Biztonságos áramellátás nagyáramú csatlakozókkal, a szerelési idők és az energiaveszteség lecsökkenésével

Az ipari rendszerek tervezői a hatékonyságra törekedve egyre inkább kihasználják az elektronikus vezérlés előnyeit. Az elektronikus vezérléssel együtt jár az egyre kisebb méretek iránti igény, a helytakarékosság és a költségek csökkentés érdekében. A méretek zsugorodásával azonban a tervezők egyre nagyobb kihívásokkal néznek szembe, amikor erősáramú csatlakozások létrehozására van szükség. A nagyáramú NyÁK-csatlakozók és tápvezetékek esetében vastag, erős igénybevételre tervezett csatlakozókra van szükség, ezért azok zsugorítása nem valósítható meg olyan ütemben, mint a digitális elektronikáé. Ezen túlmenően, ezeknek a nagyáramú csatlakozási pontoknak egyszerűen szerelhetőknek kell lenniük a nyomtatott áramköri lapok gyártásakor, függetlenül attól, hogy felületszerelt vagy furatszerelt technológiáról van-e szó. Ezeket a problémákat meg kell oldani, de közben ügyelni kell a szűkülő költségvetésre és a minél rövidebb piacra kerülési időkre is.

E követelmények teljesítése érdekében a nagyáramú elektronika fejlesztőinek körültekintően át kell gondolniuk, hogy terveikben milyen kialakítású nagyáramú NyÁK-csatlakozókat alkalmazzanak, és oda kell figyelniük arra is, hogy azok milyen módon szerelhetők. Nagyáramú csatlakozók alkalmazásakor további szerelési időkre lehet szükség a szilárd forrasztási kapcsolat garantálása érdekében.

Ez a cikk a nagyáramú csatlakozókkal kapcsolatos problémákat tárgyalja röviden. Megmutatja, hogy a nagyáramú nyomtatott áramköri lapok tervezőinek hogyan származhat előnyük a speciális, nagyáramú NyÁK-csatlakozók használatával. A Würth Elektronik megoldásain keresztül bemutatja, hogy megfelelő csatlakozókkal nagy áramerősségek vihetők át különböző rendszerek között, és hogy azok hogyan an gyorsíthatják fel az automatizált összeszerelést, miközben igen nagy mechanikai stabilitást és nagyon alacsony csatlakozási ellenállást biztosítanak.

Csatlakozások miatt keletkező energiaveszteségek

Az ipari rendszerek tervezőinek gyakran többszáz amperes nagyságrendű áramok vezetését és szabályozását kell megoldaniuk. Gyakran előfordul, hogy a rendszer tápellátását biztosító nagyáramú csatlakozók ugyanazon a nyomtatott áramköri lapon vannak, mint a digitális vezérlőelektronika. A vezérlést végző félvezetők egyre integráltabbá válásával úgy csökkennek a nyomtatott áramköri lapok méretei és a rendelkezésre álló terület is. A méretek ilyen zsugorodása három problémát vet fel a nagyáramú elektronika tervezői számára.

Az első probléma az, hogy a külső környezeti jellemzők, vagyis a hőmérséklet, páratartalom és gáztelítettség szélsőséges értékei hogyan befolyásolják a nyomtatott áramköri lapon lévő elektronikát. Ha a csatlakozások nem légmentesen záródnak, az ipari folyamatokban keletkező gázok oxidálhatják vagy korrodálhatják a nagyáramú csatlakozókat, minőségromlást okozva a csatlakozási pontoknál, ami energiaveszteségekhez vagy a berendezések meghibásodásához vezethet. Ezeknek a problémáknak a diagnosztizálása igen nehéz lehet, és néha még a leggondosabb vizuális ellenőrzéssel sem észrevehetők.

A második probléma a nagyáramú csatlakozások hatékonyságával kapcsolatos. Az áramerősségek emelkedésével az átmeneti ellenállás legkisebb növekedése is teljesítménycsökkenést eredményezhet, ami azonnali érezhető hőemelkedéssel jár. Ohm törvénye szerint egy mindössze 0,050 Ω ellenállású rossz forrasztási kötéssel illesztett 25,0 A-es csatlakozó 25,0² x 0,050 = 31,25 W veszteséget eredményezhet a kötésen. A veszteségek mellett, a keletkező hő rövidítheti a közelben lévő elektronikai alkatrészek élettartamát, míg a legrosszabb esetben károsodást vagy tüzet okozhat.

A harmadik probléma annak biztosítása, hogy a nagyáramú csatlakozók kompatibilisek legyenek a nyomtatott áramköri lap elemeinek összeszerelésekor használt gyártási módszerrel. A nagy volumenű nyomtatott áramköri lapok gyártása esetén minden esetben a felületszerelt alkatrészeket részesítik előnyben. A furatszereléses technológiával összehasonlítva a felületszerelt gyártástechnológia következetes minőséget biztosít csökkentett szerelési idő és alacsonyabb munkaerőköltség mellett. A felületszerelt NyÁK-csatlakozókat azonban korlátozza a csatlakozók egyes lábainak áramátviteli képessége. A furatszerelt reflow technológiás nyomtatott áramköri lapok csatlakozói az áramátviteli képességeket illetően messze lekörözik a felületszereltekét, miközben nagyon nagy mechanikai stabilitást biztosítanak. A furatszerelt vagy vegyes technológiás NyÁK-szerelő gyártósorok azonban kétszer nagyobb alapterületet, valamint a felületszereléshez képest többlet munka- és összeszerelési időt igényelnek, így kettejük között ez a drágább összeszerelési módszer.

Az összeszerelési folyamattól függetlenül a minőséget fenn kell tartani, és ez egy összeszerelősor esetében azt jelenti, hogy a hibák csökkentésére kell összpontosítani. Ebben a tekintetben a furatszereléses technológia megbízhatóbb lehet a nagyáramú csatlakozók esetében, mivel a csatlakozó kialakítása miatt kevésbé valószínű, hogy az az újraömlesztő (reflow) forrasztáskor kiugrana a helyéből. Mivel a felületszerelt nagyáramú csatlakozók alkatrészlenyomata nagyobb, kritikus fontosságú, hogy a forraszpaszta a teljes kontaktusfelületre (padre) egyenletesen kerüljön fel. Ha ez egyenetlen, akkor a kontaktusfelület a reflow forrasztás során nem egyformán melegszik fel, ami miatt a csatlakozó egyik végé megemelkedik, alkatrészfelálláshoz vezetve (tombstoning) a felületszerelt alkatrész esetében.

Energiahatékony nagyáramú csatlakozók

A nagyáramú csatlakozókkal kapcsolatos potenciális problémák megoldására a Würth Elektronik kifejlesztette a REDCUBE csatlakozók termékcsaládját, amely nagy áramerősségeket és egyben rugalmas gyártási lehetőségeket biztosít. A csatlakozók alacsony profilúak, aminek köszönhetően a környezet felé történő hőleadás gyorsabb, miközben a közvetlen közeli terület légáramlása is jobban biztosított, elősegítve a környező elektronika hűtését. A REDCUBE csatlakozókat rendkívül alacsony átmeneti ellenállással tervezték, így akár 500 A áramot is képesek átvinni nagyon kis energiaveszteséggel vagy hőtermeléssel.

A termékcsalád kompatibilis a felületszerelt, furatszerelt reflow és a bepréseléses (press-fit) technológiás nyomtatott áramköri lapok gyártási folyamataival. Ez lehetővé teszi az ipari rendszerekben használt NyÁK-lapok tervezői számára, hogy egyetlen beszállítótól származó csatlakozókat szabványosítsanak, vizuálisan könnyen azonosíthatóvá teszi őket a különböző gyártási folyamatok során, és egyszerűsíti a beszerzést.

Felületszerelt nagyáramú csatlakozók

A felületszereléses (SMD) technológiával gyártott nyomtatott áramköri lapokkal való kompatibilitás érdekében a tervezők használhatják a Würth REDCUBE SMD ipari csatlakozóit. Ezek a csatlakozók esetében az automatizált felületszerelési eljárások teljes mértékben alkalmazhatók, miközben a minimális hőtermelésre van helyezve nagy hangsúly. A csatlakozók akár 85 A-t is képesek átvinni az elektromos panel-panel csatlakozásoknál.

A 7466003R jelölésű alkatrész például M3-as menettel rendelkezik, és névleges áramátviteli képessége 20°C-on 50 A (1. ábra). A csatlakozó kisméretű, csupán 8,3 mm átmérőjű kontaktusfelülettel rendelkezik. A kör alakú kontaktusfelület javítja a gyártási kapacitást, mivel a csatlakozó súlyeloszlása egyenletes, és mivel nem rendelkezik éles sarkokkal, amelyekre esetleg nem kerül forrasztópaszta, a tombstoning előfordulása csökken. A REDCUBE SMD 7466003R háza ipari minősítésű ónozott sárgarézből készül, és -55°C és +150°C közötti hőmérsékleten való használatra alkalmas.

1. ábra: A REDCUBE SMD 7466003R ipari csatlakozója kisméretű, 8,3 mm átmérőjű kontaktusfelülettel rendelkezik, és 50 A-ig biztonságos áramátvitelre alkalmas. Leszállításkor az alkatrészeken egy narancssárga, mylar fóliából készült fül található, amelyet a nyomtatott áramköri lapok felületszereléses technológiával történő gyártásakor az automatizált felszedő- és elhelyező berendezés eltávolít. (Kép: Würth Elektronik)

A legjobb csatlakozás érdekében és a hőtermelődés csökkentéséhez az M3-as menetet ajánlott egy szintén ónozott csavarral és csatlakozóval párosítani. Ezáltal a 7466003R a legtöbb tápcsatlakozóval és csavarral kompatibilis. Szerelés előtt a narancssárga mylar fülecske védi a forrasztandó oldalt a szennyeződésektől és ujjlenyomatoktól. Ez segít biztosítani a jó felületi forrasztási kapcsolatot minimális átviteli ellenállással. Mielőtt a csatlakozót egy ónozott csavarral párosítanák, javasolt továbbá az M3-as menetet és a csatlakozó tetejét védeni minden olyan szennyeződéstől, amely befolyásolhatja a csavar becsavarását vagy egy szemes érintkező ráhelyezését követően a két elem közötti érintkezési ellenállást. Ez magába foglalja azt is, hogy az ujjakat távol kell tartani a csavarmenettől.

Furatszerelt NyÁK-csatlakozók

Azokhoz olyan ipari alkalmazásokhoz, amelyekhez furatszerelt alkatrészek szükségesek, a Würth a REDCUBE THR családot kínálja. Ezek automatizált furatszerelt reflow forrasztásos NyÁK-lap szerelésre alkalmasak. A 74651195R például egy kilenc lábú, furatszerelt, egyenes, ónozott, M5-ös menettel rendelkező csavaros csatlakozó, amelyet arra terveztek, hogy egy szemes érintkezőt rögzítsenek hozzá anyával (2. ábra). Üzemi hőmérséklettartománya -55°C és +150°C között van, és 20°C-on 85 A névleges teljesítményű.

2. ábra: A REDCUBE THR 74651195R 20°C-on névlegesen 85 A átvitelére képes, és M5-ös egyenes csavaros csatlakozóval rendelkezik. NyÁK-ba ültethető kilenc lába mechanikai stabilitást biztosít a hajlító- és szakítóerőkkel szemben. (Kép: Würth Elektronik)

A 74651195R kilenc lába egy 3 x 3-as rácsot alkot, amelyet az optimális forraszthatóság, valamint a hajlító- és szakítóerőkkel szembeni legjobb mechanikai stabilitásra terveztek. A 74651195R ónbevonatú tömör sárgarézből készül, ami nagyobb áramátviteli képességet és jobb nyomatéktűrést biztosít a préselt csatlakozókhoz képest. Ennek a kialakításnak köszönhetően a 74651195R-t jó választás nagyáramú ipari alkalmazásokhoz, ahol egy csatlakoztatott kábelt bármilyen szögből érhetik húzási erők.

A 74651195R alacsony profilú, 10 mm-re emelkedik ki a nyomtatott áramköri lap síkjából, 7 mm-es menethosszal. Ez kompatibilis a szabványos M5-ös méretű szemes érintkezőkkel és a rövid menethosszú záróanyákkal, és könnyen lehetővé teszi a légáramlást a csatlakozó körüli hűtés elősegítése érdekében.

Bepréselhető csatlakozók nagyon nagy áramokhoz

A Würth a nagyon nagy áramú tápegységekhez és ipari rendszerekhez fejlesztette ki a REDCUBE PRESS-FIT termékcsaládot, amelynek tagjainál a névleges áramerősség akár 500 A is lehet. Ezeknek a csatlakozóknak a szerelése nem igényel reflow vagy hullámforrasztást, ehelyett azokat mechanikusan nyomják be a forraszanyaggal bevont NyÁK-furatokba. A csatlakozó lábainak a furatokba való benyomásakor létrejövő súrlódás egy gázzáró, mindössze 200 µΩ csatlakozási ellenállású hideghegesztett kötést hoz létre.

Példa egy ilyen megoldásra a 7461090 jelű, M8-as menettel rendelkező csavaros csatlakozó (3. ábra). Névleges teljesítménye 20°C-on 350 A, üzemi hőmérséklete pedig -55°C és +150°C között van. Ilyen erősségű áramok kezeléséhez a 7461090 20 bepréselhető lábakkal rendelkezik, amelyek rögzítéséhez hőtechnikás forrasztásra nincs szükség. A bepréseléses módszernél a lábak ugyanazokba a NyÁK-furatokba kerülnek, mint a furatszerelt alkatrészeké, így kiküszöböli a forraszthatósággal kapcsolatos problémákat, például a hideg forrasztási kötéseket. Ezenkívül a 20 bepréselt láb nem nyúlik ki a nyomtatott áramköri lapból, mint ahogy az a furatszerelt elemekre jellemző, és akár a NyÁK belsejében is végződhetnek forrasztási csíkok nélkül. Ez segít megelőzni a nyomtatott áramköri lapra szerelt nagyáramú csatlakozó aljával való érintkezés miatti véletlen rövidzárlatokat, ezáltal javítva a rendszer biztonságát.

3. ábra: A REDCUBE PRESS-FIT 7461090 ipari csavaros csatlakozókat hullám- vagy reflow forrasztási módszerek nélkül préselik be a NyÁK-furatokba. Egyedülálló kialakításának köszönhetően csatlakozási ellenállása nagyon kicsi, így akár 350 A átvezetésére is képes. (Kép: Würth Elektronik)

Az M8-as ónozott menet hossza 13,5 mm. A minimális érintkezési ellenállással történő maximális áramleadás érdekében a párosításra használt ónozott csavart úgy kell kiválasztani, hogy a becsavart csavar áthaladjon a szemes érintkezőn lévő lyukon, majd gyakorlati szempontból maximális hosszúságban a REDCUBE csatlakozón keresztül úgy, hogy ne érintse meg a nyomtatott áramköri lapot. Ezzel a maximális érintkezési felület a csavaros csatlakozó teljes hosszán keresztül biztosított.

Összeszerelés előtt fontos megakadályozni azt, hogy a menetre vagy a csatlakozó felső részére szennyeződés kerüljön, vagy hogy ezekkel ujjak érintkezzenek, mivel 350 A-nál a szennyeződések által okozott legkisebb ellenállás is veszélyes mennyiségű felesleges hőt generálhat.

Dugaszolható csatlakozók a könnyű csatlakoztatáshoz és leválasztáshoz

Néha szükség van arra, hogy egy nagyáramú ipari rendszer könnyen átkonfigurálható legyen a kapcsolatoknak a különböző áramforrások közötti átrendezése céljából. A Würth ezekhez az alkalmazásokhoz kínálja REDCUBE PLUG néven a bepréselhető ipari csatlakozóaljzat-családját. Ez egy bepréselhető csatlakozó, amely csavarkötés nélküli kényelmes használatot biztosít akár 120 A-ig.

A REDCUBE PLUG 7464000 például 20°C-on akár 120 A-t is képes átvezetni, -45°C és +125°C közötti üzemi hőmérséklet-tartományban (4. ábra). Ez a REDCUBE PLUG egy piros színű üvegszálerősítésű műanyag házba helyezett ónozott rézötvözetből készült foglalatból áll. A 6,2 mm átmérőjű csatlakozóval kompatibilis dugó beillesztéséhez meg kell nyomni kézzel a ház tetejét a NyÁK irányába. Ezzel a csatlakozóaljzat teljesen szabaddá válik, és egy ónbevonatú dugó könnyen behelyezhető. A ház tetejének elengedésével a dugó rögzül a helyén.

4. ábra: A REDCUBE PLUG 7464000 dugaszolóaljzat egy bepréselhető csatlakozó, amely 20°C-on névlegesen 120 A-rel terhelhető. Segítségével nagyáramú csatlakozó dugók csatlakoztathatók és választhatók le könnyen, így alkalmas az újrakonfigurálható tápellátási megoldásokhoz. (Kép: Würth Elektronik)

A REDCUBE PLUG 7464000 dugaszolóaljzat szintén jó megoldás felső irányban helyszűkös esetekben, amikor csavarok vagy anyák nehezen helyezhetők fel illetve rögzíthetők. Élénkpiros színének köszönhetően a dugalj könnyen felismerhető egy zsúfolt nyomtatott áramköri lapon. 12 darab, szorosan egymás mellé helyezett, 3 x 4-es rácsot alkotó bepréselhető lábbal rendelkezik. A 7464000 maximális csatlakozási ellenállása 1 mΩ, így használható a nagyon nagy áramerősségű alkalmazásokhoz.

Összegzés

A kialakítások egyre integráltabbá válásával a nagyáramú rendszerek tervezőinek egyensúlyt kell teremteniük a nagy hatásfokú, alacsony veszteségű áramátvitel és a könnyű összeszerelhetőség között. Ez különösen fontossá teszi a megfelelő, nagyáramú, iprai NyÁK-csatlakozók átgondolt kiválasztását. A tervezőknek ismerniük kell az áramköri lapok gyártási folyamatát, a csatlakozó által biztonságosan vezethető áramerősséget és a nyomtatott áramköri lap rögzítési módját.

Amint bemutattuk, a rugalmas összeszerelési lehetőségeket kínáló ipari minőségű csatlakozók lehetővé teszik a tervezők számára, hogy egyetlen termékcsaládot szabványosítsanak, egyszerűsítve a beszerzést és az interoperabilitást. Az ipari rendszerek így biztonságosan tudják szolgáltatni az energiát, miközben a gyártási hibák minimalizálásával gyorsul a szerelési idő és csökkennek a költségek, vagyis növekszik a gyártási kapacitás.