Como terminais de alta corrente podem fornecer alimentação de forma segura, enquanto reduz o tempo de montagem e a perda de energia

Cada vez mais, os projetistas de sistemas industriais estão fazendo uso do controle eletrônico conforme buscam por eficiência. Com o controle eletrônico, há a necessidade por fatores de forma ainda menores para economizar espaço e baixar custos. No entanto, conforme os fatores de forma reduzem, cada vez mais os projetistas enfrentam desafios relacionados às conexões de alta potência. Os conectores de alta corrente da placa de circuito e linhas de energia requerem conexões espessas e de trabalho pesado, logo não podem diminuir na mesma proporção que os dispositivos digitais. Além disso, estes pontos de conexão de alta corrente devem ser compatíveis com os processos de manufatura da placa de circuito, seja ela de montagem em superfície ou por furo passante. Estas questões devem ser tratadas durante o período em que administramos orçamentos apertados e menor tempo para comercialização.

Para atender estas exigências, os desenvolvedores de dispositivos de alta potência devem prestar atenção ao projeto, a escolha dos terminais de alta potência da placa de circuito e a montagem. Os terminais de alta corrente também podem precisar de tempo adicional de montagem, a fim de garantir uma conexão firme de solda.

Este artigo discutirá resumidamente os problemas associados com os terminais de alta potência. Mostrará como os projetistas de placas de circuito de alta potência podem tirar vantagens dos terminais especializados de alta potência das placas de circuitos. Usando as soluções da Würth Elektronik como exemplo, será mostrado como terminais adequados podem fornecer alta corrente, de forma confiável, entre sistemas e como eles podem acelerar a montagem automatizada, ao mesmo tempo que fornecem alta estabilidade mecânica e resistência de conexão muito baixa.

Como terminais introduzem perdas de energia

Muitas vez, os projetistas de sistemas industriais precisam alimentar e controlar altas correntes na faixa de centenas de amperes. Geralmente, os terminais de alta corrente que alimentam de energia o sistema estão na mesma placa de circuito que a eletrônica de controle digital. Conforme os semicondutores de controle tornam-se cada vez mais integrados, a placa de circuito diminui em área. Este fator de forma de diminuição apresenta três problemas para os projetistas de eletrônica de alta potência.

O primeiro problema é levar em conta os extremos ambientais em termos de temperatura, umidade e gases na eletrônica da placa de circuito. Se as conexões não estiverem vedadas contra ar, os gases resultantes de processos industriais podem oxidar ou corroer as conexões de alta corrente, isso torna as conexões ineficientes que podem levar a perdas de energia ou mau funcionamento do equipamento. Estes problemas podem ser difíceis de diagnosticar e algumas vezes podem ser detectados até mesmo por inspeção visual cuidadosa.

O segundo problema é lidar com a eficiência das conexões de alta potência. Conforme os níveis de potência aumentam, mesmo o menor aumento na resistência de conexão pode resultar em uma perda de energia com um aumento perceptível no calor. Pela Lei de Ohm, um terminal de 25,0 amperes (A) com uma junção de solda ruim que apresenta uma resistência de apenas 0,050 ohms (Ω) pode gerar uma perda de (25,0² x 0,050) = 31,25 watts neste ponto. Além das perdas, o calor gerado pode reduzir a vida útil dos componentes nas proximidades. Na pior hipótese, o calor poderia causar queimaduras ou fogo.

O terceiro problema é assegurar que os terminais de alta corrente são compatíveis com o método de manufatura usado para montar a placa de circuito. Para manufatura de grande volume de placas de circuito, é preferido a montagem em superfície de todos os componentes. Comparado a de furo passante, a montagem em superfície combina menores tempos de montagem com menores custos de mão de obra, além de manter a qualidade. Porém, os terminais da placa de circuito com montagem em superfície são limitados, devido à capacidade de transporte de corrente por um terminal individual. Os terminais de furo passante da placa de circuito podem facilmente transportar mais corrente do que os de montagem em superfície, além de fornecer estabilidade mecânica muito alta. Porém, uma linha de montagem de placas de circuito mista ou por furo passante requer o dobro do espaço físico, assim como mão de obra e tempos de montagem adicionais comparado à montagem em superfície, tornando-o um método de montagem mais caro.

Independentemente do processo de montagem, a qualidade deve ser mantida e para uma linha de montagem isso significa um foco na redução de erros. Nesse respeito, o furo passante pode ser mais confiável para terminais de alta corrente, pois a natureza do terminal torna menos provável de que o componente escapará durante o processo de soldagem por refluxo. Devido os terminais de alta corrente na montagem em superfície precisar de pegadas maiores, é imprescindível que a pasta de solda seja aplicada sobre todo o pad de solda de forma uniforme. Se não for uniforme, o pad aquecerá durante o refluxo de solda de forma desigual, causando o descolamento de uma extremidade do terminal, originando um tombamento do componente da montagem em superfície.

Terminais de alta corrente e eficiência energética

Para resolver os problemas potenciais com os terminais de alta corrente, a Würth Elektronik desenvolveu a linha de produtos terminais REDCUBE que suportam altas correntes com opções flexíveis de manufatura. Os terminais são de perfil baixo que permite uma dissipação térmica mais rápida ao ambiente, além de permitir de imediato mais fluxo de ar na área, melhorando o resfriamento da eletrônica ao redor. Os terminais REDCUBE foram projetados para resistência extremamente baixa na junção de solda, logo podem alimentar até 500 A com pouquíssima geração de calor e perda de energia.

A linha suporta processo de manufatura por montagem em superfície, refluxo em furo passante e encaixe sob pressão nas placas de circuito. Isso permite que um projetista de placas de circuito para sistemas industriais padronize os terminais de um único fornecedor, tornando-os fáceis de serem identificados visualmente durante diferentes processos de manufatura, além de simplificar a compra.

Terminais de alta corrente de montagem em superfície

Para compatibilidade com a manufatura de placas de circuito para dispositivos de montagem em superfície (SMD), os projetistas podem usar a família de terminais industriais REDCUBE SMD da Würth. Esses terminais suportam montagem automatizada em superfície, além de enfatizar a mínima geração de calor. Os terminais suportam até 85 A para conexões elétricas de placa a placa.

Como dispositivo de exemplo, o 7466003R, possui uma rosca M3 e está dimensionado para 50 A a 20°C (figura 1). O terminal possui uma pegada pequena de 8,3 milímetros (mm) de diâmetro. A pegada circular melhora os rendimentos de manufatura pela de redução de tombamentos por meio da distribuição uniforme de peso do terminal, e eliminação de cantos vivos que podem não receber pasta de solda. O corpo do REDCUBE SMD 7466003R é feito de latão para trabalho pesado com metalização de estanho, ele está dimensionado para temperaturas de -55°C a +150°C.

Figura 1: o terminal industrial REDCUBE SMD 7466003R possui uma pegada pequena de 8,3 mm e está dimensionado para conduzir até 50 A de forma segura. Ele é fornecido com uma aba anexada laranja de mylar, que é removida pelo equipamento automatizado pick-and-place antes da colocação na placa de circuito para montagem em superfície. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

Para oferecer a melhor conexão e reduzir o calor, é recomendável que a rosca M3 seja acoplada a um parafuso e terminal que também esteja estanhado. Isso torna o 7466003R compatível com a maioria dos terminais de potência e parafusos. Uma aba laranja de mylar projete o lado a ser soldado de contaminantes e impressões digitais antes da montagem. Isso ajuda a garantir uma boa conexão de solda na montagem em superfície com mínima resistência de conexão. É recomendável que antes do terminal ser acoplado a um parafuso estanhado, a rosca M3 e a parte superior do terminal estejam protegidas de quaisquer contaminantes que poderia afetar a resistência de acoplamento de um parafuso inserido e a aba. Isso inclui não tocar com os dedos na parte superior da rosca.

Terminais para placa de circuito de furo passante

Para aplicações industriais que necessitam de componentes de furo passante, a Würth fornece a família REDCUBE THR. Ela suporta montagem automatizada de placas de circuito por refluxo de furo passante. Por exemplo, o 74651195R é um terminal reto de parafuso de furo passante de nove pinos com uma rosca M5 estanhada, projetado para aceitar uma aba de cabo presa por uma porca (figura 2). Possui uma faixa de temperatura operacional de -55°C a +150°C e está dimensionado para 85 A a 20°C.

Figura 2: o REDCUBE THR 74651195R está dimensionado para 85 A a 20°C e possui um terminal reto de parafuso M5. Os nove pinos da placa de circuito fornecem estabilidade mecânica contra forças de cisalhamento e de rasgo. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

Os nove pinos no 74651195R estão dispostos numa grade de 3 x 3 que foi projetada para ótima capacidade de solda, bem como para estabilidade mecânica contra forças de rasgo e de cisalhamento. O 74651195R é uma peça rígida de latão revestida de estanho, oferecendo uma capacidade maior de transporte de corrente e melhor tolerância de torque comparado aos terminais estampados. Esse design torna o 74651195R uma boa escolha para aplicações industriais de alta potência, onde o cabo anexado pode ser puxado de qualquer ângulo.

O 74651195R possui perfil baixo e uma altura total de 10 mm acima da placa de circuito com um parafuso medindo 7 mm de comprimento. Isto suporta abas de cabo no padrão M5 e contraporcas com rosca pequena, facilitando a passagem do fluxo de ar no terminal para melhorar o resfriamento.

Terminais de pressão para correntes muito altas

Para aplicações de fonte de alimentação e sistemas industriais que requerem correntes muito altas, a Würth desenvolveu a linha de produtos REDCUBE PRESS-FIT que está dimensionada até 500 A. Estes terminais não usam soldagem por refluxo ou onda. Em vez disso, o terminal é pressionado mecanicamente para dentro dos furos da placa de circuito revestida de solda. A fricção criada pelo pressionamento do terminal dentro dos furos da placa de circuito cria uma conexão de solda a frio, que é vedada contra gases com uma resistência de contato menor do que 200 micro ohms (µΩ).

Um exemplo de solução é o terminal de parafuso 7461090 com uma rosca M8 (figura 3). Ele está dimensionado para 350 A a 20°C e possui uma temperatura de operação de -55°C a +150°C. Para lidar com essa corrente, o 7461090 possui 20 pinos de encaixe sob pressão que não necessitam de nenhum método de soldagem por calor. O método de encaixe sob pressão usa os mesmos furos da placa de circuito que os componentes de furo passante, eliminando todos os problemas de soldabilidade com as junções de solda fria. Além disso, os 20 pinos de encaixe sob pressão não precisam transpor a placa de circuito, como os de furo passante soldados e podem até ficar no interior da placa de circuito sem nenhuma sobra de terminal para soldar. Isso ajuda a prevenir curtos acidentais aos terminais de alta corrente abaixo da placa de circuito, melhorando assim a segurança do sistema.

Figura 3: o parafuso terminal industrial REDCUBE PRESS-FIT 7461090 é pressionado dentro dos furos da placa de circuito sem métodos de soldagem por refluxo ou onda. O design exclusivo fornece pouquíssima resistência de contato, permitindo lidar com até 350 A. (Fonte de imagem: Würth Elektronik)

O perfil da rosca M8 estanhada é de 13,5 mm. Para fornecer corrente máxima com o mínimo de resistência de contato, um parafuso estanhado deve ser escolhido de forma que o parafuso montado passa através da aba do cabo e percorre o comprimento máximo disponível através do terminal REDCUBE, sem entrar em contato com a placa de circuito. Isso proporciona a área de contato máxima para o comprimento inteiro do terminal de parafuso.

Antes da montagem, é importante prevenir todos os contaminantes ou dedos de entrar em contato com a rosca ou parte superior do terminal, pois mesmo a menor resistência de contaminantes pode gerar uma quantidade perigosa de superaquecimento a 350 A.

Terminais de plugue para fácil conexão e desconexão

Algumas vezes um sistema industrial de alta potência precisa ser reconfigurado e reconectado facilmente entre fontes diferentes. Para essas aplicações, a Würth fornece a família de receptáculos de terminais industriais de encaixe sob pressão REDCUBE PLUG. Esse é um terminal de pressão que oferece a conveniência de uma conexão terminal sem parafuso que pode suportar até 120 A.

Por exemplo, o REDCUBE PLUG 7464000 pode lidar com até 120 A a 20°C numa temperatura de operação de -45°C a +125°C (figura 4). Esse REDCUBE PLUG consiste de um receptáculo de liga de cobre estanhada e encapsulada numa capa plástica vermelha reforçada com fibra de vidro. Para inserir um plugue compatível dentro do receptáculo de diâmetro 6,2 mm, a parte superior da capa deve ser pressionada manualmente em direção a placa de circuito. Isso expõe completamente o receptáculo para facilitar a inserção de um plugue estanhado. Ao liberar a parte superior da capa, isso trava o plugue no lugar.

Figura 4: o receptáculo de plugue REDCUBE PLUG 7464000 é um terminal de pressão dimensionado para 120 A a 20°C. Isso fornece uma conexão e desconexão fácil dos plugues de alta corrente, tornando-os adequados para soluções de potência reconfiguráveis. (Fonte da imagem: Würth Elektronik)

O receptáculo de plugue REDCUBE PLUG 7464000 também é uma boa solução para áreas com pouco espaço superior, que poderia dificultar a fixação de um parafuso ou porca. A cor vermelha brilhante facilita a identificação do plugue na placa de circuito já lotada. Ele possui 12 pinos de encaixe sob pressão bem espaçados e dispostos numa grade 3 x 4. O 7464000 proporciona uma resistência de contato máxima de 1 mΩ, tornado-o adequado para aplicações de alta corrente.

Conclusão

Conforme os projetos ficam mais integrados, os projetistas de sistemas de alta potência devem balancear de forma eficiente, o fornecimento de energia com baixa perda e a facilidade de montagem. Isso torna especialmente crucial a escolha dos terminais industriais de alta corrente para placas de circuito impresso. Os projetistas devem possuir uma compreensão dos processos de montagem de placas, o valor da corrente que um terminal pode lidar de forma segura, assim como o método de fixação à placa de circuito.

Conforme mostrado, os terminais de grau industrial com opções flexíveis de montagem permitem que o projetista padronize-os na linha de produtos, simplificando a compra e interoperabilidade. Isso permite os sistemas industriais de fornecer alimentação de forma segura, além de aumentar os rendimentos de manufatura através da minimização de erros de montagem, resultando em tempos de montagem mais rápidos e menores custos.