Электромагнитные компоненты PCA Electronics — бюджетные решения с высоким качеством

Введение

На протяжении более чем полувековой истории компания PCA Electronics занимается разработкой и производством электромагнитных электронных компонентов. Широкий ассортимент продукции включает устройства как для поверхностного, так и для сквозного монтажа, начиная от самых обыкновенных катушек индуктивности и заканчивая различными преобразовывающими и развязывающими модулями для использования в области передачи данных [1].

Выпускаемые изделия отличаются хорошей технической поддержкой и высоким качеством, обеспечиваемым 100%-ным выходным тестированием, полный перечень проводимых климатических и электрических испытаний составлен на основе соответствующих промышленных стандартов. При необходимости возможна поставка специализированных компонентов, спроектированных на основе определенных требований потребителей. Инженеры отдела разработки на заказ обладают всеми необходимыми знаниями, опытом и ресурсами для получения изделий с заданными значениями ключевых характеристик. В настоящее время согласно внутренней классификации компании вся продукция подразделяется на четыре основные группы:

• силовые трансформаторы (развязывающие, тороидальные, импульсные, со средней точкой, для использования в фотовспышках и т. д.) и катушки индуктивности;
• электромагнитные компоненты для локальных сетей (фильтры, интерфейсные модули стандартов 10Base-T, 100Base-TX, 1000Base-T и т. д.);
• линии задержки (активные, пассивные) и генераторы импульсов;
• прочие электромагнитные компоненты (токочувствительные трансформаторы и синфазные дроссели).
• Многие стандартизированные изделия PCA Electronics являются улучшенными аналогами компонентов таких производителей, как Halo, Pulse Eng., Midcom, Bel-Fuse, Coil Craft. Отдельные категории продукции успешно применяются в потребительской и бытовой электронике, медицинском оборудовании (аппаратах УЗИ, дефибрилляторах, мониторах состояния пациентов), авионике, высоконадежных источниках питания, устройствах коммерческого назначения (компьютерах, серверах, роутерах, системах контроля доступа) и в промышленном оборудовании (АСУ ТП, измерительной аппаратуре, системах безопасности и т. д.).

Силовые электромагнитные компоненты

К силовым относятся компоненты, используемые в источниках питания различного назначения. В таблице 1 представлены основные характеристики предлагаемых компанией PCA Electronics силовых трансформаторов, суффикс LF (lead free) в наименовании означает производство по бессвинцовой технологии.

Каждый силовой трансформатор напряжения серии EPC3076G-x, включающей 10 изделий, на одном сердечнике типоразмера ER11 содержит шесть обмоток (три первичные и три вторичные), которые могут быть объединены последовательно или параллельно для использования в импульсных источниках питания любой топологии (обратноходовых, прямоходовых, понижающих, повышающих, двухтактных, полумостовых и мостовых). Коэффициент трансформации 1:1 также позволяет применять компоненты данной серии в качестве связанных катушек индуктивности. Конструктивно выпускаются в малогабаритном 12‑выводном корпусе, предназначенном для планарного монтажа, напряжение изоляции между обмотками составляет 500 В (с.к.з.). Низкие потери в сердечнике гарантируют надежную эксплуатацию на повышенных частотах.

Трансформаторы серий EPC3166G-x‑LF и EPC3168G-x‑LF, разработанные на основе ферритовых сердечников E19 и RM6 соответственно, имеют идентичные характеристики и структуру (первичную обмотку и до трех вторичных). Они адаптированы для совместного использования с преобразователями напряжения семейства LM258X компании National Semiconductor и предназначены для построения обратноходовых источников питания с рабочей частотой до 200 кГц. При производстве применяются общепринятые материалы, отвечающие требованиям стандарта UL 94V‑0, степень изоляции соответствует классу F стандарта UL 1446. На рис. 1а приведен типовой вариант использования трансформатора EPC3166G‑7‑LF в обратноходовом преобразователе, а на рис. 1б — его внешний вид.

Рис. 1. Трансформатор EPC3166G-7-LF:
а) схема использования;
б) внешний вид

Силовые трансформаторы серий EPC3127‑x‑LF, EPC3130‑x‑LF и EPC3132‑xA-LF позиционируются для работы с импульсными регуляторами напряжения и ШИМ-контроллерами компании Power Integrations. Их совместное применение позволяет преобразовывать высокое сетевое напряжение из диапазона 120–375 В в различные номиналы стандартного ряда. Обмоточные провода с тройной изоляцией выдерживают синусоидальное напряжение (приложенное между первичной и вторичной обмотками) с действующим значением 3,75 кВ в течение 1 мин или не менее 4,5 кВ в течение 1 с. Вспомогательная обмотка, имеющаяся у некоторых изделий, при необходимости обеспечивает питание дополнительных цепей. Раздельные вторичные обмотки, число которых варьируется в пределах серий, служат для получения нескольких значений выходных напряжений при помощи одного компонента. Корпуса, предназначенные для монтажа в отверстия, с шагом выводов 5 или 2,5 мм подходят для большинства промышленных применений.

Основное назначение компонентов семейства EPC3205G-x‑LF — использование в качестве обратноходовых трансформаторов в высоковольтных схемах заряда конденсаторов фотовспышек цифровых фотоаппаратов и сотовых телефонов. Также они могут успешно эксплуатироваться и в других разработках, требующих наличия импульсных повышающих преобразователей напряжения с рабочим диапазоном частот коммутации 85–500 кГц. Устройства данной серии спроектированы специально для работы с ИС производства компании Linear Technology (LT3420, LT3468 и LT3750), на рис. 2 представлена типовая схема включения.

Рис. 2. Типовая схема применения трансформаторов серии EPC3205G-x-LF

Напряжение гальванической изоляции между обмотками (не менее 500 В) соответствует требованиям стандарта UL 1446 (класс B), низкие потери в сердечнике и проводнике сокращают тепловыделение. Индуктивность рассеяния всех устройств в серии не превышает 0,08–0,3 мкГн (типовое значение, измеренное на частоте 100 кГц), диапазон температур эксплуатации составляет –40…+85 °C. Трансформаторы EPC3205G-x‑LF выпускаются в малогабаритных низкопрофильных SMD-корпусах пяти различных форм-факторов с размерами от 7,9×7,9×3,5 до 8,1×12,5×4,9 мм, их внешний вид показан на рис. 3.

Рис. 3. Внешний вид трансформаторов серии EPC3205G-x-LF

Трансформатор EPA4271GE-LF предназначен для работы в связке с контроллерами LT4276, LTC4269, LTC4278 в устройствах с рабочими частотами 50 кГц и выше. На миниатюрном сердечнике тороидальной формы располагаются первичная и вторичная обмотки, вся конструкция размещена в планарном корпусе с размерами всего 8,6×6,7×2,5 мм и весом 0,28 г (рис. 4). Импульсные трансформаторы серий EP157xx-LF (17 моделей) и EP182xx-LF (12 моделей) имеют одинаковое назначение и корпусное исполнение. Они позиционируются для использования в стробоскопах, ионизаторах и других высоковольтных импульсных устройствах.

Рис. 4. Внешний вид и строение трансформатора EPA4271GE-LF

Следующая группа компонентов предназначена для работы с популярными драйверами MAX253, MAX3535E, MAX845 компании Maxim Integrated и SN6501 производства Texas Instruments. Их совместное использование позволяет построить изолированные DC/DC-преобразователи на основе топологии Push-Pull и организовать гальваническую развязку низковольтного питания интерфейсов RS‑232, RS‑485 и т. д. Для примера на рис. 5а изображена типовая схема такого преобразователя. ИС MAX253 управляет малогабаритным трансформатором EPA4452G-LF, к средней точке его первичной обмотки подведено питание (5 В) от источника постоянного напряжения. Со стороны вторичной обмотки обеспечивается изолированное напряжение с уровнем выходной мощности до 1 Вт. Трансформатор EPA4452G-LF может эксплуатироваться в расширенном диапазоне рабочих температур –40…+125 °C, напряжение изоляции между обмотками составляет не менее 2500 В, активное сопротивление по постоянному току первичной/вторичной обмотки: 0,6/0,65 Ом. Конструктивно он выполнен в корпусе c посадочным местом под SMT-монтаж: габариты 8,1×7,1×5,1 мм, шаг выводов 2,54 мм (рис. 5б).

Рис. 5. Трансформаторы EPA4452G-LF:
а) типовая схема применения;
б) внешний вид

Маломощные миниатюрные устройства серий EPC3115S-x и EPC3117S-x‑LF имеют четырехобмоточную структуру (две раздельные первичные обмотки и две раздельные вторичные обмотки, размещенные на тороидальном сердечнике с очень низкими потерями). Разработаны для двухтактных схем с частотами переключения до 1 МГц. Основной особенностью являются очень маленькие размеры: эти трансформаторы выпускаются в стандартных корпусах SOIC‑8 с внешними габаритами 7,4×6,8×2,2 мм. Также следует отметить компоненты серии EPC3126G-x‑LF с повышенным значением напряжения изоляции между обмотками, получаемым благодаря применению проводов с фторполимерной изоляцией. Они способны выдерживать воздействие напряжения 4500 В в течение 1 мин, что соответствует классу H стандарта UL 1446.

Отдельную группу изделий образуют электромагнитные компоненты, используемые при проектировании систем подачи электропитания через стандартную витую пару Ethernet (PoE, Power over Ethernet). Данная технология предназначается для точек доступа беспроводных сетей, IP-камер, сетевых концентраторов и других устройств. Компания PCA Electronics поставляет широкий спектр трансформаторов напряжения для ведущих производителей PoE-продукции, таких как Maxim, Linear Technology и Texas Instruments. В таблице 1 компоненты данной группы начинаются с серии EPC3248G-x (-LF). Выпускаемая продукция, рассчитанная на различные входные и выходные напряжения, нагрузку, рабочие частоты и степень гальванической изоляции, соответствует требованиям всех PoE-спецификаций (от IEEE 802.3af‑2003 до IEEE 802.3at‑2009). Ее главные отличительные черты — разнообразие конфигураций первичных/вторичных обмоток и корпусного исполнения, низкие потери мощности в сердечнике и производство с соблюдением стандартов UL94V‑0 и UL 1446. Допустимые температуры эксплуатации находятся, как правило, в диапазоне –40…+85 °C (у отдельных моделей 0…+70 °C). На рис. 6 показан внешний вид некоторых PoE-трансформаторов.

Рис. 6. Внешний вид популярных PoE-трансформаторов компании PCA Electronics

Проволочные силовые катушки индуктивности производства PCA Electronics разработаны специально для работы в корректорах коэффициента мощности (рис. 7а).

Рис. 7. Силовые катушки индуктивности компании PCA Electronics: а) упрощенная типовая схема применения; б) внешний вид

Компоненты серий EPC3245‑xx и EPC3246‑xx рассчитаны на мощность до 550 Вт, диапазон входных напряжений 85–265 В AC и обладают широкой линейкой доступных корпусов (11 и 9 вариантов соответственно). Расположение обмоток вертикальное или горизонтальное, обязательное экранирование всех изделий, за исключением устройств с тороидальным сердечником, способствует уменьшению паразитного электромагнитного излучения, при этом напряжение изоляции между экраном и обмоткой составляет 4,5 кВ. Отличие серии EPC3246‑xx от EPC3245‑xx заключается в дополнительной обмотке с рабочим напряжением 20 В и током 0,15 А. На рис. 7б представлен внешний вид некоторых моделей, а в таблице 2 — их основные характеристики.

Компоненты для локальных вычислительных сетей

Одним из ключевых компонентов, используемых в LAN-интерфейсах, являются импульсные трансформаторы, наряду с передачей полезных сигналов на высоких скоростях выполняющие функцию гальванической развязки между внешней кабельной частью и внутренней цифровой схемой. В отличие от трансформаторов напряжения они имеют весьма компактные размеры, а значит, их можно выпускать в модульном исполнении.

Компания PCA Electronics предлагает отдельные серии интерфейсных модулей со встроенными изолирующими трансформаторами и фильтрами в различных конфигурациях, которые обеспечивают высокий уровень изоляции, низкие нелинейные искажения и подходят для использования в сетях стандартов IEEE 802.3, 10Base-T, 100Base-TX и т. д. (табл. 3). Изготовленные с применением полностью автоматизированной намотки, модули имеют идентичные характеристики с минимальным допуском и являются образцовыми изделиями в своем классе.

Конструктивно выполнены в стандартных низкопрофильных корпусах для поверхностного и сквозного монтажа форм-факторов DIP, SOIC, SIL и SMD. Используемые корпуса предназначены для работы в диапазонах 0…+70 °C и –40…+85 °C и могут подвергаться высокотемпературной пайке. Интерфейсные модули обеспечивают среднеквадратичное напряжение изоляции 1500 В, гарантированно функционируют при токе подмагничивания 8 мА и показывают отличный уровень перекрестных затуханий, превосходящий требования стандартов. Помимо универсальных изделий, в линейке присутствуют трансформаторы-фильтры, специально созданные для использования с определенными приемопередатчиками таких производителей, как Cirrus Logic, National Semiconductor, Realtek, Intel, Broadcom, и многих других. Например, двухпортовый модуль EPF8135S (два канала приемника и передатчика с коэффициентом трансформации 1:1 и 2:1 соответственно) рекомендован для применения совместно с Ethernet-трансиверами LXT974, LXT975, LXT98, LXT981, LXT982 и LXT983 компании Intel. Из интересных моделей также следует отметить модуль EPF8275GE стандарта PoE+ с нагрузочной способностью до 1 А, серию EPE6059Gx с интегрированными пятиполюсными ФНЧ в канале приемника и семиполюсными — в канале передатчика и многопортовый модуль EPA2188B, объединяющий восемь трансформаторов, ФНЧ и согласующие резисторы в корпусе с размерами 42,6×25,8×9,6 мм.

Рис. 8. Типовая схема применения модуля EPF8291SE-LF

На рис. 8 приведена типовая схема включения интерфейсного модуля EPF8291SE-LF между разъемом RJ‑45 и трансивером физического уровня Ethernet. Рассматриваемое решение содержит два канала для работы в полнодуплексном режиме. Каждая из медных витых пар кабеля, подключенная к контактам 1–2 и 3–6 разъема RJ‑45, представляет собой симметричную однородную линию, процесс распространения сигнала в ней можно разложить на синфазную (помеха) и противофазную (полезный сигнал) составляющие. Трансформаторы T1 и T2, входящие в состав EPF8291SE-LF, обеспечивают гальваническую изоляцию противофазного информационного сигнала. Синфазный сигнал, ответвляемый на среднюю точку обмоток этих трансформаторов, передается в нагрузочные резисторы R1, R2, поглощающие энергию пришедшего помехового сигнала. Синфазные фильтры L1 и L2 прозрачны для информационного сигнала, но образуют совместно с R1, R2 ФНЧ, подавляющие синфазную помеху.

Линии задержки и генераторы импульсов

В различных импульсных устройствах часто необходимо выполнить задержку во времени. Для этого применяются электрические линии задержки, параметры которых зависят от конечного времени распространения электромагнитной энергии вдоль линии и обусловлены переходными процессами в ее элементах. Каталог продукции PCA Electronics включает активные и пассивные линии задержки, а также генераторы импульсов, перечень выпускаемых ИС данного типа очень велик. Только пассивных линий в настоящее время доступно 194 модели, количество активных в несколько раз больше. Все устройства производятся в типовых корпусах для поверхностного монтажа и для монтажа в отверстия (SIL‑7, SIL‑8, DIP‑14, DIP‑24, SMD‑14, SIP‑8) и предназначены для эксплуатации в диапазоне рабочих температур 0…+70 °C. Пассивные линии задержки, построенные на основе последовательных LC-звеньев, обеспечивают временной диапазон 0,5–2000 нс. Некоторые модели имеют дополнительные отводы (5 или 10) с пропорциональным значением длительности. Например, на рис. 9а изображена электрическая схема ИС EP120660. Ее номинальная задержка составляет 100 нс, на выводе 3 ее величина 20 нс, на выводе 4 — 40 нс и т. д. Активные линии задержки (рис. 9б), совместимые с логикой ТТЛ, имеют от 1 до 10 выводных контактов с временным диапазоном 4–1000 нс и рассчитаны на напряжение питания 5 В DC.

Рис. 9. Схемы электрические принципиальные линий задержек:
а) EP120660;
б) EP8700

Нужно также отметить серию программируемых ИС EPA563‑xx, в которых величина задержки регулируется установкой высоких или низких логических сигналов на трех вспомогательных входах. Генераторы прямо-угольных импульсов EP8250 и EPA209‑xx с комплементарными выходами обеспечивают на выходе импульсы с рабочей частотой диапазона 2–100 МГц и погрешностью ±5%. Серии высокостабильных генераторов импульсов заданной длительности EP9981‑xx и EPA230‑xx, отличающиеся малым временем фронта и спада (не более 4 нс), доступны в низкопрофильном корпусе DIP‑14.

Прочие электромагнитные компоненты

К данной группе относятся дроссели для подавления синфазных помех и токочувствительные трансформаторы. Синфазный дроссель является одним из эффективных компонентов для создания ЭМИ-фильтров. Он состоит из двух идентичных обмоток, симметрично расположенных на ферритовом сердечнике. При протекании через катушки дифференциальных токов индуцированные ими магнитные поля взаимно уничтожаются, и если пренебречь омическим сопротивлением катушек, то они практически не влияют на прохождение дифференциальных сигналов. В случае появления синфазных токов магнитные потоки обеих катушек складываются, а импеданс дросселя увеличивается, что приводит к значительному подавлению амплитуды шумового сигнала. Синфазные дроссели PCA Electronics широко применяются для фильтрации помех как в сигнальных цепях, так и в цепях питания переменного и постоянного тока, их основные характеристики представлены в таблице 4.

Типовое использование синфазных дросселей — фильтрация помех в высокоскоростных цепях и интерфейсах (HDMI, CAN и т. д.), xDSL-модемах и в других электронных устройствах. Для данных целей компанией рекомендуется ряд компонентов, работающих на частотах от 10 МГц, имеющих номинальные значения индуктивности порядка десятков микрогенри и малое сопротивление по постоянному току (DCR). Дроссели EPA120 и EPA120G, различающиеся вариантом корпусного исполнения (DIP‑8 и SMD‑8 соответственно), рассчитаны на максимальный ток 1 А. EPA2163 с индуктивностью утечки 0,25 мкГн и минимальными среди всех устройств габаритами позиционируется для применения в телекоммуникационном оборудовании и сетях передачи данных различных стандартов (FDDI-TP, Token Ring, Ethernet/10Base-T, ISDN, T1/CEPT/ISDN-PRI и Fast Ethernet 10/100Base-T). Синфазный дроссель EPA2165 и его модификация EPA2165S в миниатюрном корпусе с размерами 6,4×6,1×5,6 мм соответствуют требованиям спецификаций IEEE 802.3 и IEEE 802.5. Для примера на рис. 10а приведена упрощенная схема использования дросселя EPA2163 для защиты сигнальных линий USB-интерфейса.

Для подавления ЭМИ-помех в цепях питания предназначены серия EPA3685‑x, состоящая из пяти устройств и обеспечивающая фильтрацию в сетях переменного тока (рис. 10б), и синфазные дроссели EPZ3109G-LF и EPZ3110‑LF, применяемые в DC/DC-преобразователях. Последние допускают работу с токами до 2,5 А, имеют частоту собственного резонанса 1,5 МГц и напряжение изоляции между обмотками 1000 В.

Рис. 10. Типовые схемы применения синфазных дросселей:
а) EPA2163;
б) EPA3685-1

Серия токочувствительных понижающих трансформаторов EPC3108G-xxx может быть полезна при измерении тока первичной обмотки силового трансформатора. Суффиксы xxx в наименовании в зависимости от модели принимают значения 30, 40, 50, 70, 85, 100 и 125, что соответствует коэффициенту трансформации 1:30, 1:40 и т. д. Трансформаторы данной серии выпускаются в корпусе для поверхностного монтажа, отличаются минимальными габаритами (8,5×7×5,3 мм с учетом выводов) и способны функционировать на частотах 250 кГц и выше в диапазоне рабочих температур –25…+105 °C. Ток первичной обмотки составляет 6 А, минимальное сопротивление изоляции 10 МОм, а сопротивление вторичной обмотки по постоянному току 1–7,7 Ом.

Заключение

Особенности выпускаемых компанией PCA Electronics электронных компонентов — точность параметров, стабильность рабочих характеристик и высокое качество изготовления, обеспечиваемое многолетним опытом создания продукции данного класса. Дискретные трансформаторы и катушки индуктивности разнообразного функционального назначения, а также интегрированные электромагнитные компоненты в модульном исполнении могут найти применение в оборудовании промышленного, медицинского и авиационного назначения. Широкий ассортимент индуктивных элементов соответствует и превосходит большинство распространенных сегодня стандартов, а выгодное соотношение цены и качества делает привлекательным их использование в своих разработках.