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Bild 1: Die Photovoltaik-Industrie benötigt kostengünstige und dennoch innovative Leiterplattenanschluss-Komponenten.

Bild 1: Die Photovoltaik-Industrie benötigt kostengünstige und dennoch innovative Leiterplattenanschluss-Komponenten.Phoenix Contact

Eine Leiterplattenklemme ohne Isolierkörper, die sich auch für den THR-Lötprozess eignet, bringt Vorteile: Kein Selektivlöten der Anschlusskomponente auf der Leistungsplatine sowie geringer Platzbedarf trotz großem Anschlussvermögen (Bild 1). Hochstrom-Leiterplattenanschlüsse bringen Hochstrom-Leiterplatten ans Netz. Die meisten Hochstrom-Anschlusskomponenten lassen sich nicht in die Standard-Herstellungsprozesse einer Leiterplatte integrieren. Häufig sind zusätzliche Arbeitsschritte wie Selektivlöten erforderlich.

Bei Leiterplatten der Leistungselektronik verursacht der geringe Anteil bedrahteter Hochstrom-Komponenten auf den Baugruppen häufig höhere Fertigungskosten. Die Art der Bestückung von Hochstrom-Leiterplatten-Anschlusskomponenten, aber auch die Zuführung dieser Bauteile fordern die Fertigungsexperten heraus. Außerdem ist die Verlötung im Standard-SMT-Lötprozess meist nicht möglich.

THR-Hochstrom-Printklemme schafft Abhilfe

Bild 2: Im Gurt verpackt wird die Hochstrom-Printklemme PTSPL 6 fertigungsgerecht zugeführt und verarbeitet.

Bild 2: Im Gurt verpackt wird die Hochstrom-Printklemme PTSPL 6 fertigungsgerecht zugeführt und verarbeitet.Phoenix Contact

Die Printklemme PTSPL 6 von Phoenix Contact, die keinen Isolierkörper aus Kunststoff besitzt, ist die erste Hochstrom-Printklemme, die sich für den THR-Lötprozess (Through-Hole-Reflow) eignet. Aufgrund der Gurtverpackung, dem sogenannten Tape-on-Reel (Bild 2), kann der Anwender die Federkraft-Printklemme automatisiert auf die Leiterplatte bestücken. Als Verpackungseinheit dient eine 13-Zoll-Rolle, die 1000 und mehr Einzelklemmen fasst. Die Standard-Gurtbereite von 32 mm wird auf handelsüblichen Bestückungsautomaten problemlos verarbeitet. Auf ihrem Federrücken besitzt die geschlossene Printklemme eine gute Ansaugfläche für Pick-and-Place-Automaten. Zusätzliche Pads entfallen, und auf zusätzliche Greifer oder Spezialpipetten an der Bestückungslinie kann man ebenfalls verzichten.

Das übliche Design – ein Metallteil im Kunststoff-Isoliergehäuse – erschwert die Umsetzung der Anforderung an die Reflow-Fähigkeit. Insbesondere bei großformatigen Hochstrom-Printklemmen widerspricht die Kunststoffmasse den thermischen Anforderungen. Vor diesem Hintergrund entstand die Idee, auf den begrenzenden Kunststoffkörper zu verzichten. Um den Lötstift herum ist viel freier Raum erforderlich, damit sich Fehler bei der THR-Lötung vermeiden lassen. Um eine Berührung des Isolierkörpers mit der schmelzenden Lötpaste zu vermeiden, sind oft noch Abstandshalter, sogenannte Stand-Offs, am Kunststoff angebracht. Da es sich bei der Printklemme PTSPL 6 um eine „nackte“ Printklemme ohne Isoliergehäuse handelt, ist ein Erwärmen im Reflow-Prozess nicht problematisch. Sowohl die Leiterplatte wie auch die Metalle der Printklemme können im Hinblick auf einwandfreie SMT-Lötergebnisse ohne Schwierigkeiten Wärme verkraften.

Sunclix-Anschluss

Generell erfolgt das Löten als Pin-in-Paste-Verfahren, wobei der Anwender die Lötpaste in die Bohrlöcher appliziert. In diese wird die Printklemme bestückt – dabei drücken die Lötstifte die Lötpaste etwas aus der Leiterplatte heraus. Daher ist die Länge des Lötstifts beim THR-Prozess nicht unbedeutend. Alternativ stehen je nach Leiterplattenstärke zwei Lötstiftlängen bei der PTSPL-Printklemme zur Auswahl. Der 2,1 mm kurze Lötpin eignet sich für Leiterplatten mit einer Stärke von 1,6 mm. Ist der Lötstift zu lang, kann das Lot, das sich hauptsächlich an der Stiftspitze befindet, während des Lötens abtropfen. Optimal ist es, wenn dieser Lotvorrat vor und während des Lötens noch Kontakt zum Restring des Bohrlochs hat. Das wirkt sich auch beim Erwärmen positiv aus, da sich das Lot aufgrund von Kapillarwirkung an den Lötstiften hochzieht. Für Leiterplatten, die eine Stärke von 2 mm oder mehr besitzen, eignet sich der Lötpin mit einer Länge von 2,9 mm besser.

Bild 3: Vorbehandelte Leitungen lassen sich auch in Direktstecktechnik auf einfache Weise anschließen.

Bild 3: Vorbehandelte Leitungen lassen sich auch in Direktstecktechnik auf einfache Weise anschließen.Phoenix Contact

Die Printklemme PTSPL 6 (Bild 3) arbeitet mit dem im Markt bewährten Sunclix-Federkraftanschluss für Leiter bis 6 mm2 und ermöglicht so eine kompaktere Bauform als andere Printklemmen. Beim Anschluss eines 6 mm2-Leiters lässt sich ein Dauerstrom von 41 A übertragen. Da der Federschenkel in einer seitlich verschlossenen Tasche liegt, wird der Leiter durch die Kombination aus Schenkel- und Zugfeder gehalten und kontaktiert. Bei geschlossener Auslieferung der Klemme, lassen sich im Push-in-Direktsteck-Verfahren flexible Leiter kontaktieren, die eine Vorbehandlung mit einer Aderendhülse durchlaufen haben.

Hohe Spannungen – kein Problem

Auf einen Blick

Im Vergleich zu den bisher am Markt verfügbaren Lösungen baut die Printklemme PTSPL 6 kompakter, steht wegen der THR-Technologie sicher auf der Leiterplatte und ermöglicht die Integration in Standard-Bearbeitungsprozesse der SMT-Verarbeitung. Das macht sie zu einer wirtschaftlichen Variante für platzkritische Hochvolt-Anwendungen. Die Vorteile sind:

  • Kein Isolierkörper für den THR-Lötprozess,
  • alternatives Selektivlöten der Anschlusskomponente,
  • vollautomatische Montage und Gurtverpackung nach IEC60289,
  • kompakte Bauform durch Sunclix-Feder,
  • geringer Platzbedarf trotz großem Anschlussvermögen
  • Einsatz bei Spannungen größer 1000 V durch Wegfall des Isoliergehäuses,
  • freies Layout und Isolationskoordination,
  • kostengünstige Alternative zu marktüblichen Varianten,
  • einpolige Power-Klemme für den THR-Prozess.

In der Antriebstechnik spielt die Leistungselektronik eine wichtige Rolle, das Steuern von großen Antrieben erfolgt oft leistungselektronisch. Zur Energieerzeugung finden Frequenzumrichter zur direkten Netzeinspeisung Einsatz. Leistungselektronik ist auch ein Bindeglied zwischen Energieerzeugung und -verbrauch. Zur Energieregelung, -steuerung und -übertragung dienen Geräte in ganz unterschiedlichen Leistungsklassen. Die Leistungsklassen dieser Geräte verschieben sich auch weiterhin nach oben hin – so sind etwa in der Photovoltaik Spannungen von über 1000 V keine Seltenheit.

Diesem Trend muss die Auslegung der Leiterplatten auch bei der Isolationskoordination folgen. Für die Dimensionierung einer Anschluss-Komponente im Hinblick auf die Spannungsabstände im Kunststoffgehäuse bedeutet 1000 V ein erhöhter Konstruktionsaufwand. Derartige Spannungen sind bei Rastermaßen von 5,08 mm oder Isolationsabständen von 7,62 mm zwischen den einzelnen Polstellen nur mit erhöhtem Mehraufwand möglich. Hier benötigt der Anwender zumindest 10,16 mm oder mehr. Bei der „nackten“ Klemme PTSPL 6 ohne Isolierungsgehäuse sind der Spannung keine Grenzen gesetzt, da man die Klemmen mit ausreichendem Abstand auf die Leiterplatte positioniert. Es obliegt dem Leiterplatten-Entwickler, die Isolationskoordination in Übereinstimmung mit den jeweiligen spezifischen Gerätenormen auszulegen. So kann eine Klemme zum Beispiel nach der alternativen Bemessung der Geräte gemäß UL-Norm 508 (C) kürzere Luft- und Kriechstrecken besitzen, als es bei der einzelnen Anschlussklemme aufgrund des Komponentenstandards UL1059 jemals möglich wäre. Geräte mit größeren Spannungsansprüchen lassen sich daher mit der Printklemme auch im Anschlussbereich kompakt ausgelegen.

Effizienz und Sicherheit

Häufig löten Entwickler aus Kostengründen Leitungen, die an den Enden abisoliert wurden, direkt in die Leiterplatte ein. Der Nachteil dieser kostengünstigen Variante ist, dass eingelötete Leiterlitzen nach dem Verlöten erstarren, da das Zinn durch die Kapillarwirkung während des Lötens in die Leitung steigt. Der Übergang vom verzinnten zum flexiblen Bereich kann später brechen – etwa bei Bewegung oder Vibration. Es ist daher obligatorisch, die Leiter aufwändig zu fixieren. Alternativ lassen sich die Litzen mit einer Crimp-Hülse oder mit einem am Kabel angeschlagenem Stift behandeln, bevor die manuelle Einlötung erfolgt. Ohne eine entsprechende Fixierung des Leiters ist die Gefahr eines Leiterbruchs jedoch nicht gebannt. Somit wird aus dieser scheinbar günstigen eine ziemlich kostenintensive Alternative.

Kein Isolierkörper – dennoch THR-Löten

Bild 4: Bei der PV-Anschlussdose Mitroswitch 2000 von Mitrosunic dient die leistungsstarke Printklemme PTSPL 6 zum Leiteranschluss.

Bild 4: Bei der PV-Anschlussdose Mitroswitch 2000 von Mitrosunic dient die leistungsstarke Printklemme PTSPL 6 zum Leiteranschluss.Phoenix Contact

Durch den Wegfall des Kunststoffteils hat die Printklemme einen kleinen Preisvorteil, der sich aber durch die automatisierte Verarbeitung und Integration in Standard-Fertigungsprozesse erheblich erhöht. Außerdem lässt sich auf die Haltekonstruktionen für die Leitungen verzichten – die regulären Kontaktkräfte und die eingerastete Feder in der Endposition reichen aus. Die Leiterplattenklemme PTSPL 6 ist die erste Klemme ohne Isolierkörper, die sich für den THR-Lötprozess eignet. Insbesondere bei hohen Stückzahlen gestaltet sich das Verarbeiten einfach und zeitsparend.

Applikationsbeispiel: Mitroswitch 2000

Ritter Elektronik nutzt bereits die Printklemme PTSPL 6 in ihrem Mitroswitch 2000 (Bild 4). Bei der „intelligenten“ PV-Anschlussdose von Mitrosunic Energy Systems – unter dieser Marke entwickelt, produziert und vertreibt Ritter Elektronik ihre Produkte für erneuerbare Energien – sorgt die Printklemme für den Leiteranschluss auf der Platine. Das Anschließen der Moduldose erfolgt über spezielle Solarleitungen, deren einzeln verzinnte Litzen in Kombination mit der Anschlussklemme PTSPL 6 für langzeitstabile, niedrige Übergangswiderstände sorgen. Die kompakte Bauweise der Modulanschlussdose erlaubt eine geringe Bauhöhe zum Anschluss der meist 4- oder 6-mm²-Leitungen mittels Hochstrom-Printklemme.

Dipl.-Ing. Anke Steinkemper

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ist Produktmanagerin Leiterplattenanschluss Combicon Power bei Phoenix Contact in Blomberg.

(rao)

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