Hohe Ströme leiten Kontaktierungslösungen für Kabelbaumtests

Vor allem die Entwicklung von Hybrid- und Elektrofahrzeugen und die daraus resultierende Erweiterung des Bordnetzes stellen an die Prüftechnik ganz neue Anforderungen. Insbesondere im Kabelbaumtest, aber auch generell zur Prüfung von Leistungskomponenten wächst die Nachfrage nach Kontaktierungslösungen, die sich für sehr hohe Ströme eignen, rasant.

Elektrisch gesehen müssen Hochstromstifte einen möglichst geringen Übergangswiderstand aufweisen und auf einen geringen Kontaktwiderstand hin optimiert sein.

Ein sinkender Widerstand senkt unmittelbar auch die Verlustleistung im Kontaktstift, was sich wiederum positiv auf die Temperaturerhöhung im Inneren des Stiftes auswirkt.

Zur Optimierung des Durchgangswiderstandes gibt es zwei grundsätzliche Ansätze: Federkontaktstifte mit durchgehendem Kolben sowie Federkontaktstifte mit geteiltem Kolben (Bild 1).

Bei Kontaktstiften mit durchgehendem Kolben fließt der Strom ausschließlich vom Kontaktkopf des Kolbens zum elektrischen Anschluss. Dabei bewegt sich die möglichst flexibel ausgeführte Anschlussleitung synchron zum Kontakthub.

Für einen geringen Durchgangswiderstand ist dieses Prinzip optimal, der bewegte Anschluss ist aber vom Anwender nicht immer gewünscht. Die Leitungsbewegung lässt sich vermeiden, indem eine Überhülse den Hochstromstift aufnimmt. Allerdings steigt der Durchgangswiderstand dadurch geringfügig. Beim Federkontaktstift mit geteiltem Kolben ist der Kolben durch einen Schrägschnitt in zwei Segmente geteilt.

Beim Einfedern des Stiftes bewegen sich die beiden Segmente seitlich gegeneinander in Richtung des Mantels. Diese Bewegung reduziert den Übergangswiderstand vom Kolben zum Mantel. In der Praxis wird diese Ausführung des geteilten Kolbens in steckbaren und schraubbaren Federkontaktstiften verbaut und erlaubt so kompakte Hochstromkontaktierungen.

Einfluss von Material und Kopfform

Neben dem inneren Aufbau des Hochstromstiftes spielt aber auch die Form und das Material des Kopfes eine wichtige Rolle bei der Kontaktierung. Beispielsweise haben sich spezielle Köpfe aus einer Silberlegierung bewährt, um den Kontakt-Abbrand zu vermeiden. Viele Anwendungen benötigen sehr individuelle Untersuchungen der optimalen Materialien und Kopfformen, vor allem wenn die Ströme im Verhältnis zur Kontaktfläche sehr hoch werden.

Generell ist zu vermeiden, dass die hohe Stromdichte und die hohe Temperatur im Kontaktbereich zum Beispiel das Lot am Prüfkontakt zum Schmelzen bringen. Um auch in diesen Fällen optimale Lösungen zu finden, wird das Verhalten unterschiedlicher Materialkombinationen und Kopfformen intensiv untersucht und ausgewertet. Neben umfangreichen Messreihen im eigenen Labor setzt Feinmetall auch Thermografie-Aufnahmen ein, um kritische Punkte einer Kontaktierung besonders gut lokalisieren zu können.

An dieser Stelle sei erwähnt, dass Hochstromstifte des Herstellers generell mit Hochtemperaturfedern (Belastung bis +250 °C) ausgestattet sind. Ein besonders kritischer Punkt bei der Kontaktierung mit hohen Strömen - speziell bei kleinem Rastermaß - sind die Übergangswiderstände an der Kontaktfläche, bedingt durch Unebenheiten der Oberfläche. Selbst wenn Stiftdesign und Materialkombination optimal gewählt sind, kann die geringe Kontaktkraft und Fläche zwischen Kontaktstift und Prüfling kritisch werden.

Theoretisch betrachtet wäre eine große Kontaktfläche und eine exakt ausgerichtete und ebene Kontaktfläche optimal; dies ist in der Praxis jedoch kaum anzutreffen. Abhilfe schafft hier ein völlig neuer Lösungsansatz: der parallele Einsatz mehrerer einzelner gefederter Kontaktstifte. Mit dem »F360« hat Feinmetall einen Hochstromstift entwickelt, der alleine für einen Strom von 15 A (Effektivwert) ausgelegt ist und eine Länge von knapp 5 mm hat. Damit eignet er sich nicht nur gut als Batterie- und Ladekontakt, sondern mit ihm lassen sich auch individuell gestaltete Hochstrom-Blöcke mit mehreren parallelen Kontaktstiften aufbauen.

Solche Kontaktblöcke nutzen den verfügbaren Platz optimal und stellen durch mehrere Kontaktpunkte auch bei schräger oder unebener Kontaktfläche eine niederohmige elektrische Kontaktierung sicher. Als Beispiel für einen solchen Hochstrom-Kontaktblock hat Feinmetall eine Variante mit sechs integrierten Stiften vom Typ F360 aufgebaut (siehe großes Bild).

Diese Lösung hat einen Gesamtdurchmesser von 11 mm und ist für bis zu 50 A (Effektivwert) bei einer Temperaturerhöhung von 60 K geeignet. Zusätzlich ist jeder einzelne Stift im Servicefall austauschbar. Die maximal zulässige Strom-belastung von Hochstromkontakten hängt maßgeblich von der zulässigen Temperaturerhöhung ab. Daher sind Spezifikationen für maximal zulässige Ströme immer im Zusammenhang mit der entsprechenden Temperaturerhöhung zu sehen.

Am Beispiel des Hochstromblocks »1860C001« ist erkennbar, dass bei einer zulässigen Temperaturerhöhung von 100 K eine Strombelastung von 70 A möglich ist (Bild 2).

Messung von Innenwiderständen

Koaxial aufgebaute Hochstromstifte werden häufig eingesetzt, um Innenwiderstände präzise zu messen. Kelvin-Hochstromstifte weisen zwei Messkanäle auf, die gegeneinander isoliert sind.

Über den Außenleiter wird dabei ein vorgegebener Strom eingespeist (Force-Signal), während über den Innenleiter die resultierende Spannung gemessen wird (Sense-Signal). Bei diesem Messverfahren entstehen sehr geringe Messfehler, sodass sich auch niedrige Widerstände (unter 1 Ω) genau messen lassen. Als weiteres Anwendungsbeispiel sei hier die Steuerung von Lade- und Entladevorgängen bei der Formierung von Akkus genannt. Der Stift »1860C004« erlaubt dabei Ströme bis 150 A und ist so konstruiert, dass er sich - wie ein schwimmend aufgehängter Kompass - einer schrägen Kontaktfläche anpassen kann (Bild 3).

Kontaktstifte für schwierige Bedingungen

Für die schwierige Kontaktierung von bleifreien Lötpads und stark verunreinigten oder oxidierten Leiterplatten hat Feinmetall eine spezielle Kontaktstift-Serie entwickelt. Stifte der »Progressive Series« zeichnen sich durch einen speziellen Längsschliff und eine Funktionsbeschichtung aus. Dadurch sind sie wesentlich weniger anfällig für Verunreinigungen als Stifte mit Standardschliff und marktüblicher Goldbeschichtung.

Zusätzlich sorgt eine erhöhte Vorspannung der Feder dafür, dass unmittelbar bei der Kontaktierung des Prüflings eine stärkere Kraftwirkung realisiert wird als mit vergleichbaren Standardstiften. So können Verunreinigungen besser durchdrungen werden. Wegen des flacheren Kennlinienverlaufes der Feder bleibt die Federkraft bei Nenn-Hub jedoch unverändert gegenüber herkömmlichen Kontaktsiften, so dass auch bei Prüfadaptern mit höherer Anzahl von Testpunkten kein Kraftproblem entsteht.

Wegen der großen Nachfrage hat Feinmetall diese Serie neben den Standardstiften »F050«, »F075« und »F100« nun um Langhub-Varianten für 75 mil und 100 mil erweitert.