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Worauf ist bei der Steckverbinderauswahl zu achten?

11. März 2024, 9:30 Uhr | Alexandre Chaillet
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Steckverbinder müssen eine Menge aushalten: Verschiedene Faktoren, wie etwa die Umgebungstemperatur, aber auch die Temperatur im Kontaktpunkt, beeinflussen die Strombelastbarkeit und Lebensdauer von Steckverbindern. Wie also lässt sich der Hitzestress in Steckverbindern begegnen?

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Die Crux mit der Temperatur

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 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 (zum Beispiel UL und VDE) unterschiedliche Werte für dieses Maximum ∆t zulassen – und zwar für dasselbe Produkt.

Parallel dazu fließen Umgebungsfaktoren ein, wie etwa dem Kunststofftyp und sogar dessen Farbe, Luftstrom und alle Faktoren, die die Wärmeabfuhr verbessern oder reduzieren. Daher lässt sich diese nicht für jede Applikation oder Produktanwendung berechnen oder vorherbestimmen. Für die UL-Zertifizierung hat sich Würth Elektronik eiSos für ∆t mit maximal 30 K (UL1059-zertifizierte Reihenklemmen) entschieden und eine Testreihe durchgeführt.

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Bild 1: Testprinzip der Temperaturerhöhung.
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Theorie und Praxis des Derating

Für den Test der Temperaturerhöhung kamen einige Bauteile der Terminal-Blocks der eiCan-Serie (WR-TBL) von Würth Elektronik zum Einsatz. Um den Einfluss des Luftstroms zu vermeiden, wurden diese in einem geschlossenen Raum platziert. Eine Regulierung der Temperatur fand nicht statt. Dabei wurde ein WR-TBL mit drei Polen in Reihe geschaltet und ein Strom von 20 A mit einem 12-AWG-Draht angelegt. Drei Thermoelemente haben die Temperatur jeweils innerhalb jeder Schraubklemme gemessen; ein weiteres Thermoelement diente zur Messung der Umgebungstemperatur. Aus den experimentellen Ergebnissen geht hervor, dass sich der Temperaturanstieg des Steckverbinders von 10 A auf 20 A vervierfacht. Die Testergebnisse zeigten, dass die Berechnungsmethode ein guter Ansatz zur Schätzung des tatsächlichen Dt-Wertes ist.

Der Derating-Test ist ein Dt-Test, der mit dem Betriebsstrom und in der Klimakammer bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt wird, normalerweise von +20 °C bis zur maximal zulässigen Betriebstemperatur des Produkts. Er liefert Informationen über den maximal zulässigen Strom unter verschiedenen thermischen Bedingungen. Die Produkte von Würth Elektronik sind so konzipiert, dass Metallteile über den gesamten Arbeitstemperaturbereich hinweg ihren Wirkungsgrad nicht verlieren. Hingegen kann sich eine empfindliche Dt-Änderung bei dem Variieren der Temperatur ergeben.

Der Hauptgrund dafür ist, dass sich elektrische Widerstände der verschiedenen Metalle mit der Temperatur verändern. Bei einer Temperaturänderung von +20 °C bis hin zu 100 °C kann sich der Widerstand eines aus einem mit einer Mischung aus leitenden Teilen aus Kupfer und Messing bestehenden Steckverbinders um gut 20 Prozent erhöhen. Allerdings darf hierbei nicht vergessen werden, dass der Temperaturanstieg direkt proportional zum Widerstand des Steckverbinder ist. Wird dies berücksichtigt, ist die Schätzung der Widerstandserhöhung konsistent.

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Bild 2: UL-Derating Kurve für verschiedene Betriebstemperaturen.
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Derating-Kennzahlen

Nach erfolgter Testreihe lässt sich sagen, dass der Betriebsstrom einen Temperaturanstieg von maximal 30 K gemäß der verwendeten UL-Norm ermöglicht. Überdies nimmt der der elektrische Widerstand eines Metallteils durch die Erhöhung der Umgebungstemperatur zu. Somit weisen alle Produkte einen Betriebstemperaturbereich und insbesondere eine maximale Betriebstemperatur auf, unter der sie zum Einsatz kommen können.

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Bild 3: VDE-Derating Kurve für verschiedene Betriebstemperaturen.
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Es gilt jedoch eine zu hohe Temperatur am Produkt zu vermeiden, da dies seine Lebensdauer verkürzt. Deshalb ist es nötig, den Strom entsprechend anzupassen. Derating-Kurven helfen und bauen sich wie folgt auf:

  • Der Betriebsstrom ist 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 2).
  • Bei VDE-Normen: Von tmax - 45 K sinkt der Strom ebenfalls entsprechend dem Quadrat des Stroms (Bild 3).

Für ein Bauteil mit einer maximalen Betriebstemperatur von beispielsweise +85 °C lassen sich daraus die Derating-Kennlinien ableiten (rote konstante Linie in den Bildern 2 und 3). Der erhöhte Widerstand wird berücksichtigt, da Würth Elektronik eine Sicherheitsmarge von 20 Prozent gegenüber dem beim Derating-Test erhaltenen Betriebsstrom verwendet. 

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Die zusätzlichen Linien sind die Derating-Kennlinien für die Würth-Steckverbinder, entsprechend der angegebenen maximalen Betriebstemperatur. Diese lassen sich für alle Produkte anwenden.

 

Autor

Alexandre Chaillet

Technischer Trainer für elektromechanische Komponenten von Würth Elektronik France


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