Dobór właściwego złącza, zapewniający integralność zasilania wysokoprądowego w ekstremalnych warunkach

Wraz z obniżaniem napięć zasilania i proporcjonalnym zwiększaniem prądów obciążeniowych, konieczna jest minimalizacja rezystancyjnych strat mocy i spadków napięcia, ze względu na sprawność i odprowadzanie ciepła. Dziedziny, w których stosuje się zasilanie, takie jak pojazdy elektryczne (EV), lotnictwo i kosmonautyka oraz elektronika przemysłowa, narażają również obwody na wstrząsy, drgania i ekstremalne temperatury.

Projektanci muszą być świadomi tych wymagań, aby mieć pewność, że dobierają i prawidłowo stosują złącza zasilające, które są wytrzymałe mechanicznie, zachowują integralność elektryczną i działają w rozszerzonych zakresach temperatur.

W niniejszym artykule omówiono dobór i użycie złączy zasilających w najbardziej wymagających środowiskach i zastosowaniach. Następnie przedstawiono przykładowe złącza zasilające firmy Harwin oraz pokazano, w jaki sposób można je wykorzystać do osiągnięcia doskonałej integralności zasilania przy niskich stratach i jednoczesnym zagwarantowaniu niezawodności mechanicznej.

Zagadnienia dotyczące połączeń dużej mocy

Podłączanie urządzeń o wysokim natężeniu prądu i napięciu do płytki drukowanej (PCB) wymaga dużej staranności. Połączenia złej jakości mogą powodować straty mocy i nieoczekiwane awarie elektryczne. Jeśli połączenie jest również narażone na ekstremalne temperatury, wstrząsy lub drgania, problemy mogą ulec zwielokrotnieniu. Złącza zasilające o niewystarczającym prądzie znamionowym mogą zmusić projektantów do użycia wielu styków w celu uzyskania wymaganych poziomów prądu, co skutkuje powstaniem większych złączy z większą liczbą styków i dodatkową przestrzenią przewidzianą na płytce drukowanej. Wiele dróg przepływu prądu zwiększa również ryzyko nieprawidłowego podłączenia, co skutkuje przetężeniem na jednym styku. Rozwiązaniem tych problemów jest zastosowanie złączy zasilających o prawidłowym prądzie znamionowym pojedynczego styku.

Przyjrzyjmy się złączom szeregowym Kona (ilustracja 1). Złącza te są przystosowane do obsługi prądu o natężeniu 60A na styk i maksymalnego napięcia 3000V~ (przez 1 minutę) oraz napięcia szczytowego 1500V~ lub V= w środowiskach występowania ekstremalnych temperatura, wstrząsów i drgań.

Ilustracja 1: złącza zasilające z serii Kona obsługują prądy o natężeniu do 60A na jeden styk przy napięciu 1500V~ i posiadają listwę oraz mocowanie do montażu tablicowego i montażu na kablu. (Źródło ilustracji: Harwin Inc.)

Złącza Kona są dostępne w jednorzędowych obudowach z dwoma, trzema lub czterema stykami. Konfiguracje obejmują listwę płytki drukowanej, mocowanie do montażu tablicowego oraz mocowanie męskie i żeńskie do montażu kablowego z różnymi układami blokującymi. Mogą być stosowane w połączeniach typu kabel-płytka i kabel-kabel.

Złącza te wykorzystują styki z rozstawem co 8,5mm (0,335”). Taki rozstaw, wraz z indywidualnie zagłębionymi stykami, z których każdy jest osłonięty konstrukcjami ustalającymi biegunowość, zapewnia wysokie znamionowe napięcia i prądy złącza. Konstrukcja ta pomaga również chronić przed przypadkowymi uszkodzeniami spowodowanymi słabym połączeniem i przypadkowymi fizycznymi uderzeniami.

Sekretem wysokich prądów znamionowych i niezawodności tej serii złączy jest sześciopalcowy styk męski (ilustracja 2).

Ilustracja 2: działanie sześciopalcowego styku męskiego opiera się na naturalnym działaniu siły sprężynowej na wewnętrzne ścianki styku żeńskiego, zapewniając dobre połączenie nawet w przypadku wstrząsów i drgań. (Źródło ilustracji: Harwin Inc., zmodyfikowane)

Styki z serii Kona wykonano z miedzi berylowej, co pozwala na ich stosowanie w maksymalnym zakresie temperatur roboczych od -65°C do 150°C. Są one wykończone trwałą złotą powłoką kwasoodporną, która chroni przed długotrwałym narażeniem na działanie w trudnych warunkach. Styki są przystosowane do 250 operacji łączenia, a rezystancja zestykowa połączonej pary nie przekracza 2mΩ. Spadek napięcia na parze styków przy maksymalnym prądzie znamionowym 60A wynosi zaledwie 0,12V.

Listwy do montażu na płytce

Listwa Kona KA1-MV10405M1 firmy Harwin to przykład czterostykowej listwy pionowej przeznaczonej do montażu na płytce drukowanej (ilustracja 3).

Ilustracja 3: listwa Kona KA1-MV10405M1 posiada cztery styki. Na ilustracji przedstawiono wyraźnie widoczny znacznik identyfikacyjny styku 1 oraz kołki mocujące. (Źródło ilustracji: Harwin Inc.)

Korpus listwy jest wykonany z wypełnionego włóknem szklanym termoplastycznego tworzywa sztucznego, odpornego na wysokie temperatury i zawiera cztery zagłębione sześciopalcowe styki męskie z końcówkami lutowniczymi 4,5mm (0,185”) do płytek drukowanych. Wyraźnie widoczny wytłoczony znacznik ułatwia orientację listwy i identyfikację styku nr 1. Blokady śrubowe z gwintem wewnętrznym i kołki mocujące do płytek zapewniają połączenie i zablokowanie złącza wtykowego, a także mocowanie mechaniczne do płytki drukowanej za pomocą nakrętki rowkowej KA1-4240000 do montażu na płytce. Dostępne są listwy z kątowymi, poziomymi stykami montażowymi oraz alternatywnymi układami blokującymi. Mechanizm blokowania po połączeniu zapobiega uszkodzeniom podczas procesu blokowania.

Gniazda do montażu tablicowego i montażu na kablu

Kona KA1-2010498F1 (Ilustracja 4, po lewej) to czterostykowa obudowa gniazda montowana na kablu, która wykorzystuje oddzielne styki, takie jak Kona KA1-0400005 firmy Harwin (Ilustracja 4, po prawej). Obudowa może współpracować z przedstawioną wcześniej czterostykową listwą KA1-MV10405M1.

Ilustracja 4: czterostykowa obudowa gniazda KA1-2010498F1 (po lewej) z przedłużeniem osłony i żeński styk lutowany używany z obudową (po prawej). (Źródło ilustracji: Harwin Inc.)

Żeńska obudowa do montażu na kablu zawiera przedłużenia osłony z klinami polaryzacyjnymi, które zapobiegają przypadkowemu połączeniu z żeńskimi stykami gniazdowymi i zapewniają izolację elektryczną współpracujących styków. Styk gniazdowy złącza Kona KA1-0400005 wykorzystuje połączenie lutowane z kablem. Styki są przeznaczone do przewodów o przekroju 8AWG. Zalecana jest izolacja z gumy silikonowej o maksymalnej średnicy 7,5mm (0,295”).

Standardowe złącza żeńskie/męskie są wyposażone w ruchome śruby radełkowane z gniazdami sześciokątnymi przeznaczonymi do wkrętaków dynamometrycznych. Mocowanie o odwróconym działaniu, czyli z odwróconym kierunkiem blokowania, posiada kołki mocujące o długości 5,2mm do montażu tablicowego na obudowie. Mocowania blokujące wykonane są ze stali nierdzewnej odpornej na korozję.

Wtyczki do montażu tablicowego i montażu na kablu

Kona KA1-3010498M5 (ilustracja 5, po lewej) to męska wersja obudowy KA12010498F1 do montażu na kablu, która wykorzystuje styk wtykowy KA1-1410005 (ilustracja 5, po prawej).

Ilustracja 5: czterostykowa obudowa męska KA1-3010498M5 (po lewej) oraz wersja lutowana sześciopalcowego styku męskiego używana z obudową (po prawej). (Źródło ilustracji: Harwin Inc.)

Obudowy męskie lub wtykowe wykorzystują lutowaną wersję sześciopalcowego styku męskiego, który jest zaprojektowany do użycia tego samego przewodu 8AWG, co wersja żeńska. Ten model złącza wykorzystuje śruby radełkowane z blokadą odwrotną, które łączą się ze złączem żeńskim z mocowaniami o odwróconych elementach mocujących do montażu tablicowego. Dostępne są również standardowe mocowania blokujące.

Niewielkie rozmiary i waga

Fizyczne rozmiary złączy są niewielkie, biorąc pod uwagę ich wartości znamionowe 60A i 3000V (ilustracja 6).

Ilustracja 6: rysunek wymiarowy obudów gniazd Kona pokazuje ich niewielkie rozmiary. (Źródło ilustracji: Harwin Inc.)

Złącza czterostykowe mają długość (A) 50mm (1,97”), szerokość 12,5mm (0,49") i wysokość 18mm (0,71"). Obudowa kabla gniazda połączona z listwą wtykową ma wysokość 21,7mm (0,85") od płytki drukowanej. Połączona para elementów waży około 25g (0,88oz).

Standardy prowadzenia prób

Wszystkie konstrukcje złączy Kona zostały poddane próbom zgodnie z odpowiednimi sekcjami normy EIA-364. W ramach prób elektrycznych sprawdza się rezystancję zestykową, moc, napięcie wytrzymywane i rezystancję izolacji. Próby mechaniczne obejmują wstrząsy i drgania, siły wprowadzania i wyjmowania, wstrząs cieplny, wilgotność i rozpyloną słoną wodę. Specyfikacja dla drgań to przyspieszenie szczytowe 20g przez 12 godzin bez uszkadzania styku. Specyfikacja dla wstrząsów to przyspieszenie 100g przez 6ms bez uszkadzania styku.

Oprócz tolerancji na wstrząsy i drgania, dzięki której złącza są odpowiednie do podłączania zasilania pojazdów elektrycznych, złącza Kona spełniają wymagania NASA i ESA w zakresie odgazowywania, dzięki czemu idealnie sprawdzają się do zastosowań kosmicznych, lotniczych i w bezzałogowych statkach powietrznych (UAV).

Ekranowanie zakłóceń

Na potrzeby zastosowań, w których występują ograniczenia dotyczące zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) i zakłóceń o częstotliwościach radiowych (RFI), złącza Kona oferują szereg lekkich aluminiowych osłon tylnych zarówno do złączy kablowych, jak i listwowych (ilustracja 7).

Ilustracja 7: w celu ochrony przed zakłóceniami elektromagnetycznymi i zakłóceniami o częstotliwościach radiowych (EMI/RFI) dostępna jest aluminiowa osłona z elastycznym oplotem, przymocowanym do opaski zaciskowej. (Źródło ilustracji: Harwin Inc.)

Osłony tylne zostały zaprojektowane tak, aby mieściły odporny na przetarcie, elastyczny oplot metalowy i są wyposażone w opaski mocujące, do mocowania wspomnianego oplotu do osłony. Połączenie osłony tylnej i oplotu zapewnia ekranowanie i skuteczną ochronę przed zakłóceniami elektromagnetycznymi i zakłóceniami o częstotliwościach radiowych (EMI/RFI). Osłony tylne zapewniają również dodatkowe odciążenie kabli.

Narzędzia montażowe

Złącza Kona wymagają niewielu narzędzi. Ponieważ styki kablowe są lutowane, można je wciskać bez użycia narzędzi. Jeśli zajdzie potrzeba wyjęcia lub wymiany styku, dostępne jest narzędzie do wyjmowania. Do dokręcania lub luzowania nakrętek rowkowych na kołkach mocujących można również użyć wkrętaka.

Podsumowanie

Grupa niezawodnych złączy Kona o rastrze 8,5mm zapewnia integralność zasilania w najbardziej wymagających środowiskach. Złącza te zapewniają szybki i łatwy proces łączenia, który nie wymaga dodatkowych narzędzi. Są one idealne do zastosowań lotniczych, w bezzałogowych statkach powietrznych (UAV), satelitach, pojazdach elektrycznych i innych zastosowaniach z instalacjami dużej mocy, działającymi w ekstremalnych warunkach środowiskowych.