Jak mohou silové svorky bezpečně dodávat energii a zároveň snižovat čas montáže a ztráty energie

Konstruktéři průmyslových systémů stále více využívají výhod elektronického řízení, protože jejich cílem je vysoká účinnost. S elektronickým řízením přichází potřeba stále menších tvarových faktorů, které šetří místo a snižují náklady. Se zmenšováním tvarových faktorů zmenšují však konstruktéři čelí rostoucím výzvám spojeným se silovým připojením. Silové konektory desek plošných spojů a napájecí vedení vyžadují silné a odolné připojení, a proto se nemohou zmenšovat stejnou rychlostí jako digitální elektronika. Kromě toho musí být tato spojovací místa s vysokou proudovou zatížitelností přátelská k procesu výroby desky plošných spojů, ať už se jedná o povrchovou montáž nebo průchozí otvor. Tyto problémy je nutné vyřešit při současném zvládnutí napnutých rozpočtů a kratší doby uvedení na trh.

Pro splnění těchto požadavků musí vývojáři výkonové elektroniky věnovat zvláštní pozornost konstrukci a výběru silových svorek pro desky plošných spojů a jejich montáži. Silové svorky mohou také vyžadovat přídavný čas na montáž, aby bylo zaručeno pevné pájené připojení.

Tento článek stručně pojednává o problémech spojených se silovými svorkami. Ukáže, jak mohou konstruktéři výkonových desek plošných spojů výhodně využívat specializované silové svorky pro tyto desky. Na příkladech řešení od společnosti Würth Elektronik ukáže, jakým způsobem mohou vhodné svorky spolehlivě přenášet vysoký proud mezi systémy a jak mohou urychlit automatickou montáž při zajištění vysoké mechanické stability a velmi malého přechodového odporu.

Jak svorky způsobují ztráty energie

Konstruktéři průmyslových systémů často potřebují dodávat a řídit vysoké proudy v rozsahu stovek A. Silové svorky dodávající energii do systému jsou často na stejné desce plošných spojů, jako digitální řídicí elektronika. Se zvyšující se integrací řídicích polovodičů se plocha desek plošných spojů zmenšuje. Tento zmenšující se tvarový faktor představuje tři problémy pro konstruktéry vysoce výkonné elektroniky.

Prvním problémem je zohlednění extrémů okolního prostředí, pokud jde o teplotu, vlhkost a plyny na elektronice desky plošných spojů. Pokud nejsou silové spoje vzduchotěsné, mohou plyny v důsledku průmyslových procesů způsobit jejich oxidaci nebo korozi, což vede k neúčinnosti s následnými možnými výkonovými ztrátami nebo poruchami zařízení. Tyto problémy lze obtížně diagnostikovat a někdy je nelze detekovat ani při nejpečlivější vizuální kontrole.

Druhým problémem je řešení účinnosti výkonových připojení. Se stoupající úrovní výkonu může i nejmenší nárůst odporu spoje může vést ke ztrátě výkonu se znatelným zvýšením generování tepla. Podle Ohmova zákona může 25,0A svorka s nevyhovujícím pájeným spojem, který způsobuje odpor pouhých 0,050 Ω, generovat na spoji ztrátu (25,0² x 0,050) = 31,25 W. Kromě ztrát může generované teplo snížit životnost okolní elektroniky. V nejhorším případě by teplo mohlo způsobit popáleniny nebo požár.

Třetím problémem je zajistit, aby silové svorky byly kompatibilní s výrobní metodou používanou k montáži desky plošných spojů. U velkoobjemové výroby desek plošných spojů je u všech komponent upřednostňována povrchová montáž. Ve srovnání s průchozím otvorem sestava pro povrchovou montáž kombinuje zkrácené doby montáže s nižšími náklady na pracovní sílu při zachování kvality. Svorky na desky plošných spojů pro povrchovou montáž jsou však omezeny, pokud jde o schopnost přenášet proud na jednotlivé svorky. Průchozí svorky do desek plošných spojů pro pájení přetavením mohou snadno přenášet vyšší proud, než svorky pro povrchovou montáž a zároveň poskytovat velmi vysokou mechanickou stabilitu. Avšak montážní linka desek plošných spojů průchozím otvorem nebo kombinovaných desek může vyžadovat dvojnásobnou podlahovou plochu, jakož přídavný čas na práci a montáž ve srovnání se deskami povrchovou montáží, čímž se tato metoda montáže stává nákladnější.

Bez ohledu na proces montáže musí být zachována kvalita a pro montážní linku to znamená orientaci na snižování chyb. V tomto ohledu může být průchozí otvor spolehlivější pro silové svorky, protože díky jejich charakteru je méně pravděpodobné, že během procesu pájení přetavením vyskočí. Protože silové svorky pro povrchovou montáž vyžadují větší půdorysy, je důležité, aby byla pájecí pasta nanášena rovnoměrně na celou pájecí podložku. Pokud je podložka nerovnoměrná, během přetavování pájky se nerovnoměrně zahřívá, což způsobí zdvih jednoho konce svorky a vznik efektu tombstoning u součástky s povrchovou montáží.

Energeticky účinné silové svorky

Jako odpověď na potenciální problémy se silovými svorkami vyvinula Společnost Würth Elektronik produktovou řadu svorek REDCUBE podporující vysokou proudovou zatížitelnost a flexibilní možnosti výroby. Svorky jsou nízkoprofilové, což umožňuje rychlejší odvod tepla do okolí a zároveň větší proudění vzduchu do bezprostředního okolí, což zvyšuje chlazení okolní elektroniky. Svorky REDCUBE jsou navrženy na extrémně nízký odpor pájených spojů, čímž mohou dodávat proud až 500 A s velmi nízkými ztrátami energie nebo generováním tepla.

Linka podporuje výrobní proces desek plošných spojů pro povrchovou montáž, přetavení průchozím otvorem a lisování. To umožňuje konstruktérům desek plošných spojů průmyslových systémů standardizovat svorky od jednoho dodavatele, usnadňuje jejich vizuální identifikaci během různých výrobních procesů a zjednodušuje nákup.

Silové svorky pro povrchovou montáž

Pro kompatibilitu s výrobou desek plošných spojů pro povrchovou montáž (SMD) mohou konstruktéři využívat skupinu průmyslových svorek REDCUBE SMD od společnosti Würth. Tyto svorky podporují plně automatizovanou montáž na povrch s důrazem na minimální tvorbu tepla. Svorky podporují zatížitelnost elektrického propojení mezi deskami až 85 A.

Příklad součástky 7466003R se závitem M3 a jmenovitou zatížitelností 50 A při 20 °C (obrázek 1). Svorka má malý půdorys o průměru 8,3 milimetru (mm). Kruhový půdorys zlepšuje výnosnost výroby snížením efektu tombstoning díky rovnoměrnému rozložení hmotnosti svorky a odstranění ostrých rohů, ke kterým by nemusela proniknout pájecí pasta. Tělo svorek REDCUBE SMD 7466003R je vyrobeno z vysoce odolné pocínované mosazi a je dimenzováno na teploty od -55 °C do + 150 °C.

Obrázek 1: Průmyslová svorka REDCUBE SMD 7466003R má malý 8,3mm půdorys a je dimenzována na bezpečné zatížení až 50 A. Je dodávána s připojeným oranžovým mylarovým jazýčkem, který před umístěním na desku plošných spojů pro povrchovou montáž odstraní automatické osazovací zařízení. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)

Aby bylo zajištěno co nejlepší spojení při současném snižování tepla, doporučuje se závit M3 spojit se šroubem a svorkou, které jsou rovněž pocínované. Díky tomu je svorka 7466003R kompatibilní s většinou silových svorek a šroubů. Oranžový mylarový jazýček chrání stranu určenou k pájení proti nečistotám a otiskům prstů před montáží. To pomáhá zajistit kvalitní pájený spoj povrchové montáže s minimálním přechodovým odporem. Doporučuje se také, aby před spojením svorky s pocínovaným šroubem byla zajištěna ochrana závitu M3 a horní část svorky před jakýmikoli nečistotami, které by mohly ovlivnit přechodový odpor vloženého šroubu a jazýčku. To zahrnuje nedotýkání se horní část závitu prsty.

Svorky desek plošných spojů s průchozími otvory

Pro průmyslové aplikace, které vyžadují komponenty s průchozími otvory, nabízí společnost Würth skupinu svorek REDCUBE THR. Tyto svorky podporují automatickou montáž na desky plošných spojů pro přetavení průchozím otvorem. Například74651195R je devítipinová rovná šroubová svorka s průchozím otvorem a pocínovaným závitem M5, navržená k uchycení kabelového poutka zajištěného maticí (obrázek 2). Má rozsah provozních teplot -55°C až +150°C a je dimenzována na zatížení 85 A při 20 °C.

Obrázek 2: Svorka REDCUBE THR 74651195R je dimenzována na 85 A při 20 °C a má přímou šroubovou svorku M5. Devět pinů desky plošných spojů zajišťuje mechanickou stabilitu proti smykovým a trhacím silám. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)

Devět pinů svorky 74651195R je uspořádáno v mřížce 3 x 3, která je navržena pro optimální pájitelnost a mechanickou odolnost proti roztržení a střižným silám. Svorka 74651195R tvořena pocínovaným mosazným masivem, což jí dovoluje vyšší proudovou zatížitelnost a lepší toleranci točivého momentu v porovnání s lisovanými svorkami. Díky této konstrukci je model 74651195R dobrou volbou pro vysoce výkonné průmyslové aplikace, kde lze připojený kabel táhnout z jakéhokoli úhlu.

Svorka 74651195R je nízkoprofilová s celkovou výškou 10 mm nad deskou plošných spojů se šroubem o délce 7 mm. Toto provedení podporuje standardní kabelové úchytky M5 a pojistné matice s malým závitem, což umožňuje snadné proudění vzduchu kolem svorky pro zvýšení chlazení.

Lisované svorky pro velmi vysokou proudovou zatížitelnost

Pro potřeby napájení a průmyslové aplikace vyžadující velmi vysokou proudovou zatížitelnost vyvinula společnost Würth produktovou řadu REDCUBE PRESS-FIT se jmenovitou zatížitelností do 500 A. Tyto svorky nepoužívají pájení přetavením nebo vlnou. Místo toho je svorka mechanicky zalisována do pájecích otvorů v desce plošných spojů. Tření vytvořené zalisováním svorky do otvorů desky plošných spojů vytváří studené svarové spojení, které je plynotěsné s kontaktním odporem pouhých 200 mikroohmů (µΩ).

Příkladem řešení je šroubová svorka 7461090 se závitem M8 (obrázek 3). Svorka je dimenzována na zatížení 350 A při 20 °C s rozsahem provozních teplot -55 °C až +150 °C. Aby svorka 7461090 takovou zátěž unesla, je opatřena 20 lisovacími piny, které nevyžadují pájení žádnou tepelnou metodou. Metoda lisování používá stejné otvory v desce plošných spojů, jako součásti do průchozích otvorů, což odstraňuje veškeré problémy s pájitelností, jako jsou studené spoje. 20 lisovaných pinů navíc nemusí přesahovat přes desku plošných spojů, jako je tomu u součástí pájených do průchozích otvorů, a mohou být dokonce zakončeny uvnitř desky bez jakýchkoli pájecích zakončení. To pomáhá zabránit náhodnému zkratu na silovou svorku pod deskou plošných spojů, čímž se zvyšuje bezpečnost systému.

Obrázek 3: Průmyslová šroubová svorka REDCUBE PRESS-FIT 7461090 je nalisována do otvorů na desce plošných spojů bez použití pájení metodou vlny nebo přetavení. Její jedinečná konstrukce zajišťuje velmi malý kontaktní odpor, který umožňuje přenášet proudy až 350 A. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)

Profil pocínovaného závitu M8 je 13,5 mm. Pro dodávku maximálního proudu s minimálním kontaktním odporem je potřeba zvolit pocínovaný šroub tak, aby sestavený šroub procházel kabelovým očkem a v maximální délce též skrze svorku REDCUBE bez kontaktu s deskou plošných spojů. To poskytuje maximální kontaktní plochu pro celou délku šroubové svorky.

Před montáží je důležité zabránit kontaktu jakýchkoli nečistot nebo prstů se závitem nebo horní částí svorky, protože i nejmenší odpor vlivem nečistot může při proudu 350 A generovat nebezpečné množství přebytečného tepla.

Zásuvné svorky pro snadné připojení a odpojení

Někdy je potřeba průmyslový výkonový systém snadno překonfigurovat a znovu připojit mezi různými zdroji. Pro tyto aplikace nabízí společnost Würth skupinu lisovaných průmyslových svorkových zásuvek REDCUBE PLUG . Jedná se o lisovanou svorku, která nabízí pohodlí bezšroubového připojení se zatížitelností až 120 A.

Například svorka REDCUBE PLUG 7464000 zvládne zátěž až 120 A při 20 °C v rozsahu provozních teplot -45 °C až + 125 °C (obrázek 4). Tato svorka REDCUBE PLUG se skládá z pocínované zásuvky ze slitiny mědi uzavřené v červeném plastovém pouzdře vyztuženém skleněnými vlákny. Chcete-li do zásuvky o průměru 6,2 mm zasunout kompatibilní zástrčku, je nutno horní část krytu ručně zatlačit do desky plošných spojů. Tím se plně odkryje zásuvka pro snadné zasunutí pocínované zástrčky. Uvolněním horní části krytu se zástrčka zafixuje na místě.

Obrázek 4: Zásuvka REDCUBE PLUG 7464000 je lisovaná svorka dimenzovaná na 120 A při 20 °C. Poskytuje snadné připojení a odpojení silových zástrček, čímž je vhodná pro rekonfigurovatelná řešení napájení. (Zdroj obrázku: Würth Elektronik)

Zásuvka REDCUBE PLUG 7464000 je také vhodným řešením pro oblasti s malým prostorem nad hlavou, které by znesnadňovaly připojení šroubu nebo matice. Díky jasně červené barvě je zástrčka snadno identifikovatelná na přeplněné desce plošných spojů. Má 12 těsně rozložených nalisovaných pinů uspořádaných do mřížky 3 x 4. Model 7464000 poskytuje maximální kontaktní odpor 1 mΩ, čímž je vhodný pro aplikace s velmi vysokou proudovou zatížitelností.

Závěr

Se zvyšující se integrací konstrukcí musejí vývojáři vysoce výkonných systémů nalézt rovnováhu mezi účinnou dodávkou energie s nízkými ztrátami a snadnou montáží. Díky tomu je výběr vhodných průmyslových svorek s vysokou proudovou zatížitelností pro desky plošných spojů zvlášť důležitý. Konstruktéři musejí znát proces montáže desky, velikost proudu, kterému svorka bezpečně odolá, a způsob připevnění na desku plošných spojů.

Jak je znázorněno, průmyslové svorky s flexibilními možnostmi montáže umožňují konstruktérům standardizovat jednu produktovou řadu, což zjednodušuje nákup a interoperabilitu. To umožňuje průmyslovým systémům bezpečně dodávat energii a současně zvyšovat výnosy z výroby minimalizací chyb při montáži, což má za následek kratší časy montáže a nižší náklady.