Leiterplatten-Steckverbinder dienen der Übertragung von Energie, Signalen und Daten. Während des Betriebs erzeugt der durch die Kontakte fließende Strom aufgrund elektrischer Widerstände Wärme. Gleichzeitig werden Steckverbinder häufig in Umgebungen mit erhöhten Temperaturen eingesetzt oder befinden sich in unmittelbarer Nähe zu wärmeerzeugenden Komponenten auf der Leiterplatte. Die daraus resultierende Gesamttemperatur belastet sowohl die Kunststoff- als auch die Metallkomponenten.
Für einen sicheren Dauerbetrieb wird die zulässige Strombelastbarkeit in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur definiert. Mit steigender Umgebungstemperatur muss die Strombelastbarkeit reduziert werden, damit die maximal zulässige Betriebstemperatur des Gesamtsystems nicht überschritten wird. Diesen Zusammenhang zwischen Strombelastbarkeit und Umgebungstemperatur stellt die sogenannte Basiskurve dar.
Um aus der Basiskurve die Derating-Kurve abzuleiten, wird bei Leiterplatten-Steckverbindern ein Derating-Faktor von 0,8 angewendet. Dieser Sicherheitsfaktor dient dazu, Messunsicherheiten, Fertigungstoleranzen sowie anwendungsspezifische Randbedingungen angemessen zu berücksichtigen.
Die konservative Auslegung stellt den sicheren und zuverlässigen Betrieb des Steckverbinders über die gesamte Lebensdauer sicher. Zudem unterstützt sie Anwender bei der thermischen Auslegung ihrer Anwendung.
Herausforderung in der Praxis
In der technischen Praxis gewinnen Derating-Kurven für höhere Einsatztemperaturen zunehmend an Bedeutung. Anwenderapplikationen fordern immer häufiger auch Temperaturbereiche bis 120 °C. Für eine sichere technische Auslegung ist jedoch entscheidend, diese Temperaturangaben stets im Zusammenhang mit den zugrunde liegenden Prüfbedingungen, der zulässigen Einwirkdauer, den verwendeten Materialien sowie den jeweiligen normativen und zulassungsrelevanten Randbedingungen zu bewerten.
Unter welchen Bedingungen und für welche Dauer ist ein Betrieb oberhalb der klassischen Derating-Kurve beziehungsweise oberhalb des bisherigen Temperaturbereichs technisch möglich? Voraussetzung ist, dass die physikalischen Materialgrenzen sowie bestehende normative Anforderungen und Zulassungsbedingungen unverändert bleiben.
Ein langfristiger Betrieb außerhalb des regulären Dauerbetriebsbereichs kann zu beschleunigten Alterungsprozessen führen. Dazu zählen insbesondere die Alterung von Kunststoffen sowie Veränderungen an metallischen Kontaktteilen und Oberflächenbeschichtungen. Um solche zeitlich begrenzten Betriebszustände zu bewerten, stellt Phoenix Contact für ausgewählte Produkte eine erweiterte Derating-Kurve zur Verfügung. Diese ist auf eine Höchsttemperatur von 120 °C und eine kumulierte Einsatzdauer von maximal 1.000 Stunden begrenzt. Untersuchungen belegen, dass bei längerer Exposition eine erhöhte Materialalterung und daraus resultierende Funktionsbeeinträchtigungen nicht ausgeschlossen werden können.
Temperaturerhöhung und Strombelastbarkeit
Die thermische Belastbarkeit eines Leiterplatten-Steckverbinders wird durch das Zusammenspiel verschiedener Einflussgrößen bestimmt. Dazu gehören insbesondere Umgebungstemperatur, Eigenerwärmung durch Stromfluss, Werkstoffeigenschaften, Anzahl der Kontaktstellen, Leiterquerschnitt, Leiterlänge, Kontakt- und Übergangswiderstände sowie Einbausituation und Wärmeabfuhr. Eine zentrale Rolle spielen dabei die eingesetzten Kunststoffe. Deren Langzeitverhalten wird unter anderem durch den Relative Temperature Index (RTI) gemäß UL 746B beziehungsweise den Temperature Index (TI) nach IEC 60216 beschrieben.
Der Bemessungsstrom beschreibt den Strom, den ein Steckverbinder unter definierten Bedingungen dauerhaft führen kann, ohne die festgelegte Grenztemperatur zu überschreiten. Die Ermittlung erfolgt unter normierten Prüfbedingungen für Leiterplatten-Steckverbinder nach IEC 61984, IEC 60947-7-4 oder UL 1059.
Aufgrund dieser Einflussfaktoren stellt Phoenix Contact unter anderem Derating-Kurven für unterschiedliche Bemessungsströme bereit. Einen wesentlichen Einfluss haben dabei die Polzahl beziehungsweise die Anzahl der stromführenden Kontaktstellen. Mit steigender Anzahl belasteter Pole erhöht sich die Eigenerwärmung innerhalb des Steckverbinders, wodurch die zulässige Strombelastbarkeit bei gleicher Umgebungstemperatur reduziert werden muss. Umgekehrt können Leiterplatten-Steckverbinder mit einer geringeren Anzahl stromführender Pole bei identischen Umgebungsbedingungen höhere Ströme übertragen.
Ein Beispiel hierfür ist die Produktfamilie Connexis von Phoenix Contact. Abhängig von der Polzahl sind unterschiedliche Nennströme zulässig. Dies ermöglicht dem Anwender eine anwendungsorientierte und flexible Auslegung seines Systems. Die entsprechenden Zusammenhänge sind in der nachfolgenden Abbildung dargestellt.
Aufgrund der thermischen Masse des Steckverbinders steigt seine Temperatur nicht sprunghaft, sondern zeitverzögert. Kurzzeitige Stromspitzen sind daher in vielen Fällen thermisch unkritisch. Dies gilt auch deutlich oberhalb des Bemessungsstroms. Voraussetzung ist, dass der zeitlich wirksame Effektivstrom und die daraus resultierende Gesamtbeanspruchung innerhalb der zulässigen Grenzen liegen.
Für die Bewertung ist nicht allein der Spitzenstrom maßgeblich. Entscheidend sind auch die über die Betriebsdauer eingebrachte thermische Energie sowie die Fähigkeit des Systems, sich wieder unterhalb seiner maximalen Betriebstemperatur abzukühlen. Anwendungen mit wiederkehrenden oder besonders hohen Stromspitzen sollten dennoch produktspezifisch bewertet werden.
Erweiterte Derating-Kurve bei Phoenix Contact
Grundlage für die erweiterte Derating-Kurve sind Untersuchungen zum Alterungsverhalten von Kunststoffen und metallischen Komponenten bei erhöhten Temperaturen. Die Ergebnisse zeigen, dass die kritischen Alterungsmechanismen nicht unmittelbar beim Überschreiten der maximal zulässigen Stromstärke oder Temperatur einsetzen, sondern von der Einwirkdauer abhängig sind.
Daraus ergibt sich die Möglichkeit, Steckverbinder für begrenzte Zeiträume oberhalb des klassischen Dauerbetriebsbereichs einzusetzen. Für ausgewählte Steckverbinder hat Phoenix Contact diesen erweiterten Betriebsbereich auf eine Höchsttemperatur von 120 °C und eine kumulierte Nutzungsdauer von maximal 1.000 Stunden begrenzt. Diese Begrenzung ergibt sich aus den später aufgeführten Alterungsversuchen. Für den Anwender bedeutet dies eine höhere Flexibilität bei temporären Lastspitzen oder besonderen Betriebszuständen. Gleichzeitig wird die Langzeitzuverlässigkeit des Produkts sichergestellt, sofern die definierten Einsatzgrenzen eingehalten werden.
Anwendung der Derating-Kurve
Für die Auslegung eines Leiterplatten-Steckverbinders werden die vorhandene Umgebungstemperatur und der auftretende Strom mit der jeweiligen Derating-Kurve abgeglichen. Liegt der Betriebspunkt unterhalb der jeweiligen Derating-Kurve, ist ein Betrieb innerhalb der definierten Einsatzgrenzen möglich. Befindet sich der Betriebspunkt oberhalb der klassischen Derating-Kurve, kann gegebenenfalls die erweiterte Derating-Kurve herangezogen werden, sofern die festgelegten Grenzen von maximal 120 °C und einer kumulierten Betriebsdauer von maximal 1.000 Stunden eingehalten werden.
Die oben dargestellte Abbildung verdeutlicht das Potenzial der erweiterten Derating-Kurve. Als Beispiel zeigt sie den Leiterplatten-Steckverbinder LPC 6 von Phoenix Contact als typisches Produkt für Motor- und Drive-Applikationen.
Wird ein Leiterplatten-Steckverbinder mit der gezeigten Derating-Kurve bei einer Umgebungstemperatur von 80 °C betrieben, lässt die klassische Derating-Kurve etwa 22 A zu. Unter definierten Bedingungen sind im zeitlich begrenzten erweiterten Betriebsbereich hingegen bis zu 31 A zulässig.
Die festgelegte kumulierte Einsatzdauer von 1.000 h darf dabei nicht überschritten werden. Nach der zeitlich begrenzten Belastung muss die Anwendung mit dem eingesetzten Steckverbinder wieder auf das klassische Betriebsniveau abkühlen. Alternativ muss der Strom entsprechend reduziert werden.
Alterungsmechanismen
Die Begrenzung der Betriebsdauer oberhalb der klassischen Derating-Kurve basiert auf bekannten Alterungsprozessen in Kunststoff- und Metallwerkstoffen. Bei Kunststoffen können mit steigender Temperatur und Einwirkdauer Farbänderungen, Versprödung, eine Verringerung der Schlagzähigkeit, eine Reduzierung mechanischer Festigkeit, Veränderungen elektrischer Eigenschaften sowie eine erhöhte Rissanfälligkeit auftreten. Diese Effekte sind typischerweise irreversibel und nehmen mit Temperatur und Expositionsdauer zu. Neben den optischen Veränderungen treten zusätzlich Veränderungen der technischen Eigenschaften auf, die die Funktion der Komponenten beeinflussen können.
Auch metallische Komponenten unterliegen einer thermischen Alterung. Betroffen sind insbesondere Strombalken, Kontaktfedern und Oberflächenbeschichtungen. Mögliche Auswirkungen sind die Relaxation von Federwerkstoffen, eine daraus resultierende Verringerung der Kontaktkraft, das Wachstum intermetallischer Phasen, ein erhöhter Übergangswiderstand, beschleunigte Korrosion sowie Veränderungen an Zinn- und weiteren Oberflächenbeschichtungen. Diese Effekte können den Übergangswiderstand erhöhen und langfristig sowohl die elektrische als auch die mechanische Leistungsfähigkeit beeinträchtigen.
Fazit
Leiterplatten-Steckverbinder können unter definierten Betriebsbedingungen zeitlich begrenzt auch oberhalb der klassischen Derating-Kurve betrieben werden. Die physikalischen Grenzen der eingesetzten Werkstoffe sowie die Anforderungen aus Normen und Zulassungen bleiben dabei unverändert. Untersuchungen von Phoenix Contact zeigen, dass erhöhte Temperaturen und Ströme für begrenzte Zeiträume technisch zulässig sind. Für diesen Anwendungsfall wurde eine erweiterte Derating-Kurve entwickelt. Sie berücksichtigt Betriebstemperaturen bis 120 °C für eine kumulierte Nutzungsdauer von maximal 1.000 Stunden.
Die thermische Belastbarkeit eines Steckverbinders wird dabei nicht allein durch kurzzeitige Lastspitzen bestimmt, sondern maßgeblich durch die über die Zeit wirkende thermische Gesamtbelastung. Aufgrund der thermischen Trägheit des Systems führen kurzzeitige Stromspitzen häufig nicht unmittelbar zu kritischen Bauteiltemperaturen.
Maßgeblich für die Lebensdauer sind vielmehr die Höhe und Dauer der tatsächlichen thermischen Beanspruchung. Daher sollte die Eignung eines Steckverbinders für erhöhte thermische Belastungen stets applikationsspezifisch bewertet werden. Durch ausreichend große Leiterquerschnitte, eine fachgerechte Kontaktierung und eine thermisch günstige Auslegung von Leitungen und Leiterplattenanbindungen lässt sich die Lebensdauer zusätzlich unterstützen.
Damit wird die erweiterte Derating-Kurve zu einem praxisnahen Werkzeug, um temporäre thermische Belastungen sicher zu bewerten und die Zuverlässigkeit der Anwendung langfristig abzusichern.
