Wärmemanagement So bleiben Steckverbinder cool

Bei verlustbehafteten Komponenten wie Widerständen oder Stromversorgungen beachten die Entwickler das Derating in den allermeisten Fällen. Doch dass dies auch für Steckverbinder gilt, ist weniger bekannt. Es folgt ein praxisnaher Leitfaden.

Fließt elektrischer Strom durch einen Widerstand entsteht dabei Wärme. Die resultierende Wärmemenge steht in einem direkten Verhältnis zu diesen beiden Parametern. Welchen Einfluss auf den Widerstand hat hier aber die Umgebungstemperatur? Ist mit steigender Temperatur der Strom zu begrenzen, besonders wenn diese nahe an der maximal zulässigen Betriebstemperatur eines Steckverbinders liegt?

Wir werden versuchen, diese Fragen zu beantworten und praxisnahe Kennlinien für die Verwendung mit unseren Steckverbindern geben.

Grundlagen

Elektrische Steckverbinder spezifizieren immer einen Betriebsstrom, der durch internationale, nationale oder sogar branchenspezifische Normen definiert ist. Diese sehen einen maximalen Temperaturanstieg ∆T vor, der unter dem jeweiligen Betriebsstrom zulässig ist. Die auftretenden Temperaturen werden an der heißesten Stelle des Steckverbinders mit einem sehr präzisen Verfahren gemessen (üblicherweise EIA364-70). Allerdings können verschiedene Normen unterschiedliche Werte für ∆T zulassen. Für die UL-Zertifizierung hat sich Würth Elektronik eiSos für ein ∆T von maximal 30 K (UL1059 – Reihenklemmen) entschieden.

Unterschiedliche Normen können sich auf unterschiedliche Prüfverfahren, unterschiedliche Polzahlen und insbesondere den Wert ∆T beziehen, sodass es möglich ist, verschiedene Normen (z. B. UL und VDE) mit unterschiedlichen Stromwerten für dasselbe Produkt zu finden.

Um ∆T zu berechnen, eignet sich die Joule-Formel (Gleichung (1)).

left parenthesis 1 right parenthesis space space space capital delta T equals k times R times I squared

Dabei hängt die Konstante k von Umgebungsfaktoren ab wie Kunststofftyp und sogar dessen Farbe, Luftstrom und allen Faktoren, die die Wärmeabfuhr verbessern oder reduzieren. Daher kann diese nicht für jede Applikation oder Produktanwendung berechnet oder vorherbestimmt werden.

Werden allerdings Werte auf dem gleichen Messsystem erhoben und miteinander verglichen, kann man die Konstante außer Acht lassen. Wenn wir die Messung von ∆T1 eines Steckverbinders mit einem Strom I1 durchführen, lässt sich ∆T2 bei einem anderen Strom I2 ohne Messung berechnen (Bild 1).

Verwenden wir die Gleichung (1), sind k und R für die beiden Klemmen gleich und kürzen sich raus (Gleichung (2)):

left parenthesis 2 right parenthesis space space space fraction numerator capital delta T subscript 1 over denominator capital delta T subscript 1 end fraction equals I subscript 1 squared over I subscript 2 squared

Die Innentemperatur des Steckverbinders ist die Summe aus der Umgebungstemperatur und der Temperaturerhöhung durch den elektrischen Strom. Hinweis: Diese Gleichung (2) ist eine Schätzung! Aus verschiedenen Gründen wie Stromschwankung, Messgenauigkeit und Umgebungseinflüsse ist sie nicht präzise. Ob diese Schätzung dem Vergleich zur Messungen standhält, werden wir im Folgenden untersuchen.

Vergleich zur Messung

Wir haben den Test der Temperaturerhöhung auf einige Bauteile angewendet, um die Theorie zu überprüfen. Dabei wurden diese in einem geschlossenen Raum platziert, um den Einfluss des Luftstroms auszuschließen. Die Temperatur wurde nicht reguliert.

Im folgenden Beispiel wurden die drei Anschlüsse eines Terminal-Blocks vom Typ WR-TBL von Würth Elektronik eiSos in Reihe geschaltet und mit einem Strom von 20 A beaufschlagt, der durch einen AWG-12-Draht fließt (Bild 2). Je ein Thermoelement misst die Temperatur innerhalb jeder Schraubklemme, ein weiteres die Umgebungstemperatur. Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Messung und parallel dazu die berechnete Schätzung basierend auf Gleichung (2) mit dem ∆T bei einem Betriebsstrom von 20 A. Als Beispiel berechnet sich die Schätzung von ∆T an der Klemme 1 bei 10 A nach Gleichung (3):

table attributes columnalign right center left columnspacing 0px end attributes row cell left parenthesis 3 right parenthesis space space space capital delta T subscript 10 space A end subscript end cell equals cell open parentheses 10 space A close parentheses squared over open parentheses 20 space A close parentheses squared times capital delta T subscript 20 space A end subscript equals end cell row blank equals cell open parentheses 10 space A close parentheses squared over open parentheses 20 space A close parentheses squared times 19 comma 8 space K space equals 4 comma 8 space K end cell end table

 ∆TKlemme 1 / K∆TKlemme 2 / K∆TKlemme 3 / KFehler / K
Messung @ 5 A1,31,60,9 
Schätzung @ 5 A1,21,61,0±0,0
Messung @ 10 A5,47,04,4 
Schätzung @ 10 A4,86,53,9+0,5
Messung @ 15 A11,515,49,5 
Schätzung @ 15 A10,814,68,7+0,7
Messung @ 20 A19,225,915,5-
Messung @ 25 A29,038,822,9 
Schätzung @ 25 A30,040,524,2–1,3
Messung @ 30 A41,855,932,0 
Schätzung @ 30 A43,258,334,9–2,1

 

Tabelle 1: Testergebnisse für ∆T am Terminal-Block verglichen mit der Schätzung gemäß Gleichung (2).

Aus den experimentellen Ergebnissen in Tabelle 1 geht hervor, dass sich der Temperaturanstieg des Steckverbinders von 10 A auf 20 A vervierfacht. Der Fehler (in Kelvin) ist der Mittelwert aus jedem der drei Fehler zwischen Mess- und Schätzwert.
Die relativ geringen Werte für den Fehler zeigen, dass sich die vorgeschlagene Berechnungsmethode dafür eignet, den tatsächlichen Temperaturanstieg ∆T zu schätzen. Wenn man also den Temperaturanstieg in einem Steckverbinder für einen bestimmten Strom kennt, kann man diesen Wert für einen anderen Strom abschätzen. Zu beachten ist jedoch, dass diese Schätzung weniger genau ist, je weiter diese beiden Ströme auseinanderliegen (z. B. 2 A und 50 A).