Empowering the All Electric Society Leiterplattenanschlusstechnik bis 1.500 Volt und 232 Ampère

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IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Hohe Spannungen bergen verschiedene Herausforderungen. Das betrifft nicht nur die geforderten Luft- und Kriechstrecken. Die Anforderungen an die Kunststoffe können konträr zu den technischen Eigenschaften sein, die sonst im Markt gefordert sind.

Die Eindämmung des Klimawandels und die nachhaltige Nutzung von Ressourcen fordern elektrische Lösungen und die Abkoppelung von fossiler Energie. Um diese elektrischen Lösungen zu realisieren, sind immer leistungsstärkere Geräte und Applikationen nötig. Ein effizienter und platzsparender Leistungsanschluss auch bei hohen Strömen und Spannungen von Leiterplattenkomponenten ist einer der Bestandteile nachhaltiger Produktlösungen für die All Electric Society (AES).

Das Zukunftsbild der All Electric Society beschreibt eine Welt, in der regenerativ erzeugte elektrische Energie als primäre Energieform weltweit in ausreichendem Maße und vollständig wirtschaftlich zur Verfügung steht. Grundlage dafür ist neben umfassender Vernetzung und Automatisierung die Elektrifizierung aller Sektoren von Wirtschaft und Infrastruktur.

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Ziel dabei ist, wo immer möglich, Energie aus fossilen Quellen durch regenerativ erzeugten Strom zu ersetzen und gleichzeitig eine umfassende, effiziente Infrastruktur für den Energietransport bereitzustellen. Das senkt CO₂-Emissionen nicht nur beim Verbrauch, sondern auch bei der Verteilung der Energie. Zudem lassen sich elektrifizierte Anlagen einfacher in größere, datentechnische Systeme einbinden und automatisiert steuern. Die Elek­trifizierung ist daher stets die Voraussetzung zur Kopplung sämtlicher Lebens- und Arbeitsbereiche im Sinne der All Electric Society.

Für die Elektrifizierung der Welt werden neue Geräte, Applikationen und individuelle elektrische Lösungen benötigt. Ob Photovoltaikapplikationen, Steuerungen für Windkraftanlagen oder Lösungen für die Ladeinfrastruktur: Zukunftsfähige Geräte sollen immer kompakter aber zeitgleich auch leistungsfähiger werden. Somit ist an vielen Stellen ein leiterplattenbasierter Geräteaufbau unumgänglich.

Mit einer Platine als Herzstück ist ein sicherer und effizienter Leiterplattenanschluss ein Kernelement zur Realisierung der Sektorenkopplung. Je nach Anwendung sind die Anforderungen an solch eine Verbindungsstelle unterschiedlich.

Während bei im Privathaushalt installierten Wallboxen eine intuitive, werkzeuglose Bedienung und Handhabung im Fokus stehen, hat der Trend zu hohen Spannungen im Bereich der regenerativen Energien eine weitaus stärkere Gewichtung. Auch die Notwendigkeit immer höhere Ströme auf die Leiterplatte zu übertragen, nimmt stetig zu.

Effizient und kompakt trotz hoher Leistung

Die effiziente Nutzung der erzeugten Energie ist einer der Auslöser für den Trend zur höheren Spannung. So entsteht der höchste Übertragungsverlust der Energie durch Widerstandsverluste. Verdoppelt man die Spannung, kann der Strom bei gleicher Leistung reduziert werden und damit auch der verwendete Leiterquerschnitt. Das bedeutet, dass neben den deutlich reduzierten Leistungsverlusten auch Kupfer eingespart wird. Gerade im Bereich der erneuerbaren Energien, die für die Deckung des Energiebedarfs und damit bei der Bewältigung der Klimakrise von grundlegender Bedeutung sind, streben Hersteller Spannungen von 1.500 V an.

Um die Vorteile hoher Spannungen nutzen zu können, sind verschiedene Herausforderungen zu bewältigen. Je nach Norm und Einsatzgebiet erfordern hohe Ströme und Spannungen mehr als nur die Einhaltung der geforderten Luft- und Kriechstrecken zwischen zwei elektrischen Potentialen. Gerade die Anforderungen an Kunststoffe zur Erreichung von Spannungen bis zu 1.500 V können kon­trär zu den technischen Eigenschaften stehen, die sonst im Markt gefordert sind.

Oftmals entsteht bei der Entscheidung für einen Kunststoff ein Konflikt zwischen technischen Eigenschaften wie zum Beispiel hoher Wärmebeständigkeit, Flexibilität zur einfachen Montage, Farbauswahl oder der Kriechstromfestigkeit.

Zudem sind Leistungsanschlüsse auch heute in der Regel noch kostenintensiv und in der Montage aufwendig. Von Stromschienen über komplexe Verdrahtungen bis hin zur zeitintensiven Montage von Ringkabelschuhen – diese Lösungsansätze der Vergangenheit bieten Potential für Verbesserung.

Neben dem Aufwand der Montage und den Kosten ist auch der Platzbedarf dieser Lösungsansätze ein Nachteil. Durch zum Beispiel unisolierte Stromschienen oder Schraubkontakte erhöht sich der Abstand zum nächsten Potential. Eine Leiterplattenklemme mit Isolierkörper reduziert diesen Abstand und damit auch den Platzbedarf deutlich. Mit jeder Gerätegeneration steigen hier die Anforderungen an Kompaktheit und Wirtschaftlichkeit aller Bauteile.

Schlanke, ressourcenschonende Geräte bedeuten kompakte Leiterplatten und kompakte Komponenten. Ein individueller, passgenauer Leistungsanschluss ist hierfür unerlässlich.

Schon heute bietet das Portfolio aus Blomberg eine umfassende Varianz von Leiterplattenklemmen und -Steckverbindern für den Leistungsanschluss. Neben neuen, zukunftsfähigen Produkten passt man auch das bestehende Portfolio an die Anforderungen der Zukunft an. Dazu gehört, die eingangs genannten Anforderungen zu berücksichtigen – schon beim Entwickeln oder Erstellen zusätzlicher Zubehörteile zur erweiterten Nutzung eines schon bestehenden Produktes.

Lösungen für Varianz und Individualität

Beispiele sind Distanzplatten, neue Kunststoffe mit höheren Spannungsfestigkeiten oder die einfache, übersichtliche Datenbereitstellung. Vor allem hochgradig individualisierte Anschlusslösungen werden immer öfter in Geräten angefragt und die Anzahl dieser Anwendungsbeispiele steigt.

Um einen möglichst unkomplizierten, effizienten Design-in-Prozess zu bieten, hat das Unternehmen aus Blomberg zum Einsatz bei hohen Spannungen bis 1.500 V die Serie „SPT modular“ entwickelt. Konfigurierbare Leiterplattenklemmen der Serie ermöglichen zahlreiche Anwendungen in industriellen und semi-industriellen Branchen (Bild 1). Die vertikalen Varianten zielen vor allem auf die interne Verdrahtung und werden bevorzugt inmitten der Leiterplatten positioniert. Im dafür vorgesehenen Online-Konfigurator kann ohne Anmeldung auf der Website die auf die Leiterplatte zugeschnittene Anschlussklemme erstellt werden.

Ob 1,5 oder 35 mm²: Die Luft- und Kriechstrecken und damit die Spannungsfestigkeit der Produktserie kann voll digitalisiert und individuell für jeden Anschlusspol definiert werden. Via „Drag-and-Drop“ können verschiedene Rasterzwischenstücke sogenannte „Spacer“ eingefügt werden. Diese Spacer erhöhen die Spannungsfestigkeit einzelner Klemmstellen auf bis zu 1.500 V (UL 1059, Use­group E) und machen sie damit besonders interessant für Anwendungen im Bereich von erneuerbaren Energien oder in der Elektromobilität. Nach Abschluss der Konfiguration stehen sofort sämtliche Artikeldaten für den Design-in-Prozess zur Verfügung.

Die Daten zu jedem konfigurierten Artikel werden nach Abschluss der Konfiguration automatisiert erstellt. Das Bohrbild, die CAD-Datei als auch die Luft- und Kriechstrecken zwischen jedem individuellen Pol stehen sofort zur Verfügung. Mit Hilfe der für jeden konfigurierten Artikel generierten „Solution-ID“ ist die Konfiguration auch nach Abschluss jederzeit wieder abrufbar und kann erneut angepasst werden (Bild 2).

Die Serie SPT zeichnet sich durch den unkomplizierten Push-in-Anschluss aus und ermöglicht den effizienten Leiteranschluss. Durch die definierte Kontaktkraft in der Klemmstelle ist die Verbindung langzeitstabil und benötigt keine Wartung.

Mit dem Anschlussquerschnitt von bis zu 35 mm² ist ein Strom von bis zu 125 A mit SPT modular möglich.

In Hochstromapplikationen, für die 125 A noch nicht ausreichend sind, können höhere Ströme von bis zu 232 A durch die MKDSP-Serie direkt auf die Leiterplatte übertragen werden (Bild 3). Mit einem Anschlussquerschnitt bis zu 95 mm² handelt es sich um die leistungsfähigste, wellenlötbare Leiterplattenklemme. Mit dem größten Anschlussquerschnitt und dem kompakten Rastermaß von 20 mm ist der uneingeschränkte Einsatz mit 600 V (nach UL 1059, Usegroup C) möglich.

Die seit Jahrzehnten etablierte Schraubtechnik sichert einen festen Leitersitz auch für sperrige, große Leiter. Um das Anzugdrehmoment sicher zu übertragen, besitzt das Produkt einen Torx-Antrieb. Durch die Schraubanschlusstechnik können alle üblichen Leiterarten ob mit oder ohne Aderendhülse angeschlossen werden. Nicht nur der unkomplizierte Leiteranschluss macht die Klemme effizient.

Auch mit einem Anschlussquerschnitt von 95 mm² ist die Klemme wellenlötfähig und kann so mit anderen Bauteilen im normalen Lötprozess montiert und verlötet werden. Durch die Einsparung von Prozessschritten entfallen hier erhebliche Montagekosten und auch der Platzbedarf wird reduziert.

Fazit: Den Klimawandel zu bekämpfen, erfordert ressourcenschonende, kompakte Lösungen und individuelle Designs. Mit einer umfangreichen Portfoliovarianz kann der Leistungsanschluss der Leiterplatte maßgenau auf diese Anforderungen abgestimmt werden.

Die hochgradig individualisierbaren Produkte bieten für jede Applikation und jeden Anschluss das richtige Design. Mit der Erweiterung der Spannungsfestigkeiten steht der effizienten Leistungsübertragung auf die Leiterplatte nichts mehr im Weg. (kr)

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* Silvia Brand ist Produktmanagerin für Leiterplattenanschlussklemmen bei Phoenix Contact in Blomberg.

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