¿Hay algún efecto inesperado al imprimir un inductor en una PCB?

Supongamos que imprimo una placa de circuito impreso de ocho capas, con una espiral que comienza en la capa superior y continúa a través de todas las capas internas hasta la parte inferior. Suponiendo que mantengo la espiral girando en la misma dirección en todas las capas, esta PCB debería actuar como un inductor. (Podría dejar un agujero en el medio de la espiral para un núcleo, o si no, simplemente podría dejarlo con núcleo de aire. Por el momento, asumo que es de núcleo de aire, por simplicidad). Hay muchas calculadoras disponibles para determinar la inductancia de un estrangulador de núcleo de aire, y para determinar la ampacidad de las trazas de cobre en pesos y anchos dados en las capas internas y externas. El diseño ingenuo de tal inductor es sencillo.

Lo que me pregunto son los efectos no obvios. ¿Resultará realmente la inductancia como un estrangulador de núcleo de aire con bobinado de alambre con dimensiones y números de devanados equivalentes? ¿Habrá efectos de calentamiento adicionales debido al acoplamiento magnético entre las capas o entre la PCB y cualquier metal cercano? ¿Los efectos magnéticos causarán tensiones físicas en la estructura de la placa? ¿Hay alguna otra razón por la que esto podría resultar ser una idea menos buena de lo que parece al principio?

Como contexto, estoy buscando una forma económica de construir un estrangulador de .5-1 mH capaz de manejar 50 amperios durante dos segundos. Parece que podría imprimir una placa de circuito impreso para hacer eso por $ 20 más o menos, en cierta cantidad, que es una solución mucho más barata y flexible que la que ofrecen las empresas de magnetismo. Sé que los transformadores impresos son comunes, construidos alrededor de núcleos planos, pero los núcleos que he visto (ciertamente, no todos los núcleos en todas partes) no pueden manejar casi la energía que necesitaría. Y hacer el estrangulador físicamente más grande y evitar el uso de un núcleo simplifica el diseño y la cadena de suministro, lo cual es una buena compensación en contexto.
De hecho, tanto los inductores como los transformadores se fabrican de esta manera con bastante frecuencia en convertidores CC-CC de gran volumen, y puede comprar núcleos de ferrita de 2 partes diseñados para tales aplicaciones. No hay inconvenientes que yo sepa.
Estoy basando mis estimaciones en esta calculadora: 66pacific.com/calculators/coil_calc.aspx
Es posible que deba tener en cuenta las vías, especialmente dado su requisito actual muy alto.
Creo que encontrará que la calculadora está asumiendo simplificando que la "profundidad" es mucho menor que el "diámetro" (es decir, menos del 10%), y le está dando estimaciones optimistas para la inductancia.
@Remiel Esa calculadora es optimista, pero sí, 50A en pulsos en trazas de un cuarto de pulgada de 2 oz funcionarán bien. Un riesgo es la delaminación / gasificación de capas en tableros más baratos. Espere quizás de un tercio a dos tercios de la inductancia que muestra la calculadora, según los resultados reales que he visto para un inductor plano de PCB de 20 amperios y 100 microHenry. Divulgación: nunca antes había visto esa calculadora en particular.
Pedí una tabla de estrangulamiento de 4 oz ~ 68 vueltas con trazas de 50 mil, espiral de 4 "x 4" en ambos lados de la tabla. ¡Veremos cómo se comporta cuando llegue! Incluso si solo obtengo 200uH, debería ser mucho más rentable para mis necesidades que los estranguladores personalizados...
@AnindoGhosh Probé mis PCB. Tenías bastante razón. Un medidor resonante muestra 180 uH. Medir la curva VI real me da entre 250 y 375 uH. Sospecho que la diferencia puede deberse a la resistencia relativamente alta de las huellas...
@Remiel Resistance no debería afectar las lecturas de inductancia.
@AnindoGhosh ¿Quizás efectos capacitivos, entonces? No estoy muy familiarizado con cómo funciona la medición resonante de la inductancia. De cualquier manera, parece que la resistencia hará que la PCB sea inútil para mi aplicación, pero aún así es interesante saber qué está pasando.
@Remiel Sí, quizás alguna forma de acoplamiento entre las capas. ¿Necesitas que convierta mi comentario original en una respuesta?
@AnindoGhosh En este punto, probablemente sería lo mejor. :)
Desde entonces encontré una calculadora mejor, se acerca mucho a mis valores observados. circuits.dk/calculator_flat_spiral_coil_inductor.htm

Respuestas (2)

Un inductor fabricado grabando una espiral en una PCB funciona bien. Esto se ha utilizado ocasionalmente en aplicaciones de alta corriente de presupuesto ajustado, donde la EMI que irradia de la "bobina" no es una preocupación importante, y tampoco lo es el valor preciso de la inductancia.

La calculadora mencionada por OP en los comentarios es optimista en comparación con los resultados obtenidos en la práctica.

Sí, 50A en pulsos con un período de enfriamiento suficiente entre ellos, en trazas de un cuarto de pulgada de 2 oz funcionará bien. Si el cobre de 4 oz es una opción, funciona mejor, tanto por la menor resistencia como por la mayor capacidad térmica.

  • Un riesgo de este diseño es la delaminación /gaseamiento de capas en tableros más baratos y cobre más delgado.
  • Espere quizás de un tercio a dos tercios de la inductancia que muestra la calculadora, según los resultados reales que he visto para un inductor plano de PCB de 20 Amp 100 microHenry
  • El acoplamiento con el metal cercano es mínimo; tenga en cuenta que la "bobina" es un inductor plano, por lo que las líneas de fuerza magnéticas están muy distorsionadas y aplanadas en comparación con un perfil de bobina de alambre circular.
  • La adición de un núcleo rechoncho en forma de remache de material adecuado puede ser muy beneficiosa, especialmente si el diámetro máximo de la espiral se puede mantener relativamente pequeño. A medida que aumenta el diámetro exterior, la eficacia del núcleo cae drásticamente.

Divulgación: nunca antes había visto esa calculadora en particular

Hacer inductores de pequeño valor como este definitivamente funciona. El problema es que el número de vueltas es muy limitado para el tamaño, incluso si se utilizan varias capas. Otro problema es que, dado que las vueltas se expanden radialmente hacia afuera, el campo magnético no está bien concentrado en el centro como lo estaría con un alambre enrollado alrededor de un núcleo. Eso causa mucha inductancia de fuga si intenta hacer un transformador de esa manera. No hay problema de inductancia de fuga con solo una bobina de dos terminales, pero la inductancia general será baja.

500 µH a 1 mH a 50 A!!? ¿¡¡En serio!!? Eso es tan ridículamente lejano como para ser cómico. Incluso con los trazos de cobre más gruesos que puede hacer su casa de tableros, solo piense qué ancho tendría que tener cada uno para soportar 50 A. Luego, piense qué pocas vueltas permite y qué tan rápido crece el diámetro con más vueltas. O simplemente mire la energía que le está pidiendo a este inductor que almacene. ¡¡¡50 A hasta 500 µH son 2,5 J!!! ¿Dónde exactamente estás alucinando que se supone que se almacena esta energía?

He agregado un comentario que vincula a la calculadora de estrangulamiento que estoy usando. Puedo obtener fácilmente PCB de ocho capas, 4 oz exterior, 2 oz interior. Supongamos que los rastros pueden hacer 4 veces su clasificación continua durante 2 segundos, por lo que mis rastros deben tener 50 mils de exterior, 220 mils de interior. Tablero cuadrado de cuatro pulgadas, radio de 2000 mil, ocho vueltas por capa interior, 40 vueltas por capa exterior, 128 vueltas en total. Utilice la calculadora vinculada, varias filas, varias capas, 128 vueltas, 4" de diámetro, 2" de profundidad. La longitud depende del grosor de la placa, asuma 0,1" y obtendrá 1,6 mH. Incluso estirando la longitud a 8" se mantiene por encima de 500 uH. Así que a menos que lo esté usando mal...
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