Hoe hogestroomklemmen de stroom veilig kunnen leveren terwijl ze de montagetijd en het stroomverlies verminderen

Ontwerpers van industriële systemen maken in toenemende mate gebruik van elektronische besturing, waarbij ze streven naar efficiëntie. Bij elektronische besturing is er behoefte aan steeds kleinere vormfactoren om ruimte te besparen en de kosten te verlagen. Omdat de vormfactoren kleiner worden, staan ontwerpers echter voor steeds grotere uitdagingen op het gebied van high-power verbindingen. Krachtige printplaatconnectoren en stroomkabels vereisen dikke, zware verbindingen en kunnen dus niet in dezelfde mate krimpen als digitale elektronica. Bovendien moeten deze aansluitpunten met een hoge stroomsterkte vriendelijk zijn voor het fabricageproces van de printplaten, of het nu gaat om opbouw of doorvoer. Deze kwesties moeten worden aangepakt, maar tegelijkertijd moeten de begrotingen worden aangescherpt en de marktintroductietijd worden verkort.

Om aan deze eisen te voldoen, moeten ontwikkelaars van hoogvermogenelektronica goed letten op het ontwerp en de selectie van de hoogvermogenklemmen van de printplaten en de montage daarvan. Hoogstroomklemmen kunnen ook extra montagetijd nodig hebben om een solide soldeerverbinding te garanderen.

In dit artikel wordt kort ingegaan op de problemen die samenhangen met high-power terminals. Het zal aantonen hoe ontwerpers van hoog-vermogen printplaten kunnen profiteren van gespecialiseerde hoog-stroom printplaatklemmen. Met behulp van oplossingen van Würth Elektronik als voorbeelden, zal het laten zien hoe geschikte terminals betrouwbaar hoge stroom kunnen leveren tussen systemen en hoe ze geautomatiseerde assemblage kunnen versnellen terwijl ze een hoge mechanische stabiliteit en een zeer lage verbindingsweerstand bieden.

Hoe terminals vermogensverliezen introduceren

Ontwerpers van industriële systemen moeten vaak hoge stromen in het bereik van honderden versterkers leveren en regelen. Vaak zitten de hoogstroomklemmen die het systeem van stroom voorzien op dezelfde printplaat als de digitale besturingselektronica. Naarmate de besturingshalfgeleiders meer geïntegreerd worden, neemt de oppervlakte van de printplaat af. Deze krimpende vormfactor levert drie problemen op voor ontwerpers van hoogvermogenelektronica.

Het eerste probleem is het verantwoorden van de milieu-extremen in termen van temperatuur, vochtigheid en gassen op de printplaatelektronica. Als verbindingen niet luchtdicht zijn, kunnen gassen als gevolg van industriële processen hoogstroomverbindingen oxideren of corroderen, met als gevolg inefficiënte verbindingen die kunnen leiden tot vermogensverliezen of storingen in de apparatuur. Deze problemen kunnen moeilijk te diagnosticeren zijn en kunnen soms niet worden gedetecteerd door zelfs de meest zorgvuldige visuele inspectie.

Het tweede probleem is het omgaan met de efficiëntie van de high-power verbindingen. Als het vermogen stijgt, kan zelfs de kleinste toename van de aansluitweerstand leiden tot een vermogensverlies met een merkbare toename van de warmte. Volgens de wet van Ohm kan een aansluiting van 25,0 ampère (A) met een slechte soldeerverbinding die resulteert in een weerstand van slechts 0,050 ohm (Ω) een verlies genereren van (25,0² x 0,050) = 31,25 watt bij de verbinding. Naast de verliezen kan de opgewekte warmte de levensduur van de nabijgelegen elektronica verkorten. In het ergste geval kan de hitte brandwonden of een brand veroorzaken.

Het derde probleem is om ervoor te zorgen dat de hoogspanningsklemmen compatibel zijn met de productiemethode die wordt gebruikt om de printplaat te assembleren. Voor de productie van hoog-volume pc-printplaten wordt de voorkeur gegeven aan een oppervlaktemontage voor alle componenten. Vergeleken met een doorlopend gat, combineert de opbouwmontage verminderde montagetijden met lagere arbeidskosten, terwijl de kwaliteit behouden blijft. Opbouwplaatsklemmen voor pc's zijn echter beperkt wat betreft de huidige draagkracht van een individuele terminal. De printplaatklemmen van de doorlopende reflow pc kunnen gemakkelijk meer stroom dragen dan de oppervlakte, terwijl ze een zeer hoge mechanische stabiliteit bieden. Echter, een doorlopende of gemengde printkaartassemblagelijn kan twee keer het vloeroppervlak vergen, evenals extra arbeid en montagetijden in vergelijking met de opbouw, waardoor dit een duurdere assemblagemethode is.

Ongeacht het assemblageproces moet de kwaliteit behouden blijven en dat betekent voor een assemblagelijn een focus op het verminderen van fouten. In dit opzicht kan doorvoergat betrouwbaarder zijn voor terminals met een hoge stroomsterkte, omdat de aard van de terminal het minder waarschijnlijk maakt dat deze tijdens het reflow-soldeerproces naar buiten komt. Omdat voor de opbouw van hoogspanningsklemmen grotere voetafdrukken nodig zijn, is het van cruciaal belang dat de soldeerpasta gelijkmatig over het gehele soldeerkussen wordt aangebracht. Als het pad ongelijkmatig is, zal het tijdens de soldeerreflow ongelijkmatig verhitten, waardoor het ene uiteinde van de klem omhoog komt, wat resulteert in een tombstonering van de opbouwcomponent.

Vermogensefficiënte hoogstroomklemmen

Om de potentiële problemen met hoogstroomklemmen aan te pakken, heeft Würth Elektronik de productlijn REDCUBE-klemmen ontwikkeld die hoge stromen ondersteunen met flexibele productiemogelijkheden. De klemmen hebben een laag profiel, waardoor de warmte sneller naar de omgeving kan worden afgevoerd en er meer lucht naar de directe omgeving kan stromen, wat de koeling van de omringende elektronica ten goede komt. REDCUBE-terminals zijn ontworpen voor een extreem lage weerstand van de soldeerverbindingen en kunnen dus tot 500 A leveren met zeer weinig vermogensverlies of warmteontwikkeling.

De lijn ondersteunt de fabricageprocessen voor opbouwmontage, doorlopende reflow en perspassing van printplaten. Hierdoor kan een printplaatontwerper voor industriële systemen standaardiseren op terminals van één enkele leverancier, zijn ze gemakkelijk visueel te identificeren tijdens verschillende productieprocessen en wordt de aankoop vereenvoudigd.

Opbouw van hoogspanningsklemmen

Voor compatibiliteit met de productie van oppervlaktemontageapparatuur (SMD) kunnen ontwerpers gebruik maken van Würth's REDCUBE SMD industriële terminalfamilie. Deze terminals ondersteunen een volledig geautomatiseerde opbouwmontage met de nadruk op een minimale warmteontwikkeling. De klemmen ondersteunen tot 85 A voor elektrische board-to-bord-aansluitingen.

Een voorbeeldapparaat, de 7466003R, heeft een M3-schroefdraad en heeft een nominale waarde van 50 A bij 20°C (Afbeelding 1). De terminal heeft een kleine voetafdruk van 8,3 millimeter (mm). De cirkelvormige voetafdruk verbetert de productieopbrengst door het verminderen van tombstonen door een gelijkmatige gewichtsverdeling van de terminal, en het elimineren van scherpe hoeken die mogelijk geen soldeerpasta ontvangen. De behuizing van de REDCUBE SMD 7466003R is gemaakt van zware messing met een tinlaag en is geschikt voor temperaturen van -55 °C tot +150 °C.

Afbeelding 1: De REDCUBE SMD 7466003R industriële terminal heeft een kleine voetafdruk van 8,3 mm en is geschikt voor het veilig dragen van maximaal 50 A. Hij wordt geleverd met een aangebouwde oranje mylar tab die wordt verwijderd door geautomatiseerde pick-and-place-apparatuur voordat de printplaat op het oppervlak wordt geplaatst. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

Om de beste verbinding te maken en tegelijkertijd de warmte te verminderen, wordt aanbevolen om de M3-schroefdraad te koppelen aan een schroef en een klem die ook vertind zijn. Dit maakt de 7466003R compatibel met de meeste voedingsklemmen en -schroeven. Een oranje mylar tabblad beschermt de te solderen zijde tegen verontreinigingen en vingerafdrukken voor de montage. Dit draagt bij aan een goede opbouw-soldeerverbinding met een minimale verbindingsweerstand. Het wordt ook aanbevolen om, voordat de klem wordt gekoppeld aan een vertinde schroef, de M3-schroefdraad en de bovenkant van de klem te beschermen tegen verontreinigingen die de paringsweerstand van een geplaatste schroef en lip kunnen aantasten. Dit houdt in dat de vingers van de bovenkant van de draad worden gehouden.

Doorlopende printplaatterminals

Voor industriële toepassingen die doorlopende componenten vereisen, levert Würth de REDCUBE THR-familie. Deze ondersteunen de automatische doorvoer van de reflowprintplaat. De 74651195R is bijvoorbeeld een rechte schroefklem met negen pinnen en een vertinde M5-schroefdraad, ontworpen om een met een moer vastgezette kabelbout op te nemen (Afbeelding 2). Het heeft een bedrijfstemperatuurbereik van -55 °C tot +150 °C en heeft een nominale waarde van 85 A bij 20°C.

Afbeelding 2: De REDCUBE THR 74651195R heeft een nominale waarde van 85 A bij 20°C en heeft een rechte schroefklem M5. De negen printplaatpennen zorgen voor mechanische stabiliteit tegen schuif- en scheurkrachten. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

De negen pennen van de 74651195R zijn gerangschikt in een 3 x 3 raster dat is ontworpen voor optimale soldeerbaarheid en mechanische stabiliteit tegen scheur- en schuifkrachten. De 74651195R is vertind over een massief stuk messing, waardoor hij een hoger stroomdraagvermogen heeft en een betere torsietolerantie in vergelijking met gestanste klemmen. Dit ontwerp maakt de 74651195R een goede keuze voor high-power industriële toepassingen waarbij de aangesloten kabel vanuit elke hoek kan worden getrokken.

De 74651195R heeft een laag profiel en heeft een totale hoogte boven de printplaat van 10 mm met een schroef van 7 mm lengte. Deze ondersteunt standaard M5-kabelschoenen en borgmoeren met weinig schroefdraad, waardoor de luchtstroom rond de terminal gemakkelijk kan worden verbeterd om de koeling te verbeteren.

Persklemmen voor zeer hoge stromen

Voor toepassingen op het gebied van voeding en industriële systemen die zeer hoge stromen vereisen, heeft Würth de REDCUBE PRESS-FIT productlijn ontwikkeld met een nominale waarde tot 500 A. Deze klemmen maken geen gebruik van reflow- of golfsoldeertechnieken. In plaats daarvan wordt de terminal mechanisch in gesoldeerde printplaatgaten geperst. De wrijving die ontstaat door de klem in de gaten van de printplaat te drukken, zorgt voor een koude lasverbinding die gasdicht is met een contactweerstand van slechts 200 micro ohm (µΩ).

Een voorbeeld van een oplossing is de schroefklem 7461090 met een M8 schroefdraad (Afbeelding 3). Het heeft een nominale waarde van 350 A bij 20 °C en heeft een bedrijfstemperatuur van -55 °C tot +150 °C. Om met deze stroom om te gaan, heeft de 7461090 20 press-fit pinnen die geen warmte-soldeermethodes nodig hebben. De press-fit methode maakt gebruik van dezelfde printplaatgaten als de doorvoercomponenten, waardoor eventuele problemen met de soldeerbaarheid, zoals koude soldeerverbindingen, worden geëlimineerd. Bovendien hoeven de 20 press-fit pinnen niet als gesoldeerde gaten langs de printplaat te lopen en kunnen ze zelfs zonder soldeerstukken in de printplaat eindigen. Dit helpt voorkomen dat er per ongeluk een kortsluiting ontstaat op de hoogstroomterminal onder de printplaat, waardoor de veiligheid van het systeem wordt verbeterd.

Afbeelding 3: De REDCUBE PRESS-FIT 7461090 industriële schroefklem wordt zonder golf- of reflow-soldeermethode in de gaten van de printplaat geperst. Het unieke ontwerp biedt zeer weinig contactweerstand, waardoor het tot 350 A kan verwerken. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

Het profiel van de M8 vertinde draad is 13,5 mm. Voor een maximale stroomtoevoer met minimale contactweerstand moet een vertinde schroef worden gekozen, zodat de geassembleerde schroef door het kabellipje gaat en de maximale praktische lengte door de REDCUBE-klem gaat zonder in contact te komen met de printplaat. Dit zorgt voor het maximale contactoppervlak voor de gehele lengte van de schroefklem.

Voor de montage is het belangrijk om te voorkomen dat verontreinigingen of vingers in contact komen met de schroefdraad of de bovenkant van de klemmen, omdat zelfs de kleinste weerstand tegen verontreinigingen bij 350 A een gevaarlijke hoeveelheid overtollige warmte kan genereren.

Plugklemmen voor eenvoudig aan- en afkoppelen

Soms moet een industrieel systeem met een hoog vermogen gemakkelijk opnieuw geconfigureerd en aangesloten kunnen worden tussen verschillende bronnen. Voor deze toepassingen biedt Würth de REDCUBE PLUG press-fit industriële eindapparatuurfamilie aan. Dit is een persklem die het gemak biedt van een schroefloze klemaansluiting die tot 120 A kan ondersteunen.

De REDCUBE PLUG 7464000 kan bijvoorbeeld tot 120 A bij 20 °C verwerken met een bedrijfstemperatuurbereik van -45 °C tot +125 °C (Afbeelding 4). Deze REDCUBE PLUG bestaat uit een vertinde houder van een koperlegering in een behuizing van met rode glasvezels versterkte kunststof. Om een compatibele stekker in de aansluiting met een diameter van 6,2 mm te plaatsen, moet de bovenkant van de behuizing met de hand in de richting van de printplaat worden gedrukt. Hierdoor komt de aansluiting volledig vrij voor het gemakkelijk inbrengen van een vertinde plug. Door de bovenkant van de behuizing te ontgrendelen wordt de plug op zijn plaats vergrendeld.

Afbeelding 4: De REDCUBE PLUG 7464000-plugaansluiting is een persklem met een capaciteit van 120 A bij 20 °C. Het zorgt voor het eenvoudig aansluiten en loskoppelen van plugs met een hoge stroomsterkte, waardoor het geschikt is voor herconfigureerbare stroomoplossingen. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

De REDCUBE PLUG 7464000-plugaansluiting is ook een goede oplossing voor ruimtes met weinig ruimte boven het hoofd die het moeilijk maken om een schroef of moer te bevestigen. De felrode kleur maakt de plug gemakkelijk herkenbaar op een overvolle printplaat. Het heeft 12 dicht bij elkaar geplaatste, in een 3 x 4 raster geplaatste, perspennen. De 7464000 biedt een maximale contactweerstand van 1 mΩ, waardoor deze geschikt is voor zeer hoge stroomtoepassingen.

Conclusie

Naarmate ontwerpen meer geïntegreerd worden, moeten ontwerpers van high-power systemen een evenwicht vinden tussen een efficiënte, verliesarme vermogensafgifte en een eenvoudige montage. Dit maakt de keuze van de juiste hoogstroom pc-board industriële terminals bijzonder cruciaal. Ontwerpers moeten inzicht hebben in het assemblageproces van de printplaat, de hoeveelheid stroom die een terminal veilig kan verwerken en de methode van bevestiging van de printplaat.

Zoals afgebeeld, maken de industriële terminals met flexibele montagemogelijkheden het voor een ontwerper mogelijk om te standaardiseren op één productlijn, wat de aankoop en de interoperabiliteit vereenvoudigt. Hierdoor kunnen industriële systemen veilig stroom leveren en tegelijkertijd de productieopbrengst verhogen door het minimaliseren van montagefouten, wat resulteert in snellere montagetijden en lagere kosten.