Todo sobre los transformadores para montaje en PCB

La conversión de corriente alterna (CA) a continua (CC) empieza con un dispositivo aparentemente sencillo: el transformador. Estos componentes utilizan la inducción magnética para transferir energía entre dos bobinas sin requerir una conexión mecánica directa, variando la corriente en una de las bobinas. Hay muchos tipos de transformadores que se pueden montar en la carcasa o chasis, o directamente en la placa de circuito impreso o PCB. En este artículo, veremos algunas de las opciones de transformadores para PCB que encontrarás disponibles y que pueden proporcionarte un alto aislamiento cuando se utilizan en la conversión de potencia en la PCB.

Otro punto importante que considerar es cómo seleccionar transformadores para montaje en PCB para utilizarlos en tu nuevo diseño. Los transformadores para montaje en PCB tienen distintos tamaños, como pequeños componentes SMD para baja potencia o grandes componentes con orificios pasantes montados mecánicamente para manejar alta potencia. Veremos algunas de las especificaciones importantes de los transformadores para circuitos impresos que hay que tener en cuenta al utilizar estos componentes en distintos tipos de sistemas de regulación de potencia.

Descripción general de los transformadores de montaje en PCB

Los transformadores generalmente constan de dos bobinas separadas físicamente que se unen inductivamente a través del campo magnético, que es incidente entre las bobinas primarias y secundarias. Un transformador para montaje en PCB está diseñado para integrarse en tu placa de circuito impreso junto con otros componentes (sección digital, acondicionamiento de alimentación, etc.) para proporcionar transferencia de energía entre dos circuitos. El punto importante aquí es que la transferencia de energía se produce entre bobinas y mantiene aislados los dos lados del transformador. El lado de entrada de la placa, que podría suponer un riesgo de seguridad para el usuario, está aislado del lado de salida. Esta necesidad de aislamiento del transformador en la PCB es una especificación importante que comentaremos más adelante.

Los transformadores reales no siempre utilizan el tipo de estructura simple que se muestra en algunos diagramas, donde un núcleo magnético cuadrado está envuelto en bobinas para proporcionar acoplamiento magnético. En su lugar, el diseño de la bobina y el núcleo podría ser en cierto modo complejo, con topologías laminadas, de núcleo envolvente o apiladas. Si eres diseñador de placas de PCB, normalmente solo te preocupas de la fuerza de acoplamiento inductivo a través del núcleo, así como del aislamiento, ya que estas especificaciones determinarán la eficiencia de la conversión de potencia, así como el nivel de aislamiento entre las bobinas.

Especificaciones principales de los transformadores para montaje en PCB

El principal reto al que se enfrenta el uso de un transformador de PCB en cualquier circuito impreso es la selección del transformador adecuado que garantice una conversión de potencia altamente eficiente mientras cumple con algunas especificaciones mínimas de manipulación de potencia. En cuanto al montaje del transformador en una placa de circuito impreso, también tenemos que considerar el estilo de montaje, el tamaño del transformador y el eje z, al igual que algunos otros componentes, para la selección de identificación del transformador de PCB. A continuación, se muestran algunas de las especificaciones principales:

Parámetros primarios y secundarios: Como su nombre sugiere, esto especifica los límites de tensión y corriente en las bobinas primaria y secundaria. Empezarás eligiendo un transformador en función de la tensión requerida y luego tendrás que diseñar para asegurarte de que te mantienes por debajo del límite de corriente del transformador definido en las bobinas de entrada y salida.

Potencia nominal y eficiencia: Se refiere a la potencia que puede manejar un transformador. Es posible que el transformador solo especifique una potencia nominal en CC; se trata de una potencia nominal de resistencia, por lo que tenlo en cuenta cuando consultes una hoja de datos, la potencia nominal reactiva podría ser diferente y se definirá a una frecuencia específica. La eficiencia también se especifica a menudo como un valor de CC y en determinadas condiciones (es decir, a plena corriente).

Factor de forma: Esto puede ser un factor decisivo en la elección del transformador para la PCB, ya que el espacio puede ser limitado. La selección de un transformador para montaje en PCB suele depender del tamaño de la placa o de las restricciones de la carcasa. Estos transformadores pueden asentarse en alto en la placa, lo que los hace propensos a la vibración.

Estilo de montaje (SMT vs. agujero pasante): Los transformadores SMT tendrán una superficie inferior plana con pines en el cuerpo exterior para que el componente pueda soldarse a una PCB en transformadores. Los transformadores con orificio pasante tienen pines largos para que puedan proporcionar una conexión sólida a la placa que pueda soportar las vibraciones y choques térmicos.

Mecanismo de refrigeración: Como estos componentes están diseñados para montarse en PCB, normalmente no vienen con ningún tipo de mecanismo de refrigeración, algo que es importante en la conversión de alta potencia y en el manejo de la potencia en general. En su lugar, el fabricante proporcionará una potencia nominal máxima de entrada y salida, de manera que la temperatura requerida permanezca por debajo de un valor seguro. El principal mecanismo de refrigeración es por conducción dentro del encapsulado y, finalmente, dentro de la PCB. Probablemente, la única excepción sean los transformadores planos de montaje en PCB, que tienen una superficie plana en el encapsulado para poder montar o integrar un disipador de calor.

Inductancia: Esto es más importante en aplicaciones de conversión CC-CC de conmutación, como en un convertidor de retroceso (o convertidor "flyback"), o un convertidor resonante LLC. En aplicaciones AC-CC, la inductancia determinará la fuerza de acoplamiento al componente secundario, pero normalmente hay que fijarse en la potencia nominal y en la eficiencia de conversión.

¿Deberías diseñar tu propio transformador o inductor para la PCB?

A veces me planteo esta pregunta porque los diseñadores de PCB pueden querer construir un componente de conversión de potencia personalizado que pueda reducirse a una tensión no estándar. La respuesta sencilla es "sí", pero no deberías hacerlo por tu cuenta. Debido a los requisitos normativos y de seguridad a los que están sujetos los componentes magnéticos de potencia, te convendría trabajar con un fabricante de transformadores para montaje en PCB para diseñar y obtener componentes personalizados. Lo mejor es elegir un transformador estándar que cumpla tus especificaciones y utilizar un regulador en la salida para alcanzar la tensión de salida deseada.

Incluso si trabajas con un fabricante de transformadores, no podrás especificar los materiales o procesos utilizados para producir el transformador de la tabla de circuitos. Cada fabricante tiene un proceso específico y un conjunto de materiales que utilizará para producir un componente que pueda superar las aprobaciones de seguridad UL. La capacidad de superar estas aprobaciones es muy importante para garantizar que tu diseño sea lo suficientemente seguro como para funcionar sin riesgo de incendio o descarga, así como para eventualmente sacarlo al mercado para su venta.

Siempre que trabajes con la identificación de transformadores y sistemas de alimentación de PCB, la seguridad deberá ser una prioridad en el diseño. Incluso después de haber obtenido un transformador personalizado que utiliza un sistema de aislamiento aprobado por UL, querrás trabajar con el fabricante o con un laboratorio de pruebas para asegurarte de que tu PCBA terminada también supere las pruebas UL. Si puedes seleccionar correctamente los transformadores para las placas de circuito impreso y aplicar algunas de las prácticas recomendadas para los sistemas de potencia, tendrás más probabilidades de construir con éxito un sistema de alimentación seguro y de alto rendimiento.

Cuando diseñes una fuente de alimentación aislada compacta, tendrás que seleccionar un transformador de montaje en PCB que puedas utilizar en tu software de diseño de PCB. Cuando hayas encontrado el transformador montado en placa que vaya a funcionar mejor en tu diseño, utiliza las herramientas de diseño de PCB de CircuitMaker para preparar tus esquemáticos y tu diseño de PCB. Todos los usuarios de CircuitMaker pueden crear los esquemáticos, los diseños de PCB y la documentación de fabricación necesarios para que un diseño pase de la fase de concepción a la de producción. Los usuarios también tienen acceso a un espacio de trabajo personal en la plataforma Altium 365™, donde pueden cargar y almacenar datos de diseño en la nube y ver fácilmente los proyectos a través de un navegador web en una plataforma segura.

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