Scegliere il connettore giusto per garantire l'integrità dell'alimentazione ad alta corrente in ambienti estremi

Con la diminuzione delle tensioni di alimentazione e l'aumento proporzionale delle correnti di carico, la perdita di potenza resistiva e le cadute di tensione devono essere ridotte al minimo per garantire l'efficienza e la gestione termica. Le applicazioni di potenza, come i veicoli elettrici (EV), il settore aerospaziale e l'elettronica industriale, espongono i circuiti a urti, vibrazioni e temperature estreme.

I progettisti devono essere consapevoli di questi requisiti per scegliere e applicare correttamente connettori di potenza che siano meccanicamente robusti, mantengano l'integrità elettrica e funzionino in intervalli di temperatura estesi.

Questo articolo illustra la scelta e l'uso dei connettori di alimentazione per gli ambienti più severi e le applicazioni più impegnative. Presenta quindi alcuni esempi di connettori di potenza di Harwin e mostra come utilizzarli per ottenere un'eccellente integrità di potenza con basse perdite, garantendo al contempo l'affidabilità meccanica.

Considerazioni sulle interconnessioni ad alta potenza

Il collegamento di correnti e tensioni elevate a una scheda a circuiti stampati (scheda CS) richiede grande attenzione. Collegamenti inadeguati possono causare perdite di potenza e guasti elettrici imprevisti. Se l'interconnessione è anche soggetta a temperature estreme, urti o vibrazioni, i problemi si moltiplicano. I connettori di alimentazione con valori nominali di corrente inadeguati possono costringere i progettisti a utilizzare più contatti per raggiungere i livelli di corrente richiesti, risultando in connettori più grandi con più contatti e una superficie aggiuntiva sulla scheda CS. I percorsi di corrente multipli aumentano anche le possibilità di inserimento improprio, con conseguente sovracorrente su un singolo contatto. La soluzione a questi problemi consiste nell'utilizzare connettori di alimentazione con la corretta corrente nominale a contatto singolo.

Consideriamo i connettori serie Kona di Harwin (Figura 1). Questi connettori possono gestire 60 A per contatto e fino a 3000 V c.a. massimi (per 1 minuto) e 1500 V c.a. o V c.c. di picco, anche in ambienti con temperature, urti e vibrazioni estreme.

Figura 1: I connettori di potenza serie Kona gestiscono fino a 60 A per contatto a 1500 V c.a. e le versioni includono montaggio su basetta, a pannello e su cavo. (Immagine per gentile concessione di Harwin, Inc.)

I connettori Kona sono disponibili in alloggiamenti a due, tre o quattro contatti su fila singola. Le configurazioni includono una basetta per scheda CS, un attacco per montaggio a pannello e su cavo maschio e femmina con varie disposizioni di bloccaggio. Possono essere utilizzati per l'accoppiamento cavo-scheda e cavo-cavo.

Questi connettori utilizzano contatti distanziati di 8,5 mm. Questa spaziatura, insieme ai contatti incassati singolarmente e rivestiti con strutture polarizzanti, garantisce l'elevata tensione e corrente nominale del connettore. Il design contribuisce inoltre a proteggerli dai danni accidentali dovuti a un accoppiamento scorretto e a urti fisici casuali.

Il segreto dell'elevata corrente nominale e dell'affidabilità di questa serie di connettori è il contatto maschio a sei lamelle (Figura 2).

Figura 2: Il contatto maschio a sei lamelle fornisce una forza elastica normale positiva contro le pareti interne del contatto femmina per garantire una buona connessione anche in presenza di urti e vibrazioni. (Immagine per gentile concessione di Harwin Inc., modificata)

I contatti serie Kona sono realizzati in rame-berillio, che offre un intervallo di temperatura di funzionamento massima compreso tra -65 e 150 °C, e sono placcati con una resistente finitura in oro per proteggerli dall'esposizione a lungo termine in ambienti difficili. I contatti sopportano 250 operazioni di accoppiamento e la resistenza di contatto di una coppia accoppiata è pari o inferiore a 2 mΩ. La caduta di tensione attraverso la coppia di contatti alla corrente nominale massima di 60 A è di soli 0,12 V.

Basette per il montaggio su scheda

Il modello Kona KA1-MV10405M1 di Harwin è un esempio di connettore verticale a quattro contatti destinato al montaggio su scheda (Figura 3).

Figura 3: Il connettore Kona KA1-MV10405M1 ha quattro contatti. Il marcatore identificativo del contatto 1 e i perni di montaggio sono ben visibili. (Immagine per gentile concessione di Harwin, Inc.)

Il corpo della basetta è realizzato in materiale termoplastico per alte temperature caricato a vetro e comprende quattro contatti maschi incassati a sei lamelle con una coda di saldatura di 4,5 mm per scheda CS. Un marcatore in rilievo ben visibile consente di orientare la basetta e di identificare il contatto 1. I bloccaggi a vite con filettatura interna e le viti prigioniere per il montaggio su scheda forniscono una chiusura di accoppiamento per il connettore femmina, nonché il montaggio meccanico sulla scheda CS utilizzando un dado scanalato KA1-4240000 per il montaggio su scheda. Sono disponibili basette con contatti di montaggio orizzontali ad angolo retto e disposizioni di bloccaggio alternative. La caratteristica "accoppia e poi blocca" consente di evitare la possibilità di danni durante il bloccaggio.

Prese per il montaggio su cavi e pannelli

Il modello Kona KA1-2010498F1 (Figura 4, a sinistra) è un alloggiamento per presa a quattro contatti, montato su cavo, che utilizza contatti separati, come il modello Kona KA1-0400005 di Harwin (Figura 4, a destra). Questo alloggiamento può essere accoppiato con il connettore a quattro contatti KA1-MV10405M1 di cui sopra.

Figura 4: L'alloggiamento per presa a quattro contatti KA1-2010498F1 (a sinistra) con la sua prolunga protettiva e il contatto femmina a saldare utilizzato con l'alloggiamento (a destra). (Immagine per gentile concessione di Harwin, Inc.)

L'alloggiamento femmina per montaggio su cavo comprende prolunghe protettive con chiavi di polarizzazione che impediscono il collegamento accidentale con i contatti della presa femmina e garantiscono l'isolamento elettrico dei contatti accoppiati. Il contatto dello zoccolo di connessione Kona KA1-0400005 utilizza un collegamento a saldare al cavo. I contatti sono progettati per un filo di sezione 8 AWG. Si consiglia un isolante in gomma siliconica con un diametro massimo di 7,5 mm.

I connettori di genere standard sono dotati di viti zigrinate flottanti con cavità esagonali per avvitatore dinamometrico. La minuteria a fissaggio inverso, con la direzione di bloccaggio invertita, è dotata di perni di montaggio a pannello lunghi 5,2 mm per il montaggio sul pannello frontale di un involucro. La minuteria di chiusura è in acciaio inox resistente alla corrosione.

Spine per il montaggio su cavi e pannelli

Il modello Kona KA1-3010498M5 (Figura 5, a sinistra) è la versione con montaggio su cavo maschio dell'alloggiamento KA1-2010498F1 e utilizza il contatto maschio KA1-1410005 (Figura 5, a destra).

Figura 5: L'alloggiamento maschio a quattro contatti KA1-3010498M5 (a sinistra) e la versione a saldare del contatto maschio a sei lamelle utilizzato con l'alloggiamento (a destra). (Immagine per gentile concessione di Harwin, Inc.)

L'alloggiamento maschio o femmina utilizza la versione a saldare del contatto maschio a sei lamelle, progettato per accettare lo stesso filo da 8 AWG della versione femmina. Questo modello di connettore utilizza viti zigrinate a fissaggio inverso, che si accoppiano con un connettore femmina con minuteria a fissaggio inverso per il montaggio a pannello. È disponibile anche la minuteria di bloccaggio standard.

Piccole dimensioni, leggerezza

Le dimensioni fisiche dei connettori sono ridotte, considerando i valori nominali di 60 A e 3000 V (Figura 6).

Figura 6: Disegno dimensionale degli alloggiamenti per prese Kona con le loro piccole dimensioni. (Immagine per gentile concessione di Harwin, Inc.)

I quattro connettori di contatto hanno una lunghezza (A) di 50 mm, una larghezza di 12,5 mm e un'altezza di 18 mm. L'alloggiamento del cavo maschio accoppiato con una basetta femmina ha un'altezza di 21,7 mm dalla scheda CS. La coppia accoppiata pesa circa 25 grammi.

Norme di prova

Tutti i connettori Kona sono stati testati in base alle sezioni appropriate della norma EIA-364. I test elettrici comprendono la resistenza di contatto, la potenza, la tensione di tenuta e la resistenza di isolamento. I test meccanici comprendono urti e vibrazioni, forze di inserimento e disinserimento, shock termico, umidità e nebbia salina. La specifica di vibrazione è di 20 g di picco per 12 ore senza guasti al contatto. Analogamente, la specifica di shock è di 100 g per 6 ms senza guasto del contatto.

Oltre alla tolleranza agli urti e alle vibrazioni, che li rende adatti alle connessioni di potenza EV, i connettori Kona soddisfano i requisiti di degassamento NASA ed ESA, rendendoli ideali per le applicazioni spaziali, avioniche e per gli aeromobili a pilotaggio remoto (APR).

Schermatura contro le interferenze

Per le applicazioni che prevedono limiti alle interferenze elettromagnetiche (EMI) e alle interferenze in radiofrequenza (RFI), i connettori Kona offrono una gamma di gusci in alluminio leggero sia per i cavi sia per i connettori della basetta (Figura 7).

Figura 7: Per la protezione EMI/RFI, è disponibile un guscio in alluminio con treccia schermante flessibile collegata a una fascetta. (Immagine per gentile concessione di Harwin, Inc.)

I gusci accettano una treccia schermante metallica flessibile e resistente all'abrasione e sono forniti con fascette per fissare la treccia al guscio. La combinazione di guscio e treccia schermante fornisce una schermatura per un'efficace protezione EMI/RFI. Inoltre, i gusci assicurano lo scarico della tensione ai cavi.

Attrezzi di assemblaggio

I connettori Kona richiedono una lavorazione minima. Poiché i contatti del cavo sono saldati, possono essere inseriti a pressione senza l'uso di attrezzi. In caso si renda necessario rimuovere o sostituire un contatto, è disponibile un attrezzo di rimozione. Si può anche ricorrere a un avvitatore per serrare o allentare i dadi scanalati sui perni di montaggio.

Conclusione

La famiglia di connettori Kona con passo di 8,5 mm e ad alta affidabilità garantisce l'integrità dell'alimentazione negli ambienti più difficili. Questi connettori forniscono un processo di accoppiamento semplice e veloce che non richiede utensili aggiuntivi. Sono ideali per avionica, APR, satelliti, veicoli elettrici e altre applicazioni con sistemi ad alta potenza che operano in ambienti estremi.