PCB Transformator Anleitung

Ein Leiterplattentransformator ist ein elektrisches Gerät, das Isolierung, Schutz und Stromübertragung nach dem Prinzip der gegenseitigen Induktion bietet. Solche elektronischen Komponenten bieten mehrere Vorteile, darunter ihre geringe Größe, ihr geringes Gewicht und die Fähigkeit, sich nahtlos in das Schaltungslayout zu integrieren, wodurch wertvoller Platz in elektronischen Geräten gespart wird. Diese Transformatoren werden direkt auf der Leiterplatte montiert und werden üblicherweise für die Spannungsumwandlung, die Signaltrennung, die Impedanzanpassung, die Rauschunterdrückung und andere wichtige Funktionen in elektronischen Systemen verwendet.

LEITERPLATTEN-TRANSFORMATOR

Funktionsprinzipien von Transformatoren in elektrischen Schaltkreisen

Die interne Struktur eines Transformators besteht aus verschiedenen Komponenten, die zusammen eine Einheit bilden und jeweils unterschiedliche Funktionen erfüllen. So bestimmen beispielsweise die Primär- und die Sekundärspule das Übersetzungsverhältnis des Transformators. Der Kern verstärkt den magnetischen Kopplungseffekt, während die Stifte für den Anschluss an andere Komponenten im Stromkreis verwendet werden. Die Isolierung dient dazu, den Stromkreis vor Kurzschlüssen und anderen potenziellen Problemen zu schützen.

Transformatoren nutzen die gegenseitige Induktivität in einem Stromkreis, um durch induktive Kopplung Energie oder Informationen zwischen zwei getrennten Stromkreisen zu übertragen. Diese Methode beruht auf den Magnetfeldern, die durch Wechselströme in einer Spule erzeugt werden und eine Spannung in einer anderen, benachbarten Spule induzieren. Dieses Phänomen wird häufig bei Transformatoren eingesetzt, bei denen die Primärspule eine Spannung in der Sekundärspule induziert.

Wenn ein Stromkreis unter Spannung steht und Strom durch einen Leiter fließt, erzeugt er ein Magnetfeld. Änderungen des Stroms erzeugen Schwankungen im Magnetfeld. Wenn Sie einen zweiten Leiter in dieses sich verändernde Magnetfeld legen, wird in dem zweiten Leiter eine Spannung induziert, die dem Faradayschen Gesetz der elektromagnetischen Induktion folgt. Die induzierte Spannung erleichtert die Energieübertragung von einem Stromkreis zum anderen.

Ein Transformator besteht aus zwei Spulen, der Primär- und der Sekundärspule, die um einen gemeinsamen Kern gewickelt sind. Wenn Wechselstrom durch die Primärspule fließt, erzeugt er ein magnetisches Wechselfeld. Dieses Magnetfeld induziert seinerseits eine Spannung in der Sekundärspule. Das Spannungsverhältnis zwischen der Primär- und der Sekundärspule wird durch das Windungsverhältnis (die Anzahl der Windungen in jeder Spule) bestimmt.

Arten von PCB-Transformatoren

Wenn Ihr Projekt die Montage eines Transformators für eine Leiterplatte erfordert, können Sie bei der Auswahl der richtigen Komponenten auf Schwierigkeiten stoßen. FS Technology kann Sie dabei unterstützen, indem wir Ihnen kostengünstige Alternativen für Komponenten und Beschaffungsdienstleistungen. Um Ihnen den reibungslosen Ablauf Ihres Projekts zu erleichtern, finden Sie hier einige gängige Transformatorentypen:

  • Isolationstransformatoren: Diese Transformatoren bieten eine galvanische Isolierung zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen. Sie dienen der Stromübertragung und stellen sicher, dass es keine direkte elektrische Verbindung zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsstromkreis gibt. Dies ist entscheidend für die Sicherheit und die Rauschunterdrückung.
  • Autotransformatoren: Spartransformatoren haben eine einzige Wicklung, die sowohl als Primär- als auch als Sekundärwicklung dient. Sie werden zur Spannungsumwandlung verwendet, wobei ein Teil der Wicklung als Primär- und ein anderer Teil als Sekundärwicklung fungiert. Spartransformatoren sind kompakter und effizienter als herkömmliche Trenntransformatoren, bieten jedoch keine vollständige elektrische Isolierung.
  • Flyback-Transformatoren: Diese werden üblicherweise in Schaltnetzteilen verwendet. Sie speichern während der Einschaltphase Energie in ihrem Magnetfeld und geben sie beim Ausschalten des Schalters an die Sekundärwicklung ab. Auf diese Weise werden isolierte Ausgangsspannungspegel erzeugt.
  • Vorwärts-Transformatoren: Vorwärtstransformatoren, die auch in Schaltnetzteilen eingesetzt werden, übertragen die Energie während der EIN-Zeit des Schalttransistors direkt von der Primär- auf die Sekundärwicklung. Sie bieten einen guten Wirkungsgrad und sind für Anwendungen mit mittlerer Leistung geeignet.
  • Push-Pull-Transformatoren: Wird in Push-Pull-Wandlerschaltungen verwendet, bei denen die Primärwicklung von zwei Transistoren gesteuert wird, die abwechselnd leiten. Diese Konfiguration bietet eine effiziente Energieübertragung und wird häufig in Hochleistungsanwendungen eingesetzt.

Technik und Kalkulation

  • Spannung und Turns Ratio: Bestimmen Sie die gewünschten Eingangs- und Ausgangsspannungspegel und berechnen Sie das Windungsverhältnis des Transformators anhand der Formel: Windungsverhältnis (Np: Ns) = Vp/Vs, wobei Np für die Anzahl der Primärwindungen und Ns für die Anzahl der Sekundärwindungen steht.
  • Kernmaterial und Design: Wählen Sie ein geeignetes Kernmaterial (z.B. Ferrit oder Eisen) auf der Grundlage des Frequenzbereichs und der Leistungsanforderungen der Anwendung. Das Kerndesign wirkt sich auf Faktoren wie maximale Flussdichte und Sättigung aus.
  • Berechnung der Induktivität: Berechnen Sie die erforderliche Induktivität des Transformators anhand der Formel: L = (V * D) / (ΔI * f), wobei V die Spannung bezeichnet, D für das Tastverhältnis steht, ΔI die Stromänderung darstellt und f die Frequenz ist.
  • Dimensionierung der Drähte: Bestimmen Sie den Drahtumfang für die Primär- und Sekundärwicklungen auf der Grundlage des gewünschten Stroms und der maximalen Leistung. Stellen Sie sicher, dass der Draht den erforderlichen Strom ohne übermäßige Erwärmung sicher übertragen kann.
  • Berechnung des magnetischen Flusses: Berechnen Sie die magnetische Flussdichte anhand der Formel: B = (V * 10^8) / (4,44 * f * A * N), wobei V für die Spannung, f für die Frequenz, A für die Querschnittsfläche des Kerns und N für die Anzahl der Windungen steht.
  • Abstände und Isolierung: Achten Sie auf den richtigen Abstand und die richtige Isolierung zwischen den Wicklungen, um einen Ausfall durch hohe Spannungsunterschiede zu vermeiden.
  • Parasitäre Kapazität und Streuinduktivität: Berücksichtigen Sie die Auswirkungen der parasitären Kapazität zwischen den Wicklungen und der Streuinduktivität, da diese die Leistung des Transformators beeinflussen können, insbesondere bei hohen Frequenzen.
  • Kernsättigung und Verluste: Berechnen Sie die Kernverluste und stellen Sie sicher, dass der Transformator unterhalb des Sättigungspunktes des Kerns arbeitet, um die Effizienz zu erhalten und Verzerrungen zu vermeiden.
  • Wickeltechniken: Verwenden Sie geeignete Wicklungstechniken, um elektromagnetische Interferenzen (EMI) zu minimieren und die Kopplung zwischen den Wicklungen zu maximieren.
  • Thermische Überlegungen: Wenden Sie sich an das Wärmemanagement, um sicherzustellen, dass der Transformator innerhalb sicherer Temperaturgrenzen arbeitet.

Hauptprobleme und Lösungen bei PCB-Transformatoren

Leckage-Induktivität

Die Streuinduktivität ist ein entscheidender elektrischer Parameter, der das Fehlen einer gegenseitigen Induktivität zwischen dem induktiven Teil eines Transformators und der angrenzenden Spule kennzeichnet. Sie tritt auf, wenn der von der Primärwicklung eines Transformators erzeugte magnetische Fluss nicht vollständig mit der Sekundärwicklung verbunden ist. Dieses Phänomen kann dazu führen, dass Energie in der Streuinduktivität gespeichert wird, anstatt effizient auf die Sekundärwicklung übertragen zu werden, was zu Verlusten und geringerer Effizienz führt.

Wie Sie ansprechen:

  • Wickeln Sie die Primär- und Sekundärspulen nahe beieinander, um die magnetische Kopplung zu maximieren. Diese Nähe verbessert die Effizienz der Energieübertragung und reduziert die Auswirkungen der Streuinduktivität.
  • Bringen Sie magnetische Materialien oder Abschirmungen zwischen den Wicklungen an, um den magnetischen Fluss umzuleiten und Streuverluste zu vermindern. Auf diese Weise lässt sich das Magnetfeld in den gewünschten Bahnen halten.
  • Ziehen Sie einen Wechsel der Wicklungsschichten in Betracht, um die Kopplung zu verbessern und Leckagen zu minimieren. Diese Technik kann die Gesamtleistung des Transformators verbessern, da sie eine effektivere Energieübertragung zwischen den Spulen gewährleistet.

EMI

Bei Transformatoren äußern sich EMI-Probleme häufig in Form von elektromagnetischer Strahlung und Interferenzen mit umliegenden Schaltkreisen. Die Hauptursache ist die Verwendung von Hochfrequenzströmen oder -signalen, die sich während des Betriebs schnell umschalten. Auch die Anordnung der Spulen und Drähte des Transformators sowie der Strompfad können zu diesen Problemen beitragen.

Wie Sie ansprechen:

  • Verwenden Sie abschirmende Materialien oder Gehäuse, um den PCB-Transformator zu umhüllen und die Ausbreitung elektromagnetischer Strahlung zu reduzieren.
  • Integrieren Sie Ferritperlen in Schaltungen, um Hochfrequenzrauschen zu absorbieren und dessen Ausbreitung zu verhindern.
  • Eine ordnungsgemäße Erdung und Anordnung der Komponenten kann EMI minimieren, indem die Strompfade kontrolliert und der Schleifenbereich reduziert wird.

Lärm

Rauschprobleme äußern sich in der Regel als Hochfrequenzschwingungen oder Störsignale. Diese Probleme können durch instabile oder hochfrequente Komponenten, eine instabile Versorgungsspannung, elektromagnetische Kopplung zwischen Spulen oder eine unsachgemäße Auswahl der Komponenten entstehen.

Wie Sie ansprechen:

  • Fügen Sie einen Netzfilter als Teil des PCB-Design-Prozess.
  • Optimieren Sie Schaltungen durch die Auswahl stabilerer Transformatorenkomponenten.
  • Falls machbar, sollten Sie die Betriebsfrequenz senken.
  • Nutzen Sie Simulationswerkzeuge und Testgeräte, um die Rauscheigenschaften Ihrer Schaltungen zu bewerten. Diese Bewertung ermöglicht Ihnen eine Feinabstimmung Ihrer Entwürfe und die Minimierung rauschbedingter Probleme.

Thermisches Management

PCB-Transformatoren erzeugen, wie alle Komponenten, während des Betriebs Wärme. Wenn sie nicht richtig gehandhabt wird, kann übermäßige Wärme zu Leistungseinbußen, Zuverlässigkeitsproblemen und sogar zum Ausfall von Komponenten führen.

Wie Sie ansprechen:

  • Bringen Sie Kühlkörper am Transformator oder benachbarten Komponenten an, um die Wärme abzuführen.
  • Sorgen Sie für ausreichend Platz um den Transformator herum, damit die Wärme abgeleitet werden kann.
  • Verwenden Sie thermische Durchkontaktierungen in der Platine, um die Wärme von der Bauteilseite auf die andere Seite der Platine zu übertragen.
  • Wählen Sie Materialien mit guter Wärmeleitfähigkeit für die Leiterplatte und andere Komponenten in der Nähe.

Verwandte Blogs

PCB Transformator Anleitung

PCB-Transformator-Leitfaden Ein PCB-Transformator ist ein elektrisches Gerät, das Isolierung, Schutz und Stromübertragung durch die Methode der gegenseitigen Induktion bietet. Solche elektronischen Komponenten

Mehr lesen "
Keramik QFN

QFN aus Keramik In Szenarien, die eine Beständigkeit gegen korrosive Umgebungen oder hohe Frequenzen erfordern, kann sich der Einsatz der QFN-Technologie auf Keramikbasis als strategische Wahl erweisen. Unter

Mehr lesen "
BGA vs. QFN

BGA vs. QFN Im Bereich der Elektronik ist die Auswahl der richtigen Gehäuseform für integrierte Schaltungen eine der wichtigsten Aufgaben für Ingenieure. Diese

Mehr lesen "

Wir würden uns freuen, von Ihnen zu hören