Leiterplatten-Steckverbinder Fachwissen: Mehr als ein Leiterplattenanschluss

Neue Gerätegenerationen erfordern zunehmend den Einsatz von Hochstromleiterplatten. Diese stellen auch die Antriebs- und Automatisierungstechnik vor neue Herausforderungen, bei denen...

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SAB Bröckskes GmbH & Co KG

Beta LAYOUT GmbH

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

PHOENIX CONTACT Deutschland GmbH

Vielseitigkeit prägt die elektrischen Betriebsmittel der Leistungselektronik. Ob Drehstromumrichter, Wechselrichter oder Frequenzumrichter – das Gerät entzieht dem elektrischen Netz Energie, bereitet diese auf und führt sie einem Verbraucher zu, z.B. dem Elektromotor. Damit muss die Netzenergie früher oder später auf die Leiterplatte, das Kernstück eines Geräts, geführt werden. Neue Gerätegenerationen sollen in der Regel kompakter, leistungsfähiger, servicefreundlicher sowie wirtschaftlicher sein. Folglich werden Hochleistungsleiterplatten mit geeigneten Leiterplattenanschlüssen benötigt. In Zusammenarbeit mit den Leiterplattenherstellern AT&S mit Sitz in Leoben, Österreich sowie Korsten & Goossens aus Haan hat Phoenix Contact verschiedene Leiterplattenlayouts für einen vierpoligen Hochstromanschluss entwickelt. Die Printklemme MKDSP 25 kann Ströme bis 125 A auf die Leiterplatte übertragen. Es lassen sich Leiter mit Querschnitten bis 35 mm2 per Schraubanschluss kontaktieren. Betrachtet werden zwei Layouts: Ein Vier-Lagen-Multilayer, mit 400 µm Schichtdicke auf den beiden Innenlagen und 105 µm Schichtstärke auf den Außenlagen sowie ein Design, das einer in die Leiterplatte integrierten Stromschiene ähnelt. Dazu wurden bis 3 mm dicke, massive Kupferkerne in die Leiterplatte eingebettet. Beide Layouts wurden gemeinsam mit der Hochleistungsprintklemme MKDSP 25 Löttests und Stromtragfähigkeitsprüfungen unterzogen – mit positivem Ergebnis. Ohne zusätzliche Kühlvorrichtungen wurde für beide Layout-Varianten bei einem Leiterbahnquerschnitt von 10 mm2 eine maximale Erwärmung von rund 40 K gemessen. Das ist eine durchaus zulässige und praxisnahe Temperaturerhöhung.Bei Teilbestückung und Leiterbahnquerschnitten bis 16 mm2 reduzierte sich der Temperaturanstieg auf etwa 25 K. Da man als mögliche Schwachstelle einer solchen Anordnung die Lötverbindung zwischen den Pins und der Platine vermutete, prüfte man diese Bereiche besonders intensiv. Beispielsweise wurden unterschiedliche Geometrien für Wärmefallen an den Lötstellen getestet. Unter Berücksichtigung der RoHS-Richtlinien erwies sich sowohl die Bleifrei-Lötung der Pins als auch die Temperaturentwicklung an den Pads als unproblematisch. Auf diese Weise konnte man nachweisen, dass sich auch hohe Ströme bis 125 A technisch einwandfrei und zudem wirtschaftlich mit Printklemmen auf eine Leiterplatte übertragen lassen.Beide vorgestellten Leiterplattenlayouts ermöglichen durch die Kombination mit herkömmlichen Signallagen die Integration von Leistungsbauteilen und beispielsweise SMD-Bauelementen auf einer Leiterplatte. Letztlich hängt die Entscheidung für die eine oder andere Leiterplattentechnologie von den Rahmenbedingungen ab.Hohe Anforderungen an die Komponenten: Was ist bei der Auswahl wichtig?Um die Eignung einzelner Leiterplattenanschluss-Komponenten zu beurteilen, sind Strom-Temperatur-Kurven am aussagefähigsten. Dabei ist zwischen Strombelastbarkeitskurven und Deratingkurven zu unterscheiden. Strombelastbarkeitskurven – typisch für das Temperaturverhalten einer Printklemme – werden auch als Basiskurve bezeichnet. Sie stellt den maximalen Strom in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur dar. In Deratingkurven, die in der Regel für Steckverbinder zum Einsatz kommen, ist häufig ein Deratingfaktor verborgen. Dieser Faktor kann abhängig von der Anwendung variieren. Beispielsweise ist es in der Automobilbranche üblich, die Temperatur mit einem Faktor von 1,2 aufzuzeichnen, da Sicherungen mit einem Sicherheitsfaktor von 0,8 vorgeschaltet sind. Gemäß der VDE-Richtlinie sollen die Temperatur eins-zu-eins und die Stromtragfähigkeit mit einem Reduktionsfaktor von 0,8 in die Deratingkurven eingehen. Damit wird ein Sicherheitsbereich von 20% geschaffen. Auf diese Sicherheit legt man auch in Blomberg großen Wert. Insbesondere bei Steckverbindern, deren Übergangswiderstände durch häufiges Stecken und Ziehen leiden können, wird mit dem eingeflossenen Deratingfaktor eine entsprechende Sicherheit erreicht.Welcher Leiterplattenanschluss verwendet werden kann, hängt nicht nur vom Strom, sondern ebenso von der anliegenden Spannung ab. Im Rahmen der Internationalisierung gewinnen zunehmend die amerikanischen UL-Zulassungen an Bedeutung. Viele Gerätehersteller fordern eine uneingeschränkte 600-V-UL-Zulassung in der industriellen Usegroup C. Die Leiterplattenanschlüsse Combicon Power erfüllen diese Anforderung. Diese Produktfamilie umfasst Steckverbinder und Printklemmen. Gretchenfrage: Welcher Leiterplattenanschluss ist der Richtige?Steckverbinder: Der Steckverbinder PC 4 HV mit Schraubanschluss für Leiterquerschnitte bis 4 mm2 überträgt Ströme von 20 A bei 600V UL (800 V VDE). Bei den Steckverbindern des Typs PC 5 erfolgt der Leiteranschluss mittels Schraube, beim Typ SPC 5 werkzeuglos mittels Federkraft im Direktsteckverfahren. Diese Steckverbinder sind für Leiterquerschnitte bis 10 mm2 geeignet und verfügen über eine Stromtragfähigkeit von 41 A sowie 600 V UL bereits im Rastermaß von 7,62 mm. Die Direktsteck-Anschlusstechnik des Typs SPC 5 wird ebenfalls beim Steckverbinder SPC 16 verwendet. Im Rastermaß 10,16 mm sowie Anschlussquerschnitten bis 16 mm2 lassen sich Ströme bis 76 A übertragen Zum Steckverbindersystem PC 16 gehört unter anderen die Durchführungsvariante DFK-PC 16. Dabei wird der Steckverbinder direkt in eine Gehäuseöffnung des Geräts mithilfe einer werkzeuglosen Rastverriegelung eingesetzt und befes-tigt. Auf diese Weise lässt sich ein lückenloser Geräteeingang oder -ausgang realisieren.Printklemmen: Die Printklemme ZFKDS 10 im Rastermaß 15 mm hat einen Federkraftanschluss sowie die uneingeschränkte 600-V-UL-Zulassung. Sie kann Ströme bis 76 A übertragen.Bei der Printklemme MKDSP 10 HV erfolgt der Anschluss von Leitern mit Querschnitten bis 16 mm2 über eine Schraube. Im Raster von 12,7 und 10,16 mm hat diese Printklemme die 600-V-UL-Zulassung. Sie zeichnet sich zudem durch einen integrierten Prüfabgriff aus.Elektromagnetische StörfestigkeitDer Schraubanschluss der Printklemme MKDSP 25 ist für Leiterquerschnitte bis 35 mm2 geeignet und kann Ströme bis 125 A auf die Leiterplatte übertragen. Im Raster 15 mm ist diese Printklemme gemäß 600-V-UL zugelassen.Aufgrund der unterschiedlichen Signalformen ist insbesondere in der Antriebstechnik die elektromagnetische Verträglichkeit von entscheidender Bedeutung. Ziel muss es daher sein, alle Regeln zum Vermeiden von Störungen einzuhalten sowie eine EMV-gerechte Installation vorzunehmen. Damit der Leiteranschluss dabei keine Schwachstelle bildet, bieten die Leiterplattenanschlüsse Combicon Power eine praxisgerechte Lösung: Bei den so genannten Shieldvarianten in den Leistungsklassen von 20 (4 mm2) bis 76 A (16 mm2) ist an den Steckverbindern ein Metall angebracht, das für eine großflächige Auflage der Schirmungsleitung sorgt. Elektrische Störeinflüsse werden folglich vermieden. Durch die im Steckerflansch integrierte Schraube erfolgt zudem ein optimales Anbinden an die Metallfront des Geräts. Wird ein Kunststoffgehäuse verwendet, lässt sich die Schirmungsfunktion mit einem Zusatzmetall ins Geräteinnere und damit auf die Leiterplatte ableiten.

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