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Stromtragfähigkeit

Bei einem Steckverbinder ist eindeutig festgelegt, welche Kontaktpartner (Stift und Buchse) aufeinandertreffen. In der Regel wird ein Kontaktsystem so ausgewählt, dass die Stromtragfähigkeit den angeschlagenen Leitungen entspricht. Kabelquerschnitte und zulässige Ströme sind hier also definiert, es liegen Standards vor.

Powerelemente haben keinen Gegenstecker. Der „Gegenstecker“ ist quasi die Leiterplatte mit dem jeweiligen, individuellen Layout. Leitungsquerschnitte (Leiterbreite und Kupferdicke), Anzahl der Lagen, Positionierung des Hochstromkontaktes oder das Wärmemanagement sind nur einige Merkmale, die eine Stromtragfähigkeit beeinflussen. Auf der Anschlussseite eines Powerelements sind die Bedingungen ebenfalls vielfältig. So kann beispielweise an einem M8-Gewindestift ein Kabelschuh für Querschnitte von 6 bis 95 qmm aufgelegt werden, eine Kupferschiene aufliegen, oder ein Bauelement, z.B. Mega-Fuse, angeschlossen sein.

Mit diesem Hintergrund wird deutlich, dass die Stromtragfähigkeit von Stromversorgungselementen immer im Kontext des Gesamtsystems betrachtet werden muss. Die vielfältigen Einflüsse lassen sich also nicht auf eine verbindliche Angabe einer Stromtragfähigkeit, auf das einzelne Powerelement bezogen, reduzieren. Die bei Powerelementen der Würth Elektronik ICS gemachten Angaben beziehen sich daher immer auf eine rein spezifische Testumgebung. Unter diesen Bedingungen wird eine Aussage zur Stromtragfähigkeit gemacht, und eine Derating-Kurve abgeleitet.

Dies bedeutet aber keineswegs, dass es sich hierbei um die maximal mögliche Stromtragfähigkeit handelt. Richtig gemacht, geht wesentlich mehr.

Was ist eine Derating-Kurve?

Derating bedeutet Lastminderung. Im Zusammenhang mit elektromechanischen Verbindungen beschreibt daher eine Derating-Kurve, um wie viel die Stromtragfähigkeit bei steigender Umgebungstemperatur sinkt.

Derating-Kurve für ein PowerOne-Element

In der Abbildung sind Derating-Kurven verschiedener PowerOne-Powerelemente zu sehen. Die Anbindung auf zwei breiten 70µm Leiterplattenlagen erlaubt 300A bei 20°C Umgebungstemperatur mit einem Element, welches über 20 Pins umlaufend verfügt. Vorausgesetzt, ein ausreichender Kabelquerschnitt wird angeschlagen.

Die Kurven enden bei 125°C, dem sogenannten Glasumwandlungspunkt von Standard-FR4-Leiterplattenmaterial. Wählt man nun ein Material mit höherem Wert, z.B. TG170, dann würden die Kurven bei 170°C enden. Bei Raumtemperatur wären wesentlich höhere Ströme als 300A möglich.

Wo sind die Grenzen der Stromtragfähigkeit von Powerelementen?

Auf dem PowerOne -Datenblatt findet sich der Wert 1000A. Dies soll zum Ausdruck bringen, dass die Einpressverbindung in der Regel nicht der begrenzende Faktor ist, und ein derartig hoher Strom durchaus darstellbar wäre. Eine 8-Lagen-Leiterplatte à 105µm aus TG170-Material mit der entsprechenden Layout-Gestaltung würde diesen Wert durchaus zulassen.

Derating-Kurve für ein PowerOne-Element

Hat die Position im Leiterbild einen Einfluss auf die Stromtragfähigkeit?

Will man hohe Ströme in die Leiterplatte einspeisen, spielt die Positionierung des Powerelements im Layout eine wesentliche Rolle. Die schematische Darstellung zeigt, dass die Belastbarkeit deutlich sinkt, wenn das Element am Rand oder gar in der Ecke einer Leiterfläche positioniert wird. Ein Powerelement mit einem Kantenmaß von 13x13mm sollte umlaufend mit Kupferfläche versehen werden, z.B. mit 6mm. Grundsätzlich sollte die maximale Fläche als Kupferfläche ausgeführt werden. Diese wirkt wie ein Kühlkörper.

Welchen Einschalt- oder Impulsstrom verkraften Powerelemente mit massiven Pins?

Klassische Steckverbindungen sind technisch limitiert. Wird ein Steckverbinder stark genug überlastet, kommt es an den Kontaktflächen zwischen Buchse und Stift zu einer Verschweißung. Der Kontakt bzw. die Kontaktoberfläche ist zerstört. Was beim Stecker nicht erwünscht ist, ist beim Einpresskontakt eine Grundeigenschaft. Durch den Einpressvorgang ist eine Kaltverschweißung entstanden. Eine kurzzeitige Überlastung um ein vielfaches des Nennstroms hat keinen Einfluss auf die Eigenschaften der Einpresszone.

Kann die Kaltverschweißung durch überhöhtes Anzugsdrehmoment beschädigt werden?

Derating-Kurve für ein PowerOne-Element

Diese Frage kann mit Nein beantwortet werden. Die Darstellung zeigt, welche Bereiche die Kraft aufnehmen, wenn ein Powerelement z.B. mit dem Bruchdrehmoment angezogen wird. Nahezu die komplette Energie wird durch das Element, speziell im Bereich des Überganges von Gewindestift in das Grundelement, aufgenommen. Im Einpressbereich treten keine nennenswerten Kräfte auf.

Einfach ausgedrückt: bevor die Kaltverschweißung Schaden nimmt, wird der Stift bzw. das Gewinde beschädigt.

All diese Eigenschaften machen die Powerelemente in massiver Einpresstechnik von Würth Elektronik ICS zur ersten Wahl, wenn hohe Ströme eingespeist werden sollen, und Robustheit und Langlebigkeit gefordert ist. Gerne beraten wir unsere Kunden auch bei der Gestaltung Ihres Layouts.

Wir sind für Sie da!

Powerelement - Produkt-Management Hotline: 07940 9810-4444