کاهش مداوم اندازه محصولات الکترونیکی، به ویژه دستگاه های تلفن همراه، منجر به این واقعیت می شود که توسعه دهندگان مجبور به استفاده از قطعات با حداقل ابعاد هستند. برای قطعات نیمه هادی و همچنین قطعات غیرفعال مانند مقاومت ها و خازن ها، انتخاب بسیار بزرگ و متنوع است. ما جایگزینی با اندازه کوچک را برای یک عنصر غیرفعال دیگر - ترانسفورماتورها و چوک ها در نظر خواهیم گرفت. در بیشتر موارد، طراحان از ترانسفورماتورهای استاندارد و سلف های سیم پیچ استفاده می کنند. ما مزایای ترانسفورماتورهای مسطح (PT) مبتنی بر چند لایه را در نظر خواهیم گرفت بردهای مدار چاپی. هزینه بردهای مدار چاپی چند لایه به طور مداوم در حال کاهش است، بنابراین ترانسفورماتورهای مسطح جایگزین خوبی برای ترانسفورماتورهای معمولی خواهند بود.
ترانسفورماتورهای مسطح یک جایگزین جذاب برای ترانسفورماتورهای معمولی هستند که اجزای مغناطیسی کوچک مورد نیاز هستند. با فناوری مسطح برای ساخت اجزای القایی، نقش سیم‌پیچ‌ها را می‌توان به‌وسیله مسیرهای روی برد مدار چاپی یا بخش‌هایی از مس که با چاپ رسوب کرده و با لایه‌هایی از مواد عایق جدا می‌شود، انجام داد و علاوه بر این، سیم‌پیچ‌ها را می‌توان از چند لایه ساخت. برد مدار چاپی این سیم پیچ ها بین هسته های کوچک فریت قرار می گیرند. بر اساس طراحی، اجزای مسطح به چند نوع تقسیم می شوند. نزدیکترین چیز به قطعات القایی معمولی قطعات مسطح دیواری هستند که می توانند به جای قطعات معمولی در PCBهای تک لایه و چند لایه استفاده شوند. ارتفاع قطعه بالای سر را می توان با فرو بردن هسته در برش برد مدار چاپی به طوری که سیم پیچ روی سطح برد قرار گیرد کاهش داد. یک قدم رو به جلو، نوع هیبریدی است، جایی که برخی از سیم پیچ ها در مادربرد تعبیه شده اند و برخی روی یک PCB چند لایه جداگانه که به مادربرد متصل است. مادربرد باید دارای سوراخ هایی برای هسته فریت باشد. در نهایت، با نوع دوم اجزای مسطح، سیم پیچ به طور کامل در PCB چند لایه ادغام می شود.
مانند اجزای سیم پیچ معمولی، بسته به توانایی ها و ترجیحات سازنده، نیمه های هسته را می توان با چسب یا گیره به هم وصل کرد. FERROXCUBE طیف گسترده ای از هسته های مسطح W شکل را برای کاربردهای مختلف ارائه می دهد.
مزایای فناوری مسطح
فن آوری مسطح برای ساخت قطعات مغناطیسی در مقایسه با سیم پیچی معمولی دارای مزایای متعددی است. اولین مزیت آشکارارتفاع بسیار کم است که باعث می شود اجزای مسطح برای استفاده در تجهیزات رک و قابل حمل با تراکم نصب بالا امیدوار کننده باشند.
اجزای مغناطیسی مسطح برای توسعه مبدل های قدرت سوئیچینگ با راندمان بالا مناسب هستند. تلفات کم مس در هر جریان متناوبو ضریب جفت بالا بیشتر را فراهم می کند تحول موثر. به دلیل اندوکتانس نشتی کم، نوسانات و نوسانات ولتاژ که عامل خرابی قطعات MOS و منبع تداخل اضافی است، کاهش می یابد.
تکنولوژی Planar در تولید ساده و قابل اعتماد است. جداول 1-3 مزایا و محدودیت های این فناوری را شرح می دهند.
جدول 1. مزایای توسعه
جدول 2. مزایای تولید
جدول 3. محدودیت ها
(1) هزینه PCB های چند لایه در حال کاهش است. کل هزینه ها: بدون نیاز به قاب، سایز کوچکترهسته.
اجزای یکپارچه در مقابل پلاگین
قطعات مسطح یکپارچه در کاربردهایی استفاده می شوند که پیچیدگی مدارهای اطراف استفاده از PCB چند لایه را ضروری می کند. کاربردهای معمولی مبدل های کم توان و دستگاه های پردازش سیگنال هستند. آنها عمدتا از ترکیبی از یک هسته W شکل و یک صفحه کوچک استفاده می کنند. الزامات اصلی طراحی در اینجا ارتفاع کم و ویژگی های فرکانس بالا خوب است.
- اجزای قابل اتصال متفاوت استفاده می شود. کاربردهای معمولی مبدل های توان بالا هستند. آنها عمدتا از ترکیب دو هسته بزرگ W شکل استفاده می کنند. الزامات اصلی طراحی در اینجا عملکرد حرارتی است. طراحی سیم پیچ، به ویژه، به بزرگی جریان بستگی دارد.
فرو بردن اجزای متصل به برد به شما این امکان را می دهد که ارتفاع مجموعه را بدون تغییر محل قطعات کاهش دهید.
اجزای هیبریدی تعداد سیم‌پیچ‌های سربار را از طریق آثار روی برد مدار چاپی کاهش می‌دهند و در نسخه یکپارچه اصلاً سیم‌پیچ‌های سربار وجود ندارد. ترکیب این دو نوع نیز امکان پذیر است. به عنوان مثال، یک مبدل قدرت ممکن است یک سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور و یک سلف داشته باشد محافظ ولتاژ، در مادربرد تعبیه شده است و سیم پیچ ثانویه و سلف خروجی روی بردهای مدار چاپی جداگانه قرار دارند (شکل 3).
باندینگ در مقابل بستن
انتخاب بین اتصال و گیره عمدتاً به توانایی ها و ترجیحات سازنده بستگی دارد، اما الزاماتی نیز وجود دارد. کاربرد خاص، که می تواند یک راه یا روش دیگر را مطلوب تر تعیین کند.
اولین کاربرد ترانسفورماتورهای مسطح تبدیل توان بود. بر این اساس، فریت های قدرتمند با فرکانس متوسط و بالا استفاده شد. اندوکتانس چوک فیلتر خط را می توان با جایگزینی فریت قدرتمند با ماده ای با نفوذپذیری مغناطیسی بالا افزایش داد. در انتقال سیگنال پالسی، یک ترانسفورماتور باند پهن که بین آی سی ژنراتور پالسی و کابل قرار دارد، جداسازی و تطبیق امپدانس را فراهم می کند. در مورد رابط S یا T نیز باید فریت با نفوذپذیری مغناطیسی بالا باشد. هسته های فریت با نفوذپذیری بالا 3E6 به مجموعه محصولات FERROXCUBE اضافه شده است. لیستی از برنامه هایی که استفاده از فناوری مسطح می تواند مزایایی را ارائه دهد در زیر آورده شده است.
تبدیل برق
- اجزاء
- ترانسفورماتورهای قدرت، چوک های خروجی یا رزونانس، چوک های فیلتر خط.
- یکسو کننده ها (منبع تغذیه)
- سوئیچینگ منابع تغذیه.
- شارژر (تلفن همراه، لپ تاپ کامپیوتر).
- تجهیزات کنترل و اندازه گیری.
- مبدل های DC/DC
- ماژول های تبدیل برق
- سوئیچ های شبکه
- تلفن همراه (منبع اصلی برق).
- کامپیوترهای لپ تاپ (منبع اصلی برق).
- وسایل نقلیه الکتریکی (مبدل ولتاژ کششی به ولتاژ 12 ولت).
- مبدل های AC (منابع تغذیه اصلی)
- مبدل های فشرده برای لامپ های فلورسنت.
- گرمایش القایی، جوشکاری.
- اینورتر (منابع تغذیه باتری)
- تلفن همراه (نور پس زمینه LCD).
- کامپیوترهای لپ تاپ (نور پس زمینه LCD).
- چراغ های جلوی تخلیه گاز خودرو (بالاست).
- گرمکن شیشه عقب ماشین (بوست مبدل).
انتقال پالس
- اجزاء
- ترانسفورماتورهای باند پهن
- S 0 -رابط (خط تلفن مشترک).
- رابط های U (خط مشترک ISDN).
- رابط های T1/T2 (ستون ستون فقرات بین سوئیچ های شبکه).
- رابط های ADSL
- رابط های HDSL
جدول 4. مشخصات مواد
جدول 5. هسته برای اتصال (بدون فرورفتگی)
جدول 6. پیوند مواد هسته
(*) - نیم هسته برای استفاده در ترکیب با یک هسته W شکل بدون شکاف یا صفحه.
(**) - نیمی از هسته ها با نفوذپذیری مغناطیسی بالا.
E160 – E - نیم هسته با شکاف متقارن. A L = 160 nH (در ترکیب با نیم هسته با شکاف متقارن اندازه گیری می شود).
A25 - E - نیم هسته با شکاف نامتقارن. A L = 25 nH (در ترکیب با نیمه هسته بدون شکاف اندازه گیری می شود).
A25 - P - نیم هسته با شکاف نامتقارن. A L = 25 nH (در ترکیب با صفحه اندازه گیری می شود).
1100/1300 - نیم هسته بدون شکاف. AL = 1100/1300 nH (در ترکیب با نیم هسته بدون شکاف / صفحه اندازه گیری می شود).
مقدار AL (nH) در B≤0.1 mT، f≤10 kHz، T = 25 درجه سانتی گراد اندازه گیری شد.
تحمل A L:
جدول 7. وابستگی ویژگی ها به توان (هسته ها برای اتصال)
جدول 8. هسته با اتصال گیره
گستره محصول
FERROXCUBE طیف گسترده ای از هسته های مسطح W شکل در محدوده اندازه 14-64 میلی متر را ارائه می دهد. که در نسخه پایهبرای اتصال، سطح مقطع همیشه یکنواخت است که امکان استفاده بهینه از حجم فریت را فراهم می کند. برای هر اندازه یک هسته W شکل (که با حرف E مشخص می شود) و یک صفحه مربوطه (که با حروف PLT مشخص می شود) وجود دارد. این مجموعه ممکن است از یک هسته W شکل و یک صفحه یا دو هسته W شکل تشکیل شده باشد. که در مورد دومارتفاع پنجره سیم پیچ دو برابر شده است. برای کوچکترین اندازه ها نیز مجموعه ای از هسته و صفحه W شکل در نسخه با اتصال گیره وجود دارد. از یک هسته شیاردار W شکل (با نام E/R) و یک صفحه شیاردار (با نام PLT/S) استفاده می‌کند. گیره (با نام CLM) به داخل فرورفتگی‌های هسته می‌چسبد و با فشار دادن صفحه در دو نقطه، اتصال قوی ایجاد می‌کند. شیار از حرکت صفحه حتی تحت ضربه یا لرزش شدید جلوگیری می کند و همچنین تراز بودن را تضمین می کند. برای ترکیبی از دو هسته W شکل، اتصال گیره ای ارائه نمی شود.
جدول 9. مواد هسته اتصال گیره
(1) - نیم هسته برای استفاده در ترکیب با یک صفحه.
A63 - P - نیم هسته با شکاف نامتقارن. A L = 63 nH (در ترکیب با صفحه اندازه گیری می شود).
1280 - نیم هسته بدون شکاف.
A L = 1280 nH (در ترکیب با صفحه اندازه گیری می شود).
مقدار L (nH) در B≤0.1 mT، f≤10 kHz، T = 25 درجه سانتی گراد اندازه گیری شد.
تحمل A L:
جدول 10. وابستگی مشخصات به توان (هسته با اتصال گیره)
هسته های ساخته شده از فریت های قدرتمند 3F3 ( فرکانس کاریتا 500 کیلوهرتز) و 3F4 (500 کیلوهرتز - 3 مگاهرتز) در همه اندازه ها موجود است. هسته ها بزرگترین اندازههمچنین از فریت 3C85 (فرکانس کاری تا 200 کیلوهرتز) ساخته شده اند، زیرا هسته های بزرگ اغلب در دستگاه های قدرتمند با فرکانس پایین استفاده می شوند. اندازه‌های هسته کوچکتر نیز موجود است که از فریت 3E6 با نفوذپذیری بالا (μ i = 12000) برای استفاده در چوک‌های فیلتر خط و ترانسفورماتورهای باند پهن ساخته شده‌اند.
بسته
فیلم پلاستیکی به عنوان بسته بندی استاندارد برای هسته ها و صفحات W شکل مسطح استفاده می شود.
جدول 11. بسته بندی
جدول 12. جعبه با هسته
جدول 13. جعبه با گیره
جدول 14. بسته بندی نوار
برای هسته های E14/3.5/5 و E18/4/10، یک بسته بندی نوار اولیه برای استفاده با تجهیزات مونتاژ خودکار برای اجزای SMD توسعه داده شد. روش بسته بندی مطابق با IEC-286 قسمت 3 است. صفحات به همان روشی که هسته های W مربوطه بسته بندی می شوند.
توسعه
برای استفاده حداکثری از مزایای فناوری مسطح، لازم است از یک مفهوم طراحی متفاوت از سیم پیچی پیروی کنید. در زیر تعدادی از ملاحظات برای راهنمایی شما در این زمینه آورده شده است.
انتخاب هسته
- القای مغناطیسی
- شکاف هوا
عملکرد حرارتی بهبود یافته اجازه می دهد تا دو برابر اتلاف توان یک طراحی معمولی برای همان مقدار میدان مغناطیسی، بنابراین مقدار چگالی شار بهینه بالاتر از حد معمول باشد.
شکاف های بزرگ در طرح های مسطح نامطلوب هستند زیرا شار نشتی ایجاد می کنند. شار لبه به نسبت ارتفاع پنجره سیم پیچ به عرض شکاف هوا بستگی دارد که برای هسته های تخت کوچکتر است. اگر ارتفاع پنجره فقط چندین برابر عرض شکاف و عرض آن چندین برابر بیشتر از عرض قسمت مرکزی هسته باشد، جریان قابل توجهی بین بالا و پایین هسته ایجاد می شود. . مقادیر زیادلبه ها و جریان های متقاطع منجر به تلفات زیاد جریان گردابی در سیم پیچ می شود.
طراحی سیم پیچ
- مقاومت DC
- مقاومت AC
- اندوکتانس نشتی
متداول ترین آثار مسی با ضخامت های 35، 70، 100 و 200 میکرون می باشد. اگر سطح مقطع ردیابی برای به دست آوردن مقاومت DC قابل قبول کافی نباشد، ردیابی ها را می توان به صورت موازی برای تمام یا بخشی از پیچ ها متصل کرد.
تلفات مس AC به دلیل اثرات پوستی و مجاورت برای آثار مس مسطح کمتر از سیم های گرد با سطح مقطع یکسان است. جریان های گردابی القا شده در مجاورت شکاف هوا را می توان با برداشتن چند چرخش در نقطه ای که القاء حداکثر است و عمود بر صفحه سیم پیچ هدایت می شود کاهش داد. ترکیب W-core/plate شار نشتی کمی نسبت به ترکیب دو هسته W به دلیل محل شکاف هوا دارد.
وقتی سیم‌پیچ‌ها یکی بالای دیگری قرار می‌گیرند، جفت مغناطیسی بسیار قوی است و مقادیر ضریب جفت نزدیک به 100٪ قابل دستیابی است (شکل 13، a).
طراحی قبلی منجر به ظرفیت در هم پیچی بالاتر می شود. این ظرفیت را می توان با قرار دادن مسیرهای سیم پیچ های مجاور در فضاهای بین یکدیگر کاهش داد (شکل 13، ب).
علاوه بر این، تکرارپذیری مقدار ظرفیت به آن اجازه می دهد تا در بقیه مدار جبران شود و همچنین در ساختارهای رزونانسی استفاده شود. در مورد دوم، می توانید با قرار دادن مسیرهای سیم پیچ های مجاور در مقابل یکدیگر، به طور هدفمند یک ظرفیت بزرگ ایجاد کنید (شکل 13، ج).
تولید
مونتاژ
هنگام استفاده از گیره، ابتدا باید گیره را به داخل فرورفتگی های هسته بچسبانید و سپس صفحه را به صورت جانبی تراز کنید.
برای اجزای یکپارچه، مونتاژ با نصب ترکیب می شود.
نصب و راه اندازی
هنگام استفاده از قطعات خارجی، می توانید از تخته های سوراخ دار یا نصب SMD استفاده کنید. تفاوت های قابل توجه از روند عادیدر دسترس نیست
سطح صاف هسته برای نصب خودکار مناسب است.
برای اجزای یکپارچه، نصب بهتر است در دو مرحله انجام شود:
- نیمی از هسته را به برد مدار چاپی بچسبانید. برای این کار می توانید از همان چسبی که برای نصب قطعات SMD استفاده می شود استفاده کنید و این مرحله به طور منطقی با نصب قطعات SMD در این سمت PCB ترکیب می شود.
- نیمه دوم هسته را به قسمت اول بچسبانید. همان نظراتی که در مورد مونتاژ اجزای لولایی داده شد، در اینجا اعمال می شود.
لحیم کاری
فقط برای ترانسفورماتورهای نصب شده کاربرد دارد.
در مورد لحیم کاری با جریان، روش گرمایش ترجیحی جابجایی گرم است تا تابش مادون قرمز، زیرا روش اول یکسان سازی دمای سطوح در حال لحیم کاری را تضمین می کند. هنگامی که با اشعه مادون قرمز با استفاده از مواد استاندارد گرم می شود، رسانایی حرارتی خوب یک جزء مسطح می تواند باعث شود دمای خمیر لحیم کاری بسیار پایین باشد و زمانی که قدرت تابش افزایش می یابد، دمای PCB ممکن است خیلی بالا باشد. اگر از گرمایش مادون قرمز استفاده می شود، توصیه می شود خمیر لحیم کاری و/یا مواد PCB متفاوتی را انتخاب کنید.
تعیین اندازه های استاندارد
تمام اعداد داده شده به نیمه های اصلی اشاره دارد. لازم است دو نیمه از هسته را در داخل سفارش دهید ترکیب مناسب. چهار نوع نیمه هسته وجود دارد که از آنها مجموعه های سه نوع ساخته می شود:
- دو هسته W شکل (E+E)؛
- هسته و صفحه W شکل (E+PLT)؛
- هسته W شکل با بریدگی و صفحه با شیار (E/R + PLT/S).
آخرین مجموعه همچنین شامل یک گیره (CLM) می باشد.
در مقاله بعدی روشی برای محاسبه ترانسفورماتورهای قدرت مسطح ارائه خواهد شد منابع پالستغذیه.
در مقاله قبلی مزایای استفاده از ترانسفورماتورهای مسطح در ابعاد کوچک و دستگاه های تلفن همراه. ویژگی‌های هسته‌های فریت مورد استفاده برای طراحی ترانسفورماتورهای مسطح نیز ارائه شد. این نشریه روشی را برای محاسبه ترانسفورماتورهای مسطح برای مبدل های پالس رو به جلو و معکوس پیشنهاد می کند.
معرفی
ترانسفورماتورهای مسطح را می توان به عنوان اجزای دیواری، مجموعه های مدار چاپی تک لایه یا کوچک تولید کرد. تخته چند لایه، یا در یک برد مدار چاپی چند لایه منبع تغذیه تعبیه شود.
مزایای مهم اجزای مغناطیسی مسطح عبارتند از:
- ابعاد بسیار کوچک؛ ویژگی های دمایی عالی؛ اندوکتانس نشتی کم؛ تکرارپذیری عالی خواص.
اندازه گیری پارامترهای عملکرد ترانسفورماتورهای مسطح با هسته ها و سیم پیچ های W شکل که بر اساس یک برد مدار چاپی چند لایه ساخته شده اند نشان می دهد که مقاومت حرارتیاین دستگاه ها به طور قابل توجهی (تا 50٪) در مقایسه با ترانسفورماتورهای سیم پیچ معمولی با همان حجم هسته موثر V e کمتر است. این به دلیل نسبت بالاتر سطح هسته به حجم آن است. بنابراین، با افزایش ظرفیت خنک‌کننده، ترانسفورماتورهای مسطح می‌توانند چگالی توان توان بالاتری را تحمل کنند و در عین حال افزایش دما را در محدوده‌های قابل قبول نگه دارند.
این بروشور روشی سریع و آسان برای طراحی ترانسفورماتورهای قدرت مسطح را توضیح می دهد و نمونه هایی از دستگاه های طراحی شده با این روش را ارائه می دهد.
نتایج آزمایش عملکرد نشان می دهد که افزایش دمای اندازه گیری شده به خوبی با داده های محاسبه مطابقت دارد.
روش محاسبه
تعیین حداکثر القای مغناطیسی
تلفات هسته و هادی مسی در حین کار ترانسفورماتور منجر به افزایش دما می شود. مقدار این افزایش برای جلوگیری از آسیب به ترانسفورماتور یا بقیه مدار نباید از حد مجاز بیشتر شود. در تعادل حرارتی، مقدار کل تلفات در ترانسفورماتور Ptrafo با افزایش دمای ترانسفورماتور D T با رابطه ای شبیه به قانون اهم مرتبط است:
که در آن R T مقاومت حرارتی ترانسفورماتور است. در واقع، P trafo را می توان به عنوان ظرفیت خنک کننده یک ترانسفورماتور در نظر گرفت.
می توان یک فرمول تجربی ایجاد کرد که به طور مستقیم مقدار مقاومت حرارتی ترانسفورماتور را به حجم مغناطیسی موثر V e هسته فریت مورد استفاده مرتبط می کند (1). این فرمول تجربی برای ترانسفورماتورهای سیمی با هسته های RM و ETD معتبر است. یک رابطه مشابه اکنون برای ترانسفورماتورهای مسطح با هسته های W شکل پیدا شده است.
با استفاده از این رابطه، می توان افزایش دمای ترانسفورماتور را به عنوان تابعی از القای مغناطیسی در هسته تخمین زد. با توجه به محدودیت فضای سیم پیچ موجود برای قطعات مغناطیسی مسطح، توصیه می شود به همان اندازه استفاده شود مقادیر ممکنالقای مغناطیسی
با فرض اینکه نیمی از کل تلفات در ترانسفورماتور تلفات هسته باشد، می‌توان حداکثر چگالی هسته P را به عنوان تابعی از افزایش دمای مجاز ترانسفورماتور به صورت زیر بیان کرد:
تلفات توان در فریت‌های ما به عنوان تابعی از فرکانس (f، هرتز)، اوج چگالی شار مغناطیسی (B، T) و دما (T، °C) اندازه‌گیری شد. چگالی تلفات هسته را می توان تقریباً با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد (2):
در اینجا Cm، x، y، ct0، ct 1 و ct 2 پارامترهایی هستند که با تقریب منحنی تلفات تجربی یافت می شوند. این پارامترها مختص یک ماده خاص هستند. ابعاد آنها طوری انتخاب می شوند که در دمای 100 درجه سانتیگراد مقدار CT برابر با 1 باشد.
جدول 1 مقادیر پارامترهای فوق را برای چندین مارک فریت های پرقدرت از Ferroxcube نشان می دهد.
جدول 1. پارامترهای تقریبی برای محاسبه چگالی تلفات هسته
| درجه فریت | f، کیلوهرتز | سانتی متر | ایکس | y | ct 2 | ct 1 | ct 0 |
| 3C30 | 20-100 | 7.13x10 -3 | 1,42 | 3,02 | 3.65x10 -4 | 6.65x10 -2 | 4 |
| 100-200 | 7.13x10 -3 | 1,42 | 3,02 | 4x10 -4 | 6.8x10 -2 | 3,8 | |
| 3C90 | 20-200 | 3.2x10 -3 | 1,46 | 2,75 | 1.65x10 -4 | 3.1x10 -2 | 2,45 |
| 3C94 | 20-200 | 2.37x10 -3 | 1,46 | 2,75 | 1.65x10 -4 | 3.1x10 -2 | 2,45 |
| 200-400 | 2x10 -9 | 2,6 | 2,75 | 1.65x10 -4 | 3.1x10 -2 | 2,45 | |
| 3F3 | 100-300 | 0.25x10 -3 | 1,63 | 2,45 | 0.79x10 -4 | 1.05x10 -2 | 1,26 |
| 300-500 | 2x10 -5 | 1,8 | 2,5 | 0.77x10 -4 | 1.05x10 -2 | 1,28 | |
| 500-1000 | 3.6x10 -9 | 2,4 | 2,25 | 0.67x10 -4 | 0.81x10 -2 | 1,14 | |
| 3F4 | 500-1000 | 12x10 -4 | 1,75 | 2,9 | 0.95x10 -4 | 1.1x10 -2 | 1,15 |
| 1000-3000 | 1.1x10 -11 | 2,8 | 2,4 | 0.34x10 -4 | 0.01x10 -2 | 0,67 |
بیشترین ارزش مجاز Pcore با استفاده از فرمول (2) محاسبه می شود. سپس این مقدار با معادله (3) جایگزین می شود. اکنون می‌توانیم حداکثر مجاز القای مغناطیسی Bpeak را با بازنویسی معادله (3) به صورت زیر محاسبه کنیم:
توجه: حداکثر مقدار مجاز B را می توان به روش دیگری - با نوشتن - پیدا کرد برنامه کامپیوتری، که تلفات توان را برای یک شکل سیگنال دلخواه با استفاده از فرمول (3) در محاسبه می کند مقادیر داده شدهپارامترهای تقریبی (3). مزیت این روش این است که به شما امکان می دهد تلفات را با در نظر گرفتن شکل حالت واقعی B محاسبه کنید و همچنین درجه بهینه فریت را برای یک مورد خاص انتخاب کنید.
با تعیین حداکثر پیک مجاز القای مغناطیسی، می توان تعداد چرخش سیم پیچ های اولیه و ثانویه را با استفاده از فرمول های شناخته شده، از جمله توپولوژی مبدل و نوع ترانسفورماتور (به عنوان مثال، معکوس و رو به جلو) محاسبه کرد.
باید در مورد نحوه توزیع سیم پیچ ها بین لایه های موجود تصمیم گیری شود. جریان های جاری در ردیابی باعث افزایش دمای PCB می شود. به دلایل توزیع گرما، توصیه می شود پیچ های سیم پیچ ها در لایه های بیرونی به طور متقارن نسبت به پیچ های سیم پیچ در لایه های داخلی توزیع شود.
برنج. 3. قله B در فرمول ها برابر است با نیمی از نوسان نوسانات القایی در هسته
از نقطه نظر مغناطیس، بهترین گزینه جایگزینی لایه های اولیه و ثانویه خواهد بود. این به اصطلاح اثر مجاورت را کاهش می دهد (به صفحه 4 مراجعه کنید). با این حال، ارتفاع کم سیم پیچ مسطح و تعداد دورهای مورد نیاز برای یک کاربرد خاص همیشه اجازه انتخاب طرح بهینه را نمی دهد.
از منظر هزینه، توصیه می شود PCBهایی با ضخامت لایه مس استاندارد انتخاب کنید. مقادیر رایج ضخامت مورد استفاده توسط سازندگان PCB 35 و 70 میکرون است. افزایش دما در سیم پیچ، ناشی از جریان های جاری، به طور قابل توجهی به ضخامت لایه های مس بستگی دارد.
استانداردهای ایمنی مانند IEC 950 به فاصله 400 میکرومتر در مواد PCB (FR2 یا FR4) نیاز دارند تا از جدا شدن سیم پیچ ثانویه از منبع تغذیه اطمینان حاصل شود. در صورت عدم نیاز به جداسازی از شبکه، فاصله 200 میکرون بین لایه های سیم پیچ کافی است. علاوه بر این، همچنین لازم است که لایه شابلون را در نظر بگیرید - 50 میکرون در دو طرف تخته.
عرض مسیرهای تشکیل دهنده سیم پیچ ها بر اساس بزرگی جریان و حداکثر چگالی جریان مجاز تعیین می شود. فاصله بین پیچ ها بستگی به قابلیت های تولید و بودجه دارد. یک قانون سرانگشتی این است که برای آثار ضخیم 35 میکرومتر، عرض و فاصله ردپاها باید بیشتر از 150 میکرومتر باشد و برای آثار با ضخامت 70 میکرومتر باید بیشتر از 200 میکرومتر باشد.
بسته به توانایی های تولید سازنده PCB، ابعاد ممکن است کوچکتر باشد، اما این به احتمال زیاد افزایش قابل توجهی در هزینه PCB خواهد داشت. تعداد چرخش در یک لایه و فاصله بین پیچ ها به ترتیب Nl و s تعیین می شود. سپس، با توجه به پهنای سیم پیچ موجود bw، عرض مسیر wt را می توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد (شکل 4 را ببینید):
برنج. 4. عرض مسیر wt، فاصله مسیر s و عرض سیم پیچ b w
اگر نیاز به جداسازی از منبع تغذیه باشد، وضعیت تا حدودی تغییر می کند. هسته بخشی از مدار اولیه محسوب می شود و باید 400 میکرومتر از مدار ثانویه جدا شود. بنابراین مسیر جریان نشتی بین سیم پیچ های ثانویه نزدیک به سمت چپ و راست هسته و خود هسته باید 400 میکرومتر باشد. در این مورد، عرض مسیر باید با استفاده از فرمول (6) محاسبه شود، زیرا 800 میکرومتر باید از عرض سیم پیچ موجود کم شود:
در فرمول های (5) و (6) تمام ابعاد بر حسب میلی متر آورده شده است.
تعیین افزایش دمای یک برد مدار چاپی ناشی از جریان جریان
آخرین مرحله ای که باید برداشته شود تعیین افزایش دما در آثار مس ناشی از جریان های جاری است. برای انجام این کار، لازم است مقادیر جریان موثر (rms) بر اساس داده های ورودی و پارامترهای خروجی مورد نظر محاسبه شود. روش محاسبه بستگی به توپولوژی مورد استفاده دارد.
بخش مثال ها محاسباتی را برای فناوری مبدل رو به جلو و معکوس استاندارد ارائه می دهد. مثالی از رابطه بین افزایش دما و ارزش های موثرجریان برای مناطق مختلف مقطع هادی های برد مدار چاپی در شکل نشان داده شده است. 5. در مواردی که یک هادی وجود دارد یا اینکه اندوکتانس ها خیلی نزدیک نیستند، می توان عرض، ضخامت و سطح مقطع هادی و همچنین حداکثر جریان های مجاز برای افزایش دمای مشخص شده مختلف را تعیین کرد. مستقیماً از این نمودار مشخص می شود.
نقطه ضعف این روش طراحی این است که فرض می‌کند گرمای تولید شده در سیم‌پیچ ناشی از جریان مستقیم است، در حالی که در واقعیت جریان متناوب وجود دارد که باعث اثرات پوستی و مجاورتی می‌شود.
اثر پوستی به دلیل وجود یک میدان مغناطیسی در یک رسانا ایجاد می شود که توسط جریانی که در خود این هادی جریان دارد ایجاد می شود. تغییر سریع جریان (در فرکانس بالا) القای متناوب را القا می کند که باعث ایجاد جریان های گردابی می شود. این جریان های گردابی که به جریان اصلی کمک می کنند در جهت مخالف آن هستند. جریان در مرکز هادی صفر می شود و به سمت سطح حرکت می کند. چگالی جریان به صورت تصاعدی از سطح به مرکز کاهش می یابد.
عمق لایه سطحی d فاصله ای از سطح هادی در جهت مرکز آن است که در آن چگالی جریان با ضریب e کاهش می یابد. عمق لایه سطحی به خواص مواد مانند هدایت الکتریکی و نفوذپذیری مغناطیسی بستگی دارد و نسبت معکوس دارد. ریشه دوماز فرکانس برای مس در دمای 60 درجه سانتی گراد، عمق لایه سطحی را می توان تقریباً با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:
اگر هادی با ضخامت w t کمتر از 2 d گرفته شود، سهم این اثر محدود خواهد شد. این عرض مسیر کمتر از 200 میکرومتر برای 500 کیلوهرتز می دهد. اگر پهنای سیم پیچ بزرگتری برای تعداد دور مورد نیاز موجود باشد، بهترین راه حلاز نقطه نظر مغناطیس، جداسازی آنها به مسیرهای موازی خواهد بود.
در موقعیت‌های واقعی، جریانهای گردابی در هادی‌ها وجود خواهند داشت که نه تنها به دلیل تغییر میدان مغناطیسی جریان خود (اثر پوست)، بلکه توسط میدانهای دیگر رساناهای واقع در نزدیکی ایجاد می‌شود. این اثر را اثر مجاورت می نامند. اگر لایه های اولیه و ثانویه متناوب باشند، تأثیر این تأثیر بسیار کمتر است. واقعیت این است که جریان در سیم پیچ اولیه و ثانویه در جهت مخالف جریان می یابد، بنابراین آنها میدانهای مغناطیسیمتقابل نابود می شوند. با این حال، هادی‌های مجاور روی همان لایه همچنان در اثر مجاورت نقش دارند.
نتایج تجربی
اندازه گیری دما در انواع مختلفی از طرح های مدار چاپی با جریان های متناوب در سیم پیچ ها با دقت قابل قبولی نشان می دهد که در فرکانس های تا 1 مگاهرتز، هر افزایش فرکانس به میزان 100 کیلوهرتز باعث افزایش دمای برد مدار چاپی می شود که 2 است. درجه سانتی گراد بیشتر از مقادیر تعیین شده برای جریان های ثابت موردی.
هدف طراحی ترانسفورماتور خط با پارامترهای ارائه شده در جدول است.
به عنوان اولین قدم، این فرض ایجاد می شود که در یک فرکانس معین می توانیم استفاده کنیم پراهمیتحداکثر القای مغناطیسی - 160 mT. بعداً بررسی خواهیم کرد که آیا این امکان برای مقادیر داده شده از دست دادن هسته و افزایش دما وجود دارد یا خیر.
مثال 1: ترانسفورماتور فلای بک
جدول 2 تعداد چرخش های محاسبه شده را برای شش کوچکترین ترکیب هسته W مسطح و صفحه استاندارد Ferroxcube نشان می دهد. علاوه بر این، مقادیر خودالقایی سیم پیچ اولیه، عرض شکاف هوا و جریان ها، با استفاده از فرمول های جعبه 1 محاسبه شده است.
جدول 2. محاسبه پارامترهای طراحی چند ترانسفورماتور خط
| هسته | Ae، میلی متر 2 | Ve، میلی متر 3 | N1 | N2 | NIC | G، میکرومتر | سایر پارامترهای محاسبه شده |
| E-PLT14 | 14,5 | 240 | 63 | 7,4 | 7,2 | 113 | L prim = 638 µH |
| E-E14 | 14,3 | 300 | 63 | 7,4 | 7,2 | 113 | I p (rms.) = 186 mA |
| E-PLT18 | 39,5 | 800 | 23 | 2,7 | 2,6 | 41 | I o (rms.) = 1593 mA |
| E-E18 | 39,5 | 960 | 23 | 2,7 | 2,6 | 41 | |
| E-PLT22 | 78,5 | 2040 | 12 | 1,4 | 1,4 | 22 | |
| E-E22 | 78,5 | 2550 | 12 | 1,4 | 1,4 | 22 |
از جدول 2 می توان دریافت که تعداد چرخش های مورد نیاز سیم پیچ اولیه برای مجموعه های هسته E-E14 و E-PLT14 برای سیم پیچی که نمی توان بر اساس یک برد مدار چاپی چند لایه ساخته شود، بسیار زیاد است. بنابراین، ترکیب هسته های E-E18 و E-PLT18 بهترین گزینه به نظر می رسد. گرد کردن نتایج محاسبه برای N1، N2 و NIC به ترتیب اعداد 24، 3 و 3 را به دست می‌دهد.
برای تعیین تلفات در حالت موج القایی مثلثی تک قطبی با فرکانس 120 کیلوهرتز، پیک القای 160 mT و دمای عملیاتی 95 درجه سانتی گراد، از برنامه ای بر اساس بیان (3) استفاده شد. برای فریت های پرقدرت 3C30 و 3C90، تلفات هسته مورد انتظار به ترتیب 385 mW/cm3 و 430 mW/cm3 است.
چگالی اتلاف مجاز در D T=35 درجه سانتیگراد 470 mW/cm3 برای E-PLT18 و 429 mW/cm3 برای E-E18 است (از بیان (1)).
نتیجه این است که فریت های 3C30 و 3C30 را می توان در هر دو ترکیب هسته استفاده کرد. فریت های با کیفیت کمتر با تلفات توان بیشتر باعث افزایش بیش از حد دما می شوند.
24 دور سیم پیچ اولیه را می توان به طور متقارن در 2 یا 4 لایه توزیع کرد. عرض سیم پیچ موجود برای هسته های E-18 4.6 میلی متر است. از اینجا می توان دریافت که گزینه ای با دو لایه 12 چرخشی هر کدام دشوار و در نتیجه گران است. برای این کار باید از مسیرهای بسیار باریک با زمین های بسیار کوچک استفاده کنید. بنابراین گزینه ای با چهار لایه هر کدام 6 دور انتخاب می شود. لایه های کمتر در PCB چند لایه منجر به کاهش هزینه های تولید می شود. بنابراین 3 دور دیگر سیم پیچ اولیه (برای ولتاژ آی سی) و 3 دور سیم پیچ ثانویه و برای هر کدام یک لایه ارائه می دهیم. بنابراین، همانطور که در جدول 3 نشان داده شده است، می توان ساختاری با شش لایه ساخت.
جدول 3. نمونه ای از طراحی ترانسفورماتور شش لایه
| لایه | تعداد دورها | 35 میکرومتر | 70 میکرومتر |
| شابلون | 50 میکرومتر | 50 میکرومتر | |
| اولیه | 6 | 35 میکرومتر | 70 میکرومتر |
| عایق | 200 میکرومتر | 200 میکرومتر | |
| اولیه | 6 | 35 میکرومتر | 70 میکرومتر |
| عایق | 200 میکرومتر | 200 میکرومتر | |
| آی سی اولیه | 3 | 35 میکرومتر | 70 میکرومتر |
| عایق | 400 میکرومتر | 400 میکرومتر | |
| ثانوی | 3 | 35 میکرومتر | 70 میکرومتر |
| عایق | 400 میکرومتر | 400 میکرومتر | |
| اولیه | 6 | 35 میکرومتر | 70 میکرومتر |
| عایق | 200 میکرومتر | 200 میکرومتر | |
| اولیه | 6 | 35 میکرومتر | 70 میکرومتر |
| شابلون | 50 میکرومتر | 50 میکرومتر | |
| جمع | 1710 میکرومتر | 1920 میکرومتر |
بسته به میزان گرمای تولید شده توسط جریان های جاری، می توانید ضخامت ردهای مسی را 35 میکرون یا 70 میکرون انتخاب کنید. فاصله 400 میکرومتر بین لایه های سیم پیچ اولیه و ثانویه برای اطمینان از جداسازی از شبکه لازم است. ترکیب E-PLT18 دارای حداقل پنجره سیم پیچ 1.8 میلی متر است. این برای ضخامت مسیر 35 میکرون کافی است، که ضخامت کلی برد مدار چاپی را در حدود 1710 میکرون نشان می دهد.
برای کاهش هزینه طراحی، فاصله بین مسیرهای 300 میکرومتر را انتخاب کردیم. محاسبه عرض مسیر سیم پیچ ثانویه با استفاده از فرمول (5) نتیجه 1.06 میلی متر را به همراه جدا شدن از شبکه به دست می دهد.
با استفاده از نمودار در شکل. 5 و مقدار مؤثر جریان محاسبه شده (جدول 2) در سیم پیچ ثانویه برابر با 1.6 A، افزایش دما را 25 درجه سانتیگراد برای مسیرهای با ضخامت 35 میکرون و حدود 7 درجه سانتیگراد برای مسیرهای با ضخامت بدست می آوریم. از 70 میکرون
ما فرض کردیم که افزایش دما ناشی از تلفات سیم پیچ تقریباً نیمی از افزایش دما است، در این مورد 17.5 درجه سانتیگراد. بدیهی است که با ضخامت ردیابی 35 میکرون، افزایش دما ناشی از جریان موثر 1.6 A بسیار زیاد خواهد بود، بنابراین باید از ردیابی با ضخامت 70 میکرون استفاده کرد.
عرض مسیرهای پیچ سیم پیچ اولیه را می توان با استفاده از فرمول (5) محاسبه کرد. تقریباً برابر با 416 میکرون خواهد بود. با این عرض مسیر، جریان موثر 0.24 A در سیم پیچ اولیه بعید است که منجر به افزایش دما شود.
از آنجایی که فرکانس 120 کیلوهرتز است، افزایش اضافی در دمای PCB حدود 2 درجه سانتیگراد در مقایسه با وضعیتی که فقط جریان های ثابت جریان دارد، انتظار می رود. افزایش کلی دمای PCB ناشی از جریان تنها زیر 10 درجه سانتیگراد باقی خواهد ماند.
یک PCB شش لایه با ردپای 70 میکرون باید در پارامترهای محاسبه شده عمل کند. ضخامت اسمی PCB حدود 1920 میکرون خواهد بود که به این معنی است که ترکیب استاندارد E-PLT18 W-core و ویفر در این مورد کار نخواهد کرد. می تواند به کار رود ترکیب استاندارد E-E18 از دو هسته W شکل با پنجره سیم پیچ 3.6 میلی متر. با این حال، چنین پنجره سیم پیچ بزرگی در اینجا غیر ضروری به نظر می رسد، بنابراین یک راه حل ظریف تر یک هسته سفارشی با پنجره ای به اندازه حدود 2 میلی متر است.
اندازه‌گیری‌های انجام‌شده بر روی یک طراحی قابل مقایسه با هسته‌ای از دو نیمه فریت 3C90 W شکل، افزایش دمای کلی 28 درجه سانتیگراد را ثبت کردند. این با محاسبات ما مطابقت دارد، که باعث افزایش دما 17.5 درجه سانتیگراد به دلیل تلفات هسته و 10 درجه سانتیگراد به دلیل تلفات سیم پیچ شد.
ارتباط بین سیم پیچ های اولیه و ثانویه خوب است زیرا اندوکتانس نشتی تنها 0.6٪ از اندوکتانس سیم پیچ اولیه است.
مثال 2. ترانسفورماتور جلو
هدف در اینجا طراحی یک ترانسفورماتور رو به جلو با قابلیت انتخاب یکی از چهار نسبت تبدیل است که اغلب در مبدل های DC-DC کم مصرف استفاده می شود. مشخصات مورد نظر در جدول بالا نشان داده شده است.
ابتدا باید بررسی کنید که آیا آنها مناسب هستند یا خیر این موردترکیبی از کوچکترین اندازه های هسته از محدوده استاندارد - E-PLT14 و E-E14. با محاسبه حداکثر چگالی تلفات مجاز در هسته در افزایش دمای 50 درجه سانتیگراد، 1095 میلی‌وات بر سانتی‌متر مکعب برای ترکیب E-E14 از دو هسته W شکل و 1225 میلی‌وات بر سانتی‌متر مکعب برای ترکیب E-PLT14 یک W به دست می‌آید. هسته و صفحه شکل. در مرحله بعد، چگالی تلفات در هسته را با استفاده از فرمول (3) در مورد موج القایی مثلثی تک قطبی با فرکانس 500 کیلوهرتز برای چندین مقدار القای پیک محاسبه می کنیم.
نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهد که در پیک القای مغناطیسی حدود 100 mT، تلفات کمتر از حداکثر مجاز محاسبه‌شده با فرمول (2) است. تعداد چرخش ها و جریان های موثر با استفاده از فرمول های داده شده در جعبه 1 محاسبه می شود. با حداکثر چگالی شار مغناطیسی 100 mT و پارامترهای مشخص شده در بالا، معلوم می شود که در فرکانس 530 کیلوهرتز E-E14 و E-PLT14 ترکیبات برای استفاده مناسب بوده و تعداد دور آن قابل قبول است. نتایج محاسبات در جدول 4 نشان داده شده است.
جدول 4. محاسبه پارامترهای طراحی چند ترانسفورماتور مستقیم
| هسته | وین، وی | ووت، وی | N1 | N2 | L prim، µH | من o(eff.) ، mA | تصویر، mA | من p(eff.) ، mA |
| E-PLT14 | 48 | 5 | 14 | 3,2 | 690 | 2441 | 60 | 543 |
| 48 | 3,3 | 14 | 2,1 | 690 | 3699 | 60 | 548 | |
| 24 | 5 | 7 | 3,2 | 172 | 2441 | 121 | 1087 | |
| 24 | 3,3 | 7 | 2,1 | 172 | 3669 | 212 | 1097 | |
| E-E14 | 48 | 5 | 14 | 3,2 | 855 | 2441 | 48 | 539 |
| 48 | 3,3 | 14 | 2,1 | 855 | 3669 | 48 | 544 | |
| 24 | 5 | 7 | 3,2 | 172 | 2441 | 97 | 1079 | |
| 24 | 3,3 | 7 | 2,1 | 172 | 3669 | 97 | 1080 |
تعیین نهایی چگالی از دست دادن هسته در دمای عملیاتی 100 درجه سانتیگراد برای فرم مشخص شدهامواج القایی با فرکانس 530 کیلوهرتز نتایج 1030 mW/cm3 برای فریت 3F3 و 1580 mW/cm3 برای فریت 3F4 به دست می‌دهد. بدیهی است که بهترین گزینه 3F3 است. افزایش دما در هسته E-PLT14:
(تراکم تلفات محاسبه شده در 3F3/دانسیته تلفات مجاز) X 1/2DT = (1030/1225) X 25 درجه سانتی گراد = 21 درجه سانتی گراد
برای ترکیب E-E14 افزایش دما 23.5 درجه سانتیگراد است. سیم پیچ اولیه بسته به ولتاژ ورودی به 7 یا 14 دور نیاز دارد. در مورد یک ترانسفورماتور مستقیم معمولی، تعداد دورهای مشابهی برای سیم پیچ مغناطیسی زدایی (بازیابی) مورد نیاز است. برای اینکه بتوان از 7 یا 14 دور و به همان تعداد دور برای سیم پیچ مغناطیس زدایی استفاده کرد، طرحی با 4 لایه 7 دور هر کدام انتخاب شد. هنگامی که به 7 دور سیم پیچ اولیه و مغناطیس زدایی نیاز است، پیچ های دو لایه به صورت موازی به هم متصل می شوند. این یک اثر اضافی خواهد داشت - نصف کردن چگالی جریان در مسیرهای سیم پیچ.
هنگامی که به 14 دور سیم پیچ اولیه و مغناطیس زدایی نیاز است، پیچ های دو لایه به صورت سری به هم متصل می شوند تا تعداد چرخش های موثر 14 شود.
عرض سیم پیچ موجود برای هسته E-14 3.65 میلی متر است. برای طراحی مقرون به صرفه با فاصله مسیر 300 میکرومتر، عرض مسیر در 7 دور در هر لایه 178 میکرومتر است.
ضخامت مسیرها باید 70 میکرون باشد، زیرا در ولتاژ ورودی 24 ولت جریان موثر در سیم پیچ اولیه حدود 1.09 A خواهد بود. در نتیجه اتصال موازیقطعات سیم پیچ هنگام استفاده از 7 دور) افزایش دما 15 درجه سانتیگراد. ولتاژ ورودی 48 ولت جریان موثر تقریباً 0.54 آمپر تولید می کند.
در این حالت، سهم تلفات در سیم پیچ در افزایش دمای کلی حدود 14 درجه سانتیگراد با عرض مسیر 178 میکرومتر خواهد بود (14 پیچ به صورت سری متصل می شوند).
عرض مسیرها برابر با 178 میکرون با فاصله بین آنها 300 میکرون با ضخامت مسیر 70 میکرون اندکی از آنچه که داده ایم انحراف دارد. حساب سرانگشتی(فاصله مسیر و عرض مسیر > 200 میکرومتر). این می تواند منجر به هزینه های کمی بالاتر تولید PCB های چند لایه شود. سیم پیچ ثانویه به 3 یا 2 دور نیاز دارد. هنگامی که یک لایه به هر یک از پیچ ها اختصاص می یابد، عرض مسیر به ترتیب 810 و 1370 میکرومتر است. جریان های ثانویه موثر 2.44 و 3.70 A باعث افزایش دما در سیم پیچ ها تقریباً 25 درجه سانتیگراد می شود که با توجه به افزایش دما در سیم پیچ های اولیه بسیار زیاد است. در این حالت بهترین راه حل استفاده از 2 لایه برای هر دو سیم پیچ خواهد بود. وقتی این لایه ها که هر کدام 3 دور دارند به صورت موازی به هم متصل شوند، چگالی جریان نصف می شود. از شکل 5، می توان تعیین کرد که سهم تلفات سیم پیچ در افزایش دمای کل در این شرایط حدود 6 درجه سانتی گراد خواهد بود. کل افزایش دما در PCB تقریباً 21 درجه سانتیگراد به اضافه افزایش اضافی ناشی از تلفات AC خواهد بود. از آنجایی که فرکانس 500 کیلوهرتز است، لازم است حدود 10 درجه سانتیگراد بیشتر اضافه شود، به این معنی که دمای PCB 31 درجه سانتیگراد افزایش می یابد.
تعداد دور و عرض برای هر لایه از این طرح در جدول 5 آورده شده است. حداقل یک لایه که در جدول به عنوان اضافی نشان داده شده است، برای ایجاد اتصالات ضروری است. با این حال، در مجموع 9 لایه به ما می دهد که از نظر تولید همان 10 لایه (عدد زوج بعدی) است. به همین دلیل، از لایه‌های بالا و پایین PCB به عنوان لایه‌های اضافی استفاده می‌شود - همچنین به این دلیل که مزیت اضافی کاهش تراکم جریان در ردیابی را با ضریب دو فراهم می‌کند. آثار روی این لایه ها از طریق سوراخ های مسی به ردهای لایه داخلی متصل می شوند و ورودی و خروجی سیم پیچ های اولیه و ثانویه را به دو طرف برد مدار چاپی می آورند. بسته به نحوه اتصال ورودی ها و خروجی های طرف اصلی و ثانویه، می توانید 4 عدد دریافت کنید. معانی مختلفنسبت تبدیل
جدول 5. نمونه ای از طرح 10 لایه
| لایه | تعداد دورها | 70 میکرومتر |
| شابلون | 50 میکرومتر | |
| لایه اضافی | 70 میکرومتر | |
| عایق | 200 میکرومتر | |
| گند زدایی اولیه | 7 | 70 میکرومتر |
| عایق | 200 میکرومتر | |
| اولیه | 7 | 70 میکرومتر |
| عایق | 200 میکرومتر | |
| ثانوی | 3 | 70 میکرومتر |
| عایق | 200 میکرومتر | |
| ثانوی | 2 | 70 میکرومتر |
| عایق | 200 میکرومتر | |
| ثانوی | 2 | 70 میکرومتر |
| عایق | 200 میکرومتر | |
| ثانوی | 3 | 70 میکرومتر |
| عایق | 200 میکرومتر | |
| اولیه | 7 | 70 میکرومتر |
| عایق | 200 میکرومتر | |
| گند زدایی اولیه | 7 | 70 میکرومتر |
| عایق | 200 میکرومتر | |
| لایه اضافی | 70 میکرومتر | |
| شابلون | 50 میکرومتر | |
| جمع: | 2600 میکرومتر |
کل ضخامت اسمی PCB تقریباً 2.6 میلی متر خواهد بود که از پنجره سیم پیچ موجود 1.8 میلی متری ترکیب هسته E-PLT14 بیشتر است. می توان از ترکیب E-E14 استفاده کرد، اما دارای حداقل پنجره سیم پیچ 3.6 میلی متری است - بسیار بزرگتر از آنچه در واقع مورد نیاز است. راه حل موفق تر یک هسته غیر استاندارد با اندازه پنجره کاهش یافته است.
اندازه گیری دمای این برد مدار چاپی با استفاده از ترموکوپل در شرایط مختلف. برای تست از گزینه تبدیل 24/5 ولت استفاده کردیم که بالاترین چگالی جریان را می دهد. ابتدا، جریان های مستقیم برابر با جریان های محاسبه شده به طور جداگانه به سیم پیچ های اولیه و ثانویه عرضه شد. دی سیدر سیم پیچ اولیه، برابر با 1079 میلی آمپر، افزایش دما 12.5 درجه سانتی گراد و جریان در سیم پیچ ثانویه، برابر با 2441 میلی آمپر، افزایش دما 7.5 درجه سانتی گراد را به همراه داشت. همانطور که انتظار می رفت، هنگامی که هر دو جریان به طور همزمان به PCB اعمال شد، افزایش دما 20 درجه سانتی گراد بود.
روش فوق برای جریانهای متناوب چندین فرکانس با مقادیر مؤثر برابر با مقادیر محاسبه شده تکرار شد. در فرکانس 500 کیلوهرتز، کل افزایش دما در برد مدار چاپی 32 درجه سانتیگراد بود. بیشترین افزایش دمای اضافی (7 درجه سانتیگراد) ناشی از تلفات AC در سیم پیچ های ثانویه مشاهده شد. این منطقی است، زیرا تأثیر اثر پوستی در مسیرهای گسترده سیم پیچ های ثانویه بیشتر از مسیرهای باریک سیم پیچ های اولیه است.
در نهایت، اندازه گیری دما با هسته های استاندارد (ترکیب E-E14) نصب شده بر روی PCB تحت شرایط مربوط به شرایط عملکرد یک ترانسفورماتور مستقیم انجام شد. افزایش دمای برد مدار چاپی 49 درجه سانتیگراد بود. حداکثر نقطه گرمایش هسته در سمت بالایی آن و دمای آن 53 درجه سانتیگراد بود. افزایش دمای 49 درجه سانتی گراد و 51 درجه سانتی گراد به ترتیب در قسمت مرکزی هسته و قسمت بیرونی آن مشاهده شد.
همانطور که محاسبات پیش بینی کردند، این طراحی برای مجموعه دو هسته W شکل تا حدودی حیاتی است، زیرا درجه حرارت در حداکثر نقطه گرمایش در 53 درجه سانتیگراد، که بالای 50 درجه سانتیگراد است، ثبت شده است. با این حال، هنگام استفاده از هسته های W شکل تخت تر (غیر استاندارد)، دما در محدوده قابل قبول است.
در مقاله بعدی به مثالی از محاسبه مبدل DC/DC 25 وات بر اساس ترانسفورماتور مسطح خواهیم پرداخت.
ادبیات
- Mulder S. A. نکته کاربردی در طراحی ترانسفورماتورهای فرکانس بالا با مشخصات پایین. اجزای Ferroxcube. 1990. Mulder S. A. فرمول های اتلاف برای فریت های قدرت و استفاده از آنها در طراحی ترانسفورماتور. اجزای فیلیپس 1994. Durbaum Th., Albach M. تلفات هسته در ترانسفورماتورها با شکل دلخواه جریان مغناطیسی. EPE سویا. 1995. Brockmeyer A. ارزیابی تجربی تأثیر پیش مغناطیس‌سازی DC بر خواص فریت‌های الکترونیکی قدرت. دانشگاه صنعتی آخن 1995. یادداشت فنی Ferroxcube Components. مبدل 25 وات DC/DC با استفاده از مغناطیسی مسطح یکپارچه.9398 236 26011. 1996.
در مقاله قبلی مزایای استفاده از ترانسفورماتورهای مسطح در دستگاه های کوچک و سیار مورد بحث قرار گرفت. ویژگی‌های هسته‌های فریت مورد استفاده برای طراحی ترانسفورماتورهای مسطح نیز ارائه شد. این نشریه روشی را برای محاسبه ترانسفورماتورهای مسطح برای مبدل های پالس رو به جلو و معکوس پیشنهاد می کند.
معرفی
ترانسفورماتورهای مسطح را می توان به عنوان اجزای قطره ای، به عنوان مجموعه های PCB تک لایه یا PCB های چند لایه کوچک، یا ادغام در یک PCB منبع تغذیه چند لایه تولید کرد.
مزایای مهم اجزای مغناطیسی مسطح عبارتند از:
- اندازه های بسیار کوچک؛
- ویژگی های دمایی عالی؛
- اندوکتانس نشتی کم؛
- تکرارپذیری عالی خواص
اندازه‌گیری پارامترهای عملکرد ترانسفورماتورهای مسطح با هسته‌ها و سیم‌پیچ‌های W شکل که بر اساس یک برد مدار چاپی چندلایه ساخته شده‌اند نشان می‌دهد که مقاومت حرارتی این دستگاه‌ها به طور قابل‌توجهی (تا ۵۰ درصد) کمتر از ترانسفورماتورهای سیم‌پیچ معمولی است. همان حجم هسته موثر V e . این به دلیل نسبت بالاتر سطح هسته به حجم آن است. بنابراین، با افزایش ظرفیت خنک‌کننده، ترانسفورماتورهای مسطح می‌توانند چگالی توان توان بالاتری را تحمل کنند و در عین حال افزایش دما را در محدوده‌های قابل قبول نگه دارند.
این بروشور روشی سریع و آسان برای طراحی ترانسفورماتورهای قدرت مسطح را توضیح می دهد و نمونه هایی از دستگاه های طراحی شده با این روش را ارائه می دهد.
نتایج آزمایش عملکرد نشان می دهد که افزایش دمای اندازه گیری شده به خوبی با داده های محاسبه مطابقت دارد.
برنج. 1. ترانسفورماتور مسطحجدا شده
برنج. 2. گزینه های طراحی برای ترانسفورماتورهای مسطح
روش محاسبه
تعیین حداکثر القای مغناطیسی
تلفات هسته و هادی مسی در حین کار ترانسفورماتور منجر به افزایش دما می شود. مقدار این افزایش برای جلوگیری از آسیب به ترانسفورماتور یا بقیه مدار نباید از حد مجاز بیشتر شود. در تعادل حرارتی، مقدار کل تلفات در ترانسفورماتور Ptrafo با افزایش دمای ترانسفورماتور D T با رابطه ای شبیه به قانون اهم مرتبط است:
که در آن R T مقاومت حرارتی ترانسفورماتور است. در واقع، P trafo را می توان به عنوان ظرفیت خنک کننده یک ترانسفورماتور در نظر گرفت.
می توان یک فرمول تجربی ایجاد کرد که به طور مستقیم مقدار مقاومت حرارتی ترانسفورماتور را به حجم مغناطیسی موثر V e هسته فریت مورد استفاده مرتبط می کند. این فرمول تجربی برای ترانسفورماتورهای سیمی با هسته های RM و ETD معتبر است. یک رابطه مشابه اکنون برای ترانسفورماتورهای مسطح با هسته های W شکل پیدا شده است.
با استفاده از این رابطه، می توان افزایش دمای ترانسفورماتور را به عنوان تابعی از القای مغناطیسی در هسته تخمین زد. با توجه به محدودیت فضای سیم پیچ موجود برای اجزای مغناطیسی مسطح، توصیه می شود از بالاترین مقادیر چگالی شار ممکن استفاده شود.
با فرض اینکه نیمی از کل تلفات در ترانسفورماتور تلفات هسته باشد، می‌توان حداکثر چگالی هسته P را به عنوان تابعی از افزایش دمای مجاز ترانسفورماتور به صورت زیر بیان کرد:
تلفات توان در فریت‌های ما به عنوان تابعی از فرکانس (f، هرتز)، اوج چگالی شار مغناطیسی (B، T) و دما (T، °C) اندازه‌گیری شد. چگالی تلفات هسته را می توان تقریباً با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:
در اینجا Cm، x، y، ct0، ct 1 و ct 2 پارامترهایی هستند که با تقریب منحنی تلفات تجربی یافت می شوند. این پارامترها مختص یک ماده خاص هستند. ابعاد آنها طوری انتخاب می شوند که در دمای 100 درجه سانتیگراد مقدار CT برابر با 1 باشد.
جدول 1 مقادیر پارامترهای فوق را برای چندین مارک فریت های پرقدرت از Ferroxcube نشان می دهد.
جدول 1. پارامترهای تقریبی برای محاسبه چگالی تلفات هسته
| درجه فریت | f، کیلوهرتز | سانتی متر | ایکس | y | ct 2 | ct 1 | ct 0 |
| 3C30 | 20–100 | 7.13x10 -3 | 1,42 | 3,02 | 3.65x10 -4 | 6.65x10 –2 | 4 |
| 100–200 | 7.13x10 -3 | 1,42 | 3,02 | 4x10 -4 | 6.8x10 -2 | 3,8 | |
| 3C90 | 20–200 | 3.2x10 -3 | 1,46 | 2,75 | 1.65x10 -4 | 3.1x10 -2 | 2,45 |
| 3C94 | 20–200 | 2.37x10 -3 | 1,46 | 2,75 | 1.65x10 -4 | 3.1x10 -2 | 2,45 |
| 200–400 | 2x10 -9 | 2,6 | 2,75 | 1.65x10 -4 | 3.1x10 -2 | 2,45 | |
| 3F3 | 100-300 | 0.25x10 -3 | 1,63 | 2,45 | 0.79x10 -4 | 1.05x10 -2 | 1,26 |
| 300-500 | 2x10 -5 | 1,8 | 2,5 | 0.77x10 -4 | 1.05x10 -2 | 1,28 | |
| 500-1000 | 3.6x10 -9 | 2,4 | 2,25 | 0.67x10 -4 | 0.81x10 -2 | 1,14 | |
| 3F4 | 500-1000 | 12x10 -4 | 1,75 | 2,9 | 0.95x10 -4 | 1.1x10 -2 | 1,15 |
| 1000-3000 | 1.1x10 -11 | 2,8 | 2,4 | 0.34x10 -4 | 0.01x10 -2 | 0,67 |
حداکثر مقدار مجاز Pcore با استفاده از فرمول (2) محاسبه می شود. سپس این مقدار با معادله (3) جایگزین می شود. اکنون می‌توانیم حداکثر مجاز القای مغناطیسی Bpeak را با بازنویسی معادله (3) به صورت زیر محاسبه کنیم:
توجه: حداکثر مقدار مجاز B را می توان به روش دیگری یافت - با نوشتن یک برنامه رایانه ای که اتلاف توان را برای یک شکل سیگنال دلخواه با استفاده از فرمول (3) برای مقادیر داده شده پارامترهای تقریبی محاسبه می کند. مزیت این روش این است که به شما امکان می دهد تلفات را با در نظر گرفتن شکل حالت واقعی B محاسبه کنید و همچنین درجه بهینه فریت را برای یک مورد خاص انتخاب کنید.
با تعیین حداکثر پیک مجاز القای مغناطیسی، می توان تعداد چرخش سیم پیچ های اولیه و ثانویه را با استفاده از فرمول های شناخته شده، از جمله توپولوژی مبدل و نوع ترانسفورماتور (به عنوان مثال، معکوس و رو به جلو) محاسبه کرد.
باید در مورد نحوه توزیع سیم پیچ ها بین لایه های موجود تصمیم گیری شود. جریان های جاری در ردیابی باعث افزایش دمای PCB می شود. به دلایل توزیع گرما، توصیه می شود پیچ های سیم پیچ ها در لایه های بیرونی به طور متقارن نسبت به پیچ های سیم پیچ در لایه های داخلی توزیع شود.
برنج. 3. قله B در فرمول ها برابر است با نیمی از نوسان نوسانات القایی در هسته
از نقطه نظر مغناطیس، بهترین گزینه جایگزینی لایه های اولیه و ثانویه خواهد بود. این به اصطلاح اثر مجاورت را کاهش می دهد (به صفحه 4 مراجعه کنید). با این حال، ارتفاع کم سیم پیچ مسطح و تعداد دورهای مورد نیاز برای یک کاربرد خاص همیشه اجازه انتخاب طرح بهینه را نمی دهد.
از منظر هزینه، توصیه می شود PCBهایی با ضخامت لایه مس استاندارد انتخاب کنید. مقادیر رایج ضخامت مورد استفاده توسط سازندگان PCB 35 و 70 میکرون است. افزایش دما در سیم پیچ، ناشی از جریان های جاری، به طور قابل توجهی به ضخامت لایه های مس بستگی دارد.
استانداردهای ایمنی مانند IEC 950 به فاصله 400 میکرومتر در مواد PCB (FR2 یا FR4) نیاز دارند تا از جدا شدن سیم پیچ ثانویه از منبع تغذیه اطمینان حاصل شود. در صورت عدم نیاز به جداسازی از شبکه، فاصله 200 میکرون بین لایه های سیم پیچ کافی است. علاوه بر این، همچنین لازم است که لایه شابلون را در نظر بگیرید - 50 میکرون در دو طرف تخته.
عرض مسیرهای تشکیل دهنده سیم پیچ ها بر اساس بزرگی جریان و حداکثر چگالی جریان مجاز تعیین می شود. فاصله بین پیچ ها بستگی به قابلیت های تولید و بودجه دارد. یک قانون سرانگشتی این است که برای آثار ضخیم 35 میکرومتر، عرض و فاصله ردپاها باید بیشتر از 150 میکرومتر باشد و برای آثار با ضخامت 70 میکرومتر باید بیشتر از 200 میکرومتر باشد.
بسته به توانایی های تولید سازنده PCB، ابعاد ممکن است کوچکتر باشد، اما این به احتمال زیاد افزایش قابل توجهی در هزینه PCB خواهد داشت. تعداد چرخش در یک لایه و فاصله بین پیچ ها به ترتیب Nl و s تعیین می شود. سپس، با توجه به پهنای سیم پیچ موجود bw، عرض مسیر wt را می توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد (شکل 4 را ببینید):
برنج. 4. عرض مسیر wt، فاصله مسیر s و عرض سیم پیچ b w
اگر نیاز به جداسازی از منبع تغذیه باشد، وضعیت تا حدودی تغییر می کند. هسته بخشی از مدار اولیه محسوب می شود و باید 400 میکرومتر از مدار ثانویه جدا شود. بنابراین مسیر جریان نشتی بین سیم پیچ های ثانویه نزدیک به سمت چپ و راست هسته و خود هسته باید 400 میکرومتر باشد. در این مورد، عرض مسیر باید با استفاده از فرمول (6) محاسبه شود، زیرا 800 میکرومتر باید از عرض سیم پیچ موجود کم شود:
در فرمول های (5) و (6) تمام ابعاد بر حسب میلی متر آورده شده است.
تعیین افزایش دمای یک برد مدار چاپی ناشی از جریان جریان
آخرین مرحله ای که باید برداشته شود تعیین افزایش دما در آثار مس ناشی از جریان های جاری است. برای انجام این کار، لازم است مقادیر جریان موثر (rms) بر اساس داده های ورودی و پارامترهای خروجی مورد نظر محاسبه شود. روش محاسبه بستگی به توپولوژی مورد استفاده دارد.
بخش مثال ها محاسباتی را برای فناوری مبدل رو به جلو و معکوس استاندارد ارائه می دهد. نمونه ای از رابطه بین رشد دما و مقادیر جریان موثر برای سطوح مقطع مختلف هادی های برد مدار چاپی در شکل نشان داده شده است. 5. در مواردی که یک هادی وجود دارد یا اینکه اندوکتانس ها خیلی نزدیک نیستند، می توان عرض، ضخامت و سطح مقطع هادی و همچنین حداکثر جریان های مجاز برای افزایش دمای مشخص شده مختلف را تعیین کرد. مستقیماً از این نمودار مشخص می شود.
برنج. 5. رابطه بین اندازه جریان، ردیابی PCB و افزایش دما
نقطه ضعف این روش طراحی این است که فرض می‌کند گرمای تولید شده در سیم‌پیچ ناشی از جریان مستقیم است، در حالی که در واقعیت جریان متناوب وجود دارد که باعث اثرات پوستی و مجاورتی می‌شود.
اثر پوستی به دلیل وجود یک میدان مغناطیسی در یک رسانا ایجاد می شود که توسط جریانی که در خود این هادی جریان دارد ایجاد می شود. تغییر سریع جریان (در فرکانس بالا) باعث القای متناوب می شود که باعث ایجاد جریان های گردابی می شود. این جریان های گردابی که به جریان اصلی کمک می کنند در جهت مخالف آن هستند. جریان در مرکز هادی صفر می شود و به سمت سطح حرکت می کند. چگالی جریان به صورت تصاعدی از سطح به مرکز کاهش می یابد.
عمق لایه سطحی d فاصله ای از سطح هادی در جهت مرکز آن است که در آن چگالی جریان با ضریب e کاهش می یابد. عمق لایه سطحی به خواص مواد مانند هدایت الکتریکی و نفوذپذیری مغناطیسی بستگی دارد و با جذر فرکانس نسبت معکوس دارد. برای مس در دمای 60 درجه سانتی گراد، عمق لایه سطحی را می توان تقریباً با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:
اگر هادی با ضخامت wt کمتر از 2d گرفته شود، سهم این اثر محدود خواهد شد. این عرض مسیر کمتر از 200 میکرومتر برای 500 کیلوهرتز می دهد. اگر پهنای سیم پیچ زیادی برای تعداد دور مورد نیاز در دسترس باشد، بهترین راه حل از نقطه نظر مغناطیس، تقسیم آنها به مسیرهای موازی است.
در موقعیت‌های واقعی، جریانهای گردابی در هادی‌ها وجود خواهند داشت که نه تنها به دلیل تغییر میدان مغناطیسی جریان خود (اثر پوست)، بلکه توسط میدانهای دیگر رساناهای واقع در نزدیکی ایجاد می‌شود. این اثر را اثر مجاورت می نامند. اگر لایه های اولیه و ثانویه متناوب باشند، تأثیر این تأثیر بسیار کمتر است. واقعیت این است که جریان در سیم پیچ اولیه و ثانویه در جهت مخالف جریان می یابد، به طوری که میدان های مغناطیسی آنها یکدیگر را خنثی می کنند. با این حال، هادی‌های مجاور روی همان لایه همچنان در اثر مجاورت نقش دارند.
نتایج تجربی
اندازه گیری دما در انواع مختلفی از طرح های مدار چاپی با جریان های متناوب در سیم پیچ ها با دقت قابل قبولی نشان می دهد که در فرکانس های تا 1 مگاهرتز، هر افزایش فرکانس به میزان 100 کیلوهرتز باعث افزایش دمای برد مدار چاپی می شود که 2 است. درجه سانتی گراد بیشتر از مقادیر تعیین شده برای جریان های ثابت موردی.
هدف طراحی ترانسفورماتور خط با پارامترهای ارائه شده در جدول است.
به عنوان اولین گام، فرض بر این است که در یک فرکانس معین، می توان مقدار زیادی از پیک القای مغناطیسی - 160 mT را گرفت. بعداً بررسی خواهیم کرد که آیا این امکان برای مقادیر داده شده از دست دادن هسته و افزایش دما وجود دارد یا خیر.
مثال 1: ترانسفورماتور فلای بک
جدول 2 تعداد چرخش های محاسبه شده را برای شش کوچکترین ترکیب هسته W مسطح و صفحه استاندارد Ferroxcube نشان می دهد. علاوه بر این، مقادیر خودالقایی سیم پیچ اولیه، عرض شکاف هوا و جریان ها، با استفاده از فرمول های جعبه 1 محاسبه شده است.
جدول 2. محاسبه پارامترهای طراحی چند ترانسفورماتور خط
| هسته | Ae، میلی متر 2 | Ve، میلی متر 3 | N1 | N2 | NIC | G، میکرومتر | سایر پارامترهای محاسبه شده |
| E-PLT14 | 14,5 | 240 | 63 | 7,4 | 7,2 | 113 | L prim = 638 µH |
| E-E14 | 14,3 | 300 | 63 | 7,4 | 7,2 | 113 | I p (rms.) = 186 mA |
| E-PLT18 | 39,5 | 800 | 23 | 2,7 | 2,6 | 41 | I o (rms.) = 1593 mA |
| E-E18 | 39,5 | 960 | 23 | 2,7 | 2,6 | 41 | |
| E-PLT22 | 78,5 | 2040 | 12 | 1,4 | 1,4 | 22 | |
| E-E22 | 78,5 | 2550 | 12 | 1,4 | 1,4 | 22 |
از جدول 2 می توان دریافت که تعداد چرخش های مورد نیاز سیم پیچ اولیه برای مجموعه های هسته E-E14 و E-PLT14 برای سیم پیچی که نمی توان بر اساس یک برد مدار چاپی چند لایه ساخته شود، بسیار زیاد است. بنابراین، ترکیب هسته های E-E18 و E-PLT18 بهترین گزینه به نظر می رسد. گرد کردن نتایج محاسبه برای N1، N2 و NIC به ترتیب اعداد 24، 3 و 3 را به دست می‌دهد.
برای تعیین تلفات در حالت موج القایی مثلثی تک قطبی با فرکانس 120 کیلوهرتز، پیک القای 160 mT و دمای عملیاتی 95 درجه سانتی گراد، از برنامه ای بر اساس بیان (3) استفاده شد. برای فریت های پرقدرت 3C30 و 3C90، تلفات هسته مورد انتظار به ترتیب 385 mW/cm3 و 430 mW/cm3 است.
چگالی اتلاف مجاز در D T=35 درجه سانتیگراد 470 mW/cm3 برای E-PLT18 و 429 mW/cm3 برای E-E18 است (از بیان (1)).
نتیجه این است که فریت های 3C30 و 3C30 را می توان در هر دو ترکیب هسته استفاده کرد. فریت های با کیفیت کمتر با تلفات توان بیشتر باعث افزایش بیش از حد دما می شوند.
24 دور سیم پیچ اولیه را می توان به طور متقارن در 2 یا 4 لایه توزیع کرد. عرض سیم پیچ موجود برای هسته های E-18 4.6 میلی متر است. از اینجا می توان دریافت که گزینه ای با دو لایه 12 چرخشی هر کدام دشوار و در نتیجه گران است. برای این کار باید از مسیرهای بسیار باریک با زمین های بسیار کوچک استفاده کنید. بنابراین گزینه ای با چهار لایه هر کدام 6 دور انتخاب می شود. لایه های کمتر در PCB چند لایه منجر به کاهش هزینه های تولید می شود. بنابراین 3 دور دیگر سیم پیچ اولیه (برای ولتاژ آی سی) و 3 دور سیم پیچ ثانویه و برای هر کدام یک لایه ارائه می دهیم. بنابراین، همانطور که در جدول 3 نشان داده شده است، می توان ساختاری با شش لایه ساخت.
جدول 3. نمونه ای از طراحی ترانسفورماتور شش لایه
| لایه | تعداد دورها | 35 میکرومتر | 70 میکرومتر |
| شابلون | 50 میکرومتر | 50 میکرومتر | |
| اولیه | 6 | 35 میکرومتر | 70 میکرومتر |
| عایق | 200 میکرومتر | 200 میکرومتر | |
| اولیه | 6 | 35 میکرومتر | 70 میکرومتر |
| عایق | 200 میکرومتر | 200 میکرومتر | |
| آی سی اولیه | 3 | 35 میکرومتر | 70 میکرومتر |
| عایق | 400 میکرومتر | 400 میکرومتر | |
| ثانوی | 3 | 35 میکرومتر | 70 میکرومتر |
| عایق | 400 میکرومتر | 400 میکرومتر | |
| اولیه | 6 | 35 میکرومتر | 70 میکرومتر |
| عایق | 200 میکرومتر | 200 میکرومتر | |
| اولیه | 6 | 35 میکرومتر | 70 میکرومتر |
| شابلون | 50 میکرومتر | 50 میکرومتر | |
| جمع | 1710 میکرومتر | 1920 میکرومتر |
بسته به میزان گرمای تولید شده توسط جریان های جاری، می توانید ضخامت ردهای مسی را 35 میکرون یا 70 میکرون انتخاب کنید. فاصله 400 میکرومتر بین لایه های سیم پیچ اولیه و ثانویه برای اطمینان از جداسازی از شبکه لازم است. ترکیب E-PLT18 دارای حداقل پنجره سیم پیچ 1.8 میلی متر است. این برای ضخامت مسیر 35 میکرون کافی است، که ضخامت کلی برد مدار چاپی را در حدود 1710 میکرون نشان می دهد.
برای کاهش هزینه طراحی، فاصله بین مسیرهای 300 میکرومتر را انتخاب کردیم. محاسبه عرض مسیر سیم پیچ ثانویه با استفاده از فرمول (5) نتیجه 1.06 میلی متر را به همراه جدا شدن از شبکه به دست می دهد.
با استفاده از نمودار در شکل. 5 و مقدار مؤثر جریان محاسبه شده (جدول 2) در سیم پیچ ثانویه برابر با 1.6 A، افزایش دما را 25 درجه سانتیگراد برای مسیرهای با ضخامت 35 میکرون و حدود 7 درجه سانتیگراد برای مسیرهای با ضخامت بدست می آوریم. از 70 میکرون
ما فرض کردیم که افزایش دما ناشی از تلفات سیم پیچ تقریباً نیمی از افزایش دما است، در این مورد 17.5 درجه سانتیگراد. بدیهی است که با ضخامت ردیابی 35 میکرون، افزایش دما ناشی از جریان موثر 1.6 A بسیار زیاد خواهد بود، بنابراین باید از ردیابی با ضخامت 70 میکرون استفاده کرد.
عرض مسیرهای پیچ سیم پیچ اولیه را می توان با استفاده از فرمول (5) محاسبه کرد. تقریباً برابر با 416 میکرون خواهد بود. با این عرض مسیر، جریان موثر 0.24 A در سیم پیچ اولیه بعید است که منجر به افزایش دما شود.
از آنجایی که فرکانس 120 کیلوهرتز است، افزایش اضافی در دمای PCB حدود 2 درجه سانتیگراد در مقایسه با وضعیتی که فقط جریان های ثابت جریان دارد، انتظار می رود. افزایش کلی دمای PCB ناشی از جریان تنها زیر 10 درجه سانتیگراد باقی خواهد ماند.
یک PCB شش لایه با ردپای 70 میکرون باید در پارامترهای محاسبه شده عمل کند. ضخامت اسمی PCB حدود 1920 میکرون خواهد بود که به این معنی است که ترکیب استاندارد E-PLT18 W-core و ویفر در این مورد کار نخواهد کرد. می توانید از ترکیب استاندارد E-E18 از دو هسته W شکل با پنجره سیم پیچ 3.6 میلی متری استفاده کنید. با این حال، چنین پنجره سیم پیچ بزرگی در اینجا غیر ضروری به نظر می رسد، بنابراین یک راه حل ظریف تر یک هسته سفارشی با پنجره ای به اندازه حدود 2 میلی متر است.
اندازه‌گیری‌های انجام‌شده بر روی یک طراحی قابل مقایسه با هسته‌ای از دو نیمه فریت 3C90 W شکل، افزایش دمای کلی 28 درجه سانتیگراد را ثبت کردند. این با محاسبات ما مطابقت دارد، که باعث افزایش دما 17.5 درجه سانتیگراد به دلیل تلفات هسته و 10 درجه سانتیگراد به دلیل تلفات سیم پیچ شد.
ارتباط بین سیم پیچ های اولیه و ثانویه خوب است زیرا اندوکتانس نشتی تنها 0.6٪ از اندوکتانس سیم پیچ اولیه است.
مثال 2. ترانسفورماتور جلو
هدف در اینجا طراحی یک ترانسفورماتور رو به جلو با قابلیت انتخاب یکی از چهار نسبت تبدیل است که اغلب در مبدل های DC-DC کم مصرف استفاده می شود. مشخصات مورد نظر در جدول بالا نشان داده شده است.
ابتدا باید بررسی کنید که آیا ترکیبات کوچکترین اندازه هسته از محدوده استاندارد - E-PLT14 و E-E14 - برای این کاربرد مناسب هستند یا خیر. با محاسبه حداکثر چگالی تلفات مجاز در هسته در افزایش دمای 50 درجه سانتیگراد، 1095 میلی‌وات بر سانتی‌متر مکعب برای ترکیب E-E14 از دو هسته W شکل و 1225 میلی‌وات بر سانتی‌متر مکعب برای ترکیب E-PLT14 یک W به دست می‌آید. هسته و صفحه شکل. در مرحله بعد، چگالی تلفات در هسته را با استفاده از فرمول (3) در مورد موج القایی مثلثی تک قطبی با فرکانس 500 کیلوهرتز برای چندین مقدار القای پیک محاسبه می کنیم.
نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهد که در پیک القای مغناطیسی حدود 100 mT، تلفات کمتر از حداکثر مجاز محاسبه‌شده با فرمول (2) است. تعداد چرخش ها و جریان های موثر با استفاده از فرمول های داده شده در جعبه 1 محاسبه می شود. با حداکثر چگالی شار مغناطیسی 100 mT و پارامترهای مشخص شده در بالا، معلوم می شود که در فرکانس 530 کیلوهرتز E-E14 و E-PLT14 ترکیبات برای استفاده مناسب بوده و تعداد دور آن قابل قبول است. نتایج محاسبات در جدول 4 نشان داده شده است.
جدول 4. محاسبه پارامترهای طراحی چند ترانسفورماتور مستقیم
| هسته | وین، وی | ووت، وی | N1 | N2 | L prim، µH | من o(eff.) ، mA | تصویر، mA | من p(eff.) ، mA |
| E-PLT14 | 48 | 5 | 14 | 3,2 | 690 | 2441 | 60 | 543 |
| 48 | 3,3 | 14 | 2,1 | 690 | 3699 | 60 | 548 | |
| 24 | 5 | 7 | 3,2 | 172 | 2441 | 121 | 1087 | |
| 24 | 3,3 | 7 | 2,1 | 172 | 3669 | 212 | 1097 | |
| E-E14 | 48 | 5 | 14 | 3,2 | 855 | 2441 | 48 | 539 |
| 48 | 3,3 | 14 | 2,1 | 855 | 3669 | 48 | 544 | |
| 24 | 5 | 7 | 3,2 | 172 | 2441 | 97 | 1079 | |
| 24 | 3,3 | 7 | 2,1 | 172 | 3669 | 97 | 1080 |
تعیین نهایی چگالی تلفات هسته در دمای عملیاتی 100 درجه سانتیگراد برای شکل موج القایی 530 کیلوهرتز مشخص شده، نتایج 1030 mW/cm3 را برای فریت 3F3 و 1580 mW/cm3 برای فریت 3F4 به دست می‌دهد. بدیهی است که بهترین گزینه 3F3 است. افزایش دما در هسته E-PLT14:
(تراکم تلفات محاسبه شده در 3F3/دانسیته تلفات مجاز) X 1/2DT = (1030/1225) X 25 درجه سانتی گراد = 21 درجه سانتی گراد.
برای ترکیب E-E14 افزایش دما 23.5 درجه سانتیگراد است. سیم پیچ اولیه بسته به ولتاژ ورودی به 7 یا 14 دور نیاز دارد. در مورد یک ترانسفورماتور مستقیم معمولی، تعداد دورهای مشابهی برای سیم پیچ مغناطیسی زدایی (بازیابی) مورد نیاز است. برای اینکه بتوان از 7 یا 14 دور و به همان تعداد دور برای سیم پیچ مغناطیس زدایی استفاده کرد، طرحی با 4 لایه 7 دور هر کدام انتخاب شد. هنگامی که به 7 دور سیم پیچ اولیه و مغناطیس زدایی نیاز است، پیچ های دو لایه به صورت موازی به هم متصل می شوند. این یک اثر اضافی خواهد داشت - نصف کردن چگالی جریان در مسیرهای سیم پیچ.
هنگامی که به 14 دور سیم پیچ اولیه و مغناطیس زدایی نیاز است، پیچ های دو لایه به صورت سری به هم متصل می شوند تا تعداد چرخش های موثر 14 شود.
عرض سیم پیچ موجود برای هسته E-14 3.65 میلی متر است. برای طراحی مقرون به صرفه با فاصله مسیر 300 میکرومتر، عرض مسیر در 7 دور در هر لایه 178 میکرومتر است.
ضخامت مسیرها باید 70 میکرون باشد، زیرا در ولتاژ ورودی 24 ولت جریان موثر در سیم پیچ اولیه حدود 1.09 A خواهد بود. در نتیجه اتصال موازی قطعات سیم پیچ هنگام استفاده از 7 دور) دما 15 درجه سانتیگراد افزایش می یابد. ولتاژ ورودی 48 ولت جریان موثر تقریباً 0.54 آمپر تولید می کند.
در این حالت، سهم تلفات در سیم پیچ در افزایش دمای کلی حدود 14 درجه سانتیگراد با عرض مسیر 178 میکرومتر خواهد بود (14 پیچ به صورت سری متصل می شوند).
عرض مسیر 178 میکرومتر با فاصله 300 میکرومتر برای ضخامت مسیر 70 میکرومتر کمی از قانون کلی ما انحراف دارد (فاصله مسیر و عرض مسیر > 200 میکرومتر). این می تواند منجر به هزینه های کمی بالاتر تولید PCB های چند لایه شود. سیم پیچ ثانویه به 3 یا 2 دور نیاز دارد. هنگامی که یک لایه به هر یک از پیچ ها اختصاص می یابد، عرض مسیر به ترتیب 810 و 1370 میکرومتر است. جریان های ثانویه موثر 2.44 و 3.70 A باعث افزایش دما در سیم پیچ ها تقریباً 25 درجه سانتیگراد می شود که با توجه به افزایش دما در سیم پیچ های اولیه بسیار زیاد است. در این حالت بهترین راه حل استفاده از 2 لایه برای هر دو سیم پیچ خواهد بود. وقتی این لایه ها که هر کدام 3 دور دارند به صورت موازی به هم متصل شوند، چگالی جریان نصف می شود. از شکل 5، می توان تعیین کرد که سهم تلفات سیم پیچ در افزایش دمای کل در این شرایط حدود 6 درجه سانتی گراد خواهد بود. کل افزایش دما در PCB تقریباً 21 درجه سانتیگراد به اضافه افزایش اضافی ناشی از تلفات AC خواهد بود. از آنجایی که فرکانس 500 کیلوهرتز است، لازم است حدود 10 درجه سانتیگراد بیشتر اضافه شود، به این معنی که دمای PCB 31 درجه سانتیگراد افزایش می یابد.
تعداد دور و عرض برای هر لایه از این طرح در جدول 5 آورده شده است. حداقل یک لایه که در جدول به عنوان اضافی نشان داده شده است، برای ایجاد اتصالات ضروری است. با این حال، در مجموع 9 لایه به ما می دهد که از نظر تولید همان 10 لایه (عدد زوج بعدی) است. به همین دلیل، از لایه‌های بالا و پایین PCB به عنوان لایه‌های اضافی استفاده می‌شود - همچنین به این دلیل که مزیت اضافی کاهش تراکم جریان در ردیابی را با ضریب دو فراهم می‌کند. آثار روی این لایه ها از طریق سوراخ های مسی به ردهای لایه داخلی متصل می شوند و ورودی و خروجی سیم پیچ های اولیه و ثانویه را به دو طرف برد مدار چاپی می آورند. بسته به نحوه اتصال ورودی ها و خروجی ها در دو طرف اولیه و ثانویه، 4 مقدار مختلف نسبت تبدیل را می توان به دست آورد.
جدول 5. نمونه ای از طرح 10 لایه
| لایه | تعداد دورها | 70 میکرومتر |
| شابلون | 50 میکرومتر | |
| لایه اضافی | 70 میکرومتر | |
| عایق | 200 میکرومتر | |
| گند زدایی اولیه | 7 | 70 میکرومتر |
| عایق | 200 میکرومتر | |
| اولیه | 7 | 70 میکرومتر |
| عایق | 200 میکرومتر | |
| ثانوی | 3 | 70 میکرومتر |
| عایق | 200 میکرومتر | |
| ثانوی | 2 | 70 میکرومتر |
| عایق | 200 میکرومتر | |
| ثانوی | 2 | 70 میکرومتر |
| عایق | 200 میکرومتر | |
| ثانوی | 3 | 70 میکرومتر |
| عایق | 200 میکرومتر | |
| اولیه | 7 | 70 میکرومتر |
| عایق | 200 میکرومتر | |
| گند زدایی اولیه | 7 | 70 میکرومتر |
| عایق | 200 میکرومتر | |
| لایه اضافی | 70 میکرومتر | |
| شابلون | 50 میکرومتر | |
| جمع: | 2600 میکرومتر |
کل ضخامت اسمی PCB تقریباً 2.6 میلی متر خواهد بود که از پنجره سیم پیچ موجود 1.8 میلی متری ترکیب هسته E-PLT14 بیشتر است. می توان از ترکیب E-E14 استفاده کرد، اما دارای حداقل پنجره سیم پیچ 3.6 میلی متری است - بسیار بزرگتر از آنچه در واقع مورد نیاز است. راه حل موفق تر یک هسته غیر استاندارد با اندازه پنجره کاهش یافته است.
اندازه گیری دمای این PCB با استفاده از ترموکوپل در شرایط مختلف انجام شد. برای تست از گزینه تبدیل 24/5 ولت استفاده کردیم که بالاترین چگالی جریان را می دهد. ابتدا، جریان های مستقیم برابر با جریان های محاسبه شده به طور جداگانه به سیم پیچ های اولیه و ثانویه عرضه شد. جریان مستقیم در سیم پیچ اولیه 1079 میلی آمپر باعث افزایش دما 12.5 درجه سانتیگراد شد و جریان در سیم پیچ ثانویه 2441 میلی آمپر باعث افزایش دما 7.5 درجه سانتیگراد شد. همانطور که انتظار می رفت، هنگامی که هر دو جریان به طور همزمان به PCB اعمال شد، افزایش دما 20 درجه سانتی گراد بود.
روش فوق برای جریانهای متناوب چندین فرکانس با مقادیر مؤثر برابر با مقادیر محاسبه شده تکرار شد. در فرکانس 500 کیلوهرتز، کل افزایش دما در برد مدار چاپی 32 درجه سانتیگراد بود. بیشترین افزایش دمای اضافی (7 درجه سانتیگراد) ناشی از تلفات AC در سیم پیچ های ثانویه مشاهده شد. این منطقی است، زیرا تأثیر اثر پوستی در مسیرهای گسترده سیم پیچ های ثانویه بیشتر از مسیرهای باریک سیم پیچ های اولیه است.
در نهایت، اندازه گیری دما با هسته های استاندارد (ترکیب E-E14) نصب شده بر روی PCB تحت شرایط مربوط به شرایط عملکرد یک ترانسفورماتور مستقیم انجام شد. افزایش دمای برد مدار چاپی 49 درجه سانتیگراد بود. حداکثر نقطه گرمایش هسته در سمت بالایی آن و دمای آن 53 درجه سانتیگراد بود. افزایش دمای 49 درجه سانتی گراد و 51 درجه سانتی گراد به ترتیب در قسمت مرکزی هسته و قسمت بیرونی آن مشاهده شد.
همانطور که محاسبات پیش بینی کردند، این طراحی برای مجموعه دو هسته W شکل تا حدودی حیاتی است، زیرا درجه حرارت در حداکثر نقطه گرمایش در 53 درجه سانتیگراد، که بالای 50 درجه سانتیگراد است، ثبت شده است. با این حال، هنگام استفاده از هسته های W شکل تخت تر (غیر استاندارد)، دما در محدوده قابل قبول است.
در مقاله بعدی به مثالی از محاسبه مبدل DC/DC 25 وات بر اساس ترانسفورماتور مسطح خواهیم پرداخت.
ادبیات
- Mulder S. A. نکته کاربردی در طراحی ترانسفورماتورهای فرکانس بالا با مشخصات پایین. اجزای Ferroxcube. 1990.
- مولدر S. A. فرمول های اتلاف برای فریت های قدرت و استفاده از آنها در طراحی ترانسفورماتور. اجزای فیلیپس 1994.
- Durbaum Th., Albach M. تلفات هسته در ترانسفورماتورها با شکل دلخواه جریان مغناطیسی. EPE سویا. 1995.
- براکمایر A. ارزیابی تجربی تأثیر پیش مغناطیس‌سازی DC بر خواص فریت‌های الکترونیکی قدرت. دانشگاه صنعتی آخن 1995.
- یادداشت فنی Ferroxcube Components. مبدل 25 وات DC/DC با استفاده از مغناطیسی مسطح یکپارچه. 9398 236 26011. 1996.
ترانسفورماتورهای مسطح هستند یک جایگزین عالیترانسفورماتورهای استاندارد و چوک های سیمی. اساس ترانسفورماتورهای مسطح، بردهای مدار چاپی چند لایه هستند.
امروزه توسعه ترانسفورماتورهای مسطح مستلزم استفاده از قطعات با حداقل ابعاد است، زیرا ابعاد الکترونیک دائما در حال کاهش است.
ترانسفورماتورهای قدرت مسطح
طراحی ترانسفورماتورهای قدرت مسطح را می توان با اجزای روی برد مانند تخته تک لایه یا چند لایه کوچک و یا به صورت PCB چند لایه انجام داد.
مزایای ترانسفورماتورهای مسطح:
- دارند اندازه های کوچک;
- دارای ویژگی های درجه حرارت عالی؛
- اندوکتانس نشتی کم دارند.
- دارای تکرارپذیری عالی خواص
با توجه به نسبت بیشتر سطح هسته به حجم آن، مقاومت حرارتی چنین دستگاه هایی می تواند 2 برابر کمتر از ترانسفورماتورهای سیم پیچ معمولی باشد.
شکل 1. طراحی ترانسفورماتورهای مسطح
بنابراین، ترانسفورماتورهای مسطح به دلیل افزایش ظرفیت خنک کنندگی خود، می توانند تراکم توان خروجی بالاتری را تحمل کنند و در عین حال افزایش دما را در محدوده قابل قبول نگه دارند.
ترانسفورماتورهای مسطح مبتنی بر بردهای مدار چاپی چند لایه
در مورد اجزای نیمه هادی، از جمله قطعات غیرفعال، که شامل خازن ها و مقاومت ها می شود، انتخاب بسیار گسترده ای وجود دارد.
با این حال، امروز در مورد ترانسفورماتورهای مسطح صحبت خواهیم کرد.
به طور معمول، در بسیاری از موارد، طراحان از ترانسفورماتورها و چوک های استاندارد استفاده می کنند که سیم پیچ می شوند. اما ترانسفورماتورهای مسطح (PTs) بر اساس تخته های چند لایه را شرح خواهیم داد.
از آنجایی که هزینه بردهای چند لایه کاهش می یابد، ترانسفورماتورهای مسطح به تدریج جایگزین ترانسفورماتورهای معمولی می شوند. به خصوص در مواردی که یک جزء مغناطیسی کوچک مورد نیاز است.
در فناوری تولید ترانسفورماتور مسطح، سیم‌پیچ‌ها به‌وسیله آهنگ‌های روی برد مدار چاپی یا بخش‌هایی از مس پخش می‌شوند که توسط لایه‌های مختلفی از مواد عایق چاپ و جدا می‌شوند.
سیم پیچ ها را می توان از تخته های چند لایه نیز ساخت. آنها بین هسته های کوچک فریت قرار می گیرند.
در مورد طراحی ترانسفورماتورهای مسطح می توان آنها را به چند نوع تقسیم کرد.
- قطعات مسطح نصب شده - آنها به اجزای القایی معمولی نزدیک تر هستند. آنها می توانند قطعات معمولی را روی بردهای مدار چاپی تک لایه یا چند لایه جایگزین کنند. ارتفاع یک جزء مسطح لولایی را می توان با فرو بردن هسته در بریدگی برد مدار چاپی کاهش داد. در این مورد، سیم پیچ باید روی سطح تخته قرار گیرد.
- نوع هیبریدی ترانسفورماتورهای مسطح. این نوع شامل تعبیه بخشی از سیم پیچ ها در مادربرد است. در عین حال، قسمت دیگر سیم پیچ ها روی یک برد مدار چاپی چند لایه قرار دارد که به مادربرد متصل است. اما در آن صورت مادربردباید سوراخ هایی برای هسته فریت داشته باشد.
- سیم پیچ به طور کامل در PCB چند لایه یکپارچه شده است. نیمه های هسته با چسب یا گیره به هم متصل می شوند. این همه به ترجیحات مشتری و سازنده بستگی دارد.
مزایای فناوری مسطح
در مقایسه با سیم پیچی معمولی، فناوری مسطح برای ساخت قطعات مغناطیسی دارای تعدادی مزیت است.
ترانسفورماتورهای مسطح اولین کاربرد خود را در تبدیل توان پیدا کردند. برای این منظور از فریت های فرکانس متوسط و بالا در ترانسفورماتورهای مسطح استفاده شد. می توانید یک ترانسفورماتور مسطح را از سازنده خریداری کنید.
اگر به توسعه ترانسفورماتورهای مسطح سفارشی علاقه مند هستید، می توان با جایگزینی فریت قدرتمند با موادی با نفوذپذیری مغناطیسی بالا، اندوکتانس چوک فیلتر خط را افزایش داد.
در انتقال سیگنال پالسی، یک ترانسفورماتور باند پهن که بین آی سی ژنراتور پالسی و کابل قرار دارد، جداسازی و تطبیق امپدانس را فراهم می کند. در مورد رابط S یا T نیز باید فریت با نفوذپذیری مغناطیسی بالا باشد.
این اختراع مربوط به مهندسی برق و رادیو است و می تواند در ساخت ترانسفورماتور مسطح که برای دستگاه های برقی و مهندسی رادیویی قابل حمل در نظر گرفته شده است استفاده شود. نتیجه فنی- افزایش قابلیت اطمینان عملیاتی بین لایه اتصالات الکتریکیسیم پیچ ترانسفورماتور به دلیل لحیم کاری لنت های تماس سیم پیچ، امکان ساخت پیچ های سیم پیچ با سطح مقطع بزرگ و بر این اساس، با ارزش عالیجریان مجاز، دستاورد مقدار بهینهنسبت تبدیل و بر این اساس، ولتاژ خروجی ترانسفورماتور، امکان ادغام سیم پیچ های ترانسفورماتور در یک برد مدار چاپی چند لایه در طول تولید مشترک آنها. این امر با تولید سیم پیچ چندلایه بر روی سطح یک ماتریس فلزی گالوانوپلاستیک با ساخت متوالی، ابتدا سیم پیچ های یک طرفه با پدهای تماس داخلی و خارجی، سپس بر اساس آنها، سیم پیچ های چاپی دو طرفه که یک چند لایه را تشکیل می دهند، به دست می آید. سیم پیچی. داخلی و خارجی پدهای تماسهمزمان با چرخش سیم‌پیچ‌های یک طرفه با رسوب الکترولیتی مس بر روی نواحی خالی یک ماسک مقاوم به نور که روی سطح ماتریس اعمال می‌شود، تولید می‌شوند. لنت های تماس داخلی سیم پیچ های مجاور با لحیم کاری در ساخت سیم پیچ های دو طرفه و لنت های تماس خارجی پس از قرار دادن سیم پیچ های دو طرفه در یک بسته سیم پیچ چند لایه با لحیم کاری به یکدیگر متصل می شوند. به این ترتیب سیم پیچ اولیه و ثانویه ترانسفورماتور ساخته و به هم چسبانده می شود. سپس سوراخ هایی در سیم پیچ ها بریده می شود که در آن یک هسته فریت نصب شده است و یک ترانسفورماتور مسطح بر اساس یک برد مدار چاپی چند لایه به دست می آید. این روش امکان تولید ترانسفورماتورهای مسطح را بر اساس یک برد مدار چاپی چند لایه با استفاده از یک هسته فریت مینیاتوری از نوع EH/3.5/5 در سیستم E-E و با یک هسته بزرگ از نوع Sh 68/21/50 که بر روی آن استفاده می‌شود، ممکن می‌سازد. مشخصات خروجی ترانسفورماتور را می توان 100 ولت و 100 آمپر با ولتاژ تغذیه 12 ولت به دست آورد. 1 c.p. f-ly, 7 بیمار.
این اختراع مربوط به مهندسی برق و رادیو است و می تواند در دستگاه های برقی و مهندسی رادیویی قابل حمل استفاده شود.
روش ساخت ترانسفورماتور مسطح بر اساس برد مدار چاپی چند لایه می تواند کاربرد گسترده ای پیدا کند. استفاده عملی، در صورتی که اجازه تولید یک برد مدار چاپی چند لایه مادربرد با گذرگاه های بین لایه ای قابل اعتماد، با پیچ های ضخامت زیاد را بدهد که در آن مقطع پیچ با مقادیر بهینه جریان مجاز مطابقت دارد.
روش باید برای تولید انبوه ترانسفورماتورهای مسطح مناسب باشد.
روش شناخته شده ای برای تشکیل اندوکتانس های مسطح وجود دارد که شامل تقسیم سطح یک نوار اصلی نازک، از دو طرف با روکش فویل، به بخش های مستطیلی و استفاده از فوتولیتوگرافی برای اعمال یک الگوی سیم پیچ در هر بخش و روی یک قسمت اضافی است. الگویی از پدهای تماسی را نوار چسب بزنید. لنت های تماس در دو طرف نوار توسط متالیزاسیون شیمیایی و گالوانیکی سوراخ ها به صورت الکتریکی به هم متصل می شوند. سپس با استفاده از اچ شیمیایی، مس از قسمت هایی از سطح نوار فویل که توسط ماسک مقاوم به نور محافظت نمی شود، جدا می شود. در همان زمان، خطوط مرزی بین بخش ها به دست می آید، سپس عناصر فیلم در امتداد خطوط تقسیم خود به یک آکاردئون تا می شوند. فشرده سازی همزمان، در حالی که عناصر یکی بالای دیگری قرار گرفته اند تا سیم پیچ های درون فازی را تشکیل دهند. ابتدا نوارهای اضافی با پدهای تماسی رول می شوند و سپس نوار اصلی جمع می شود. عایق بندی بین عناصر بخش های مجاور در طول فرآیند تا کردن نوارها به یک آکاردئون با اعمال یک پوشش چسب یا واشر اضافی انجام می شود و اندوکتانس مسطح به دست می آید.
معایب این روش شناخته شده عبارتند از: قابلیت اطمینان پایین انتقال بین لایه ای یک سیم پیچ چند لایه، محدودیت ضخامت چرخش سیم پیچ با ضخامت فویل روی دی الکتریک فویل، محل قرارگیری پدهای تماس روی نوارهای اضافی، که چیدمان عناصر سیم پیچ را دشوار می کند و حجم آن را افزایش می دهد.
روشی شناخته شده برای ساخت ترانسفورماتور مسطح بر اساس برد مدار چاپی چندلایه وجود دارد که بر اساس آن سیم پیچ های چاپ شده ترانسفورماتور روی دی الکتریک فویل با حکاکی فویل در مکان هایی که توسط ماسک مقاوم نوری محافظت نمی شود ساخته می شود. سپس سیم پیچ های چاپ شده در یک بسته جمع آوری می شوند. آنها توسط اسپیسرهای چسبی از هم جدا می شوند. سپس کیسه در دمای پخت چسب فشرده می شود. اتصالات الکتریکی بین لایه‌ای بین سیم‌پیچ‌های مجاور در یک سیم‌پیچ چاپی چندلایه با متالیزاسیون شیمیایی-گالوانیکی سوراخ‌های عبوری ایجاد می‌شود. بنابراین، هر دو سیم پیچ اولیه و ثانویه ترانسفورماتور ساخته می شوند. آنها با چسباندن به یکدیگر متصل می شوند. سپس سوراخ هایی در سیم پیچ ترانسفورماتور برای نصب هسته فریت ایجاد می شود. یک هسته فریت در سیم پیچ ترانسفورماتور نصب و محکم می شود و یک ترانسفورماتور مسطح بر اساس یک برد مدار چاپی چند لایه به دست می آید. ضخامت سیم پیچ چند لایه توسط فضای آزاد در هسته فریت محدود می شود. انواع هسته های فریت از نوع مینیاتوری E14/35/5 تا حداکثر 64/10/50 داده شده است. این روش به عنوان نمونه اولیه پذیرفته شده است.
از معایب روش نمونه اولیه می توان به قابلیت اطمینان پایین اتصالات الکتریکی بین لایه ای به دست آمده توسط متالیزاسیون شیمیایی-گالوانیکی سوراخ ها، ضخامت کوچک پیچ های سیم پیچ، که توسط ضخامت فویل روی دی الکتریک فویل محدود می شود، اشاره کرد. این امر دستیابی به چرخش با سطح مقطع بزرگ مورد نیاز در ترانسفورماتورهای مسطح پرقدرت را دشوار می کند جریان مجازبه عنوان مثال، 100A یا بیشتر.
هدف از اختراع ایجاد روشی برای ساخت ترانسفورماتور مسطح بر اساس یک برد مدار چاپی چند لایه با دریچه های بین لایه ای قابل اعتماد و همچنین به دست آوردن پیچ های سیم پیچ با ضخامت زیاد است که امکان به دست آوردن سطح مقطع مورد نیاز را فراهم می کند. چرخش، که در آن مقدار مجاز جریان، به عنوان مثال، 100A یا بیشتر است.
مشکل با این واقعیت حل می شود که در روش شناخته شدهبرای ساخت یک ترانسفورماتور مسطح بر اساس یک برد مدار چاپی چند لایه، پیچ های مسی سیم پیچ ها با پدهای تماسی مطابق با الگوی چاپ شده مقاوم در برابر نور ساخته می شوند که سیم پیچ ها در بخش های مستطیلی جداگانه روی آن قرار دارند. سپس سیم پیچ ها در کیسه ای قرار می گیرند که لنت های چسبی بین سیم پیچ ها قرار داده شده است. کیسه در دمای پخت چسب فشرده می شود. اتصالات الکتریکی بین لایه سیم پیچ ها ایجاد می شود. سیم پیچ های چند لایه اولیه و ثانویه ساخته شده و به هم چسبانده می شوند. سوراخ‌هایی در سیم‌پیچ‌هایی ایجاد می‌شود که یک هسته فریت در آن نصب شده است، مشخصه آن این است که پیچ‌های سیم‌پیچ با لنت‌های تماس داخلی و خارجی با رسوب الکترولیتی مس بر روی سطح یک ماتریس گالوانوپلاستیک فلزی، که از قبل با یک مقاوم نوری پوشش داده شده است، ایجاد می‌شود. ماسک با الگوی مثبت چرخش سیم پیچ و پدهای تماسی، سیم پیچ ها در دو ردیف قرار می گیرند، در حالی که تعداد کلسیم پیچ ها برابر است با تعداد لایه های یک سیم پیچ چند لایه، مس به صورت الکترولیتی روی شکاف های ماسک فوتوریست به ضخامت معین رسوب می کند، سپس ریز زبری روی سطح آن ایجاد می شود، ماسک فوتوریست برداشته می شود و یک واشر چسبنده با پنجره ها روی سطح پیچ های مسی در محل لنت های تماس داخلی و خارجی قرار می گیرد، واشر در دمای پخت چسب به نوبت فشرده می شود و سیم پیچ های چاپی یک طرفه به دست می آید، خمیر لحیم کاری روی سطح اعمال می شود. از لنت های تماس داخلی و دوباره جریان می یابد، سپس ماتریس به دو قسمت تقسیم می شود که روی هر یک از آنها یک ردیف سیم پیچی یک طرفه وجود دارد، پس از آن هر دو قسمت با هم ترکیب می شوند و آنها را در بسته قرار می دهند، در حالی که ابتدا چسب قرار می گیرد. روی سطوح واشر اعمال می شود، سیم پیچ های یک طرفه به هم چسبانده می شوند و سیم پیچ های چاپی دو طرفه به دست می آیند، پس از آن ماتریس از یک طرف بسته جدا می شود، لنت های تماس داخلی لحیم می شوند، کنتاکت های لحیم شده با لاک عایق الکتریکی محافظت می شوند، سپس فقط یکی روی سیم پیچ دو طرفه ماتریس باقی می ماند و بقیه از ماتریس جدا می شوند، آنها به طور متوالی در یک بسته روی سیم پیچ باقی مانده روی ماتریس قرار می گیرند، ابتدا چسب روی ماتریس اعمال می شود. سطح سیم‌پیچ‌ها، لنت‌های تماس خارجی در یک ردیف روی ماتریس قرار می‌گیرند و با لحیم کاری دو به دو به هم متصل می‌شوند که از دومی شروع می‌شود و به ماقبل آخر ختم می‌شود، در این حالت اولین و آخرین لنت تماسی هستند. ابتدا و انتهای سیم پیچ چندلایه که پس از آن لنت های چسب بر روی لنت های تماس بیرونی قرار می گیرد و بسته فشرده می شود، یک سیم پیچ چاپی چند لایه به دست می آید، سیم پیچ های اولیه و ثانویه ترانسفورماتور تولید شده به این روش به هم چسبانده می شوند و پس از آن بسته می شود. دو طرف سیم پیچ ماتریس ها از هم جدا شده و پس از ایجاد سوراخ در سیم پیچ ها و نصب یک هسته فریت، یک ترانسفورماتور مسطح بر اساس یک تخته چند لایه به دست می آید.
این روش با نقاشی ها، شکل های 1-7 نشان داده شده است.
شکل 1 یک ماتریس آلومینیومی را نشان می دهد که سیم پیچی روی آن با پدهای تماسی می چرخد و یک واشر عایق الکتریکی با پنجره ها ساخته شده است. واشر برای انتقال پیچ های مسی روی آن طراحی شده است تا سیم پیچ های یک طرفه را تشکیل دهد.
شکل 2 سیم پیچ های دو طرفه را نشان می دهد که پس از چسباندن سیم پیچ های یک طرفه به دست می آیند
شکل 3 یک سیم پیچ ثانویه چند لایه را نشان می دهد که از چسباندن سیم پیچ های دو طرفه تشکیل شده است.
شکل 4 سیم پیچ اولیه را نشان می دهد.
شکل 5 سیم پیچ ترانسفورماتور را نشان می دهد که پس از چسباندن سیم پیچ های اولیه و ثانویه با سوراخ برای نصب هسته به دست آمده است.
شکل 6 یک ترانسفورماتور مسطح را بر اساس یک برد مدار چاپی چند لایه نشان می دهد.
شکل 7 یک ترانسفورماتور مسطح را نشان می دهد که در یک برد مدار چاپی چند لایه ادغام شده است.
روش به شرح زیر اجرا می شود
پیچ های سیم پیچ مسی با پدهای تماسی با رسوب الکترولیتی مس بر روی سطح یک ماتریس گالوانوپلاستیک فلزی ایجاد می شود. از میان مجموعه وسیعی از ماتریس های گالوانوپلاستیک فلزی، موثرترین ماتریس برای حل مشکل، ماتریس آلومینیومی است. از آنجایی که از یک ماتریس آلومینیومی می توان هادی های مسی چاپ شده را از ماتریس به یک پایه دی الکتریک نازک منتقل کرد. همچنین امکان تخلیه محصولات مسی چاپ شده از ماتریس آلومینیوم وجود دارد. بنابراین، از ماتریس آلومینیومی می توان به طور همزمان پیچ های مسی چاپ شده سیم پیچ ها را به یک اسپیسر دی الکتریک منتقل کرد و پدهای تماس را از ماتریس جدا کرد. به عنوان ماتریس آلومینیوم 1 (شکل 1)، آلیاژ آلومینیوم نورد شده، به عنوان مثال، درجه D16T، با ضخامت 0.1-0.3 میلی متر، استفاده می شود. ماتریس برای پوشش فلز با آندایز کردن در اسید سولفوریک 4N با چگالی جریان 1A/dm2 آماده می شود. مواد ماسک مقاوم به نور بسته به ضخامت پیچ های سیم پیچ تولیدی استفاده می شود. برای پیچ های نازک تا 50 میکرون، می توان از یک فیلم مقاوم به نور استفاده کرد، به عنوان مثال، با نام تجاری SPF-VShch-2-50. برای پیچ های بیش از ضخامت 50 میکرون، از رنگ مقاوم در برابر گالوانیکی استفاده می شود، به عنوان مثال، نام تجاری STZ.13، که با چاپ صفحه اعمال می شود. یک ماسک مقاوم نوری 2 با الگوی مثبت پیچ های سیم پیچ 3 با پدهای تماس داخلی 4 و خارجی 5 روی سطح ماتریس 1 اعمال می شود (شکل 1). الگوی مقاومت نوری ماسک 2 از دو ردیف سیم پیچ 3 تشکیل شده است. تعداد سیم پیچ ها 3 در دو ردیف با تعداد لایه های یک سیم پیچ چندلایه مطابقت دارد. مس به صورت الکترولیتی بر روی نواحی خالی الگوی مقاومت نوری از یک الکترولیت سولفات اسیدی از ترکیب آبکاری مس در گرم در لیتر رسوب می‌کند: سولفات مس - 250، اسید سولفوریک - 70، چگالی جریان 4 A/dm 2، دما 2±20 درجه سانتیگراد. . پس از رسیدن به ضخامت معینی از رسوب مس، رسوب ناهمواری از مس روی سطح آن رسوب می‌کند که هدف آن افزایش استحکام چسبندگی بین پیچ‌های سیم‌پیچ‌ها و اسپیسر دی الکتریک 6 است. رسوب ناهموار در حالت پالس از محلول رسوب می‌کند. از ترکیب در گرم در لیتر: سولفات مس 35-45، اسید سولفوریک 180-200، دما 22-26 درجه سانتی گراد، زمان رسوب 0.5 دقیقه، زمان مکث 0.025 دقیقه، چگالی جریان 6 A/dm 2. مدت زمان رسوب برای دستیابی به یک سطح ناهموار تا مقدار Ra 2 میکرومتر. سپس ماسک مقاوم به نور با حل کردن آن در حلال های مناسب از ماتریس 1 خارج می شود: فیلم مقاوم به نور در محلول قلیایی 5٪ و رنگ مقاوم در برابر گالوانیکی در یک حلال آلی، به عنوان مثال، اتیلن کلرید. پس از آن، یک واشر فایبر گلاس عایق الکتریکی 6، آغشته به چسب چسبنده زیر پلیمریزه شده، با دمای پخت 5 ± 155 درجه سانتیگراد، به عنوان مثال، با نام تجاری SP-1-01، روی کویل های مسی قرار می گیرد. در واشر 6، پنجره های 7 در محل لنت های تماس 4 و 5 بریده شده اند (شکل 1). ضخامت کل واشر 6 باید حداقل دو برابر ضخامت پیچ های 3 باشد ، زیرا هنگام فشار دادن واشرهای 6 به پیچ های مسی 3 ، دومی برای کل ضخامت پیچ در واشر 6 قرار می گیرد. واشرهای 6 در پیچ های 3 در دمای پخت چسب چسب فشرده می شوند. در این حالت سیم پیچ های یک طرفه 8 تشکیل می شود.خمیر لحیم کاری 9 به عنوان مثال درجه PP1 بر پایه لحیم کاری POS-61 با نقطه ذوب 190-230 درجه سانتی گراد روی سطح لنت های تماس داخلی اعمال می شود و خمیر لحیم در دمای 90-100 درجه سانتیگراد دوباره جریان می یابد. سیم پیچ های مجاور 3 در هر ردیف دارای چینش لنت های تماس داخلی 4 هستند که اگر سیم پیچ های مجاور روی هم قرار گیرند، لنت های تماس 4 بر هم منطبق می شوند و امکان اتصال آنها با لحیم کاری وجود دارد. در این حالت، پدهای تماس خارجی 5 سیم پیچ مجاور در فاصله ای برابر با گام بین پیچ های مجاور در سیم پیچ قرار می گیرند. برای ترکیب سیم پیچ های مجاور واقع در دو ردیف و تشکیل سیم پیچ های چاپی دو طرفه، ماتریس 1 به دو قسمت تقسیم می شود که روی هر یک از آنها یک ردیف سیم پیچ یک طرفه 8 وجود دارد. سپس قسمت های تقسیم شده ماتریس 1 قرار می گیرند. در بسته بندی مطابق با محل علامت های مرجع 10 در هر قسمت از ماتریس. بسته با استفاده از واشر 6 (شکل 2) که دارای پنجره های 7 در محل لنت های تماس 5 است، چسبانده شده است. در یک طرف بسته، ماتریس 1 جدا شده است، سپس لحیم کاری انجام می شود. مخاطبین داخلی 4 سیم پیچ مجاور. پس از آن کنتاکت های لحیم شده 4 با لاک عایق الکتریکی 11 پوشانده می شوند، به عنوان مثال، نام تجاری KO-926، و سیم پیچ های چاپی دو طرفه 12 به دست می آید. یک پد چسب 6 اینچ شکل 2 با ضخامت 0.06-0.1 میلی متر قرار می گیرد. روی سیم‌پیچ‌های دو طرفه 12 با پنجره‌های 7 در مکان‌هایی محل پدهای تماس خارجی 5 قرار گرفته و آن را زیر پرس در دمای پخت چسب بچسبانید. سیم پیچ یک طرفه 12 روی ماتریس باقی می ماند و بقیه از ماتریس جدا می شوند و به طور متوالی در کیسه ای بالای سیم پیچ 12 باقی مانده روی ماتریس قرار می گیرند.در این حالت پدهای تماس خارجی 5 در یک ردیف 13 روی ماتریس 1 (شکل 3). لنت های تماس 5 به صورت جفت با لحیم کاری با لحیم کاری با دمای ذوب بالاتر از دمای پخت چسب چسب متصل می شوند، برای مثال لحیم کاری POS-61. لنت ها از تماس دوم شروع شده و به پایان می رسند. در این مورد، اولین و آخرین پدهای تماسی 5 ابتدا و انتهای سیم پیچ چندلایه 14 هستند (شکل 3). تمام ردیف پدهای تماسی 13 با لنت های چسب به سطح ماتریس 1 فشار داده می شود تا به ضخامت بسته سیم پیچ چندلایه 14 برسد. سپس بسته در دمای پخت چسب فشرده می شود و سیم پیچ چندلایه ثانویه 14 به دست می آید. شکل 3). سیم پیچ اولیه 15 به طور مشابه ساخته می شود (شکل 4). سپس سیم پیچ های 14 و 15 زیر یک پرس به هم چسبانده می شوند. ماتریس 1 را از دو طرف سیم پیچ چاپی ترانسفورماتور جدا کنید. سپس سوراخ های 16 در سیم پیچ ترانسفورماتور، لازم برای نصب هسته فریت (شکل 5)، یک هسته فریت 17 در سیم پیچ نصب می شود (شکل 6)، که با صفحه 18 و یک ترانسفورماتور مسطح با چند لایه محکم می شود. برد مدار چاپی 19 بدست می آید.
امکان ادغام یک ترانسفورماتور مسطح 19 در یک برد مدار چاپی چندلایه بر این واقعیت استوار است که فناوری ساخت یک ترانسفورماتور مسطح و یک برد مدار چاپی چند لایه عملیات تکنولوژیکی مشابهی دارد. بنابراین، در ساخت ترانسفورماتور مسطح، سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه چسبانده می‌شوند و در ساخت برد مدار چاپی چندلایه، صفحات خالی از بردهای مدار چاپی یک طرفه یا دو طرفه به هم چسبانده می‌شوند. بنابراین، پیشنهاد می‌شود که سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور و صفحات مدار چاپی چند لایه به طور همزمان چسبانده شوند. ویژگی متمایزچنین چسبانی به این صورت است که قبل از جدا شدن سیم پیچ ها از ماتریس انجام می شود (شکل 3 و شکل 4). بنابراین، سطح سیم پیچ ها از اثرات محلول های تهاجمی محافظت می شود که پس از چسباندن صفحات مدار چاپی چند لایه در فرآیند ساخت اتصالات بین لایه ای متالیزاسیون شیمیایی-گالوانیکی و همچنین هنگام ایجاد توپولوژی مس استفاده می شود. هادی های چاپ شده بر روی لایه های بیرونی توسط اچ شیمیایی دی الکتریک فویل. پس از اتمام ساخت یک برد مدار چاپی چند لایه، ماتریس ها از سطح سیم پیچ ها جدا می شوند. سوراخ هایی در سیم پیچ ها ایجاد می شود که یک هسته فریت 17 در آن نصب شده است (شکل 7). شکل 7 یک برد مدار چاپی چند لایه را نشان می دهد که یک ترانسفورماتور مسطح در آن یکپارچه شده است. همانطور که مشاهده می شود، سیم پیچ های ترانسفورماتور 14 و 15، و همچنین صفحات مدار چاپی چند لایه 21 و 22، با یک واشر 20 به هم چسبانده شده اند. در نتیجه، ترانسفورماتور مسطح 19 بر اساس برد مدار چاپی چند لایه 14 و 15 در برد مدار چاپی چند لایه 23 ادغام شده است.
بنابراین، روش توسعه‌یافته امکان تولید یک ترانسفورماتور مسطح بر اساس یک برد مدار چاپی چند لایه با قابلیت اطمینان عملیاتی بالا را فراهم می‌کند، زیرا اتصالات الکتریکی بین لایه‌ای با لحیم کاری پدهای تماس سیم‌پیچ‌های مجاور انجام می‌شود. علاوه بر این، این روش امکان تولید کویل هایی با ضخامت زیاد را فراهم می کند. این روش تعداد سیم پیچ های دو طرفه قرار داده شده در یک بسته را هنگام تشکیل یک سیم پیچ چند لایه محدود نمی کند، بنابراین می توان به نسبت تبدیل بهینه دست یافت. این روش برای تولید انبوه مناسب است، زیرا عملیات تکنولوژیکی اصلی این روش را می توان بر روی تجهیزات با کارایی بالا که توسط شرکت های صنعتی تسلط دارند انجام داد، یعنی: اعمال یک الگوی مقاوم به نور به ماتریس با استفاده از فوتولیتوگرافی، رسوب الکترولیتی مس بر روی مناطق خالی الگوی مقاومت نوری با تشکیل پیچ های مسی و پدهای تماسی، تشکیل تخته های مدار چاپی یک طرفه با انتقال مس مدار چاپیبر روی یک پایه عایق الکتریکی، تشکیل یک برد مدار چاپی چند لایه بر اساس بردهای مدار چاپی یک طرفه و دو طرفه. علاوه بر این، روشی برای ادغام یک ترانسفورماتور مسطح در یک برد مدار چاپی چند لایه در طول تولید مشترک آنها ایجاد شده است.
روش به شرح زیر انجام می شود.
مثال 1. یک ترانسفورماتور مسطح بر اساس یک برد مدار چاپی چند لایه با یک هسته فریت مینیاتوری از نوع E 14/3.5/5 ساخته می شود که در آن فضای آزاد برای قرار دادن سیم پیچ چند لایه 4 × 2 میلی متر است که در آن 4 میلی متر است. عرض فضای خالی، و 2 میلی متر ارتفاع است. سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور توسط یک منبع جریان با ولتاژ 3 ولت تغذیه می شود. جریان مجاز در یک پیچ سیم پیچ ثانویه 0.25A است. سطح مقطع مورد نیاز پیچ های سیم پیچ ثانویه را بر اساس مقدار جریان مجاز عبور از هادی مسی چاپ شده که با رسوب گالوانیکی مس و برابر با 20 A/mm 2 است تعیین می کنیم. سطح مقطع پیچ مسی سیم پیچ ثانویه با جریان مجاز 0.25 A معادل 0.0125 میلی متر مربع است. سپس با عرض پیچ سیم پیچ ثانویه برابر با 0.25 میلی متر مربع، ضخامت پیچ 0.05 میلی متر است.
تعداد لایه های سیم پیچی را که می توان با توجه به ارتفاع فضای آزاد هسته، برابر با 2 میلی متر مرتب کرد، تعیین می کنیم. در فضای آزاد هسته لازم است سیم پیچ های اولیه و ثانویه ترانسفورماتور قرار گیرند که با واشر چسب به یکدیگر متصل می شوند. در این مورد، می توان فضای آزاد هسته را توزیع کرد: سیم پیچ اولیه - 0.6 میلی متر، ثانویه - 1.2 میلی متر، فاصله دهنده چسب - 0.2 میلی متر.
پیچ های مسی 3 که روی ماتریس 1 رسوب کرده اند، در واشر عایق الکتریکی 6 تا کل ضخامت پیچ 3 فشرده می شوند. بنابراین، ضخامت واشر 6 باید حداقل دو ضخامت پیچ 3 داشته باشد. ضخامت یک دور سیم پیچ ثانویه برابر با 0.05 میلی متر، ضخامت واشر باید برابر با 0.2 میلی متر باشد. بنابراین، ضخامت یک لایه سیم پیچ 0.2 میلی متر است. بنابراین تعداد لایه ها در سیم پیچ ثانویه با ضخامت 1.2 میلی متر شش لایه است. با شش لایه در سیم پیچ ثانویه و شش دور در یک لایه سیم پیچ، تعداد دور در سیم پیچ ثانویه سی و شش است. وقتی تعداد دورهای سیم پیچ اولیه 4 باشد، نسبت تبدیل 9 است. با ولتاژ ورودی سیم پیچ اولیه برابر با 3 ولت، ولتاژ خروجی سیم پیچ ثانویه زمانی که ترانسفورماتور بیکار است 27 ولت است. .
برای ساخت سیم پیچ ثانویه، شش لایه سیم پیچ با پدهای تماسی بر روی سطح ماتریس آلومینیومی ساخته می شود. آنها در دو ردیف با سه سیم پیچ در هر ردیف مرتب شده اند (شکل 1). هر سیم پیچ از 3 دور، 4 لنت تماس داخلی و 5 پد تماس خارجی تشکیل شده است که سطح قالب مورد نیاز برای ساخت 6 سیم پیچ از اندازه سطح مورد نیاز برای یک سیم پیچ معادل 14×18 میلی متر و فاصله بین سیم پیچ ها برابر با 30 تعیین می شود. میلی متر سطح روی ماتریس در نظر گرفته شده برای ساخت سیم پیچ ثانویه 58 × 145 میلی متر است. یک الگوی مقاوم نوری مثبت از شش سیم پیچ با پدهای تماسی با استفاده از فوتولیتوگرافی با استفاده از فیلم مقاوم به نور با نام تجاری SPF-VShch-2-50 روی سطح ماتریس اعمال می شود. مس از یک الکترولیت سولفات مس اسیدی با ضخامت 0.05 میلی‌متر به صورت الکترولیتی در نواحی شکاف الگوی مقاوم به نور رسوب می‌کند، سپس یک رسوب مس ناهموار از یک الکترولیت سولفات مس خالی از محتوای مس در حالت پالسی به صورت الکترولیتی رسوب می‌کند. سپس فیلم مقاوم به نور در یک محلول قلیایی ضعیف برداشته می شود. یک واشر فایبر گلاس 6 با ضخامت 0.2 میلی متر آغشته به چسب ترموست بر روی پیچ های مسی سیم پیچ ها قرار می گیرد. ابتدا پنجره های 7 در واشر در محل لنت های تماسی 4 و 5 بریده می شوند. پیچ های 3 سیم پیچ به داخل واشر فشار داده می شود و شش سیم پیچ یک طرفه 8 به دست می آید. خمیر لحیم کاری 9 روی لنت های تماس 4 و خمیر در دمای 90-100 درجه سانتیگراد ذوب می شود.
ماتریس 1 به دو بخش تقسیم می شود که هر بخش دارای یک ردیف سیم پیچ است. سپس، مطابق با علامت های مرجع 10، بخش های جدا شده از ماتریس ها در یک بسته (شکل 2) به گونه ای قرار می گیرند که لنت های تماس داخلی 4 سیم پیچ های مجاور برای اتصال بیشتر توسط لحیم کاری، و تماس خارجی منطبق شوند. پدهای 5 در نزدیکی و در فاصله ای مطابق با زمین بین پیچ ها قرار دارند (شکل 2). هر دو نیمه ماتریس 1 زیر یک پرس در دمای پخت چسب به هم چسبانده می شوند. سپس ماتریس تنها از یک طرف بسته جدا می شود. سپس لنت های تماس داخلی 4 سیم پیچ مجاور لحیم می شوند. کنتاکت های لحیم شده 4 با لاک عایق الکتریکی 11 محافظت می شوند و سه سیم پیچ دو طرفه 12 روی ماتریس 1 به دست می آیند. روی سطح تمام سیم پیچ ها 12، یک واشر 6 اینچی با ضخامت 0.1 میلی متر با پنجره 7 زیر یک چسب چسبانده شده است. در محل پدهای تماس 5 فشار دهید (شکل 2).
پس از آن، یک سیم پیچ دو طرفه 12 روی ماتریس 1 باقی می ماند و دو سیم پیچ دو طرفه از ماتریس جدا می شود. آنها به صورت متوالی در یک بسته با یک لایه چسب میانی روی سیم پیچ 12 باقی مانده روی ماتریس قرار می گیرند.در این مورد، پدهای تماس خارجی 5 هر سیم پیچ 12 در یک ردیف 13 روی ماتریس 1 قرار می گیرند (شکل 3). لنت های تماس 5 به صورت جفت با لحیم کاری با لحیم کاری با دمای ذوب بالاتر از دمای پخت چسب چسب متصل می شوند. اتصالات لحیم کاری دوتایی با کنتاکت دوم 5 شروع می شود و با کنتاکت ماقبل آخر 5 در ردیف 13 خاتمه می یابد. در این حالت اولین و آخرین لنت تماس ابتدا و انتهای سیم پیچ چندلایه ثانویه 14 هستند. سپس لنت های تماس 13 فشار داده می شوند تا ماتریس 1 با یک پد چسب. یک واشر تراز کننده روی آن قرار می گیرد تا به ضخامت بسته 14 برسد. پس از آن بسته در دمای پخت چسب فشرده می شود و یک سیم پیچ چندلایه ثانویه ترانسفورماتور مسطح به دست می آید که روی ماتریس 1 قرار دارد، شکل. 3.
سیم پیچ اولیه ترانسفورماتور مسطح نیز به همین ترتیب ساخته می شود. ضخامت کل سیم پیچ اولیه 0.6 میلی متر است. سیم پیچ اولیه از دو لایه تشکیل شده است. ضخامت لایه سیم پیچ 0.3 میلی متر است. این امکان تولید چرخش سیم پیچ اولیه با ضخامت 0.1 میلی متر یا بیشتر را فراهم می کند. عرض فضای آزاد در هسته 4 میلی متر است و باید دو پیچ سیم پیچ اولیه در آن قرار داده شود، بنابراین با در نظر گرفتن فاصله بین پیچ ها، عرض پیچ می تواند برابر با 1 میلی متر باشد. همچنین برابر با 1 میلی متر است. سطح مقطع پیچ های سیم پیچ اولیه برابر با 0.1 میلی متر مربع است که مطابق با جریان مجاز در پیچ های سیم پیچ اولیه برابر با 2.5 A است. سطح هر سیم پیچ 14 × 18 میلی متر است. برای ساخت دو سیم پیچ یک طرفه از ماتریس آلومینیومی 1 به ابعاد 110×60 میلی متر استفاده می شود. رنگ مقاوم در برابر گالوانو به عنوان یک ماسک مقاوم به نور استفاده می شود که با چاپ صفحه اعمال می شود. سپس پیچ های مسی سیم پیچ ها به صورت الکترولیتی به ضخامت 0.1 میلی متر افزایش می یابد. لنت های تماس 4 سیم پیچ مجاور با لحیم کاری به هم متصل می شوند. دو کنتاکت خارجی 5 به عنوان ابتدا و انتهای سیم پیچ اولیه عمل می کنند (شکل 4). سپس سیم پیچ های 14 ثانویه و 15 اولیه در بسته ای با واشر میانی به ضخامت 0.2 میلی متر قرار می گیرند. سیم پیچ ها تحت فشار در دمای پخت چسب چسبانده می شوند. ماتریس های 1 را از دو طرف سیم پیچ ترانسفورماتور جدا کنید. سوراخ 16 (شکل 5) برای هسته 17 بریده شده است (شکل 6). هسته 17 نوع E 14/3.5/5 را نصب کنید. با صفحه 18 ثابت می شود و یک ترانسفورماتور مسطح بر اساس یک برد مدار چاپی چند لایه 19 با ولتاژ ورودی 3 ولت و ولتاژ خروجی 27 ولت به دست می آید.
مثال 2. پارامترهای یک هسته فریت مناسب برای یک ترانسفورماتور مسطح مبتنی بر یک برد مدار چاپی چند لایه با ولتاژ کاری 100 ولت و جریان بار کوتاه مدت 100 آمپر تعیین می شود. ترانسفورماتور توسط یک منبع جریان با ولتاژ 12 ولت. ترانسفورماتور مسطح طبق روش مثال 1 ساخته شده است.
تعیین اندازه فضای آزاد در هسته فریت ضروری است که می تواند سیم پیچ های اولیه و ثانویه ترانسفورماتور و فاصله دهنده چسب بین آنها را در خود جای دهد.
اندازه سیم پیچ های ثانویه و اولیه ترانسفورماتور را تعیین کنید. با دانستن مقدار ولتاژ خروجی ترانسفورماتور و مقدار ولتاژ تغذیه، نسبت تبدیل را برابر با 8 تعیین می کنیم. فرض می کنیم که تعداد دور سیم پیچ اولیه چهار است، سپس تعداد دور سیم پیچ ثانویه است. سی و دو است. سطح مقطع سیم پیچ ثانویه باید با مقدار جریان کوتاه مدت 100 A مطابقت داشته باشد. در جریان 100 A، سطح مقطع پیچ باید 2.5 میلی متر مربع باشد. بنابراین با عرض سیم پیچ 3 میلی متر ضخامت آن 0.83 میلی متر است. فاصله بین پیچ ها نیز 3 میلی متر است، بنابراین هر پیچ به فضایی به عرض 6 میلی متر نیاز دارد. با چهار چرخش در یک لایه سیم پیچ، عرض فضای آزاد در هسته 24 میلی متر مورد نیاز است.
از آنجایی که در سیم پیچ ثانویه سی و دو پیچ وجود دارد، می توان آنها را در هشت لایه سیم پیچ، چهار دور در هر سیم پیچ مرتب کرد.
ارتفاع مورد نیاز فضای آزاد در هسته با مجموع ضخامت های سیم پیچ اولیه و ثانویه و ضخامت فاصله دهنده چسب تعیین می شود. ضخامت سیم‌پیچ ثانویه با مجموع هشت ضخامت واشرهایی که پیچ‌های مسی سیم‌پیچ‌ها در آن فشرده می‌شوند، تعیین می‌شود. با ضخامت کویل مسی 0.83 میلی متر، ضخامت واشر 2 میلی متر است. سپس ضخامت سیم پیچ ثانویه 16 میلی متر است.
ضخامت سیم پیچ اولیه را تعیین کنید. عرض فضای آزاد در هسته برای سیم پیچ های ثانویه و اولیه یکسان و برابر با 24 میلی متر است. سیم پیچ اولیه شامل چهار چرخش در دو لایه است. بنابراین، در یک لایه سیم پیچ دو پیچ با عرض پیچ 6 میلی متر وجود دارد که فاصله بین پیچ ها نیز 6 میلی متر است. با ضخامت کویل 0.5 میلی متر، ضخامت واشر 2 میلی متر است. سپس ضخامت سیم پیچ اولیه 4 میلی متر است. اگر ضخامت لنت چسب 0.2 میلی متر باشد، ارتفاع کل فضای آزاد در هسته برای قرار دادن سیم پیچ ترانسفورماتور باید 20.2 میلی متر باشد. بنابراین، یک هسته فریت با فضای آزاد 24x20.2 میلی متر برای یک ترانسفورماتور مسطح با قدرت بالا مناسب است.
ما ابعاد هسته فریت W شکل را تعیین می کنیم (شکل 6). طول هسته فریت W شکل شامل دو بخش برای قرار دادن سیم پیچ چاپی چند لایه ترانسفورماتور است که در دو طرف میله مرکزی قرار دارد، شکل 6. با عرض میله مرکزی 10 میلی متر و میله های جانبی 5 میلی متر، طول کل ترانسفورماتور مسطح (24×2)+10+(5×2)=68 میلی متر است. ارتفاع یک هسته فریت شامل ارتفاع فضای آزاد هسته و ضخامت قسمت اصلی هسته است که میله های مرکزی و جانبی از آن خارج می شوند. با ارتفاع فضای آزاد هسته برابر با 20.2 میلی متر، ضخامت قسمت اصلی هسته برابر با 6 میلی متر، ارتفاع هسته فریت 26.2 میلی متر است.
بنابراین، هسته فریت W شکل برای یک ترانسفورماتور مسطح قدرتمند با ولتاژ خروجی 100 ولت و جریان 100 A، که توسط منبع جریان 12 ولت تغذیه می شود، دارای ابعاد 68/26.2/50 میلی متر است. هنگام استفاده از یک هسته نوع E برای یک سیستم E-E، هسته از نوع E68/13.1/50 خواهد بود.
مثال 3. یک برد مدار چاپی چند لایه با یک ترانسفورماتور مسطح یکپارچه در آن ساخته می شود.
یک برد مدار چاپی چند لایه با استفاده از روش پرس جفتی ساخته می شود. چرا دو کاغذ خالی از فویل دی الکتریک در هر دو طرف بگیرید. بر داخلهر قطعه کار با توپولوژی مدار چاپی مسی با اچ کردن فویل در مناطقی که توسط ماسک مقاوم به نور محافظت نمی شود ایجاد می شود. سپس در هر قطعه کار سوراخ هایی ایجاد می شود و فلزی شدن آنها با رسوب شیمیایی-گالوانیکی مس انجام می شود. پس از این، قطعات کار به هم چسبانده می شوند.
با استفاده از فناوری مثال 1، سیم پیچ اولیه 15 و سیم پیچ ثانویه 14 بر روی ماتریس 1 ساخته شده است (شکل 3 و شکل 4) که در معرض چسباندن نیز هستند. یک پد فایبرگلاس 20 (شکل 7) آغشته به چسب را بردارید که در دو طرف آن صفحات مدار چاپی چندلایه 21 و 22 و همچنین سیم پیچ های 14 و 15 گذاشته شده است. بسته در دمای پخت پرس می شود. چسب. سپس ساخت برد مدار چاپی چندلایه 23 به پایان می رسد، که برای آن سوراخ هایی برای ایجاد گذرگاه های بین لایه ای ایجاد می شود و آنها در معرض متالیزاسیون شیمیایی-گالوانیکی قرار می گیرند. سپس توپولوژی مدار چاپی مسی بر روی لایه‌های بیرونی برد با حکاکی فویل در مناطقی که توسط ماسک مقاوم به نور محافظت نمی‌شوند ایجاد می‌شود. در فرآیند تکمیل ساخت برد مدار چاپی چند لایه، سیم‌پیچ‌های 14 و 15 ترانسفورماتور مسطح توسط ماتریس 1 از اثرات محلول‌های تهاجمی محافظت می‌شوند. پس از تکمیل ساخت برد چند لایه 23، ماتریس‌ها از هم جدا می‌شوند. از سیم پیچ های 14 و 15، سوراخ هایی برای نصب هسته فریت 17 ایجاد می شود. هسته فریت 17 نصب می شود، یک صفحه فریت 18 به آن متصل می شود. یک ترانسفورماتور مسطح 19 به دست می آید که در یک برد مدار چاپی چند لایه 23 ادغام شده است.
نتیجه فنی
روش پیشنهادی امکان تولید یک ترانسفورماتور مسطح با قابلیت اطمینان عملیاتی بالا را فراهم می کند، زیرا اتصالات بین لایه ای یک سیم پیچ چاپی چندلایه با لحیم کردن پدهای تماس با استفاده از لحیم نسوز به دست می آید. این روش امکان تولید پیچ های سیم پیچی با ضخامت زیاد و در نتیجه با مقدار عرضی زیاد پیچ و در نتیجه با جریان مجاز زیاد در پیچ را فراهم می کند.
عدم وجود محدودیت در تعداد سیم پیچ های دو طرفه که سیم پیچ های چند لایه از آنها ساخته می شود، امکان پر کردن کامل فضای آزاد هسته و دستیابی به تعداد بهینه چرخش در یک سیم پیچ چند لایه را فراهم می کند.
این روش امکان ادغام یک ترانسفورماتور مسطح را در یک برد مدار چاپی چند لایه در طول تولید مشترک آنها فراهم می کند. بر اساس روش پیشنهادی، امکان تولید انبوه ترانسفورماتورهای مسطح بر اساس برد مدار چاپی چند لایه وجود دارد.
منابع اطلاعاتی
1. روش تشکیل سلف های مسطح. چکیده اختراع روسی، درخواست 93006715/07 مورخ 03.02.1993، انتشار 20.04.1995.
2. ترانسفورماتور مسطح مبتنی بر مدار چاپی چند لایه. اجزا و فناوری ها 1382، شماره 6»، صص 106-112. نمونه اولیه.
3. آبکاری. م.: متالورژی، 1366، صص 572-573.
6. تکنولوژی برد مدار چاپی چند لایه. م.: رادیو و ارتباطات، 1369، ص 63، 74.
7. تکنولوژی برد مدار چاپی چند لایه. م.: رادیو و ارتباطات، 1369، ص46.
8. تکنولوژی برد مدار چاپی چند لایه. م.: رادیو و ارتباطات، 1369، ص38.
9. نصب سطحی. م.: مؤسسه انتشارات استاندارد، 1370، ص28.
10. کتابچه راهنمای مواد الکتریکی. م.: انرژی، 1974، ص253.
11. فدولووا A.A. بردهای مدار چاپی چند لایه. م.: رادیو شوروی، 1977، ص 183-193.
12. آرنکوف A.B. عناصر چاپی و فیلم تجهیزات رادیویی الکترونیکی. ل: انرژی، 1971، ص19.
1. روشی برای ساخت ترانسفورماتور مسطح بر اساس یک برد مدار چاپی چند لایه، شامل ساخت پیچ های مسی سیم پیچ ها با پدهای تماسی مطابق با الگوی چاپ شده مقاوم در برابر نور، که روی آن سیم پیچ ها در بخش های مستطیلی جداگانه قرار می گیرند، سپس سیم پیچ ها. در بسته ای قرار می گیرند که لنت های چسبی بین سیم پیچ ها قرار داده شده است، فشار دادن بسته در دمای پخت چسب انجام می شود، اتصالات الکتریکی بین لایه سیم پیچ ها ایجاد می شود، سیم پیچ های چندلایه اولیه و ثانویه ساخته می شوند و آنها را به هم می چسبانیم، سوراخ هایی در سیم پیچ ها ایجاد می کنیم که در آنها ایجاد شود. یک هسته فریت نصب شده است، مشخصه آن این است که چرخش سیم‌پیچ‌ها با لنت‌های تماس داخلی و خارجی با رسوب الکترولیتی مس بر روی سطح یک ماتریس گالوانوپلاستیک فلزی ایجاد می‌شود که از قبل با یک ماسک مقاوم به نور با الگوی مثبت پوشش داده شده است. به دور سیم پیچ ها و پدهای تماسی، سیم پیچ ها در دو ردیف قرار می گیرند که تعداد کل سیم پیچ ها برابر با تعداد لایه های یک سیم پیچ چند لایه است؛ مس به صورت الکترولیتی روی نواحی شکاف ماسک مقاوم به نور به ضخامت معینی رسوب می کند. میکرو زبری روی سطح آن ایجاد می شود، ماسک مقاوم به نور برداشته می شود و یک واشر چسبدار با پنجره ها روی سطح پیچ های مسی در محل لنت های تماس داخلی و خارجی قرار می گیرد، واشر به پیچ های چسب فشار داده می شود. دمای پخت و سیم‌پیچ‌های چاپی یک طرفه به دست می‌آید، روی سطح خمیر لحیم کاری پدهای تماس داخلی اعمال می‌شود و جریان مجدد آن انجام می‌شود، سپس ماتریس به دو قسمت تقسیم می‌شود که روی هر یک از آنها یک ردیف از یک ردیف وجود دارد. سیم‌پیچ‌های یک‌طرفه، پس از آن هر دو قسمت با هم ترکیب می‌شوند، آنها را در کیسه‌ای قرار می‌دهیم، در حالی که ابتدا روی سطوح واشرها چسب زده می‌شود، سیم‌پیچ‌های یک طرفه به هم می‌چسبند و سیم‌پیچ‌های چاپی دو طرفه به دست می‌آیند و پس از آن ماتریس می‌شود. از یک طرف بسته جدا می شود ، لنت های تماس داخلی لحیم می شوند ، کنتاکت های لحیم شده با لاک عایق الکتریکی محافظت می شوند ، سپس فقط یک سیم پیچ دو طرفه روی ماتریس باقی می ماند و بقیه از ماتریس جدا می شوند. آنها به طور متوالی در بسته بندی روی سیم پیچی که روی ماتریس باقی مانده است قرار می گیرند ، ابتدا چسب روی سطح سیم پیچ ها اعمال می شود ، لنت های تماس خارجی در یک ردیف روی ماتریس قرار می گیرند و با لحیم کاری به صورت جفت وصل می شوند ، از دومی شروع می شود. و به ماقبل آخر ختم می شود، در حالی که اولین و آخرین پدهای تماسی ابتدا و انتهای سیم پیچ چندلایه هستند، پس از آن پدهای تماس خارجی با پدهای چسبی گذاشته شده و بسته فشرده می شود، یک سیم پیچ چاپی چند لایه به دست می آید، سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه ترانسفورماتور به این ترتیب ساخته می‌شوند، به هم چسبانده می‌شوند، پس از آن ماتریس‌ها از دو طرف سیم‌پیچ جدا می‌شوند و پس از ایجاد سوراخ در سیم‌پیچ‌ها و نصب یک هسته فریت، یک ترانسفورماتور مسطح بر اساس تخته چند لایه به دست می‌آید.
2. روش طبق ادعای 1، مشخص می شود که چسباندن سیم پیچ های اولیه و ثانویه ترانسفورماتور مسطح به طور همزمان با چسباندن لایه های خالی لایه های برد مدار چاپی چند لایه با استفاده از یک واشر مشترک انجام می شود، سپس تولید بیشتر برد مدار چاپی چندلایه با تشکیل توپولوژی مدار مسی با اچ دی الکتریک فویل و ایجاد اتصالات الکتریکی بین لایه ای توسط متالیزاسیون شیمیایی-گالوانیکی انجام می شود، در طی این عملیات سیم پیچ های ترانسفورماتور از اثر محلول های تهاجمی محافظت می شوند. یک ماتریس؛ پس از ساخت یک برد مدار چاپی چند لایه، ماتریس ها از سطح سیم پیچ ها جدا شده، سوراخ هایی در آنها ایجاد می شود، یک هسته فریت نصب می شود و یک ترانسفورماتور مسطح ادغام شده در برد مدار چاپی چند لایه به دست می آید.
اختراعات مشابه:
این اختراع مربوط به مهندسی برق و رادیو است و می تواند در ساخت ترانسفورماتور مسطح که برای دستگاه های برقی و مهندسی رادیویی قابل حمل در نظر گرفته شده است استفاده شود.
