Hochleistungssteckverbinder Das müssen Steckverbinder für hohe Ströme können

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Die Auswahl des richtigen Steckverbinders für hohe Stromstärken ist nicht trivial. Die Steckverbinder müssen mechanisch robust sein, die elektrische Integrität aufrechterhalten und über einen erweiterten Temperaturbereich funktionstüchtig sein.

Da die Versorgungsspannungen sinken und die Lastströme proportional dazu steigen, müssen die ohmsche Verluste und die Spannungsabfälle minimiert werden, um den Wirkungsgrad zu erhalten und die Wärmeentwicklung zu minimieren. Bei Anwendungen in der Elektromobilität, Luft- und Raumfahrt und Industrie sind Schaltungen auch Stößen, Vibrationen und extremen Temperaturen ausgesetzt.

Diese Anforderungen müssen bei der Auswahl von Leistungssteckverbindern berücksichtigt werden. Dieser Artikel befasst sich mit der Auswahl und dem Einsatz von Steckverbindern für die Stromversorgung in Anwendungen unter harschen Umgebungsbedingungen am Beispiel der Kona-Reihe von Harwin.

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Überlegungen zu Hochleistungs-Steckverbindungen

Das Anschließen von hohen Strömen und hohen Spannungen an eine Leiterplatte erfordert große Sorgfalt. Schlechte Verbindungen können zu Leistungsverlusten und unerwarteten Stromausfällen führen. Wenn die Verbindung zudem extremen Temperaturen, Stößen oder Vibrationen ausgesetzt ist, können sich die Probleme vervielfachen. Bei Leistungssteckverbindern mit unzureichender Nennstromauslegung müssen mehrere Kontakte für die vorgegebenen Stromstärken verwendet werden, was zu größeren Steckverbindern mit zusätzlichem Platz auf der Leiterplatte führt. Mehrere Strompfade erhöhen auch die Wahrscheinlichkeit eines unsachgemäßen Einsteckens, was zu einem Überstrom an einem einzelnen Kontakt führt.

Die Steckverbinder von Harwins Kona-Serie sind für 60 A pro Kontakt und bis zu 3.000 V AC (max. 1 min) und 1.500 VAC oder VDC in der Spitze ausgelegt, selbst unter extremen Temperatur-, Schock- und Vibrationsbedingungen.

Die Steckverbinder sind in einreihigen Bauformen mit zwei, drei oder vier Kontakten erhältlich. Zu den Konfigurationen gehören Steckleisten, Steckverbinder für die Schaltschrankbefestigung und Kabelsteckverbinder mit Stecker und Buchse und verschiedenen Verriegelungsoptionen. Sie können für die Verbindung von Kabeln an die Leiterplatte oder Kabel zu Kabel verwendet werden.

Die kodierten Steckverbinder im Raster 8,5 sind für hohe Spannungen und Ströme ausgelegt. Sie sind blind steckbar und widerstehen Stoßbelastungen. Für eine hohe Zuverlässigkeit sorgen der sechsfingrige Kontaktstifte (Bild 2).

Die Kontakte bestehen aus Berylliumkupfer, das einen maximalen Betriebstemperaturbereich von –65 bis 150°C ermöglicht. Die Kontakte sind mit Hartgold beschichtet, das eine hohe Abriebfestigkeit gewährleistet. Die Lebensdauer ist für 250 Steckvorgänge ausgelegt, der Kontaktwiderstand eines gesteckten Paares beträgt 2 mΩ, der Spannungsabfall über dem Kontaktpaar bei einem Nennstrom von 60 A 0,12 V.

Leiterplattensteckverbinder

Der Steckverbinder KA1-MV10405M1 ist ein Beispiel für einen Leiterplattensteckverbinder mit vier Kontakten (Bild 3). Das Gehäuse des Leiterplattensteckverbinders besteht aus einem glasfaserverstärten Hochtemperatur-Thermoplast und umfasst vier versenkte sechsfingrige Kontaktstifte im Raster 4,5 mm. Eine deutlich sichtbare, geprägte Markierung viualisiert die Ausrichtung der Steckleiste und den Kontakt 1.

Schrauben mit Innengewinde und Bolzen für die Leiterplattenmontage sorgen für die Sicherung der Buchse sowie für die mechanische Befestigung auf der Leiterplatte mit der geschlitzten Leiterplattenmontagemutter KA1-4240000. Steckleisten mit rechtwinkligen, horizontalen Montagekontakten und alternativen Sicherungsanordnungen sind erhältlich. Das „Make-before-lock“-Verfahren wird eingesetzt, um mögliche Schäden während des Sicherungsvorgangs zu vermeiden.

Buchsen für die Kabel- und Schaltschrankmontage

Die Buchse KA1-2010498F1 (Bild 4, links) ist ein kabelseitiges Buchsengehäuse mit vier Kontakten, das separate Kontakte verwendet, wie den Kontakt KA1-0400005 von Harwin (Bild 4, rechts). Diese Buchse kann mit der oben vorgestellten Steckleiste KA1-MV10405M1 mit vier Kontakten gesteckt werden.

Das Buchsengehäuse umfasst Kragenverlängerungen mit Polarisierung, die ein Fehlstecken verhindern und die elektrische Isolierung des Kontaktpaares gewährleisten. Die Buchse KA1-0400005 ist mit dem Kabel verlötet. Die Kontakte sind für Kabel der Stärke AWG 8 ausgelegt. Empfohlen wird eine Isolierung aus Silikonkautschuk mit einem maximalen Durchmesser von 7,5 mm.

Die Steckverbindergehäuse sind mit schwimmend gelagerten Rändelschrauben mit Innensechskantaussparungen für Drehmomentschraubendreher ausgestattet. Umgekehrte Befestigungselemente mit umgekehrter Verriegelungsrichtung haben 5,2 mm lange Befestigungsstifte für die Frontplattenmontage am Gehäuse. Die Schraubsicherung besteht aus korrosionsbeständigem Edelstahl.

Steckverbinder für die Kabel- und Schaltschrankmontage

Der Steckverbinder KA1-3010498M5 (Bild 5, links) ist die kabelseitige Version des Gehäuses KA1-2010498F1 und verwendet den Kontaktstift KA1-1410005 (Bild 5, rechts).

Der Steckverbinder verwendet die Lötversion des sechsfingrigen Kontaktstift, der für die Verwendung desselben AWG-Kabels wie die Buchse ausgelegt ist. Diese Version ist zur Sicherung mit rückwärts gerichteten Rändelschrauben ausgestattet, die für die Schaltschrankmontage passen.

Die Steckverbinder mit vier Kontakten haben eine Länge von 50 mm, eine Breite von 12,5 mm und eine Höhe von 18 mm (Bild 6). Die Buchse hat eine Höhe von 21,7 mm. Das Steckverbinderpaar wiegt etwa 25 g.

Prüfungen und Störschutz

Alle Steckverbinder der Kona-Reihe wurden gemäß der Norm EIA-364 getestet. Die elektrischen Prüfungen umfassen Kontaktwiderstand, Leistung, Spannungsfestigkeit und Isolationswiderstand. Die mechanischen Tests umfassen Stöße und Vibrationen, Steck- und Ziehkräfte, Temperaturschock, Feuchtigkeit und Salzsprühnebel. Die Vibration ist auf 20 g Spitze für 12 h ohne Kontaktfehler ausgelegt. Die Schockresistenz liegt bei 100 g für 6 ms ohne Kontaktfehler.

Zusätzlich zu ihrer Schock- und Vibrationstoleranz, die die Steckverbinder für EV-Stromanschlüsse eignen, erfüllen die Steckverbinder die Ausgasungsanforderungen der NASA und ESA, was sie für Anwendungen in der Raumfahrt, der Avionik und für unbemannte Luftfahrzeuge (UAV) eignet.

Für Anwendungen, bei denen elektromagnetische Störungen (EMV) und Hochfrequenzstörungen (RFI) eine Rolle spielen, bietet der Hersteller Aluminiumgehäuse und Kabelgeflechte (Bild 7).

Die Steckverbindergehäuse nehmen einen Kabelschirm auf, der mit Sicherungsbändern (Schirmbändern) geliefert wird, mit denen das flexible Metallgeflecht am Gehäuse befestigt wird. Die Kombination aus Gehäuse und Kabelschirm bietet einen wirksamen EMV/RFI-Schutz und eine zusätzliche Zugentlastung für die Kabel.

Da die Kabel verlötet sind, können die Steckverbinder durch Einschieben ohne Werkzeug eingesetzt werden. Für den Fall, dass ein Kontakt entfernt oder ausgetauscht werden muss, ist ein Extraktionswerkzeug erhältlich. Ein Schraubendreher kann zum Anziehen oder Lösen der Schlitzmuttern an den Befestigungsbolzen verwendet werden.

Fazit: Die hochzuverlässige Kona-Steckverbinderfamilie im Raster 8,5 mm gewährleistet die Integrität der Stromversorgung auch in anspruchsvollen Umgebungen. Die Steckverbinder lassen sich schnell und einfach stecken ohne Werkzeug. Sie eignen sich für Anwendungen in den Bereichen Avionik, UAVs, Satelliten, Elektrofahrzeuge. (kr)

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* Rolf Horn ist Applikationsingenieur bei DigiKey Deutschland.

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