כיצד הדקי זרם-גבוה יכולים לספק כוח בבטחה תוך כדי הפחתת זמן הרכבה והפסדי הספק

מתכננים של מערכות תעשייתיות מפיקים תועלת במידה הולכת וגדלה מבקרה אלקטרונית בחתירתם ליעילות. עם בקרה אלקטרונית בא הצורך בגורמי צורה הולכים וקטנים כדי לחסוך במקום ולהנמיך עלויות. אולם, עם התכווצות גורמי הצורה, מתכננים עומדים בפני אתגרים הולכים וגדלים ביחס לחיבורי הספק-גבוה. מחברי לוח מעגל מודפס זרם-גבוה וקווי כוח דורשים חיבורי עומס-גבוה עבים כך שאינם יכולים להתכווץ באותו היחס כמו אלקטרוניקה דיגיטלית. בנוסף, נקודות חיבור זרם-גבוה אלו חייבות להיות ידידותיות לתהליך הייצור של לוח מעגל מודפס, בין אם הוא עבור הרכבה-משטחית או חור-עובר. יש לטפל בהיבטים אלה, בעוד שעדיין מנהלים צמצום תקציבים וקיצור זמן הגעה לשוק.

כדי לעמוד בדרישות אלו, מפתחים של אלקטרוניקה של הספק-גבוה חייבים להקדיש תשומת לב רבה לתכנון ולבחירה של הדקי הספק-גבוה של לוח מעגל מודפס והרכבתם. הדקי הספק-גבוה יכולים גם לדרוש זמן הרכבה נוסף כדי להבטיח חיבור הלחמה איתן.

מאמר זה ידון בקיצור בבעיות הקשורות בהדקי הספק-גבוה. הוא יראה כיצד מתכננים של לוחות מעגל מודפס הספק-גבוה יכולים להפיק תועלת מהדקי לוח מעגל מודפס זרם-גבוה ייעודיים. תוך שימוש בדוגמאות מבית Würth Elektronik, הוא יראה כיצד הדקים מתאימים יכולים לספק באמינות זרם גבוה בין מערכות וכיצד הם יכולים להאיץ הרכבה ממוכנת תוך כדי אספקת איתנות מכנית גבוהה והתנגדות חיבור נמוכה מאוד.

כיצד גורמים הדקים להפסדי הספק

תכופות, מתכננים של מערכות תעשייתיות צריכים לספק ולבקר זרמים גבוהים בסדר גודל של מאות אמפר. לעיתים קרובות הדקי הזרם-הגבוה המספקים את הכוח למערכת נמצאים על אותו לוח מעגל מודפס עם האלקטרוניקה של הבקרה הדיגיטלית. ככל שהמוליכים למחצה של הבקרה נעשים משולבים יותר, לוח המעגל המודפס קטן בשטחו. גורם צורה מתכווץ זה מציג שלוש בעיות עבור מתכנני אלקטרוניקה של הספק-גבוה.

הבעיה הראשונה היא התחשבות בהשפעות תנאי הסביבה הקיצוניים מבחינת טמפרטורה, לחות, וגזים על האלקטרוניקה של לוח המעגל המודפס. אם חיבורים אינם אטומים, גזים הנוצרים כתוצאה מתהליכים תעשייתיים יכולים לחמצן או לאכל חיבורי זרם-גבוה, לגרום לחיבורים בלתי יעילים, שיכולים להוביל להפסדי הספק או לתקלות בציוד. בעיות אלו יכולות להיות קשות לאבחון ולעתים לא ניתן לגלותן אפילו על ידי הבדיקה הוויזואלית הקפדנית ביותר.

הבעיה השנייה עוסקת ביעילות של חיבורי ההספק-הגבוה. עם עליה ברמות ההספק, אפילו העליה הקטנה ביותר בהתנגדות החיבור יכולה לגרום להפסד הספק יחד עם גידול בולט בחום. לפי חוק אוהם, הדק של 25.0 אמפר (A) עם חיבור הלחמה גרוע שתוצאתו התנגדות של 0.050 אוהם (Ω) בלבד יכול לחולל הפסד של (‎25.0² x 0.050)‏ = 31.25 וואט בחיבור. בנוסף להפסדים, החום שהופק יכול לקצר את תוחלת החיים של אלקטרוניקה סמוכה. במקרה הגרוע ביותר, החום יכול לגרום לצריבה או אש.

הבעיה השלישית היא להבטיח שהדקי הזרם-הגבוה תואמים עם שיטת הייצור המשמשת להרכבת לוח המעגל המודפס. עבור ייצור לוח מעגל מודפס בנפח גבוה, הרכבה משטחית עדיפה עבור כל הרכיבים. בהשוואה לחור-עובר, הרכבה משטחית משלבת זמני הרכבה מופחתים עם עלויות עבודה נמוכות יותר תוך שמירה על איכות. אולם, הדקי לוח מעגל מודפס הרכבה משטחית מוגבלים ביכולת נשיאת הזרם של הדק בודד. הדקי לוח מעגל מודפס חור-עובר עם הלחמת Reflow יכולים לשאת בקלות יותר זרם מהרכבה משטחית, תוך הענקת יציבות מכנית גבוהה מאוד. אולם, קו הרכבה של לוח מעגל מודפס חור-עובר או מעורב יכול לדרוש שטח רצפה כפול, כמו גם כוח עבודה וזמן הרכבה נוספים בהשוואה להרכבה משטחית, גורמים שעושים שיטת הרכבה זו ליקרה יותר.

ללא תלות בתהליך ההרכבה, יש לשמור על איכות, ועבור קו הרכבה זה אומר‏ התמקדות בצמצום טעויות. מבחינה זו, חור-עובר יכול להיות אמין יותר עבור הדקי זרם-גבוה כי מטבעו הסבירות שההדקים יתנתקו בתהליך הלחמת Reflow היא נמוכה יותר. מאחר והדקי זרם-גבוה הרכבה-משטחית דורשים חתימות שטח גדולות יותר, מריחת שכבה אחידה של משחת הלחמה על כל שטח פד ההלחמה היא קריטית. אם השכבה איננה אחידה, הפד יתחמם באופן לא אחיד בזמן הלחמת ה-Reflow, דבר שיגרום לקצה אחד של ההדק להתרומם וכתוצאה מכך רכיב ההרכבה-המשטחית מזדקר כמצבה.

הדקי זרם-גבוה יעילים הספקית

כדי לענות על הבעיות האפשריות עם הדקי זרם-גבוה, Würth Elektronik פיתחה את קו המוצרים הדקי REDCUBE, שתומך בזרמים גבוהים ועם אפשרויות ייצור גמישות. ההדקים הם בעלי פרופיל נמוך המאפשר פיזור חום מהיר יותר לסביבה תוך מתן אפשרות לזרימת אוויר גבוהה יותר בסביבה הקרובה, ובכך הגברת הקירור של האלקטרוניקה הסובבת. הדקי REDCUBE‏ מתוכננים עבור התנגדות צומת לחם (Solder) נמוכה ביותר וכך יכולים לספק עד ‎500 A‏ עם הפסדי הספק או יצירת חום נמוכים מאוד.

הקו תומך בתהליכי ייצור לוח מעגל מודפס הרכבה-משטחית, חור-עובר Reflow ו-Press-Fit‏. זה מאפשר למתכנן לוח מעגל מודפס של מערכות תעשייתיות לבחור בסטנדרד הדקים אחד מספק יחיד, עושה אותם קלים לזיהוי ויזואלי בתהליכי ייצור שונים ומפשט רכש.

הדקי זרם-גבוה הרכבה-משטחית

עבור תאימות עם ייצור לוח מעגל מודפס הרכבה-משטחית (SMD), מתכננים יכולים להשתמש במשפחת הדקים תעשייתיים REDCUBE SMD‏ של Würth. הדקים אלה תומכים בהרכבה-משטחית אוטומטית במלואה תוך מתן דגש ליצירת חום מינימלית. ההדקים תומכים בזרמים עד ‎85 A עבור חיבורים חשמליים לוח-ללוח.

התקן דוגמה, ה-7466003R, הוא בעל תבריג M3 ומדורג ‎50 A‏ ב-‎20°C (איור 1). להדק חתימת שטח קטנה בקוטר 8.3 מ"מ. חתימת השטח העגולה משפרת תפוקת ייצור על ידי הפחתת הזדקרות מצבה באמצעות פיזור משקל אחיד של ההדק ומניעת פינות חדות שעלולות לא לקבל משחת הלחמה. גוף ה-REDCUBE SMD 7466003R עשוי מפליז עומס-גבוה עם ציפוי‏ בדיל ומדורג עבור טמפרטורות של 55°C- עד 150°C+.

איור 1: ההדק התעשייתי REDCUBE SMD 7466003R הוא בעל חתימת שטח קטנה של 8.3 מ"מ ומדורג לשאת בבטחה עד 50‎ A‏. הוא מסופק עם לשונית מיילר (Mylar) כתומה מצורפת, שמוסרת על ידי ציוד Pick-and-Place אוטומטי לפני השמת הרכבה-משטחית על לוח מעגל מודפס. (מקור תמונה: Würth Elektronik)

כדי לספק את החיבור הטוב ביותר תוך הפחתת חום, מומלץ לחבר את תבריג ה-M3 לבורג והדק שמצופים בבדיל גם כן. זה עושה את ה-7466003R תואם עם מרבית הדקי ההספק והברגים. לשונית מיילר (Mylar) כתומה מגנה על הצד שיולחם מפני מזהמים וטביעות אצבע קודם הרכבה. זה עוזר להבטיח חיבור הלחמת הרכבה-משטחית טוב עם התנגדות חיבור מינימלית. לפני חיבור ההדק לבורג מצופה בדיל, מומלץ גם להגן על החלק העליון של ההדק ועל תבריג ה-M3 מפני כל מזהם שעלול להשפיע על התנגדות החיבור של בורג מוחדר ולשונית. זה כולל מניעת מגע אצבעות בחלק העליון של התבריג.

הדקי לוח מעגל מודפס חור-עובר

עבור יישומים תעשייתיים הדורשים רכיבי חור-עובר, Würth מספקת את משפחת REDCUBE THR‏. הדקים אלה תומכים בהרכבת לוח מעגל מודפס חור-עובר Reflow אוטומטית. לדוגמה, ה-74651195R הוא הדק בורג ישר חור-עובר בעל תשעה פינים, עם תבריג M5 מצופה בדיל המתוכנן לחבר לשונית כבל מאובטחת על ידי אום (איור 2). הוא בעל תחום טמפרטורות עבודה של 55°C- עד ‎150°C+ ומדורג ‎85 A ב-‎20°C.

איור 2: ה-REDCUBE THR 74651195R מדורג ‎85 A‏ ב-‎20°C והוא בעל הדק בורג ישר M5. תשעת הפינים של לוח מעגל מודפס מעניקים יציבות מכנית נגד כוחות גזירה וקריעה. (מקור תמונה: Würth Elektronik)

תשעת הפינים על ה-74651195R מסודרים ‏בצורת רשת 3 x‏ 3 המתוכננת עבור היצמדות לחם (Solder) אופטימלית כמו גם יציבות מכנית נגד כוחות גזירה וקריעה. ה-74651195R עשוי מחתיכה מלאה של פליז ומצופה בבדיל, דבר המעניק לו כושר נשיאת זרם ‏ גבוה יותר וטולרנס מומנט פיתול טוב יותר בהשוואה להדקים מוטבעים. תכן זה עושה את ה-74651195R‏ לבחירה טובה עבור יישומים תעשייתיים בהספק-גבוה, בהם הכבל המחובר יכול להיות נתון למשיכה מכל זווית.

ה-74651195R הוא בעל פרופיל נמוך וגובהו הכולל מעל לוח המעגל המודפס הוא 10 מ"מ, עם בורג באורך של 7 מ"מ. הוא תומך בלשוניות כבל M5 סטנדרטיות ואומים עם הברגה מועטה ומאפשר בקלות זרימת אוויר מסביב להדק לשיפור קירור.

הדקי Press-Fit עבור זרמים גבוהים מאוד

עבור יישומי ספק-כוח ומערכות תעשייתיות הדורשים זרמים גבוהים מאוד, Würth פתחה את קו המוצרים REDCUBE PRESS-FIT‏ המדורג עד ‎500 A‏. הדקים אלה אינם משתמשים ב-Reflow או הלחמת גל. במקום הלחמה, ההדק נלחץ מכנית לתוך חורים מצופים לחם (Solder) בלוח מעגל מודפס. החיכוך הנוצר על ידי לחיצת ההדק אל תוך חורים של לוח מעגל מודפס יוצר חיבור של ריתוך קר שהוא אטום לגז, עם‏ התנגדות מגע נמוכה עד כדי 200 מיקרו-אוהם (µΩ‏).

דוגמה של‏ פתרון הוא הדק הבורג 7461090 עם תבריג M8 (איור 3). הוא מדורג ‎350 A ב-‎20°C והוא בעל תחום טמפרטורות עבודה של ‎55°C- עד 150‎°C+. כדי לטפל בזרם זה, ה-7461090 הוא בעל 20 פיני press-fit שאינם דורשים הלחמה חמה באף שיטה. שיטת ה-press-fit משתמשת באותם החורים של לוח מעגל מודפס כמו רכיבי חור-עובר ומונעת כל בעיה של היצמדות לחם (Solder) כגון חיבורי הלחמה קרה. נוסף לכך, 20 פיני ה-press-fit אינם חייבים לעבור מעבר לצד השני של לוח המעגל המודפס כמו פיני חור-עובר מולחמים ויכולים להסתיים בתוך לוח המעגל המודפס ללא כל זנבות לחם (Solder). זה מסייע במניעת קצרים מקריים של הדק הזרם-הגבוה מתחת ללוח המעגל המודפס, ובכך משפר בטיחות מערכת.

איור 3: הדק הבורג התעשייתי REDCUBE PRESS-FIT 7461090‏ נלחץ אל תוך חורים של לוח מעגל מודפס, ללא הצורך בשיטות הלחמת גל או Reflow. התכן הייחודי שלו מספק התנגדות מגע נמוכה מאוד, מאפשרת לו לטפל בזרם עד ‎350 A. (מקור תמונה: Würth Elektronik)

הפרופיל של תבריג ה-M8 מצופה הבדיל הוא 13.5 מ"מ. עבור אספקת זרם מקסימלית עם התנגדות מגע מינימלית, יש לבחור בבורג מצופה בדיל כך שהבורג המורכב עובר דרך לשונית הכבל וחודר באורך המקסימלי האפשרי בהדק ה-REDCUBE, מבלי לבוא במגע עם לוח המעגל המודפס. זה מספק את שטח המגע המקסימלי לאורך הדק הבורג כולו.

לפני הרכבה, חשוב למנוע ממזהמים כלשהם או מאצבעות מלבוא במגע עם התבריג או החלק העליון של ההדק, מאחר ואפילו ההתנגדות הקטנה ביותר ממזהמים יכולה ליצור כמות מסוכנת של חום עודף ב-‎350 A.

הדקי תקע עבור חיבור וניתוק קל

לעיתים, מערכת תעשייתית הספק-גבוה חייבת להיות מסוגלת לשנות תצורה בקלות ולהיות מחוברת בין מקורות שונים. עבור יישומים אלה, Würth מספקת את משפחת הדקי השקע press-fit התעשייתיים REDCUBE PLUG. אלה הדקי press-fit המציעים את הנוחות של חיבור הדק ללא בורג, שיכולים לתמוך בזרם עד 120‎ A.

לדוגמה, ה-REDCUBE PLUG 7464000 יכול לטפל בזרם עד ‎120 A ב-‎,20°C עם תחום טמפרטורות עבודה של 45°C- עד ‎125°C+ (איור 4). הדק ה-REDCUBE PLUG כולל שקע סגסוגת נחושת מצופה בדיל הנתון במעטפת עשויה מפלסטיק אדום מחוזק בסיבי זכוכית . כדי להחדיר תקע תואם בשקע שקוטרו 6.2 מ"מ, יש ללחוץ ידנית על החלק העליון של בית ההדק בכוון אל לוח המעגל המודפס. זה חושף במלואו את השקע עבור החדרה קלה של תקע מצופה בדיל. שחרור החלק העליון של בית ההדק נועל את התקע במקום.

איור 4: שקע לתקע REDCUBE PLUG 7464000 הוא הדק press-fit מדורג 120‎ A ב-20°C. הוא מעניק חיבור וניתוק קל של תקעים זרם-גבוה, דבר ההופך אותו מתאים עבור פתרונות הספק המשנים תצורה. (מקור תמונה: Würth Elektronik)

הדק השקע לתקע REDCUBE PLUG 7464000 הוא גם פתרון טוב עבור תחומים עם חלל עילי מוגבל שבו יהיה קשה לחבר בורג או אום. הצבע האדום המבריק עושה את הדק השקע לניתן לזיהוי בקלות על לוח מעגל מודפס צפוף. הוא בעל 12 פיני press-fit המסודרים ברשת של ‎3 x 4 ברווחים הדוקים. ה-7464000 מספק התנגדות מגע מקסימלית של ‎1 mΩ‏, תכונה ההופכת אותו למתאים עבור יישומי זרם גבוה מאוד.

מסקנה

עם הפיכת התכנים ליותר משולבים, מתכננים של מערכות הספק-גבוה חייבים לאזן העברת הספק יעילה, בעלת אבדן-נמוך, עם קלות הרכבה. זה הופך את הבחירה של ההדקים התעשייתיים זרם-גבוה המתאימים של לוח מעגל מודפס לחיונית במיוחד. מתכננים חייבים להיות בעלי הבנה בתהליך ההרכבה של לוח, כמות הזרם שהדק יכול לשאת בבטחה והשיטה של הרכבת ההדק על לוח המעגל המודפס.

כפי שהראינו, הדקים בדרגה תעשייתית עם אפשרויות הרכבה גמישות מאפשרים למתכנן לבחור כסטנדרד בקו מוצר אחד, לפשט רכש ותפעוליות-בינית (Interoperability). זה מאפשר למערכות תעשייתיות לספק כוח בבטחה, תוך הגדלת תפוקת ייצור על ידי הקטנה למינימום של שגיאות הרכבה, וכתוצאה מכך זמני הרכבה מהירים יותר ועלויות נמוכות יותר.