PCBトランスガイド

PCBトランスは、相互誘導方式により絶縁、保護、電流伝達を行う電気デバイスです。このような電子部品には、小型、軽量設計、回路レイアウトにシームレスに組み込むことができ、電子機器内の貴重なスペースを節約できるなどの利点があります。これらのトランスは回路基板に直接取り付けられ、電圧変換、信号絶縁、インピーダンス整合、ノイズ除去、および電子システム内のその他の重要な機能に一般的に利用されています。

PCBトランス

電気回路におけるトランスの動作原理

トランスの内部構造はさまざまな部品で構成され、それぞれが異なる機能を果たしながら一体となっている。例えば、一次コイルと二次コイルはトランスの変圧比を決定する。コアは磁気結合効果を高め、ピンは回路内の他の部品との接続に使用される。絶縁は、短絡やその他の潜在的な問題から回路を保護するために採用されている。

トランスは、回路内の相互インダクタンスを利用し、誘導結合によって2つの別個の回路間でエネルギーや情報を伝達する。この方法は、あるコイルに流れる交流電流によって発生する磁界が、隣接する別のコイルに電圧を誘導することに依存している。この現象は、一次コイルが二次コイルに電圧を誘導する変圧器によく応用されている。

回路に通電して導体に電流を流すと、磁界が発生する。電流が変化すると磁場に変動が生じる。この変化する磁場の中に第2の導体を置くと、ファラデーの電磁誘導の法則に従い、第2の導体に電圧が誘導される。誘導された電圧は、ある回路から別の回路へのエネルギー伝達を促進する。

トランスは、共有コアに巻かれた一次と二次という2つのコイルで構成されている。一次コイルに交流電流が流れると、交流磁界が発生する。この磁場が、今度は二次コイルに電圧を誘導する。一次コイルと二次コイル間の電圧比は、巻数比(各コイルの巻数)によって決まる。

PCBトランスの種類

お客様のプロジェクトでPCBにトランスを実装する必要がある場合、適切なコンポーネントを選択する際に問題に遭遇することがあります。FSテクノロジーは、費用対効果の高い代替部品を提供し、お客様のお手伝いをいたします。 調達サービス.プロジェクトを円滑に進めるために、一般的な変圧器の種類をご紹介します:

  • アイソレーショントランスフォーマー: これらのトランスは、一次巻線と二次巻線の間をガルバニック絶縁します。入力回路と出力回路が直接電気的に接続されないようにしながら、電力を伝達するために使用されます。これは安全性とノイズ低減のために非常に重要です。
  • オートトランス オートトランスは、一次巻線と二次巻線の両方の役割を果たす単一の巻線を持つ。電圧変換に使用され、巻線の一部が一次側として機能し、別の一部が二次側として機能します。オートトランスは従来の絶縁トランスよりもコンパクトで効率的ですが、完全な電気的絶縁はできません。
  • フライバックトランス これらはスイッチ・モード電源で一般的に使用されている。スイッチオンの間は磁界にエネルギーを蓄え、スイッチがオフになると2次巻線にエネルギーを放出する。これは、絶縁された出力電圧レベルを生成するために使用される。
  • フォワード・トランスフォーマー スイッチング・モード電源にも採用されている順方向トランスは、スイッチング・トランジスタのオン時間中に一次巻線から二次巻線に直接エネルギーを伝達する。効率が良く、中電力用途に適している。
  • プッシュプル・トランスフォーマー: 一次巻線が交互に導通する2つのトランジスタによって駆動されるプッシュ・プル・コンバータ回路で使用される。この構成は効率的なエネルギー伝達を実現し、ハイパワー・アプリケーションでよく使用される。

技術および計算

  • 電圧と巻数比: 希望する入出力電圧レベルを決定し、式を使ってトランスの巻数比を計算する:巻数比(Np:Ns)=Vp/Vs、ここでNpは一次巻数、Nsは二次巻数を表す。
  • コア素材とデザイン: アプリケーションの周波数範囲と電力要件に基づいて、適切なコア材料(フェライトや鉄など)を選択する。コアの設計は、最大磁束密度や飽和などの要素に影響します。
  • インダクタンスの計算: 式を使って、トランスに必要なインダクタンスを計算する:L = (V * D) / (ΔI * f)、ここでVは電圧、Dはデューティサイクル、ΔIは電流の変化、fは周波数を表す。
  • ワイヤーのサイジング: 希望する電流と最大電力に基づいて、一次巻線と二次巻線のワイヤサイズを決定します。ワイヤが過度の加熱を伴わずに必要な電流を安全に流せることを確認してください。
  • 磁束の計算: 式を使って磁束密度を計算する:B = (V * 10^8) / (4.44 * f * A * N)、ここでVは電圧、fは周波数、Aはコアの断面積、Nは巻き数を表す。
  • 間隔と断熱: 高電圧差による絶縁破壊を防ぐため、巻線間の適切な間隔と絶縁を維持する。
  • 寄生容量とリーケージ・インダクタンス: 巻線間の寄生容量やリーケージインダクタンスの影響は、特に高周波においてトランスの性能に影響を与える可能性があるため、その影響を考慮すること。
  • コアの飽和と損失: コアの損失を計算し、トランスがコアの飽和点以下で動作するようにして効率を維持し、歪みを防ぐ。
  • ワインディング・テクニック: 電磁干渉(EMI)を最小化し、巻線間の結合を最大化するために、適切な巻線技術を採用する。
  • 熱への配慮: 変圧器が安全な温度範囲内で動作することを保証するために、熱管理に対処する。

PCBトランスの主な問題と解決策

リーケージ・インダクタンス

リーケージ・インダクタンスは、トランスの誘導部分と隣接するコイルとの間の相互インダクタンスの欠如を特徴づける重要な電気的パラメータである。トランスの一次巻線によって発生した磁束が、二次巻線と完全にリンクしない場合に発生する。この現象により、エネルギーが二次巻線に効率よく伝達されずに漏れインダクタンスに蓄積され、損失や効率の低下につながる。

どのように対処するか:

  • 一次コイルと二次コイルを互いに近づけて巻き、磁気結合を最大にします。この近接により、エネルギー伝達の効率が向上し、漏れインダクタンスの影響が減少します。
  • 磁束を方向転換し、漏れを減少させるために、巻線間に磁性材料またはシールドを組み込む。この方法は、磁場を望ましい経路内に収めるのに役立ちます。
  • カップリングを強化し、リークを最小化するために、巻線層を交互にすることを検討する。この技術は、コイル間のエネルギー伝達をより効果的にすることで、トランス全体の性能を向上させることができます。

電磁妨害

変圧器では、EMIの問題が電磁放射や周辺回路への干渉として現れることが多い。主な原因は、高周波電流の使用や、動作中に急激に切り替わる信号です。さらに、トランスのコイルやワイヤーのレイアウト、電流経路もこれらの問題の原因となることがあります。

どのように対処するか:

  • PCBトランスを包むシールド材や筐体を利用し、電磁波の伝播を低減する。
  • フェライトビーズを回路に組み込んで高周波ノイズを吸収し、その伝播を防ぐ。
  • 適切な接地と部品レイアウトは、電流経路を制御し、ループ面積を減らすことでEMIを最小限に抑えることができる。

ノイズ

ノイズの問題は通常、高周波の発振やスプリアス信号として現れます。このような問題は、不安定な高周波部品、不安定な電源電圧、コイル間の電磁結合、不適切な部品選択などから発生する可能性があります。

どのように対処するか:

  • の一部としてパワーフィルターを含める。 PCB設計プロセス.
  • より安定したトランス部品を選択することで回路を最適化する。
  • 可能であれば、動作周波数を下げることを検討する。
  • シミュレーション・ツールやテスト機器を活用して、回路のノイズ特性を評価してください。この評価により、設計を微調整し、ノイズ関連の課題を最小限に抑えることができます。

熱管理

PCBトランスは、すべてのコンポーネントと同様に、動作中に熱を発生します。適切に管理されなければ、過度の熱は性能の低下、信頼性の問題、さらには部品の故障につながる可能性があります。

どのように対処するか:

  • トランスまたは隣接する部品にヒートシンクを取り付け、放熱する。
  • トランスの周囲に放熱のための十分なスペースを確保する。
  • 部品側から基板の反対側に熱を伝えるために、PCBにサーマルビアを使用する。
  • プリント基板やその周辺の部品には、熱伝導率の良い材質を選んでください。

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