Flachbandleitungen können bei akzeptabler Erwärmung höhere Ströme übertragen, wenn die stromführenden Adern günstig gewählt und die Kabel frei verlegt werden.

Flachbandleitungen können bei akzeptabler Erwärmung höhere Ströme übertragen, wenn die stromführenden Adern günstig gewählt und die Kabel frei verlegt werden. 3M Deutschland

Flachkabel- und Verbindersysteme sind in vielen Bereichen der Elektronikindustrie verbreitet. Die anwendungstechnischen Vorteile der modularen flexiblen Zwischenverbindungen sind unbestritten, ebenso die wirtschaftlichen Vorteile der Verbindungstechnik nach dem Schneidklemm-Prinzip. Flachkabel können nicht nur Signale und Daten übertragen, sondern sind in vielen Fällen Zuleitung für die Stromversorgung von Baugruppen. Hierbei spielt die Strombelastbarkeit des Flachkabel- und Verbindersystems, insbesondere die Widerstandserwärmung an Kontaktstellen und Leitern, eine entscheidende Rolle.

Bei den Überlegungen zu der im spezifischen Fall noch zulässigen Erwärmung durch Strombelastung sind neben anderen die folgenden Punkte von zentraler Bedeutung:

Tabelle 1: Technische Daten zu den getesteten Flachbandleitungen.

Tabelle 1: Technische Daten zu den getesteten Flachbandleitungen.3M Deutschland

  • Wie hoch ist die Umgebungstemperatur?
  • Welche Möglichkeiten gibt es, das Flachkabel im Gerät zu führen?
  • Wie viele Kabellagen kommen in Frage?
  • Welcher Luftzwischenraum ist vorhanden?
  • Welche Temperaturen herrschen auf den benachbarten Oberflächen?
  • Gibt es die Möglichkeit, durch Ventilation zu kühlen?
  • ln welcher geografischen Höhe wird das Gerät eingesetzt?

Eckdaten

Werden Baugruppen über Flachbandleitungen mit Strom versorgt, wirken sich Stromhöhe und Querschnitt, wie auch Anzahl und Lage der stromführenden Einzelleiter entscheidend auf die Wärmeentwiklung und Betriebssicherheit der Kabel aus. Für größere Ströme sollten gestapelte Flachbandleitungen vermieden und Luftkonvektion berücksichtigt werden. Bei Mittellage weniger stromführender Leitungen hilft die Entwärmung über Nachbarleitungen und Schirmgeflecht. Auch die Strombelastbarkeit von Steckverbindern ist zu beachten. Mehr als 85 °C Erwärumg wird für dünne Flachbandleitungen mit PVC-Isolation nicht empfohlen.

Ein Vergleich von unterschiedlichen Leitungsverbausituationen, einmal ohne Luftzirkulation und zum anderen frei im Raum hängend, zeigt Unterschiede in der Erwärmung bei Strombelastung (Diagramm 1).

Diagramm 1: Erwärmung bei Strombelastung ohne jede Luftzirkulation (obere Kurve) und freihängend in der Luft.

Diagramm 1: Erwärmung bei Strombelastung ohne jede Luftzirkulation (obere Kurve) und freihängend in der Luft. 3M Deutschland

Auswirkung von Luftkonvektion

Bei gleicher Endtemperatur kann eine Leitung durch Kühlung über freie Luftkonvektion mit einem etwa 1,5-fach stärkeren Strom belastet werden, verglichen zu einer ungekühlten Leitung.

Drei Kabeltypen, die sich in Leiterquerschnitt und Leiterart unterscheiden, wurden vielfältig getestet (Tabelle 1). Sie stellen die absolute Mehrheit der Flachbandkabeltypen, die im Zusammenhang mit isolationsverdrängenden Verbindungstechniken (IDC) benutzt werden. Die ermittelten ohmsche Widerstände und entsprechende Spannungsabfälle bei steigendem Strom sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die Werte wurden bei Raumtemperatur von 20°C und bei 75°C gemessen, um einen Anhaltspunkt für den zu erwartenden Anstieg von Widerstand und Spannungsabfall bei steigender Umgebungstemperatur zu bekommen.

Tabelle 2: Ohmscher Widerstand und Spannungsabfall bei verschiedenen Leiterquerschnitten.

Tabelle 2: Ohmscher Widerstand und Spannungsabfall bei verschiedenen Leiterquerschnitten.3M Deutschland

Mit einer Umgebungstemperaturzunahme von 20 auf 75 °C steigt der Leitungswiderstand unabhängig vom Querschnitt um den Faktor 1,2.

Da ein Stromkreis aus Hin- und Rückleiter besteht, muss die Kabellänge mit dem Faktor 2 multipliziert werden, um den Gesamtwiderstand des Stromkreises und den Spannungsabfall zu bestimmen.

Kritische Leitungsquerschnitte

Alle Leiter der drei in Tabelle 2 genannten Flachkabeltypen wurden in Serie mit gleicher Stromstärke im Dauerbetrieb belastet. Die Ergebnisse sind in Diagramm 2 dargestellt.

Diagramm 2: Erwärmung von drei Leitungstypen mit allen Leitern dauerhaft bestromt.

Diagramm 2: Erwärmung von drei Leitungstypen mit allen Leitern dauerhaft bestromt.3M Deutschland

Bei einem Strom von 1,5 A wird folgendes erkennbar: Im Bereich sehr kleiner Leitungsquerschnitte (30 AWG und 28 AWG) wirkt sich eine Verringerung um nur 0,03 mm2 mit 20 Kelvin signifikant in der Temperaturerhöhung aus. Im Bereich des doppelten Leitungsquerschnitts (28 AWG und 26 AWG) wirkt sich die gleiche Verringerung um 0,03 mm2 mit < 5 K kaum in der Temperaturerhöhung aus. Vorsicht ist also geboten, denn werden Leitungsquerschnitte entwicklungsseitig zu knapp dimensioniert, etwa aufgrund von Miniaturisierung oder Kosteneinsparung, steigt das Risiko von Kabelbränden überproportional stark an.

Diagramm 3: Erwärmung von 40-adrigen Flachkabeln bei nur vier dauerhaft bestromten Mittelleitern.

Diagramm 3: Erwärmung von 40-adrigen Flachkabeln bei nur vier dauerhaft bestromten Mittelleitern.3M Deutschland

Entwärmung über Nachbarleitungen

Da in den meisten Anwendungsfällen die Mehrzahl der Leiter für die Signalübertragung nur mit niedrigen Stromstärken genutzt werden, wurden in einer zweiten Testreihe lediglich die vier benachbarten Mittelleiter der Flachkabel belastet. Die Resultate zeigt Diagramm 3.

Verglichen mit Diagramm 2 steigt die Strombelastbarkeit bei Entwärmung über stromlose Nachbarleitungen im Trend in Richtung Verdopplung. Beispiel: 26 AWG erwärmt sich bei 1,5 A auf 45 C° in Diagramm 2, im Diagramm 3 lässt sich die Leitung bei selber Erwärmung mit 2,7 A belasten.

Diagramm 4: Wärmeableitung über die Nachbarleitungen in einem 40-adrigen Flachkabel bei nur vier dauerhaft bestromten Mittelleitern.

Diagramm 4: Wärmeableitung über die Nachbarleitungen in einem 40-adrigen Flachkabel bei nur vier dauerhaft bestromten Mittelleitern.3M Deutschland

In einer weiteren Messung (Diagramm 4) wurden an einem AWG-28-Flachkabel (0,08 mm², Massivleiter) bei Beaufschlagung der vier benachbarten Mittelleiter mit gleicher Stromstärke Temperaturverläufe an zwei Stellen gemessen, im Bereich der bestromten Mittelleiter (T.C. #1) und am äußersten Rand der Flachbandleitung (T.C. #2).

Ein Teil der Verlustwärme der Mittelleiter wird also über die stromlosen benachbarten Leitungen zu beiden Rändern der Flachbandleitung abgeleitet.

Liegen die vier stromführenden Leiter am Rand des Flachkabels, ist der Effekt der Wärmeableitung über die stromlosen benachbarten Leitungen etwas geringer, sodass sich die stromführenden Leiter über den Temperaturverlauf um etwa 3K stärker erwärmen, als bei Anordnung in der Mitte.

Diagramm 5: Wärmeverteilung in einem 40-adrigen Flachkabel mit Cu-Schirmgitter bei nur vier dauerhaft bestromten Mittelleitern.

Diagramm 5: Wärmeverteilung in einem 40-adrigen Flachkabel mit Cu-Schirmgitter bei nur vier dauerhaft bestromten Mittelleitern.3M Deutschland

Kühlung übers Schirmgeflecht

Ein weiterer Testdurchgang mit vier stromführenden Leiter erfolgte an einem ähnlichen AWG-28-Flachkabel (Litzenleiter) mit einem einseitig in der Isolation eingebetteten Kupfergewebeschirm. Wie in Diagramm 5 erkennbar, bewirkt das zusätzliche Schirmgitter eine bessere Wärmeverteilung und -ableitung, als die Kühlung allein über benachbarte Leitungen.

Der Randbereich der geschirmten Flachbandleitung leitet deutlich mehr Wärme aus dem Zentrum ab (T.C. #1), wodurch die stromführenden Mittelleiter deutlich weniger warm werden (T.C. #1) und ihre Strombelastbarkeit steigt. Wenn jedoch alle Leiter des Flachbandkabels gleichmäßig bestromt werden, tritt dieser Kühlungseffekt nicht ein.

Wärmeverteilung in gestapelten Flachbandleitungen

Diagramm 6: Wärmestau bei Strombelastung von gestapelten Flachbandleitungen (Worst-Case-Anordnung).

Diagramm 6: Wärmestau bei Strombelastung von gestapelten Flachbandleitungen (Worst-Case-Anordnung).3M Deutschland

Um einen äußerst ungünstigen Fall von Wärmestau zu untersuchen, wurden sechs Lagen aus AWG-30-Flachkabel aufeinandergelegt. Alle 240 Leiter trugen dieselbe Strombelastung. Wie erwartet bewirkten bereits relativ niedrige Ströme eine beträchtliche Erwärmung (Diagramm 6). Man beachte die Skalierung der Strom-Achse im mA-Bereich. Bereits mit Strömen unter 1 A werden Leitungstemperaturen bis 100 °C erreicht. Dieser Test macht deutlich, wie wichtig die Berücksichtigung einer ausreichenden Kühlung innerhalb eines Kabelbaums mit kleinen Leitungsquerschnitten und höherer Strombelastung bei der Gerätekonstruktion ist.

Strombelastbarkeit von Steckverbindern

Jede Strombelastbarkeit eines Flachkabels hat nur akademischen Wert, wenn nicht auch die dazugehörigen Verbindungselemente entsprechende Eigenschaften für die gestellten Aufgaben aufweisen. Verschiedene gebräuchliche Verbinderanordnungen wurden über acht Wochen mit Stromzyklen von Stromstärken bis zu 6,5 A belastet. Der Kontaktwiderstand blieb stabil, und es zeigten sich keinerlei Abbauerscheinungen im Verbinder.

Tabelle 3: Maximale Strombelastung der getesteten Kabel.

Tabelle 3: Maximale Strombelastung der getesteten Kabel. 3M Deutschland

Praxisbezogene Empfehlungen

Die oben gezeigten Tests geben dem Entwickler einige Anhaltspunkte bezüglich Strombelastbarkeit eines Flachkabel- und Verbindersystems bei der Kabelbaumauslegung und -konstruktion. Die getesteten Flachkabel sind zwar für 105 °C und eine Prüfspannung von 300 VAC zugelassen, eine Erwärmung für strombelastete Leitungen sollte 30 °C über Umgebungstemperatur, jedoch maximal 85 °C nicht überschreiten.

ln Tabelle 3 sind die maximalen, empfohlenen Strombelastungen für die drei getesteten Kabel gelistet. Die in einem bestimmten Fall zulässigen Strombelastungswerte sollten durch den Konstrukteur unter Berücksichtigung der Wärmeentwicklung des Gerätes oder der Anlage festgelegt werden. Ein Testlauf der Prototypen mit Temperaturmessung an den heißesten Stellen des Flachkabelsystems sollte stets Bestandteil des Entwicklungsprozesses sein.