Hvordan høystrømsterminaler trygt kan forsyne strøm samtidig som monteringstiden og strømtapet reduseres

Designere av industrielle systemer utnytter i økende grad elektronisk styring når de streber etter god virkningsgrad. Med elektronisk styring følger behovet for stadig mindre størrelse for å spare plass og lavere kostnader. Etter hvert som størrelsen krymper, står imidlertid designerne overfor stadig større utfordringer knyttet til tilkoblinger for høy strøm. Høystrøms kretskortkontakter og strømledninger krever tykke, kraftige tilkoblinger, og kan derfor ikke krympe i størrelse i samme takt som digital elektronikk. I tillegg må disse tilkoblingspunktene for høy strøm være vennlige for produksjonsprosessen for kretskortet, enten det er overflate- eller hullmontering. Disse spørsmålene må håndteres, samtidig som man må håndtere innstrammingsbudsjettene og kortere tid til markedet.

For å oppfylle disse kravene må utviklere av elektronikk for høy effekt være nøye oppmerksomme på design og valg av terminaler for høy strøm for kretskort og montering av disse kortene. Høystrømsterminaler kan også kreve ekstra monteringstid for å garantere en solid loddetilkobling.

Denne artikkelen vil kort ta for seg problemene som er forbundet med terminaler for høy strøm. Den vil vise hvordan designere av kretskort med høy effekt kan dra nytte av spesialiserte kretskortterminaler for høy strøm. Ved å benytte løsninger fraWürth Elektronik som eksempler vil det vises hvordan passende terminaler, kan levere høy strøm pålitelig mellom systemer og hvordan de kan akselerere automatisert montering, samtidig som de gir høy mekanisk stabilitet og svært lav tilkoblingsmotstand.

Slik forårsaker terminaler strømtap

Designere av industrielle systemer behøver ofte å levere og kontrollere høye strømmer i hundrevis av ampere. Ofte befinner høystrømsterminalene som forsyner systemet med strøm seg på samme kretskort som den digitale styringselektronikken. Når styringshalvledere blir mer integrert, avtar kretskortet i areal. Denne krympende størrelsen betyr tre problemer for designere av elektronikk for høy effekt.

Det første problemet er å ta høyde for de ekstreme miljøene når det gjelder temperatur, fuktighet og gasser på kretskortelektronikken. Hvis tilkoblingene ikke er lufttette, kan gasser som følge av industrielle prosesser oksidere eller korrodere høystrømsforbindelser, noe som resulterer i ineffektive tilkoblinger som kan føre til strømtap eller utstyrsfeil. Disse problemene kan være vanskelige å diagnostisere, noen ganger kan de ikke oppdages av selv den mest nøye visuelle inspeksjonen.

Det andre problemet er å håndtere virkningsgraden til høyeffekttilkoblingene. Etter hvert som strømnivåene stiger, kan selv den minste økningen i tilkoblingsmotstanden resultere i et strømtap med en merkbar økning i varme. I henhold til Ohms lov, kan en 25 amperes (A) terminal med dårlig loddeforbindelse som resulterer i en motstand på bare 0,05 ohm (Ω) påføre et tap på (25² x 0,05) = 31,25 watt på skjøten. I tillegg til tapene, kan den genererte varmen redusere levetiden til elektronikk i nærheten. I verste fall kan varmen forårsake brannskader eller brann.

Det tredje problemet er å sikre at høystrømsterminal er kompatible med produksjonsmetoden som brukes til å montere kretskortet. For produksjon av kretskort med høyt volum foretrekkes overflatemontering for alle komponenter. Sammenlignet med hullmontering betyr overflatemontering reduserte monteringstider med lavere arbeidskostnader samtidig som kvaliteten opprettholdes. Overflatemonterte kretskortterminaler er imidlertid begrenset med hensyn til nåværende bæreevne for en individuell terminal. Gjennom hullet kan kretskortterminaler for etterfylling enkelt transportere mer strøm enn overflatemontering, samtidig som de gir svært høy mekanisk stabilitet. Imidlertid kan en produksjonslinje for kretskort med hullmontering eller blandede kretskort kreve dobbelt så mye gulvareal, i tillegg til ekstra arbeids- og monteringstider sammenlignet med overflatemonterte kretskort, noe som gjør dette til en dyrere monteringsmetode.

Uansett monteringsprosess må kvaliteten opprettholdes, og for en produksjonslinje betyr det fokus på å redusere feil. I denne forbindelse kan gjennomgående hull være mer pålitelig for terminaler med høy strøm, ettersom terminalens egenskap gjør det mindre sannsynlig at den kommer til å sprette ut under påsmeltingsloddingsprosessen. Fordi overflatemonterte terminaler med høy strøm krever større monteringsflate, er det viktig at loddepasta påføres jevnt over hele loddeøyen. Hvis den er ujevn, vil loddeøyen oppvarmes ujevnt under påsmeltingsloddingen, noe som fører til at den ene enden av terminalen stiger, som igjen resulterer i at den overflatemonterte komponenten reiser seg og blir stående på skrå (tombstoning).

Høystrømsterminaler med høy virkningsgrad

For å løse potensielle problemer med terminaler med høy strøm, har Würth Elektronik utviklet produktlinjen REDCUBE-terminaler, som støtter høye strømmer med fleksible produksjonsalternativer. Terminalene har lav profil som gir raskere varmeavledning til omgivelsene, samtidig som det gir mer luftstrøm til nærområdet, noe som forbedrer kjølingen til den omkringliggende elektronikken. REDCUBE-terminaler er konstruerte for ekstremt lav loddekryssmotstand og kan dermed levere opptil 500 A med svært lite strømtap eller varmegenerering.

Linjen støtter produksjonsprosesser kretskort med for overflatemontering, påsmeltingslodding for hullmontering og presspasning. Dette gjør det mulig for en designer av kretskort for industrisystemer å standardisere bruken av terminaler fra én enkelt leverandør, gjør dem enkle å visuelt identifisere gjennom forskjellige produksjonsprosesser og forenkle innkjøp.

Høystrømsterminaler for overflatemontering.

For kompatibilitet med produksjon av overflatemontert kretskort (SMD) for overflatemontering (surface mount device – SMD), kan designere bruke Würths sin familie industriterminaler REDCUBE SMD. Disse terminalene støtter helautomatisert overflatemontering, samtidig som de legger vekt på minimal varmegenerering. Terminalene støtter opptil 85 A for elektriske kort-til-kort-tilkoblinger.

En eksempelenhet, 7466003R, har en M3-gjenge og er merket med 50 A ved 20 °C (figur 1). Terminalen har liten ,monteringsflate på 8,3 mm i diameter. Den runde monteringsflaten forbedrer produksjonsytelsen ved å redusere at komponenten reiser seg og blir stående på skrå (tombstoning) gjennom jevn vektfordeling av terminalen og eliminering av skarpe hjørner som kanskje ikke dekkes med loddepasta. Kroppen til REDCUBE SMD 7466003R er laget av kraftig messing med en tinnplettering og er klassifisert for temperaturer på -55 °C til +150 °C.

Figur 1: industriterminalen REDCUBE SMD 7466003R har en liten monteringsflate på 8,3 mm og er klassifisert til å lede opptil 50 A på en sikker måte. Den leveres med en festet oransje mylarflik som fjernes ved maskiner for automatisk bestykning (plukk-og-plasser-roboter) av utstyr før plassering av overflatemontert kretskortplassering. (Bildekilde: Würth Elektronik)

For å gi best mulig tilkobling samtidig som varmen reduseres, anbefales det at M3-gjengen kobles til en skrue og terminal som også er tinnbelagt. Dette gjør 7466003R kompatibel med de fleste strømterminaler og skruer. En oransje mylarflik beskytter siden som skal loddes mot forurensninger og fingeravtrykk før montering. Dette bidrar til å sikre en god overflatemontert loddetilkobling med minimal tilkoblingsmotstand. Det anbefales også at før terminalen kobles til en tinnplettert skrue, beskyttes M3-gjengen og terminaltoppen mot eventuelle forurensninger som kan påvirke paringsmotstanden til en innsatt skrue og flik. Dette inkluderer å holde fingrene borte fra toppen av gjengen.

Kretskortkorteterminaler for hullmontering

Würth tilbyr familien REDCUBE THR for industrielle utrustninger som krever komponenter med hullmontering. Disse støtter automatisk påsmeltingslodding for hullmontering i kretskort. For eksempel er 74651195R en ni-pinnes gjennomgående rett skrueterminal med en tinnplettert M5-gjenge som er utformet for å ta en kabelflik festet med en mutter (figur 2). Den har et driftstemperaturområde fra -55 °C til +150 °C og klassifisert til 85 A ved 20°C.

Figur 2: REDCUBE THR 74651195R er klassifisert til 85 A ved 20 °C og har en M5 rett skrueterminal. De ni kretskortpinnene gir mekanisk stabilitet mot skjære- og rivekrefter. (Bildekilde: Würth Elektronik)

De ni stiftene på 74651195R er arrangert i et 3 x 3-rutenett som er konstruert for optimal loddbarhet, samt mekanisk stabilitet mot rive- og skjærkrefter. 74651195R er forgylt over et massivt messingstykke, noe som gir den høyere strømbæreevne og bedre momenttoleranse sammenlignet med stansede terminaler. Denne utformingen gjør 74651195R til et godt valg for industrielle anvendelser med høy strøm der den tilkoblede kabelen kan trekkes fra alle vinkler.

74651195R har lav profil og en total høyde over kretskortet på 10 mm med en skrue som måler 7 mm i lengde. Dette støtter standard M5-kabelfliker og låsemuttere med liten gjenge, noe som enkelt tillater luftstrøm rundt terminalen for å forbedre kjølingen.

Presspasningsterminaler for svært høye strømmer

For strømforsyning og industrielle systemer som krever svært høye strømmer, utviklet Würth REDCUBE PRESS-FIT produktlinje som er klassifisert opp til 500 A. Disse terminalene bruker ikke påsmeltingslodding eller smeltelodding. I stedet presses terminalen mekanisk inn i loddeplettert hull i kretskortet. Friksjonen som skapes ved å trykke terminalen inn i hullene på kretskortet, skaper en kaldsveiseforbindelse som er gasstett med en kontaktmotstand på så lite som 200 mikroohm (µΩ).

Et løsningseksempel er skrueterminalen 7461090 med en M8-gjenge (figur 3). Den klassifisert til 350 A ved 20 °C og har en driftstemperatur fra -55 °C til +150 °C. For å håndtere denne strømmen har 7461090 20 trykkfestestifter som ikke krever noen varmeloddemetoder. Presspasningsmetoden bruker de samme hullene på platen som hullmonteringskomponenter, noe som eliminerer eventuelle loddeproblemer som f.eks. kaldloddinger. I tillegg trenger ikke de 20 trykkfestestiftene å strekke seg forbi kretskortet som loddehull, og kan til og med avsluttes inne i kretskortet uten loddepinner. Dette hjelper til med å forhindre utilsiktet kortslutninger til høystrømsterminalen under kretskortet og forbedrer dermed systemsikkerheten.

Figur 3: REDCUBE PRESS-FIT 7461090 industriell skrueterminal presses inn i kretskorthull uten smelteloddings- eller påsmeltingsloddingsmetoder. Dens unike utforming byr på svært lite kontaktmotstand, noe som gjør at den kan håndtere opptil 350 A. (Bildekilde: Würth Elektronik)

Profilen til M8-tinnplettert gjenge er 13,5 mm. For maksimal strømlevering med minimal kontaktmotstand, bør en tinnplatert skrue velges slik at den monterte skruen går gjennom kabelfanen og beveger seg den maksimale lengden praktisk gjennom REDCUBE-terminalen uten å komme i kontakt med kretskortet. Dette gir det maksimale kontaktområdet for hele skrueterminallengden.

Før montering er det viktig å forhindre at forurensende stoffer eller fingre kommer i kontakt med gjengen eller toppen av terminalen, da selv den minste motstanden mot forurensende stoffer kan generere en farlig mengde overskytende varme ved 350 A.

Pluggterminaler for enkel tilkobling og frakobling

Noen ganger må et industrielt system med høy effekt enkelt konfigureres på nytt og kobles til på nytt mellom forskjellige kilder. Würth tilbyr familien med industriterminaler REDCUBE PLUG med presspasning for disse utrustningene. Dette er en presspasningsterminal som tilbyr bekvemmeligheten med skrueløs terminaltilkobling som kan støtte opptil 120 A.

For eksempel kan REDCUBE-PLUGGEN 7464000 håndtere opptil 120 A ved 20 °C med et driftstemperaturområde fra -45 °C til +125 °C (figur 4). Denne REDCUBE-PLUGGEN består av en tinnplettert kobberlegeringsbeholder innkapslet i et rødt glassfiberforsterket plasthus. For å sette inn en kompatibel plugg i kontakten med en diameter på 6,2 mm, må toppen av huset trykkes manuelt ned mot kretskortet. Dette eksponerer stikkontakten fullstendig for enkel innsetting av en tinnplettert plugg. Frakobling av toppen av huset låser pluggen på plass.

Figur 4: REDCUBE-pluggen 7464000-pluggstikkontakt er en presspasningsterminal merket ved 120 A ved 20 °C. Det gir enkel tilkobling og frakobling av høystrømplugger, noe som gjør det egnet for rekonfigurerbare strømløsninger. (Bildekilde: Würth Elektronik)

REDCUBE PLUG 7464000-kontakten er også en god løsning for områder med lav overhead-plass som gjør det vanskelig å feste en skrue eller mutter. Den lyserøde fargen gjør pluggen lett identifiserbar på et tettpakket kretskort. Den har 12 tett plasserte trykkfestestifter arrangert i et 3 x 4-rutenett. 7464000 gir en maksimal kontaktmotstand på 1 mΩ, noe som gjør den egnet for bruk med svært høy strøm.

Konklusjon

Etter hvert som design blir mer integrert, må designere av høyeffektsystemer balansere virkningsfull strømforsyning med lavt tap med enkel montering. Dette gjør valg av passende industrielle terminaler på høystrøms kretskort spesielt avgjørende. Designere må ha forståelse for monteringsprosessen for kretskort, mengden strøm som en terminal kan håndtere på en sikker måte, samt metoden for feste til kretskort.

Som vist gjør terminaler av industriell kvalitet med fleksible monteringsalternativer det mulig for en designer å standardisere på én produktlinje, noe som forenkler innkjøp og driftskompatibilitet. Dette gjør det mulig for industrisystemer å levere strøm på en sikker måte, samtidig som produksjonsutbyttet økes ved å minimere monteringsfeil, noe som resulterer i raskere monteringstider og lavere kostnader.