Planarni transformatori su izvrsna alternativa standardni transformatori i prigušnice namotane žicom. Osnova za planarne transformatore su višeslojne tiskane ploče.
Danas razvoj planarnih transformatora zahtijeva korištenje komponenti minimalnih dimenzija, jer se dimenzije elektronike stalno smanjuju.
Planarni energetski transformatori
Dizajn planarnih energetskih transformatora može se izvesti ili s komponentama koje se nalaze iznad ploče, kao što su jednoslojne ili male višeslojne ploče, ili kao višeslojne tiskane ploče.
Prednosti planarnih transformatora:
- male su veličine;
- imaju izvrsne temperaturne karakteristike;
- imaju nisku induktivnost curenja;
- imaju izvrsnu ponovljivost svojstava.
Zbog većeg omjera površine jezgre i njezinog volumena, toplinski otpor takvih uređaja može biti 2 puta manji nego kod konvencionalnih transformatora namotanih žicama.
Slika 1. Dizajn planarnih transformatora
Zbog toga, zbog svog povećanog kapaciteta hlađenja, planarni transformatori mogu podnijeti veću gustoću propusne snage, dok zadržavaju porast temperature unutar prihvatljivih granica.
Planarni transformatori na bazi višeslojnih tiskanih ploča
Što se tiče poluvodičkih komponenti, uključujući i one pasivne, što uključuje kondenzatore i otpornike, postoji prilično širok izbor.
Međutim, danas ćemo govoriti o planarnim transformatorima.
Tipično, u mnogim slučajevima, dizajneri koriste standardne transformatore i prigušnice koje su namotane žicom. Ali mi ćemo opisati planarne transformatore (PT) temeljene na višeslojnim pločama.
Budući da cijena višeslojnih ploča ima tendenciju pada, planarni transformatori postupno zamjenjuju konvencionalne. Pogotovo u slučajevima kada je potrebna mala magnetska komponenta.
U tehnologiji proizvodnje planarnih transformatora, namote igraju staze na tiskanoj pločici ili dijelovi bakra koji su tiskani i odvojeni različitim slojevima izolacijskog materijala.
Namoti se također mogu izraditi od višeslojnih ploča. Postavljeni su između malih feritnih jezgri.
Što se tiče dizajna planarnih transformatora, oni se mogu podijeliti u nekoliko tipova.
- Montirane planarne komponente – najbliže su konvencionalnim induktivnim komponentama. Mogu zamijeniti konvencionalne dijelove na jednoslojnim ili višeslojnim tiskanim pločama. Visina zglobne planarne komponente može se smanjiti uranjanjem jezgre u izrez isprintana matična ploča. U ovom slučaju, namot bi trebao ležati na površini ploče.
- Hibridni tip planarnih transformatora. Ova vrsta uključuje ugradnju dijela namota u matičnu ploču. Istodobno, drugi dio namota nalazi se na višeslojnoj tiskanoj ploči, koja je spojena na matičnu ploču. Ali u ovom slučaju matična ploča mora imati rupe za feritnu jezgru.
- Namot je potpuno integriran u višeslojnu tiskanu ploču. Polovice jezgre spajaju se lijepljenjem ili stezanjem. Sve ovisi o preferencijama kupca i proizvođača.
Prednosti planarne tehnologije
U usporedbi s konvencionalnim namotavanjem žice, planarna tehnologija za proizvodnju magnetskih komponenti ima brojne prednosti.
Planarni transformatori našli su svoju prvu primjenu u pretvorbi energije. U tu svrhu korišteni su srednje i visokofrekventni feriti u planarnim transformatorima. Možete kupiti planarni transformator od proizvođača.
Ako ste zainteresirani za razvoj prilagođenih planarnih transformatora, tada možete induktivirati induktor zaštita od prenapona može se povećati zamjenom snažnog ferita materijalima s visokom magnetskom propusnošću.
U prijenosu impulsnog signala, širokopojasni transformator smješten između IC generatora impulsa i kabela osigurava odvajanje i usklađivanje impedancije. U slučaju S- ili T-sučelja, također mora biti ferit s visokom magnetskom propusnošću.
Planarni transformatori su prvi put razvijeni u kasnim 80-ima, ali zbog složene proizvodne tehnologije nisu bili široko korišteni. Suvremena tehnologija za proizvodnju planarnih transformatora također se ne može nazvati jednostavnom, ali zahvaljujući stalnom poboljšanju tehnološki proces, cijena planarnih transformatora se smanjila i to im je omogućilo da se natječu na tržištu napajanja.
Planarni transformatori su izvrsna alternativa konvencionalnim transformatorima kada se pojavi potreba za malim magnetskim komponentama.
Planarni transformatori mogu se koristiti kao zidne komponente, kao jednoslojne tiskane ploče ili kao male višeslojna ploča.
Prednosti planarnih magnetskih komponenti
Glavne prednosti mogu se opisati na sljedeći način:
Slika 1. Vrste planarnih transformatora
Značajke tehnologije
Planarna proizvodna tehnologija predviđa da su u procesu proizvodnje induktivnih komponenti namoti staze na tiskanoj ploči ili dijelovi bakra koji su tiskani i odvojeni slojevima izolacijskog materijala. Namoti se također mogu izraditi od višeslojnih tiskanih ploča.
U svakom slučaju, namoti su smješteni između malih feritnih jezgri. Nadzemne planarne komponente najbliže su konvencionalnim induktivnim komponentama i mogu se koristiti umjesto konvencionalnih dijelova na jednoslojnim ili višeslojnim tiskanim pločama.
Da bi se smanjila visina nadzemne komponente, potrebno je postaviti jezgru u izrez tiskane pločice tako da namot leži na površini pločice.
Korak naprijed pokazuje hibridni tip, u kojem su neki od namotaja ugrađeni u matičnu ploču, a ostali su na višeslojnoj ploči koja se spaja na matičnu ploču.
U isto vrijeme, matična ploča mora imati rupe za feritnu jezgru.
Posljednji tip planarne komponente ima namot potpuno integriran u višeslojnu tiskanu ploču.
Slika 2. Planarni transformatori na tiskanoj pločici
Razlike između planarnih transformatora i tradicionalnih transformatora sa zavojnicama
- Planarni transformatori imaju relativno veliko efektivno područje hlađenja i mnogo ih je lakše hladiti. Da biste to učinili, možete koristiti prirodne, prisilne, hlađenje tekućinom, jednostrani ili dvostrani radijator.
- Male varijacije električnih parametara od uređaja do uređaja.
- Pogreške parametara planarnog transformatora su stotine puta manje od pogrešaka tradicionalnog transformatora.
Gdje se koriste planarni transformatori?
Planarni transformatori našli su svoju primjenu u telekomunikacijskim sustavima, zrakoplovstvu ugrađeni sustavi, računala, napajanja, aparati za zavarivanje te u indukcijskim sustavima grijanja. Općenito, planarni transformatori se mogu koristiti gdje god postoji potreba za energetskim transformatorima koji imaju visoka efikasnost, a istodobno je imao male dimenzije.
Izum se odnosi na elektrotehniku i radiotehniku i može se koristiti u proizvodnji planarnog transformatora namijenjenog prijenosnim električnim i radiotehničkim uređajima. Tehnički rezultat- povećanje operativne pouzdanosti međusloja električne veze namota transformatora zbog lemljenja kontaktnih ploča namota, mogućnost izrade zavoja namota velikog poprečnog presjeka i, prema tome, s velika vrijednost dopuštena struja, postignuće optimalna vrijednost omjer transformacije i, sukladno tome, izlazni napon transformatora, mogućnost integracije namota transformatora u višeslojnu tiskanu ploču tijekom njihove zajedničke proizvodnje. To se postiže izradom višeslojnog namota na površini galvanoplastične metalne matrice uzastopnom proizvodnjom, prvo, jednostranih namota s unutarnjim i vanjskim kontaktnim jastučićima, zatim, na temelju njih, dvostrano tiskanih namota, koji čine višeslojni navijanje. Unutarnji i vanjski kontaktne pločice proizvode se istovremeno sa zavojima jednostranih namota elektrolitičkim taloženjem bakra na prazna područja maske od fotorezista nanesene na površinu matrice. Unutarnje kontaktne pločice susjednih namota spajaju se lemljenjem tijekom izrade dvostranih namota, a vanjske kontaktne pločice spajaju se lemljenjem nakon postavljanja dvostranih namota u višeslojni paket namota. Na taj način se izrađuju i lijepe primarni i sekundarni namot transformatora. Zatim se u namotima izrezuju rupe u koje se ugrađuje feritna jezgra i dobiva se planarni transformator na temelju višeslojne tiskane pločice. Metoda omogućuje proizvodnju planarnih transformatora koji se temelje na višeslojnoj tiskanoj pločici koristeći i minijaturnu feritnu jezgru tipa EH/3.5/5 u E-E sustavu i veliku jezgru tipa Sh 68/21/50, na kojoj izlazne karakteristike transformatora mogu se dobiti 100 V i 100 A, s naponom napajanja od 12 V. 1 c.p. f-ly, 7 ilustr.
Izum se odnosi na elektrotehniku i radiotehniku i može se koristiti u prijenosnim električnim i radiotehničkim uređajima.
Metoda proizvodnje planarnog transformatora na temelju višeslojne tiskane pločice može pronaći široku primjenu. praktičnu upotrebu, ako to omogućuje proizvodnju višeslojne tiskane pločice matične ploče s pouzdanim međuslojnim otvorima, s zavojima velike debljine, pri čemu će poprečni presjek zavoja odgovarati optimalnim vrijednostima dopuštene struje.
Metoda mora biti prikladna za masovnu proizvodnju planarnih transformatora.
Poznata je metoda za formiranje planarnih induktiviteta, koja se sastoji u dijeljenju površine tanke glavne trake, obložene folijom s obje strane, na pravokutne dijelove i korištenjem fotolitografije za primjenu uzorka zavoja zavojnice na svaki dio, a na dodatni na traku se nanosi uzorak kontaktnih pločica. Kontaktne pločice s obje strane trake su električno povezane kemijskom i galvanskom metalizacijom prolaznih rupa. Zatim se pomoću kemijskog jetkanja uklanja bakar s područja površine folijske trake koja nisu zaštićena fotorezistom. Istodobno se dobivaju linije razgraničenja između sekcija, zatim se elementi filma kotrljaju duž svojih razdjelnih linija u harmoniku uz istodobnu kompresiju, dok se elementi nalaze jedan iznad drugoga kako bi formirali namotaje u fazi. Prvo se namotaju dodatne trake s kontaktnim jastučićima, a zatim se namota glavna traka. Izolacija između elemenata susjednih dijelova tijekom procesa savijanja traka u harmoniku provodi se nanošenjem ljepljivog premaza ili dodatnih brtvila i dobiva se planarna induktivnost.
Nedostaci ove poznate metode uključuju nisku pouzdanost međuslojnih prijelaza višeslojne zavojnice, ograničenje debljine zavoja zavojnice debljinom folije na dielektriku folije, položaj kontaktnih jastučića na dodatnim trakama, što otežava postavljanje elemenata svitka i povećava njegov volumen.
Poznata je metoda izrade planarnog transformatora na bazi višeslojne tiskane pločice, prema kojoj se tiskani namoti transformatora izrađuju na folijskom dielektriku jetkanjem folije na mjestima koja nisu zaštićena fotorezistom. Ispisani namoti se zatim skupljaju u paket. Odvojeni su ljepljivim odstojnicima. Zatim se vrećica preša na temperaturi stvrdnjavanja ljepila. Međuslojne električne veze ostvaruju se između susjednih namota u višeslojnom tiskanom namotu kemijsko-galvanskom metalizacijom prolaznih rupa. Tako se izrađuju i primarni i sekundarni namot transformatora. Međusobno su spojeni lijepljenjem. Zatim se u namotu transformatora stvaraju rupe za ugradnju feritne jezgre. U namot transformatora ugrađuje se i učvršćuje feritna jezgra i dobiva se planarni transformator na bazi višeslojne tiskane pločice. Debljina višeslojnog namota ograničena je slobodnim prostorom u feritnoj jezgri. Vrste feritnih jezgri date su od minijaturnog tipa E14/35/5 do najviše 64/10/50. Metoda je usvojena kao prototip.
Nedostaci metode prototipa uključuju nisku pouzdanost međuslojnih električnih veza dobivenih kemijsko-galvanskom metalizacijom prolaznih rupa, malu debljinu zavoja namota, što je ograničeno debljinom folije na folijskom dielektriku. Zbog toga je teško dobiti zavoje s velikim poprečnim presjekom, potrebnim u snažnim planarnim transformatorima s dopuštenom strujom, na primjer, 100A ili više.
Cilj izuma je stvoriti metodu za proizvodnju planarnog transformatora na temelju višeslojne tiskane pločice s pouzdanim međuslojnim otvorima, kao i dobivanje zavoja namota velike debljine, što omogućuje dobivanje potrebnog poprečnog presjeka zavoj, pri kojem je dopuštena vrijednost struje npr. 100A ili više.
Problem je riješen time što in poznata metoda Za proizvodnju planarnog transformatora koji se temelji na višeslojnoj tiskanoj pločici, bakreni zavoji namota s kontaktnim jastučićima izrađuju se u skladu s tiskanim uzorkom fotorezista, na kojem su namoti smješteni u zasebnim pravokutnim dijelovima. Zatim se namoti stavljaju u vrećicu s ljepljivim jastučićima umetnutim između namota. Vrećica se preša na temperaturi otvrdnjavanja ljepila. Stvorene su međuslojne električne veze namota. Primarni i sekundarni višeslojni namoti se izrađuju i međusobno lijepe. U namotima se stvaraju rupe u koje se ugrađuje feritna jezgra, naznačena time što se zavoji namota s unutarnjim i vanjskim kontaktnim pločama izrađuju elektrolitičkim taloženjem bakra na površinu metalne galvanoplastične matrice koja je prethodno presvučena fotorezistom. maska s pozitivnim uzorkom zavoja namota i kontaktnih jastučića, namoti su postavljeni u dva reda, dok ukupni broj namota jednak je broju slojeva višeslojnog namota, bakar se elektrolitički taloži na raspore fotorezist maske do zadane debljine, zatim se na njegovoj površini stvaraju mikrohrapavosti, fotorezist maska se uklanja i ljepljiva brtva s prozorima postavlja se na površinu bakrenih zavoja na mjestima unutarnjih i vanjskih kontaktnih pločica, brtva se utiskuje u zavoje na temperaturi stvrdnjavanja ljepila i dobivaju se jednostrano otisnuti zavoji, na površinu se nanosi pasta za lemljenje unutarnjih kontaktnih jastučića i reflow, zatim se matrica dijeli na dva dijela, na svakom od kojih se nalazi jedan red jednostranih namota, nakon čega se oba dijela spajaju, polažući ih u paket, dok se prvo ljepilo nanosi se na površine brtvila, jednostrani namoti se lijepe zajedno i dobivaju se obostrano tiskani namoti, nakon čega se matrica odvaja od jedne strane paketa, unutarnje kontaktne pločice su lemljene, lemljeni kontakti štite se elektroizolacijskim lakom, zatim se na dvostrani namot matrice ostavlja samo jedan, a ostali se odvajaju od matrice, redom se stavljaju u paket na namot koji ostaje na matrici, prvo se nanosi ljepilo na površine namota, vanjske kontaktne pločice postavljene su u nizu na matrici i lemljenjem su spojene u parovima, počevši od druge i završavajući s pretposljednjom, pri čemu su u ovom slučaju prva i zadnja kontaktna pločica početak i kraj višeslojnog namota, nakon čega se na vanjske kontaktne podloge stavljaju ljepljivi jastučići i pakiranje se utiskuje, dobiva se višeslojni otisnuti namot, lijepe se primarni i sekundarni namot tako proizvedenog transformatora, nakon čega obje strane namota Matrice se odvajaju i nakon stvaranja rupa u namotima i ugradnje feritne jezgre dobiva se planarni transformator na bazi višeslojne ploče.
Metoda je ilustrirana crtežima, sl.
Slika 1 prikazuje aluminijsku matricu na kojoj su izrađeni zavoji za namatanje s kontaktnim pločicama i elektroizolacijskom brtvom s prozorima. Brtva je dizajnirana za prijenos bakrenih zavoja na nju kako bi se formirali jednostrani namotaji.
Slika 2 prikazuje dvostrane namotaje, koji se dobivaju nakon lijepljenja jednostranih namota
Slika 3 prikazuje višeslojni sekundarni namot formiran lijepljenjem dvostranih namota.
Slika 4 prikazuje primarni namot.
Slika 5 prikazuje namot transformatora dobiven nakon lijepljenja primarnog i sekundarnog namota s rupom za ugradnju jezgre.
Na slici 6 prikazan je planarni transformator na bazi višeslojne tiskane pločice.
Slika 7 prikazuje planarni transformator integriran u višeslojnu tiskanu pločicu.
Metoda se provodi na sljedeći način
Zavoji od bakrenog namota s kontaktnim pločama izrađuju se elektrolitičkim taloženjem bakra na površinu metalne galvanoplastične matrice. Od velikog asortimana metalnih galvanoplastičnih matrica, najučinkovitija za rješavanje problema je aluminijska matrica. Budući da je iz aluminijske matrice moguće prenijeti bakrene tiskane vodiče s matrice na tanku dielektričnu podlogu. Također je moguće izbaciti tiskane bakrene proizvode iz aluminijske matrice. Stoga je iz aluminijske matrice moguće istovremeno prenijeti bakrene tiskane zavoje namota na dielektrični odstojnik i odvojiti kontaktne pločice od matrice. Kao aluminijska matrica 1 (slika 1) koristi se valjana aluminijska legura, na primjer, razreda D16T, debljine 0,1-0,3 mm. Matrica se priprema za oblaganje metalom anodizacijom u 4N sumpornoj kiselini pri gustoći struje od 1A/dm2. Materijal fotorezist maske koristi se ovisno o debljini proizvedenih zavoja namota. Za tanke zavoje do 50 mikrona može se koristiti filmski fotorezist, na primjer, marke SPF-VShch-2-50. Za zavoje veće od 50 mikrona koristi se galvanski otporna boja, npr. marke STZ.13, koja se nanosi sitotiskom. Fotorezist maska 2 s pozitivnim uzorkom zavoja namota 3 s unutarnjim kontaktnim jastučićima 4 i vanjskim 5 nanesena je na površinu matrice 1 (slika 1. Fotorezist uzorak maske 2 sastoji se od dva reda namota 3). Broj namota 3 u dva reda odgovara broju slojeva u višeslojnom namotu Bakar se elektrolitički taloži na prazna područja uzorka fotorezista iz kiselog sulfatnog elektrolita bakrenog sastava u g/l: bakar sulfat - 250, sumporna kiselina - 70, gustoća struje 4 A/dm 2, temperatura 20±2°C . Nakon postizanja zadane debljine sloja bakra, grubi sloj bakra taloži se na njegovu površinu, namijenjen povećanju čvrstoće prianjanja između zavoja namota i dielektričnog odstojnika 6. Grubi sloj bakra se taloži u pulsni način rada iz otopine sastava u g/l: bakar sulfat 35-45, sumporna kiselina 180-200, temperatura 22-26 ° C, vrijeme taloženja 0,5 min, vrijeme pauze 0,025 min, gustoća struje 6 A/dm 2. Trajanje taloženja za postizanje hrapave površine do Ra vrijednosti od 2 µm. Zatim se maska fotorezista uklanja iz matrice 1 otapanjem u odgovarajućim otapalima: film fotorezist u 5% otopini lužine, a galvanski otporna boja u organskom otapalu, na primjer, etilen kloridu. Nakon toga se na bakrene zavojnice postavlja električno izolacijska brtva od stakloplastike 6, impregnirana nedovoljno polimeriziranim ljepljivim vezivom, s temperaturom otvrdnjavanja od 155 ± 5 ° C, na primjer, marke SP-1-01. U brtvi 6, prozori 7 su izrezani na mjestima kontaktnih pločica 4 i 5 (slika 1). Ukupna debljina brtve 6 mora biti najmanje dvostruko veća od debljine zavoja 3, budući da se prilikom utiskivanja brtvila 6 u bakrene zavoje 3, potonji postavljaju u brtvu 6 za cijelu debljinu zavoja. Brtve 6 su utisnute u zavoje 3 na temperaturi otvrdnjavanja ljepljivog veziva. U ovom slučaju, na površinu unutarnjih kontaktnih pločica nanose se jednostrani namoti 8, na primjer, stupanj PP1, na bazi lema POS-61 s talištem od 190-230 ° C. pasta za lemljenje se prelijeva na temperaturi od 90-100°C. Susjedni namoti 3 u svakom redu imaju takav raspored unutarnjih kontaktnih pločica 4 da ako se susjedni namoti polože jedan na drugi, kontaktne pločice 4 se poklapaju i moguće ih je spojiti lemljenjem. U ovom slučaju, vanjske kontaktne pločice 5 susjednih namota bit će smještene na udaljenosti jednakoj koraku između susjednih zavoja u namotu. Za kombiniranje susjednih namota smještenih u dva reda i formiranje dvostrano tiskanih namota, matrica 1 je podijeljena na dva dijela, na svakom od kojih se nalazi jedan red jednostranih namota 8. Zatim se podijeljeni dijelovi matrice 1 postavljaju u pakiranju u skladu s položajem referentnih oznaka 10 na svakom dijelu matrice. Paket je zalijepljen pomoću brtve 6 (slika 2), koji ima prozore 7 na mjestima kontaktnih jastučića 5. S jedne strane paketa, matrica 1 je odvojena, zatim su unutarnji kontakti 4 susjedna namota lemljen. Nakon toga se zalemljeni kontakti 4 premazuju elektroizolacijskim lakom 11, na primjer, marke KO-926, i dobivaju se dvostrano tiskani namoti 12. Sl. 2 debljine 0,06-0,1 mm s prozorima. 7 na mjestima se postavlja na dvostrane namotaje 12 mjesto vanjskih kontaktnih jastučića 5 i lijepi ga pod pritiskom na temperaturi stvrdnjavanja ljepila. Da bi se dobio višeslojni tiskani namot od dvostranih namota 12, na matrici se ostavlja samo jedan dvostrani namot 12, a ostali se odvajaju od matrice i sekvencijalno stavljaju u paket iznad namota 12 koji ostaje na matrici u ovom slučaju, vanjske kontaktne pločice 5 postavljene su u jednom redu 13 na matrici 1 (Slika 3). Spojite kontaktne pločice 5 u paru lemljenjem lemom s temperaturom taljenja višom od temperature otvrdnjavanja ljepljivog veziva, na primjer, lem marke POS-61. Spajanje kontaktnih pločica u paru počinje s drugim kontaktom i završava s pretposljednjim. U ovom slučaju, prva i zadnja kontaktna pločica 5 su početak i kraj višeslojnog namota 14 (slika 3). Cijeli red kontaktnih jastučića 13 se pritišće na površinu matrice 1 ljepljivim jastučićima dok se ne postigne debljina višeslojnog omota 14, zatim se paket pritisne na temperaturi stvrdnjavanja ljepila i dobije se sekundarni višeslojni namot 14 (. Slika 3). Primarni namot 15 se proizvodi na sličan način (slika 4). Zatim se namoti 14 i 15 lijepe zajedno pod prešom. Odvojite matricu 1 s obje strane ispisanog namota transformatora. Zatim se u namotu transformatora izrezuju rupe 16, potrebne za ugradnju feritne jezgre (slika 5), u namot se ugrađuje feritna jezgra 17 (slika 6), pričvršćena pločom 18 i planarni transformator s višeslojnim isprintana matična ploča 19.
Mogućnost integracije planarnog transformatora 19 u višeslojnu tiskanu pločicu temelji se na činjenici da tehnologija izrade planarnog transformatora i višeslojne tiskane pločice ima slične tehnološke operacije. Tako se u proizvodnji planarnog transformatora primarni i sekundarni namoti lijepe, au proizvodnji višeslojne tiskane pločice lijepe se komadi s jednostranih ili dvostranih tiskanih pločica. Stoga se predlaže istovremeno lijepljenje namota transformatora i višeslojnih tiskanih ploča. Posebnost Takvo lijepljenje je da se provodi prije odvajanja namota od matrice (sl. 3 i sl. 4). Stoga je površina namota zaštićena od utjecaja agresivnih otopina, koje se koriste nakon lijepljenja višeslojnih tiskanih ploča u procesu proizvodnje međuslojnih spojeva kemijsko-galvanske metalizacije, kao i pri izradi topologije bakrenih tiskanih vodiča. na vanjskim slojevima kemijskim jetkanjem folijskog dielektrika. Nakon završetka izrade višeslojne tiskane pločice, matrice se odvajaju od površine namota. U namotima se stvaraju rupe u koje je ugrađena feritna jezgra 17 (slika 7). Slika 7 prikazuje višeslojnu tiskanu pločicu u koju je integriran planarni transformator. Kao što se može vidjeti, namoti transformatora 14 i 15, kao i višeslojne tiskane ploče 21 i 22, zalijepljeni su zajedno s jednom brtvom 20. Kao rezultat, planarni transformator 19 temeljen na višeslojnoj tiskanoj ploči 14 i 15 je integriran u višeslojnu tiskanu ploču 23.
Dakle, razvijena metoda omogućuje proizvodnju planarnog transformatora koji se temelji na višeslojnoj tiskanoj ploči s visokom radnom pouzdanošću, budući da se međuslojne električne veze izvode lemljenjem kontaktnih ploča susjednih namota. Osim toga, metoda omogućuje proizvodnju zavojnica velike debljine. Metoda ne ograničava broj dvostranih namota smještenih u paketu pri oblikovanju višeslojnog namota, tako da je moguće postići optimalan omjer transformacije. Metoda je prikladna za masovnu proizvodnju, budući da se glavne tehnološke operacije metode mogu izvesti na visokoučinkovitoj opremi koju su ovladala industrijska poduzeća, naime: nanošenje uzorka fotorezista na matricu pomoću fotolitografije, elektrolitičko taloženje bakra na prazna područja uzorka fotorezista s oblikovanjem bakrenih zavoja i kontaktnih pločica, stvaranje jednostranih tiskanih pločica prijenosom bakra tiskani krug na elektroizolacijskoj podlozi, formiranje višeslojne tiskane pločice na bazi jednostranih i dvostranih tiskanih pločica. Osim toga, razvijena je metoda za integraciju planarnog transformatora u višeslojnu tiskanu pločicu tijekom njihove zajedničke proizvodnje.
Metoda se provodi na sljedeći način.
Primjer 1. Izrađen je planarni transformator na bazi višeslojne tiskane pločice s minijaturnom feritnom jezgrom tipa E 14/3,5/5, u kojoj je slobodan prostor za postavljanje višeslojnog namota 4 × 2 mm, gdje je 4 mm širina navoja. širina slobodan prostor, a 2 mm je visina. Primarni namot transformatora napaja se strujnim izvorom napona od 3 V. Dopuštena struja u zavoju sekundarnog namota je 0,25A. Potreban presjek zavoja sekundarnog namota određujemo na temelju vrijednosti dopuštene struje kroz tiskani bakreni vodič koji je izrađen galvanskim taloženjem bakra i iznosi 20 A/mm 2. Poprečni presjek bakrenog zavoja sekundarnog namota s dopuštenom strujom od 0,25 A jednak je 0,0125 mm 2. Zatim, uz širinu zavoja sekundarnog namota jednaku 0,25 mm 2, debljina zavoja je 0,05 mm.
Određujemo broj slojeva namota koji se mogu rasporediti prema visini slobodnog prostora jezgre, jednakom 2 mm. U slobodnom prostoru jezgre potrebno je postaviti primarni i sekundarni namot transformatora koji su međusobno spojeni ljepljivom brtvom. U ovom slučaju moguće je rasporediti slobodni prostor jezgre: primarni namot - 0,6 mm, sekundarni - 1,2 mm, ljepljivi odstojnik - 0,2 mm.
Bakreni zavoji 3, naneseni na matricu 1, utisnuti su u elektroizolacionu brtvu 6 do cijele debljine zavoja 3. Zbog toga debljina zavoja 6 mora imati debljinu najmanje dvije debljine zavoja 3. Uz debljina jednog zavoja sekundarnog namota jednaka 0,05 mm, debljina brtve treba biti jednaka 0,2 mm. Prema tome, debljina jednog sloja namota je 0,2 mm. Stoga je broj slojeva u sekundarnom namotu debljine 1,2 mm šest. Sa šest slojeva u sekundarnom namotu i šest zavoja u jednom sloju namota, broj zavoja u sekundarnom namotu je trideset i šest. Kada je broj zavoja primarnog namota 4, omjer transformacije je 9. Uz napon na ulazu primarnog namota jednak 3 V, napon na izlazu sekundarnog namota kada je transformator u praznom hodu je 27 V .
Za proizvodnju sekundarnog namota, na površini aluminijske matrice izrađeno je šest slojeva namota s kontaktnim pločama. Postavljeni su u dva reda s po tri namota u svakom redu (slika 1). Svaki namot sastoji se od 3 zavoja, 4 unutarnje kontaktne pločice i 5 vanjskih kontaktnih pločica. Površina matrice potrebna za izradu šest namota određena je površinom potrebnom za jedan namot, koja je jednaka 14x18 mm, i razmakom između namotaja, jednakim 30 mm. mm . Površina na matrici namijenjena za izradu sekundarnog namota je 58 × 145 mm. Pozitivni uzorak fotorezista od šest namotaja s kontaktnim jastučićima nanosi se na površinu matrice pomoću fotolitografije pomoću filmskog fotorezista marke SPF-VShch-2-50. Bakar se elektrolitički taloži u područja razmaka uzorka fotorezista iz kiselog elektrolita bakrenog sulfata debljine 0,05 mm, zatim se grubi talog bakra elektrolitički taloži iz elektrolita bakrenog sulfata osiromašenog udjelom bakra u pulsirajućem načinu rada. Zatim se filmski fotorezist uklanja u slaboj alkalnoj otopini. Na bakrene zavoje namotaja postavlja se brtva od stakloplastike 6 debljine 0,2 mm impregnirana termoreaktivnim ljepljivim vezivom. Prvo se izrezuju prozori 7 u brtvi na mjestima kontaktnih pločica 4 i 5. Zavoji 3 namota se utiskuju u brtvu i dobije se šest jednostranih namota 8 na kontaktne pločice 4 i na pasta se topi na temperaturi od 90-100°C.
Matrica 1 je podijeljena u dvije sekcije, od kojih svaka ima jedan red namota. Zatim se, u skladu s referentnim oznakama 10, odvojeni dijelovi matrica stavljaju u paket (slika 2) na takav način da se unutarnje kontaktne pločice 4 susjednih namota podudaraju za daljnje spajanje lemljenjem, a vanjski kontakt jastučići 5 nalaze se u blizini na udaljenosti koja odgovara koraku između zavoja (slika 2). Obje polovice matrice 1 su zalijepljene zajedno pod pritiskom na temperaturi otvrdnjavanja ljepila. Tada se matrica odvaja samo s jedne strane pakiranja. Zatim su zalemljene unutarnje kontaktne pločice 4 susjedna namota. Zalemljeni kontakti 4 zaštićeni su elektroizolacijskim lakom 11, a na matrici 1 dobivena su tri dvostrana namota 12. Na površini svih namota 12 zalijepljena je brtva od 6" debljine 0,1 mm s prozorima 7 ispod pritisnite na mjestima kontaktnih pločica 5 (slika 2).
Nakon toga se na matrici 1 ostavlja jedan dvostrani namot 12, a dva dvostrana namota se odvajaju od matrice. Postavljeni su sekvencijalno u paket s međuslojem ljepila preko namota 12 koji ostaje na matrici. U ovom slučaju, vanjske kontaktne pločice 5 svakog namota 12 postavljene su u jednom redu 13 na matrici 1 (slika 3). Kontaktne pločice 5 spajaju se u paru lemljenjem s temperaturom taljenja višom od temperature otvrdnjavanja ljepljivog veziva. Lemljeni spojevi u paru počinju s drugim kontaktom 5 i završavaju s pretposljednjim kontaktom 5 u redu 13. U ovom slučaju, prva i posljednja kontaktna pločica su početak i kraj sekundarnog višeslojnog namota 14. Zatim se kontaktne pločice 13 pritisnu na matricu 1 s ljepljivom podlogom. Na njega se postavlja izravnavajuća brtva dok se ne postigne debljina paketa 14, nakon čega se paket preša na temperaturi otvrdnjavanja ljepila i dobije se sekundarni višeslojni namot planarnog transformatora koji se nalazi na matrici 1, sl. 3.
Primarni namot planarnog transformatora proizvodi se na sličan način. Ukupna debljina primarnog namota je 0,6 mm. Primarni namot sastoji se od dva sloja. Debljina sloja namota je 0,3 mm. To omogućuje proizvodnju zavoja primarnog namota debljine 0,1 mm ili više. Širina slobodnog prostora u jezgri je 4 mm, au njega je potrebno smjestiti dva zavoja primarnog namota, pa širina zavoja može biti jednaka 1 mm, uzimajući u obzir razmak zavoja koji također je jednak 1 mm. Poprečni presjek zavoja primarnog namota jednak je 0,1 mm 2, što odgovara dopuštenoj struji u zavojima primarnog namota od 2,5 A. Površina svakog namota je 14 × 18 mm. Za izradu dva jednostrana namota koristi se aluminijska matrica 1 dimenzija 110×60 mm. Kao fotorezist maska koristi se galvanootporna boja koja se nanosi sitotiskom. Zatim se bakreni zavoji namota elektrolitički povećavaju na debljinu od 0,1 mm. Kontaktne pločice 4 susjedna namota spojene su lemljenjem. Dva vanjski kontakt 5 služe kao početak i kraj primarnog namota (slika 4). Zatim se sekundarni 14 i primarni 15 namotaji stavljaju u paket s međubrtvom debljine 0,2 mm. Namoti se lijepe pod pritiskom na temperaturi otvrdnjavanja ljepila. Odvojite matrice 1 s obje strane namota transformatora. Rupe 16 (Sl.5) su izrezane za jezgru 17 (Sl.6). Ugradite jezgru 17 tipa E 14/3,5/5. Fiksira se pločom 18 i dobiva se planarni transformator na bazi višeslojne tiskane pločice 19 s ulaznim naponom od 3 V i izlaznim naponom od 27 V.
Primjer 2. Određeni su parametri feritne jezgre prikladne za planarni transformator na bazi višeslojne tiskane pločice s radnim naponom od 100 V i kratkotrajnom strujom opterećenja od 100 A. Transformator se napaja strujnim izvorom napon od 12 V. Planarni transformator je proizveden prema postupku iz primjera 1.
Potrebno je odrediti veličinu slobodnog prostora u feritnoj jezgri, koji može primiti primarni i sekundarni namot transformatora i ljepljivi razmak između njih.
Određujemo veličinu sekundarnog i primarnog namota transformatora. Poznavajući vrijednost izlaznog napona transformatora i vrijednost napona napajanja, određujemo omjer transformacije jednak 8. Pretpostavljamo da je broj zavoja primarnog namota četiri, a zatim broj zavoja u sekundarnom namotu ima trideset dvije. Poprečni presjek sekundarnog namota mora odgovarati vrijednosti kratkotrajne struje od 100 A. Pri struji od 100 A, poprečni presjek zavoja trebao bi biti 2,5 mm 2. Stoga, s širinom svitka od 3 mm, njegova debljina je 0,83 mm. Razmak između zavoja je također 3 mm, tako da je za svaki zavoj potreban razmak širine 6 mm. S četiri zavoja u jednom sloju namota potrebna je širina slobodnog prostora u jezgri od 24 mm.
Budući da u sekundarnom namotu ima trideset i dva zavoja, oni se mogu rasporediti u osam slojeva namota, po četiri zavoja u svakom namotu.
Potrebna visina slobodnog prostora u jezgri određena je zbrojem debljina primarnog i sekundarnog namota i debljine ljepljivog odstojnika. Debljina sekundarnog namota određena je zbrojem osam debljina brtvila u koje su utisnuti bakreni zavoji namota. Uz debljinu bakrene zavojnice od 0,83 mm, debljina brtve je 2 mm. Tada je debljina sekundarnog namota 16 mm.
Odredite debljinu primarnog namota. Širina slobodnog prostora u jezgri za sekundarni i primarni namot je ista i jednaka je 24 mm. Primarni namot sadrži četiri zavoja u dva sloja. Dakle, u jednom sloju namota nalaze se dva zavoja širine zavoja od 6 mm, s razmakom između zavoja također od 6 mm. Uz debljinu svitka od 0,5 mm, debljina brtve je 2 mm. Tada je debljina primarnog namota 4 mm. Ako je debljina ljepljive podloge 0,2 mm, tada bi ukupna visina slobodnog prostora u jezgri za smještaj namota transformatora trebala biti 20,2 mm. Dakle, feritna jezgra s slobodnim prostorom od 24x20,2 mm prikladna je za planarni transformator velike snage.
Određujemo dimenzije feritne jezgre u obliku slova W (slika 6). Duljina feritne jezgre u obliku slova W sastoji se od dva dijela za postavljanje višeslojnog tiskanog namota transformatora, koji se nalaze s obje strane središnje šipke, sl.6. Uz središnju širinu šipke od 10 mm i bočne šipke širine 5 mm, ukupna duljina planarnog transformatora je (24×2)+10+(5×2)=68 mm. Visina feritne jezgre sastoji se od visine slobodnog prostora jezgre i debljine glavnog dijela jezgre iz kojeg izlaze središnja i bočna šipka. Uz visinu slobodnog prostora jezgre od 20,2 mm, debljinu glavnog dijela jezgre od 6 mm, visina feritne jezgre je 26,2 mm.
Dakle, feritna jezgra u obliku slova W za snažan planarni transformator s izlaznim naponom od 100 V i strujom od 100 A, napajanim izvorom struje od 12 V, ima dimenzije 68/26,2/50 mm. Kada koristite jezgru tipa E za E-E sustavi, jezgra će biti tipa E68/13.1/50.
Primjer 3. Višeslojna tiskana pločica proizvedena je u koju je ugrađen planarni transformator.
Višeslojna tiskana ploča izrađena je metodom parnog prešanja. Zašto uzeti dva prazna dielektrična folija s obje strane. S unutarnje strane svakog izratka, bakrena topologija tiskanog kruga stvorena je graviranjem folije u područjima koja nisu zaštićena fotootpornom maskom. Zatim se u svakom obratku izbuše rupe i metaliziraju se kemijsko-galvanskim taloženjem bakra. Nakon toga se radni dijelovi lijepe zajedno.
Koristeći tehnologiju iz primjera 1, na matrici 1 (slika 3 i slika 4) izrađeni su primarni namot 15 i sekundarni namot 14, koji su također podložni lijepljenju. Uzmite podlogu od stakloplastike 20 (Sl. 7) impregniranu ljepilom, s obje strane na koju su položeni komadi višeslojne tiskane ploče 21 i 22, kao i namotaji 14 i 15. Paket se preša na temperaturi otvrdnjavanja ljepilo. Zatim je dovršena izrada višeslojne tiskane pločice 23, za koju se buše rupe za stvaranje međuslojnih otvora i podvrgavaju se kemijsko-galvanskoj metalizaciji. Topologija tiskanog kruga od bakra se zatim stvara na vanjskim slojevima ploče ugrizanjem folije u područjima koja nisu zaštićena fotootpornom maskom. U procesu dovršetka proizvodnje višeslojne tiskane pločice, namoti 14 i 15 planarnog transformatora zaštićeni su od utjecaja agresivnih otopina matricom 1. Nakon dovršetka proizvodnje višeslojne ploče 23, matrice se odvajaju. iz namota 14 i 15 stvaraju se rupe za ugradnju feritne jezgre 17. Ugrađuje se feritna jezgra 17, na koju se pričvršćuje feritna ploča 18. Dobiva se planarni transformator 19, integriran u višeslojnu tiskanu ploču 23.
Tehnički rezultat
Predložena metoda omogućuje proizvodnju planarnog transformatora s visokom radnom pouzdanošću, jer međuslojni spojevi višeslojnog tiskanog namota dobivaju se lemljenjem kontaktnih pločica pomoću vatrostalnog lema. Metoda omogućuje izradu zavoja namota velike debljine, a time i velike poprečne vrijednosti zavoja i stoga velike dopuštene struje u zavoju.
Odsutnost ograničenja broja dvostranih namota od kojih se izrađuju višeslojni namoti omogućuje potpuno popunjavanje slobodnog prostora jezgre i postizanje optimalnog broja zavoja u višeslojnom namotu.
Metoda omogućuje integraciju planarnog transformatora u višeslojnu tiskanu ploču tijekom njihove zajedničke proizvodnje. Na temelju predložene metode moguće je izvesti masovnu proizvodnju planarnih transformatora na temelju višeslojne tiskane pločice.
Izvori informacija
1. Metoda formiranja planarnih induktiviteta. Sažetak ruskog izuma, prijava 93006715/07 od 1993.02.03, objavljena 1995.04.20.
2. Planarni transformator na bazi višeslojnih tiskanih pločica. Komponente i tehnologije. 2003, br. 6", str. 106-112. Prototip.
3. Galvanizacija. M.: Metalurgija, 1987, str. 572-573.
6. Tehnologija višeslojnih tiskanih ploča. M.: Radio i veze, 1990, str. 63, 74.
7. Tehnologija višeslojnih tiskanih ploča. M.: Radio i komunikacije, 1990, str.46.
8. Tehnologija višeslojnih tiskanih ploča. M.: Radio i komunikacije, 1990, str.38.
9. Montaža na površinu. M.: Izdavačka kuća za standarde, 1991., str.28.
10. Priručnik elektromaterijala. M.: Energija, 1974, str.253.
11. Fedulova A.A. i dr. Višeslojne tiskane pločice. M.: Sovjetski radio, 1977., str. 183-193.
12. Arenkov A.B. Tiskani i filmski elementi radioelektroničke opreme. L.: Energija, 1971., str.19.
1. Metoda za proizvodnju planarnog transformatora koji se temelji na višeslojnoj tiskanoj pločici, uključujući proizvodnju bakrenih zavoja namota s kontaktnim jastučićima u skladu s tiskanim uzorkom fotorezista, na kojem su namoti smješteni u zasebnim pravokutnim dijelovima, zatim namoti stavljaju se u paket s ljepljivim jastučićima između namota, prešanje se provodi paket na temperaturi stvrdnjavanja ljepila, stvaraju međuslojne električne veze namota, izrađuju primarne i sekundarne višeslojne namote i lijepe ih zajedno, stvaraju rupe u namotima u koje ugrađena je feritna jezgra, naznačena time što se zavoji namota s unutarnjim i vanjskim kontaktnim pločama izrađuju elektrolitičkim taloženjem bakra na površinu metalne galvanoplastične matrice, koja je prethodno presvučena fotorezistom maskom s pozitivnim uzorkom zavoji namota i kontaktnih pločica, namoti su raspoređeni u dva reda, s ukupnim brojem namota jednakim broju slojeva višeslojnog namota; zatim se bakar elektrolitički taloži na područja razmaka fotorezistske maske do zadane debljine stvara se mikrohrapavost na njegovoj površini, uklanja se fotorezist maska i postavlja se ljepljiva brtva s prozorčićima na površinu bakrenih zavoja na mjestima unutarnje i vanjske kontaktne pločice, brtva se utiskuje u zavoje kod stvrdnjavanja temperatura ljepila i dobivaju se jednostrano tiskani namotaji, nanose se na površinu unutarnjih kontaktnih pločica pasta za lemljenje i vrši se njezino pretapanje, zatim se matrica dijeli na dva dijela, na svakom od kojih je jedan red jednostranih namotaja, nakon čega se oba dijela spajaju stavljajući u vrećicu, pri čemu se na površine brtvila prvo nanosi ljepilo, jednostrani namotaji se lijepe i dobivaju obostrano otisnuti namotaji, nakon čega matrica se odvaja s jedne strane pakiranja, zalemljuju se unutarnje kontaktne pločice, zalemljeni kontakti se štite elektroizolacijskim lakom, zatim se na matrici ostavlja samo jedan dvostrani namot, a ostali se odvajaju od matricu, sekvencijalno se stavljaju u paket na namot koji ostaje na matrici, prvo se nanosi ljepilo na površinu namota, vanjske kontaktne pločice postavljaju se u nizu na matricu i spajaju u paru lemljenjem, počevši od drugi i završava s pretposljednjim, dok su prvi i zadnji kontaktni jastučići početak i kraj višeslojnog namota, nakon čega se vanjski kontaktni jastučići polažu ljepljivim jastučićima i pakiranje se pritisne, dobiva se višeslojni tiskani namot , tako se izrađuju primarni i sekundarni namoti transformatora, lijepe zajedno, nakon čega se odvajaju matrice s obje strane namota i nakon izrade rupa u namotima i ugradnje feritne jezgre dobiva se planarni transformator na bazi višeslojne ploče .
2. Metoda prema zahtjevu 1, naznačena time što se lijepljenje primarnog i sekundarnog namota planarnog transformatora provodi istovremeno s lijepljenjem praznina slojeva višeslojne tiskane pločice pomoću zajedničke brtve, zatim se daljnja proizvodnja višeslojne tiskane pločice odvija se formiranjem topologije bakrenog kruga nagrizanjem folijskog dielektrika i stvaranjem međuslojnih električnih veza kemijsko-galvanskom metalizacijom, tijekom ovih operacija namoti transformatora zaštićeni su od djelovanja agresivnih otopina pomoću matrica; izrada višeslojne tiskane pločice, matrice se odvajaju od površine namota, u njima se prave rupe, ugrađuje se feritna jezgra i dobiva se planarni transformator integriran u višeslojnu tiskanu pločicu.
Slični patenti:
Izum se odnosi na elektrotehniku i radiotehniku i može se koristiti u proizvodnji planarnog transformatora namijenjenog prijenosnim električnim i radiotehničkim uređajima.
Prethodni članak raspravljao je o prednostima korištenja planarnih transformatora u malim i Mobilni uredaji Oh. Također su dane karakteristike feritnih jezgri koje se koriste za izradu planarnih transformatora. Ova publikacija predlaže metodu za proračun planarnih transformatora za pretvarače impulsa naprijed i natrag.
Uvod
Planarni transformatori mogu se proizvoditi kao ugradne komponente, kao jednoslojni PCB sklopovi ili mali višeslojni PCB-ovi, ili integrirani u višeslojni PCB napajanja.
Važne prednosti planarnih magnetskih komponenti su:
- vrlo male veličine;
- izvrsne temperaturne karakteristike;
- niska induktivnost curenja;
- izvrsna ponovljivost svojstava.
Mjerenja radnih parametara planarnih transformatora s jezgrama i namota u obliku slova W izrađenih na bazi višeslojne tiskane pločice pokazuju da je toplinski otpor ovih uređaja znatno (do 50%) niži u usporedbi s konvencionalnim žičanim transformatorima s isti efektivni volumen jezgre V e . To je zbog većeg omjera površine jezgre i njenog volumena. Stoga, s povećanim kapacitetom hlađenja, planarni transformatori mogu podnijeti veću gustoću propusne snage dok zadržavaju porast temperature unutar prihvatljivih granica.
Ova brošura opisuje brzu i jednostavnu metodu projektiranja planarnih energetskih transformatora i pruža primjere uređaja projektiranih ovom metodom.
Rezultati testa rada pokazuju da se izmjereni porast temperature dobro slaže s podacima proračuna.
Riža. 1. Planarni transformator rastavljen
Riža. 2. Mogućnosti dizajna planarnih transformatora
Postupak izračuna
Određivanje maksimalne magnetske indukcije
Gubici u jezgri i bakrenom vodiču tijekom rada transformatora dovode do povećanja temperature. Iznos ovog povećanja ne smije premašiti dopuštenu granicu kako bi se izbjeglo oštećenje transformatora ili ostatka kruga. U toplinskoj ravnoteži, vrijednost ukupnih gubitaka u transformatoru Ptrafo povezana je s porastom temperature transformatora D T odnosom sličnim Ohmovom zakonu:
gdje je R T temperaturni otpor transformatora. Zapravo, P trafo se može smatrati kapacitetom hlađenja transformatora.
Moguće je uspostaviti empirijsku formulu koja izravno povezuje vrijednost toplinski otpor transformator s efektivnim magnetskim volumenom V e korištene feritne jezgre. Ova empirijska formula vrijedi za žičane transformatore s RM i ETD jezgrama. Sličan odnos sada je pronađen za planarne transformatore s jezgrama u obliku slova W.
Koristeći ovaj odnos, moguće je procijeniti porast temperature transformatora kao funkciju magnetske indukcije u jezgri. Zbog ograničenog slobodan prostor namota za planarne magnetske komponente preporučuje se koristiti što je više moguće moguće vrijednosti magnetska indukcija.
Uz pretpostavku da polovicu ukupnih gubitaka u transformatoru čine gubici u jezgri, možemo izraziti najveću gustoću gubitaka u jezgri P core kao funkciju dopuštenog porasta temperature transformatora na sljedeći način:
Gubitak snage u našim feritima mjeren je kao funkcija frekvencije (f, Hz), vršne gustoće magnetskog toka (B, T) i temperature (T, °C). Gustoća gubitka jezgre može se približno izračunati pomoću sljedeće formule:
Ovdje su C m, x, y, c t0, ct 1 i ct 2 parametri koji se nalaze aproksimacijom empirijske krivulje gubitaka. Ovi parametri su specifični za određeni materijal. Njihove dimenzije su odabrane tako da na temperaturi od 100 °C CT vrijednost bude jednaka 1.
Tablica 1 prikazuje vrijednosti gore navedenih parametara za nekoliko marki ferita velike snage tvrtke Ferroxcube.
Tablica 1. Parametri aproksimacije za izračun gustoće gubitaka jezgre
| Feritni stupanj | f, kHz | Cm | x | g | 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 |
Maksimum dopuštena vrijednost Pcore se izračunava pomoću formule (2). Ta se vrijednost zatim supstituira u jednadžbu (3). Sada možemo izračunati najveću dopuštenu magnetsku indukciju Bpeak prepisivanjem jednadžbe (3) na sljedeći način:
Napomena: najveća dopuštena vrijednost B može se pronaći na drugi način - pisanjem kompjuterski program, koji izračunava gubitke snage za slobodan oblik signal prema formuli (3) pri zadane vrijednosti aproksimacijski parametri. Prednost ovog pristupa je u tome što vam omogućuje izračunavanje gubitaka uzimajući u obzir stvarni oblik moda B, kao i odabir optimalnog stupnja ferita za određeni slučaj.
Određivanjem najveće dopuštene vršne magnetske indukcije, broj zavoja primarnog i sekundarnog namota može se izračunati pomoću poznatih formula, uključujući topologiju pretvarača i vrstu transformatora (na primjer, unatrag i naprijed).
Mora se donijeti odluka o tome kako će se namoti rasporediti između postojećih slojeva. Struje koje teku u tragovima uzrokovat će porast temperature PCB-a. Zbog raspodjele topline, preporučuje se raspored zavoja namota u vanjskim slojevima simetrično u odnosu na zavoje namota u unutarnjim slojevima.
Riža. 3. B vrh u formulama jednak je polovici zamaha indukcijskih oscilacija u jezgri
S gledišta magnetizma najbolja opcija bilo bi izmjenjivanje primarnih i sekundarnih slojeva. To će smanjiti takozvani efekt blizine (vidi stranicu 4). Međutim, niska visina namota u planarnom dizajnu i potrebna specifična primjena broj zavoja ne dopušta uvijek odabir optimalnog dizajna.
Iz perspektive troškova, preporučuje se odabir PCB-a sa standardnom debljinom sloja bakra. Uobičajene vrijednosti debljine koje koriste proizvođači PCB-a su 35 i 70 mikrona. Porast temperature u namotu, izazvan strujanjem, značajno ovisi o debljini slojeva bakra.
Sigurnosni standardi kao što je IEC 950 zahtijevaju udaljenost od 400 µm u PCB materijalu (FR2 ili FR4) kako bi se osiguralo odvajanje sekundarnog namota od napajanja. Ako izolacija od mreže nije potrebna, dovoljan je razmak od 200 mikrona između slojeva namota. Osim toga, također je potrebno uzeti u obzir sloj za šablonu - 50 mikrona s obje strane ploče.
Širina staza koje tvore namote određuje se na temelju veličine struje i najveće dopuštene gustoće struje. Udaljenost između zavoja ovisi o proizvodnim mogućnostima i proračunu. Osnovno pravilo je da za tragove debljine 35 µm širina i razmak između tragova trebaju biti veći od 150 µm, a za tragove debljine 70 µm trebaju biti veći od 200 µm.
Ovisno o proizvodnim mogućnostima proizvođača PCB-a, dimenzije mogu biti manje, ali će to najvjerojatnije dovesti do značajnog povećanja cijene PCB-a. Broj zavoja u jednom sloju i razmak između zavoja označeni su redom Nl i s. Zatim, s obzirom na raspoloživu širinu namota bw, širina kolosijeka wt može se izračunati pomoću sljedeće formule (vidi sliku 4):
Riža. 4. Širina kolosijeka wt, razmak kolosijeka s i širina namota b w
Ako je potrebna izolacija od napajanja, situacija se nešto mijenja. Jezgra se smatra dijelom primarnog kruga i mora biti odvojena 400 µm od sekundarnog kruga. Stoga bi put struje curenja između sekundarnih namota blizu lijeve i desne strane jezgre i same jezgre trebao biti 400 μm. U ovom slučaju, širinu kolosijeka treba izračunati pomoću formule (6), budući da se 800 µm mora oduzeti od dostupne širine namota:
U formulama (5) i (6) sve su dimenzije dane u mm.
Određivanje porasta temperature tiskane pločice uzrokovanog strujanjem
Posljednji korak koji treba poduzeti je određivanje porasta temperature u bakrenim tragovima uzrokovanog strujanjem. Da biste to učinili, potrebno je izračunati efektivne (rms) vrijednosti struje na temelju ulaznih podataka i željenih izlaznih parametara. Metoda izračuna ovisi o korištenoj topologiji.
Odjeljak s primjerima daje izračune za standardnu tehnologiju pretvarača naprijed i nazad. Primjer odnosa između rasta temperature i vrijednosti efektivne struje za različite površine poprečnog presjeka vodiča tiskane ploče prikazan je na slici. 5. U slučajevima kada postoji jedan vodič ili gdje induktivnosti nisu preblizu, iz ovog dijagrama može se izravno odrediti širina, debljina i površina poprečnog presjeka vodiča, kao i maksimalni dopuštene struje za različite zadane vrijednosti porasta temperature.
Riža. 5. Odnos između struje, veličine tragova PCB-a i porasta temperature
Nedostatak ove metode projektiranja je što pretpostavlja da je toplina stvorena u namotu uzrokovana istosmjernim strujnim tokom, dok u stvarnosti postoji izmjenična struja koja uzrokuje kožne i blizinske učinke.
Učinak kože je zbog prisutnosti u vodiču magnetsko polje, koju stvara struja koja teče u samom ovom vodiču. Brza promjena struja (na visoka frekvencija) izaziva izmjeničnu indukciju, koja uzrokuje vrtložne struje. Ove vrtložne struje, koje doprinose glavnoj struji, su u suprotnom smjeru od nje. Struja postaje nula u središtu vodiča i kreće se prema površini. Gustoća struje eksponencijalno opada od površine prema središtu.
Dubina površinskog sloja d je udaljenost od površine vodiča u smjeru njegova središta, na kojoj se gustoća struje smanjuje za faktor e. Dubina površinskog sloja ovisi o svojstvima materijala kao što su električna vodljivost i magnetska permeabilnost, a obrnuto je proporcionalna korijen od frekvencije. Za bakar na 60 °C, dubina površinskog sloja može se približno izračunati pomoću sljedeće formule:
Ako se uzme vodič debljine wt manje od 2d, doprinos ovog učinka bit će ograničen. To daje širinu staze manju od 200 µm za 500 kHz. Ako je dostupna velika širina namota za potreban broj zavoja, najbolje rješenje sa gledišta magnetizma je podijeliti ih na paralelne staze.
U stvarnim situacijama, vrtložne struje bit će prisutne u vodičima, uzrokovane ne samo promjenom magnetskog polja vlastite struje (skin efekt), već i poljima drugih vodiča koji se nalaze u blizini. Taj se učinak naziva učinak blizine. Ako se primarni i sekundarni sloj izmjenjuju, utjecaj ovog efekta je mnogo manji. Činjenica je da struje u primarnom i sekundarnom namotu teku suprotnih smjerova, tako da se njihova magnetska polja međusobno poništavaju. Međutim, susjedni vodiči na istom sloju ipak će donekle pridonijeti učinku blizine.
Empirijski rezultati
Mjerenja temperature u nekoliko tipova dizajna tiskanih pločica s izmjeničnim strujama koje teku u namotima pokazuju s prihvatljivom točnošću da na frekvencijama do 1 MHz, svako povećanje frekvencije za 100 kHz daje povećanje temperature tiskane pločice za 2 °C veće od vrijednosti određenih za slučaj konstantnih struja.
Cilj je projektirati linijski transformator s parametrima navedenim u tablici.
Kao prvi korak, pretpostavka je da se na danoj frekvenciji može uzeti velika vrijednost vršne magnetske indukcije - 160 mT. Kasnije ćemo provjeriti je li to moguće za zadane vrijednosti gubitka jezgre i porasta temperature.
Primjer 1. Povratni transformator
Tablica 2 prikazuje izračunati broj zavoja za šest najmanjih kombinacija Ferroxcube planarne W-jezgre i ploča. Osim toga, dane su vrijednosti vlastite induktivnosti primarnog namota, širine zračnog raspora i struje, izračunate prema formulama iz okvira 1.
Tablica 2. Proračun projektnih parametara nekoliko linijskih transformatora
| Jezgra | Ae, mm 2 | Ve, mm 3 | N1 | N2 | NIC | G, µm | Ostali izračunati parametri |
| E-PLT14 | 14,5 | 240 | 63 | 7,4 | 7,2 | 113 | L prim = 638 uH |
| 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 |
Iz tablice 2. vidljivo je da je potreban broj zavoja primarnog namota za setove jezgri E-E14 i E-PLT14 prevelik da bi se namot mogao izraditi na bazi višeslojne tiskane pločice. Stoga kombinacije E-E18 i E-PLT18 jezgri izgledaju kao najbolja opcija. Zaokruživanje rezultata izračuna za N1, N2 i NIC daje brojeve 24, 3 odnosno 3.
Za određivanje gubitaka u slučaju unipolarnog trokutastog indukcijskog vala s frekvencijom od 120 kHz, vršnom indukcijom od 160 mT i radnom temperaturom od 95 °C, korišten je program temeljen na izrazu (3). Za ferite velike snage 3C30 i 3C90, očekivani gubici u jezgri su 385 mW/cm3 odnosno 430 mW/cm3.
Dopuštena gustoća gubitaka pri D T=35°C je 470 mW/cm3 za E-PLT18 i 429 mW/cm3 za E-E18 (iz izraza (1)).
Zaključak je da se feriti 3C30 i 3C30 mogu koristiti u obje kombinacije jezgri. Feriti slabije kvalitete s većim gubicima snage uzrokovat će preveliki porast temperature.
24 zavoja primarnog namota mogu se simetrično rasporediti na 2 ili 4 sloja. Dostupna širina namota za E-18 jezgre je 4,6 mm. Iz ovoga se vidi da će opcija s dva sloja od po 12 zavoja biti teško izvediva i stoga skupa. Da biste to učinili, morat ćete koristiti vrlo uske staze s vrlo malim usponima. Stoga se odabire opcija s četiri sloja, po 6 okretaja. Manje slojeva u višeslojnoj tiskanoj ploči rezultirat će nižim troškovima proizvodnje. Stoga ćemo osigurati još 3 zavoja primarnog namota (za IC napon) i 3 zavoja sekundarnog namota, te po jedan sloj za svaki od njih. Dakle, moguće je konstruirati strukturu sa šest slojeva, kao što je prikazano u tablici 3.
Tablica 3. Primjer izvedbe šesteroslojnog transformatora
| Sloj | Broj zavoja | 35 µm | 70 µm |
| šablona | 50 µm | 50 µm | |
| primarni | 6 | 35 µm | 70 µm |
| izolacija | 200 µm | 200 µm | |
| primarni | 6 | 35 µm | 70 µm |
| izolacija | 200 µm | 200 µm | |
| primarni IC | 3 | 35 µm | 70 µm |
| izolacija | 400 µm | 400 µm | |
| sekundarni | 3 | 35 µm | 70 µm |
| izolacija | 400 µm | 400 µm | |
| primarni | 6 | 35 µm | 70 µm |
| izolacija | 200 µm | 200 µm | |
| primarni | 6 | 35 µm | 70 µm |
| šablona | 50 µm | 50 µm | |
| UKUPNO | 1710 um | 1920 µm |
Ovisno o količini topline koju stvaraju struje, možete odabrati debljinu bakrenih tragova od 35 mikrona ili 70 mikrona. Potreban je razmak od 400 µm između slojeva primarnog i sekundarnog namota kako bi se osigurala izolacija od mreže. Kombinacija E-PLT18 ima minimalni prozor namotaja od 1,8 mm. To je dovoljno za debljinu staze od 35 mikrona, što daje ukupnu debljinu tiskane pločice od oko 1710 mikrona.
Kako bismo smanjili troškove dizajna, odabrali smo udaljenost između staza od 300 μm. Izračun širine staze sekundarnog namotaja pomoću formule (5) daje rezultat od 1,06 mm, uključujući odvajanje od mreže.
Koristeći dijagram na Sl. 5 i izračunatom (vidi tablicu 2) efektivnom vrijednošću struje u sekundarnom namotu od 1,6 A, dobivamo povećanje temperature od 25 °C za staze debljine 35 mikrona i oko 7 °C za staze debljine od 70 mikrona.
Pretpostavili smo da porast temperature uzrokovan gubicima namota iznosi otprilike polovicu ukupnog porasta temperature, u ovom slučaju 17,5 °C. Očito, s debljinom traga od 35 mikrona, porast temperature uzrokovan efektivnom strujom od 1,6 A bit će previsok, pa će se morati koristiti tragovi debljine 70 mikrona.
Širina staza zavoja primarnog namota može se izračunati pomoću formule (5). Bit će jednak otprilike 416 mikrona. S ovom širinom staza, efektivna struja od 0,24 A u primarnom namotu vjerojatno neće dovesti do povećanja temperature.
Budući da je frekvencija 120 kHz, očekuje se dodatno povećanje temperature PCB-a od oko 2 °C u usporedbi sa situacijom kada teku samo konstantne struje. Ukupni porast temperature PCB-a uzrokovan samo protokom struje ostat će ispod 10 °C.
Šesteroslojni PCB s tragovima od 70 mikrona mora funkcionirati unutar izračunatih parametara. Nominalna debljina PCB-a bit će oko 1920 mikrona, što znači da standardna kombinacija E-PLT18 W-core i wafera u ovom slučaju neće raditi. Možete koristiti standardnu E-E18 kombinaciju dviju jezgri u obliku slova W s prozorom za namatanje od 3,6 mm. No, ovako veliki zavojni prozor ovdje se čini nepotrebnim, pa bi elegantnije rješenje bila jezgra po narudžbi s prozorom od oko 2 mm.
Mjerenja provedena na usporedivom dizajnu s jezgrom od dvije feritne polovice 3C90 u obliku slova W zabilježila su ukupni porast temperature od 28 °C. To je u skladu s našim izračunima koji su dali povećanje temperature od 17,5 °C zbog gubitaka u jezgri i 10 °C zbog gubitaka u namotu.
Veza između primarnog i sekundarnog namota je dobra jer je induktivitet rasipanja samo 0,6% induktiviteta primarnog namota.
Primjer 2. Prednji transformator
Ovdje je cilj dizajnirati prednji transformator s izborom jednog od četiri omjera transformacije, koji se često koriste u DC-DC pretvaračima male snage. Željene karakteristike prikazane su u gornjoj tablici.
Prvo morate provjeriti jesu li kombinacije najmanjih veličina jezgri iz standardnog raspona - E-PLT14 i E-E14 - prikladne za ovu primjenu. Izračunavanjem najveće dopuštene gustoće gubitaka u jezgri pri porastu temperature od 50 °C, dobivamo 1095 mW/cm3 za E-E14 kombinaciju dviju jezgri u obliku slova W i 1225 mW/cm3 za E-PLT14 kombinaciju W -oblikovana jezgra i ploča. Zatim izračunavamo gustoću gubitka u jezgri pomoću formule (3) u slučaju unipolarnog trokutastog indukcijskog vala s frekvencijom od 500 kHz za nekoliko vrijednosti vršne indukcije.
Dobiveni rezultati pokazuju da su pri vršnoj magnetskoj indukciji od oko 100 mT gubici manji od maksimalno dopuštenih, izračunatih formulom (2). Broj zavoja i efektivne struje izračunavaju se pomoću formula danih u okviru 1. S vršnom gustoćom magnetskog toka od 100 mT i gore navedenim parametrima, ispada da na frekvenciji od 530 kHz E-E14 i E-PLT14 kombinacije su prikladne za upotrebu i broj okreta je prihvatljiv. Rezultati proračuna prikazani su u tablici 4.
Tablica 4. Proračun projektnih parametara nekoliko izravnih transformatora
| Jezgra | Vin, V | Vout, V | N1 | N2 | L prim, µH | I o(eff.) , mA | Slika, mA | I p(ef.), 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 |
Konačno određivanje gustoće gubitka jezgre na Radna temperatura 100 °C za navedeni obrazac indukcijski valovi s frekvencijom od 530 kHz daje rezultate od 1030 mW/cm 3 za ferit 3F3 i 1580 mW/cm 3 za ferit 3F4. Očito je da najbolja opcija je 3F3. Porast temperature u jezgri E-PLT14 je:
(izračunata gustoća gubitka u 3F3/dopuštena gustoća gubitka) X 1/2DT = (1030/1225) X 25 °C = 21 °C.
Za kombinaciju E-E14 porast temperature je 23,5 °C. Primarni namot zahtijeva 7 ili 14 zavoja ovisno o ulaznom naponu. U slučaju konvencionalnog izravnog transformatora, isti broj zavoja je potreban za razmagnetiziranje (vraćanje) namota. Kako bi se moglo koristiti 7 ili 14 zavoja i isti broj zavoja za razmagnetizirajući namot, odabran je dizajn s 4 sloja od po 7 zavoja. Kada je potrebno 7 zavoja primarnog i demagnetizirajućeg namota, zavoji dvaju slojeva spajaju se paralelno. To će imati dodatni učinak - prepoloviti gustoću struje u zavojitim stazama.
Kada je potrebno 14 zavoja primarnog i demagnetizirajućeg namota, zavoji dvaju slojeva spojeni su u seriju tako da efektivni broj zavoja postane 14.
Dostupna širina namota za jezgru E-14 je 3,65 mm. Za ekonomičan dizajn s razmakom staza od 300 µm, širina staze pri 7 zavoja po sloju je 178 µm.
Debljina staza trebala bi biti 70 mikrona, budući da će pri ulaznom naponu od 24 V efektivna struja u primarnom namotu biti oko 1,09 A. To daje (vidi tablicu 2) efektivnu širinu staze od 356 mikrona (širina se udvostručuje kao rezultat paralelnog spajanja dijelova namota pri korištenju 7 zavoja) porast temperature 15 °C. Ulazni napon od 48 V proizvest će efektivnu struju od približno 0,54 A.
U tom će slučaju doprinos gubitaka u namotu ukupnom porastu temperature biti oko 14 °C sa širinom staze od 178 μm (14 zavoja povezanih u seriju).
Širina staze od 178 µm s razmakom od 300 µm za debljinu staze od 70 µm malo odstupa od našeg osnovnog pravila (razmak staza i širina staze > 200 µm). To može dovesti do malo viših troškova proizvodnje višeslojnih PCB-a. Sekundarni namot zahtijeva 3 ili 2 zavoja. Kada je jedan sloj dodijeljen svakom od zavoja, širina staze je 810 odnosno 1370 µm. Efektivne struje u sekundarnom namotu, jednak 2,44 i 3,70 A, uzrokuju porast temperature u namotima od približno 25 °C, što je, uzimajući u obzir porast temperature u primarnim namotima, previše. U ovom bi slučaju najbolje rješenje bilo korištenje 2 sloja za oba namota. Kada se ti slojevi, svaki s 3 zavoja, povežu paralelno, gustoća struje se prepolovi. Od sl. 5, može se odrediti da će doprinos gubitaka namota ukupnom porastu temperature u ovoj situaciji biti oko 6 °C. Ukupni porast temperature u PCB-u bit će približno 21 °C plus dodatni porast uzrokovan gubicima na naizmjenična struja. Budući da je frekvencija 500 kHz, potrebno je dodati još oko 10 °C, što znači da će se temperatura PCB-a povećati za 31 °C.
Broj zavoja i širina za svaki sloj ovog dizajna dani su u tablici 5. Najmanje jedan sloj, naznačen u tablici kao dodatni, neophodan je za povezivanje. Međutim, to će nam dati ukupno 9 slojeva, što je u proizvodnom smislu isto što i 10 slojeva (sljedeći parni broj). Iz tog razloga, gornji i donji sloj PCB-a koriste se kao dodatni slojevi - također zato što daje dodatna korist: gustoće struje u stazama su prepolovljene. Tragovi na ovim slojevima spajaju se s tragovima u unutarnjem sloju kroz rupe obložene bakrom i "dovode" ulaze i izlaze primarnog i sekundarnog namota na dvije strane tiskane ploče. Ovisno o tome kako su ulazi i izlazi na primarnoj i sekundarnoj strani povezani, možete dobiti 4 različita značenja omjer transformacije.
Tablica 5. Primjer 10-slojnog dizajna
| Sloj | Broj zavoja | 70 µm |
| šablona | 50 µm | |
| dodatni sloj | 70 µm | |
| izolacija | 200 µm | |
| primarno demagnetiziranje | 7 | 70 µm |
| izolacija | 200 µm | |
| primarni | 7 | 70 µm |
| izolacija | 200 µm | |
| sekundarni | 3 | 70 µm |
| izolacija | 200 µm | |
| sekundarni | 2 | 70 µm |
| izolacija | 200 µm | |
| sekundarni | 2 | 70 µm |
| izolacija | 200 µm | |
| sekundarni | 3 | 70 µm |
| izolacija | 200 µm | |
| primarni | 7 | 70 µm |
| izolacija | 200 µm | |
| primarno demagnetiziranje | 7 | 70 µm |
| izolacija | 200 µm | |
| dodatni sloj | 70 µm | |
| šablona | 50 µm | |
| UKUPNO: | 2600 µm |
Ukupna nominalna debljina PCB-a bit će približno 2,6 mm, što premašuje dostupni prozor za namatanje E-PLT14 kombinacije jezgri od 1,8 mm. Kombinacija E-E14 može se koristiti, ali ima minimalni prozor za namatanje od 3,6 mm - mnogo veći od onoga što je stvarno potrebno. Uspješnije rješenje bila bi nestandardna jezgra sa smanjenom veličinom prozora.
Mjerenja temperature ove tiskane pločice napravljena su pomoću termoparova na različitim uvjetima. Za testiranje smo koristili opciju konverzije 24/5 V, koja daje najveće gustoće struje. Prvo, istosmjerne struje jednake izračunatim odvojeno su dovedene na primarni i sekundarni namoti. Istosmjerna struja u primarnom namotu od 1079 mA dovela je do porasta temperature od 12,5 °C, a struja u sekundarnom namotu od 2441 mA dovela je do porasta temperature od 7,5 °C. Kao što se moglo očekivati, kada su obje struje dovedene na PCB u isto vrijeme, porast temperature je bio 20°C.
Gornji postupak ponovljen je za izmjenične struje nekoliko frekvencija s efektivnim vrijednostima jednakima izračunatim. Na frekvenciji od 500 kHz ukupni porast temperature u tiskanoj ploči iznosio je 32 °C. Najveće dodatno povećanje temperature (7 °C) uzrokovano AC gubicima primijećeno je u sekundarnim namotima. To je i logično, budući da je utjecaj skin-efekta izraženiji u širokim tračnicama sekundarnih namota nego u uskim tračnicama primarnih namota.
Na kraju, mjerenja temperature su provedena sa standardnim jezgrama (kombinacija E-E14) instaliranim na tiskanoj ploči pod uvjetima koji odgovaraju uvjetima rada izravnog transformatora. Porast temperature tiskane pločice bio je 49 °C; maksimalna točka zagrijavanja jezgre bila je na njenoj gornjoj strani i tamo je temperatura iznosila 53 °C. Porast temperature od 49 °C i 51 °C uočen je u središnjem dijelu jezgre, odnosno u vanjskom dijelu.
Kao što su izračuni predviđali, ovaj dizajn je donekle kritičan za set od dvije jezgre u obliku slova W, budući da je temperatura na maksimalnoj točki zagrijavanja zabilježena na 53 °C, što je iznad 50 °C. Međutim, kada se koriste ravnije (nestandardne) jezgre W-oblika, temperatura je unutar prihvatljivih granica.
U sljedećem članku ćemo pogledati primjer izračuna 25-vatnog DC/DC pretvarača koji se temelji na planarnom transformatoru.
Književnost
- Mulder S. A. Bilješka o primjeni dizajna visokofrekventnih transformatora niskog profila. Ferroxcube komponente. 1990. godine.
- Mulder S. A. Formule gubitaka za ferite snage i njihova uporaba u projektiranju transformatora. Philips komponente. 1994. godine.
- Durbaum Th., Albach M. Gubici u jezgri transformatora s proizvoljnim oblikom struje magnetiziranja. EPE Sevilla. 1995. godine.
- Brockmeyer A. Eksperimentalna procjena utjecaja istosmjernog predmagnetiziranja na svojstva ferita energetske elektronike. Tehnološko sveučilište u Aachenu. 1995. godine.
- Tehnička napomena Ferroxcube Components. 25 W DC/DC pretvarač koji koristi integriranu planarnu magnetiku. 9398 236 26011. 1996. god.
Stalno smanjenje veličine elektroničkih proizvoda, posebice mobilnih uređaja, dovodi do činjenice da su programeri prisiljeni koristiti komponente minimalnih dimenzija. Za poluvodičke komponente, kao i one pasivne kao što su otpornici i kondenzatori, izbor je prilično velik i raznolik. Razmotrit ćemo zamjenu male veličine za drugi pasivni element - transformatore i prigušnice. U većini slučajeva dizajneri koriste standardne transformatore i induktore namotane žicom. Razmotrit ćemo prednosti planarnih transformatora (PT) temeljenih na višeslojnim tiskanim pločama. Trošak višeslojnih tiskanih ploča stalno se smanjuje, tako da će planarni transformatori biti dobra zamjena za konvencionalne.
Planarni transformatori su atraktivna alternativa konvencionalnim transformatorima kada su potrebne male magnetske komponente. Kod planarne tehnologije izrade induktivnih komponenti ulogu namota mogu imati staze na tiskanoj pločici ili dijelovi bakra naneseni tiskanjem i odvojeni slojevima izolacijskog materijala, a osim toga namoti mogu biti konstruirani od višeslojnih tiskane ploče. Ti se namoti nalaze između malih feritnih jezgri. Planarne komponente se prema dizajnu dijele na nekoliko vrsta. Najbliže konvencionalnim induktivnim komponentama su zidne planarne komponente, koje se mogu koristiti umjesto konvencionalnih dijelova na jednoslojnim i višeslojnim tiskanim pločama. Visina nadzemne komponente može se smanjiti uranjanjem jezgre u izrez tiskane pločice tako da namot leži na površini pločice. Korak naprijed je hibridni tip, gdje su neki od namotaja ugrađeni u matičnu ploču, a neki su na zasebnoj višeslojnoj tiskanoj ploči koja je spojena na matičnu ploču. Matična ploča mora imati rupe za feritnu jezgru. Konačno, s potonjom vrstom planarnih komponenti, namot je potpuno integriran u višeslojni PCB.
Kao i kod uobičajenih komponenti namotanih žicom, polovice jezgre mogu se spojiti lijepljenjem ili stezanjem, ovisno o mogućnostima i preferencijama proizvođača. FERROXCUBE nudi širok raspon ravnih jezgri u obliku slova W za različite primjene.
Prednosti planarne tehnologije
Planarna tehnologija za proizvodnju magnetskih komponenti ima niz prednosti u usporedbi s konvencionalnim namotavanjem žice. Prvi očita prednost je vrlo male visine, što čini planarne komponente obećavajućim za upotrebu u rack-mount i prijenosnoj opremi s velikom gustoćom ugradnje.
Planarne magnetske komponente prikladne su za razvoj visokoučinkovitih sklopnih pretvarača snage. Niski gubici bakra na izmjeničnoj struji i visoki koeficijent sprege pružaju više učinkovita transformacija. Zbog niskog induktiviteta rasipanja smanjeni su udari i fluktuacije napona koji su uzrok kvara MOS komponenti i dodatni izvor smetnji.
Planarna tehnologija je jednostavna i pouzdana u proizvodnji. Tablice 1-3 opisuju prednosti i ograničenja ove tehnologije.
Tablica 1. Razvojne koristi
Tablica 2. Prednosti proizvodnje
Tablica 3. Ograničenja
(1) Cijena višeslojnih PCB-a se smanjuje. Ukupni troškovi: nije potreban okvir, manja veličina jezgre.
Integrirane naspram plug-in komponenti
Integrirane planarne komponente koriste se u primjenama gdje složenost okolnih strujnih krugova zahtijeva upotrebu višeslojnog PCB-a. Tipične primjene su pretvarači male snage i uređaji za obradu signala. Uglavnom koriste kombinaciju jezgre u obliku slova W i male ploče. Glavni zahtjevi za dizajn ovdje su mala visina i dobre visokofrekventne karakteristike.
- Priključne komponente koriste se drugačije. Tipične primjene su pretvarači velike snage; Uglavnom koriste kombinaciju dvije velike jezgre u obliku slova W. Glavni zahtjevi za dizajn ovdje su toplinska izvedba. Dizajn namota ovisi, posebno, o veličini struje.
Uranjanje pričvršćenih komponenti u ploču omogućuje smanjenje visine sklopa bez mijenjanja položaja komponenti.
Hibridne komponente smanjuju broj nadzemnih namota kroz tragove na tiskanoj pločici, au integriranoj verziji nadzemnih namota uopće nema. Moguće su i kombinacije ova dva tipa. Na primjer, pretvarač snage može imati primarni namot transformatora i prigušnicu mrežnog filtra ugrađenu u matičnu ploču, a sekundarni namot i izlaznu prigušnicu na zasebnim tiskanim pločama (slika 3).
Lijepljenje naspram stezanja
Izbor između lijepljenja i stezanja uvelike ovisi o mogućnostima i preferencijama proizvođača, ali postoje i zahtjevi specifični za primjenu koji mogu odrediti jedno ili drugo kao poželjnije.
Prva primjena planarnih transformatora bila je pretvorba snage. U skladu s tim, korišteni su snažni feriti srednje i visoke frekvencije. Induktivitet prigušnice mrežnog filtra može se povećati zamjenom snažnog ferita materijalom visoke magnetske propusnosti. U prijenosu impulsnog signala, širokopojasni transformator smješten između IC generatora impulsa i kabela osigurava odvajanje i usklađivanje impedancije. U slučaju S- ili T-sučelja, također mora biti ferit s visokom magnetskom propusnošću. Feritne jezgre visoke propusnosti 3E6 dodane su FERROXCUBE asortimanu proizvoda. Dolje je naveden popis aplikacija u kojima uporaba planarne tehnologije može pružiti prednosti.
Pretvorba snage
- Komponente
- Energetski transformatori, izlazne ili rezonantne prigušnice, mrežne filterske prigušnice.
- Ispravljači (mrežni izvori napajanja)
- Preklopni izvori napajanja.
- Uređaj za punjenje ( Mobiteli, prijenosna računala).
- Kontrolna i mjerna oprema.
- DC/DC pretvarači
- Moduli za pretvorbu energije.
- Mrežne sklopke.
- Mobilni telefoni (glavni izvor napajanja).
- Prijenosna računala (glavni izvor napajanja).
- Električna vozila (pretvarač vučnog napona na 12 V napon).
- AC pretvarači (mrežni izvori napajanja)
- Kompaktni pretvarači za fluorescentne svjetiljke.
- Indukcijsko grijanje, zavarivanje.
- Inverteri (napajanje na baterije)
- Mobilni telefoni (LCD pozadinsko osvjetljenje).
- Laptop računala (LCD pozadinsko osvjetljenje).
- Automobilska prednja svjetla s izbojem (balast).
- Grijani stražnji prozor automobila (pojačivač).
Prijenos impulsa
- Komponente
- Širokopojasni transformatori.
- S 0 -sučelja (pretplatnička telefonska linija).
- U-sučelja (ISDN pretplatnička linija).
- T1/T2 sučelja (okosnica između mrežnih sklopki).
- ADSL sučelja.
- HDSL sučelja.
Tablica 4. Karakteristike materijala
Tablica 5. Jezgre za lijepljenje (bez udubljenja)
Tablica 6. Materijali jezgre za lijepljenje
(*) - polujezgre za upotrebu u kombinaciji s jezgrom u obliku slova W bez razmaka ili ploče.
(**) - polovice jezgri s visokom magnetskom propusnošću.
E160 – E - polujezgra sa simetričnim razmakom. A L = 160 nH (mjereno u kombinaciji s polujezgrom sa simetričnim razmakom).
A25 – E - polujezgra s asimetričnim razmakom. A L = 25 nH (mjereno u kombinaciji s polužilom bez razmaka).
A25 – P - polovična jezgra s asimetričnim razmakom. A L = 25 nH (mjereno u kombinaciji s pločom).
1100/1300 - pola jezgre bez razmaka. AL = 1100/1300 nH (mjereno u kombinaciji s polužilom bez razmaka/ploče).
Vrijednost AL (nH) izmjerena je na B≤0,1 mT, f≤10 kHz, T = 25 °C.
Tolerancija A L:
Tablica 7. Ovisnost karakteristika o snazi (jezgre za lijepljenje)
Tablica 8. Žile sa stezaljkom
Paleta proizvoda
FERROXCUBE nudi širok izbor ravnih jezgri u obliku slova W u rasponu veličina od 14–64 mm. U osnovna verzija za spajanje, presjek je uvijek ujednačen, što omogućuje optimalno korištenje volumena ferita. Za svaku veličinu postoji jezgra u obliku slova W (označena slovom E) i odgovarajuća ploča (označena slovima PLT). Set se može sastojati od jezgre u obliku slova W i ploče ili dvije jezgre u obliku slova W. U potonjem slučaju, visina zavojnog prozora se udvostručuje. Za najmanje veličine postoji i set W-oblika jezgre i ploče u verziji sa steznim spojem. Koristi jezgru s urezima u obliku slova W (označenu E/R) i užljebljenu ploču (označenu PLT/S). Stezaljka (označena kao CLM) uskoči u udubljenja jezgre i osigurava čvrstu vezu pritiskom ploče u dvije točke. Utor sprječava pomicanje ploče, čak i pod jakim udarcima ili vibracijama, a također osigurava poravnanje. Za kombinaciju dviju jezgri u obliku slova W, stezaljka nije predviđena.
Tablica 9. Materijali jezgre spojnih stezaljki
(1) - polujezgre za upotrebu u kombinaciji s pločom.
A63 – P - polujezgra s asimetričnim razmakom. A L = 63 nH (mjereno u kombinaciji s pločom).
1280 - pola jezgre bez razmaka.
A L = 1280 nH (mjereno u kombinaciji s pločom).
L vrijednost (nH) izmjerena je na B≤0,1 mT, f≤10 kHz, T = 25 °C.
Tolerancija A L:
Tablica 10. Ovisnost karakteristika o snazi (jezgre sa stezaljkom)
Feritne jezgre snage 3F3 (radna frekvencija do 500 kHz) i 3F4 (500 kHz - 3 MHz) dostupne su u svim veličinama. Jezgre najveća veličina također su izrađene od ferita 3C85 (radna frekvencija do 200 kHz), budući da se velike jezgre često koriste u snažnim niskofrekventnim uređajima. Također su dostupne manje veličine jezgre, izrađene od ferita 3E6 visoke propusnosti (μ i = 12000), za upotrebu u prigušnicama mrežnog filtra i širokopojasnim transformatorima.
Paket
Plastična folija se koristi kao standardno pakiranje za jezgre i ploče u obliku slova W.
Tablica 11. Pakiranje
Tablica 12. Kutija s jezgrama
Tablica 13. Kutija sa stezaljkama
Tablica 14. Pakiranje trake
Za jezgre E14/3.5/5 i E18/4/10 razvijen je prototip pakiranja trake za korištenje s opremom za automatsku montažu za SMD komponente. Metoda pakiranja je u skladu s IEC-286 dio 3. Ploče su pakirane na isti način kao i odgovarajuće W-jezgre.
Razvoj
Da biste maksimalno iskoristili prednosti planarne tehnologije, potrebno je slijediti drugačiji koncept dizajna od namotavanja žice. U nastavku se nalaze brojna razmatranja koja će vas voditi u tom pogledu.
Izbor jezgre
- Magnetska indukcija
- Zračna rupa
Poboljšana toplinska izvedba omogućuje dvostruko veći gubitak snage od konvencionalnog dizajna za istu količinu magnetskog polja, tako da će optimalna vrijednost gustoće toka biti veća od normalne.
Veliki razmaci su nepoželjni u planarnim izvedbama jer stvaraju protok curenja. Rubni tok ovisi o omjeru visine okna namota i širine zračnog raspora, koji je manji za ravne jezgre. Ako je visina prozora samo nekoliko puta veća od širine razmaka, a širina je nekoliko puta veća od širine središnjeg dijela jezgre, tada će nastati značajan protok između vrha i dna jezgre. . Velike vrijednosti rubnih i križnih tokova dovode do velikih gubitaka vrtložnih struja u namotu.
Dizajn namotaja
- Otpor na DC
- AC Otpor
- Induktivitet curenja
Najčešće korišteni bakreni tragovi su debljine 35, 70, 100 i 200 mikrona. Ako površina poprečnog presjeka traga nije dovoljna za dobivanje prihvatljivog istosmjernog otpora, tragovi se mogu spojiti paralelno za sve ili dio zavoja.
Gubici bakra izmjenične struje zbog učinaka kože i blizine manji su za ravne bakrene tragove nego za okrugle žice iste površine poprečnog presjeka. Vrtložne struje inducirane u blizini zračnog raspora mogu se smanjiti uklanjanjem nekoliko zavoja na mjestu gdje je indukcija najveća i usmjerena okomito na ravninu namota. Kombinacija W-jezgra/ploča ima nešto manji protok curenja od kombinacije s dvije W-jezgre zbog položaja zračnog raspora.
Kada se namoti nalaze jedan iznad drugog, magnetska sprega je vrlo jaka, a moguće je postići vrijednosti koeficijenta sprege blizu 100% (slika 13, a).
Prethodni dizajn dovodi do većeg međusobnog kapaciteta. Taj se kapacitet može smanjiti postavljanjem tračnica susjednih namota u međusobne razmake (slika 13, b).
Štoviše, ponovljivost vrijednosti kapaciteta omogućuje njegovu kompenzaciju u ostatku kruga, kao i korištenje u rezonantnim strukturama. U potonjem slučaju, možete namjerno stvoriti veliki kapacitet postavljanjem staza susjednih namota jedna nasuprot drugoj (slika 13, c).
Proizvodnja
Skupština
Kada koristite stezaljke, prvo morate ugurati stezaljku u udubljenje jezgre, a zatim poravnati ploču bočno.
Za integrirane komponente, montaža se kombinira s ugradnjom.
Montaža
Kada koristite vanjske komponente, možete koristiti ploče s otvorom ili SMD montažu. Značajne razlike od normalan proces nije dostupno
Ravna površina jezgre je pogodna za automatsku ugradnju.
Za integrirane komponente, instalaciju je najbolje provesti u dvije faze:
- Zalijepite jednu polovicu jezgre na tiskanu ploču. Da biste to učinili, možete koristiti isto ljepilo kao za montažu SMD komponenti, a ovaj korak je logično kombiniran s montažom SMD komponenti na ovu stranu PCB-a.
- Zalijepite drugu polovicu jezgre na prvu. Ovdje vrijede isti komentari koji su dani u vezi sa sastavljanjem komponenti za pričvršćivanje.
Lemljenje
Odnosi se samo na montirane transformatore.
U slučaju reflow lemljenja, poželjna metoda zagrijavanja je vruća konvekcija umjesto infracrvenog zračenja, budući da prva metoda osigurava izjednačavanje temperature lemljenih površina. Kada se zagrijava infracrvenim zračenjem pomoću standardnih materijala, dobra toplinska vodljivost planarne komponente može uzrokovati prenisku temperaturu paste za lemljenje, a ako se snaga zračenja poveća, može uzrokovati prenisku temperaturu paste za lemljenje. visoka temperatura isprintana matična ploča. Ako se koristi infracrveno grijanje, preporuča se odabrati drugu pastu za lemljenje i/ili PCB materijal.
Označavanje standardnih veličina
Svi navedeni brojevi odnose se na polovice jezgre. Potrebno je naručiti dvije polovice jezgre prava kombinacija. Postoje četiri vrste polovica jezgre, od kojih se izrađuju kompleti od tri vrste:
- dvije jezgre u obliku slova W (E+E);
- Jezgra i ploča u obliku slova W (E+PLT);
- Jezgra u obliku slova W s urezima i ploča s utorom (E/R + PLT/S).
Posljednji set uključuje i stezaljku (CLM).
Sljedeći članak će pružiti metodu za proračun planarnih energetskih transformatora za pulsni izvori prehrana.
