Hvordan terminaler med høj strøm sikkert kan levere strøm, samtidig med at monteringstid og strømtab reduceres

Designere af industrielle systemer drager i stigende grad fordel af elektronisk kontrol, da de stræber efter effektivitet. Med elektronisk styring kommer behovet for stadig mindre formfaktorer for at spare plads og lavere omkostninger. Imidlertid, da formfaktorer krymper, står designere over for stigende udfordringer relateret til højeffektsforbindelser. Højstrømskortstik og kraftledninger kræver tykke, tunge forbindelser og kan derfor ikke krympe med samme hastighed som digital elektronik. Derudover skal disse højstrømsforbindelsespunkter være venlige for pc-kortets fremstillingsproces, hvad enten det er overflademonteret eller gennemgående hul. Disse spørgsmål skal håndteres, mens man stadig håndterer stramning af budgetter og kortere time-to-market

For at imødekomme disse krav skal udviklere af højeffektelektronik være meget opmærksomme på design og valg af pc-kort med høj effektterminaler og deres samling. Højstrømsterminaler kan også kræve yderligere samlingstid for at garantere en solid loddetilslutning.

Denne artikel vil kort diskutere problemerne i forbindelse med terminaler med høj effekt. Det vil vise, hvordan designere af pc'er med høj effekt kan drage fordel af specialiserede pc-terminaler med høj strømstyrke. Brug af løsninger fra Würth Elektronik som eksempler vil det vise, hvordan passende terminaler pålideligt kan levere høj strøm mellem systemer, og hvordan de kan fremskynde automatiseret samling, samtidig med at de giver høj mekanisk stabilitet og meget lav forbindelsesmodstand.

Hvordan terminaler introducerer strømtab

Designere af industrielle systemer har ofte brug for at levere og kontrollere høje strømme i området hundreder af forstærkere. Ofte er de høje strømterminaler, der leverer strøm til systemet, på samme pc-kort som den digitale kontrolelektronik. Efterhånden som styringshalvledere bliver mere integreret, falder pc-kortet i areal. Denne formindskende formfaktor giver tre problemer for designere af højeffektiv elektronik.

Det første problem er at tage højde for de miljømæssige ekstremer med hensyn til temperatur, fugtighed og gasser på printkortelektronikken. Hvis forbindelserne ikke er lufttætte, kan gasser som følge af industrielle processer oxidere eller korrodere strømforbindelser, hvilket resulterer i ineffektive forbindelser, som kan føre til strømtab eller funktionsfejl i udstyret. Disse problemer kan være vanskelige at diagnosticere og kan undertiden ikke opdages ved selv den mest omhyggelige visuelle inspektion.

Det andet problem er at beskæftige sig med effektiviteten af højeffektforbindelser. Når effektniveauerne stiger, kan selv den mindste stigning i forbindelsesmodstand resultere i et effekttab med en mærkbar stigning i varme. Pr. Ohms Lov kan en 25,0 ampere (A) terminal med en dårlig loddeforbindelse, der resulterer i en modstand på kun 0,050 ohm (Ω), generere et tab på (25,0² x 0,050) = 31,25 watt ved leddet. Udover tabene kan den genererede varme reducere levetiden for nærliggende elektronik. I værste fald kan varmen medføre forbrændinger eller brand.

Det tredje problem er at sikre, at terminalerne med høj strøm er kompatible med fremstillingsmetoden, der bruges til at samle pc-kortet. Til fremstilling af pc-kort med stort volumen foretrækkes overflademontering til alle komponenter. Sammenlignet med gennemgående hul kombinerer overflademontering reducerede monteringstider med lavere arbejdsomkostninger, samtidig med at kvaliteten opretholdes. Imidlertid er overflademonterede pc-kortterminaler begrænset med hensyn til den aktuelle bæreevne for en individuel terminal. PC-terminaler med gennemgående hul kan let bære mere strøm end overflademontering, samtidig med at de giver meget høj mekanisk stabilitet. Imidlertid kan en gennemgående hul eller en blandet pc-pladesamlingslinje kræve dobbelt gulvplads samt yderligere arbejds- og monteringstider sammenlignet med overflademontering, hvilket gør dette til en dyrere monteringsmetode.

Uanset samleprocessen skal kvaliteten opretholdes og for en samlebånd, der betyder fokus på at reducere fejl. I denne henseende kan gennemgående hul være mere pålidelig for terminaler med høj strøm, da terminalens beskaffenhed gør det mindre sandsynligt, at den springer ud under reflow-lodningsprocessen. Da overflademonterede terminaler med høj strøm kræver større areal, er det vigtigt, at loddepasta påføres jævnt over hele loddepuden. Hvis den er ujævn, opvarmes puden ujævnt under loddetilbagestrømning, hvilket får den ene ende af terminalen til at stige, hvilket resulterer i gravstenning af den overflademonterede komponent.

Strømeffektive terminaler med høj strøm

For at imødegå de potentielle problemer med terminaler med høj strøm har Würth Elektronik udviklet REDCUBE-terminaler produktlinje, der understøtter høje strømme med fleksible produktionsmuligheder. Terminalerne har lav profil, hvilket giver mulighed for hurtigere varmeafledning til omgivelserne, samtidig med at der tillades mere luftstrøm til det umiddelbare område, hvilket forbedrer afkøling til den omgivende elektronik. REDCUBE-terminaler er designet til ekstrem lav modstand mod loddetilslutning og kan således levere op til 500 A med meget lidt strømtab eller varmeproduktion.

Linjen understøtter overflademontering, gennemløbshull og fremstillingsprocesser til printkort. Dette gør det muligt for en pc-systemdesigner til industrielle systemer at standardisere på terminaler fra en enkelt leverandør, gør dem nemme at identificere visuelt under forskellige fremstillingsprocesser og forenkle indkøb.

Overflademonterede terminaler med høj strøm

For kompatibilitet med overflademonteret enhed (SMD) pc-kortproduktion kan designere bruge Würths REDCUBE SMD industriel terminalfamilie. Disse terminaler understøtter fuldautomatisk montering af overflademontering, mens de understreger minimal varmeproduktion. Terminalerne understøtter op til 85 A til elektriske kort-til-kort-forbindelser.

Et eksempel på en enhed, den 7466003R, har en M3-gevind og er klassificeret til 50 A ved 20 °C (figur 1). Terminalen har et lille fodaftryk på 8,3 mm. Det cirkulære fodaftryk forbedrer produktionsudbyttet ved at reducere gravsten ved jævn vægtfordeling af terminalen og eliminere skarpe hjørner, der muligvis ikke modtager loddepasta. REDCUBE SMD 7466003R's er lavet af kraftig messing med en tinbelægning og er klassificeret til temperaturer fra -55 °C til +150 °C.

Figur 1: REDCUBE SMD 7466003R industriel terminal har et lille 8,3 mm fodaftryk og er klassificeret til sikkert at bære op til 50 A. Den leveres med en vedhæftet orange mylar-flige, der fjernes af automatiseret pick and place-udstyr inden overflademonteret pc-kort placering. (Billedkilde: Würth Elektronik)

For at give den bedste forbindelse, mens du reducerer varmen, anbefales det, at M3-tråden parres med en skrue og terminal, der også er belagt. Dette gør 7466003R kompatibel med de fleste strømterminaler og skruer. En orange mylar-fane beskytter den side, der skal loddes, mod forurenende stoffer og fingeraftryk inden montering. Dette hjælper med at sikre en god loddetilslutning på overfladen med minimal forbindelsesmodstand. Det anbefales også, at før terminalen parres med en tinbelagt skrue, skal M3-gevindet og terminaltoppen beskyttes mod forurenende stoffer, der kan påvirke parringsmodstanden for en indsat skrue og tap. Dette inkluderer at holde fingrene væk fra toppen af tråden.

PC-kortterminaler med gennemgående hul

Til industrielle applikationer, der kræver gennemgående komponenter, leverer Würth REDCUBE THR familie. Disse understøtter automatisk gennemløbsmontering af pc-kort. For eksempel 74651195R er en ni-pin gennemgående hulskrueterminal med en tin-belagt M5-gevind designet til at tage et kabelstik fastgjort med en møtrik (figur 2). Den har et driftstemperaturområde på -55 °C til +150 °C og er klassificeret til 85 A ved 20 °C.

Figur 2: REDCUBE THR 74651195R er klassificeret til 85 A ved 20 °C og har en M5 lige skrueterminal. De ni pc-tappestifter giver mekanisk stabilitet mod forskydnings- og rivekræfter. (Billedkilde: Würth Elektronik)

De ni ben på 74651195R er arrangeret i et 3 x 3 gitter, der er designet til optimal loddbarhed samt mekanisk stabilitet mod rive- og forskydningskræfter. 74651195R er tin-belagt over et solidt stykke messing, hvilket giver den en højere strømkapacitet og bedre momenttolerance sammenlignet med stemplede terminaler. Dette design gør 74651195R til et godt valg til industrielle applikationer med høj effekt, hvor det tilsluttede kabel kan trækkes fra enhver vinkel.

74651195R er lavprofil og har en samlet højde over printkortet på 10 mm med en skrue, der måler 7 mm i længden. Dette understøtter standard M5-kabelflig og låsemøtrikker med lille gevind, hvilket let tillader luftstrøm omkring terminalen for at forbedre køling.

Press-fit terminaler til meget høje strømme

Til strømforsyning og industrielle applikationer, der kræver meget høje strømme, udviklede Würth REDCUBE PRESS-FIT produktlinje, der er klassificeret op til 500 A. Disse terminaler bruger ikke reflow eller bølgelodning. I stedet presses terminalen mekanisk ind i loddepladehuller til pc-kort. Friktionen, der skabes ved at trykke terminalen ind i pc-kortets huller, skaber en koldsvejseforbindelse, der er gastæt med en kontaktmodstand på så lidt som 200 mikro ohm (µΩ).

Et løsningseksempel er 7461090 skrueterminal med en M8-gevind (Figur 3). Den er klassificeret til 350 A ved 20 °C og har en driftstemperatur på -55 °C til +150 °C. For at håndtere denne strøm har 7461090 20 trykpasningsstifter, der ikke kræver nogen varmelodningsmetoder. Press-fit-metoden bruger de samme pc-korthuller som komponenter gennem hullet, hvilket eliminerer problemer med loddeevne, såsom kold lodde samlinger. Derudover behøver de 20 trykpasstifter ikke strække sig forbi pc-kortet som lodde gennemgående huller og kan endda ende i pc-kortet uden loddehaler. Dette hjælper med at forhindre utilsigtet kortslutning til terminalen med høj strøm under pc-kortet og forbedrer dermed systemsikkerheden.

Figur 3: REDCUBE PRESS-FIT 7461090 industriel skrueterminal presses ind i pc-korthuller uden bølgemetoder eller lodningslodning. Dens unikke design giver meget lidt kontaktmodstand, så den kan klare op til 350 A. (Billedkilde: Würth Elektronik)

Profilen på M8-tinbelagt gevind er 13,5 mm. For maksimal strømforsyning med minimal kontaktmodstand skal der vælges en tinbelagt skrue, så den samlede skrue går gennem kabelfanen og bevæger den maksimale længde praktisk gennem REDCUBE-terminalen uden at komme i kontakt med pc-kortet. Dette giver det maksimale kontaktareal for hele skrueterminalens længde.

Før montering er det vigtigt at forhindre forurenende stoffer eller fingre i at komme i kontakt med tråden eller toppen af terminalen, da selv den mindste modstand fra forurenende stoffer kan generere en farlig mængde overskydende varme ved 350 A.

Stikterminaler til nem til- og frakobling

Nogle gange skal et industrielt system med høj effekt let omkonfigureres og forbindes igen mellem forskellige kilder. Til disse applikationer leverer Würth REDCUBE-STIK pressefast industriel terminalfamilie. Dette er en pressetilpasningsterminal, der giver bekvemmeligheden ved en skrueløs terminalforbindelse, der kan understøtte op til 120 A.

For eksempel REDCUBE-STIK 7464000 kan håndtere op til 120 A ved 20 °C med et driftstemperaturområde fra -45 °C til +125 °C (figur 4). Dette REDCUBE-STIK består af en tin-belagt beholder af kobberlegering indkapslet i et rødt glasfiberforstærket plasthus. For at indsætte et kompatibelt stik i en 6,2 mm diameter beholder, skal toppen af huset trykkes manuelt mod pc-kortet. Dette udsætter beholderen fuldt ud for nem indsættelse af en tinbelagt prop. Frigørelse af toppen af huset låser stikket på plads.

Figur 4: REDCUBE PLUG 7464000-stikkontakten er en presseterminal, der er klassificeret til 120 A ved 20 °C. Det giver mulighed for nem tilslutning og afbrydelse af stikkene med høj strøm, hvilket gør det passende til omkonfigurerbare strømløsninger. (Billedkilde: Würth Elektronik)

REDCUBE PLUG 7464000-stikkontakten er også en god løsning til områder med lav overheadplads, der ville gøre det vanskeligt at fastgøre en skrue eller møtrik. Den lyse røde farve gør stikket let identificerbart på et overfyldt pc-kort. Den har 12 tæt anbragte trykpasningsstifter arrangeret i et 3 x 4 gitter. 7464000 giver en maksimal kontaktmodstand på 1 mΩ, hvilket gør den passende til applikationer med meget høj strøm.

Konklusion

Efterhånden som design bliver mere integreret, skal designere af højeffektive systemer afbalancere effektiv strømforsyning med lavt tab og let at samle. Dette gør udvælgelsen af de relevante industrielle terminaler til højt strømkortkort særlig vigtig. Designere skal have en forståelse af bordsamlingsprocessen, mængden af strøm, som en terminal sikkert kan håndtere, og metoden til fastgørelse af pc-kort.

Som vist tillader terminaler i industriel kvalitet med fleksible monteringsmuligheder en designer at standardisere på en produktlinje, hvilket forenkler indkøb og interoperabilitet. Dette gør det muligt for industrielle systemer at levere strøm sikkert og samtidig øge produktionsudbyttet ved at minimere monteringsfejl, hvilket resulterer i hurtigere monteringstider og lavere omkostninger.