Comment les bornes à fort courant peuvent fournir de l'énergie en toute sécurité tout en réduisant le temps d'assemblage et la perte de puissance

Les concepteurs de systèmes industriels tirent de plus en plus parti du contrôle électronique dans leur quête d'efficacité. Le contrôle électronique implique des facteurs de forme toujours plus petits pour économiser de l'espace et réduire les coûts. Cependant, à mesure que les facteurs de forme se réduisent, les concepteurs sont confrontés à des défis croissants liés aux connexions haute puissance. Les lignes électriques et les connecteurs de circuits imprimés à fort courant nécessitent des connexions épaisses et résistantes, dont la taille ne peut être réduite au même rythme que l'électronique numérique. En outre, ces points de connexion à fort courant doivent être compatibles avec le processus de fabrication de cartes à circuit imprimé, qu'il s'agisse d'un montage en surface ou traversant. Ces questions doivent être traitées, tout en gérant des budgets de plus en plus serrés et des délais de mise sur le marché plus rapides.

Pour répondre à ces exigences, les développeurs d'électronique haute puissance doivent accorder une attention particulière à la conception et à la sélection des bornes haute puissance des circuits imprimés et à leur assemblage. Les bornes à fort courant peuvent également nécessiter un temps d'assemblage supplémentaire afin de garantir une connexion soudée solide.

Cet article aborde brièvement les problèmes associés aux bornes haute puissance. Il montre comment les concepteurs de circuits imprimés haute puissance peuvent tirer parti des bornes de circuits imprimés à fort courant spécialisées. En utilisant des solutions de Würth Elektronik comme exemples, il explique comment des bornes appropriées peuvent fournir de manière fiable un courant élevé entre les systèmes et comment elles peuvent accélérer l'assemblage automatisé tout en offrant une grande stabilité mécanique et une très faible résistance de connexion.

Comment les bornes introduisent des pertes de puissance

Les concepteurs de systèmes industriels ont souvent besoin de fournir et de contrôler des courants élevés de l'ordre de centaines d'ampères. Souvent, les bornes à fort courant qui alimentent le système se trouvent sur la même carte à circuit imprimé que l'électronique de commande numérique. À mesure que les semi-conducteurs de contrôle deviennent plus intégrés, la surface du circuit imprimé diminue. Ce facteur de forme réduit pose trois problèmes aux concepteurs d'électronique de puissance.

Le premier problème est de tenir compte des extrêmes environnementaux en termes de température, d'humidité et de gaz sur l'électronique des circuits imprimés. Si les connexions ne sont pas étanches, les gaz résultant des processus industriels peuvent oxyder ou corroder les connexions à fort courant, entraînant des connexions inefficaces qui peuvent conduire à des pertes de puissance ou à un dysfonctionnement des équipements. Ces problèmes peuvent être difficiles à diagnostiquer et ne peuvent parfois pas être détectés par un examen visuel, même le plus minutieux.

Le deuxième problème concerne l'efficacité des connexions haute puissance. Lorsque les niveaux de puissance augmentent, même la plus petite augmentation de la résistance de connexion peut entraîner une perte de puissance avec une augmentation sensible de la chaleur. Selon la loi d'Ohm, une borne de 25,0 ampères (A) avec un joint de soudure défectueux résultant en une résistance de seulement 0,050 ohms (Ω) peut générer une perte de (25,0² x 0,050) = 31,25 watts (W) au niveau du joint. Outre les pertes, la chaleur générée peut réduire la durée de vie des dispositifs électroniques situés à proximité. Dans le pire des cas, la chaleur peut provoquer des brûlures ou un incendie.

Le troisième problème est de s'assurer que les bornes à fort courant sont compatibles avec la méthode de fabrication utilisée pour assembler le circuit imprimé. Pour la fabrication de cartes à circuit imprimé à haut volume, le montage en surface est privilégié pour tous les composants. Par rapport au montage traversant, le montage en surface combine des temps de montage réduits avec des coûts de main d'œuvre inférieurs tout en maintenant la qualité. Cependant, les bornes de carte à montage en surface sont limitées en termes de courant admissible pour une borne individuelle. Les bornes de cartes à montage traversant par refusion peuvent facilement transporter plus de courant que celles à montage en surface, tout en offrant une très grande stabilité mécanique. Cependant, une chaîne d'assemblage de circuits imprimés à montage traversant ou mixte peut nécessiter deux fois plus d'espace au sol ainsi que des temps d'assemblage et une main d'œuvre supplémentaires par rapport au montage en surface, ce qui en fait une méthode de montage plus coûteuse.

Quel que soit le processus d'assemblage, la qualité doit être maintenue et, pour une chaîne d'assemblage, cela signifie la réduction des erreurs. À cet égard, le montage traversant peut s'avérer plus fiable pour les bornes à fort courant, car la nature de la borne la rend moins susceptible de se redresser pendant le processus de soudage par refusion. Comme les bornes à fort courant à montage en surface nécessitent des empreintes plus grandes, il est essentiel que la pâte à braser soit appliquée uniformément sur toute la pastille de soudure. Si l'application n'est pas uniforme, la pastille chauffera de manière inégale pendant la refusion, ce qui provoquera le soulèvement d'une extrémité de la borne et provoquera un effet de pièce redressée sur le composant à montage en surface.

Bornes à fort courant écoénergétiques

Pour résoudre les problèmes potentiels des bornes à fort courant, Würth Elektronik a développé la ligne de bornes REDCUBE supportant les forts courants avec des options de fabrication flexibles. Les bornes sont extra-plates, ce qui permet une dissipation plus rapide de la chaleur dans l'environnement tout en permettant une meilleure circulation de l'air dans la zone immédiate, améliorant le refroidissement des dispositifs électroniques environnants. Les bornes REDCUBE sont conçues pour une résistance de jonction de soudure extrêmement faible et peuvent donc fournir jusqu'à 500 A avec très peu de perte de puissance ou de génération de chaleur.

La ligne accepte les processus de fabrication de circuits imprimés à montage en surface, à montage traversant par refusion et à insertion en force. Cela permet à un concepteur de circuits imprimés de systèmes industriels de standardiser les bornes d'un seul fournisseur, de les identifier visuellement durant les différents processus de fabrication et de simplifier les achats.

Bornes à fort courant à montage en surface

Pour la compatibilité avec la fabrication de circuits imprimés à montage en surface (CMS), les concepteurs peuvent utiliser la gamme de bornes industrielles REDCUBE SMD de Würth. Ces bornes permettent le montage en surface entièrement automatisé tout en mettant l'accent sur une génération de chaleur minimale. Les bornes supportent jusqu'à 85 A pour les connexions électriques carte-à-carte.

Un dispositif d'exemple, le 7466003R, a un filetage M3 et est répertorié à 50 A à 20°C (Figure 1). La borne a une petite empreinte de 8,3 millimètres (mm) de diamètre. L'empreinte circulaire améliore les rendements de fabrication en réduisant l'effet de pièce redressée grâce à une répartition uniforme du poids de la borne et en éliminant les coins pointus qui pourraient ne pas recevoir de pâte à braser. Le corps du REDCUBE SMD 7466003R est fabriqué en laiton résistant avec un placage d'étain, et il est répertorié pour des températures de -55°C à +150°C.

Figure 1 : La borne industrielle REDCUBE SMD 7466003R présente une empreinte compacte de 8,3 mm et est répertoriée pour transporter en toute sécurité jusqu'à 50 A. Elle est fournie avec une languette en mylar orange qui est retirée par un équipement d'assemblage automatisé avant le placement du circuit imprimé à montage en surface. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Pour assurer une connexion optimale tout en réduisant la chaleur, il est recommandé de raccorder le filetage M3 à une vis et une borne également étamées. Cela rend le 7466003R compatible avec la plupart des vis et des bornes d'alimentation. Une languette en mylar orange protège la face à souder des contaminants et des empreintes de doigts avant l'assemblage. Cela permet de garantir une bonne connexion de soudure pour le montage en surface avec une résistance de connexion minimale. Avant de raccorder la borne à une vis étamée, il est également recommandé de protéger le filetage M3 et le dessus de la borne contre tout contaminant susceptible d'affecter la résistance de raccordement d'une vis et d'une languette insérées. Il s'agit notamment de ne pas mettre les doigts sur le haut du filetage.

Bornes de cartes à montage traversant

Pour les applications industrielles exigeant des composants à montage traversant, Würth propose la gamme REDCUBE THR. Cette gamme prend en charge l'assemblage automatisé de circuits imprimés à montage traversant par refusion. Par exemple, le 74651195R est une borne à vis droite à 9 broches traversantes avec un filetage M5 étamé conçu pour recevoir une languette de câble sécurisée par un écrou (Figure 2). Sa température de fonctionnement s'étend de -55°C à +150°C et il est répertorié à 85 A à 20°C.

Figure 2 : Le REDCUBE THR 74651195R est répertorié à 85 A à 20°C et il est doté d'une borne à vis droite M5. Les 9 broches de carte garantissent la stabilité mécanique contre les forces de cisaillement et d'arrachement. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Les 9 broches du 74651195R sont réparties sur une grille 3 x 3, conçue pour offrir une soudabilité optimale et une stabilité mécanique contre les forces de cisaillement et d'arrachement. Le 74651195R est étamé sur une pièce solide de laiton, ce qui lui confère un courant admissible plus élevé et une meilleure tolérance de couple par rapport aux bornes estampées. Cette conception fait du 74651195R un bon choix pour les applications industrielles haute puissance dans lesquelles le câble relié peut être tiré sous n'importe quel angle.

Le 74651195R présente un profil extra-plat et une hauteur totale au-dessus du circuit imprimé de 10 mm avec une vis de 7 mm de long. Il accepte des languettes de câble M5 standard et des contre-écrous avec peu de filetage, permettant la circulation d'air aisée autour de la borne pour améliorer le refroidissement.

Bornes à insertion en force pour très forts courants

Pour les applications d'alimentations et de systèmes industriels exigeant des courants très élevés, Würth a développé la ligne de produits REDCUBE PRESS-FIT répertoriée jusqu'à 500 A. Ces bornes n'utilisent pas le soudage par refusion ou à la vague. Au lieu de cela, la borne est insérée mécaniquement dans les orifices de circuit imprimé plaqués. La friction créée par l'insertion de la borne dans les orifices du circuit imprimé crée une connexion soudée à froid qui est étanche au gaz avec une résistance de contact de seulement 200 micro-ohms (µΩ).

Un exemple de solution est la borne à vis 7461090 avec un filetage M8 (Figure 3). Elle est répertoriée à 350 A à 20°C et a une température de fonctionnement de -55°C à +150°C. Pour supporter ce courant, le 7461090 est équipé de 20 broches à insertion en force qui ne nécessitent aucune méthode de soudure à chaud. La méthode d'insertion en force utilise les mêmes orifices de cartes que les composants à montage traversant, ce qui élimine tout problème de soudabilité tels que les joints de soudure à froid. De plus, les 20 broches à insertion en force ne doivent pas dépasser du circuit imprimé comme les trous traversants soudés et elles peuvent même se terminer à l'intérieur du circuit imprimé sans aucune queue à souder. Cela permet d'éviter les courts-circuits accidentels au niveau de la borne à fort courant sous le circuit imprimé, ce qui améliore la sécurité du système.

Figure 3 : La borne à vis industrielle REDCUBE PRESS-FIT 7461090 est insérée dans les orifices du circuit imprimé sans soudage à la vague ou par refusion. Sa conception unique offre une très faible résistance de contact, ce qui lui permet de supporter jusqu'à 350 A. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Le profil du filetage étamé M8 est de 13,5 mm. Pour fournir un courant maximum avec une résistance de contact minimum, il faut choisir une vis étamée de telle sorte que la vis assemblée traverse la languette du câble puis la longueur maximum pratique dans la borne REDCUBE sans entrer en contact avec le circuit imprimé. Cela permet de fournir la surface de contact maximum pour toute la longueur de la borne à vis.

Avant l'assemblage, il est important d'empêcher tout contaminant ou doigt d'entrer en contact avec le filetage ou le haut de la borne, car même la plus petite résistance des contaminants peut générer une quantité dangereuse de chaleur excessive à 350 A.

Bornes enfichables pour connexion et déconnexion aisées

Parfois, un système industriel haute puissance doit pouvoir être facilement reconfiguré et reconnecté entre différentes sources. Pour ces applications, Würth propose la gamme de prises industrielles à insertion en force REDCUBE PLUG. Il s'agit d'une borne à insertion en force qui offre la commodité d'une connexion sans vis pouvant supporter jusqu'à 120 A.

Par exemple, le REDCUBE PLUG 7464000 peut supporter jusqu'à 120 A à 20°C avec une plage de températures de fonctionnement de -45°C à +125°C (Figure 4). Ce dispositif REDCUBE PLUG est constitué d'une prise en alliage de cuivre étamé encastrée dans un boîtier en plastique rouge renforcé de fibres de verre. Pour insérer une fiche compatible dans la prise de 6,2 mm de diamètre, le dessus du boîtier doit être manuellement enfoncé vers le circuit imprimé. Cela permet d'exposer complètement la prise pour faciliter l'insertion d'une fiche étamée. En relâchant le haut du boîtier, la fiche est verrouillée.

Figure 4 : La prise REDCUBE PLUG 7464000 est une borne à insertion en force répertoriée à 120 A à 20°C. Elle permet la connexion et la déconnexion aisées des fiches à fort courant, ce qui la rend appropriée pour les solutions d'alimentation reconfigurables. (Source de l'image : Würth Elektronik)

La prise REDCUBE PLUG 7464000 constitue également une bonne solution pour les zones où l'espace en hauteur est limité et où il est difficile de fixer une vis ou un écrou. La couleur rouge vif rend la fiche facilement identifiable sur un circuit imprimé encombré. Le composant comporte 12 broches à insertion en force très rapprochées, disposées sur une grille 3 x 4. Le 7464000 offre une résistance de contact maximum de 1 mΩ et il convient donc aux applications à très fort courant.

Conclusion

Avec des conceptions de plus en plus intégrées, les concepteurs de systèmes haute puissance doivent trouver le juste équilibre entre une alimentation efficace à faible perte et la facilité de montage. Il est donc particulièrement important de sélectionner des bornes industrielles adaptées aux circuits imprimés à fort courant. Les concepteurs doivent avoir une bonne compréhension du processus d'assemblage des cartes, de la quantité de courant qu'une borne peut supporter en toute sécurité et de la méthode de branchement des cartes à circuit imprimé.

Comme illustré, les bornes de grade industriel avec options d'assemblage flexibles permettent à un concepteur de cibler une seule ligne de produits, ce qui simplifie l'achat et l'interopérabilité. Cela permet aux systèmes industriels de fournir de l'énergie en toute sécurité tout en augmentant les rendements de fabrication en minimisant les erreurs d'assemblage, ce qui se traduit par des temps d'assemblage plus courts et des coûts plus bas.