Die richtigen Steckverbinder für hohe Stromstärken in extremen Umgebungen

Da die Versorgungsspannungen sinken und die Lastströme proportional dazu steigen, müssen die ohmsche Verlustleistung und die Spannungsabfälle aus Gründen des Wirkungsgrads und des Wärmemanagements minimiert werden. Bei Anwendungen wie Elektrofahrzeugen, Luft- und Raumfahrt und Industrieelektronik sind Schaltkreise auch Stößen, Vibrationen und extremen Temperaturen ausgesetzt.

Diese Anforderungen müssen berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass Leistungssteckverbinder ausgewählt und korrekt eingesetzt werden, die mechanisch robust sind, die elektrische Integrität aufrechterhalten und über einen erweiterten Temperaturbereich funktionieren.

Dieser Artikel befasst sich mit der Auswahl und dem Einsatz von Stromversorgungssteckern für die anspruchsvollsten Umgebungen und Anwendungen. Anschließend werden Beispiele für Leistungssteckverbinder von Harwin vorgestellt und es wird gezeigt, wie sie eingesetzt werden können, um eine hervorragende Leistungsintegrität mit geringen Verlusten zu erreichen und gleichzeitig mechanische Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Überlegungen zu Hochleistungs-Verbindungen

Das Anschließen von hohen Strömen und hohen Spannungen an eine Leiterplatte erfordert große Sorgfalt. Schlechte Verbindungen können zu Leistungsverlusten und unerwarteten Stromausfällen führen. Wenn die Verbindung zudem extremen Temperaturen, Stößen oder Vibrationen ausgesetzt ist, können sich die Probleme vervielfachen. Leistungssteckverbinder mit unzureichender Nennstromauslegung zwingen möglicherweise dazu, mehrere Kontakte zu verwenden, um die erforderlichen Stromstärken zu erreichen, was zu größeren Steckverbindern mit mehr Kontakten und zusätzlichem Platz auf der Leiterplatte führt. Mehrere Strompfade erhöhen auch die Wahrscheinlichkeit eines unsachgemäßen Einsteckens, was zu einem Überstrom an einem einzelnen Kontakt führt. Die Lösung für diese Probleme ist die Verwendung von Steckverbindern mit der richtigen Stromstärkenauslegung für jeden Kontakt.

Nehmen wir die Steckverbinder der Kona-Serie von Harwin (Abbildung 1). Diese Steckverbinder sind für 60 Ampere (A) pro Kontakt und bis zu 3000 Volt AC (VAC) maximal (für 1 Minute) und 1500 VAC oder Volt DC (VDC) in der Spitze ausgelegt, selbst unter extremen Temperatur-, Schock- und Vibrationsbedingungen.

Abbildung 1: Die Leistungssteckverbinder der Serie Kona sind für bis zu 60 A pro Kontakt bei 1500 VAC ausgelegt und in verschiedenen Ausführungen erhältlich: als Steckleiste sowie für die Schaltschrankmontage und die Kabelmontage. (Bildquelle: Harwin Inc.)

Die Kona-Steckverbinder sind in einreihigen Gehäusen mit zwei, drei oder vier Kontakten erhältlich. Zu den Konfigurationen gehören Steckleisten, Steckverbinder zur Schalttafelbefestigung und kabelmontierbare Steckverbinder mit Stecker und Buchse und verschiedenen Verriegelungsoptionen. Sie können für die Verbindung von Kabel zu Platine und Kabel zu Kabel verwendet werden.

Diese Steckverbinder verwenden Kontakte mit einem Abstand von 8,5 Millimetern (mm) (0,335 Zoll (in.)). Dieser Abstand und die einzeln versenkten Kontakte, die jeweils mit polarisierenden, kodierten Strukturen ummantelt sind, gewährleisten die hohen Spannungs- und Stromwerte des Steckverbinders. Das Design schützt auch vor zufälligen Schäden durch inkorrektes Zusammenstecken und physische Stöße.

Das Geheimnis der hohen Strombelastbarkeit und Zuverlässigkeit dieser Steckverbinderserie ist der sechsfingrige Stiftkontakt (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der sechsfingrige Stiftkontakt übt eine positive normale Federkraft auf die Innenwände des Buchsenkontakts aus, um auch bei Stößen und Vibrationen eine gute Verbindung zu gewährleisten. (Bildquelle: Harwin Inc., geändert)

Die Kontakte der Kona-Serie bestehen aus Berylliumkupfer, das einen maximalen Betriebstemperaturbereich von -65°C bis 150°C ermöglicht, und sind mit einer dauerhaften Hartgoldbeschichtung versehen, die sie vor langfristigen Belastungen in rauen Umgebungen schützt. Die Kontakte sind für 250 Steckvorgänge ausgelegt, und der Kontaktwiderstand eines gesteckten Paares beträgt 2 Milliohm (mΩ) oder weniger. Der Spannungsabfall über dem Kontaktpaar beträgt bei dem maximalen Nennstrom von 60 A nur 0,12 Volt.

Steckleisten für die Platinenmontage

Der Kona-Steckverbinder KA1-MV10405M1 von Harwin ist ein Beispiel für eine vertikale Steckleiste mit vier Kontakten, die für die Leiterplattenmontage vorgesehen ist (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Kona-Steckleiste KA1-MV10405M1 hat vier Kontakte. Die deutlich sichtbare Kennzeichnung für den Kontakt 1 und die Befestigungsschrauben sind abgebildet. (Bildquelle: Harwin Inc.)

Das Gehäuse der Steckleiste besteht aus einem glasgefüllten Hochtemperatur-Thermoplast und umfasst vier versenkte sechsfingrige Stiftkontakte mit einem 4,5 mm (0,185 Zoll) starken Leiterplatten-Lötanschluss. Eine deutlich sichtbare, geprägte Markierung viualisiert die Ausrichtung der Steckleiste und die Identifizierung von Kontakt 1. Schraubensicherungen mit Innengewinde und Bolzen für die Leiterplattenmontage sorgen für die Sicherung der Buchse sowie für die mechanische Befestigung auf der Leiterplatte mit einer geschlitzten Leiterplattenmontagemutter KA1-4240000. Steckleisten mit rechtwinkligen, horizontalen Montagekontakten und alternativen Sicherungsanordnungen sind erhältlich. Das „Make-before-lock“-Verfahren wird eingesetzt, um mögliche Schäden während des Sicherungsvorgangs zu vermeiden.

Steckbuchsen für Kabel- und Schalttafelmontage

Die Kona-Steckbuchse KA1-2010498F1 (Abbildung 4, links) ist ein kabelmontiertes Steckbuchsengehäuse mit vier Kontakten, das separate Kontakte verwendet, wie den Kona-Kontakt KA1-0400005 von Harwin (Abbildung 4, rechts). Dieses Gehäuse kann mit der oben vorgestellten Steckleiste KA1-MV10405M1 mit vier Kontakten verbunden werden.

Abbildung 4: Abgebildet sind das Steckbuchsengehäuse KA1-2010498F1 (links) mit vier Kontakten und seiner Kragenverlängerung und die mit dem Gehäuse verwendete Lötbuchse (rechts). (Bildquelle: Harwin Inc.)

Das kabelmontierte Buchsengehäuse umfasst Kragenverlängerungen mit Polarisierungsschlüsseln, die eine versehentliche Verbindung mit den Buchsenkontakten verhindern und eine elektrische Isolierung der gepaarten Kontakte gewährleisten. Der Buchsenkontakt des Kona-Steckers KA1-0400005 ist mit dem Kabel verlötet. Die Kontakte sind für Kabel der Stärke 8 AWG ausgelegt. Empfohlen wird eine Isolierung aus Silikonkautschuk mit einem maximalen Durchmesser von 7,5 mm (0,295 Zoll).

Die standardmäßigen geschlechtsspezifischen Steckverbinder sind mit schwimmend gelagerten Rändelschrauben mit Innensechskantaussparungen für Drehmomentschraubendreher ausgestattet. Umgekehrte Befestigungselemente, mit umgekehrter Verriegelungsrichtung, haben 5,2 mm lange Befestigungsstifte für die Frontplattenmontage an einem Gehäuse. Die Sicherungshardware besteht aus korrosionsbeständigem Edelstahl.

Stecker für Kabel- und Schalttafelmontage

Der Kona-Verbinder KA1-3010498M5 (Abbildung 5, links) ist die kabelgebundene Version des Gehäuses KA1-2010498F1 und verwendet den Stiftkontakt KA1-1410005 (Abbildung 5, rechts).

Abbildung 5: Abgebildet sind das Gehäuse des Steckers KA1-3010498M5 mit vier Kontakten (links) und die Lötversion des mit dem Gehäuse verwendeten sechsfingrigen Steckerkontakts (rechts). (Bildquelle: Harwin Inc.)

Das Steckergehäuse verwendet die Lötversion des sechsfingrigen Stiftkontakts, der für die Verwendung desselben 8 AWG Drahts wie die Buchsenversion ausgelegt ist. Dieses Steckermodell ist zur Sicherung mit rückwärts gerichteten Rändelschrauben ausgestattet, die mit einer Buchse mit entsprechender Hardware für die Schalttafelmontage zusammenpassen. Standardmäßige Sicherungshardware ist ebenfalls erhältlich.

Klein und leicht

Die physische Größe der Steckverbinder ist angesichts ihrer Nennwerte von 60 A und 3000 Volt gering (Abbildung 6).

Abbildung 6: Eine Maßzeichnung von Kona-Gehäusen zeigt deren geringe Größe. (Bildquelle: Harwin Inc.)

Die Steckverbinder mit vier Kontakten haben eine Länge (A) von 50 mm (1,97 in.), eine Breite von 12,5 mm (0,49 in.) und eine Höhe von 18 mm (0,71 in.). Ein Buchsenkabelgehäuse, das mit einer Steckleiste verbunden ist, hat eine Höhe von 21,7 mm (0,85 in.) ab der Leiterplatte. Das kombinierte Paar wiegt etwa 25 Gramm (g) (0,88 Unzen (oz)).

Prüfnormen

Alle Kona-Steckverbinder wurden gemäß den entsprechenden Abschnitten der Norm EIA-364 getestet. Die elektrischen Prüfungen umfassen Kontaktwiderstand, Leistung, Spannungsfestigkeit und Isolationswiderstand. Die mechanischen Tests umfassen Stöße und Vibrationen, Steck- und Trennkräfte, Temperaturschock, Feuchtigkeit und Salzsprühnebel. Die Vibrationsspezifikation beträgt 20 g Spitze für 12 Stunden (hr) ohne Kontaktfehler. Ähnlich beträgt die Schockspezifikation 100 g für 6 Millisekunden (ms) ohne Kontaktfehler.

Zusätzlich zu ihrer Schock- und Vibrationstoleranz, die die Steckverbinder für EV-Stromanschlüsse eignen, erfüllen Kona-Steckverbinder die Ausgasungsanforderungen der NASA und ESA, was sie ideal für Anwendungen in der Raumfahrt, der Avionik und für unbemannte Luftfahrzeuge (UAV) macht.

Abschirmung gegen Störungen

Für Anwendungen, bei denen elektromagnetische Störungen (EMI) und Hochfrequenzstörungen (RFI) eine Rolle spielen, bieten die Kona-Steckverbinder eine Reihe von leichten Aluminium-Endgehäusen für Kabel- und Steckleistengehäusen (Abbildung 7).

Abbildung 7: Für den EMI/RFI-Schutz ist ein Aluminium-Endgehäuse mit flexiblem Abschirmgeflecht erhältlich, das an einem Sicherungsband befestigt ist. (Bildquelle: Harwin Inc.)

Die Endgehäuse sind so konzipiert, dass sie ein abriebfestes, flexibles Metallgeflecht aufnehmen können, und werden mit Sicherungsbändern geliefert, um das Geflecht am Gehäuse zu befestigen. Die Kombination aus Endgehäuse und Geflecht bietet Abschirmung für einen wirksamen EMI/RFI-Schutz. Außerdem bieten die Endgehäuse eine zusätzliche Zugentlastung für die Kabel.

Werkzeuge für die Montage

Die Kona-Steckverbinder erfordern ein Minimum an Werkzeug. Da die Kabelkontakte verlötet sind, können sie durch Einschieben ohne Werkzeug eingesetzt werden. Für den Fall, dass ein Kontakt entfernt oder ausgetauscht werden muss, ist ein Extraktionswerkzeug erhältlich. Ein Schraubendreher kann zum Anziehen oder Lösen von Schlitzmuttern an Befestigungsbolzen verwendet werden.

Fazit

Die hochzuverlässige Kona-Steckverbinderfamilie im Raster 8,5 mm gewährleistet die Integrität der Stromversorgung auch in den anspruchsvollsten Umgebungen. Diese Steckverbinder ermöglichen einen schnellen und einfachen Steckvorgang, der keine zusätzlichen Werkzeuge erfordert. Sie sind ideal für Avionik, UAVs, Satelliten, Elektrofahrzeuge und andere Anwendungen mit Hochleistungssystemen, die in extremen Umgebungen betrieben werden.