Hur högströmskontakter säkert kan mata ström, samtidigt som monteringstider och strömförluster minskas

Konstruktörer av industriella system utnyttjar i allt högre grad elektronisk styrning i sin strävan efter högre effektivitet. Elektroniska styrningar medför ett behov av allt mindre dimensioner för att spara utrymme och sänka kostnaderna. Men när dimensionerna krymper, möter konstruktörer andra utmaningar som rör högeffektkopplingar. Högeffektkretskort och effektledningar kräver tjocka, kraftiga anslutningar och kan därför inte krympa i samma takt som digital elektronik. Dessutom måste dessa högströmskopplingar passa in i kretskortstillverkningsprocessen, oavsett om de är yt- eller hålmonterade. Dessa problem måste lösas, samtidigt som budgetarna blir snävare och tiden till marknadslansering måste kortas ner.

För att uppfylla dessa krav måste utvecklare av högeffektiv elektronik ägna stor uppmärksamhet åt konstruktion och urval av kretskortskontakter för hög effekt och hur de monteras. Högströmskontakter kan också behöva längre monteringstid för att säkerställa en solid lödkoppling.

I denna artikel diskuterar vi problem i samband med högströmskontakter. Artikeln visar hur konstruktörer av kretskort för höga strömmar kan utnyttja specialiserade kretskortterminaler. Med lösningar från Würth Elektronik som exempel, visar den hur rätt kontakter säkert kan mata hög ström mellan system och hur de kan snabba upp automatisk montering, samtidigt som de har hög mekanisk stabilitet och mycket låg resistans i kopplingen.

Hur kontakter medför strömförluster

Konstruktörer av industriella system behöver ofta hantera matning och reglering av höga strömmar i storleksordningen hundratals ampere. Ofta finns högströmskontakterna som matar strömmen till systemet på samma kretskort som den digitala styrelektroniken. När styrkretsarna blir mer integrerade, minskar kretskortet i yta. Denna minskning ger tre problem för konstruktörer av effektelektronik.

Det första problemet är att ta hänsyn till extrema miljöer när det gäller temperatur, luftfuktighet och gaser på kretskortets elektronik. Om anslutningar inte är lufttäta kan gaser som härrör från industriella processer oxidera eller korrodera högströmsanslutningar, vilket resulterar i ineffektiva anslutningar som kan leda till strömförluster eller fel på utrustningen. Dessa problem kan vara svåra att diagnostisera och kan ibland inte upptäckas ens med den mest noggranna okulärbesiktning.

Det andra problemet handlar om verkningsgraden hos högströmsanslutningarna. När effektnivåerna stiger kan även den minsta ökningen av kontaktresistansen leda till en effektförlust med en märkbar värmeökning. Enligt Ohms lag kan en 25,0 A-kontakt med ett dåligt lödförband som har en resistans på endast 0,050 ohm (Ω) generera en förlust på (25,0² x 0,050) = 31,25 watt i skarven. Förutom förlusterna kan värmen som genereras minska livslängden för närliggande elektronik. I värsta fall kan värmen orsaka brännskador eller brand.

Det tredje problemet är att säkerställa att högströmskontakterna är kompatibla med tillverkningsmetoden som används för att montera kretskortet. För kretskortstillverkning med hög volym är ytmontering av alla komponenter att föredra. Jämfört med hålmontering kombinerar ytmonterad montering kortare monteringstider med lägre arbetskostnader samtidigt som kvaliteten behålls. Ytmonterade kretskortskontakter är dock begränsade när det gäller strömkapaciteten för en enskild kontakt. Hålmonterade kretskortskontakter kan bära betydligt mer ström än ytmonterade, samtidigt som de ger mycket hög mekanisk stabilitet. En monteringslinje för hålmonterade eller blandade kretskort kan emellertid kräva dubbelt så mycket golvyta, samt ytterligare arbete och monteringstider jämfört med ytmonterade kort, vilket gör detta till en dyrare monteringsmetod.

Oavsett monteringsprocessen, måste kvaliteten säkerställas, och för en monteringslinje innebär detta ett fokus på att minska felen. I detta avseende kan hålmontering vara mer tillförlitligt för högströmskontakter, eftersom kontaktens beskaffenhet gör det mindre troligt att den kommer att lossna under hetluftslödningen. Eftersom ytmonterade högströmskontakter tar större plats, är det viktigt att lödpastan appliceras jämnt över hela lödpadden. Om lodet är ojämnt, värms padden upp ojämnt under luftupphettningen, vilket får ena änden av kontakten att resa sig, vilket resulterar i att den ytmonterade komponenten hamnar på snedden.

Högströmskontakter med hög verkningsgrad

För att ta itu med potentiella problem med högströmskontakter, har Würth Elektronik utvecklat kontaktserien REDCUBE som stödjer höga strömmar med flexibla tillverkningsalternativ. Kontakterna har en låg bygghöjd, vilket möjliggör snabbare värmeavledning till omgivningen, samtidigt som de möjliggör mer luftflöde till närområdet, vilket förbättrar kylningen till den omgivande elektroniken. REDCUBE-kontakter är konstruerade för extremt låg resistans i lödförbandet och kan därför mata upp till 500 A med mycket lite strömförlust eller värmeproduktion.

Serien stödjer ytmontering, hålmontering och tillverkningsprocesser för kretskort med greppassning. Detta gör att en kretskortskonstruktör för industriella system kan använda kontakter från en enda leverantör som standard, vilket gör dem enkla att identifiera visuellt under olika tillverkningsprocesser och förenklar inköpen.

Ytmonterade högströmskontakter

För kompatibilitet med ytmonterad (SMD) kretskortstillverkning, kan konstruktörer använda Würths sortiment REDCUBE SMD med industriella kontakter. Dessa kontakter stödjer helautomatisk montering av ytmonteringen, samtidigt som de alstrar minimalt med värme. Kontakterna stödjer upp till 85 A för elektriska kort-till-kort-anslutningar.

Exempelvis har produkten 7466003R en M3-gänga och är klassad för 50 A vid 20 °C (figur 1). Kontakten har en ringa storlek om 8,3 mm. Det runda formatet förbättrar tillverkningskvaliteten genom att minska snedställningen genom jämn viktfördelning på kontakten och eliminera skarpa hörn som kanske inte täcks med lödpasta. Kroppen på REDCUBE SMD 7466003R är gjord av kraftig mässing med en tennplätering och är klassad för temperaturer från -55 °C till +150 °C.

Figur 1: Industrikontakten REDCUBE SMD 7466003R är bara 8,3 mm stor och är klassad för upp till 50 A. Dessa levereras med en bifogad orange mylarflik som avlägsnas av automatiserade pick and place-maskiner innan de ytmonteras på kortet. (Bildkälla: Würth Elektronik)

För att ge bästa möjliga anslutning, samtidigt som värmealstringen reduceras, rekommenderas att M3-gängan kopplas till en skruv och kontakt som också är tennpläterade. Detta gör 7466003R kompatibel med de flesta eluttag och skruvar. En orange mylarflik skyddar sidan som ska lödas mot föroreningar och fingeravtryck före monteringen. Detta bidrar till att säkerställa en bra ytmonterad lödfog med minimal kontaktresistans. Det rekommenderas också att innan kontakten ansluts till en tennpläterad skruv, M3-gängan och kontaktöverdelen skyddas mot eventuella föroreningar som kan påverka resistansen hos en isatt skruv och tunga. Detta inkluderar att hålla fingrarna borta från överdelens gänga.

Hålmonterade kretskortskontakter

För industriella tillämpningar som kräver hålmonterade komponenter, erbjuder Würth REDCUBE THR-familjen. Dessa stöder automatiserad montering med hålade kretskort och hetluftslödning. Exempelvis är 74651195R en 9-stifts hålmonterad skruvplint med en tennpläterad M5-gänga utformad för att fästa en kabeltunga som säkras med mutter (Figur 2). Den har ett driftstemperaturintervall på -55 till +150 °C och en klassnming på 85 A vid 20 °C.

Figur 2: REDCUBE THR 74651195R är klassad till 85 A vid 20 °C och har en rak M5-skruvplint. De nio kretskortstiften ger mekanisk stabilitet mot skjuv- och dragkrafter. (Bildkälla: Würth Elektronik)

De nio stiften på 74651195R är ordnade i ett 3x3-nät som är utformat för optimal lödbarhet samt mekanisk stabilitet mot drag- och skjuvkrafter. 74651195R är tennpläterad över en solid mässingsbit, vilket ger en högre strömförmåga och bättre momenttolerans jämfört med stansade kontakter. Denna konstruktion gör 74651195R till ett bra val för högeffektiva industritillämpningar där den anslutna kabeln kan dras i från alla möjliga håll.

74651195R har en låg profil och en totalhöjd över kretskortet på 10 mm med en skruv som är 7 mm i längd. Den stödjer standard M5-kabeltungor och låsmuttrar med få gängvarv, vilket gör att luftflödet runt plinten ökar vilket förbättrar kylningen.

Pressplintar för mycket höga strömmar

För energiförsörjning och industriella tillämpningar som kräver mycket höga strömmar, har Würth utvecklat produktsortimentet REDCUBE PRESS-FIT som är klassat för upp till 500 A. Dessa plintar använder inte hetluftslödning eller våglödning. Istället pressas plinten mekaniskt igenom lodpläterade kretskortshål. Friktionen som skapas genom att pressa plinten genom kretskortshålet skapar ett kallsvetsförband som är gastätt med en kontaktresistans på så lite som 200 mikro-ohm (µΩ).

Ett lösningsexempel är skruvplinten 7461090 med M8-gänga (figur 3). Den är klassad till 350 A vid 20 °C och har en arbetstemperatur på -55 till +150 °C. För att hantera denna ström har 7461090-plinten 20 presspassningsstift som inte kräver några värmelödningsmetoder. Pressmonteringsmetoden använder samma kretskortshål som hålmonterade komponenter, vilket eliminerar eventuella lödbarhetsproblem som kallödningar. Dessutom behöver de 20 pressmonterade stiften inte gå ut på andra sidan kretskortet, såsom lödda hålmonterade komponenter måste; stiften kan till och sluta mitt i kretskortet utan lödspikar. Detta bidrar till att förhindra oavsiktliga kortslutningar av högströmskontakten på kretskortets undersida, vilket förbättrar systemsäkerheten.

Figur 3: Den industriella skruvplinten REDCUBE PRESS-FIT 7461090 pressas ner i kretskortshål utan behov av våg- eller hetluftslödning. Dess unika konstruktion ger mycket låg kontaktresistans, vilket gör att den kan hantera upp till 350 A. (Bildkälla: Würth Elektronik)

Profilhöjden för den tennpläterade M8-gängan är 13,5 mm. För maximal strömtillförsel med minimal kontaktresistans bör en tennpläterad skruv väljas så att den monterade skruven går igenom kabeltungan och så långt möjligt genom REDCUBE-plinten utan att komma i kontakt med kretskortet. Detta ger maximal kontaktyta utmed hela skruvplintens längd.

Innan monteringen är det viktigt att förhindra att föroreningar eller fingrar kommer i kontakt med gängan eller överdelen av plinten, eftersom även den minsta resistans från föroreningar kan generera en farlig mängd överskottsvärme vid 350 A.

Stickdonskontakter för enkel anslutning och frånkoppling

Ibland måste ett industriellt högeffektsystem enkelt kunna omkonfigureras och återanslutas till olika källor. För sådana situationer erbjuer Würth serien REDCUBE PLUG med pressmonterade industriplintar. Detta är en pressmonterad plint som erbjuder bekvämligheten med skruvlösa plintanslutningar och som klarar upp till 120 A.

Exempelvis klarar REDCUBE PLUG 7464000 upp till 120 A vid 20 °C med ett driftstemperaturintervall på -45 till + 125 °C (figur 4). Denna REDCUBE PLUG består av en tennpläterad kopparlegerad plint innesluten i ett rött glasfiberförstärkt plasthölje. För att sätta i ett kompatibelt stickdon i uttaget på 6,2 mm, måste höljets ovandel tryckas ned manuellt mot kretskortet. Detta öppnar upp plinten för enkel insättning av ett tennpläterat stickdon. Genom att släppa upp ovandelen av höljet låses stickdonet på plats.

Figur 4: REDCUBE PLUG 7464000-plinten är en pressmonterad plint för upp till 120 A vid 20 °C. Det möjliggör enkel anslutning och frånkoppling av högströmskontakter, vilket gör det lämpligt för omkonfigurerbara effektlösningar. (Bildkälla: Würth Elektronik)

REDCUBE PLUG 7464000-plinten är också en praktisk lösning för trånga utrymmen där det är svårt att fästa en skruv eller mutter. Den ljusröda färgen gör att plinten lätt kan identifieras på ett belamrat kretskort. Den har 12 tätplacerade pressmonterade stift som är ordnade i ett rutnät om 3 x 4. 7464000 ger ett maximalt kontaktmotstånd på 1 mΩ, vilket gör det lämpligt för tillämpningar med mycket hög ström.

Slutsats

När konstruktioner blir mer integrerade, måste konstruktörer av högeffektsystem balansera förlustsnål strömmatning med enkel montering. Detta gör valet av lämpliga industriella kretskortskontakter för hög ström särskilt avgörande. Konstruktörerna måste ha en förståelse för kretskortets monteringsprocess, strömstyrkan som en kontakt säkert kan klara av och metoden för fixering på kretskortet.

Som visats gör plintar av industrikvalitet med flexibla monteringsalternativ det möjligt för en konstruktör att välja en produktserie som standard, vilket förenklar inköp och interoperabilitet. Detta låter industrisystem leverera effekt på ett säkert sätt och samtidigt öka effektiviteten i tillverkningen genom att minimera monteringsfelen, vilket resulterar i kortare monteringstider och lägre kostnader.