W jaki sposób zaciski wysokoprądowe mogą zapewnić bezpieczne zasilanie przy jednoczesnym skróceniu czasu montażu i obniżeniu strat mocy

Dążąc do zwiększenia wydajności, projektanci systemów przemysłowych coraz częściej wykorzystują sterowanie elektroniczne. Wiąże się to z koniecznością minimalizacji wymiarów urządzeń, co ma na celu uzyskanie oszczędności miejsca i obniżenie kosztów. Jednakże coraz mniejsze wymiary urządzeń oznaczają dla projektantów coraz większe wyzwania związane z połączeniami dużej mocy. Wysokoprądowe złącza oraz przewody zasilające do płytek drukowanych wymagają solidnych i wytrzymałych połączeń, a tym samym nie ulegają miniaturyzacji w tym samym tempie co elektronika cyfrowa. Ponadto wysokoprądowe punkty połączeniowe tego rodzaju muszą być przystosowane do procesu produkcji płytek drukowanych, czy to w systemie montażu powierzchniowego, czy przewlekanego. Problemy te wymagają rozwiązania przy zachowaniu ograniczeń budżetowych i coraz krótszych czasów wprowadzania produktów na rynek.

Aby sprostać tym wymogom, projektanci urządzeń elektronicznych dużej mocy muszą zwracać baczną uwagę na konstrukcję i dobór zacisków wysokoprądowych przeznaczonych do płytek drukowanych oraz na ich montaż. Zaciski wysokoprądowe mogą także wymagać dłuższego czasu montażu gwarantującego pewne połączenie lutowane.

W tym artykule przedstawiono pokrótce problemy związane z zaciskami dużej mocy. Wskazano w nim, w jaki sposób projektanci płytek drukowanych do zastosowań dużej mocy mogą wykorzystać wyspecjalizowane wysokoprądowe zaciski do płytek drukowanych. Na podstawie przykładowych rozwiązań proponowanych przez firmę Würth Elektronik przedstawiono, w jaki sposób odpowiednio dobrane zaciski mogą niezawodnie zapewniać zasilanie o wysokim natężeniu pomiędzy systemami i w jaki sposób mogą one przyspieszyć montaż automatyczny, jednocześnie zapewniając wysoką stabilność mechaniczną oraz bardzo niską rezystancję połączenia.

Zaciski a straty mocy

Projektanci systemów przemysłowych często muszą zapewniać zasilanie prądami o wysokim natężeniu rzędu setek amperów. Często zaciski wysokoprądowe zapewniające zasilanie systemu znajdują się na tej samej płytce drukowanej co elektronika sterowania cyfrowego. W miarę jak półprzewodniki sterujące ulegają coraz większej integracji, zmniejsza się powierzchnia płytek drukowanych. Taka miniaturyzacja urządzeń stawia trzy problemy przed projektantami urządzeń elektronicznych dużej mocy.

Pierwszy problem to uwzględnienie wpływu ekstremalnych warunków środowiskowych w zakresie temperatury, wilgotności oraz gazów na elektronikę płytek drukowanych. Jeśli połączenia nie są szczelne, gazy powstające w procesach przemysłowych mogą doprowadzić do utleniania lub korozji połączeń wysokoprądowych i w rezultacie do niewydolności połączeń, co może oznaczać straty mocy lub nieprawidłowe działanie urządzeń. Problemy te może być trudno zdiagnozować, a ich wykrycie może być czasami niemożliwe nawet przy bardzo starannej inspekcji wzrokowej.

Drugi problem związany jest ze sprawnością połączeń dużej mocy. Z uwagi na rosnący poziom mocy, nawet najmniejszy wzrost rezystancji połączenia może prowadzić do strat mocy wraz z zauważalnym zwiększeniem wydzielanego ciepła. Zgodnie z prawem Ohma, zacisk 25,0A z nieprawidłowym połączeniem lutowanym powodującym rezystancję o wartości zaledwie 0,050Ω może generować straty rzędu (25,0² x 0,050) = 31,25W na połączeniu. Ponadto wydzielane ciepło może skrócić okres użytkowania położonych w pobliżu elementów elektronicznych. W najgorszym razie wygenerowane ciepło może doprowadzić do poparzeń lub pożaru.

Trzeci problem dotyczy zapewnienia kompatybilności zacisków wysokoprądowych z metodą produkcyjną stosowaną przy montażu płytek drukowanych. W przypadku masowej produkcji płytek drukowanych preferuje się montaż powierzchniowy wszystkich komponentów. W porównaniu z montażem przewlekanym, montaż powierzchniowy oznacza krótszy czas produkcji i tym samym niższe koszty pracy przy jednoczesnym utrzymaniu jakości. Niemniej jednak zaciski montowane powierzchniowo na płytce drukowanej podlegają ograniczeniom w zakresie obciążalności prądowej poszczególnych zacisków. Zaciski montowane na płytkach drukowanych metodą przewlekania i lutowania rozpływowego z pewnością mogą dostarczyć więcej prądu niż zaciski montowane powierzchniowo, zapewniając przy tym bardzo dużą stabilność mechaniczną. Jednakże linia montażowa płytek drukowanych wykorzystująca metodę przewlekania lub mieszaną może wymagać dwukrotnie większej powierzchni produkcyjnej oraz dodatkowej siły roboczej i dłuższego czasu montażu w porównaniu z montażem powierzchniowym, przez co staje się bardziej kosztowna.

Jakość musi zostać zachowana bez względu na wybrany proces montażu, co w przypadku linii montażowej oznacza koncentrowanie się na ograniczaniu błędów. Pod tym względem w przypadku zacisków wysokoprądowych bardziej niezawodny może być montaż przewlekany, ponieważ ze względu na charakter zacisku mniejsze jest prawdopodobieństwo jego wysunięcia w trakcie procesu lutowania rozpływowego. Z uwagi na to, że montowane powierzchniowo zaciski wysokoprądowe zajmują większą powierzchnię, kluczowe znaczenie ma równomierne nałożenie pasty lutowniczej na całej powierzchni pola lutowniczego. Jeśli zostanie ona nałożona nierównomiernie, pole będzie się nierówno nagrzewać podczas lutowania rozpływowego, przez co jeden koniec zacisku podniesie się, skutkując „efektem Manhattanu”, czyli jednostronnym podniesieniem montowanego powierzchniowo komponentu.

Zaciski wysokoprądowe o wysokiej sprawności

Z myślą o potencjalnych problemach z zaciskami wysokoprądowymi, firma Würth Elektronik opracowała asortyment zacisków REDCUBE pozwalających na przewodzenie wysokich natężeń prądu przy zachowaniu elastycznych opcji produkcyjnych. Zaciski te charakteryzują się niskim profilem, co pozwala na szybsze rozpraszanie ciepła do otoczenia przy równoczesnym zapewnieniu lepszego obiegu powietrza w bezpośrednim otoczeniu, a to z kolei poprawia chłodzenie znajdującej się w pobliżu elektroniki. Zaciski REDCUBE zaprojektowano z myślą o zapewnieniu wyjątkowo niskiej rezystancji połączenia lutowanego, dzięki czemu możliwe jest przenoszenie prądów o natężeniu nawet 500A przy bardzo niskim poziomie strat mocy czy wytwarzania ciepła.

Produkty z tego asortymentu nadają się do zastosowania w procesach produkcji płytek drukowanych metodą montażu powierzchniowego, przewlekania i lutowania rozpływowego oraz wciskanego. Dzięki temu projektant płytek drukowanych stosowanych w systemach przemysłowych może skorzystać ze standaryzowanych zacisków pochodzących od jednego dostawcy, co ułatwia wizualną identyfikację złączy podczas różnych procesów produkcji i upraszcza dokonywanie zakupów.

Zaciski wysokoprądowe montowane powierzchniowo

Mając na uwadze uzyskanie kompatybilności z urządzeniami do montażu powierzchniowego (SMD) przy produkcji płytek drukowanych, projektanci mogą skorzystać z asortymentu zacisków przemysłowych oferowanych przez firmę Würth pod marką REDCUBESMD. Zaciski te są dostosowane do całkowicie zautomatyzowanego montażu powierzchniowego i charakteryzują się minimalnym poziomem wytwarzania ciepła. Zaciski te umożliwiają przenoszenie prądów o natężeniu do 85A w połączeniach elektrycznych typu płytka-płytka.

Przykładowo produkt 7466003R posiada gwint M3 i prąd znamionowy 50A przy temperaturze 20°C (ilustracja 1). Zacisk ten zajmuje niewielką powierzchnię o średnicy 8,3mm. Dzięki okrągłemu kształtowi zajmowanej przez zacisk powierzchni zwiększa się wydajność produkcji, ponieważ zmniejsza to „efekt Manhattanu” dzięki równomiernemu rozłożeniu ciężaru zacisku oraz wyeliminowaniu ostrych narożników, do których mogłaby nie dotrzeć pasta lutownicza. Korpus REDCUBE SMD 7466003R wykonany z wysokowytrzymałego cynowanego mosiądzu przewidziany jest do pracy w temperaturach od -55°C do +150°C.

Ilustracja 1: zacisk przemysłowy REDCUBE SMD 7466003R zajmuje niewielką powierzchnię wynoszącą 8,3mm i przeznaczony jest do bezpiecznego przenoszenia prądów o natężeniu do 50A. Wyposażono go w pomarańczowe uszko mylarowe, które zdejmowane jest przez zautomatyzowane urządzenia do montażu maszynowego przed montażem powierzchniowym na płytce drukowanej. (Źródło ilustracji: Würth Elektronik)

Aby zapewnić najlepsze połączenie przy jednoczesnym ograniczeniu wytwarzania ciepła, zaleca się, aby do gwintów M3 dobierać wkręty i zaciski, które również są cynowane. Dzięki temu produkt 7466003R będzie kompatybilny z większością zacisków i wkrętów zasilających. Przed montażem pomarańczowe uszko mylarowe chroni stronę przeznaczoną do lutowania przed zanieczyszczeniami i odciskami palców. Pomaga to w zapewnieniu dobrego połączenia lutowanego w montażu powierzchniowym, przy minimalnej rezystancji połączenia. Zaleca się również, aby przed połączeniem zacisku z wkrętem cynowanym gwint M3 oraz górną część zacisku zabezpieczyć przed zanieczyszczeniami, które mogłyby mieć niekorzystny wpływ na rezystancję połączenia z wprowadzanym wkrętem i wsuwką. Oznacza to, że nie należy dotykać górnej części gwintu palcami.

Zaciski montowane na płytkach drukowanych metodą przewlekania

Dla zastosowań przemysłowych wymagających komponentów montowanych metodą przewlekania firma Würth przewidziała asortyment produktów REDCUBETHR. Produkty te pozwalają na zautomatyzowany montaż płytek drukowanych metodą przewlekania i lutowania rozpływowego. Na przykład produkt 74651195R stanowi dziewięciowtykowy przewlekany prosty zacisk śrubowy z cynowanym gwintem M5, przeznaczony do łączenia ze wsuwką kablową zabezpieczaną nakrętką (ilustracja 2). Posiada on zakres temperatur roboczych od -55°C do +150°C i prąd znamionowy 85A przy temperaturze 20°C.

Ilustracja 2: produkt REDCUBE THR 74651195R posiada prąd znamionowy 85A przy temperaturze 20°C i wyposażony jest w prosty zacisk śrubowy M5. Dziewięć wtyków do płytki drukowanej zapewnia stabilność mechaniczną względem sił ścinających i rozrywających. (Źródło ilustracji: Würth Elektronik)

Dziewięć wtyków zacisku 74651195R ustawionych jest w układzie 3 x 3, co ma na celu uzyskanie optymalnej lutowalności oraz stabilności mechanicznej względem sił rozrywających i ścinających. Produkt 74651195R wykonano z jednolitego kawałka mosiądzu pokrytego cyną, dzięki czemu charakteryzuje się on wyższą obciążalnością prądową i lepszą tolerancją momentu obrotowego w porównaniu z zaciskami tłoczonymi. Konstrukcja produktu 74651195R sprawia, że stanowi on dobry wybór w przypadku wysokoprądowych zastosowań przemysłowych, gdzie dołączony przewód może być ciągnięty pod dowolnym kątem.

Produkt 74651195R charakteryzuje się niskim profilem, jego łączna wysokość ponad płytką drukowaną wynosi 10mm, przy czym wkręt ma długość 7mm. Odpowiada to standardowym wsuwkom kablowym M5 oraz nakrętkom blokującym z małym gwintem, zapewnia obieg powietrza wokół zacisku i poprawia chłodzenie.

Zaciski wciskane do bardzo wysokich prądów

Z myślą o zastosowaniach w zakresie zasilania i systemów przemysłowych wymagających bardzo wysokich prądów, firma Würth opracowała asortyment produktów REDCUBE PRESS-FIT o prądach znamionowych do 500A. Przy tych zaciskach nie stosuje się lutowania rozpływowego ani na fali. Zaciski po prostu wciska się mechaniczne w znajdujące się na płytkach drukowanych otwory pokryte lutowiem. Tarcie powstałe podczas wciskania zacisku w otwory płytki drukowanej prowadzi do powstania szczelnego zimnego spawu z rezystancją zestykową wynoszącą zaledwie 200µΩ.

Przykładowym rozwiązaniem jest zacisk śrubowy 7461090 z gwintem M8 (ilustracja 3). Posiada on prąd znamionowy 350A przy temperaturze 20°C, a temperatura robocza mieści się w zakresie od -55°C do +150°C. Aby produkt 7461090 mógł przewodzić takie prądy, został on wyposażony w 20 wtyków wciskanych, niewymagających żadnego lutowania na gorąco. Metoda montażu wciskanego wykorzystuje te same otwory w płytce drukowanej co w przypadku mocowania komponentów metodą przewlekania, przy czym eliminuje ona problemy z lutowalnością takie jak zimne połączenia lutowane. Ponadto, 20 wtyków wciskanych nie musi wychodzić poza płytkę drukowaną jak w przypadku mocowania metodą przewlekania, i mogą nawet kończyć się wewnątrz płytki drukowanej, bez końcówek lutowniczych. Pozwala to uniknąć przypadkowych zwarć z zaciskami wysokoprądowymi pod płytką drukowaną, tym samym poprawia bezpieczeństwo systemu.

Ilustracja 3: przemysłowy zacisk śrubowy REDCUBE PRESS-FIT 7461090 montuje się poprzez wciśnięcie w otwory płytki drukowanej bez konieczności lutowania rozpływowego ani na fali. Dzięki unikatowej konstrukcji charakteryzuje się on bardzo niską rezystancją zestykową, co pozwala na przewodzenie prądów o natężeniu do 350A. (Źródło ilustracji: Würth Elektronik)

Profil cynowanego gwintu M8 mierzy 13,5mm. Aby zapewnić maksymalne natężenia prądu przy minimalnej rezystancji zestykowej, należy dobrać cynowany wkręt tak, aby po zmontowaniu wkręt przechodził przez wsuwkę kablową i przechodził na możliwie maksymalnej długości przez zacisk REDCUBE bez wchodzenia w kontakt z płytką drukowaną. Dzięki temu zapewniona zostanie maksymalna powierzchnia kontaktowa na całej długości zacisku śrubowego.

Istotnym jest, aby przed montażem nie dopuścić do pozostawiania zanieczyszczeń lub odcisków palców na gwincie oraz górnej części zacisku, ponieważ nawet najmniejsza rezystancja będąca skutkiem zanieczyszczenia przy natężeniu prądu rzędu 350A może doprowadzić do wytworzenia niebezpiecznej ilości dodatkowego ciepła.

Zaciski wtyczkowe umożliwiające łatwe podłączanie i odłączanie

Czasami obsługa systemu przemysłowego o dużej mocy wymaga łatwej zmiany konfiguracji i przełączania pomiędzy różnymi źródłami. Dla tych zastosowań firma Würth posiada w ofercie asortyment przemysłowych zacisków gniazdowych REDCUBE PLUG do mocowania metodą wciskania. Są to zaciski wciskane pozwalające na wygodne uzyskanie połączenia poprzez zacisk bez stosowania wkręta, mogące przenosić prądy o natężeniu do 120A.

Przykładowo produkt REDCUBE PLUG 7464000 przewodzi prądy o natężeniu do 120A przy temperaturze 20°C i pracuje w zakresie temperatur roboczych od -45°C do +125°C (ilustracja 4). Produkt REDCUBE PLUG składa się z gniazda wykonanego z cynowanego stopu miedzi, z obudową z czerwonego tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem szklanym. Aby wprowadzić kompatybilną wtyczkę do gniazda o średnicy 6,2mm, należy ręcznie nacisnąć górę obudowy w stronę płytki drukowanej. Pozwoli to na pełne odsłonięcie gniazda i łatwe wprowadzenie cynowanej wtyczki. Zwolnienie górnej części obudowy blokuje wtyczkę we właściwym miejscu.

Ilustracja 4: gniazdo wtyczkowe REDCUBE PLUG 7464000 jest zaciskiem mocowanym metodą wciskową o prądzie znamionowym 120A przy temperaturze 20°C. Umożliwia ono łatwe podłączanie i odłączanie wtyczek wysokoprądowych, dzięki czemu nadaje się do zastosowania w rozwiązaniach zasilania wymagających zmiany konfiguracji. (Źródło ilustracji: Würth Elektronik)

Gniazdo wtyczkowe REDCUBE PLUG 7464000 stanowi także dobre rozwiązanie w miejscach, gdzie z uwagi na ograniczoną przestrzeń trudno byłoby mocować wkręty lub nakrętki. Dzięki jaskrawo czerwonej barwie wtyczka jest doskonale widoczna na gęsto upakowanej płytce drukowanej. Posiada ona 12 ciasno ułożonych wtyków wciskanych w układzie 3 x 4. Produkt 7464000 charakteryzuje się maksymalną rezystancją zestykową rzędu 1mΩ, dzięki czemu szczególnie nadaje się do zastosowań wysokoprądowych.

Podsumowanie

Wraz z coraz większą integracją projektów,, projektanci systemów wysokiej mocy muszą znaleźć optymalną równowagę pomiędzy zasilaniem o wysokiej sprawności i niskich stratach mocy a łatwością montażu. W tym kontekście kluczowe znaczenie ma odpowiedni dobór wysokoprądowych zacisków przemysłowych przeznaczonych do płytek drukowanych. Projektanci muszą rozumieć proces montażu płytek, posiadać wiedzę na temat natężeń prądu, jakie bezpiecznie mogą przewodzić zaciski, oraz metod ich mocowania na płytkach drukowanych.

Jak wskazano powyżej, zaciski klasy przemysłowej zapewniające elastyczne opcje montażu dają projektantom możliwość skorzystania ze standardowych linii produktowych, co upraszcza dokonywanie zakupu oraz zapewnia interoperacyjność. Dzięki temu, systemom przemysłowym można zapewnić bezpieczne zasilanie przy jednoczesnym zwiększeniu wydajności produkcji poprzez minimalizację błędów montażowych, co pozwala na skrócenie czasu montażu i obniżenie kosztów.