ТРАНСФОРМАТОР C ПЕЧАТНОЙ ПЛАТОЙ Российский патент 2020 года по МПК H01F3/10 H01F27/28 

Данное изобретение относится, в частности, к плоскому трансформатору с печатной платой, имеющему плоские обмотки, расположенные на печатной плате.

Известны различные конфигурации трансформатора с более традиционными общепринятыми конфигурациями, содержащими первичные и вторичные проволочные обмотки, идущие по спирали вдоль соответствующих ножек железного или ферритного сердечника трансформатора. Такие сердечники обычно имеют конфигурацию U-U, U-I, E-E или E-I. В последнее время, вместо того, чтобы располагать обмотки вдоль ножек сердечника по спирали, их выполняют плоскими в виде дорожек на печатной плате, и при этом они обычно располагаются вдоль плоской спиральной дорожки и, как правило, концентрично по отношению к ножке сердечника, имеющего конфигурацию U-U, U-I, E-E или E-I.

Кроме того, как показано на фиг. 6A-6E, известны различные конфигурации трансформатора с броневым сердечником, отличные от трансформаторов с печатной платой согласно данному изобретению, в которых центральная ножка сердечника окружена кольцевой дорожкой, внутри которой будет располагаться катушка, закрытая участками наружной стенки.

Однако конструкция и конфигурация сердечника трансформатора по отношению к размерам, форме и общей площади вертикальной проекции плоских обмоток печатной платы приводят к ограничениям и недостаткам в известной конструкции плоского трансформатора.

В частности, взаимодействие магнитных потоков невыгодным образом ограничено, и потери таких известных плоских трансформаторов с печатными платами могут быть значительными.

Данное изобретение направлено на создание плоского трансформатора с печатной платой, обладающего преимуществами по сравнению с такими известными трансформаторами.

В частности, данное изобретение направлено на создание плоского трансформатора с печатной платой, обладающего большей эффективностью магнитной связи и меньшими потерями.

В соответствии с одним аспектом данного изобретения предлагается трансформатор с печатной платой, содержащий сердечник и плоскую обмотку на печатной плате, причем указанный сердечник имеет две ножки, исходящие из основания, которые могут иметь, по существу, аналогичную форму и размер, и при этом плоская обмотка на печатной плате проходит вокруг по меньшей мере одной из указанных ножек, а внешние размеры участков основания, расположенных поверх выполненной на печатной плате обмотки, по существу совпадают с внешними размерами плоской обмотки на печатной плате.

Данное изобретение оказывается особенно выгодным, поскольку, по существу, при совпадении соответствующих внешних размеров обмотки и внешних размеров участка основания, расположенного поверх обмотки, изобретение обеспечивает улучшенное магнитное взаимодействие, эффективность работы и меньшие потери.

Таким образом, форма и конфигурация сердечника больше подходят для использования с плоскими в большинстве случаев концентрическими дорожками печатной платы, образующими обмотку.

Предпочтительно, чтобы магнитное взаимодействие было организовано таким образом, чтобы использовать преимущества и сфокусировать его на участках основания сердечника трансформатора, а не на участках ножек, как в случае традиционной конструкции сердечника трансформатора.

Предпочтительно, чтобы соответствующие размеры указанного участка основания и обмотки совпадали, по существу, вдоль большей части их периферии.

В частности, имеется существенное совпадение между соответствующими размерами указанного участка основания и обмотки во всех областях, за исключением области основания между двумя соседними ножками.

Предпочтительно, чтобы площадь вертикальной проекции участка основания, расположенного поверх обмотки, был выполнен таким образом, чтобы соответствовать, по существу, площади вертикальной проекции обмотки.

Размер и форма участка основания, расположенного поверх обмотки, выполнены с возможностью зеркального отображения формы и конфигурации обмотки, за исключением области между двумя соседними ножками.

Предпочтительно, чтобы соответствующие обмотки проходили вокруг двух ножек. В качестве альтернативного варианта, трансформатор с печатной платой может содержать центральную ножку и две периферийные ножки, и при этом одна обмотка может центрироваться по отношению к указанной центральной ножке.

Таким образом, указанный участок основания в области, расположенной поверх обмотки, центрируется по отношению к, как минимум, одной ножке.

В частности, данное изобретение предусматривает создание трансформатора с печатной платой, содержащего сердечник с двумя ножками и соответствующими первой и второй плоскими обмотками, проходящими соответственно вокруг первой и второй ножки сердечника.

В другом варианте реализации изобретения трансформатор с печатной платой согласно данному изобретению может содержать сердечник, содержащий три ножки и плоскую обмотку, проходящую вокруг центральной из трех ножек.

В частности, первая и вторая обмотки могут содержать совпадающие пары обмоток.

В частности, область основания сердечника, проходящая над парой обмоток, в сочетании с парой обмоток образуют вертикальную проекцию в виде восьмерки.

Данное изобретение далее описано только посредством примера со ссылкой на прилагаемые графические материалы, в которых:

на фиг. 1А и 1В показаны виды в поперечном сечении двух различных примеров известных сердечников трансформатора и связанных с ними катушек;

на фиг. 2А и 2В показаны схематические изображения сердечников трансформатора, изображенных на фиг. 1А и 1В, с указанием линий магнитных потоков, создаваемых катушками.

на фиг. 3А показан вид в перспективе четырех различных примеров сердечника трансформатора в соответствии с известными конструкциями плоского трансформатора;

на фиг. 3В показан вид в поперечном сечении сердечников, изображенных на фиг. 3А, с указанием расположения печатной платы и дорожек катушек трансформатора в этой плоскостной конфигурации;

на фиг. 3С показаны виды сверху сердечников и катушек трансформаторов с двумя и тремя ножками, изображенных на фиг. 3В;

на фиг. 4A показаны схематичный вид в поперечном сечении и вид сверху, иллюстрирующие работу трансформатора с печатной платой в соответствии с известными конструкциями трансформатора, с указанием линий магнитного потока;

на фиг. 4В показан другой вариант реализации изобретения по сравнению с изображенным на фиг. 4А; и

на фиг. 5А показаны виды в перспективе и сверху сердечника трансформатора и трансформатора с печатной платой в соответствии с одним вариантом реализации данного изобретения.

На фиг. 5В показан схематический вид в перспективе и вид сверху сердечника трансформатора с печатной платой и обмоток в виде печатных плат в соответствии с другим вариантом реализации данного изобретения.

Далее, в соответствии с фиг. 1А, представлен вид в поперечном сечении традиционного трансформатора, содержащего сердечник трансформатора конфигурации U-U, сформированный из железа или феррита 101 и имеющий первичную обмотку 111 трансформатора, намотанную по спирали вокруг одной из ножек трансформатора, и вторичную обмотку 121, проходящую аналогичным образом вокруг второй из двух ножек сердечника трансформатора.

На фиг. 1В показан еще один пример известного сердечника 102 трансформатора, на этот раз содержащего сердечник с тремя ножками (конфигурации E-E), в котором как первичная 112, так и вторичная 122 обмотки трансформатора проходят вокруг и вдоль центральной ножки сердечника 102 трансформатора.

Аналогичные виды в поперечном сечении сердечников трансформатора конфигураций U-U и E-E по фиг. 1А и фиг. 1В показаны на фиг. 2А и фиг. 2В, но на фиг. 2А и фиг. 2В магнитное поле, обозначенное линиями 131 магнитного потока, дополнительно проиллюстрировано по отношению к обмоткам сердечника трансформатора. Ясно, что обмотки трансформатора проходят вдоль стержней катушек 101, 102 трансформатора, поэтому существенная часть взаимодействия магнитных потоков осуществляется посредством железного/ферритового сердечника 101, 102, который обеспечивает минимальное сопротивление прохождению магнитного потока 131.

В качестве альтернативы известным конструкциям трансформаторов, показанным на фиг. 1A, 1B, 2A и 2B, также хорошо известны плоские трансформаторы, в которых обмотки выполнены на плоских дорожках печатных плат вместо известных спиралевидных обмоток трансформатора, причем эти дорожки проходят в большинстве случаев концентрически вокруг ножек сердечника трансформатора и расположены в плоскости, параллельной участку основания сердечника трансформатора.

Известны различные конфигурации двухкомпонентной конструкции сердечника трансформатора 202, которые показаны на фиг. 3А и которые иллюстрируют варианты конфигураций U-I и U-U плоского сердечника трансформатора с двумя ножками, а также варианты конфигураций E-I и E-E плоского сердечника трансформатора с тремя ножками.

Общая конструкция 241 трансформатора проиллюстрирована со ссылкой на фиг. 3В, которая также иллюстрирует печатную плату 242, проходящую через плоский сердечник 202 трансформатора и на которой предусмотрены печатные обмотки 251.

Более подробная информация о таких конструкциях трансформатора с печатной платой проиллюстрирована со ссылкой на фиг. 3С, где показаны типичные плоские конфигурации плоского сердечника трансформатора с двумя и тремя ножками; причем плоский сердечник трансформатора с двумя ножками имеет концентрические дорожки для обмоток, проходящих вокруг каждой из двух ножек, а плоский сердечник трансформатора с тремя ножками имеет дорожки для обмотки на печатных плат, проходящие, как правило, концентрически вокруг центров трех ножек.

Далее в соответствии с фиг. 4А и 4В представлены схематические виды плоского сердечника печатной платы с двумя ножками конфигурации U-U по фиг. 3А, 3В, 3С и плоского сердечника с тремя ножками конфигурации Е-Е по фиг. 3А, 3В и 3С, где аналогично фиг. 2A и 2B также показаны линии потоков 231, 232, возникающие из дорожек печатной платы.

Ясно, что некоторые линии потока 231 проходят через магнитную среду, обеспечиваемую плоским сердечником 202, причем области магнитного потока 232 не соединяются посредством магнитного сердечника, и это приводит к неблагоприятным и особенно нежелательным потерям и общей неэффективности магнитного взаимодействия внутри трансформатора.

На фиг. 4А и 4В также проиллюстрированы обмотки 251, расположенные на печатной плате 242.

Далее в соответствии с фиг. 5А, представлен вид в перспективе плоского сердечника трансформатора с двумя ножками в соответствии с трансформатором с печатной платой, реализующим один аспект настоящего изобретения, а также плоский вид сверху вертикальной проекции предлагаемой плоской обмотки варианта реализации данного изобретения в соответствии с вертикальной проекцией дорожек печатной платы, включая плоские и проходящие по спирали дорожки обмотки.

Ясно, что сердечник 302 трансформатора с двумя ножками, показанный на фиг. 5А, имеет общий вид, напоминающий звенья цепочки или, по существу, цифру восемь, и при формировании части завершенного трансформатора с печатной платой, на виде сверху, располагается поверх спаренных дорожек печатной платы 351, образуя обмотки трансформатора в большей части внешней периферии дорожек печатной платы. То есть, как правило, только участок основания, расположенный в поперечном направлении по отношению к ножкам, и между ножками, не соответствует внешним размерам и конфигурации подлежащих обмоток печатной платы 351.

Еще один пример варианта реализации данного изобретения проиллюстрирован со ссылкой на фиг. 5В, который снова показывает вид в перспективе плоской катушки 302 трансформатора, реализующей данное изобретение, но в данном примере содержится плоский сердечник трансформатора с тремя ножками конфигурации Е-Е. Ясно, что в данном конкретном примере варианта реализации изобретения используют сердечник с центральной ножкой и двумя периферийными ножками, которые, по существу, аналогичны по размеру и форме.

На фиг. 5В также показан вид сверху завершенного трансформатора с печатной платой, при этом общая форма и конфигурация основания плоского сердечника печатной платы трансформатора, как правило, зеркально отображают или соответствуют конфигурации в виде «гоночного трека» обмоток печатных плат, образующих катушку 351 трансформатора.

В этом примере сердечника трансформатора с тремя ножками дорожки печатной платы проходят только вокруг центральной части трех ножек и, опять же четко проиллюстрирован способ, при котором вертикальная проекция плоского сердечника отражает или, по существу, совпадает с вертикальной проекцией дорожек обмотки печатной платы.

Хотя это не проиллюстрировано в графических материалах, еще один вариант проиллюстрированного варианта реализации изобретения может включать основание с переменной толщиной. Например, может быть предусмотрена степень сужения, при которой основание постепенно становится тоньше в концевых областях. Это может быть достигнуто без ущерба для изобретения, поскольку при этом плотность магнитного потока уменьшается, благодаря чему уменьшается количество феррита в тех местах, где он не требуется.

В частности, если основание имеет конфигурацию с большей шириной на каждом конце, например, конфигурацию в виде восьмерки, то сужение в концевых областях основания таково, что он постепенно становится тоньше только в концевых областях, а не в средней области. Кроме того, такое же сужение могло бы быть обеспечено примерно на ¾ дуги концевых областей конфигурации в виде восьмерки.

Следовательно, в соответствии с изобретением, обеспечивается устранение недостатков известного уровня техники, в котором значительная часть обмоток находится на расстоянии от магнитной среды, что приводит к значительным потерям, и это дает возможность значительно повысить эффективность и улучшить способ работы плоских трансформаторов.

Поэтому данное изобретение конкретно направлено на создание такой формы сердечника, которая лучше подходит для использования с плоскими обмотками на печатной плате, и при этом высота ножек катушки минимизирована, а форма оснований сердечника оптимизирована для покрытия всей совокупности дорожек печатной платы, но без излишнего выхода за пределы боковой периферии обмоток печатной платы. Это выгодно предусматривает небольшое расстояние и траекторию наименьшего сопротивления магнитному потоку для его направления особо эффективным образом.

Таким образом, посредством данного изобретения достигается большая эффективность.

Разумеется, следует понимать, что данное изобретение не ограничивается приведенными деталями описанных вариантов реализации изобретения, поскольку может быть создана любая соответствующая конфигурация плоского сердечника трансформатора с любым соответствующим количеством ножек и, соответственно, могут быть также предусмотрены подходящие размеры дорожек катушек печатной платы в любом требуемом количестве, так, чтобы, по существу, совпадать и, таким образом, в целом соответствовать в вертикальной проекции плоской катушке трансформатора.

Конечно, печатная плата может быть изготовлена из любого подходящего материала и обладать различными возможными свойствами, такими как жесткость и гибкость.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в уменьшении потерь. Трансформатор с печатной платой содержит сердечник и плоскую обмотку печатной платы, причем сердечник имеет две ножки, идущие от основания, а плоская обмотка печатной платы проходит вокруг каждой из указанных ножек. Внешние размеры участка основания в областях, расположенных поверх плоских обмоток печатной платы, совпадают, по существу, с внешним размером плоской обмотки печатной платы, так чтобы обеспечить особо эффективное взаимодействие между обмоткой и сердечником. 9 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Трансформатор с печатной платой, содержащий сердечник и плоские обмотки печатных плат, при этом сердечник имеет две ножки, идущие от основания, основание сужается в концевых областях так, что обеспечивается постепенное утонение в указанных концевых областях, причем соответствующие плоские обмотки печатной платы проходят вокруг каждой из двух ножек, а внешние поперечные плоскостные размеры участков основания, расположенных над плоскими обмотками печатной платы, совпадают, по существу, с внешними поперечными плоскостными размерами обмоток печатных плат, при этом имеется существенное совпадение между внешними поперечными размерами указанных участков основания и внешними поперечными плоскостными размерами указанных плоских обмоток во всех областях за исключением области основания, находящейся между двумя ножками, где внешний поперечный плоскостной размер основания меньше размера указанных обмоток.

2. Трансформатор с печатной платой по п. 1, отличающийся тем, что магнитное взаимодействие организовано с фокусировкой на основании сердечника трансформатора.

3. Трансформатор с печатной платой по п. 1 или 2, отличающийся тем, что соответствующие размеры указанных участков основания и обмоток совпадают, по существу, вдоль большей части их периферии.

4. Трансформатор с печатной платой по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что каждая из указанных плоских обмоток центрирована по отношению к одной из двух ножек.

5. Трансформатор с печатной платой по п. 4, отличающийся тем, что указанные участки основания, расположенные над плоской катушкой, центрированы по отношению к каждой из двух ножек.

6. Трансформатор с печатной платой по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что сердечник содержит множество оснований с двумя ножками, расположенными между ними.

7. Трансформатор с печатной платой по п. 6, отличающийся тем, что множество оснований имеют, по существу, одну и ту же форму.

8. Трансформатор с печатной платой по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что две ножки имеют, по существу, одну и ту же форму.

9. Трансформатор с печатной платой по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что указанные участки основания, расположенные над обмотками, образуют вертикальную проекцию в виде восьмерки.

10. Трансформатор с печатной платой по п. 9, отличающийся тем, что основание имеет сужение, обеспечивающее постепенное утонение только в более широких концевых областях профиля в виде восьмерки, но не в средней области.