Cum pot terminalele de curent ridicat să livreze electricitate în condiții de siguranță și să reducă timpul de asamblare și pierderile de putere

Proiectanții de sisteme industriale profită din ce în ce mai mult de avantajele controlului electronic, în încercarea lor de a obține eficiență. Odată cu controlul electronic apare și nevoia de factori de formă din ce în ce mai mici, pentru a economisi spațiu și a reduce costurile. Cu toate acestea, pe măsură ce factorii de formă se micșorează, proiectanții se confruntă cu provocări tot mai mari legate de conexiunile de mare putere. Conectorii de mare putere ai plăcilor cu circuit imprimat și liniile de alimentare necesită conexiuni groase și rezistente și, prin urmare, nu se pot micșora în aceeași măsură ca și componentele electronice digitale. În plus, aceste puncte de conectare de curent ridicat trebuie să fie compatibile cu procesul de fabricație a plăcii cu circuite imprimate, fie că implică montarea pe suprafață sau prin orificii pătrunse. Aceste probleme trebuie rezolvate, gestionând în același timp bugetele tot mai restrânse și timpul de lansare pe piață tot mai scurt.

Pentru a îndeplini aceste cerințe, dezvoltatorii de componente electronice de mare putere trebuie să acorde atenție deosebită proiectării și selecției terminalelor de mare putere ale plăcilor cu circuite imprimate și asamblării acestora. De asemenea, pentru terminalele de curent ridicat poate fi nevoie de timp suplimentar de asamblare, pentru a garanta o conexiune sigură prin lipire.

Acest articol va prezenta pe scurt problemele asociate cu terminalele de mare putere. Va arăta cum proiectanții de plăci cu circuite imprimante de putere ridicată pot beneficia de pe urma utilizării terminalelor specializate pentru plăci PCB de curent ridicat. Utilizând ca exemplu soluțiile de la Würth Elektronik, se va arăta modul în care terminalele adecvate pot furniza în mod fiabil un curent ridicat între sisteme și cum pot accelera asamblarea automată, oferind în același timp stabilitate mecanică ridicată și rezistență foarte scăzută la conectare.

Cum cauzează terminalele pierderi de putere

Proiectanții de sisteme industriale trebuie să furnizeze și să controleze frecvent curenți mari, de ordinul sutelor de amperi. Adesea, terminalele de curent ridicat care alimentează sistemul se află pe aceeași placă cu circuite imprimate ca și componentele electronice de control digital. Pe măsură ce semiconductoarele de control devin tot mai bine integrate, suprafața plăcii PCB scade. Acest factor de formă din ce în ce mai mic prezintă trei probleme pentru proiectanții de componente electronice de mare putere.

Prima problemă constă în abordarea condițiilor extreme de mediu în ceea ce privește temperatura, umiditatea și gazele în relație cu componentele electronice ale plăcilor PCB. În cazul în care conexiunile nu sunt etanșe, gazele rezultate în urma proceselor industriale pot oxida sau coroda conexiunile de curent ridicat, ceea ce duce la conexiuni ineficiente care pot cauza pierderi de energie sau defecțiuni ale echipamentelor. Aceste probleme pot fi dificil de diagnosticat și, uneori, nu pot fi detectate nici măcar prin cea mai atentă inspecție vizuală.

A doua problemă este legată de eficiența conexiunilor de mare putere. Pe măsură ce nivelurile de putere cresc, chiar și cea mai mică creștere a rezistenței la conectare poate duce la o pierdere de putere cu o creștere vizibilă a căldurii. Conform legii lui Ohm, un terminal de 25,0 amperi (A) cu o îmbinare lipită ineficientă ce rezultă într-o rezistență de numai 0,050 ohmi (Ω) poate genera o pierdere de (25,0² x 0,050) = 31,25 wați la îmbinare. Pe lângă pierderi, căldura generată poate reduce durata de viață a componentelor electronice din apropiere. În cel mai rău caz, căldura ar putea provoca arsuri sau un incendiu.

A treia problemă este asigurarea faptului că terminalele de curent ridicat sunt compatibile cu metoda de producție utilizată pentru asamblarea plăcii cu circuit imprimat. Pentru producția de plăci cu circuit imprimat de volum ridicat, se preferă montarea pe suprafață pentru toate componentele. În comparație cu utilizarea orificiilor pătrunse, montarea pe suprafață combină timpii de asamblare reduși cu costurile de manoperă mai mici, menținând în același timp calitatea. Cu toate acestea, terminalele plăcii cu circuit imprimat cu montare pe suprafață sunt limitate în ceea ce privește capacitatea de transport al curentului pentru un terminal individual. Terminalele pentru plăci cu circuit imprimat cu reflux în orificii pătrunse pot transporta cu ușurință mai mult curent decât cele cu montare pe suprafață, oferind în același timp o stabilitate mecanică foarte ridicată. Cu toate acestea, o linie de asamblare a plăcilor cu circuit imprimat cu orificii pătrunse sau mixte poate necesita de două ori mai mult spațiu, precum și forță de muncă și timp de asamblare suplimentare în comparație cu montarea pe suprafață, ceea ce face ca această metodă de asamblare să fie mai costisitoare.

Indiferent de procesul de asamblare, calitatea trebuie menținută, iar pentru o linie de asamblare, acest lucru înseamnă că trebuie să se pună accent pe reducerea erorilor. În această privință, orificiul pătruns poate fi mai fiabil pentru terminalele de curent ridicat, deoarece natura terminalului face mai puțin probabilă ieșirea acestuia în timpul procesului de lipire prin reflux. Deoarece terminalele de curent ridicat cu montare pe suprafață necesită zone de acțiune mai mari, este esențial ca pasta de lipit să fie aplicată uniform pe întregul suport de lipit. În cazul în care este aplicată inegal, suportul se va încălzi neuniform în timpul refluxului de lipire, ceea ce determină ridicarea unui capăt al terminalului, rezultând în ridicarea componentei montate pe suprafață.

Terminale de curent ridicat cu consum redus de energie

Pentru a aborda problemele potențiale legate de terminalele de curent ridicat, Würth Elektronik a dezvoltat gama de terminale REDCUBE, care acceptă curenți mari cu opțiuni de producție flexibile. Terminalele au un profil redus, ceea ce permite o disipare mai rapidă a căldurii în mediul ambiant, permițând în același timp un flux de aer mai semnificativ în zona imediată, îmbunătățind răcirea componentelor electronice din jur. Terminalele REDCUBE sunt proiectate pentru o rezistență extrem de scăzută a joncțiunii de lipire, furnizând astfel până la 500 A cu foarte puține pierderi de energie sau generare de căldură.

Gama acceptă procesele de montare pe suprafață, de reflux în orificii pătrunse și de fabricare a plăcilor cu circuit imprimat cu fixare prin presare. Acest lucru permite unui proiectant de plăci cu circuit imprimat pentru sisteme industriale să standardizeze terminalele de la un singur furnizor, le face ușor de identificat vizual în timpul diferitelor procese de fabricație și simplifică achiziția.

Terminale de curent ridicat cu montare pe suprafață

Pentru compatibilitatea cu producția de plăci cu circuit imprimat pentru dispozitive cu montare pe suprafață (SMD), proiectanții pot utiliza familia de terminale industriale REDCUBE SMD de la Würth. Aceste terminale acceptă asamblarea complet automatizată cu montare pe suprafață, punând în același timp accentul pe generarea minimă de căldură. Terminalele acceptă până la 85 A pentru conexiunile electrice dintre plăci.

Dispozitivul 7466003R, luat ca exemplu, are un filet M3 și este evaluat la 50 A la 20 °C (Figura 1). Terminalul are o amprentă mică, cu un diametru de 8,3 milimetri (mm). Amprenta circulară îmbunătățește randamentele din timpul producției, reducând fenomenul de ridicare a componentelor prin distribuirea uniformă a greutății terminalului și eliminând colțurile ascuțite pe care s-ar putea să nu ajungă pasta de lipit. Corpul dispozitivului REDCUBE SMD 7466003R este fabricat din alamă rezistentă cu strat placat cu staniu și este proiectat pentru temperaturi cuprinse între -55 °C și +150 °C.

Figura 1: terminalul industrial REDCUBE SMD 7466003R are o amprentă mică, de 8,3 mm, și este evaluat pentru a transporta în siguranță până la 50 A. Este furnizat cu un separator Mylar portocaliu atașat, care este îndepărtat de echipamentele automate de preluare și plasare înainte de amplasarea plăcii cu circuit imprimat pentru montare pe suprafață. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

Pentru a asigura cea mai bună conexiune, reducând în același timp căldura, se recomandă ca filetul M3 să fie cuplat cu un șurub și un terminal care sunt, de asemenea, placate cu staniu. Acest lucru face ca 7466003R să fie compatibil cu majoritatea terminalelor și șuruburilor de alimentare. Partea care urmează să fie lipită este protejată împotriva contaminanților și amprentelor înainte de asamblare prin intermediul unei folii Mylar portocalii. Acest lucru asigură o bună conexiune de lipire la montarea pe suprafață, cu o rezistență minimă a conexiunii. De asemenea, se recomandă ca, înainte ca terminalul să fie cuplat cu un șurub placat cu staniu, filetul M3 și partea superioară a terminalului să fie protejate de orice contaminanți care ar putea afecta rezistența de cuplare a unui șurub cu lamelă introdus. Acest lucru include ținerea degetelor departe de partea superioară a filetului.

Terminale de placă cu circuit imprimat cu orificiu pătruns

Pentru aplicațiile industriale care necesită componente cu orificii pătrunse, Würth oferă familia REDCUBE THR. Acestea acceptă asamblarea automată a plăcilor cu circuit imprimat prin reflux în orificii pătrunse. De exemplu, 74651195R este un terminal cu șurub drept cu nouă pini, cu orificiu pătruns, cu filet M5 placat cu staniu, conceput pentru a accepta o lamelă de cablu fixată cu o piuliță (Figura 2). Are un interval al temperaturii de funcționare cuprins între -55 °C și +150 °C și este evaluat la 85 A la 20 °C.

Figura 2: REDCUBE THR 74651195R are o putere nominală de 85 A la 20 °C și are un terminal cu șurub drept M5. Cei nouă pini pentru placa cu circuit imprimat asigură stabilitate mecanică împotriva forțelor de forfecare și rupere. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

Cei nouă pini de pe 74651195R sunt aranjați într-o grilă de 3 x 3 care este proiectată pentru obținerea lipirii optime, precum și pentru stabilitate mecanică împotriva forțelor de rupere și de forfecare. 74651195R are un strat placat cu staniu peste o bucată solidă de alamă, ceea ce îi conferă o capacitate mai mare de transport al curentului și o toleranță mai bună la cuplu în comparație cu terminalele ștanțate. Acest design face ca 74651195R să fie o alegere bună pentru aplicațiile industriale de mare putere în care cablul atașat poate fi tras din orice unghi.

Dispozitivul 74651195R are un profil redus și o înălțime totală deasupra plăcii PCB de 10 mm, iar șurubul are o lungime de 7 mm. Acesta acceptă lamele pentru cablu M5 standard și piulițe de blocare cu filet mic, permițând cu ușurință fluxul de aer în jurul terminalului pentru a spori răcirea.

Terminale cu fixare prin presare pentru curenți foarte mari

Pentru aplicațiile de alimentare și sistemele industriale care necesită curenți foarte mari, Würth a dezvoltat gama de produse REDCUBE PRESS-FIT, care au o putere nominală de până la 500 A. Aceste terminale nu utilizează lipirea prin reflux sau în unde. În schimb, terminalul este presat mecanic în orificiile lipite ale plăcii cu circuit imprimat. Frecarea creată prin apăsarea terminalului în orificiile plăcii cu circuit imprimat creează o conexiune sudată la rece, care este etanșată împotriva gazelor, cu o rezistență de contact de numai 200 micro ohmi (µΩ).

Un exemplu de soluție este terminalul cu șurub 7461090 cu filet M8 (Figura 3). Acesta este evaluat la 350 A la 20 °C și are o temperatură de funcționare cuprinsă între -55 °C și +150 °C. Pentru a rezista la acest curent, dispozitivul 7461090 are 20 de pini cu fixare prin presare care nu necesită metode de lipire la cald. Metoda de fixare prin presare utilizează aceleași orificii de pe placa cu circuit imprimat ca și componentele cu orificii străpunse, eliminând orice probleme de lipire, cum ar fi îmbinările de lipire la rece. În plus, cei 20 de pini cu fixare prin presare nu trebuie să se extindă în afara plăcii cu circuit imprimat, la fel ca orificiile străpunse lipite, și se pot termina chiar și în interiorul plăcii cu circuit imprimat fără cozi pentru lipit. Acest lucru ajută la prevenirea scurtcircuitelor accidentale la terminalul de curent ridicat de sub placa cu circuit imprimat, îmbunătățind astfel siguranța sistemului.

Figura 3: terminalul industrial cu șurub REDCUBE PRESS-FIT 7461090 este presat în orificiile plăcii cu circuit imprimat fără să fie necesare metodele de lipire în unde sau în reflux. Designul său unic asigură o rezistență la contact foarte mică, permițându-i să accepte până la 350 A. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

Profilul filetului placat cu staniu M8 este de 13,5 mm. Pentru o livrare maximă a curentului cu o rezistență minimă de contact, trebuie ales un șurub placat cu staniu, astfel ca șurubul asamblat să treacă prin lamela cablului și să parcurgă lungimea maximă practică prin terminalul REDCUBE fără a intra în contact cu placa cu circuit imprimat. Acest lucru asigură suprafața maximă de contact pentru întreaga lungime a terminalului cu șurub.

Înainte de asamblare, este important să preveniți contactul contaminanților sau al degetelor cu filetul sau cu partea superioară a terminalului, deoarece chiar și cea mai mică rezistență din partea contaminanților poate genera o cantitate periculoasă de căldură în exces la 350 A.

Terminale cu fișă pentru conectare și deconectare ușoară

Uneori, un sistem industrial de mare putere trebuie să fie ușor de reconfigurat și reconectat între diferite surse. Pentru aceste aplicații, Würth oferă familia de socluri pentru terminale industriale REDCUBE PLUG cu fixare prin presare. Acesta este un terminal cu fixare prin presare care oferă facilitatea de utilizare a unei conexiuni de terminal fără șuruburi, ce poate accepta până la 120 A.

De exemplu, REDCUBE PLUG 7464000 poate accepta până la 120 A la 20 °C, cu un interval al temperaturii de funcționare cuprins între -45 °C și +125 °C (Figura 4). Acest REDCUBE PLUG este format dintr-un soclu din aliaj de cupru placat cu staniu, încapsulat într-o carcasă din plastic armat cu fibră de sticlă roșie. Pentru a introduce o fișă compatibilă în soclul cu diametrul de 6,2 mm, partea superioară a carcasei trebuie să poată fi apăsată manual spre placa cu circuit imprimat. Astfel, soclul este expus complet pentru a permite introducerea ușoară a unei fișe placate cu staniu. Eliberarea părții superioare a carcasei blochează fișa în poziție.

Figura 4: soclul pentru fișă REDCUBE PLUG 7464000 este un terminal cu fixare prin presare, cu o putere nominală de 120 A la 20 °C. Acesta permite conectarea și deconectarea ușoară a fișelor de curent ridicat, ceea ce îl face potrivit pentru soluțiile de alimentare reconfigurabile. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

De asemenea, soclul pentru fișă REDCUBE PLUG 7464000 este o soluție bună pentru zonele cu spațiu redus în partea de sus, ceea ce ar face dificilă fixarea unui șurub sau a unei piulițe. Culoarea roșu deschis face ca fișa să fie ușor de identificat pe o placă cu circuit imprimat aglomerată. Acesta are 12 pini de fixare prin presare bine distanțați, dispuși într-o grilă de 3 x 4. 7464000 oferă o rezistență maximă la contact de 1 mΩ, ceea ce îl face adecvat pentru aplicații cu curent foarte ridicat.

Concluzie

Pe măsură ce modelele devin tot mai integrate, proiectanții sistemelor de mare putere trebuie să găsească un echilibru între livrarea de putere eficientă, pierderile reduse și asamblarea ușoară. Acest lucru face ca selecția terminalelor industriale adecvate pentru plăci cu circuit imprimat de curent ridicat să fie deosebit de importantă. Proiectanții trebuie să înțeleagă procesul de asamblare a plăcii, cantitatea de curent pe care un terminal o poate accepta în siguranță și metoda de fixare a plăcii cu circuit imprimat.

După cum s-a arătat, terminalele de calitate industrială cu opțiuni de asamblare flexibile permit proiectantului să se standardizeze pe o singură gamă de produse, simplificând achiziția și interoperabilitatea. Acest lucru permite sistemelor industriale să livreze energie în siguranță și, în același timp, să crească randamentul de producție prin minimizarea erorilor de asamblare, ceea ce duce la timpi de asamblare mai rapizi și costuri mai mici.