Wärmemanagement
So bleiben Steckverbinder cool
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Derating – Theorie und Praxis
Beim Derating-Test misst man das ∆T beim Betriebsstrom in einer Klimakammer bei verschiedenen Umgebungstemperaturen, normalerweise von +20 °C bis zur maximal zulässigen Betriebstemperatur des Produkts. Er liefert uns Informationen über den maximal zulässigen Strom unter verschiedenen thermischen Bedingungen.
Die Produkte von Würth Elektronik eiSos sind so konzipiert, dass Metallteile über den gesamten Arbeitstemperaturbereich hinweg ihren Wirkungsgrad nicht verlieren. Allerdings beobachteten wir eine empfindliche Änderung ∆T beim Variieren der Umgebungstemperatur. Der Hauptgrund dafür ist, dass sich die elektrischen Widerstände von Metallen mit der Temperatur gemäß der Gleichung (4) verändern.
Dabei ist R0 der Widerstand des Metallteils bei der Referenztemperatur TN, T die tatsächlich gemessene Temperatur und α der Temperaturkoeffizient des Materials in K-1. Bei Kupfer beispielsweise beträgt α etwa 4 ∙ 10–3 K–1, bei Messing etwa 1,5 ∙ 10–3 K–1.
Natürlich setzt sich der gesamte Kontaktwiderstand aus mehreren Einzelkomponenten zusammen: verschiedene Materialwiderstände, Kontaktwiderstand zwischen Draht und Klemme sowie zwischen den gesteckten Klemmen, Widerstand der Lötstellen und so weiter. Um eine Vorstellung von der Widerstandsänderung an einem Steckverbinder mit einer Mischung aus leitenden Teilen aus Kupfer und Messing zu vermitteln, lässt sich dies am Beispiel der Temperaturänderung von +20 °C bis +100 °C mithilfe der Gleichung (4) abschätzen. (Gleichung (5)):
Dieses Beispiel zeigt, dass sich der Widerstand des Steckverbinders um etwa 20 % erhöht. Tabelle 2 zeigt einige Messungen bei verschiedenen Temperaturen.
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| Umgebungstemperatur / °C | Innentemperatur Produkt / °C | ∆T / K | Absolute Zunahme von ∆T / K (bezogen auf +23 °C) | Prozentuale Zunahme von ∆T (bezogen auf +23 °C) |
|---|---|---|---|---|
| 23,0 | 38,9 | 15,9 | ||
| 34,7 | 51,4 | 16,7 | 0,8 | 5 % |
| 46,4 | 63,8 | 17,4 | 1,5 | 9 % |
| 58,1 | 76,0 | 17,9 | 2,0 | 13 % |
| 69,8 | 88,3 | 18,5 | 2,6 | 16 % |
| 81,5 | 100,7 | 19,2 | 3,3 | 21 % |
| 93,2 | 112,5 | 19,3 | 3,4 | 21 % |
| 104,9 | 124,7 | 19,8 | 3,9 | 25 % |
Tabelle 2: Tabelle der Derating-Prüfwerte für einen Terminal-Block.
Wir dürfen nicht vergessen, dass der Temperaturanstieg direkt proportional zum elektrischen Widerstand des Steckverbinders ist. Wenn wir dies berücksichtigen, ist die Schätzung der Widerstandserhöhung konsistent.
Derating-Kennlinien
Wir haben bereits gesehen, dass der Betriebsstrom einen Temperaturanstieg von maximal 30 K gemäß der verwendeten UL-Norm zulässt. Auch haben wir gesehen, dass der elektrische Widerstand eines Metallteils durch die Erhöhung der Umgebungstemperatur natürlich zunimmt. Wir wissen, dass alle Produkte einen Betriebstemperaturbereich und insbesondere eine maximale Betriebstemperatur aufweisen, unter der sie eingesetzt werden dürfen.
Nun stellt sich die Frage: Kann das Produkt mit dem maximalen Betriebsstrom bei der maximal zulässigen Temperatur betrieben werden? Die Antwort lautet: Wir sollten den Strom anpassen, um eine zu hohe Temperatur am Produkt zu vermeiden, da dies seine Lebensdauer verkürzt. Dafür stehen Derating-Kurven zur Verfügung. Sie sind wie folgt aufgebaut:
- Der Betriebsstrom ist natürlich ab der minimalen Betriebstemperatur zulässig. Die Kurven beginnen erst bei ±0 °C, um einen langen flachen Kurvenbereich zu vermeiden.
- bei UL-Normen: Von »tmax – 30 K« bis zur maximalen Betriebstemperatur sinkt der Strom entsprechend dem Quadrat des Stroms (Bild 3, links).
- bei VDE-Normen: Von »tmax – 45 K« bis zur maximalen Betriebstemperatur sinkt der Strom ebenfalls entsprechend dem Quadrat des Stroms (Bild 3, rechts).
Für ein Bauteil mit einer maximalen Betriebstemperatur von zum Beispiel +85 °C können wir daraus die Derating-Kennlinien ableiten (durchgezogene rote Linien in Bild 3). Der erhöhte Widerstand wird berücksichtigt, da Würth Elektronik eine Sicherheitsmarge von 20 % gegenüber dem beim Derating-Test erhaltenen Betriebsstrom verwendet. Die zusätzlichen Linien sind die Derating-Kennlinien für die Steckverbinder von Würth entsprechend der angegebenen maximalen Betriebstemperatur. Diese lasse sich für alle Produkte der eiCan-Serie anwenden.
Zusammenfassung
Wenn wir den Temperaturanstieg ∆T1 für einen Stecker unter einem Strom I1 kennen, können wir den Temperaturanstieg ∆T2 für einen anderen Strom I2 nach der Gleichung (2) schätzen. Hinweis: Diese Formel gilt nur für den gleichen Steckverbinder unter den gleichen Umgebungsbedingungen. Soll ein Steckverbinder in der Nähe der maximal zulässigen Temperatur betrieben werden, sollten Derating-Kennlinien zurate gezogen werden.
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