روشی برای ساخت ترانسفورماتور مسطح بر اساس برد مدار چاپی چند لایه. ترانسفورماتورها و چوک های پلانار پیتون (2005)

در مقاله قبلی به مزایای استفاده از ترانسفورماتورهای مسطح در دستگاه های کوچک و متحرک پرداخته شد. 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 خارج از قفسه، به عنوان مجموعه ای از PCB های تک لایه یا یک برد چند لایه کوچک، یا در یک PCB چند لایه منبع تغذیه تعبیه کرد.

مزایای مهم اجزای مغناطیسی مسطح عبارتند از:

• اندازه بسیار کوچک؛
• ویژگی های دمایی عالی؛
• اندوکتانس نشتی کم؛
• تکرارپذیری عالی خواص

اندازه‌گیری پارامترهای عملیاتی ترانسفورماتورهای مسطح با هسته‌های W شکل و سیم‌پیچ‌هایی 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 بیشتر سطح هسته به حجم آن است. بنابراین، با افزایش ظرفیت خنک‌کننده، ترانسفورماتورهای مسطح می‌توانند با چگالی توان توان عملیاتی بالاتر کنار بیایند در حالی که افزایش دما را در محدوده قابل قبول نگه می‌دارند.

این بروشور روشی سریع و آسان برای طراحی ترانسفورماتورهای قدرت مسطح را شرح می دهد و نمونه هایی از دستگاه های طراحی شده با این روش را ارائه می دهد.

نتایج آزمایش آنلاین نشان می دهد که افزایش دمای اندازه گیری شده با داده های محاسبه شده مطابقت خوبی دارد.

برنج. 1. نمای انفجاری ترانسفورماتور مسطح

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. این رشد نباید از حد مجاز تجاوز کند تا از آسیب به ترانسفورماتور یا بقیه مدار جلوگیری شود. در تعادل حرارتی، مقدار کل تلفات در ترانسفورماتور Ptrafo به افزایش دمای ترانسفورماتور D T با نسبتی شبیه به قانون اهم مرتبط است:

که در آن R T مقاومت دمایی ترانسفورماتور است. در واقع، P trafo را می توان به عنوان ظرفیت خنک کننده یک ترانسفورماتور در نظر گرفت.

یک فرمول تجربی می تواند ایجاد شود که به طور مستقیم مقدار مقاومت حرارتی ترانسفورماتور را به حجم مغناطیسی موثر V e هسته فریت مورد استفاده مرتبط می کند. این قانون کلی 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، افزایش دمای ترانسفورماتور را می توان 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 از بالاترین مقادیر چگالی شار ممکن استفاده شود.

با فرض اینکه نیمی از کل تلفات ترانسفورماتور تلفات هسته باشد، حداکثر اتلاف هسته هسته P را می توان تابعی از افزایش دمای مجاز ترانسفورماتور به صورت زیر بیان کرد:

از دست دادن توان در فریت‌های ما به عنوان تابعی از فرکانس (f، هرتز)، القای مغناطیسی اوج (B، T) و دما (T، ° C) اندازه‌گیری شد. چگالی تلفات هسته را می توان به طور تقریبی 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 مواد هستند. ابعاد آنها به گونه ای انتخاب می شوند که در دمای 100 درجه سانتیگراد مقدار CT برابر با 1 باشد.

جدول 1 مقادیر پارامترهای ذکر شده در بالا را برای چندین درجه از فریت های قدرتمند 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 فرمول (2) محاسبه می شود. سپس این مقدار با معادله (3) جایگزین می شود. اکنون می توانید حداکثر چگالی شار مغناطیسی مجاز Bpeak را با بازنویسی معادله (3) به صورت زیر محاسبه کنید:

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 موج 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 اتلاف را با در نظر گرفتن حالت واقعی B محاسبه کنید و همچنین درجه فریت بهینه 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 توجه به فرمول های شناخته شده، از جمله توپولوژی مبدل و نوع ترانسفورماتور (به عنوان مثال، حرکت 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 مسیرها باعث افزایش دمای PCB می شود. برای ملاحظات انتشار گرما، توصیه می شود سیم پیچ ها در لایه های بیرونی به طور متقارن نسبت به سیم پیچ های لایه های داخلی توزیع شوند.

برنج. 3. پیک B در فرمول ها برابر با نیمی از دامنه نوسانات القایی در هسته است.

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 در طراحی مسطح و تعداد دورهای مورد نیاز برای یک کاربرد خاص همیشه اجازه انتخاب طرح بهینه را نمی دهد.

از نقطه نظر هزینه، توصیه می شود PCB هایی با ضخامت لایه مس استاندارد انتخاب کنید. ضخامت های معمولی که توسط سازندگان PCB استفاده می شود 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 ثانویه را از شبکه جدا کنند. اگر جداسازی از شبکه مورد نیاز نیست، فاصله 200 میکرومتر بین لایه های سیم پیچ کافی است. علاوه بر این، همچنین لازم است که لایه شابلون را در نظر بگیرید - هر کدام 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 ها و بودجه تولید دارد. به عنوان یک قاعده کلی، برای مسیرهای 35 میکرومتر، عرض و فاصله مسیر باید بیشتر از 150 میکرومتر و برای مسیرهای 70 میکرومتر، بیش از 200 میکرومتر باشد.

ابعاد ممکن است بسته به توانایی های تولید سازنده PCB کوچکتر باشد، اما احتمالاً منجر به افزایش قابل توجه هزینه PCB می شود. تعداد چرخش در یک لایه و فاصله بین پیچ ها به ترتیب با Nl و s نشان داده 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

در صورت نیاز به جداسازی از منبع تغذیه، وضعیت تا حدودی تغییر می کند. هسته بخشی از مدار اولیه در نظر گرفته می شود و باید با فاصله 400 میکرومتر از مدار ثانویه جدا شود. بنابراین فاصله خزش 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 برد مدار چاپی ناشی از جریان جریان

آخرین مرحله ای که باید برداشته شود تعیین افزایش دما در مسیرهای مسی ناشی از جریان جریان است. برای انجام این کار، باید مقادیر موثر (rms) جریان ها را بر اساس داده های ورودی و پارامترهای خروجی مورد نظر محاسبه کنید. 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 افزایش دما و مقادیر موثر جریان در مناطق مختلف مقطع هادی مدار چاپی در شکل 1 نشان داده شده است. 5. در مواردی که یک هادی وجود دارد یا اینکه اندوکتانس ها خیلی نزدیک نیستند، می توان به طور مستقیم عرض، ضخامت و سطح مقطع هادی و همچنین حداکثر جریان های مجاز را از این نمودار تعیین کرد. تنظیمات مختلف افزایش دما

برنج. 5. رابطه بین اندازه جریان، مسیر PCB و افزایش دما

نقطه ضعف این روش طراحی این فرض است که گرمای تولید شده در سیم پیچ ناشی از جریان مستقیم است، در حالی که در واقعیت یک جریان متناوب وجود دارد که باعث اثرات پوستی و مجاورتی می شود.

اثر پوستی به دلیل وجود یک میدان مغناطیسی در یک هادی است که توسط جریانی که در خود این هادی جریان دارد ایجاد می شود. تغییر سریع در جریان (در فرکانس بالا) القای متناوب را القا می کند که جریان های گردابی را القا می کند. این جریان های گردابی که به جریان اصلی کمک می کنند، جهت مخالف دارند. جریان در مرکز هادی ناپدید 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 سانتیگراد، عمق سطح را می توان تقریباً با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:

اگر هادی با ضخامت w t کمتر از 2d گرفته شود، سهم این اثر محدود خواهد شد. این یک عرض مسیر کمتر از 200 میکرومتر برای فرکانس 500 کیلوهرتز می دهد. اگر با تعداد دورهای لازم، پهنای سیم پیچ زیادی در دسترس باشد، بهترین راه حل از 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 می‌شوند. این اثر را اثر مجاورت می نامند. اگر لایه های اولیه و ثانویه متناوب باشند، تأثیر این اثر بسیار کمتر است. واقعیت این است که جریان در سیم پیچ های اولیه و ثانویه در جهت مخالف جریان می یابد، به طوری که میدان های مغناطیسی آنها متقابلاً لغو می شود. با این حال، هادی های مجاور همان لایه هنوز هم تا حدودی به اثر مجاورت کمک می کنند.

نتایج تجربی

اندازه گیری دما در چندین نوع طرح مدار چاپی با جریان متناوب در سیم پیچ ها با دقت قابل قبولی نشان می دهد که در فرکانس های تا 1 مگاهرتز، هر افزایش فرکانس 100 کیلوهرتز منجر به افزایش دمای PCB 2 درجه سانتی گراد بالاتر از مقادیر تعیین شده می شود. برای جریان های ثابت مورد.

هدف طراحی ترانسفورماتور خط با پارامترهای ارائه شده در جدول است.

به عنوان اولین گام، این فرض وجود دارد که در یک فرکانس مشخص می توان مقدار زیادی از پیک القای مغناطیسی - 160 mT را گرفت. بعداً بررسی خواهیم کرد که آیا این امکان با 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 استاندارد از هسته ها و صفحات W شکل مسطح از Ferroxcube نشان می دهد. علاوه بر این، مقادیر خودالقایی سیم پیچ اولیه، عرض شکاف هوا و جریان ها با استفاده از فرمول های ورودی 1 محاسبه می شود.

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 (eff.) = 186 میلی آمپر
E-PLT18	39,5	800	23	2,7	2,6	41	I o (eff.) = 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 اولیه مورد نیاز برای مجموعه های هسته E-E14 و E-PLT14 بسیار زیاد است که نمی توان آن را بر اساس PCB چند لایه پیچیده کرد. بنابراین، ترکیب هسته های E-E18 و E-PLT18 بهترین گزینه به نظر می رسد. گرد کردن نتایج برای محاسبه N1، N2 و NIC به ترتیب اعداد 24، 3 و 3 را به دست می دهد.

برای تعیین تلفات در حالت موج القایی مثلثی تک قطبی با فرکانس 120 کیلوهرتز، پیک القای 160 mT و دمای عملیاتی 95 درجه سانتیگراد، 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 مجاز اتلاف در DT = 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 پایین با تلفات توان بالا باعث افزایش بیش از حد دما می شوند.

24 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 با دو لایه 12 چرخشی هر کدام دشوار و در نتیجه گران است. این امر مستلزم استفاده از مسیرهای بسیار باریک با پله های بسیار کوچک است. بنابراین، گزینه ای با چهار لایه با 6 چرخش در هر لایه انتخاب می شود. لایه های کمتر در PCB چند لایه هزینه کمتری را در پی خواهد داشت. بنابراین 3 دور دیگر سیم پیچ اولیه (برای ولتاژ آی سی) و 3 دور سیم پیچ ثانویه و برای هر یک از آنها 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 ساخت ترانسفورماتور شش لایه

لایه	تعداد دورها	35 میکرومتر	70 میکرون
شابلون		50 میکرون	50 میکرون
اولیه	6	35 میکرومتر	70 میکرون
عایق		200 میکرون	200 میکرون
اولیه	6	35 میکرومتر	70 میکرون
عایق		200 میکرون	200 میکرون
آی سی اولیه	3	35 میکرومتر	70 میکرون
عایق		400 میکرومتر	400 میکرومتر
ثانوی	3	35 میکرومتر	70 میکرون
عایق		400 میکرومتر	400 میکرومتر
اولیه	6	35 میکرومتر	70 میکرون
عایق		200 میکرون	200 میکرون
اولیه	6	35 میکرومتر	70 میکرون
شابلون		50 میکرون	50 میکرون
جمع		1710 میکرومتر	1920 میکرومتر

بسته به میزان گرمای تولید شده توسط جریان های جاری، می توانید ضخامت مسیرهای مسی را 35 میکرومتر یا 70 میکرومتر انتخاب کنید. فاصله 400 میکرومتر بین لایه های اولیه و ثانویه برای اطمینان از جداسازی از شبکه ضروری است. ترکیب E-PLT18 دارای حداقل پنجره سیم پیچ 1.8 میلی متر است. این برای ضخامت مسیر 35 میکرومتر کافی است، که ضخامت مجموع PCB را در حدود 1710 میکرومتر نشان می دهد.

برای کاهش هزینه ساخت، فاصله بین مسیرها را معادل 300 میکرون انتخاب کردیم. محاسبه عرض مسیر ثانویه با استفاده از فرمول (5) نتیجه 1.06 میلی متر با جداسازی از شبکه را به دست می دهد.

با استفاده از نمودار در شکل. 5 و با محاسبه (نگاه کنید به جدول 2) مقدار موثر جریان در سیم پیچ ثانویه برابر با 1.6 A، افزایش دما را 25 درجه سانتیگراد برای مسیرهای با ضخامت 35 میکرومتر و حدود 7 درجه سانتیگراد برای مسیرهای با ضخامت 70 بدست می آوریم. میکرومتر

ما فرض کردیم که افزایش دما ناشی از تلفات سیم پیچ تقریباً نیمی از کل افزایش دما است، در این مورد 17.5 درجه سانتیگراد. بدیهی است که با ضخامت مسیر 35 میکرومتر، افزایش دما ناشی از جریان موثر 1.6 A بسیار زیاد است، بنابراین باید از مسیرهای 70 میکرومتری استفاده شود.

عرض مسیر پیچ های سیم پیچ اولیه را می توان با استفاده از فرمول (5) محاسبه کرد. تقریباً 416 میکرون خواهد بود. با این عرض مسیر، بعید است که جریان 0.24 A rms در جریان اولیه منجر به افزایش دما شود.

از آنجایی که فرکانس 120 کیلوهرتز است، افزایش اضافی دمای PCB حدود 2 درجه سانتیگراد در مقایسه با وضعیتی که فقط جریان DC جریان دارد، انتظار می رود. افزایش دمای کل PCB که فقط به دلیل جریان های جاری ایجاد می شود، زیر 10 درجه سانتیگراد باقی می ماند.

یک PCB 6 لایه با مسیرهای 70 میکرومتری باید طبق محاسبه عمل کند. ضخامت اسمی PCB حدود 1920 میکرون خواهد بود، به این معنی 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 E 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 غیر استاندارد با پنجره ای حدود 2 میلی متر است.

اندازه‌گیری‌های انجام‌شده بر روی یک طراحی مشابه با هسته‌ای از دو نیمه E ساخته شده از فریت 3C90، 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 از دست دادن هسته و 10 درجه سانتیگراد به دلیل از دست دادن سیم پیچ شد.

ارتباط بین سیم پیچ اولیه و ثانویه خوب است زیرا اندوکتانس نشتی تنها 0.6٪ از اندوکتانس اولیه است.

مثال 2. ترانسفورماتور رو به جلو

هدف در اینجا طراحی یک ترانسفورماتور مستقیم با انتخاب چهار نسبت تبدیل است که اغلب در مبدل های DC/DC کم توان استفاده می شود. مشخصات مورد نظر در جدول بالا نشان داده شده است.

ابتدا باید بررسی کنید که آیا کوچکترین ترکیبات هسته از محدوده استاندارد - E-PLT14 و E-E14 - برای کیس مناسب هستند یا خیر. با محاسبه حداکثر چگالی مجاز از دست دادن هسته با افزایش دما 50 درجه سانتیگراد، 1095 mW / cm3 برای ترکیب E-E14 از دو هسته E شکل و 1225 mW / cm3 برای ترکیب E-PLT14 یک E-به دست می آوریم. هسته شکل و یک صفحه. در مرحله بعد، چگالی تلفات هسته را با استفاده از فرمول (3) در مورد موج القایی مثلثی تک قطبی با فرکانس 500 کیلوهرتز برای چندین مقدار القای پیک محاسبه می‌کنیم.

نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهد که در پیک القای مغناطیسی حدود 100 mT، تلفات کمتر از حداکثر مجاز محاسبه‌شده با فرمول (2) است. محاسبه تعداد چرخش ها و جریان های موثر با استفاده از فرمول های ارائه شده در جعبه 1 انجام می شود. با پیک القای مغناطیسی 100 mT و پارامترهای مشخص شده در بالا، در 530 کیلوهرتز، ترکیبات E-E14 و E-PLT14 هستند. قابل استفاده و تعداد دور قابل قبول است. نتایج محاسبات در جدول 4 نشان داده شده است.

جدول 4. محاسبه پارامترهای طراحی چند ترانسفورماتور مستقیم

هسته	V در، V	V بیرون، V	N1	N2	L prim، μH	I o (eff.), MA	من mag، mA	I 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 نشان داده شده با فرکانس 530 کیلوهرتز، نتایج 1030 mW / cm3 را برای فریت 3F3 و 1580 mW / cm3 برای فریت 3F4 به دست می دهد. بدیهی است که بهترین گزینه 3F3 ​​است. افزایش دما در هسته E-PLT14:

(تراکم تلفات محاسبه شده در 3F3 / چگالی تلفات مجاز) X 1 / 2DT = (1030/1225) X 25 ° C = 21 ° C.

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، به همان تعداد دور برای سیم پیچ مغناطیسی زدایی (بازیابی) 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 اثر اضافی نصف کردن چگالی جریان در مسیرهای سیم پیچ خواهد داشت.

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، به طوری که تعداد دور موثر 14 می شود.

عرض سیم پیچ موجود برای هسته E-14 3.65 میلی متر است. برای طراحی اقتصادی با فاصله مسیر 300 میکرومتر، عرض مسیر در 7 پیچ در هر لایه 178 میکرومتر است.

ضخامت مسیرها باید 70 میکرومتر باشد، زیرا در ولتاژ ورودی 24 ولت جریان موثر در سیم پیچ اولیه حدود 1.09 A خواهد بود. عرض دو برابر می شود در نتیجه اتصال موازی با 7 پیچ) افزایش دما 15 درجه سانتیگراد. ولتاژ ورودی 48 ولت جریان موثر تقریباً 0.54 A ایجاد می کند.

در این حالت، سهم تلفات سیم پیچ در افزایش دمای کل 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 بین آنها 300 میکرومتر و ضخامت مسیر 70 میکرومتر تا حدودی از قانون کلی ما انحراف دارد (فاصله مسیر و عرض مسیر > 200 میکرومتر). این می تواند منجر به هزینه های تولید تا حدودی بالاتر برای بردهای مدار چاپی چندلایه شود. سیم پیچ ثانویه به 3 یا 2 چرخش نیاز دارد. هنگامی که یک لایه برای هر یک از پیچ ها اختصاص داده می شود، عرض مسیر به ترتیب 810 و 1370 میکرومتر است. جریان های موثر در سیم پیچ ثانویه 2.44 و 3.70 A باعث افزایش دما در سیم پیچ ها تقریباً 25 درجه سانتیگراد می شود که برای در نظر گرفتن 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 دارای 3 چرخش هستند به صورت موازی به هم متصل شوند، چگالی جریان نصف می شود. از انجیر 5، می توان تعیین کرد که سهم تلفات سیم پیچ در افزایش دمای کل در این شرایط حدود 6 درجه سانتیگراد خواهد بود. افزایش دمای کل در PCB تقریباً 21 درجه سانتیگراد به اضافه افزایش بیشتر به دلیل از دست دادن 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 چرخش و عرض برای هر لایه از یک طرح معین در جدول 5 نشان داده شده است. حداقل یک لایه که در جدول به عنوان اضافی نشان داده شده است، برای ایجاد اتصالات مورد نیاز است. با این حال، در مجموع 9 لایه به ما می دهد که از نظر تولید معادل 10 لایه (عدد زوج بعدی) است. به همین دلیل، از لایه های بالا و پایین PCB به عنوان لایه های اضافی استفاده می شود - همچنین به این دلیل که یک مزیت اضافی ایجاد می کند: تراکم جریان در مسیرها به نصف کاهش می یابد. مسیرهای روی این لایه ها از طریق سوراخ های مسی به تراک های 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 نسبت تبدیل مختلف را می توان به دست آورد.

جدول 5. نمونه طرح با 10 لایه

لایه	تعداد دورها	70 میکرون
شابلون		50 میکرون
لایه اضافی		70 میکرون
عایق		200 میکرون
مغناطیس زدایی اولیه	7	70 میکرون
عایق		200 میکرون
اولیه	7	70 میکرون
عایق		200 میکرون
ثانوی	3	70 میکرون
عایق		200 میکرون
ثانوی	2	70 میکرون
عایق		200 میکرون
ثانوی	2	70 میکرون
عایق		200 میکرون
ثانوی	3	70 میکرون
عایق		200 میکرون
اولیه	7	70 میکرون
عایق		200 میکرون
مغناطیس زدایی اولیه	7	70 میکرون
عایق		200 میکرون
لایه اضافی		70 میکرون
شابلون		50 میکرون
جمع:		2600 میکرومتر

کل ضخامت اسمی PCB حدود 2.6 میلی متر خواهد بود که از پنجره سیم پیچ موجود ترکیب هسته E-PLT14 1.8 میلی متری بیشتر است. می توان از ترکیب E-E14 استفاده کرد، اما دارای حداقل پنجره سیم پیچی 3.6 میلی متری است - بسیار بزرگتر از آنچه در واقع مورد نیاز است. راه حل بهتر یک هسته غیر استاندارد با اندازه پنجره کاهش یافته است.

اندازه گیری دمای این برد مدار چاپی با استفاده از ترموکوپل در شرایط مختلف انجام شد. برای آزمایش، از گزینه تبدیل 24/5 ولت استفاده شده است 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 تغذیه می شود. 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 ممکن است انتظار داشته باشید، هنگامی که هر دو جریان به طور همزمان به PCB اعمال شد، افزایش دما 20 درجه سانتیگراد بود.

روش فوق برای جریان های متناوب چندین فرکانس با مقادیر موثر محاسبه شده تکرار شد. در فرکانس 500 کیلوهرتز، کل افزایش دما در PCB 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 پوست در مسیرهای گسترده سیم پیچ های ثانویه بیشتر از مسیرهای باریک سیم پیچ های اولیه است.

در نهایت، اندازه‌گیری‌های دما با هسته‌های استاندارد (ترکیب E-E14) که بر روی PCB در شرایطی مشابه ترانسفورماتور مستقیم نصب شده‌اند، انجام شد. افزایش دمای PCB 49 درجه سانتیگراد بود. نقطه حداکثر گرمایش هسته در سمت بالایی آن و دمای موجود در آن برابر با 53 درجه سانتیگراد بود. در قسمت مرکزی هسته و قسمت بیرونی آن به ترتیب 49 درجه سانتیگراد و 51 درجه سانتیگراد افزایش دما مشاهده شد.

همانطور که توسط محاسبات پیش بینی شده است، این طراحی به نوعی برای مجموعه ای از دو هسته W شکل حیاتی است، زیرا در نقطه حداکثر گرمایش، دمای 53 درجه سانتیگراد ثبت شد که بالای 50 درجه سانتیگراد 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

1. Mulder S. A. نکته کاربردی در طراحی ترانسفورماتورهای فرکانس بالا با مشخصات پایین. اجزای Ferroxcube. 1990.
2. فرمول های اتلاف مولدر S.A. برای فریت های قدرت و استفاده از آنها در طراحی ترانسفورماتور. اجزای فیلیپس 1994.
3. Durbaum Th., Albach M. تلفات هسته در ترانسفورماتورها با شکل دلخواه جریان مغناطیسی. EPE سویا. 1995.
4. براکمایر A. ارزیابی تجربی تأثیر پیش مغناطیس‌سازی DC بر خواص فریت‌های الکترونیکی قدرت. دانشگاه صنعتی آخن 1995.
5. یادداشت فنی Ferroxcube Components. مبدل 25 وات DC / DC با استفاده از مغناطیسی مسطح یکپارچه. 9398 236 26011.1996.

ترانسفورماتورهای مسطح یک جایگزین عالی برای ترانسفورماتورها و چوک های سیمی استاندارد هستند. ترانسفورماتورهای مسطح بر پایه بردهای مدار چاپی چند لایه هستند.

امروزه توسعه ترانسفورماتورهای مسطح مستلزم استفاده از قطعات با حداقل ابعاد است، زیرا اندازه قطعات الکترونیکی به طور مداوم در حال کاهش است.

ترانسفورماتورهای قدرت مسطح

طراحی ترانسفورماتور قدرت مسطح را می توان با اجزای جانبی مانند یک برد چند لایه تک یا کوچک و یا به عنوان PCB چند لایه انجام داد.

مزایای ترانسفورماتورهای مسطح:

• اندازه کوچک هستند؛
• دارای ویژگی های درجه حرارت عالی؛
• اندوکتانس نشتی کم دارند.
• دارای قابلیت تکرار 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، با توجه به افزایش ظرفیت خنک‌کننده، ترانسفورماتورهای مسطح با چگالی توان خروجی بالاتر کنار می‌آیند و در عین حال افزایش دما را در محدوده قابل قبول نگه می‌دارند.

ترانسفورماتورهای مسطح مبتنی بر بردهای مدار چاپی چند لایه

وقتی صحبت از اجزای نیمه هادی، از جمله قطعات غیرفعال، که شامل خازن ها و مقاومت ها می شود، به میان می آید، انتخاب بسیار بزرگ است.

با این حال، امروز در مورد ترانسفورماتورهای مسطح صحبت خواهیم کرد.

به طور معمول، در بسیاری از موارد، طراحان از ترانسفورماتورها و چوک های سیمی استاندارد استفاده می کنند. اما ما ترانسفورماتورهای مسطح (PTs) را بر اساس تخته های چند لایه توضیح 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 با اندازه کوچک مورد نیاز است.

در فناوری تولید ترانسفورماتورهای مسطح، مسیرهای روی برد مدار چاپی یا مقاطع مسی به عنوان سیم پیچ عمل می کنند که به صورت چاپی اعمال می شوند و توسط لایه های مختلفی از مواد عایق از هم جدا می شوند.

همچنین سیم پیچ ها را می توان از تخته های چند لایه ساخت. آنها بین هسته های فریت با اندازه کوچک قرار می گیرند.

با توجه به طراحی ترانسفورماتورهای مسطح می توان آنها را به چند نوع تقسیم کرد.

• اجزای مسطح معلق - آنها به اجزای القایی معمولی نزدیک هستند. آنها می توانند قطعات معمولی را روی بردهای مدار چاپی تک لایه یا چند لایه جایگزین کنند. ارتفاع قطعه مسطح لولایی را می توان با فرو بردن هسته در بریدگی PCB 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 PCB چند لایه است که به مادربرد متصل می شود. اما در این حالت مادربرد باید دارای سوراخ هایی برای هسته فریت باشد.
• سیم پیچ به طور کامل در PCB چند لایه یکپارچه شده است. نیمه های هسته ها با چسباندن یا نیشگون گرفتن 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.

اولین استفاده از ترانسفورماتورهای مسطح در تبدیل توان یافت شد. 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 مواد با نفوذپذیری مغناطیسی بالا، اندوکتانس چوک فیلتر خط را افزایش داد.

در انتقال سیگنال پالس، یک ترانسفورماتور پهن باند بین آی سی ژنراتور پالس و کابل، جداسازی و تطبیق امپدانس را فراهم می کند. در مورد رابط S یا T، همچنین باید یک فریت با نفوذپذیری بالا باشد.

چندی پیش، شرکتی با من تماس گرفت که نیاز به توسعه خطی از درایورهای LED داشت. من نام شرکت و ویژگی های عملکرد رانندگان را نام نمی برم، من NDA را امضا نکردم، اما اخلاق، اخلاق است. به نظر می رسد این یک سفارش معمولی برای یک راننده است که ده ها نفر در یک سال تایپ می شود، اما دو الزام متقابل وجود داشت: قیمتو ابعاد.

کار از نظر مدار ساده است، اما از نظر تولید و طراحی بسیار جالب بود. و بنابراین - لازم بود یک درایور شبکه برای LED با یک اصلاح کننده ضریب توان (قدرت حدود 100 وات) ساخته شود که هزینه در حدود 3 دلار بوددر سریال و داشت ابعاد در ارتفاع بیش از 11 میلی متر! خیلی ها خواهند گفت: مشکل ساختن راننده دشمان چیست؟ یک نیاز دیگر - می توان بدون ترس داد 5 سال گارانتی... و اینجاست که سرگرمی شروع می شود.

انتخاب توپولوژی، مدار انجام شد، همه چیز متناسب با ابعاد و هزینه بود، اما چنین تصویر شگفت انگیزی توسط یک ترانسفورماتور "کلاسیک" خراب شد. این بزرگ است، گران است، ساخت آن از نظر فنی دشوار است. برای حل آخرین مشکل باقی ماند و پس از دو روز فکر و محاسبات پیدا شد - ترانسفورماتور مسطح.

اگر می‌پرسید بین چه چیزی و چه چیزی انتخاب شده است، بر اساس چه استدلالی انجام شده است و چگونه توانسته‌اید هزینه ترانسفورماتور را کمتر از 0.5 دلار به دست آورید، پس من شما را به مقابله دعوت می‌کنم. خوب ، برای بهبود "اشتهای" شما عکسی از ترانسفورماتور تمام شده را به شما پیوست می کنم:

معایب اصلی ترانسفورماتورهای "کلاسیک".

فکر می‌کنم برای هیچ‌کس مخفی نیست که یک ترانسفورماتور معمولی چگونه به نظر می‌رسد، اما ناگهان کسی 150 سال گذشته انقلاب صنعتی را از دست داد، بنابراین اجازه دهید به شما یادآوری کنم:

ترانسفورماتور معمولی که روی یک قاب از هسته RM12 پیچیده شده است، به این شکل است. چرا او اینقدر بد است؟ دلایل متعددی برای این امر وجود دارد، البته برخی از آنها ارتباط خود را در برخی وظایف از دست می دهند، اما داستان در چارچوب وظیفه ای که پیش روی من است انجام می شود. و در اینجا موارد اصلی وجود دارد:

• ارتفاعحتی فردی که چشم ضعیفی دارد می‌تواند اندازه یک ترانسفورماتور را از روی عکس تخمین بزند و با اطمینان بگوید: "قطعاً بیش از 11 میلی متر است." در واقع، ارتفاع ترانسفورماتور در RM12 حدود 24 میلی متر است که بیش از 2 برابر مقدار مورد نیاز است.
• قابلیت ساخت.هنگامی که شما نیاز به باد کردن 1-2 ترانسفورماتور دارید، قاب را بردارید، سیم و آن را باد کنید. هنگامی که شما نیاز به باد کردن 100-200 قطعه دارید، می توانید یک سیم پیچ در کشور خود سفارش دهید، قیمت هنوز گاز نمی گیرد. هنگامی که شما نیاز به باد کردن 10000 قطعه و سپس 50000 قطعه دیگر دارید، تفاوت های ظریف زیادی ایجاد می شود: قیمت، کیفیت، انتخاب پیمانکار دیگری در آسیا. همه اینها باعث افزایش هزینه نهایی محصول می شود، در حالی که من فقط به کیفیت فوق العاده ارزان و بسیار بالا نیاز دارم.
• تکرارپذیریباد کردن و مونتاژ دو ترانسفورماتور یکسان بسیار دشوار است، ساختن 10000 ترانسفورماتور یکسان غیرممکن است. من بیش از یک بار این را روی پوست خودم تجربه کرده ام، به خصوص وقتی صحبت از تولید در آفریقای جنوبی می شود. حالا تصور کنید
  که باید این 10000 ترانسفورماتور را در مونتاژ نهایی "با فایل اصلاح کنید". ارائه کرده اید؟ آیا از میزان هزینه های نیروی کار و در نتیجه هزینه آن ناراحت شدید؟ فکر کنم تبدیل شده است.
• قیمت هزینه.این به طور کلی یک نکته بسیار دشوار است، اما بیایید به عکس بالا نگاه کنیم و ببینیم که برای مونتاژ یک ترانسفورماتور کلاسیک، به یک قاب، هسته، براکت، سیم مسی، عایق و همه اینها با دست یا روی یک دستگاه نیمه اتوماتیک نیاز داریم. بیایید بگوییم همه اینها "X دلار" هزینه دارد. برای ساخت ترانسفورماتور مسطح فقط به یک هسته نیاز است. فکر کنم اینجا واضحه که 1 پارت به وضوح از 1 همون قسمت + 4 کامپوننت بیشتر ارزونتره؟

در این لحظه، احتمالاً عذاب بر شما غلبه می کند: "اگر همه چیز خیلی بد است، پس چرا ترانسفورماتورهای معمولی اینقدر رایج هستند؟" کمی پیشتر گفتم که برخی از این معایب در برخی کارها یک عیب نیست. به عنوان مثال، اگر UPS را به صورت آنلاین باز کنید، خواهید دید که ترانسفورماتور بزرگترین عنصر در آنجا نیست. و اگر دسته های کوچک حداکثر 100-200 دستگاه را در ماه جمع آوری کنید، مطمئناً هزینه برابر می شود، زیرا 100-200 قطعه را می توان در روسیه ساخت، یا می توانید یک بادگیر استخدام کنید، یک ماشین چینی بخرید یا خودتان آن را با 100-200 هزار روبل بسازید. و از زندگی لذت ببر
و شاید مکان اصلی که در آن ترانسفورماتورهای مسطح جایگزین ترانسفورماتورهای معمولی نشوند - مبدل هایی با توان نامی بیش از 2000 وات.

دستگاه ترانسفورماتور مسطح

در همان تصویر اول، این نوع ترانسفورماتور را می بینید که قبلاً مونتاژ شده است، نمای بسیار غیر معمولی است، اینطور نیست؟ اگرچه افرادی که تلویزیون های مدرن را باز کرده اند، لپ تاپ های شارژی (نه ارزان) احتمالاً چنین ترانسفورماتور یا موارد مشابه را دیده اند.

ترانسفورماتورهای مسطح را می توان در طرح های مختلف ساخت، تا جایی که من می دانم طبقه بندی مشخصی وجود ندارد، اما آنها را به 2 نوع تقسیم می کنم:

هر نوع ترانسفورماتور مسطح در نظر گرفته شود، آنها یک چیز مشترک دارند - تمام سیم پیچ ها به شکل مسیرهای مسی روی برد مدار چاپی ساخته می شوند.

اگر تصمیم دارید با جزئیات بیشتری با این فناوری آشنا شوید و به گوگل سر بزنید، مطمئناً در بسیاری از مقالات با این عبارت مواجه خواهید شد: «... و بالاخره در سال های اخیر، ترانسفورماتورهای مسطح مقرون به صرفه شده اند. این به دلیل این واقعیت است که تخته های چندلایه کاهش یافته است. وقتی اولین ترانسفورماتور مسطح خود را در سال 11-2010 طراحی می کردم، این عبارت مرا گیج کرد. من ساده لوحانه فکر می کردم که سیم های مسطح منحصراً روی بردهای مدار چاپی چند لایه ساخته می شوند. در آن زمان هنوز در دانشگاه درس می خواندم و با اینکه کار می کردم و بورسیه خوبی هم می گرفتم، اما این نوع هیئت از نظر مالی برایم چندان مقرون به صرفه نبود. فکر کردم و تصمیم گرفتم فیس بوک خودم را بسازم !!! برای کاهش هزینه این فناوری، همانطور که بعدا مشخص شد - دوچرخه را اختراع کرد.

ماهیت کاهش هزینه استفاده از یک "پای" از چندین تخته مدار چاپی دو لایه با ضخامت کوچک (0.8 یا 1 میلی متر) بود. به نظرم راه حلی نابغه و ساده بود. تنها مشکل این بود که مثل همیشه راه‌حل‌های شرکت‌های برتر در زمینه الکترونیک قدرت را بررسی کردم، مانند Texas Instruments، Linear، Infineon، Murata، و آنها از بردهای مدار چاپی در 6-8 لایه استفاده کردند و در سال 2010 آنها حتی داشتند. کلاس استاندارد 4 (0.15 / 0.15 میلی متر) بسیار گران بود. سپس معلوم شد که برای یک تمرین تابستانی به یک شرکت خوب دعوت شدم و آنجا به من گفتند و نشان دادند که 10 سال است که چنین "پای" هایی را برای ترانسفورماتورهای مسطح درست می کنند. سایر شرکت های زیر TI و Infineon نیز همین کار را کردند. نکته اصلی این است ایده درست بودو چنین تصمیمی نه تنها صحیح است، بلکه زمان تست شده.

تمام عناصر "پای" تخته های دو لایه معمولی با کلاس دقت استاندارد هستند، به این معنی که آنها بسیار ارزان هستند و می توانند توسط هر سازنده بردهای مدار چاپی ساخته شوند. عناصر "پای" یک ترانسفورماتور مسطح به شرح زیر است:

همانطور که می بینید، تنها 3 عنصر در ترانسفورماتور من وجود دارد، اگرچه ممکن است تعداد بیشتری نیز وجود داشته باشد. چرا 3؟ طبق محاسبات من، برای به دست آوردن اندوکتانس مورد نیاز در سیم پیچ اولیه، به 6 لایه نیاز دارم. 2 لایه توسط تخته اصلی به من داده می شود + 2 لایه "یک تکه کیک" + 2 لایه "یک تکه کیک". سیم پیچ ثانویه فقط برای 2 لایه مناسب است، از اینجا "تکه کیک" دیگری است. در نتیجه دارای یک پشته از 4 برد مدار چاپی دولایه است. محاسبات بیشتر حتی ساده تر است: من از هسته ELP18 / 4/10 استفاده می کنم، به این معنی که فاصله برای "سیم پیچ ها" 4 میلی متر است. ما این فاصله را بر تعداد تخته ها تقسیم می کنیم: 4 میلی متر / 4 تخته = 1 میلی متر - ضخامت هر PCB. ساده است!

اگر ناگهان متوجه نشدید که شکاف 4 میلی متری از کجا آمده است، می توانید به برگه داده موجود در هسته اینجا نگاه کنید. و برای کسانی که راحت نیستند پیوندها را دنبال کنند یا نمی خواهند ترافیک را برای یک پی دی اف بزرگ صرف کنند، یک بریده کوچک:

همانطور که می بینید، اندازه پنجره هسته در یک نیمه 2 میلی متر است، در نیمه دوم نیز 2 میلی متر است. ارتفاع کل پنجره را می گیریم - 4 میلی متر.

اکنون می توانید بفهمید که هزینه اصلی ترانسفورماتور مسطح از چه چیزی تشکیل شده است. در واقع، تنها 2 جزء وجود دارد: یک هسته و 3 برد مدار چاپی. قیمت اصلی هسته 0.14 دلار است، 3 برد مدار چاپی برای هر کدام 0.11 دلار، در سری یکسان است. ما 0.47 دلار ارزش خود ترانسفورماتور را دریافت می کنیم. من ترکیب پیوند هسته را در اینجا لحاظ نکردم. اگر هزینه آن را برای کل دسته پراکنده کنید، حتی 1 سنت در آنجا کار نمی کند و کار مونتاژ را محاسبه نمی کند. کار به یک دلیل ساده در نظر گرفته نمی شود - ترانسفورماتور در مرحله نصب دستی مونتاژ می شود، اما در آسیا یک پنی هزینه دارد. برای مقایسه - لحیم کاری 2 ترانزیستور در مورد TO-220 به اندازه نصب یک ترانسفورماتور مسطح هزینه دارد، یعنی دوباره کم حجم می شود. به این ترتیب عدد را بدست می آوریم 0.5 دلار برای 1 ترانسفورماتور تا 100 وات.

کمی در مورد نتایج من ... من توانستم در ارتفاع کلی قرار بگیرم و حتی بهتر عمل کردم - به جای 11 میلی متر محدود، 9.6 میلی متر گرفتم. از یک طرف، خیلی قابل توجه نیست، اما در عمل این کاهش اندازه در حدود 13٪ است. علاوه بر این، بعد ارتفاع اصلی دیگر توسط ترانسفورماتور تنظیم نمی شد، بلکه توسط خازن های SMD الکترولیتی در ورودی و خروجی تنظیم می شد.
در هزینه - نمی توانم رقم دقیق را به شما بگویم، اما معلوم شد که در حد نیاز است. شایان ذکر است که تلاش های خود مشتری، او موفق شد تامین کنندگانی را پیدا کند که در یک سری بزرگ، قادر به ارائه قیمت در سطح و گاهی اوقات کمی پایین تر از digikey بودند. شخصاً این شایستگی من است - من یک مشکل فنی را حل کردم و آن را ارزان ساختم و خود مشتری قبلاً بدون از دست دادن کیفیت آن را بسیار ارزان انجام داده است.

امکانات فنی ارائه شده توسط یک ترانسفورماتور مسطح

در ادامه، مقاله من بیشتر جنبه فنی دارد تا داستانی، و اگر علاقه ای به الکترونیک قدرت، محاسبات خشک و سایر موارد زشت ندارید، می توانید از خواندن صرفنظر کنید و به بحث در نظرات ادامه دهید. دیگر هیچ عکس زیبایی وجود نخواهد داشت. اگر قصد دارید از این فناوری برای خود استفاده کنید، پس همه چیز برای شما تازه شروع شده است.

برای اینکه بتوانید پتانسیل کامل این نوع ترانسفورماتور را با وضوح بیشتری ارزیابی کنید، می توانم بگویم که در این پروژه بر روی یک جفت هسته ELP18 / 4/10 موفق به ساخت یک مبدل تشدید 65 وات شدم. حالا به ابعاد کلی آن نگاه کنید، آیا برای چنین ریزه کاری بد نیست؟

روش محاسبه ترانسفورماتور مسطح

روش های زیادی وجود دارد که به شما امکان محاسبه این نوع ترانسفورماتور را می دهد. درست است، ادبیات اصلی، از جمله علمی، عمدتا به زبان های انگلیسی، آلمانی و چینی است. من چندین مورد را در عمل امتحان کردم، همه آنها از منابع انگلیسی زبان گرفته شده بودند و نتیجه قابل قبولی را نشان دادند. در روند کار، در طول چندین سال، ویرایش های جزئی انجام دادم که باعث شد تا حدودی دقت محاسبات را افزایش دهم و این روش را به شما نشان خواهم داد.

من هیچ جاه طلبی برای منحصر به فرد بودن آن ندارم و همچنین تضمین نمی کنم که نتایج آن در تمام محدوده های فرکانس و توان به اندازه کافی دقیق باشد. بنابراین، اگر قصد استفاده در کار را دارید، مراقب باشید و همیشه بر کفایت نتایج نظارت کنید.

محاسبه ترانسفورماتور مسطح

هنگام محاسبه هر ترانسفورماتور، اولین قدم یافتن حداکثر مقدار القای مغناطیسی است. تلفات در هسته و هادی های مسی منجر به گرم شدن ترانسفورماتور می شود، بنابراین محاسبات باید در رابطه با حداکثر گرمای بیش از حد مجاز ترانسفورماتور انجام شود. مورد دوم بر اساس شرایط عملیاتی و الزامات دستگاه انتخاب می شود.

Deeds یک فرض تجربی است که در آن فرض می کنیم که نیمی از کل تلفات ترانسفورماتور تلفات هسته است. بر اساس این فرض، ما حداکثر چگالی تلفات هسته را با استفاده از فرمول تجربی محاسبه می‌کنیم:

مقدار حجم مغناطیسی موثر کجاست VEبرگرفته از مستندات برای هسته در [سانتی متر 3]، مقدار حداکثر سوپرهیت ΔTبر اساس محاسبات انتخاب می شود (مثلاً من معمولاً آن را در نظر می گیرم 50-60 درجه). بعد مقدار به دست آمده است [mW/cm 3].

لطفا توجه داشته باشید که بسیاری از فرمول هایی که من توضیح می دهم به صورت تجربی مشتق شده اند. برخی دیگر به شکل نهایی خود بدون نوشتن استنتاج ریاضی آنها نوشته می شوند. برای کسانی که به منشا دومی علاقه دارند، به شما توصیه می کنم که به سادگی با ادبیات خارجی در مورد مواد مغناطیسی آشنا شوید، به عنوان مثال، کتاب هایی از Epcos و Ferroxcube وجود دارد.

اکنون، با دانستن حداکثر چگالی تلفات هسته، می توانیم حداکثر مقدار اندوکتانس را محاسبه کنیم که در آن دمای بیش از حد گرمای بیش از حد محاسبه شده تجاوز نمی کند.


جایی که سانتی متر, سی تی, ایکس, yپارامترهایی هستند که به صورت تجربی با روش تقریب منحنی تلفات به دست می آیند و f- فرکانس تبدیل شما می توانید آنها را از دو طریق بدست آورید: با پردازش داده ها (نمودارها) از اسناد مربوط به هسته خود، یا با ساختن خود این نمودارها. روش دوم به شما امکان می دهد داده های دقیق تری دریافت کنید، اما به یک تصویرگر حرارتی تمام عیار نیاز دارید.

به عنوان مثال، من این مقادیر را برای هسته های ساخته شده از مواد با شما به اشتراک می گذارم Epcos N49، همتای آن از Ferrocube به همان اندازه مواد محبوب و مقرون به صرفه است 3F3... هر دو ماده به شما این امکان را می دهند که به راحتی مبدل هایی با فرکانس تشدید تا 1 مگاهرتز بسازید. همچنین شایان ذکر است که این پارامترها به فرکانس بستگی دارد، این ارقام برای فرکانس ها هستند 400-600 کیلوهرتز... این محبوب ترین محدوده فرکانس و موادی است که من استفاده می کنم.

• CM = 4.1 × 10-5
• CT = 1.08 × 10-2
• x = 1.96
• y = 2.27

علاوه بر این، شایان ذکر است که جزء دوم تلفات در ترانسفورماتور - تلفات مس... طبق قانون اهم مورد علاقه ما که در آن لحظات کاملاً منطقی را نیز در نظر گرفتیم به راحتی در نظر گرفته می شوند: ما یک جریان پالس داریم و 100٪ مواقع جریان ندارد، یعنی ضریب پر شدن. من به شما نمی گویم که چگونه مقاومت سیم پیچ مسی را با هندسه آن محاسبه کنید، خیلی پیش پا افتاده است، اما احتمالاً فرمول کلی را به شما یادآوری می کنم:

تلفات مس برای هر سیم پیچ به طور جداگانه محاسبه می شود و سپس اضافه می شود. اکنون ضررهای موجود در هر لایه از "پای" و در هسته را می دانیم. علاقه مندان می توانند گرمای بیش از حد ترانسفورماتور را برای مثال در Comsol یا Solidworks Flow Simulation شبیه سازی کنند.

در ادامه مبحث هادی های مسی، پدیده ای را به یاد بیاوریم اثر پوستی... اگر "روی انگشتان" توضیح داده شود، این اثر زمانی است که، با افزایش فرکانس جریان در هادی، جریان توسط جریان دیگری از هادی (از مرکز به سطح) "فشرده" می شود. - گرداب.
به بیان علمی تر، در نتیجه جریان جریان متناوب در هادی، القای متناوب القا می شود که به نوبه خود باعث ایجاد جریان های گردابی می شود. این جریان های گردابی جهتی مخالف جریان اصلی ما دارند و معلوم می شود که به طور متقابل کم می شوند و در مرکز رسانا جریان کل صفر است.
منطق ساده است - هرچه فرکانس جریان بیشتر باشد، اثر پوستی بیشتر تأثیر می گذارد و سطح مقطع مؤثر رسانا کمتر می شود.... می‌توان با بهینه‌سازی هندسه سیم‌پیچ‌ها، موازی‌سازی آنها و روش‌های دیگر، تأثیر آن را کاهش داد، که احتمالاً اگر نه یک کتاب کامل، یک مقاله جداگانه بزرگ است.
برای محاسبات ما، کافی است که تأثیر تأثیر پوست را با استفاده از فرمول تجربی دیگر تخمین بزنیم:

جایی که ∆δ - ضخامت منطقه با جریان صفر، f- فرکانس مبدل همانطور که می بینید، این اثر کاملاً به فرکانس سوئیچینگ گره خورده است.

حالا بیایید بشماریم که برای ساخت یک ترانسفورماتور به چند دور و چیزهای دیگر نیاز داریم. اول از همه، ما در نظر می گیریم که در سیم پیچ اولیه به چند چرخش نیاز داریم:

در جایی که Umin حداقل ولتاژ ورودی است، D چرخه کار، f فرکانس کاری، Ae بخش موثر هسته است. اکنون تعداد دورهای سیم پیچ ثانویه را می شماریم:

در جایی که N1 تعداد دور سیم پیچ اولیه است، D چرخه کار، Uout ولتاژ خروجی نامی، Umin حداقل ولتاژ ورودی است.

مرحله بعدی محاسبه اندوکتانس اولیه است. از آنجایی که جریان در سیم پیچ پاسخ ضربه ای دارد، به اندوکتانس نیز بستگی دارد. ما آن را با استفاده از فرمول زیر محاسبه می کنیم:

جایی که μ0 نفوذپذیری مغناطیسی موثر است، μa نفوذپذیری مغناطیسی دامنه، Ae بخش موثر هسته، N1 تعداد چرخش در سیم پیچ اولیه است، یعنی طول مسیر موثر است. پارامترهای از دست رفته، مانند نفوذپذیری و طول خط مغناطیسی، را می توان در مستندات یک هسته خاص یافت.

اکنون آخرین مرحله ای که باید برداریم محاسبه جریان در سیم پیچ اولیه است. این به شما امکان می دهد در آینده مقطع سیم پیچ اولیه و بر این اساس، عرض هادی را محاسبه کنید. مقدار فعلی حاصل جمع دو جزء است و به شکل زیر است:


در اینجا به نظر می رسد که تمام اجزای فرمول از قبل آشنا و محاسبه شده است، تنها چیزی که توجه می کنم پارامتر Pmax است. این فقط مقدار توان خروجی نامی نیست، بلکه کل توان مبدل است، با در نظر گرفتن راندمان حداقل تقریباً (من معمولاً 95-97٪ برای مبدل های تشدید کننده قرار می دهم) و حاشیه ای که به دستگاه وارد می کنید. . در دستگاه های من معمولاً 10 درصد مارجین توان وجود دارد، به ویژه در دستگاه ها و نودهای بحرانی گاهی اوقات لازم است 20 تا 25 درصد مارجین گذاشته شود، اما این باعث افزایش قیمت می شود.

بنابراین ما تمام پارامترهایی را که برای محاسبه و طراحی یک ترانسفورماتور مسطح لازم است به دست آوردیم. البته شما خودتان باید سطح مقطع سیم پیچ ها را محاسبه کنید، اما این یک محاسبات ابتدایی است که من نمی خواهم مقاله را با آن شلوغ کنم. بقیه قبلاً محاسبه شده است و تنها چیزی که باقی می ماند طراحی تابلوها در نوعی CAD است.

نتیجه

امیدوارم مقاله من به شما در شروع استفاده از ترانسفورماتورهای مسطح هم در پروژه های خانگی و هم در پروژه های تجاری کمک کند. این فناوری باید با دقت مورد استفاده قرار گیرد، زیرا، بسته به وظیفه، ممکن است گرانتر از ترانسفورماتورهای "کلاسیک" باشد.

استفاده از ترانسفورماتورهای مسطح نیز بدون شک فرصت‌های فنی جدیدی را به وجود می‌آورد و ماسفت‌های مدرن و ترانزیستورهای جدید GaN تنها به این امر کمک می‌کنند و امکان ایجاد مبدل‌هایی با فرکانس‌های 400 کیلوهرتز و بالاتر را فراهم می‌کنند. با این حال، هزینه این "ویژگی ها" همیشه به اندازه کافی کم نیست، و حتی طراحی مبدل های تشدید در چنین فرکانس هایی نیاز به مجموعه بزرگی از دانش و تجربه دارد.

اما ناراحت نباش! هر یک از شما، حتی یک مهندس الکترونیک مبتدی، می‌تواند توپولوژی‌ها را به روشی آسان‌تر جمع‌آوری کند، مثلاً یک پل ZVS (پل کامل). این توپولوژی به شما امکان می دهد بازده بسیار بالایی داشته باشید و نیازی به دانش فوق سری ندارد. شما فقط باید یک نمونه اولیه یا طرح بندی درست کنید و زیاد آزمایش کنید. در کشف افق های جدید موفق باشید!

خوانده شده 14146 بار

اندازه روزافزون محصولات الکترونیکی، به ویژه دستگاه های تلفن همراه، به این معنی است که طراحان باید از کوچکترین اجزای ممکن استفاده کنند. برای اجزای نیمه هادی، و همچنین قطعات غیرفعال، مانند مقاومت ها و خازن ها، انتخاب بسیار بزرگ و متنوع است. ما یک جایگزین در اندازه کوچک برای یک عنصر غیرفعال دیگر - ترانسفورماتورها و چوک ها در نظر خواهیم گرفت. در بیشتر موارد، طراحان از ترانسفورماتورها و چوک های سیمی استاندارد استفاده می کنند. ما مزایای ترانسفورماتورهای مسطح (PTs) مبتنی بر بردهای مدار چاپی چند لایه را در نظر خواهیم گرفت. هزینه PCB های چند لایه به طور مداوم در حال کاهش است، بنابراین ترانسفورماتورهای مسطح جایگزین خوبی برای ترانسفورماتورهای معمولی هستند.

ترانسفورماتورهای مسطح جایگزین جذابی برای ترانسفورماتورهای معمولی در مواقعی که اجزای مغناطیسی کوچک مورد نیاز هستند، ارائه می دهند. با تکنولوژی مسطح ساخت اجزای القایی، نقش سیم پیچ ها را می توان با تراک های روی برد مدار چاپی یا مقاطع مسی، اعمال به روش چاپی و جداسازی لایه هایی از مواد عایق ایفا کرد و علاوه بر این، سیم پیچ ها را می توان از آن ها ساخت. برد مدار چاپی چند لایه این سیم پیچ ها بین هسته های فریت با اندازه کوچک قرار می گیرند. با طراحی، اجزای مسطح به چند نوع تقسیم می شوند. نزدیکترین چیز به قطعات القایی معمولی قطعات مسطح آویزان هستند که می توانند به جای قطعات معمولی در PCBهای تک لایه و چند لایه استفاده شوند. ارتفاع اتصال را می توان با فرو بردن هسته در برش در PCB کاهش داد تا سیم پیچ روی سطح PCB قرار گیرد. Step Up یک نوع هیبریدی است که برخی از سیم‌پیچ‌ها در مادربرد تعبیه شده است 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 جزء 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 چسباندن یا بستن به یکدیگر متصل کرد. FERROXCUBE طیف گسترده ای از هسته های الکترونیکی مسطح را برای کاربردهای مختلف ارائه می دهد.

مزایای فناوری مسطح

فن آوری مسطح برای ساخت اجزای مغناطیسی دارای چندین مزیت نسبت به سیم پیچی معمولی است. اولین مزیت واضح فضای سر بسیار کم است که باعث می شود اجزای مسطح برای نصب در قفسه با چگالی بالا و کاربردهای قابل حمل امیدوارکننده باشند.

اجزای مغناطیسی مسطح برای طراحی مبدل های قدرت سوئیچینگ با کارایی بالا مناسب هستند. تلفات کم مس AC و فاکتورهای جفت بالا تبدیل کارآمدتری را فراهم می کند. اندوکتانس نشتی کم نوسانات و نوسانات ولتاژ را کاهش می دهد که می تواند باعث آسیب به اجزای MOS و منبع تداخل اضافی شود.

فناوری Planar برای ساخت 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. هزینه کلی: بدون نیاز به قاب، اندازه هسته کوچکتر.

اجزای یکپارچه در مقابل پیوست ها

اجزای مسطح یکپارچه در جایی 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 عملکرد فرکانس بالا خوب است.

• ضمیمه ها متفاوت استفاده می شوند. کاربردهای معمولی مبدل های پرقدرت هستند. آنها عمدتا از ترکیب دو هسته بزرگ W شکل استفاده می کنند. عملکرد حرارتی نیاز اصلی طراحی است. طراحی سیم پیچ به ویژه به میزان جریان بستگی دارد.

وصل کردن قطعات اتصال به برد به شما این امکان را می دهد که ارتفاع مجموعه را بدون تغییر موقعیت اجزا کاهش دهید.

قطعات هیبریدی تعداد سیم پیچ های آویزان را با استفاده از مسیرهای PCB کاهش می دهند و در نسخه یکپارچه به هیچ وجه سیم پیچ های آویزان وجود ندارد. ترکیب این دو نیز امکان پذیر است. به عنوان مثال، یک مبدل قدرت ممکن است یک راکتور فیلتر اولیه و خطی ترانسفورماتور را در مادربرد، و راکتور ثانویه و خروجی را روی بردهای مدار چاپی جداگانه داشته باشد (شکل 3).

باندینگ در مقابل بستن

انتخاب بین چسب و گیره تا حد زیادی به توانایی ها و ترجیحات سازنده بستگی دارد، اما الزامات خاص برنامه نیز وجود دارد که ممکن است تعیین کند کدام روش مطلوب تر است.

اولین حوزه کاربرد ترانسفورماتورهای مسطح تبدیل توان بود. بر این اساس، در این مورد از 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 پالس، یک ترانسفورماتور پهن باند بین آی سی ژنراتور پالس و کابل، جداسازی و تطبیق امپدانس را فراهم می کند. در مورد رابط S یا T، همچنین باید یک فریت با نفوذپذیری بالا باشد. هسته های فریت 3E6 با نفوذپذیری بالا به مجموعه محصولات FERROXCUBE اضافه شده است. لیستی از کاربردهایی که استفاده از فناوری مسطح می تواند مزایایی را در آنها ایجاد کند در زیر آورده شده است.

تبدیل برق

• اجزاء
  • ترانسفورماتورهای قدرت، چوک های خروجی یا رزونانسی، 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).
  • کامپیوترهای لپ تاپ (منبع تغذیه اصلی).
  • وسایل نقلیه الکتریکی (مبدل ولتاژ کششی به 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 جلوی ماشین تخلیه گاز (بالاست).
  • گرمکن شیشه عقب خودرو (مبدل استپ آپ).

انتقال پالس

• اجزاء
  • ترانسفورماتورهای باند پهن
  • S 0 -رابط (خط تلفن مشترک).
  • رابط های U (خط مشترک ISDN).
  • رابط های T1 / T2 (خط اصلی بین سوئیچ های شبکه).
  • رابط های ADSL
  • رابط های HDSL

جدول 4. مشخصات مواد

جدول 5. هسته برای اتصال (بدون شیار)

جدول 6. مواد هسته برای اتصال

(*) - نیمی از هسته ها برای استفاده در ترکیب با هسته W شکل بدون شکاف یا صفحه.

(**) - نیمی از هسته ها با نفوذپذیری مغناطیسی بالا.

E160 - E - نیم هسته با فاصله متقارن. A L = 160 nH (در ترکیب با فاصله نیمه متقارن اندازه گیری می شود).

A25 - E - نیم هسته با فاصله نامتقارن. A L = 25 nH (در ترکیب با نیمه هسته بدون خلاصی اندازه گیری می شود).

A25 - P - نیم هسته با فاصله نامتقارن. AL = 25 nH (در ترکیب با صفحه اندازه گیری می شود).

1100/1300 - نیم هسته بدون ترخیص. AL = 1100/1300 nH (در ترکیب با نیم هسته بدون ترخیص / 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 چسباندن)

جدول 8. هسته با اتصال گیره

گستره محصول

FERROXCUBE طیف گسترده ای از هسته های مسطح W شکل را در محدوده اندازه های 14 تا 64 میلی متر ارائه می دهد. در نسخه پایه برای 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 صفحه مربوطه (که با حروف PLT مشخص می شود) وجود دارد. این مجموعه می تواند از یک هسته E شکل و یک صفحه یا دو هسته E شکل تشکیل شده باشد. در حالت دوم، ارتفاع پنجره سیم پیچ دو برابر می شود. برای کوچکترین اندازه ها نیز مجموعه ای از هسته و صفحه W شکل در نسخه با اتصال گیره وجود دارد. از یک هسته W شکل بریده (که با E / R مشخص می شود) و یک درج شیاردار (که با PLT / S مشخص می شود) استفاده می کند. گیره (که CLM نامیده می شود) به شکاف های هسته می چسبد و با فشار دادن صفحه در دو نقطه، اتصال قوی ایجاد می کند. شیار مانع از جابجایی درج حتی با ضربه یا ارتعاشات شدید می شود و همچنین تراز بودن را تضمین می کند. اتصال گیره برای ترکیب دو هسته E ارائه نشده است.

جدول 9. مواد هسته با اتصال گیره

(1) - نیم هسته برای استفاده در ترکیب با یک صفحه.

A63 - P - نیم هسته با فاصله نامتقارن. AL = 63 nH (در ترکیب با صفحه اندازه گیری می شود).

1280 - نیم هسته بدون ترخیص.

AL = 1280 nH (در ترکیب با صفحه اندازه گیری می شود).

مقدار A L (nH) در B≤0.1 mT، f≤10 kHz، T = 25 درجه سانتی گراد اندازه گیری شد.

تحمل A L:

جدول 10. وابستگی ویژگی ها به توان (هسته با اتصال گیره)

هسته های فریت قدرتمند 3F3 (فرکانس کاری تا 500 کیلوهرتز) و 3F4 (500 کیلوهرتز - 3 مگاهرتز) در همه اندازه ها موجود هستند. بزرگترین هسته ها نیز از فریت 3C85 (فرکانس کاری تا 200 کیلوهرتز) ساخته شده اند، زیرا هسته های بزرگ اغلب در کاربردهای فرکانس پایین با توان بالا استفاده می شوند. همچنین کوچکترین هسته های ساخته شده از فریت 3E6 با نفوذپذیری بالا (μ i = 12000) برای استفاده در چوک های فیلتر خط و ترانسفورماتورهای باند پهن موجود است.

بسته

روکش 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 ترمینال

جدول 14. بسته بندی نوار

برای هسته های E14 / 3.5 / 5 و E18 / 4/10، یک نمونه اولیه بسته بندی نوار برای استفاده با مونتاژ خودکار اجزای SMD ایجاد شد. روش بسته بندی مطابق با IEC-286 قسمت 3 است. صفحات به همان روشی که هسته های E مربوطه بسته بندی می شوند.

توسعه از

برای استفاده حداکثری از مزایای فناوری مسطح، باید از مفهوم طراحی متفاوتی نسبت به سیم پیچی استفاده کرد. در زیر نکاتی برای راهنمایی شما در این زمینه آورده شده است.

انتخاب هسته

• القای مغناطیسی

عملکرد حرارتی بهبود یافته امکان تلفات توان دو برابری را نسبت به یک طراحی معمولی برای همان مقدار میدان مغناطیسی فراهم می کند، بنابراین چگالی شار بهینه بالاتر از حد معمول خواهد بود.

• فاصله هوا

شکاف های بزرگ در طرح های مسطح نامطلوب هستند زیرا شار نشتی ایجاد می کنند. شار لبه بستگی به نسبت ارتفاع پنجره سیم پیچ به عرض شکاف هوا دارد که برای هسته های تخت کوچکتر است. اگر ارتفاع پنجره تنها چندین برابر عرض شکاف و عرض چندین برابر بیشتر از عرض قسمت مرکزی هسته باشد، در این صورت یک شار قابل توجه بین بالا و پایین هسته ایجاد می شود. . مقادیر زیاد لبه ها و جریان های متقاطع منجر به تلفات زیاد جریان گردابی در سیم پیچ می شود.

طراحی سیم پیچ

• مقاومت DC

متداول ترین مسیرهای مسی با ضخامت های 35، 70، 100 و 200 میکرون هستند. اگر سطح مقطع مسیر برای به دست آوردن مقاومت DC قابل قبول کافی نباشد، می توان مسیرها را به صورت موازی برای تمام یا بخشی از پیچ ها متصل کرد.

• مقاومت AC

تلفات AC به دلیل اثرات پوستی و مجاورت برای مسیرهای مسطح مسطح کمتر از سیم 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 یک هسته E و یک صفحه به دلیل محل شکاف هوا، شار نشتی کمی کمتر از ترکیب دو هسته E دارد.

• اندوکتانس نشتی

وقتی سیم‌پیچ‌ها روی هم 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 پیچیدن بالاتر می شود. این ظرفیت را می توان با قرار دادن مسیرهای سیم پیچ های مجاور در شکاف های بین یکدیگر کاهش داد (شکل 13، ب).

علاوه بر این، تکرارپذیری مقدار خازن به آن اجازه می دهد تا در بقیه مدار جبران شود و همچنین در طرح های رزونانسی استفاده شود. در مورد دوم، می توانید با قرار دادن مسیرهای سیم پیچ های مجاور در مقابل یکدیگر، به طور هدفمند ظرفیت زیادی ایجاد کنید (شکل 13، ج).

تولید

مونتاژ

هنگام استفاده از گیره، ابتدا باید گیره را در فرورفتگی های هسته بچسبانید و سپس صفحه را به صورت جانبی تراز کنید.

برای اجزای یکپارچه، مونتاژ با مونتاژ ترکیب می شود.

نصب و راه اندازی

هنگام استفاده از اجزای اضافی، می توانید از تخته های سوراخ دار یا نصب SMD استفاده کنید. هیچ تفاوت قابل توجهی با روند معمول وجود ندارد

سطح صاف هسته برای نصب خودکار مناسب است.

برای اجزای یکپارچه، نصب بهتر است در دو مرحله انجام شود:

1. نیمی از هسته را به PCB 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.
2. نیمه دوم هسته را به قسمت اول بچسبانید. این شامل همان نظراتی است که در مورد مونتاژ اجزای الحاقی ارائه شد.

لحیم کاری

فقط برای ترانسفورماتورهای لولایی کاربرد دارد.

در مورد لحیم کاری مجدد، جابجایی گرم روش گرمایش ترجیحی به جای تابش مادون قرمز است، زیرا روش اول یکسان سازی دمای سطوحی را که قرار است لحیم کاری شود تضمین می کند. هنگامی که با اشعه مادون قرمز با استفاده از مواد استاندارد گرم می شود، هدایت حرارتی خوب جزء مسطح می تواند منجر به دمای بسیار پایین خمیر لحیم کاری شود و اگر قدرت تابش افزایش یابد، دمای PCB بسیار زیاد است. اگر از گرمایش مادون قرمز استفاده می شود، توصیه می شود خمیر لحیم کاری و / یا مواد PCB متفاوت را انتخاب کنید.

تعیین اندازه های استاندارد

همه اعداد نشان داده شده به نیم هسته ها اشاره دارد. لازم است دو نیمه هسته را با ترکیب صحیح سفارش دهید. چهار نوع نیمه هسته وجود دارد که از آنها مجموعه هایی از سه نوع ساخته می شود:

• دو هسته W شکل (E + E)؛
• هسته و صفحه W شکل (E + PLT)؛
• هسته شیاردار W شکل و صفحه شیاردار (E / R + PLT / S).

آخرین مجموعه شامل یک گیره (CLM) نیز می باشد.

مقاله بعدی روشی برای محاسبه ترانسفورماتورهای قدرت مسطح برای منابع تغذیه سوئیچینگ ارائه می کند.

ترانسفورماتورها و چوک های پلانار پیتون (2005)

یکی از وظایف اصلی در توسعه ترانسفورماتور کاهش ابعاد کلی آن در عین افزایش توان موثر است. امروزه ترانسفورماتور دومین رنسانس را تجربه می کند - یک فناوری جدید مسطح جایگزین فناوری ترانسفورماتور سنتی می شود. اصل ساخت دستگاه های الکترومغناطیسی با استفاده از فناوری جدید، استفاده از بردهای مدار چاپی به جای مجموعه قاب و سیم پیچی است. نقش سیم پیچ در فناوری مسطح توسط آهنگ های چاپ شده روی تخته بازی می شود. تخته ها در چندین لایه روی هم چیده شده اند، توسط یک ماده عایق از هم جدا شده و در یک هسته فریت محصور شده اند.

تکنولوژی مسطح
تا اواسط دهه 1980، فناوری ترانسفورماتورهای مسطح عمدتاً به پیشرفت‌ها در صنایع نظامی، هوانوردی و فضایی محدود می‌شد. در خاستگاه کاربرد تجاری فعال فن آوری های مسطح، الکس استروف بود که در سال 1986 اطلاعاتی در مورد پیشرفت های خود در زمینه ترانسفورماتورهای مسطح که در فرکانس تشدید 1 مگاهرتز کار می کنند منتشر کرد. موفقیت در انتظار ایده بود. مدتی بعد، A. Estrov شرکتی را تشکیل داد (امروزه آن را Payton Power Magnetics Ltd. می نامند) که تولید انبوه ترانسفورماتورهای صفحه قدرت و چوک ها را راه اندازی کرد.
فناوری مسطح چیست و چگونه قابل توجه است؟ مثالی را در نظر بگیرید که اصل ساخت ترانسفورماتورهای مسطح را توضیح می دهد (شکل 1). شکل یک نمای انفجاری از ترانسفورماتور را نشان می دهد. این شامل چندین صفحه با پیچ های سیم پیچی است که روی آنها اعمال می شود و صفحات عایق که صفحات سیم پیچ را از یکدیگر جدا می کند. سیم پیچ ترانسفورماتور به صورت آهنگ روی بردهای مدار چاپی یا مقاطع مسی چاپ شده روی برد ساخته می شود. همه لایه ها روی هم چیده شده و توسط دو قطعه از یک هسته فریت در جای خود نگه داشته می شوند.
تمایل به کاهش ابعاد کلی در عین افزایش توان، هدف اصلی توسعه دستگاه های قدرت مدرن است. در عین حال، ترانسفورماتورهای مسطح، بر خلاف ترانسفورماتورهای سنتی، دارای منطقه خنک کننده مؤثر نسبتاً بزرگی هستند و خنک شدن آنها راحت تر است - می توانید از گزینه های مختلفی استفاده کنید: رادیاتور طبیعی، اجباری، یک طرفه و دو طرفه، خنک کننده مایع.
یکی دیگر از ویژگی های مثبت دستگاه های مسطح، پخش اندک پارامترهای الکتریکی از دستگاهی به دستگاه دیگر است. یک ترانسفورماتور سیم پیچ دارای پراکندگی زیادی از پارامترها است، زیرا سیم در طول فرآیند سیم پیچی به طور ناهموار روی قاب قرار می گیرد، که نمی تواند بر پارامترهای دستگاه (به عنوان مثال، اندوکتانس، ضریب Q) تأثیر بگذارد. ترانسفورماتورهای مسطح بر اساس بردهای مدار چاپی چند لایه مونتاژ می شوند. هر تخته به همین ترتیب ساخته می شود. آثار روی تخته ها نیز چاپ شده است. اچ کردن تخته ها همیشه یکسان است. خطای پارامترهای یک ترانسفورماتور مسطح صد برابر کمتر از خطای یک ترانسفورماتور سیم پیچ سنتی است.
ترانسفورماتورهای مسطح برای سیستم های مخابراتی، رایانه ها، سیستم های هواپیما، منابع تغذیه، ماشین های جوشکاری، سیستم های گرمایش القایی ایده آل هستند. هر جا که به ترانسفورماتورهای قدرت با راندمان بالا و ابعاد کوچک نیاز است.
مزایای اصلی ترانسفورماتورهای مسطح:
قدرت بالا با ابعاد کلی کوچک (10 وات - 20 کیلو وات)؛
راندمان بالای دستگاه ها (97-99٪)؛
محدوده دمای عملیاتی گسترده: از -40 تا + 130 ° C.
قدرت دی الکتریک دستگاه ها 4-5 کیلو ولت؛
اندوکتانس نشتی کم؛
محدوده فرکانس کاری دستگاه های مسطح در محدوده 20 کیلوهرتز تا 2.5 مگاهرتز قرار دارد.
قدرت بالا با ابعاد کوچک: ترانسفورماتورهای مسطح معمولاً از یک تا هفت سیم پیچ هستند.
پراکندگی کمی از پارامترها در طول تولید سریال دستگاه ها؛
سطح بسیار پایین تداخل الکترومغناطیسی؛
ابعاد و وزن کم

ترانسفورماتورهای پلانار پیتون
پیتون طیف وسیعی از ترانسفورماتورهای مسطح از 5 وات تا 20 کیلووات را تولید می کند. ترانسفورماتورهای پیتون از نظر اندازه کوچک هستند (شکل 2)، قادر به کار در توان بالا و عملکرد حرارتی خوبی هستند. جدول 1 داده هایی را در مورد اندازه توان، وزن و اندازه هسته ارائه می دهد.

خط تولید Payton شامل دستگاه هایی است که برای سطوح مختلف قدرت برای استفاده در تجهیزات مخابراتی، منابع تغذیه، مبدل های ولتاژ AC / DC و DC / DC و غیره طراحی شده اند. جدول 2 مشخصات اصلی برخی از انواع ترانسفورماتورهای مسطح پایتون را نشان می دهد.
در ابتدا، توسعه دهندگان Payton بر تولید ترانسفورماتورها فقط برای منابع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) برای استفاده در ماشین های جوشکاری و سیستم های گرمایش القایی تمرکز کردند. با این حال، در حال حاضر آنها تقریبا در همه جا استفاده می شود.
ترانسفورماتورهای مدرن Payton برای استفاده در SMPS برای ماشین های جوشکاری ایده آل هستند. ترانسفورماتورها کاملاً در ساختار منبع قرار می گیرند و مدت زمان طولانی کارکرد آن را تضمین می کنند. مشخص است که دستگاه های جوشکاری SMPS مقادیر بسیار بالایی از جریان خروجی تولید می کنند. بنابراین، در بیشتر موارد، تنها چند چرخش ثانویه وجود دارد. بنابراین ترانسفورماتورهای مسطح برای کار با جریان های بالا مناسب هستند و می توانند در تجهیزات جوشکاری استفاده شوند. استفاده از ترانسفورماتورهای مسطح می تواند اندازه و وزن دستگاه نهایی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.

ترانسفورماتور مسطح همچنین به خوبی در ساختار منابع تغذیه سیستم های گرمایش القایی قرار می گیرد. برای این منظور، به عنوان مثال، یک ترانسفورماتور 20 کیلووات (شکل 3) با ابعاد 180x104x20mm تولید شد.
پیتون پاور مغناطیسی ترانسفورماتورهای سربی را برای انواع روش‌های نصب، با گزینه‌هایی هم برای نصب روی سطح و هم از طریق نصب PCB ارائه می‌کند. سطوح صاف هسته ها برای مونتاژ خودکار مناسب هستند. علاوه بر این، دستگاه هایی با خروجی برای نصب روی سطح وجود دارد.

پیتون پلنار چوک
پیتون طیف گسترده ای از چوک ها را با استفاده از فناوری مسطح تولید می کند. چوک های پیتون مانند ترانسفورماتورها علیرغم اندازه کوچکشان قدرت قابل توجهی را ارائه می دهند. چوک ها با استفاده از فناوری پیش مغناطیسی هسته تولید می شوند. اگرچه این فناوری برای مدت طولانی شناخته شده است، اما به دلیل هزینه بالای مواد مغناطیسی خاص که به طور سنتی برای ساخت هسته ها استفاده می شود، ناتوانی در کارکرد دستگاه ها در فرکانس های بالا و در نتیجه تخریب ویژگی ها، کاربرد گسترده ای پیدا نکرده است. مغناطیس زدایی هسته مهندسان Payton با استفاده از هسته های فرومغناطیسی - جایگزینی ارزان و موثر برای هسته های آهنربایی ویژه - این کاستی ها را برطرف کرده اند.
فناوری پیش مغناطیسی هسته ها به شما این امکان را می دهد که مقدار اندوکتانس سلف را بدون تغییر جریان دو برابر کنید یا مقدار جریان را با یک اندوکتانس ثابت دو برابر کنید. فن آوری جدید برای تولید چوک می تواند تلفات برق را تا 4 برابر کاهش دهد و سطح تماس را 30-40٪ کاهش دهد (شکل 4).
آزمایش چوک ها برای زوال خواص مغناطیسی نشان داد که در فرکانس های کاری تا 1 مگاهرتز، بدتر شدن خواص مغناطیسی هسته ها حتی زمانی که شدت میدان 10 برابر بیشتر از مقدار عملیاتی معمولی باشد، رخ نمی دهد.

چوک هیبریدی پیتون
علاوه بر این، Payton به طور فعال در حال توسعه فناوری هایی برای ساخت چوک های مسطح هیبریدی است که قادر به کار در فرکانس های تشدید بالا هستند. این دستگاه ها بر اساس یک هسته فرومغناطیسی مسطح "6 زانو"، همراه با یک سیم پیچ چند هسته ای ساخته شده اند. این ترکیب به شما امکان می دهد در فرکانس های بالا به فاکتور کیفیت بالا دست پیدا کنید. برای مثال مقدار ضریب Q یک چوک با اندوکتانس 40 میکروH در جریان 3 آمپر و فرکانس کاری 1 مگاهرتز 500 است!

فیلترهای خفگی پیتون
پیتون همچنین چوک های مسطح را تولید می کند که به طور خاص برای کاهش نویز حالت معمول طراحی شده اند. نسبت بین اندوکتانس نشتی و خودالقایی دستگاه به 0.005٪ کاهش می یابد. با توجه به ظرفیت ذاتی بالا، چوک های حالت معمولی مسطح می توانند شامل خازن های ورودی و خروجی باشند. بنابراین می توان از این نوع چوک به عنوان فیلتر نویز حالت معمولی استفاده کرد. فیلترهای چوک مسطح در حال حاضر در دست توسعه هستند که در جریان تا 200 آمپر کار خواهند کرد.

نتیجه
با توجه به پایداری مشخصات فنی، راندمان بالا و روش خنک کاری کارآمد قطعات الکترومغناطیسی مسطح پایتون، استفاده از آنها راه حلی جذاب برای تولیدکنندگان منبع تغذیه است. روند نزولی در تولید PCB چند لایه باعث می شود که ترانسفورماتورهای مسطح برای کاربردهای مختلف بسیار مقرون به صرفه تر باشند. می توان فرض کرد که در آینده نزدیک دستگاه های مسطح به طور کامل جایگزین ترانسفورماتورهای سیمی سنتی خواهند شد.