Výběr správného konektoru pro zajištění výkonové integrity v extrémních prostředích

S klesajícím napájecím napětím a úměrně rostoucími proudy zátěže vzniká nutnost minimalizace činných výkonových ztrát a úbytků napětí s ohledem na účinnost a regulaci tepla. Výkonové aplikace, například elektromobily (EV), letectví a kosmonautika a průmyslová elektronika, vystavují obvody také nárazům, vibracím a teplotním extrémům.

Konstruktéři si musí být těchto požadavků vědomi, aby zajistili výběr a správné použití napájecích konektorů, které jsou mechanicky odolné, zachovávají elektrickou integritu a pracují v rozšířeném teplotním rozsahu.

Tento článek pojednává o výběru a použití napájecích konektorů pro nejnáročnější prostředí a aplikace. Poté uvádí příklad napájecích konektorů od společnosti Harwin a ukazuje, jak lze tyto konektory využít k dosažení dokonalé výkonové integrity s nízkými ztrátami při současné záruce mechanické spolehlivosti.

Kritéria pro přenos vysokého výkonu

Přívody vysokého napětí s vysokým odběrem proudu k desce plošných spojů (PCB) vyžadují velkou péči. Nevyhovující spoje mohou způsobit ztráty napájení a neočekávané elektrické poruchy. Pokud je propojení navíc vystaveno extrémní teplotě, otřesům nebo vibracím, problémy se mohou znásobit. Výkonové konektory s nepřiměřenými jmenovitými proudy mohou přimět konstruktéry, aby k dosažení požadovaných úrovní proudu používali více kontaktů, což se projevuje ve větších rozměrech konektorů s více kontakty a potřebou větší plochy na desce plošných spojů. Více proudových cest také zvyšuje pravděpodobnost chybného zasunutí, což má za následek nadproud na jediném kontaktu. Řešením těchto problémů je použití výkonových konektorů se správným jmenovitým proudem v jednom kontaktu.

Uvažme konektory řady Kona od společnosti Harwin (obrázek 1). Tyto konektory jsou dimenzovány na proudovou zatížitelnost 60 A na kontakt a střídavé napětí až 3000 V (VAC) (po dobu 1 minuty) a střídavé (VAC) nebo stejnosměrné (VDC) napětí 1 500 V ve špičkách, dokonce i v prostředí s extrémními teplotami, nárazy a vibracemi.

Obrázek 1: napájecí konektory řady Kona zvládají zátěž až 60 A na kontakt při napětí 1500 VAC a různé verze zahrnují patici, montáž na panel a na kabel. (Zdroj obrázku: Harwin Inc.)

Konektory řady Kona jsou k dispozici v jednořadých pouzdrech se dvěma, třemi nebo čtyřmi kontakty. Konfigurace zahrnují patici na desku plošných spojů, montáž na panel a montáž samčího a samičího konektoru na kabel s různými uzamykacími uspořádáními. Tyto konfigurace lze používat v propojení kabel-deska nebo kabel-kabel.

Tyto konektory používají kontakty s roztečí 8,5 mm (0,335“ (in.)). Tato rozteč společně se samostatně zapuštěnými kontakty, z nichž každý je opláštěn polarizovanými kódovacími strukturami, zaručuje vysoké jmenovité napětí i proud každého konektoru. Tato konstrukce také pomáhá konektor chránit před náhodným poškozením v důsledku špatného spojení a náhodných fyzických rázů.

Tajemstvím vysokého jmenovitého proudu a spolehlivosti této řady konektorů je samčí kontakt se šesti lamelami (obrázek 2).

Obrázek 2: kontaktní kolík se šesti lamelami zajišťuje kvalitní spojení i v přítomnosti otřesů a vibrací pomocí kolmé kladné síly pružiny působící na vnitřní stěny samičího kontaktu. (Zdroj obrázku: Harwin Inc., upraveno)

Kontakty řady Kona vyrobené z beryliové mědi umožňující maximální rozsah provozních teplot -65 °C až 150 °C jsou potažené odolným, tvrdě kyselým zlatem zajišťujícím ochranu proti dlouhodobému působení nepříznivého prostředí. Kontakty jsou dimenzovány na 250 spojovacích operací, přičemž přechodový odpor spojeného páru je 2 mΩ nebo nižší. Úbytek napětí na páru kontaktů při maximálním jmenovitém proudu 60 A je pouhých 0,12 V.

Patice pro montáž na desku

Model KA1-MV10405M1 řady Kona od společnosti Harwin je příkladem čtyřkontaktní vertikální patice určené pro montáž na desku plošných spojů (obrázek 3).

Obrázek 3: patice Kona KA1-MV10405M1 je opatřena čtyřmi kontakty. Je zde znázorněna dobře viditelná identifikační značka pro kontakt 1 a montážní šrouby. (Zdroj obrázku: Harwin Inc.)

Tělo patice vyrobené z vysokoteplotního termoplastu se skleněnou výplní obsahuje čtyři zapuštěné samčí kontakty se šesti lamelami a s pájecím nástavcem do desky plošných spojů o délce 4,5 mm (0,185“). Správnou orientaci patice a identifikaci kontaktu 1 zajišťuje zřetelně viditelná embosovaná značka. Zámky šroubů s vnitřním závitem a šrouby pro montáž na desku poskytují protilehlý spoj připojeného konektoru, jakož i mechanickou montáž na desku plošných spojů pomocí drážkové matice KA1-4240000. K dispozici jsou patice s pravoúhlými a vodorovnými montážními kontakty a s alternativním zajišťovacím uspořádáním. Řešení typu make-before-lock (spojení před uzamčením) se používá k zamezení případného poškození během uzamykání.

Zásuvky pro montáž na kabel a na panel

Kona KA1-2010498F1 (obrázek 4, vlevo) je čtyřkontaktní těleso zásuvky pro montáž na kabel používající samostatné kontakty, například Kona KA1-0400005 od společnosti Harwin (obrázek 4, vpravo). Toto těleso lze spojovat s výše uvedenou čtyřkontaktní paticí KA1-MV10405M1.

Obrázek 4: znázornění tělesa čtyřkontaktní zásuvky KA1-2010498F1 (vlevo) s prodloužením opláštění a odpovídajícího pájecího samičího kontaktu (vpravo). (Zdroj obrázku: Harwin Inc.)

Samičí těleso pro montáž na kabel je opatřeno prodloužením opláštění s polarizačním kódováním, které zabraňuje náhodnému spojení s samčími kontakty zásuvky a zajišťuje elektrickou izolaci spojovaných kontaktů. Konektorový zásuvkový kontakt Kona KA1-0400005 používá pájené připojení ke kabelu. Kontakty jsou určeny pro přístrojový vodič o průřezu #8 AWG. Je doporučena izolace ze silikonové pryže o maximálním průměru 7,5 mm (0,295“).

Konektory standardního pohlaví jsou opatřeny plovoucími šrouby s ručním úchopem s vnitřním šestihranem pro momentové šroubováky. Materiál pro obrácenou montáž s převrácených směrem uzamykání zahrnuje 5,2mm šrouby pro montáž na přední panel skříně. Uzamykací prvky jsou vyrobeny z nerezové oceli odolné proti korozi.

Zástrčky pro montáž na kabel a na panel

Model KA1-3010498M5 řady Kona (obrázek 5, vlevo) je verze pouzdra KA1-2010498F1 pro montáž na kabel používající kolíkový kontakt KA1-1410005 (obrázek 5, vpravo).

Obrázek 5: znázornění čtyřkontaktního tělesa samčího konektoru KA1-3010498M5 (vlevo) a použité pájecí verze samčího kontaktu se šesti lamelami (vpravo). (Zdroj obrázku: Harwin Inc.)

Těleso zástrčky nebo zástrčky používá pájecí verzi samčího kontaktu se šesti lamelami navrženého pro stejný vodič o průřezu #8 AWG jako samičí verze. Tento model konektoru používá ruční zajišťovací šrouby pro obrácenou montáž, které se spojují se zásuvkou opatřenou prvky pro obrácenou montáž na panel. K dispozici jsou standardní uzamykací montážní prvky.

Malá velikost, nízká hmotnost

Vzhledem ke jmenovitým hodnotám 60 A a 3000 V je fyzická velikost konektorů malá (obrázek 6).

Obrázek 6: kótovaný výkres těles zásuvek Kona ukazuje jejich malé rozměry. (Zdroj obrázku: Harwin Inc.)

Čtyři kontaktní konektory mají délku (A) 50 mm (1,97“), šířku 12,5 mm (0,49“) a výšku 18 mm (0,71“). Těleso zásuvky na kabel spojené se zástrčkovou paticí má výšku 21,7 mm (0,85“) nad deskou plošných spojů. Spojený pár váží kolem 25 g (0,88 unce (oz)).

Zkušební normy

Konektory Kona všech konstrukcí byly testovány podle příslušných částí normy EIA-364. Elektrické testy zahrnují zkoušku přechodového odporu, výkonu, izolačního napětí napětí a izolačního odporu. Mechanické testy zahrnují rázové a vibrační zkoušky, měření vkládací a vytahovací síly, zkoušky tepelnými rázy, měření vlhkosti a zkoušku solnou mlhou. Předepsaná odolnost proti vibracím je 20g ve špičce po dobu 12 hodin (h) bez poruchy kontaktu. Podobně předepsaná odolnost proti nárazům je 100g po dobu 6 ms bez poruchy kontaktu.

Kromě odolnosti vůči nárazům a vibracím, díky které jsou konektory vhodné pro¨ napájení elektromobilů, splňují konektory Kona požadavky norem NASA a ESA na umožňování uvolňování částic, díky čemuž jsou ideální pro aplikace kosmonautiky, letectví a bezpilotních letounů (UAV).

Stínění proti rušení

Pro aplikace kladoucí omezení na elektromagnetické (EMI) a vysokofrekvenční rušení (RFI) nabízejí konektory Kona řadu lehkých zadních hliníkových pouzder pro připojení na kabel i k patici (obrázek 7).

Obrázek 7: jako ochrana proti rušení EMI/RFI slouží zadní hliníkové pouzdro s pružným opletením připevněným ke stahovacímu pásku. (Zdroj obrázku: Harwin Inc.)

Zadní pouzdra jsou navržena tak, aby vyhovovala pružnému kovovému opletu odolnému proti oděru a jsou dodávána se stahovacími pásky pro připevnění opletu ke pouzdru. Kombinace zadní pouzdra a opletení poskytuje stínění pro účinnou ochranu proti rušení EMI/RFI. Zadní pouzdra dále poskytují dodatečné odlehčení tahu pro kabely.

Montážní nástroje

Konektory Kona vyžadují jen minimum nástrojů. Vzhledem k tomu, že kontakty kabelu jsou připájené, lze je vložit zatlačením bez použití nástrojů. Pro případ potřeby odstranění nebo výměny kontaktu je k dispozici vyjímací nástroj. Drážkované matice na montážních šroubech lze také utáhnout nebo povolit šroubovákem.

Závěr

Řada vysoce spolehlivých konektorů řady Kona s roztečí 8,5 mm zajišťuje integritu napájení v nejnáročnějších prostředích. Tyto konektory poskytují rychlé a snadné spojování nevyžadující další nástroje. Jsou ideální pro letectví, bezpilotní letouny (UAV), satelity, elektromobily a další aplikace s výkonovými systémy pracujícími v extrémních prostředích.