Miten suurvirtaliittimet voivat turvallisesti syöttää virtaa ja samalla lyhentää kokoonpanoaikaa ja vähentää tehohäviöitä

Teollisten järjestelmien suunnittelijat hyödyntävät yhä enemmän elektronista ohjausta pyrkiessään parantamaan hyötysuhdetta. Elektronisen ohjauksen mukana tulee tarve tehdä järjestelmistä yhä pienempiä tilan säästämiseksi ja kustannusten laskemiseksi. Koon pienetessä suunnittelijat kuitenkin kohtaavat suurvirtaliittimien kanssa kasvavia haasteita. Suurvirtapiirilevyliittimet ja virtajohdot vaativat paksuja ja tukevia liitäntöjä eikä niitä voi kutistaa samalla tavalla kuin digitaalielektroniikkaa. Lisäksi näiden suurvirtaliitospisteiden on sovittava piirilevyjen valmistusprosesseihin, joko pintaliitosasennukseen tai läpiasennukseen. Nämä haasteet on voitettava samalla kun budjetti kiristyy ja markkinoilletuontiaika lyhenee.

Täyttääkseen nämä vaatimukset tehoelektroniikkasuunnittelijoiden on kiinnitettävä tarkkaa huomiota piirilevyn suurteholiittimien malliin, valintaan ja kokoonpanoon. Suurvirtaliittimet saattavat myös vaatia kokoonpanolta enemmän aikaa tukevan juotosliitoksen varmistamiseksi.

Tässä artikkelissa tarkastellaan lyhyesti suurteholiittimiin liittyviä ongelmia. Artikkelissa osoitetaan miten suurtehopiirilevyjen suunnittelijat voivat hyötyä erityisesti suurvirtapiirilevyihin tarkoitetuista liittimistä. Artikkelissa käytetään esimerkkinä Würth Elektronik -yrityksen ratkaisuita ja siinä osoitetaan miten sopivat liittimet voivat luotettavasti siirtää suuria sähkövirtoja järjestelmien kesken ja miten ne voivat nopeuttaa automaattista kokoonpanoa sekä tarjota korkea mekaaninen stabiilius ja erittäin alhainen liitosresistanssi.

Miten liittimet aiheuttavat tehohäviöitä

Teollisten järjestelmien suunnittelijoiden on usein käytettävä ja ohjattava satojen ampeerien suuruisia virtoja. Usein suurvirtaliittimet, joiden kautta järjestelmän virta kulkee, sijaitsevat samalla piirilevyllä kuin digitaalinen ohjauselektroniikka. Ohjauksen puolijohteiden integraatiotaso kasvaa ja piirilevyjen pinta-ala vähenee. Tämä pienenevä koko synnyttää suurtehoelektroniikan suunnittelijoille kolme ongelmaa.

Ensimmäinen ongelma on ottaa huomioon ympäristön ääritilanteet: piirilevyn elektroniikan lämpötila, kosteus sekä kaasut. Jos liitokset eivät ole ilmatiiviitä, teollisuusprosessien kaasut saattavat hapettaa tai syövyttää suurvirtaliitoksia, mikä johtaa heikkotehoisiin liitoksiin ja saattaa aiheuttaa sähkökatkoja ja laitteiden toimintahäiriöitä. Näitä ongelmia voi olla vaikea diagnosoida ja joskus niitä ei voi havaita edes huolellisimmallakaan visuaalisella tarkastuksella.

Toinen ongelma on suurteholiitoksien hyötysuhteen käsittely. Tehotason kasvaessa pienikin kasvu liitoksen resistanssissa voi synnyttää tehohäviön ja nostaa lämpötilaa huomattavasti. Ohmin lain mukaan 25,0 ampeerin (A) liitin huonolla juotoksella, jonka resistanssi on vain 0,050 ohmia (Ω), voi synnyttää (25,0² x 0,050) = 31,25 watin häviön liitoksessa. Häviöiden lisäksi synnytetty kuumuus voi lyhentää lähellä olevan elektroniikan elinaikaa. Pahimmillaan kuumuus saattaa aiheuttaa palovammoja ja tulipalon.

Kolmas ongelma on varmistaa, että suurvirtaliittimet sopivat yhteen piirilevyn kokoonpanossa käytettävän valmistusprosessin kanssa. Volyymiltään korkeiden piirilevyjen valmistuksessa kaikkien komponenttien halutaan olevan pintaliitosmallisia. Läpiasennettaviin komponentteihin verrattuna pintaliitosasennus yhdistää nopeamman kokoonpanon alhaisempiin työvoimakustannuksiin laadun pysyessä samana. Pintaliitosmallisilla piirilevyliittimillä ei kuitenkaan ole yhtä korkeaa virtakapasiteettia yksittäistä liitintä kohden. Sulatusjuotettavat läpiasennettavat piirilevyliittimet voivat helposti siirtää enemmän virtaa kuin pintaliitosmalliset ja ne tarjoavat erittäin hyvän mekaanisen stabiiliuden. Läpiasennettavan tai yhdistelmätekniikkaa käyttävän piirilevyn kokoonpanolinja voi kuitenkin vaatia kaksi kertaa enemmän tilaa, samoin lisätyövoimaa. Myös niiden kokoonpano vaatii enemmän aikaa pintaliitostekniikkaan verrattuna. Näiden syiden takia tämä on kalliimpi kokoonpanomenetelmä.

Laatu on säilytettävä kokoonpanoprosessista riippumatta ja kokoonpanolinjalla tämä tarkoittaa keskittymistä virheiden vähentämiseen. Tässä suhteessa läpiasennus voi olla luotettavampi suurvirtaliittimien suhteen, koska liitin ei mallinsa ansiosta todennäköisesti irtoa paikaltaan sulatusjuotosprosessin aikana. Koska pintaliitostekniikkaa käyttävät suurvirtaliittimet vaativat suuremman juotospinnan, on tärkeää, että juotospasta on levitetty tasaisesti koko juotospinnalle. Jos se on levitetty epätasaisesti, juotospinta kuumenee sulatusjuotoksessa epätasaisesti ja liittimen toinen puoli nousee, jolloin pintaliitoskomponentti voi nousta pystyyn.

Tehokkaat suurvirtaliittimet

Würth Elektronik on kehittänyt suurvirtaliittimien potentiaalisten ongelmien ratkaisemiseksi REDCUBE-liittimien tuotelinjan, joka tukee korkeita virtamääriä ja tarjoaa joustavat valmistusvaihtoehdot. Liittimet käyttävät matalaa profiilia, mikä mahdollistaa lämmön nopean dissipaation ympäröivään ilmaan ja parantaa ilmankiertoa liittimen välittömässä läheisyydessä, mikä tehostaa ympärillä olevan elektroniikan jäähdytystä. REDCUBE-liittimet on suunniteltu tarjoamaan erittäin alhainen juotosliitosresistanssi ja tämän ansiosta ne voivat syöttää jopa 500 A erittäin alhaisella tehohäviöllä ja lämmöntuotolla.

Linja tukee pintaliitostekniikkaa, juotossulatettavaa läpiasennustekniikkaa sekä painettavaa piirilevyn valmistusprosessia. Tämän ansiosta teollisuusjärjestelmien piirilevysuunnittelija voi standardisoida kaikki liittimet samalta toimittajalta, jolloin ne on helppo tunnistaa visuaalisesti eri valmistusprosessien aikana. Tämä myös yksinkertaistaa hankintaprosessia.

Pintaliitostekniikkaa käyttävät suurvirtaliittimet

Jos piirilevyn valmistuksessa halutaan käyttää SMD-pintaliitostekniikkaa, suunnittelijat voivat käyttää Würthin REDCUBE SMD -teollisuusliitinperhettä. Nämä terminaalit tukevat täysin automatisoitua pintaliitoskokoonpanoa ja niiden lämmöntuotanto on minimaalinen. Liittimet tukevat jopa 85 A:n virtaa sähköliitoksissa levystä-levyyn.

Esimerkkilaitteena toimii 7466003R, joka käyttää M3-kierrettä ja jonka on virtaluokitus on 50 A lämpötilassa 20 °C (kuva 1). Liittimen juotospinta on halkaisijaltaan vain 8,3 millimetriä (mm). Liittimen juotospinta parantaa valmistuksen saantoa vähentämällä pystyyn nousemista siten, että liittimen paino on tasaisesti jakautunut eikä siinä ole teräviä kulmia, jotka saattaisivat jäädä ilman juotospastaa. REDCUBE SMD 7466003R -liittimen runko on valmistettu kestävästä messingistä ja siinä on tinapinnoite. Liitin on luokitettu lämpötiloihin -55 °C ... +150 °C.

Kuva 1: REDCUBE SMD 7466003R -teollisuusliittimen juotospinta on vain 8,3 mm ja sen virtaluokitus on 50 A. Kun se toimitetaan, siinä on oranssi mylar-lappu, jonka automaattinen ladontakone poistaa ennen kuin se asetetaan piirilevylle. (Kuvan lähde: Würth Elektronik)

Jotta liitos olisi mahdollisimman hyvä ja synnyttäisi mahdollisimman vähän lämpöä, on suositeltavaa, että myös käytettävät M3-kierteinen ruuvi ja liitin ovat tinapinnoitettuja. Tämän ansiosta 7466003R on yhteensopiva useimpien teholiittimien ja ruuvien kanssa. Oranssi mylar-lappu suojaa juotettavaa sivua epäpuhtauksilta ja sormenjäljiltä ennen kokoonpanoa. Tämä parantaa pintaliitosjuotosta ja vähentää liitoksen resistanssia. On myös suositeltavaa, että ennen kuin liitin yhdistetään tinapinnoitettuun ruuviin, M3-kierre ja liittimen yläpuoli suojataan kaikilta epäpuhtauksilta, jotka saattaisivat vaikuttaa asennetun ruuvin ja liitoskohdan liitosresistanssiin. Tämä tarkoittaa myös ettei kierteen yläosaan kosketa sormilla.

Läpiasennettavat piirilevyliittimet

Läpiasennettavia komponentteja vaativiin teollisuussovelluksiin Würth tarjoaa REDCUBE THR -perheen. Nämä tukevat piirilevyn automatisoitua ja sulatusjuotosta käyttävää läpiasennettavaa kokoonpanoa. Esimerkiksi 74651195R on yhdeksänjalkainen läpiasennettava suora ruuviliitin tinapinnoitetulla M5-kierteellä ja se on tarkoitettu yhdistettäväksi kaapelin liitoskohtaan ruuvikiinnityksellä (kuva 2). Liittimen käyttölämpötila-alue on -55 °C ... +150 °C ja sen virtaluokitus on 85 A lämpötilassa 20 °C.

Kuva 2: REDCUBE THR 74651195R -liittimen virtaluokitus on 85  A lämpötilassa 20 °C ja se käyttää suoraa M5-ruuviliitintä. Yhdeksän piirilevyjalkaa tarjoavat mekaanisen stabiiliuden pinnansuuntaisia ja pinnasta irrottavia voimia vastaan. (Kuvan lähde: Würth Elektronik)

74651195R-liittimen yhdeksän jalkaa ovat muodoltaan 3 x 3 -ruudukossa, joka tarjoaa optimaalisen juotettavuuden samoin kuin mekaanisen stabiiliuden pinnansuuntaisia ja pinnasta irrottavia voimia vastaan. 74651195R on valmistettu yhdestä messinkikappaleesta ja se käyttää tinapinnoitetta. Tämä antaa sille korkeamman virtakapasiteetin ja paremman vääntökestävyyden puristettuihin liittimiin verrattuna. Tämän mallin ansiosta 74651195R on hyvä valinta korkeatehoisiin teollisuussovelluksiin, joissa kytkettyä kaapelia voidaan vetää mistä tahansa suunnasta.

74651195R on matalaprofiilinen ja sen kokonaiskorkeus piirilevyn yläpuolella on 10 mm, josta kierteen pituus on 7 mm. Tämä tukee tavallisia M5-kaapeliliitoskohtia ja lukkomuttereita lyhyellä kierteellä. Tämä parantaa ilmankiertoa liittimen ympärillä ja parantaa jäähdytystä.

Painettavat liittimet erittäin suurille virroille

Würth on kehittänyt erittäin korkeita virtoja vaativia virtalähdesovelluksia ja teollisuusjärjestelmäsovelluksia varten REDCUBE PRESS-FIT -tuotelinjan, jonka virtaluokitus on jopa 500 A. Nämä liittimet eivät käytä sulatusjuotosta eikä aaltojuotosta. Sen sijaan liitin painetaan mekaanisesti juotinpinnoitettuihin reikiin piirilevyssä. Kitka, joka syntyy kun liitin painetaan piirilevyn reikiin, muodostaa kylmähitsausliitoksen, joka on kaasutiivis ja jonka kontaktiresistanssi on jopa vain 200 mikro-ohmia (µΩ).

Ratkaisuesimerkkinä toimii 7461090-ruuviliitin M8-kierteellä (kuva 3). Sen virtaluokitus on 350 A lämpötilassa 20 °C ja sen käyttölämpötila on -55 °C ... +150 °C. Näin suuren virran käsittelemiseksi 7461090 tarjoaa 20 puristussovitejalkaa, jotka eivät vaadi mitään kuumajuotosmenetelmää. Puristussovitemenetelmä käyttää samoja piirilevyreikiä kuin läpiasennettavat komponentit, mikä eliminoi kaikki juotettavuusongelmat kuten kylmäjuotokset. Lisäksi 20 puristussovitejalan ei tarvitse ulottua piirilevyn ulkopuolelle kuten läpiasennusjuotoksessa. Ne voivat jopa päättyä piirilevyn sisälle ilman että niistä jäisi mitään juotosjakoja piirilevyn ulkopuolelle. Tämä estää tahattomia oikosulkuja suurvirtaliittimeen piirilevyn alapuolelta, mikä parantaa järjestelmän turvallisuutta.

Kuva 3: REDCUBE PRESS-FIT 7461090 -teollisuusruuviliitin painetaan piirilevyn reikiin ilman sulatusjuotos- tai aaltojuotosmenetelmiä. Liittimen ainutlaatuinen rakenne tarjoaa erittäin alhaisen kontaktiresistanssin, minkä ansiosta se voi käsitellä jopa 350 A:n virtoja. (Kuvan lähde: Würth Elektronik)

Tinapinnoitteisen M8-kierteen profiili on 13,5 mm. Jotta saavutettaisiin maksimi virtasiirto mahdollisimman alhaisella kontaktiresistanssilla, ruuvin tulisi olla tinapinnoitettu ja sellainen, että paikoillaan ollessaan ruuvi kulkee kaapelin liitoskohdan läpi ja menee niin syvälle REDCUBE-liittimeen kuin käytännössä mahdollista piirilevyyn koskematta. Tämä tarjoaa suurimman mahdollisen kontaktialueen koko ruuviliittimen pituudelta.

Ennen liittimen laittamista paikoilleen on tärkeää estää kaikkia epäpuhtauksia pääsemästä kosketuksiin kierteen tai liittimen yläpuolen kanssa, sormet mukaan lukien, koska kaikkein pieninkin epäpuhtauksien synnyttämä resistanssi voi synnyttää 350 A:n virralla vaarallisen korkean lämpötilan.

Pistotulppaa käyttävät liittimet on helppo liittää ja irrottaa

Joskus suuritehoiset teollisuusjärjestelmät on voitava konfiguroida uudelleen helposti ja ne täytyy voida kytkeä helposti uudelleen eri lähteiden välille. Tällaisiin käyttökohteisiin Würth tarjoaa REDCUBE PLUG -teollisuusliitinkantaperheen puristussovitteella. Tämä on puristussoviteliitin, joka tarjoaa ruuvittoman liittimen mukavuuden ja jonka virtaluokitus on jopa 120 A.

Esimerkiksi REDCUBE PLUG 7464000 voi käsitellä jopa 120 A lämpötilassa 20 °C ja sen käyttölämpötila-alue on -45 °C ... +125 °C (kuva 4). Tämä REDCUBE PLUG muodostuu tinapinnoitetusta kupariseoskannasta, joka on sijoitettu punaiseen lasikuituvahvisteiseen muovikoteloon. Jotta vastaava pistoke voidaan asentaa kantaan, jonka halkaisija on 6,2 mm, kotelon yläosaa on manuaalisesti painettava piirilevyn suuntaan. Tämä paljastaa kannan kokonaan, niin että tinapinnoitettu pistoke on helppo asettaa paikoilleen. Kotelon yläosan irrottaminen lukitsee pistokkeen paikoilleen.

Kuva 4: REDCUBE PLUG 7464000 -pistokekanta on puristussoviteliitin, jonka virtaluokitus on 120 A lämpötilassa 20 °C. Tämä mahdollistaa suurvirtapistokkeiden helpon liittämisen ja irrottamisen, minkä ansiosta se sopii uudelleen konfiguroitaviin tehoratkaisuihin. (Kuvan lähde: Würth Elektronik)

REDCUBE PLUG 7464000 -pistokekanta on hyvä ratkaisu myös paikkoihin, joiden yläpuolella on vain vähän tilaa ja johon olisi vaikea laittaa ruuvia tai mutteria. Pistoke on helppo tunnistaa ahtaallakin piirilevyllä kirkkaan punaisen värin ansiosta. Liittimessä käytetään 12 lähekkäin sijaitsevaa puristussovitejalkaa 3 x 4 -ruudukossa. 7464000-liittimen maksimi kontaktiresistanssi on 1 mΩ, minkä ansiosta se sopii erittäin suurivirtaisiin sovelluksiin.

Yhteenveto

Tuotteiden integrointitaso kasvaa ja suurtehojärjestelmien suunnittelijoiden on tasapainoiltava tehokkuuden, alhaisten tehonsiirtohäviöiden ja helpon kokoonpanon välillä. Tämä tekee sopivien piirilevyn suurvirtateollisuusliitinten valinnasta erityisen tärkeää. Suunnittelijoiden on ymmärrettävä piirilevyn kokoonpanoprosessi, se kuinka suuren virran liitin voi käsitellä sekä menetelmä jolla se asetetaan piirilevyyn.

Kuten artikkelissa osoitetaan, teollisuustason liittimet, jotka tarjoavat joustavat kokoonpanovaihtoehdot, mahdollistavat, että suunnittelija käyttää yhtä tuotelinjaa, mikä yksinkertaistaa hankintaa ja parantaa yhteensopivuutta. Tämän ansiosta teollisuusjärjestelmät voivat syöttää turvallisesti virtaa ja se lisää valmistuksen saantoa minimoimalla kokoonpanovirheitä sekä johtaa nopeampiin kokoonpanoaikoihin ja alempiin kustannuksiin.