เทอร์มินัลกระแสไฟฟ้าแรงสูงสามารถจ่ายไฟอย่างปลอดภัยได้อย่างไรในขณะที่ลดเวลาในการประกอบและการสูญเสียพลังงาน

นักออกแบบระบบอุตสาหกรรมกำลังใช้ประโยชน์จากการควบคุมในทางอิเล็กทรอนิกส์มากขึ้นเนื่องจากพวกเขามุ่งมั่นเพื่อให้ได้งานที่มีประสิทธิภาพ ด้วยการควบคุมในทางอิเล็กทรอนิกส์จึงจำเป็นต้องมีรูปแบบที่เล็กลงเพื่อประหยัดพื้นที่และลดต้นทุน อย่างไรก็ตามเมื่อฟอร์มแฟคเตอร์หดตัวลง นักออกแบบต้องเผชิญกับความท้าทายที่เพิ่มขึ้นเกี่ยวกับการเชื่อมต่อกำลังสูง คอนเน็กเตอร์บอร์ดพีซีและสายไฟสำหรับกระแสไฟฟ้าแรงสูงต้องการการเชื่อมต่อที่แน่นหนาและใช้งานหนัก ดังนั้นจึงไม่สามารถหดตัวในอัตราเดียวกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับงานดิจิทัล นอกจากนี้จุดเชื่อมต่อกระแสไฟฟ้าแรงสูงเหล่านี้จะต้องใช้งานได้ดีกับกระบวนการผลิตบอร์ดพีซีไม่ว่าจะเป็นแบบยึดบนพื้นผิวหรือผ่านรู ปัญหาเหล่านี้ต้องได้รับการจัดการ ในขณะเดียวกันก็ต้องมีการจัดการงบประมาณที่รัดกุมและใช้เวลาในการผลิตสู่ตลาดให้สั้นลง

เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดเหล่านี้ ผู้พัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูงจะต้องให้ความสำคัญกับการออกแบบและการเลือกขั้วไฟฟ้ากำลังสูงของบอร์ดพีซีและการประกอบ เทอร์มินัลสำหรับกระแสไฟฟ้าแรงสูงอาจต้องใช้เวลาในการประกอบเพิ่มเติมเพื่อจะรับประกันว่ามีการเชื่อมต่อที่มั่นคง

บทความนี้จะกล่าวถึงปัญหาที่เกี่ยวข้องกับขั้วไฟฟ้าแรงสูงโดยสังเขป จะแสดงให้เห็นว่าผู้ออกแบบบอร์ดพีซีสำหรับไฟฟ้าแรงสูงสามารถใช้ประโยชน์จากเทอร์มินัลบอร์ดพีซีกระแสสูงเฉพาะทางได้อย่างไร การใช้โซลูชันจาก Würth Elektronikดังตัวอย่างนี้จะแสดงให้เห็นว่าเทอร์มินัลที่เหมาะสมสามารถส่งกระแสสูงระหว่างระบบได้อย่างน่าเชื่อถือและวิธีที่ช่วยเร่งการประกอบอัตโนมัติให้เร็วขึ้น ในขณะที่ให้เสถียรภาพเชิงกลสูงและความต้านทานการเชื่อมต่อต่ำมาก

เทอร์มินัลก่อให้เกิดการสูญเสียพลังงานได้อย่างไร

ผู้ออกแบบระบบอุตสาหกรรมมักจะต้องจัดหาและควบคุมกระแสไฟฟ้าแรงสูงในช่วงหลายร้อยแอมป์ บ่อยครั้งที่เทอร์มินัลกระแสไฟฟ้าแรงสูงที่จ่ายไฟให้กับระบบจะอยู่บนบอร์ดพีซีเดียวกันกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ควบคุมแบบดิจิทัล เนื่องจากเซมิคอนดักเตอร์สำหรับควบคุมมีการรวมตัวกันมากขึ้น จึงทำให้บอร์ดพีซีมีพื้นที่ลดลง ฟอร์มแฟคเตอร์ที่หดตัวลงนี้นำเสนอปัญหาสามประการสำหรับนักออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ไฟฟ้าแรงสูง

ปัญหาแรกคือการพิจารณาถึงสภาพแวดล้อมที่มีความรุนแรงในแง่ของอุณหภูมิ ความชื้น และก๊าซในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของบอร์ดพีซี หากการเชื่อมต่อไม่แน่นหนา ก๊าซอันเป็นผลมาจากกระบวนการทางอุตสาหกรรมสามารถออกซิไดซ์หรือกัดกร่อนการเชื่อมต่อที่มีกระแสไฟฟ้าแรงสูง ส่งผลให้การเชื่อมต่อไม่มีประสิทธิภาพซึ่งอาจนำไปสู่การสูญเสียพลังงานหรืออุปกรณ์ทำงานผิดปกติ ปัญหาเหล่านี้วินิจฉัยได้ยากและบางครั้งก็ไม่สามารถตรวจพบได้ด้วยการตรวจด้วยสายตาที่ถึงแม้จะทำอย่างระมัดระวังที่สุด

ปัญหาที่สองคือการจัดการกับประสิทธิภาพของการเชื่อมต่อไฟฟ้าแรงสูง เมื่อระดับพลังงานเพิ่มขึ้น แม้แต่ความต้านทานการเชื่อมต่อที่เพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อยก็อาจส่งผลให้สูญเสียพลังงานโดยมีความร้อนเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัด ตามกฎของโอห์ม เทอร์มินัล 25.0 แอมแปร์ (A) ที่มีข้อต่อบัดกรีไม่ดีซึ่งส่งผลให้มีความต้านทานเพียง 0.050 โอห์ม (Ω) สามารถสร้างการสูญเสีย (25.0² x 0.050) = 31.25 วัตต์ที่ข้อต่อ นอกจากการสูญเสียแล้วความร้อนที่เกิดขึ้นสามารถลดอายุการใช้งานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในบริเวณใกล้เคียงได้ ที่เลวร้ายที่สุดความร้อนอาจทำให้เกิดแผลไหม้หรือไฟไหม้ได้

ปัญหาที่สามคือการตรวจสอบว่าขั้วกระแสไฟฟ้าแรงสูงเข้ากันได้กับวิธีการผลิตที่ใช้ในการประกอบบอร์ดพีซีหรือไม่ สำหรับการผลิตบอร์ดพีซีปริมาณมาก ควรใช้อุปกรณ์ประเภท surface mount ทั้งหมด เมื่อเทียบกับ through-hole แล้ว การประกอบแบบ surface mount จะรวมเวลาในการประกอบที่ลดลงโดยมีต้นทุนแรงงานที่ต่ำลงในขณะที่ยังคงรักษาคุณภาพไว้ อย่างไรก็ตามเทอร์มินัลของบอร์ดพีซีแบบ surface mount ถูกจำกัด ตามความสามารถในการพกพาในปัจจุบันสำหรับแต่ละเทอร์มินัล เทอร์มินัลบอร์ดพีซีแบบ reflow แบบ through-hole สามารถรับกระแสไฟฟ้าได้มากกว่าแบบ surface mount ในขณะที่ให้เสถียรภาพเชิงกลสูงมาก อย่างไรก็ตามสายการประกอบบอร์ดพีซีแบบ through-hole หรือแบบผสมอาจต้องใช้พื้นที่เป็นสองเท่ารวมทั้งแรงงานและเวลาในการประกอบเพิ่มเติมเมื่อเทียบกับแบบ surface mount ทำให้เป็นวิธีการประกอบที่มีราคาแพงกว่า

ไม่ว่ากระบวนการประกอบจะเป็นอย่างไรสิ่งที่ต้องรักษาไว้คือคุณภาพ และสำหรับสายการประกอบนั่นหมายถึงการมุ่งเน้นไปที่การลดข้อผิดพลาด ในเรื่องนี้การประกอบแบบ through-hole อาจมีความน่าเชื่อถือมากกว่าสำหรับขั้วกระแสไฟสูงเนื่องจากลักษณะของขั้วทำให้มีโอกาสน้อยที่จะโผล่ออกมาในระหว่างกระบวนการบัดกรีแบบ reflow เนื่องจากเทอร์มินัลกระแสไฟฟ้าแรงสูงแบบ surface mount ต้องการพื้นที่ขนาดใหญ่จึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องวางประสานให้ทั่วทั้งแผ่นบัดกรี หากทำอย่างไม่สม่ำเสมอ แผ่นจะร้อนไม่สม่ำเสมอระหว่างการรีโฟลว์ บัดกรี ทำให้ปลายด้านหนึ่งของเทอร์มินัลสูงขึ้น ส่งผลให้เกิด tombstone ของส่วนอุปกรณ์ surface mount

ขั้วกระแสไฟฟ้าแรงสูงมีประสิทธิภาพในด้านพลังงาน

เพื่อแก้ไขปัญหาที่อาจเกิดขึ้นกับเทอร์มินัลกระแสไฟฟ้าแรงสูง Würth Elektronik ได้พัฒนา เทอร์มินัล REDCUBEสายผลิตภัณฑ์ที่รองรับกระแสไฟฟ้าแรงสูงพร้อมตัวเลือกการผลิตที่ยืดหยุ่น ขั้วต่อมีลักษณะต่ำซึ่งช่วยให้สามารถกระจายความร้อนไปยังพื้นที่โดยรอบได้เร็วขึ้นในขณะที่ปล่อยให้อากาศไหลเวียนไปยังพื้นที่ใกล้เคียงได้มากขึ้นช่วยเพิ่มการระบายความร้อนให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์โดยรอบ เทอร์มินัล REDCUBE ได้รับการออกแบบให้มีความต้านทานการเชื่อมต่อบัดกรีที่ต่ำมากและสามารถจ่ายไฟได้ถึง 500 A โดยมีการสูญเสียพลังงานหรือเกิดความร้อนน้อยมาก

สายนี้รองรับการรีโฟลว์แบบ surface mount, through-hole และกระบวนการผลิตบอร์ดพีซีแบบ press-fit สิ่งนี้ช่วยให้นักออกแบบบอร์ดพีซีระบบอุตสาหกรรมสามารถสร้างมาตรฐานบนเทอร์มินัลจากซัพพลายเออร์เพียงรายเดียว ทำให้ง่ายต่อการระบุเพียงใช้สายตาในระหว่างกระบวนการผลิตที่แตกต่างกัน และลดความซับซ้อนในการจัดซื้อ

เทอร์มินัลสำหรับไฟฟ้าแรงสูงแบบ surface mount

เพื่อให้ใช้งานได้กับการผลิตบอร์ดพีซีแบบ Surface Mount Device (SMD) นักออกแบบสามารถใช้ Würth's REDCUBE SMD เทอร์มินัลตระกูลสำหรับงานอุตสาหกรรม เทอร์มินัลเหล่านี้รองรับการประกอบแบบ surface mount อัตโนมัติโดยเน้นการสร้างความร้อนน้อยที่สุด เทอร์มินัลรองรับได้ถึง 85 A สำหรับการเชื่อมต่อแบบบอร์ดต่อบอร์ดไฟฟ้า

อุปกรณ์ตัวอย่าง 7466003Rมีเกลียว M3 และได้รับการจัดอันดับที่ 50 A ที่ 20°C (รูปที่ 1) เทอร์มินัลมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 8.3 มิลลิเมตร (มม.) ฐานวงกลมช่วยเพิ่ม yield ในการผลิตโดยการลดการเกิด tombstone โดยการกระจายน้ำหนักของเทอร์มินัลและกำจัดมุมที่คมซึ่งอาจไม่ได้รับการประสาน ตัวอุปกรณ์ REDCUBE SMD 7466003R ทำจากทองเหลืองสำหรับงานหนัก ชุบดีบุกและได้รับการจัดอันดับสำหรับอุณหภูมิ -55°C ถึง +150°C

รูปที่ 1: เทอร์มินัลอุตสาหกรรม REDCUBE SMD 7466003R มีขนาดเล็ก 8.3 มม. และได้รับการจัดอันดับให้บรรทุกได้อย่างปลอดภัยสูงสุด 50 A มาพร้อมกับแท็บ mylar สีส้มที่ติดอยู่ ซึ่งถอดออกโดยการเลือกและวางอุปกรณ์อัตโนมัติก่อนที่จะติดตั้งบอร์ดพีซีสำหรับ surface mount (แหล่งรูปภาพ: Würth Elektronik)

เพื่อให้การเชื่อมต่อที่ดีที่สุดในขณะที่ลดความร้อน ขอแนะนำให้เชื่อมต่อเกลียว M3 กับสกรูและเทอร์สินัลที่ชุบดีบุกด้วย ทำให้ 7466003R เข้ากันได้กับขั้วไฟฟ้าและสกรูส่วนใหญ่ แถบไมลาร์สีส้มช่วยป้องกันด้านที่จะบัดกรีจากสิ่งปนเปื้อนและรอยนิ้วมือก่อนการประกอบ สิ่งนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าการเชื่อมต่อประสานแบบ surface mount เป็นไปด้วยดีโดยมีความต้านทานการเชื่อมต่อน้อยที่สุด ขอแนะนำด้วยว่าก่อนที่เทอร์มินัลจะถูกจับคู่กับสกรูชุบดีบุกเกลียว M3 และขั้วต่อด้านบนจะได้รับการปกป้องจากสิ่งปนเปื้อนใด ๆ ที่อาจส่งผลต่อความต้านทานการ mating ของสกรูและแถบที่ใส่เข้าไป ซึ่งรวมถึงการป้องกันไม่ให้นิ้วแตะด้านบนของเกลียว

เทอร์มินัลบอร์ดพีซีแบบ through-hole

สำหรับงานอุตสาหกรรมที่ต้องการส่วนประกอบแบบ through hole Würthจัดเตรียม REDCUBE THR แฟมิลีสำหรับใช้งาน อุปกรณ์เหล่านี้จะรองรับการประกอบบอร์ดพีซี reflow แบบ through hole อัตโนมัติ ตัวอย่างเช่น 74651195R คือเทอร์มินัลสกรูตรงเก้าพินแบบ through hole พร้อมเกลียว M5 ชุบดีบุกที่ออกแบบมาเพื่อยึดสายเคเบิลที่ยึดด้วยน็อต (รูปที่ 2) มีช่วงอุณหภูมิในการทำงาน -55°C ถึง +150°C และได้รับการจัดอันดับที่ 85 A ที่ 20°C

รูปที่ 2: REDCUBE THR 74651195R ได้รับการจัดอันดับที่ 85 A ที่ 20°C และมีขั้วต่อสกรูตรง M5 พินบอร์ดพีซีทั้งเก้าพินให้เสถียรภาพเชิงกลต่อแรงเฉือนและแรงฉีกขาด (แหล่งรูปภาพ: Würth Elektronik)

พินทั้งเก้าบน 74651195R ถูกจัดเรียงในตาราง 3 x 3 ที่ออกแบบมาเพื่อความสามารถในการบัดกรีที่ดีที่สุดรวมทั้งความเสถียรทางกลต่อการฉีกขาดและแรงเฉือน 74651195R ชุบดีบุกบนชิ้นส่วนทองเหลืองที่เป็นของแข็ง ทำให้มีความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้นและทนต่อแรงบิดได้ดีกว่าเมื่อเทียบกับขั้วแบบตอก การออกแบบนี้ทำให้ 74651195R เป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมที่ใช้ไฟฟ้าแรงสูง ซึ่งอาจดึงสายเคเบิลที่ต่ออยู่ออกจากมุมใดก็ได้

74651195R เป็นอุปกรณ์แบบเตี้ยและมีความสูงรวมเหนือบอร์ดพีซี 10 มม. พร้อมสกรูที่มีความยาว 7 มม. รองรับแท็บสายเคเบิล M5 มาตรฐานและน็อตล็อคที่มีเกลียวเพียงเล็กน้อยทำให้อากาศไหลเวียนรอบขั้วได้อย่างง่ายดายเพื่อเพิ่มการระบายความร้อน

ขั้วแบบ press-fit สำหรับกระแสที่สูงมาก

สำหรับแหล่งจ่ายไฟและระบบอุตสาหกรรมที่ต้องการกระแสสูงมาก Würth ได้พัฒนา REDCUBE PRESS-FIT สายผลิตภัณฑ์ที่ได้รับการจัดอันดับสูงถึง 500 A. ขั้วเหล่านี้ไม่ใช้การบัดกรีแบบรีโฟลว์หรือคลื่น แต่เทอร์มินัลจะถูกกดลงในรูบอร์ดพีซีที่ชุบด้วยโลหะโดยอัตโนมัติ แรงเสียดทานที่สร้างขึ้นโดยการกดเทอร์มินัลลงในรูของบอร์ดพีซีทำให้เกิดการเชื่อมต่อแบบเย็นที่แน่นด้วยก๊าซโดยมีความต้านทานการสัมผัสเพียง 200 ไมโครโอห์ม (µΩ)

ตัวอย่างการแก้ปัญหาคือ 7461090 ขั้วต่อสกรูพร้อมเกลียว M8 (รูปที่ 3) ได้รับการจัดอันดับที่ 350 A ที่ 20°C และมีอุณหภูมิในการทำงาน -55°C ถึง +150°C ในการจัดการกับกระแสไฟฟ้านี้ 7461090 มีพิน 20 พินที่ไม่ต้องใช้วิธีการบัดกรีด้วยความร้อน วิธีการแบบ press-fit ใช้รูของบอร์ดพีซีแบบเดียวกับส่วนประกอบแบบ throuth-hole ช่วยขจัดปัญหาด้านความสามารถในการบัดกรีเช่นข้อต่อบัดกรีเย็น นอกจากนี้ press-fit ขนาด 20 พินไม่จำเป็นต้องยื่นผ่านบอร์ดพีซีเช่นการบัดกรีผ่านรูและยังสามารถสิ้นสุดภายในบอร์ดพีซีได้โดยไม่ต้องมีหางบัดกรี ซึ่งจะช่วยป้องกันไม่ให้เกิดการลัดวงจรไปที่ขั้วกระแสไฟสูงใต้บอร์ดพีซีโดยไม่ได้ตั้งใจซึ่งจะช่วยเพิ่มความปลอดภัยของระบบ

รูปที่ 3: ขั้วสกรูอุตสาหกรรม REDCUBE PRESS-FIT 7461090 ถูกกดลงในรูของบอร์ดพีซีโดยไม่ต้องใช้คลื่นหรือวิธีบัดกรีแบบ reflow การออกแบบที่เป็นเอกลักษณ์ให้ความต้านทานต่อการสัมผัสน้อยมากทำให้สามารถรองรับได้ถึง 350 A. (แหล่งรูปภาพ: Würth Elektronik)

รายละเอียดของเกลียวชุบดีบุก M8 คือ 13.5 มม. สำหรับการส่งกระแสสูงสุดที่มีความต้านทานต่อการสัมผัสต่ำสุดควรเลือกสกรูชุบดีบุกเพื่อให้สกรูที่ประกอบผ่านแท็บสายเคเบิลและเดินทางตามความยาวสูงสุดที่ใช้งานได้จริงผ่านขั้ว REDCUBE โดยไม่ต้องสัมผัสกับบอร์ดพีซี สิ่งนี้ให้พื้นที่สัมผัสสูงสุดสำหรับความยาวขั้วสกรูทั้งหมด

ก่อนการประกอบสิ่งสำคัญคือต้องป้องกันไม่ให้สิ่งปนเปื้อนหรือนิ้วสัมผัสกับเกลียวหรือด้านบนของเทอร์มินัลเนื่องจากความต้านทานที่น้อยที่สุดจากสารปนเปื้อนก็สามารถสร้างความร้อนส่วนเกินที่เป็นอันตรายได้ที่ 350 A

เทอร์มินัลปลั๊กเพื่อความสะดวกในการเชื่อมต่อและถอดสาย

บางครั้งระบบอุตสาหกรรมกำลังสูงจำเป็นต้องได้รับการกำหนดค่าใหม่และเชื่อมต่อใหม่ระหว่างแหล่งที่มาต่าง ๆ ได้อย่างง่ายดาย สำหรับแอปพลิเคชันเหล่านี้ Würth มี REDCUBE PLUG ตระกูลเต้ารับเทอร์มินัลสำหรับงานอุตสาหกรรมแบบ press-fit นี่คือเทอร์มินัลแบบ press-fit ที่ให้ความสะดวกในการเชื่อมต่อเทอร์มินัลแบบไม่ใช้สกรูที่รองรับได้ถึง 120 A

ตัวอย่างเช่น REDCUBE PLUG 7464000 สามารถรองรับได้ถึง 120 A ที่ 20°C โดยมีช่วงอุณหภูมิในการทำงาน -45°C ถึง +125°C (รูปที่ 4) ปลั๊ก REDCUBE นี้ประกอบด้วยตัวรับโลหะผสมทองแดงชุบดีบุกซึ่งห่อหุ้มด้วยตัวเครื่องพลาสติกเสริมใยแก้วสีแดง ในการเสียบปลั๊กที่เข้ากันได้เข้ากับเต้ารับที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 6.2 มม. จะต้องกดด้านบนของตัวเครื่องเข้าหาบอร์ดพีซีด้วยตนเอง เพื่อให้เสียบปลั๊กชุบดีบุกได้อย่างง่ายดาย การปลดด้านบนของตัวเครื่องจะเป็นการล็อกปลั๊กเข้าที่

รูปที่ 4: เต้ารับปลั๊ก REDCUBE PLUG 7464000 เป็นขั้วต่อแบบกดที่พิกัด 120 A ที่ 20°C ช่วยให้เชื่อมต่อและถอดปลั๊กกระแสสูงได้อย่างง่ายดายทำให้เหมาะสำหรับโซลูชันพลังงานที่กำหนดค่าใหม่ได้ (แหล่งรูปภาพ: Würth Elektronik)

เต้ารับปลั๊ก REDCUBE PLUG 7464000 ยังเป็นทางออกที่ดีสำหรับพื้นที่ที่มีพื้นที่เหนือศีรษะต่ำซึ่งจะทำให้ยากต่อการติดสกรูหรือน็อต สีแดงสดทำให้สามารถระบุปลั๊กได้อย่างง่ายดายบนบอร์ดพีซีที่มีอุปกรณ์หนาแน่น มีพินแบบ press-fit ที่เว้นระยะห่างกัน 12 อันจัดเรียงในตาราง 3 x 4 7464000 ให้ความต้านทานการสัมผัสสูงสุด 1 mΩ ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่มีกระแสไฟฟ้าสูงมาก

สรุป

เมื่อการออกแบบผสานรวมกันมากขึ้นผู้ออกแบบระบบไฟฟ้าแรงดันสูงจึงต้องสร้างสมดุลระหว่างการส่งมอบพลังงานที่มีประสิทธิภาพและมีการสูญเสียต่ำและง่ายต่อการประกอบ สิ่งนี้ทำให้การเลือกขั้วต่ออุตสาหกรรมบอร์ดพีซีกระแสไฟฟ้าแรงสูงที่เหมาะสมมีความสำคัญอย่างยิ่ง นักออกแบบจะต้องมีความเข้าใจในกระบวนการประกอบบอร์ด ปริมาณกระแสไฟฟ้าที่เทอร์มินัลสามารถจัดการได้อย่างปลอดภัย และวิธีการต่อบอร์ดพีซี

ดังที่แสดงไว้เทอร์มินัลเกรดอุตสาหกรรมที่มีตัวเลือกการประกอบที่ยืดหยุ่นช่วยให้นักออกแบบสร้างมาตรฐานให้กับสายการผลิตภัณฑ์เดียว ทำให้การจัดซื้อและการทำงานร่วมกันง่ายขึ้น สิ่งนี้ช่วยให้ระบบอุตสาหกรรมสามารถส่งกำลังได้อย่างปลอดภัย ในขณะที่เพิ่มผลตอบแทนการผลิตโดยการลดข้อผิดพลาดในการประกอบทำให้ใช้เวลาในการประกอบเร็วขึ้นและลดต้นทุน