Induktive Bauteile Bauanleitung für Übertrager

Welche Topologien für Schaltregler-Designs und Überträger für Sperrwandler.
Welche Topologien für Schaltregler-Designs und Überträger für Sperrwandler.

Im Beitrag „Trafo für Sperrwandler“[1] ging es darum, welche Topologien für Schaltregler-Designs in Frage kommen und welche grundlegenden Berechnungen der Entwickler bei einem Übertrager für Sperrwandler anstellen muss. Darauf aufbauend folgen nun konkrete Konstruktionshinweise.

Nachdem in [1] alle relevanten Berechnungen für den gewählten Übertrager durchgeführt wurden, kann im nächsten Schritt mit dem Wickeln des Übertragers begonnen werden.

Die folgenden Fragen und vor allem die geeigneten Antworten darauf können bei der Durchführung der nun folgenden Arbeitsschritte sehr hilfreich sein:

  • Welche Sicherheitsanforderungen müssen erfüllt sein?
  • Welche Luft- und Kriechstrecken werden benötigt?
  • Muss der Übertrager nach einem UL-Isolationssystem aufgebaut werden?
  • Unter welchen Umgebungsbedingungen wird der Übertrager betrieben?
  • Welche Wandlertopologie wird verwendet?
  • Wie viel Platz steht auf der Leiterplatte für den Übertrager zur Verfügung?
  • Gibt es eine Höhenbeschränkung?
  • Welche Schaltfrequenzen treten auf?
  • Welche Leistung soll die Stromversorgung haben?
  • Welche Eingangs- und Ausgangsspannungen soll die Stromversorgung haben?
  • Wie viele Wicklungen werden benötigt?
  • Sind die verwendeten Materialien für bleifreie Lötprozesse geeignet?

Konstruktionshinweise

Nachfolgend finden sich einige Konstruktionshinweise. Diese helfen, die Fertigungskosten zu verringern bzw. die elektrischen Eigenschaften zu verbessern. Diese Konstruktionshinweise haben keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Es gibt noch viele weitere Wickeltechniken. Bild 1 zeigt in diesem Zusammenhang die Einzelschritte beim Aufbau eines Übertragers am Beispiel eines EFD25-SMD-Spulenkörpers.

Einrückung
Als Entwickler des Übertragers sollte man vorab genau festlegen, wo Luft- und Kriechstrecken benötigt werden und wo man die Wicklungen einrücken muss. Analog zu Schritt 2 in Bild 1 kann es sein, dass ein Klebeband zur mechanischen Fixierung der Einrückung benötigt wird. In dem dort gezeigten Beispiel wurde also auf einer Seite des Spulenkörpers eingerückt. Eingerückte Wicklungen und ihre Lage beeinflussen die magnetische Kopplung und die Streuinduktivität. Eine Alternative dazu sind dreifach isolierte Drähte. Diese Lösung ist bei hohen Windungszahlen allerdings sehr teuer.
Anzahl Einzeldrähte, Drahtdurchmesser
Als nächstes muss man die Drahtart, die Anzahl der Einzeldrähte und den Drahtdurchmesser gemäß der Schaltfrequenz und der Stromstärke auswählen. Vorsicht ist dabei durchaus angebracht, zumal zu dicke Drähte oder zu viele Einzeldrähte bei benachbarten Pins zu ungewünschten Lötbrücken (Kurzschluss) führen können.

Anzahl der Windungen pro Lage (TPL)

Die Anzahl der Windungen sollte man so wählen, dass sie die gesamte Wickelbreite nutzen. Am besten verteilt man die Wicklung auch bei kleiner Windungszahl gleichmäßig über die gesamte Breite. Außerdem ist es ratsam, die Anzahl der Lagen zu minimieren, um Streuinduktivität und Wirbelsstromverluste zu verringern.

Pinning

Das Pinning wird durch verschiedene Faktoren bestimmt – zum Beispiel durch Sicherheitsanforderungen und Leiterplattenlayout. Normalerweise werden die Primärwicklungen auf einer Spulenkörperseite angeschlossen und die Sekundärwicklungen auf der anderen. Das günstigste Pinning ergibt sich aus der Anzahl der Lagen (gerade Anzahl oder ungerade). Wenn die Wicklung auf der gegenüberliegenden Seite des Spulenkörpers des gedachten Pins endet, sollte man den Draht im 90°-Winkel über die Wicklung legen. Bei hohen Spannungen sollte zudem ein Isolations-Tape unter die Wicklungskreuzung gelegt werden. Die Drahtrückführung ist abschließend dort zu platzieren, wo sie die nachfolgenden Wicklungen und die Kernmontage am wenigsten stört. Wenn der Winkel der Drahtrückführung stark von 90° abweicht, sind die nachfolgenden Wicklungen nicht mehr sauber wickelbar.

Lagenisolation

Lagenisolation ist stets dann nötig, wenn hohe Spannungen zwischen den Lagen abfallen.

Isolationsfolie oder -klebeband

Die Breite des Isolationsklebebands sollte etwas größer sein als die Breite des Spulenkörpers, damit das Klebeband am Rand etwas hochsteht. Dadurch können Randwindungen nicht von einer Lage zur nächsten durchrutschen, was unter Umständen zum Durchschlag führen kann. Die beim bleifreien Lötprozess erreichten höheren Temperaturen, können zum Schrumpfen des Klebebands führen. Auch das Schrumpfen des Klebebands kann zum Hochspannungsausfall führen. Es gibt auch Hochtemperatur-Polyimid-Klebebänder. Diese haben aber einen niedrigeren CTI-Wert (Comparative Tracking Index, Kennwert im Zusammenhang mit Kriechstromfestigkeit) und es sind größere Kriechstrecken erforderlich. Außerdem sind diese Klebebänder sehr teuer.

Kernmontage, Kern-Klebeband, Kernisolation

Wählen Sie einen geeigneten Kern mit dem richtigen AL-Wert. Die Kerne werden zur Fixierung mit zwei Lagen Klebeband umwickelt. Das Klebeband sollte bei diesem Arbeitsschritt nicht zu stark gezogen werden. Manchmal muss der Kern gegen die Pins isoliert werden. Damit der Kern auf dem Spulenkörper nicht wackelt, sollte er mit Kleber oder Tränklack fixiert werden.