In che modo i terminali ad alta corrente possono fornire energia in modo sicuro riducendo i tempi di montaggio e le perdite di potenza

I progettisti di sistemi industriali si avvalgono sempre più spesso del controllo elettronico per ottimizzare l'efficienza. Con il controllo elettronico si impone la necessità di fattori di forma sempre più piccoli per risparmiare spazio e ridurre i costi. Tuttavia, con il ridursi dei fattori di forma, i progettisti devono affrontare sfide sempre maggiori legate alle connessioni ad alta potenza. I connettori ad alta corrente per schede CS e le linee di alimentazione richiedono connessioni spesse e pesanti e quindi non possono ridursi allo stesso ritmo dell'elettronica digitale. Inoltre, questi punti di connessione ad alta corrente devono essere compatibili con il processo di produzione delle schede CS, che si tratti di montaggio superficiale o a foro passante. Questi temi devono essere affrontati gestendo al contempo budget al ribasso e tempi di commercializzazione sempre più brevi.

Per soddisfare questi requisiti, gli sviluppatori di elettronica ad alta potenza devono prestare molta attenzione alla progettazione e alla scelta dei terminali ad alta potenza della scheda CS e al loro assemblaggio. I terminali ad alta corrente possono anche richiedere un tempo di montaggio supplementare per garantire un collegamento saldato solido.

Questo articolo tratterà brevemente i problemi associati ai terminali ad alta potenza. Mostrerà come i progettisti di schede CS ad alta potenza possono beneficiare di terminali specializzati ad alta corrente. Portano a esempio soluzioni di Würth Elektronik, mostrerà come i terminali appropriati possono fornire in modo affidabile un'elevata corrente tra i sistemi e accelerare il montaggio automatizzato, fornendo allo stesso tempo un'elevata stabilità meccanica e una resistenza di connessione molto bassa.

I terminali e le perdite di potenza

I progettisti di sistemi industriali hanno spesso la necessità di fornire e controllare correnti elevate nell'ordine di centinaia di ampere. Spesso i terminali ad alta corrente che forniscono l'alimentazione al sistema si trovano sulla stessa scheda CS dell'elettronica di controllo digitale. Man mano che i semiconduttori di controllo si integrano sempre più, la scheda CS si riduce di superficie. Questo fattore di forma in contrazione presenta tre problemi per i progettisti di elettronica ad alta potenza.

Il primo ha a che fare con gli estremi ambientali in termini di temperatura, umidità e gas e i loro effetti sull'elettronica della scheda CS. Se le connessioni non sono a tenuta d'aria, i gas prodotti dai processi industriali possono ossidare o corrodere le connessioni ad alta corrente, con il risultato di connessioni inefficienti che possono portare a perdite di potenza o malfunzionamenti delle apparecchiature. Questi problemi possono essere difficili da diagnosticare e a volte non sono rilevabili nemmeno con la più attenta ispezione visiva.

Il secondo problema riguarda l'efficienza delle connessioni ad alta potenza. Con l'aumento dei livelli di potenza, anche un minimo aumento della resistenza di connessione può causare una perdita di potenza con un notevole aumento del calore. Per la legge di Ohm, un terminale da 25,0 A con un giunto saldato male che risulta in una resistenza di soli 0,050 Ω può generare una perdita di (25,0² x 0,050) = 31,25 W. Oltre alle perdite, il calore generato può ridurre la durata dei dispositivi elettronici vicini. Nel peggiore dei casi, il calore potrebbe causare ustioni o un incendio.

Il terzo problema è quello di garantire che i terminali ad alta corrente siano compatibili con il metodo di produzione utilizzato per assemblare la scheda CS. Per la produzione ad alto volume di schede CS, il montaggio superficiale è preferibile per tutti i componenti. Rispetto al foro passante, il montaggio superficiale combina tempi di montaggio ridotti con costi di manodopera inferiori, senza compromettere la qualità. Tuttavia, i terminali per scheda CS a montaggio superficiale sono limitati per quanto riguarda la capacità di trasporto della corrente per singolo terminale. I terminali per scheda CS a rifusione a foro passante possono trasportare facilmente più corrente rispetto al montaggio superficiale, fornendo al contempo una stabilità meccanica molto elevata. Tuttavia, una linea di assemblaggio di schede CS a foro passante o mista può richiedere un ingombro doppio a pavimento, così come manodopera e tempi di montaggio aggiuntivi rispetto al montaggio superficiale, rendendo questo metodo di montaggio più costoso.

Indipendentemente dal processo di assemblaggio, la qualità deve essere assicurata, e per una catena di montaggio ciò significa concentrarsi sulla riduzione degli errori. A questo proposito, il foro passante può essere più affidabile per i terminali ad alta corrente in quanto la natura del terminale limita la probabilità che fuoriesca durante il processo di saldatura a rifusione. Poiché i terminali ad alta corrente per montaggio superficiale richiedono ingombri maggiori, è fondamentale che la pasta saldante sia applicata in modo uniforme su tutta la piazzola di saldatura. Se è irregolare, la piazzola si riscalderà in modo irregolare durante la rifusione, causando l'innalzamento di un'estremità del terminale, con la conseguente inclinazione del componente a montaggio superficiale.

Terminali ad alta corrente e alta efficienza energetica

Per affrontare i potenziali problemi con i terminali ad alta corrente, Würth Elektronik ha sviluppato la linea di terminali REDCUBE che supporta le alte correnti con opzioni di produzione flessibili. I terminali sono a profilo ribassato per una più rapida dissipazione del calore nell'ambiente, permettendo al tempo stesso un maggior flusso d'aria verso l'area circostante e migliorando il raffreddamento dell'elettronica circostante. I terminali REDCUBE sono progettati per una resistenza della giunzione a saldare estremamente bassa e quindi possono fornire fino a 500 A con pochissima perdita di potenza o generazione di calore.

La linea supporta i processi di produzione di schede CS a montaggio superficiale, a rifusione a foro passante e per inserimento a pressione. Questo permette al progettista di schede CS per sistemi industriali di standardizzare i terminali presso un unico fornitore, rendendoli facilmente identificabili visivamente durante i diversi processi di produzione e semplificando gli acquisti.

Terminali ad alta corrente per il montaggio superficiale

Per la compatibilità con la produzione di schede CS a montaggio superficiale (SMD), i progettisti possono utilizzare la famiglia di terminali industriali REDCUBE SMD di Würth. Questi terminali supportano l'assemblaggio completamente automatizzato a montaggio superficiale, enfatizzando al contempo la minima generazione di calore. I terminali supportano fino a 85 A per i collegamenti elettrici scheda-scheda.

Un dispositivo di esempio, 7466003R, ha una filettatura M3 ed è classificato a 50 A a 20 °C (Figura 1). Il terminale ha un ingombro compatto di 8,3 mm di diametro. L'ingombro circolare migliora la resa produttiva riducendo gli errori di inclinazione attraverso una distribuzione uniforme del peso del terminale ed eliminando gli spigoli vivi che potrebbero non ricevere la pasta saldante. Il corpo del modello REDCUBE SMD 7466003R è realizzato in ottone per impieghi gravosi con rivestimento in stagno ed è classificato per temperature da -55 a +150 °C.

Figura 1: Il terminale industriale REDCUBE SMD 7466003R ha un ingombro compatto di 8,3 mm ed è in grado di trasportare in sicurezza fino a 50 A. Viene fornito con una linguetta in mylar arancione che viene rimossa da un'apparecchiatura automatica di pick-and-place prima del posizionamento della scheda CS a montaggio superficiale. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Per assicurare la migliore connessione riducendo il calore, si raccomanda di accoppiare la filettatura M3 a una vite e un terminale anch'essi stagnati. Questo rende 7466003R compatibile con la maggior parte dei terminali di alimentazione e delle viti. Una linguetta in mylar arancione protegge il lato da saldare da contaminanti e impronte digitali prima del montaggio. Ciò aiuta a garantire una buona connessione saldata a montaggio superficiale con una resistenza di connessione minima. Si raccomanda inoltre che, prima di accoppiare il terminale a una vite stagnata, la filettatura M3 e la parte superiore del terminale siano protette da eventuali contaminanti che potrebbero influenzare la resistenza di accoppiamento di una vite inserita e di una linguetta. Questo include il tenere le dita lontane dalla parte superiore del filetto.

Terminali a foro passante per scheda CS

Per le applicazioni industriali che richiedono componenti a foro passante, Würth propone la famiglia REDCUBE THR. Questi prodotti supportano l'assemblaggio automatizzato di schede CS con rifusione a foro passante. Ad esempio, 74651195R è un terminale a vite dritto a nove poli con foro passante a vite con filettatura M5 stagnata, progettato per accettare una linguetta fissata da un dado (Figura 2). Ha un intervallo della temperatura di funzionamento da -55 a +150 °C ed è classificato a 85 A a 20 °C.

Figura 2: REDCUBE THR 74651195R è classificato a 85 A a 20 °C e ha un terminale a vite diritto M5. I nove perni della scheda CS forniscono stabilità meccanica contro le forze di sollecitazione. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

I nove perni di 74651195R sono disposti in una griglia 3x3, concepita per una saldabilità ottimale e una stabilità meccanica contro le forze di sollecitazione. 74651195R è stagnato su un solido pezzo di ottone, il che gli conferisce una maggiore capacità di trasporto della corrente e una migliore tolleranza di coppia rispetto ai terminali stampati. Questo design rende 74651195R una buona scelta per applicazioni industriali ad alta potenza dove il cavo allegato può essere tirato da qualsiasi angolazione.

74651195R è a profilo ribassato e ha un'altezza totale sopra la scheda CS di 10 mm con una vite che misura 7 mm di lunghezza. Supporta le linguette di cavi M5 standard e i controdadi con poca filettatura, permettendo facilmente il flusso d'aria intorno al terminale per migliorare il raffreddamento.

Terminali a pressione per correnti molto elevate

Per applicazioni di alimentazione e sistemi industriali che richiedono correnti molto elevate, Würth ha sviluppato la linea di prodotti REDCUBE PRESS-FIT classificata fino a 500 A. Questi terminali non utilizzano la rifusione o la saldatura a onda. Il terminale viene invece pressato meccanicamente nei fori stagnati di una scheda CS. L'attrito creato dalla pressione del terminale nei fori della scheda CS crea una connessione saldata a freddo che è a tenuta di gas con una resistenza di contatto di appena 200 µΩ.

Un esempio di questa soluzione è il terminale a vite 7461090 con filettatura M8 (Figura 3). È classificato a 350 A a 20 °C e ha una temperatura di funzionamento da -55 a +150 °C. Per gestire questa corrente, 7461090 dispone di 20 perni a pressione che non richiedono alcun metodo di saldatura a caldo. Il metodo di inserimento a pressione utilizza gli stessi fori della scheda CS dei componenti a foro passante, eliminando qualsiasi problema di saldabilità come i giunti di saldatura a freddo. Inoltre, i 20 perni a pressione non hanno bisogno di estendersi oltre la scheda CS come i fori passanti saldati e possono anche terminare all'interno della scheda CS senza code di saldatura. Questo aiuta a prevenire cortocircuiti accidentali al terminale ad alta corrente sotto la scheda CS, migliorando così la sicurezza del sistema.

Figura 3: Il terminale a vite industriale REDCUBE PRESS-FIT 7461090 viene pressato nei fori della scheda CS senza metodi di saldatura a onda o a rifusione. Il suo design unico fornisce una resistenza di contatto molto bassa, permettendogli di gestire fino a 350 A. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Il profilo della filettatura M8 stagnata è di 13,5 mm. Per la massima erogazione di corrente con la minima resistenza di contatto, si deve scegliere una vite stagnata in modo che la vite assemblata passi attraverso la linguetta del cavo e percorra la massima lunghezza pratica attraverso il terminale REDCUBE senza venire a contatto con la scheda CS. In questo modo si ottiene la massima area di contatto per l'intera lunghezza del terminale a vite.

Prima del montaggio, è importante evitare che eventuali contaminanti o le dita entrino in contatto con la filettatura o con la parte superiore del terminale, poiché anche la più piccola resistenza da contaminanti può generare una quantità pericolosa di calore in eccesso a 350 A.

Terminali a spina per un facile collegamento e scollegamento

A volte un sistema industriale ad alta potenza deve essere facilmente riconfigurato e ricollegato tra fonti diverse. Per queste applicazioni, Würth fornisce la famiglia di prese per terminali industriali a pressione REDCUBE PLUG. Si tratta di un terminale a pressione che offre la comodità di un collegamento con terminale senza viti capace di supportare fino a 120 A.

Ad esempio, REDCUBE PLUG 7464000 può gestire fino a 120 A a 20 °C con un intervallo della temperatura di funzionamento da -45 a +125 °C (Figura 4). Questo PLUG REDCUBE PLUG è costituito da una presa in lega di rame stagnato racchiusa in un alloggiamento rosso in plastica rinforzata con fibra di vetro. Per inserire una spina compatibile nella presa di diametro 6,2 mm, la parte superiore dell'alloggiamento deve essere premuta manualmente verso la scheda CS. Questo espone completamente la presa per un facile inserimento di una spina stagnata. Rilasciando la parte superiore dell'alloggiamento si blocca la spina in posizione.

Figura 4: La presa per spina REDCUBE PLUG 7464000 è un terminale a pressione a 120 A a 20 °C. Consente di collegare e scollegare facilmente le spine ad alta corrente, rendendola adatta a soluzioni di alimentazione riconfigurabili. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

La presa per spina REDCUBE PLUG 7464000 è anche una buona soluzione per le aree con poco spazio aereo che renderebbero difficile il fissaggio di una vite o di un dado. Il colore rosso acceso facilita l'identificazione della spina su una scheda CS affollata. Dispone di 12 perni a pressione ben distanziati e disposti in una griglia 3x4. 7464000 fornisce una resistenza di contatto massima di 1 mΩ, per questo è ideale per applicazioni con correnti molto elevate.

Conclusione

Via via che i progetti si fanno sempre più integrati, i progettisti di sistemi ad alta potenza devono bilanciare la distribuzione efficiente dell'energia elettrica a basse perdite con la facilità di montaggio. Ciò rende particolarmente importante la scelta dei terminali industriali per schede CS ad alta corrente. I progettisti devono capire il processo di assemblaggio delle schede, la quantità di corrente che un terminale può gestire in modo sicuro e il metodo di fissaggio della scheda CS.

Come mostrato, i terminali di qualità industriale con opzioni di assemblaggio flessibili consentono al progettista di standardizzare su una linea di prodotti, semplificando gli acquisti e l'interoperabilità. Ciò consente ai sistemi industriali di fornire energia in modo sicuro, aumentando al contempo la resa produttiva grazie alla riduzione al minimo degli errori di montaggio, con conseguenti tempi di montaggio più rapidi e costi inferiori.