Kompetenzpartnerschaft

Leiterplattentechnik und -anschluss effizient gestalten

| Autor / Redakteur: Stefan Hörth und Stephan Ruhnau * / Kristin Rinortner

Anschlusslösungen für die Leistungselektronik: Häusermann und Weidmüller haben eine enge Zusammenarbeit bei der Spezifikation vereinbart.
Anschlusslösungen für die Leistungselektronik: Häusermann und Weidmüller haben eine enge Zusammenarbeit bei der Spezifikation vereinbart. (Bild: Häusermann/Weidmüller)

Durch die Kombination von Wissen rund um die Leiterplatte und intelligenter Auswahl der Anschlusstechnik können Entwickler alle Anschlüsse in allen Leistungsklassen einfach umsetzen.

Etwa 30 Prozent der Entwicklungskapazität bei elektronischen Baugruppen für die Leistungselektronik sind durch Änderungen gebunden. Diese entstehen etwa zur Hälfte nicht durch technische Veränderungen, sondern durch Missverständnisse, Desinformation, falsche Einschätzungen und Unwissen. In diesem sich stetig verändernden Umfeld ist es sinnvoll alle beteiligten Personen und Hersteller während des Produktentstehungsprozesses möglichst optimal einzubinden, um funktionelle und kostengünstige Baugruppen in einer möglichst reibungslosen Produktion zu entwickeln.

Um den Entwickler bei diesen Herausforderungen zu unterstützen sind der österreichische Leiterplattenhersteller Häusermann und der Verbindungstechnik-Spezialist Weidmüller eine Kompetenzpartnerschaft eingegangen. Über den gesamten Lebenszyklus vom Baugruppendesign, der Fertigung und Verarbeitung bis zum Endprodukt werden eine vereinfachte Kommunikation zwischen den einzelnen Partnern und eine optimierte technische Gesamtlösung sichergestellt.

Im Fokus steht eine Beratung, die auf Häusermanns Leiterplattentechnik HSMtec und Weidmüllers Geräteanschlusstechnik Omnimate Power basiert. Vom Lastenheft über Entwicklung und Design bis hin zur Zulassung und Serie werden mit der Integration von Hochstromleiterplatte und -Anschlusstechnik der Projektaufwand sowie die Time-to-Market erheblich reduziert. Somit profitiert der Entwickler vom umfangreichen Knowhow beider Partner.

Wesentlicher Vorteil dieser Kompetenzpartnerschaft ist auch, dass über das gesamte Projekt ein zentraler Ansprechpartner zur Verfügung steht. Im Hintergrund interagieren beide Unternehmen nahtlos miteinander, so dass sich Fragestellungen im Abstimmungsprozess wechselseitig und ohne Zeitverlust auch auf Basis zahlreicher Referenzdesigns beantworten lassen.

So hilft das Häusermann-Team mit Schaltungsvorschlägen, Layoutberatung oder Layouterstellung für Leiterplatten mit Hochstrom- und Entwärmungsanforderungen. Auf Basis der Erfahrung aus zahlreichen realisierten Projekten werden Berechnung und Dimensionierung von Strombelastbarkeit und thermischen Widerständen unterschiedlicher Layoutgeometrien sowie thermografische Messungen durchgeführt. Mit der Unterstützung von Weidmüller lassen sich die zur Anwendung passenden Anschlusslösungen finden, wodurch der Anwender schließlich Lösungspakete aus einer Hand erhält.

Lösungen aus der Praxis für die Praxis

Ein typisches Beispiel sind intelligente Leistungsanwendungen wie Motorsteuerungen, Wechselrichter oder Smartmeter. Besonders gefordert ist hierbei die Leiterplattentechnik, welche Ströme bis 150 A mit intelligenter Steuer und Kommunikationselektronik vereinen muss. HSMtec erlaubt dabei die einfache Integration von großen Querschnitten in Form von Kupferprofilen in Standard-Multilayer-Leiterplatten, wodurch auf Zusatzbauelemente wie Stromschienen oder Stanzgitter verzichtet und somit Kosten und Bauraum gespart werden können. Die Leiterplatten-Anschlusskomponenten aus dem Programm Omnimate Power von Weidmüller ergänzen die Leiterplatte.

Die Leiterplattenklemmen im Rastermaß 6,35 mm bis 15,00 mm und einem Leistungsspektrum bis zu 150 A ermöglichen den uneingeschränkten Einsatz von Spannungen bis zu 600 V nach der amerikanischen Zulassung UL 1059. Referenzdesigns für die zugehörigen Hochstromleiterplatten erlauben eine rasche und unkomplizierte Umsetzung des Layouts für projektspezifische Anforderungen unterschiedlicher Leistungsklassen und Anschlusstechniken.

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Referenzdesigns für Hochstromanwendungen

Ein Beispiel zeigt deutlich: Die Leiterplattenklemme LUP 10.16 für einen maximalen Nennstrom von bis zu 76 A (IEC) und 64 A (UL) im Rastermaß von 10,16 mm kann bis zu 1000 V (IEC) und 300 V (UL) bei einem maximalen Klemmbereich von 16 mm²/AWG 6 aufnehmen. Um die Zuverlässigkeit der elektronischen Baugruppe sicherzustellen, ist ein effizientes Wärmemanagement unabdingbar. Mit der Leiterplattentechnik HSMtec ist dies möglich, da massive Kupferelemente durch ihre großen Querschnitte für eine rasche Wärmeableitung sorgen.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Leiterplattentechnik ein hochleistungsfähiges Wärmemanagement mit komplexer Steuerungselektronik auf der gleichen Leiterplatte miteinander kombiniert. Im Beispiel wurde ein 8 mm breites Kupferprofil in die Innenlage der Platine unter jeden Pol der vierpoligen Klemme integriert. Um die 76 A zu bewältigen, ist ein Leitungsquerschnitt des Kupferprofils von rund 5 mm² nötig, wobei eine Masseinnenlage zur Wärmespreizung zum Einsatz kommt.

Damit ließ sich ein ΔT der Hochstromleiterbahnen von ca. 45 K erreichen. Ohne die rasche Wärmeableitung durch HSMtec wäre bei einer Kupferinnenlage mit 70 μm Höhe eine Leiterbahnbreite von mehr als 20 mm erforderlich gewesen, um dieselben Ergebnisse zu erzielen. Überdies lässt sich mit einem speziellen Rechner die richtige Dimensionierung von Hochstromleiterplatten ermitteln. Das Tool stellt Häusermann auf seiner Internetseite zur Verfügung.

Das Referenzdesign zeigt anschaulich, dass sich mit der Kombination von Leiterplatten-Knowhow und intelligenter Auswahl der Anschlusstechnik sämtliche Anschlüsse in allen Leistungsklassen einfach, effizient und zuverlässig umsetzen lassen.

* Stefan Hörth arbeitet als Produktmanager HSMtec bei Häusermann in Gars am Kamp / A.

* Stephan Ruhnau ist Produktmanager PCB-Components bei Weidmüller in Detmold.

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