Cómo los terminales de alta corriente pueden suministrar energía de forma segura y al mismo tiempo reducir el tiempo de montaje y la pérdida de energía

Los diseñadores de sistemas industriales aprovechan cada vez más el control electrónico en su afán de eficiencia. Con el control electrónico viene la necesidad de factores de forma cada vez más pequeños para ahorrar espacio y reducir los costos. Sin embargo, a medida que los factores de forma se reducen, los diseñadores se enfrentan a retos cada vez mayores relacionados con las conexiones de alta potencia. Los conectores de la placa de PC y las líneas de energía de alta corriente requieren conexiones gruesas y resistentes, por lo que no pueden encogerse a la misma velocidad que la electrónica digital. Además, estos puntos de conexión de alta corriente deben ser amigables con el proceso de fabricación de la placa de PC, ya sea de montaje en superficie o a través de un agujero. Estos temas deben ser tratados, mientras se manejan los presupuestos ajustados y los plazos más cortos de comercialización.

Para cumplir estos requisitos, los desarrolladores de electrónica de alta potencia deben prestar mucha atención al diseño y la selección de los terminales de alta potencia de las placas de computadoras personales y a su montaje. Los terminales de alta corriente también pueden requerir un tiempo de montaje adicional para garantizar una conexión soldada sólida.

Este artículo tratará brevemente los problemas asociados a los terminales de alta potencia. Mostrará cómo los diseñadores de placas de PC de alta potencia pueden beneficiarse de los terminales especializados de placas de PC de alta corriente. Al usar las soluciones de Würth Elektronik como ejemplos, se mostrará cómo los terminales adecuados pueden suministrar de forma fiable una alta corriente entre sistemas y cómo pueden acelerar el montaje automatizado al tiempo que proporcionan una alta estabilidad mecánica y una muy baja resistencia de conexión.

Cómo los terminales introducen pérdidas de energía

Los diseñadores de sistemas industriales frecuentemente necesitan suministrar y controlar corrientes altas en el rango de cientos de amperios. A menudo los terminales de alta corriente que suministran la energía al sistema están en la misma placa de PC que la electrónica de control digital. A medida que los semiconductores de control se integran más, la placa de PC disminuye en área. Este factor de forma encogido presenta tres problemas para los diseñadores de electrónica de alta potencia.

El primer problema es explicar los extremos ambientales en términos de temperatura, humedad y gases en la placa electrónica de PC. Si las conexiones no son herméticas, los gases resultantes de los procesos industriales pueden oxidar o corroer las conexiones de alta corriente, lo que da lugar a conexiones ineficientes que pueden provocar pérdidas de energía o fallos de funcionamiento del equipo. Estos problemas pueden ser difíciles de diagnosticar y a veces no pueden ser detectados ni siquiera con la inspección visual más cuidadosa.

El segundo problema se refiere a la eficiencia de las conexiones de alta potencia. A medida que los niveles de potencia aumentan, incluso el más pequeño aumento en la resistencia de la conexión puede dar lugar a una pérdida de potencia con un notable aumento del calor. Según la Ley de Ohms, un terminal de 25.0 amperios (A) con una mala unión soldada que resulta en una resistencia de solo 0.050 ohmios (Ω) puede generar una pérdida de (25.0² x 0.050) = 31.25 vatios en la unión. Además de las pérdidas, el calor generado puede reducir la vida útil de los aparatos electrónicos cercanos. En el peor de los casos, el calor podría causar quemaduras o un incendio.

El tercer problema es asegurar que los terminales de alta corriente sean compatibles con el método de fabricación utilizado para ensamblar la placa de PC. Para la fabricación de placas de PC de gran volumen, se prefiere el montaje en superficie para todos los componentes. En comparación con el agujero pasante, el montaje en superficie combina un tiempo de montaje reducido con un menor costo de mano de obra, manteniendo la calidad. Sin embargo, los terminales de placa de pc de montaje en superficie están limitados en cuanto a la capacidad de transporte de corriente para un terminal individual. Los terminales de la placa de circuito impreso de reflujo de agujero pasante pueden transportar fácilmente más corriente que el montaje en superficie, al tiempo que proporcionan una estabilidad mecánica muy elevada. Sin embargo, una línea de montaje de placas de circuito impreso con agujeros pasantes o mixtas puede requerir el doble de espacio en el suelo, así como mano de obra y tiempos de montaje adicionales en comparación con el montaje en superficie, lo que hace que sea un método de montaje más caro.

Independientemente del proceso de ensamblaje, la calidad debe mantenerse, y para una línea de ensamblaje eso significa centrarse en la reducción de errores. A este respecto, el agujero pasante puede ser más fiable para los terminales de alta corriente, ya que la naturaleza del terminal hace que sea menos probable que se salga durante el proceso de soldadura de reflujo. Debido a que los terminales de alta corriente de montaje superficial requieren huellas más grandes, es crítico que la pasta de soldadura se aplique uniformemente sobre toda la almohadilla de soldadura. Si es desigual, la almohadilla se calentará de manera desigual durante el reflujo de la soldadura, causando que un extremo de la terminal se eleve, resultando en el astillamiento del componente de la montura de la superficie.

Terminales de alta corriente de alta eficiencia energética

Para hacer frente a los posibles problemas de los terminales de alta corriente, Würth Elektronik ha desarrollado la línea de productos de los terminales REDCUBE que soportan altas corrientes con opciones de fabricación flexibles. Los terminales son de bajo perfil, lo que permite una disipación más rápida del calor al ambiente, a la vez que permite un mayor flujo de aire hacia el área inmediata, mejorando el enfriamiento de la electrónica circundante. Los terminales REDCUBE están diseñados para una resistencia extremadamente baja de las uniones de soldadura y por lo tanto pueden suministrar hasta 500 A con muy poca pérdida de energía o generación de calor.

La línea soporta los procesos de fabricación de montaje en superficie, reflujo a través de agujeros, y montaje a presión de tableros de PC. Esto permite a un diseñador de tarjetas de PC de sistemas industriales estandarizar en las terminales de un solo proveedor, facilita su identificación visual durante los diferentes procesos de fabricación y simplifica las compras.

Terminales de alta corriente de montaje en superficie

Para la compatibilidad con la fabricación de placas de PC con dispositivos de montaje superficial (SMD), los diseñadores pueden utilizar la familia de terminales industriales REDCUBE SMD de Würth. Estos terminales soportan un montaje de superficie totalmente automatizado, al tiempo que hacen hincapié en la mínima generación de calor. Los terminales soportan hasta 85 A para las conexiones eléctricas de placa a placa.

Un dispositivo de ejemplo, el 7466003R, tiene una rosca M3 y está clasificado a 50 A a 20 °C (Figura 1). La terminal tiene una pequeña huella de 8.3 milímetros (mm) de diámetro. La huella circular mejora el rendimiento de la fabricación al reducir la lápida mediante la distribución uniforme del peso de la terminal, y al eliminar las esquinas afiladas que podrían no recibir pasta de soldar. El cuerpo del REDCUBE SMD 7466003R está hecho de latón de alta resistencia con un revestimiento de estaño y está clasificado para temperaturas de -55 °C a +150 °C.

Figura 1: El terminal industrial REDCUBE SMD 7466003R tiene una pequeña huella de 8.3 mm y está clasificado para transportar de forma segura hasta 50 A. Se suministra con una lengüeta de mylar naranja adjunta que se retira mediante un equipo automático de recogida y colocación antes de la colocación de la placa de pc de montaje en superficie. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Para proporcionar la mejor conexión al mismo tiempo que se reduce el calor, se recomienda que la rosca M3 se acople a un tornillo y a un terminal que también estén estañados. Esto hace que el 7466003R sea compatible con la mayoría de los terminales de energía y tornillos. Una lengüeta de mylar naranja protege el lado a soldar de los contaminantes y las huellas dactilares antes del montaje. Esto ayuda a asegurar una buena conexión de soldadura de montaje superficial con una mínima resistencia de conexión. También se recomienda que antes de acoplar el terminal a un tornillo estañado, la rosca M3 y la parte superior del terminal se protejan de cualquier contaminante que pueda afectar a la resistencia de acoplamiento de un tornillo y una lengüeta insertados. Esto incluye mantener los dedos fuera de la parte superior del hilo.

Terminales de placa de PC con orificio pasante

Para aplicaciones industriales que requieren componentes de paso, Würth proporciona la familia REDCUBE THR. Estos soportan el ensamblaje automatizado de la placa de PC de reflujo de agujero pasante. Por ejemplo, el 74651195R es un terminal de tornillo recto de nueve pines con una rosca M5 estañada, diseñado para tomar una lengüeta de cable asegurada por una tuerca (Figura 2). Tiene un rango de temperatura de funcionamiento de -55 °C a +150 °C y está clasificado a 85 A a 20 °C.

Figura 2: El REDCUBO THR 74651195R está clasificado a 85 A a 20 °C y tiene un terminal de tornillo recto M5. Los nueve alfileres de la placa de la computadora proveen estabilidad mecánica contra las fuerzas de corte y desgarro. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Los nueve pines del 74651195R están dispuestos en una rejilla de 3 x 3 que está diseñada para una óptima soldabilidad así como una estabilidad mecánica contra las fuerzas de desgarro y cizallamiento. El 74651195R está estañado sobre una pieza sólida de latón, lo que le da una mayor capacidad de transporte de corriente y una mejor tolerancia al torque en comparación con los terminales estampados. Este diseño hace que el 74651195R sea una buena elección para aplicaciones industriales de alta potencia donde el cable adjunto puede ser tirado desde cualquier ángulo.

El 74651195R es de perfil bajo y tiene una altura total sobre la placa de pc de 10 mm con un tornillo de 7 mm de longitud. Esto soporta las lengüetas de los cables M5 estándar y las tuercas de bloqueo con poca rosca, permitiendo fácilmente el flujo de aire alrededor del terminal para mejorar el enfriamiento.

Terminales de ajuste a presión para corrientes muy altas

Para aplicaciones de suministro de energía y sistemas industriales que requieren corrientes muy altas, Würth desarrolló la línea de productos REDCUBE PRESS-FIT que tiene una capacidad de hasta 500 A. Estos terminales no utilizan soldadura por reflujo u ola. En su lugar, el terminal es presionado mecánicamente en los agujeros de la placa de PC soldada. La fricción creada al presionar el terminal en los agujeros de la placa de PC crea una conexión de soldadura en frío que es hermética al gas con una resistencia de contacto de tan solo 200 micro ohmios (µΩ).

Un ejemplo de solución es el terminal de tornillo 7461090 con una rosca M8 (Figura 3). Está clasificado a 350 A a 20 °C y tiene una temperatura de funcionamiento de -55 °C a +150 °C. Para manejar esta corriente, el 7461090 tiene 20 clavijas de ajuste a presión que no requieren ningún método de soldadura por calor. El método de encaje a presión utiliza los mismos agujeros de la placa de circuito impreso que los componentes de los agujeros pasantes, eliminando cualquier problema de soldabilidad como las juntas de soldadura en frío. Además, los 20 pines de ajuste a presión no necesitan extenderse más allá de la placa de circuito impreso como los agujeros de paso soldados e incluso pueden terminar dentro de la placa de circuito impreso sin ninguna cola de soldadura. Esto ayuda a prevenir los cortocircuitos accidentales en la terminal de alta corriente que se encuentra bajo el tablero de la PC, mejorando así la seguridad del sistema.

Figura 3: El terminal de tornillo industrial REDCUBE PRESS-FIT 7461090 se introduce a presión en los agujeros de la placa de circuito impreso sin métodos de soldadura por ola o reflujo. Su diseño único proporciona muy poca resistencia de contacto, permitiéndole manejar hasta 350 A. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

El perfil del hilo estañado M8 es de 13.5 mm. Para una máxima entrega de corriente con una mínima resistencia de contacto, se debe elegir un tornillo estañado de manera que el tornillo ensamblado pase por la lengüeta del cable y recorra la máxima longitud posible a través del terminal REDCUBE sin entrar en contacto con la placa del PC. Esto proporciona la máxima área de contacto para toda la longitud del terminal del tornillo.

Antes del montaje, es importante evitar que cualquier contaminante o dedos entren en contacto con el hilo o la parte superior del terminal, ya que hasta la más mínima resistencia de los contaminantes puede generar una cantidad peligrosa de exceso de calor a 350 A.

Terminales de enchufe para conectar y desconectar fácilmente

A veces un sistema industrial de alta potencia necesita ser fácilmente reconfigurado y reconectado entre diferentes fuentes. Para estas aplicaciones, Würth proporciona la familia de receptáculos de terminales industriales de encaje a presión REDCUBE PLUG. Este es un terminal de ajuste a presión que ofrece la comodidad de una conexión terminal sin tornillos que puede soportar hasta 120 A.

Por ejemplo, el tapón REDCUBE 7464000 puede soportar hasta 120 A a 20 °C con un rango de temperatura de funcionamiento de -45 °C a +125 °C (Figura 4). Este TAPÓN REDCUBO consiste en un receptáculo de aleación de cobre estañado encerrado en una carcasa de plástico rojo reforzado con fibra de vidrio. Para insertar un enchufe compatible en el receptáculo de 6.2 mm de diámetro, la parte superior de la carcasa debe ser presionada manualmente hacia la placa de PC. Esto expone completamente el receptáculo para facilitar la inserción de un enchufe de hojalata. Al soltar la parte superior de la carcasa, el enchufe queda bloqueado en su lugar.

Figura 4: El receptáculo del enchufe REDCUBE PLUG 7464000 es un terminal de encaje a presión con una capacidad de 120 A a 20 °C. Permite conectar y desconectar fácilmente los enchufes de alta corriente, lo que lo hace apropiado para soluciones de energía reconfigurables. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

El receptáculo del enchufe REDCUBE PLUG 7464000 es también una buena solución para zonas con poco espacio aéreo que dificultaría la colocación de un tornillo o una tuerca. El color rojo brillante hace que el enchufe sea fácilmente identificable en una placa de PC repleta. Tiene 12 clavijas de ajuste a presión bien espaciadas dispuestas en una cuadrícula de 3 x 4. El 7464000 proporciona una resistencia máxima de contacto de 1 mΩ, lo que lo hace apropiado para aplicaciones de muy alta corriente.

Conclusión:

A medida que los diseños se integran, los diseñadores de sistemas de alta potencia deben equilibrar la entrega de energía eficiente y de baja pérdida con la facilidad de montaje. Esto hace que la selección de las terminales industriales de placa de PC de alta corriente apropiadas sea particularmente crucial. Los diseñadores deben comprender el proceso de montaje de la placa, la cantidad de corriente que una terminal puede manejar con seguridad y el método de fijación de la placa de la PC.

Como se muestra, los terminales de grado industrial con opciones de montaje flexibles permiten a un diseñador estandarizar en una línea de productos, simplificando la compra y la interoperabilidad. Esto permite que los sistemas industriales suministren energía de forma segura y al mismo tiempo aumenten los rendimientos de fabricación al minimizar los errores de montaje, lo que se traduce en tiempos de montaje más rápidos y menores costos.