JP2010016190A - 変圧器 - Google Patents

Abstract

【課題】１次コイルおよび２次コイルの巻数の少ない変圧器であっても１次コイルおよび２次コイルを構成する導体パターンを延長することなく１次電圧と２次電圧の電圧比を比較的自由に調整することのできる変圧器を提供する。
【解決手段】プリント基板に１次コイルおよび２次コイルを形成する導電パターンを多層に形成し、このプリント基板に磁心を装着して前記１次コイルと２次コイルとを磁気結合してなる変圧器において、前記磁心を複数の脚部を有する磁心で構成し、前記磁心の１つまたは複数の脚部の周囲に導体パターンを巻回して前記１次コイルを形成し、前記１次コイルにより発生された磁束の一部分が通る前記磁心の１つまたは複数の脚部の周囲に導体パターンを巻回して２次コイルを形成し、この２次コイルから２次電圧を得る。
【選択図】図２

Description

この発明は、プリント基板に１次コイルおよび２次コイルを形成する導電パターンを多層に形成し、このプリント基板に磁心を装着して前記１次コイルと２次コイルとを磁気結合して構成した変圧器に関する。

この種の変圧器は、スイッチング電源装置の変圧器として使用され、従来から特許文献１等により既によく知られている。この従来の変圧器の構成を図６ないし図８に示す。

図６ないし図８において、１は、その表面に導体パターンにより形成された１次コイル４を備え、裏面に同様に形成された２次コイル５を備えたプリント基板である。このプリント基板１には、これに設けた開口を介して、分割されたＥ形の３脚磁心３１とＩ形磁心３２とからなる磁心３が装着されている。１次コイル４の両端に１次電圧を印加して磁心３内に図８に示すように磁束φが発生され、この磁束φが２次コイル５に鎖交することによって、２次コイル５に２次電圧が誘起される。

前記の変圧器は、磁心３の中央の脚部の周囲に導体パターンを巻回して１次コイルおよび２次コイルを形成しているので、各コイルの巻数が整数値に制限される。２次コイルの出力電圧Ｖ２を所望の値にするには、１次コイルの巻数Ｎ１と２次コイルの巻数Ｎ２との巻数比を調整すればよいが（２次電圧Ｖ２＝１次電圧Ｖ１×２次コイル巻数Ｎ２／１次コイル巻数Ｎ１）、プリント基板を用いた変圧器では、次のとおり各コイルの巻数を多くすることが困難となるため、簡単には所望の２次電圧Ｖ２を得ることができない。

すなわち、各コイルの必要な巻数を確保するために導体パターンの幅を狭くすると各コイルの抵抗損失が多くなる。また、各コイルの損失を抑えるために、導体パターンの幅を拡げかつ磁心の寸法を大きくするとプリント基板の面積が増大し、装置が大形化する。また、プリント基板の積層数を増やして、コイルの巻数を確保するようにすると、プリント基板の厚みの増加により装置が大形化し、プリント基板のコストが高くなる問題がある。

このような問題に対して特許文献２には、各コイルの巻数を整数でなく、小数点以下に設定することの可能な変圧器が開示されている。すなわち、変圧器の２次コイルの導体パターンの１ターンの半分に相当する導体パターンを磁心と鎖交しないように磁心の外周を通すことで０．５ターンに相当する巻数を得て、所望の変圧比を実現するようにしている。

しかしながら、この特許文献２に示された従来の変圧器では、磁心を迂回する配線を形成するため、コイルの導体パターを形成するプリント基板とは別のプリント基板と、プリント基板間を接続するための配線ピンとが必要になる。そして、最近のスイッチング電源装置では、変圧器、主回路および制御回路が１つのプリント基板に実装され一体化するよう要求が高いが、この特許文献２に開示されている変圧器は、このような要求には対応することができない。また、磁心を迂回するために引き伸ばした導体パターンや配線ピンの抵抗損により効率低下や発熱が問題となる。特にこの抵抗損は、電流の２乗に比例するため、電流が大きくなるにつれて問題が顕著となる。

さらに、図９に示すように、２次コイル５の一部の導体パターン５ａを磁心３の外側に巻回することで、０．５ターンの巻数を実現して、２次電圧を調整することも行われているが、この場合は、磁心の外側を通る導体パターン５ａにより、プリント基板を占有する面積が大きくなることや、導体パターンの長さが長くなることによる抵抗損の増加が問題となる。この抵抗損を低減するために導体パターンの幅を拡げると、さらに導体パターンの占有面積が大きくなる。
特開平０６−１６３２６４号公報 特開平０９−１４８１４２号公報 図１〜図５

この発明は、前記のような各種の問題を解決するため、１次コイルおよび２次コイルの巻数の少ない変圧器であっても１次コイルおよび２次コイルを構成する導体パターンを延長することなく１次電圧と２次電圧の変圧比を比較的自由に調整することのできる変圧器を提供することを課題とするものである。

このような課題を解決するために、この発明は、プリント基板に１次コイルおよび２次コイルを形成する導電パターンを多層に形成し、このプリント基板に磁心を装着して前記１次コイルと２次コイルとを磁気結合してなる変圧器において、前記磁心を複数の脚部を有する多脚磁心で構成し、前記磁心の１つまたは複数の脚部に導体パターンを巻回して１次コイルを形成し、この１次コイルによって発生される磁束が部分的に通る前記磁心の１つまたは複数の脚部に導体パターンを巻回して前記２次コイルを形成し、前記１次コイルにより発生された磁束の１部をこの２次コイルに鎖交させることを特徴とするものである。

この発明においては、請求項１記載の変圧器において、所望の変圧比に応じて前記磁心の２次コイルの巻回された脚部と２次コイルの巻回されない脚部との断面積比を設定することができる。

さらに、この発明においては、前記磁心の脚部間に形成される窓穴のうち、前記２次コイルの挿通された前記窓穴の幅を他の窓穴の幅より小さくして磁心を小形に形成することができる。

この発明によれば、磁心の１つまたは複数の脚部に巻回した導体コイルにより形成された１次コイルにより発生された磁束を一部分の通る脚部に導体パターンを巻回して２次コイルを形成し、この２次コイルに前記１次コイルにより発成された磁束の一部を鎖交させるようにしているので、２次コイルの２次出力電圧をコイルの巻数を調整することなく調整することができ、１次コイルおよび２次コイルが少ない巻数であっても整数比以外の電圧比の２次電圧を得ることができる。

この発明の実施の形態を図に示す実施例について説明する。

図１および図２にこの発明の第１の実施例に基づく変圧器の構成を示す、図１は、第１の実施例の変圧器の全体構成を示す斜視図、図２は平面的な構成を示すもので、（ａ）は図１に示す変圧器のプリント基板の表面側平面図、（ｂ）は裏面側からみた平面図である。

図１および図２において、６は、磁心の脚部を挿通するための４個の開口６ａ−１〜６ａ−４の設けられたプリント基板である。このプリント基板６には、４個の脚部７ａ−１〜７ａ−４を有する４脚磁心７１が、各脚部をそれぞれ開口に挿通して装着される。このプリント基板６に装着された４脚磁心７１の脚部端面にＩ形磁心を接合することにより磁心７が構成される。磁心７は、フェライトや積層鉄心等の磁性材で構成される。

プリント基板６の表面には、磁心７の中間の２つの脚部７ａ−２および７ａ−３の挿通された２個の開口６ａ−２，６ａ−３を取り囲んで設けた導体パターンにより１次コイル８が形成される。また、プリント基板６の裏面には、同様に磁心の１つの脚部７ａ−３の挿通された開口６ａ−３を取り囲んで設けた導体パターンにより２次コイル９が形成される。

プリント基板６上に形成された１次コイル８の両端の端子間に電圧を加えてこれを励磁すると、この１次コイル８により磁心７に図３に矢印で示すように磁束φが発生される。１次コイルにより発生された磁束φは磁心７の中間の２つの脚部７ａ−２および７ａ−３からそれぞれ外側の脚部７ａ−１および７ａ−４に磁束φ１、φ２に分かれて流れる。

２次コイル９は、磁心７の第３の脚部７ａ−３だけに巻回されているので、この２次コイル９には、１次コイルで発生された磁束φ（＝φ１＋φ２）の内の磁束φ２が部分的に鎖交するようになる。

一般に変圧器の１次電圧Ｖ１と２次電圧Ｖ２の電圧比Ｖ１／Ｖ２は、１次コイルの巻数Ｎ１と２次コイルＮ２との巻数比Ｎ１／Ｎ２と等しくなり、各コイルの電圧は、各コイルの巻数に関係する。

また、各コイルに誘起する電圧は、
Ｖ１（Ｖ２）＝Ｎ１（Ｎ２）ｄφ／ｄｔ （１）
の関係を有する。

この発明においては、２次コイルに鎖交される磁束が、１次コイルで発生された磁束φの一部のφ２だけに減じられる。実施例１において磁心７の４個の脚部の断面積が等しいものとすると、１次コイルで発生された磁束φは脚部７ａ−２および７ａ−３に等しく分流されるようになるため、２次コイル９と鎖交する脚部７ａ−３を通る磁束φ２は、原理的には１次コイル８の発生する磁束φの１／２となる。

このため、２次コイル９に誘起する電圧Ｖ２は、１次コイルと２次コイルの巻数比を一定のまましておいても、１次コイル８で発生される磁束φが１００％鎖交するときの値のおよそ１／２に低下する。この２次電圧Ｖ２の低下する値は、磁束φの脚部７ａ−２と７ａ−３への分流比を変えることによって調整できる。磁束の分流比は脚部７ａ−２と７ａ−３の断面積の比を変えることによって調整できる。例えば、脚部７ａ−２の断面積に対する脚部７ａ−３の断面積を１：１から２：１、３：１に変更すると、２次コイル９と鎖交する磁束φ２は、１次コイル８で発生される磁束φの１／２から１／３、１／４に減少し、１次コイル８と２次コイル９の巻数を固定しておいても、それに応じて２次電圧Ｖ２が減少する。

したがって、この発明によれば、１次コイルと２次コイルの巻数が少なくても、巻数比および磁心の脚部の断面積比を適宜に設定することにより２次コイルの出力電圧Ｖ２を細かく調整することが可能となり、比較的容易に所望の２次電圧を得ることができる。

図４にこの発明の第２の実施例を示す。

第１の実施例においては、４脚の磁心の３個の窓穴の幅を等しくしているが、この第２の実施例では、第２の脚部７ａ−２と第３の脚部７ａ−３の間の２次コイルだけが挿通される窓穴７ｂ−２の幅を他の窓穴７ｂ−１および７ｂ−３の幅より小さくしている。これにより磁心の長さを抑えることができる。この結果、変圧器を小形にすることが可能となる。

また、この幅の狭い窓穴７ｂ−２に挿通される２次コイル９を形成する導体パターンの幅が狭くなり、その分抵抗値が増大するが、電圧調整のために２次コイルを形成する導体パターンを従来のように磁心の外側まで伸ばすことなく、磁心７の隣り合う窓穴７ｂ−２と７ｂ−３との間で巻回するので、長さ短縮することができる。このため、２次コイル全体の抵抗値増大を抑えることができ、抵抗損を低減することができるので、変圧器の効率低下を抑制できる。

図５に３脚磁心を用いたこの発明の第３の実施例を示す。この図５において、７５は３個の脚部を有する３脚磁心である。

この実施例においては、プリント基板６上における３脚磁心７５の中央の第２の脚部７５−２の周囲に導体パターンを巻回して１次コイル８を形成し、第３の脚部７５−３の周囲に導体パターンを巻回して２次コイル９を形成している。１次コイル８に電圧を加えて励磁するとこれによって磁束φが発生し、この磁束φが第１の脚部７５−１および第３の脚部７５−３へφ１、φ２として分流される。このため、他の実施例の場合と同じように、２次コイル９には１次コイルで発生された磁束φの一部の磁束φ２が鎖交するようになり、２次コイルから１次コイルで発生された磁束φが１００％鎖交する場合より低い値に調整された電２次電圧を得ることができる。この実施例においても、１次コイルで発生された磁束φの分流される第１の脚部７５−１と第３の脚部７５−３の断面積の比を適宜に選定して、２次コイルの巻回された第３の脚部７５−３に分流する磁束φ２の量を調整することにより２次コイルの出力電圧Ｖ２を調整することができる。

この発明の第１の実施例による変圧器の構成を示す斜視図である。 （ａ）は、図１に示すこの発明の変圧器のプリント基板の表面から見た平面図である。（ｂ）は、図１に示すこの発明の変圧器のプリント基板の裏面から見た平面図である。 図１に示すこの発明の変圧器の動作説明に用いる縦断面図である。 この発明の第２の実施例による変圧器の構成を示すもので、（ａ）は変圧器のプリント基板の表面から見た平面図、（ｂ）は、変圧器のプリント基板の裏面から見た平面図である。 この発明の第３の実施例の変圧器の構成を示す縦断面図である。 従来の変圧器の構成を示す斜視図である。 （ａ）は、図６に示す従来の変圧器のプリント基板の表面から見た平面図である。（ｂ）は、図６に示す従来の変圧器のプリント基板の裏面から見た平面図である。 従来の変圧器の構成を示す縦断面図である。 従来の他の変圧器の構成を示すもので、（ａ）は表面側から見た平面図、（ｂ）は裏面側から見た平面図である。

符号の説明

６：プリント基板、７：多脚磁心、８：導体パターンより形成された１次コイル、９：導体パターンにより形成された２次コイル。

Claims (3)

1. プリント基板に１次コイルおよび２次コイルを形成する導電パターンを多層に形成し、このプリント基板に磁心を装着して前記１次コイルと２次コイルとを磁気結合してなる変圧器において、前記磁心を複数の脚部を有する多脚磁心で構成し、前記磁心の１つまたは複数の脚部に導体パターンを巻回して１次コイルを形成し、この１次コイルによって発生される磁束が部分的に通る前記磁心の１つまたは複数の脚部に導体パターンを巻回して前記２次コイルを形成し、前記１次コイルにより発生された磁束の１部をこの２次コイルに鎖交させることを特徴とする変圧器。
2. 請求項１記載の変圧器において、所望の変圧比に応じて前記磁心の前記２次コイルの巻回された脚部とこの２次コイルの巻回されない脚部との断面積比を設定したことを特徴とする変圧器。
3. 請求項１記載の変圧器において、前記磁心の脚部間に形成される窓穴のうち、前記２次コイルだけが挿通された前記窓穴の幅を小さくしたことを特徴とする変圧器。

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