Was ist ein Transformator und welcher ist die beste Wahl für Ihr Projekt?

Die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom beginnt mit einem täuschend einfachen Gerät: dem Transformator. In diesem Artikel werden wir uns einige der verfügbaren Optionen für Transformatoren genauer ansehen, vor allem solche, die Ihnen eine hohe Isolierung bieten können, wenn sie bei der Spannungsumwandlung auf Ihrer Leiterplatte verwendet werden.

Wie funktioniert ein Transformator?

Die Funktion eines Transformators ist einfach erklärt: Ein Transformator überträgt Energie zwischen zwei Spulen mithilfe magnetischer Induktion, sodass keine direkte mechanische Verbindung erforderlich ist. Dafür varriiert er die Stromstärke in einer der Spulen.

Es gibt viele Arten von Transformatoren, die an Ihrem Gehäuse montiert oder direkt auf Ihrer Leiterplatte bestückt werden können. Transformatoren für die Leiterplattenmontage gibt es in verschiedenen Größen, entweder als kleine SMD-Bauteile für kleine oder große, mechanisch montierte Bauteile zur Durchsteckmontage für hohe Leistungen. Wir werden uns einige wichtige Transformatorspezifikationen ansehen, die bei der Verwendung dieser Komponenten in verschiedenen Arten von Leistungsregelungssystemen zu berücksichtigen sind.

Aufbau eines Transformators

Transformatoren bestehen im Allgemeinen aus zwei physisch getrennten Spulen, die durch das Magnetfeld, das zwischen Primär- und Sekundärspule fällt, induktiv miteinander gekoppelt sind. Ein bestückbarer Transformator ist so konzipiert, dass er zusammen mit anderen Komponenten (Digitalteil, Stromaufbereitung, usw.) in Ihre Leiterplatte integriert werden kann, um die Stromübertragung zwischen zwei Schaltkreisen zu ermöglichen.

Wichtig dabei ist, dass die Leistung zwischen den Spulen übertragen wird, während die beiden Seiten des Transformators isoliert bleiben. Die Eingangsseite der Leiterplatte, die ein Sicherheitsrisiko für den Nutzer darstellen könnte, ist also von der Ausgangsseite isoliert. Diese notwendige Isolierung ist eine wichtige Spezifikation, auf die wir weiter unten noch eingehen werden.

Echte Transformatoren verwenden nicht immer — wie in einigen Diagrammen gezeigt — einfache Strukturen, bei denen lediglich ein quadratischer Magnetkern mit Spulen umwickelt ist, um eine magnetische Kopplung bereitzustellen. Stattdessen können die Spule und der Kern auch etwas komplexer gestaltet werden, bspw. mit laminierten, Kern-Schale- oder gestapelten Topologien. Als Leiterplattendesigner machen Sie sich normalerweise nur Gedanken über die Stärke der induktiven Kopplung durch den Kern sowie über die Isolierung; da diese Spezifikationen den Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung und den Grad der Isolierung zwischen den Spulen bestimmen.

Wichtige Spezifikationen für Transformatoren bei der Leiterplattenmontage

Die größte Herausforderung bei der Verwendung eines PCB-Transformators in jedem Stromkreis ist die Auswahl des richtigen Transformators. Es muss ein Transformator sein, der eine hocheffiziente Leistungsumwandlung gewährleistet und gleichzeitig einige Mindestspezifikationen für die Leistungsaufnahme erfüllt. Bei der Montage auf einer Leiterplatte müssen wir auch die Art der Montage, die Größe des Transformators und die Z-Achsen-Spanne als einige Komponenten für die Auswahl des PCB-Transformators berücksichtigen.

Nachfolgend sind einige der wichtigsten Spezifikationen aufgeführt:

Primär- und Sekundärnennwerte

Wie der Name es schon vermuten lässt, spezifizieren diese die Spannungs- und Stromgrenzen an der Primär- und Sekundärspule. Zunächst wählen Sie also einen Transformator auf Grundlage der benötigten Spannung aus. Dann müssen Sie sicherstellen, dass Sie auch entsprechend unter der Stromgrenze des Transformators bleiben, die an der Eingangs- und Ausgangsspule definiert ist.

Nennleistung und Wirkungsgrad

Diese Werte beziehen sich auf die Leistung, die ein Transformator bewältigen kann. Möglicherweise ist für Ihren Transformator nur eine Gleichstromleistung angegeben; dabei handelt es sich um eine Widerstandsleistung. Bedenken Sie dies, wenn Sie sich ein Datenblatt ansehen, denn die Blindleistung kann durchaus anders sein; sie ist zudem für eine bestimmte Frequenz definiert. Der Wirkungsgrad wird häufig auch als Gleichstromwert bezeichnet und unter bestimmten Bedingungen (z. B. Vollstrom) angegeben.

Formfaktor

Dies kann ein entscheidender Faktor bei der Auswahl des Transformators sein, da der Platz möglicherweise begrenzt ist. Die Auswahl von Transformatoren für die Leiterplattenmontage hängt oft von der PCB-Größe oder den Gehäusebeschränkungen ab. Diese Art von Transformatoren können oben auf der Leiterplatte angebracht werden, was sie aber wiederum anfällig für Vibrationen macht.

Montageart (SMT vs. Durchsteckmontage)

SMT-Transformatoren haben eine flache Bodenfläche mit Stiften am Außenkörper, sodass diese Art von Bauteil auf eine Leiterplatte gelötet werden kann. Transformatoren für die Durchsteckmontage haben dabei recht lange Stifte, damit sie eine starke Verbindung zur Leiterplatte herstellen können, die auch Vibrationen und Temperaturschocks standhält.

Kühlmechanismus

Da diese Bauteile für die Montage auf PCBs vorgesehen sind, werden sie normalerweise nicht mit einem Kühlmechanismus geliefert; dieser ist jedoch durchaus wichtig bei der Umwandlung von hoher Leistung und der Leistungsaufnahme im Allgemeinen. Stattdessen gibt der Hersteller eine maximale Eingangs-/Ausgangsleistung an, die so bemessen ist, dass die erforderliche Temperatur unter einem sicheren Wert bleibt.

Die Kühlung erfolgt hier hauptsächlich durch Wärmeleitung in das Gehäuse und schließlich in die Leiterplatte. Wahrscheinlich die einzige Ausnahme davon stellen planare Transformatoren für die Leiterplattenmontage dar; deren Verpackung hat eine flache Oberfläche, um einen Kühlkörper montieren oder integrieren zu können.

Induktivität

Dies ist bei Schaltanwendungen mit DC-DC-Umwandlung besonders wichtig, beispielsweise in einem Sperrwandler oder einem LLC-Resonanzwandler. Bei Wechselstrom-Gleichstrom-Anwendungen bestimmt die Induktivität die Stärke der Kopplung mit dem sekundären Bauteil; normalerweise betrachten Sie aber einfach die Belastbarkeit und den Umwandlungswirkungsgrad.

Sollten Sie Ihren eigenen Transformator oder Induktor designen?

Diese Frage wird mir manchmal gestellt, wenn Designer eine eigene Leistungsumwandlungskomponente bauen wollen, die auf eine nicht standardisierte Spannung herunterschalten kann. Die simple Antwort lautet hier „Ja“; Sie sollten das jedoch nicht alleine tun. Wenn Sie maßgeschneiderte Komponenten designen wollen, sollten Sie aufgrund der gesetzlichen und sicherheitstechnischen Anforderungen, die an Leistungsmagnete gestellt werden, mit einem Hersteller von Transformatoren für die Leiterplattenmontage zusammenarbeiten.

Der einfachere und oftmals effektivere Weg besteht jedoch darin, einen handelsüblichen Transformator zu wählen, der Ihre Anforderungen schon erfüllt, und dann einen Regler am Ausgang anzubringen. Auch so lässt sich die gewünschte Ausgangsspannung oftmals schon erreichen.

Selbst wenn Sie mit einem Hersteller zusammenarbeiten, können Sie zumeist nicht die Materialien oder Verfahren bestimmen, die letztlich zur Herstellung des Leiterplattentransformators verwendet werden. Jeder Hersteller hat ein bestimmtes Verfahren und Materialsatz, den er verwendet, um ein Bauteil herzustellen, das die UL-Sicherheitsprüfungen bestehen kann. Das Bestehen dieser Sicherheitsprüfungen ist sehr wichtig; es stellt sicher, dass Ihr Design sicher genug ist, um ohne Brand- oder Stromschlaggefahr zu funktionieren und schließlich auch auf dem freien Markt verkauft werden kann.

Wann immer Sie mit PCB-Transformatoren und Stromversorgungssystemen arbeiten, sollte die Sicherheit bei Ihrem Design an erster Stelle stehen. Selbst nachdem Sie einen maßgeschneiderten Transformator hergestellt haben – der ein UL-zugelassenes Isoliersystem verwendet – sollten Sie mit Ihrem Hersteller oder einem Testlabor zusammenarbeiten, um sicherzustellen, dass Ihr fertiger PCBA ebenfalls die UL-Tests besteht. Wenn Sie in der Lage sind, Leiterplattentransformatoren richtig auszuwählen und einige bewährte Verfahren für Stromversorgungssysteme anwenden können, ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass Sie erfolgreich ein sicheres, hocheffizientes Stromversorgungssystem aufbauen.

Wenn Sie ein kompaktes isoliertes Netzteil designen, müssen Sie einen bestückbaren Transformator auswählen, der sich auch in Ihrer PCB-Designsoftware verwenden lässt. Wenn Sie den richtigen bestückbaren Transformator gefunden haben, der am besten in Ihrem Design funktioniert, verwenden Sie im nächsten Schritt die PCB-Design-Tools in CircuitMaker, um Ihre Schaltpläne und Ihr PCB-Layout vorzubereiten. Alle CircuitMaker-Anwender können Schaltpläne, PCB-Layouts und Fertigungsdokumente erstellen, die erforderlich sind, um ein Design von der Idee in die Produktion zu bringen. Benutzer haben auch Zugriff auf einen persönlichen Arbeitsbereich auf der Altium 365™-Plattform. Hier können sie Designdaten hochladen und in der Cloud speichern sowie Projekte einfach über einen Webbrowser auf einer sicheren Plattform betrachten.

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