Planartrafos: Technik verstehen & anwenden Teil I: Die Grundlagen

Renate Kaufmann
Februar 20, 2025

Willkommen zu unserer Blogserie über Planartransformatoren (kurz Planartrafos)! Entdecken Sie mit uns die faszinierende Welt dieser spannenden Technologie – beginnend mit Teil I und den Grundlagen: Was ist ein Transformator? – und den Vorteilen, welche die innovative Bauform der Planartrafos gegenüber klassischen Transformatoren bietet. Teil II folgt in Kürze und soviel können wir schon verraten: Es geht um die erstaunlichen Anwendungsformen von Leiterplatten mit Planartrafos.

Was ist ein Transformator

Ein Transformator (kurz Trafo) ist ein essenzielles Bauelement in der Elektrotechnik, das Wechselspannung und Wechselstrom von einer Spannungsebene auf eine andere transformiert. Er arbeitet nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion und dient dazu, elektrische Energie effizient zu übertragen oder die Spannung an die Bedürfnisse von Verbrauchern anzupassen.

Aufbau und Funktionsweise eines Transformators

Kern
Der Transformator besteht meist aus einem Eisenkern, der die magnetischen Feldlinien bündelt. Dadurch wird die Effizienz des Energietransfers erhöht.

Primärwicklung
Dies ist die Spule, die mit der Eingangsspannung (z. B. einer Wechselspannungsquelle) verbunden ist. Wenn Wechselstrom durch diese Spule fließt, entsteht ein wechselndes Magnetfeld.

Sekundärwicklung
Diese Spule ist magnetisch gekoppelt, aber elektrisch getrennt von der Primärwicklung. Das wechselnde Magnetfeld des Eisenkerns induziert in dieser Spule eine Ausgangsspannung.

Wenn Wechselstrom durch die Primärwicklung fließt, erzeugt er ein wechselndes Magnetfeld im Kern.
Dieses Magnetfeld durchdringt die Sekundärwicklung und induziert dort gemäß dem Faraday’schen Induktionsgesetz eine Spannung.
Das Spannungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärwicklung hängt von der Anzahl der Wicklungen ab.

Arten von Transformatoren

Spannung erhöhen (Hochspannungstrafo)

Die Sekundärwicklung hat mehr Windungen als die Primärwicklung
Die Ausgangsspannung ist größer als die Eingangsspannung.

Spannung reduzieren (Niederspannungstrafo)

Die Sekundärwicklung hat weniger Windungen als die Primärwicklung
Die Ausgangsspannung ist kleiner als die Eingangsspannung.

Der Planartrafo

Ein Planartransformator (Planartrafo) ist ein Niederspannungstrafo, der Energie kontaktlos über induktive Kopplung überträgt. Er verwendet flache Leiterbahnen auf mehrlagigen Leiterplatten (PCBs) anstelle herkömmlicher Drahtwicklungen.

Diese Bauweise ermöglicht eine kompakte Form, ideal für Anwendungen mit hohen Frequenzen und begrenztem Platz, wie in Schaltnetzteilen. Manuelle Wickelprozesse entfallen, da die Wicklungen direkt in die Leiterplatte integriert sind, was die Produktionszeit verkürzt und die Fehleranfälligkeit reduziert.

Planartrafos sind sowohl als Einzelkomponente als auch integriert in umfangreiche Leiterplattenlayouts erhältlich.

Funktionsweise eines Planartrafos

Wicklungen in der Leiterplatte

Die Primär- und Sekundärwicklung werden durch Kupferleiterbahnen auf den Lagen der Leiterplatte gebildet. Durch geschicktes Design (z. B. parallele Lagen und Durchkontaktierungen) wird eine hohe Wicklungsdichte erreicht.
Die Anzahl der Windungen wird durch die Anzahl der Schleifen auf der Leiterplatte festgelegt.

Magnetischer Kern

Der Transformator benötigt einen magnetischen Kern, um die magnetischen Feldlinien zu bündeln und den Wirkungsgrad zu maximieren.
Typischerweise wird ein Ferritkern verwendet, der als Formteil in die Leiterplatte montiert wird.

Hochfrequenzbetrieb

Planartrafos arbeiten meist bei hohen Schaltfrequenzen (z. B. 100 kHz bis mehrere MHz), da der magnetische Kern und die flachen Wicklungen für niedrige Frequenzen nicht optimal geeignet sind.
Durch den Hochfrequenzbetrieb kann die Baugröße des Transformators erheblich reduziert werden, da kleinere Kerne und kürzere Wicklungen erforderlich sind.

Induktionsprinzip

Genau wie bei klassischen Transformatoren wird ein Wechselstrom in der Primärwicklung durch ein magnetisches Wechselfeld im Kern in die Sekundärwicklung übertragen.
Die Ausgangsspannung hängt wie bei herkömmlichen Transformatoren vom Windungsverhältnis ab.

Besonderheit bei Planartrafos

Der Planartrafo wird in die unbestückte Leiterplatte designt und gefertigt, sodass alle Leiterbahn-Wicklungen bereits integriert sind. Im Rahmen der Prozesskette erfolgt die Fertigung ohne den magnetischen Kern, der dann vom Kunden nachträglich implementiert werden muss. Diese Vorgehensweise ermöglicht eine optimierte Produktionslinie und bietet dem Kunden Flexibilität bei der Auswahl des passenden Kerns. Die Ausführung des Kerns (z. B. E-Kern, U-Kern oder Ringkern) wird je nach Anwendung spezifiziert.

MERKMALE	KLASSISCHER TRAFO	PLANARTRAFO
Bauweise	Manuelle Drahtwicklungen um einen Kern	Flache Kupferbahnen als integrierter Layoutteil in einer mehrlagigen Leiterplatte
Größe und Gewicht	Relativ groß und hoch	Kompakt und flach – Gewicht kann reduziert werden
Wärmeableitung	Eingeschränkt durch Bauform	Optimale Ableitung über die Leiterplatte, Lebensdauer der Bauteile wird verlängert
Energieeffizienz	Höhere Verluste durch Wicklungen	Präzise Geometrie, geringere Verluste
Produktionsaufwand	Manuelle Wicklungen – aufwendig	Automatisierte Fertigung, Fehleranfälligkeit wird reduziert