Transformatory montowane przez pole lutownicze z otworem mają długie styki, co zapewnia mocne połączenie z płytką, które jest odporne na wibracje i szok termiczny.
• Mechanizm chłodzenia – ponieważ komponenty te są przeznaczone do montażu na PCB, zwykle nie są dostarczane z żadnym rodzajem mechanizmu chłodzenia, co jest ważne w przypadku konwersji dużej mocy i ogólnie obsługi mocy. Zamiast tego producenci zapewniają maksymalną moc wejściową/wyjściową skonfigurowaną tak, aby wymagana temperatura pozostała poniżej pewnej bezpiecznej wartości. Głównym mechanizmem chłodzenia jest odprowadzenie ciepła do obudowy i finalnie do PCB. Prawdopodobnie jedynym wyjątkiem są transformatory planarne montowane na PCB, które mają płaską powierzchnię obudowy do montażu lub zintegrowany radiator.
• Indukcyjność – jest ważniejsza w zastosowaniach związanych z konwersją DC-DC, takich jak konwerter flyback lub konwerter rezonansowy LLC. W zastosowaniach związanych z konwersją AC-DC indukcyjność określa siłę sprzężenia z komponentem wtórnym, ale zwykle wystarczy spojrzeć na moc znamionową i sprawność konwersji.

Czy warto zaprojektować własny transformator lub induktor?

Czasami spotykam się z pytaniami, czy można zbudować niestandardowy komponent konwersji mocy, który może zejść do niestandardowego napięcia. Prosta odpowiedź brzmi „tak”, ale nie jest to działanie, które można podejmować samodzielnie. Ze względu na wymagania prawne i bezpieczeństwa nałożone na magnesy mocy najlepiej podjąć współpracę z producentem transformatorów do montażu na PCB w celu zaprojektowania i uzyskania niestandardowych komponentów. Lepszą drogą jest wybranie gotowego transformatora, który spełnia założone parametry, a następnie użycie regulatora na wyjściu, aby uzyskać pożądane napięcie wyjściowe.

Współpraca z producentem transformatorów nie daje jednak możliwości określania materiałów lub procesów wykorzystywanych do produkcji transformatorów przeznaczonych do montażu na płytce drukowanej. Każdy producent stosuje własne procesy i materiały, których użyje do wyprodukowania komponentu, aby uzyskać certyfikaty bezpieczeństwa UL. Zdolność do uzyskania tych certyfikatów jest bardzo ważna w kontekście dbania o to, by projekt był wystarczająco bezpieczny, aby działać bez ryzyka pożaru lub porażenia prądem, a także nadawał się do sprzedaży na otwartym rynku.

Za każdym razem, gdy rozważamy wybór transformatora PCB i systemów zasilania, bezpieczeństwo powinno być najważniejsze. Nawet po uzyskaniu niestandardowego transformatora, który wykorzystuje system izolacji z certyfikatem UL, warto współpracować z producentem lub laboratorium testowym, aby upewnić się, że gotowy PCBA również przejdzie testy UL. Jeśli potrafisz odpowiednio dobrać transformatory do płytek drukowanych i zastosować kilka najlepszych praktyk dotyczących systemów zasilania, masz większe szanse na pomyślne zbudowanie bezpiecznego, wysokowydajnego systemu zasilania.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Altium

Kontakt w Polsce: Paweł Czyż 692 273 540

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 14 marca 2024. Zapisz się już dziś!