Sichere Leistungsübertragung auf die Leiterplatte

Ob im Photovoltaik-Wechselrichter im Eigenheim, im dezentralen Antriebsregler eines Portalkrans oder in der zentralen Ansteuerung der komplexen Rollenbahn einer Verpackungsanlage – ohne elektronische Geräte zur Leistungswandlung wäre die Energiewende ebenso zum Scheitern verurteilt wie die intelligente, sich selbst organisierende Fabrik. In den vergangenen Jahren sind die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Geräte stets gestiegen: Bei immer kompakteren Abmessungen müssen etwa Antriebsregler und Wechselrichter für gleiche oder höhere Leistungen ausgelegt sein.

Für die Gerätehersteller gilt also, zuverlässige Komponenten zu verbauen, die auf kleinem Raum hohe Funktionalität und Sicherheit bieten. International gültige Sicherheitsvorschriften und Zulassungsbestimmungen wie die der Underwriters Laboratories (UL) oder der International Electrotechnical Commission (IEC) setzen der Miniaturisierung aber enge Grenzen.

Für unterschiedliche Einsatzorte wie Konsolen, Bürogeräte oder industrielle Anwendungen definiert beispielsweise die UL die Grenzwerte für die so genannten Luft- und Kriechstrecken. Diese Grenzwerte geben an, welche Mindestabstände zwischen zwei leitenden Objekten eingehalten werden müssen, um eine Übertragung über die kürzeste Luftstrecke oder den Isolierstoff auszuschließen. Möchte ein Hersteller sein Gerät für die zulässige Spannung einer spezifischen Anwendungsgruppe zertifizieren lassen, muss jede Komponente ebenfalls zertifiziert sein.

Dies wird an einem Beispiel deutlich: Ein Strang-Wechselrichter einer Photovoltaik-Anlage wandelt den in 15 Solarmodulen erzeugten Gleichstrom in netzkonformen Wechselstrom um. Der dreiphasige Wechselrichter ist auf der Wechselstromseite für eine Bemessungsspannung von maximal 600 V ausgelegt. Für diesen Einsatzzweck definiert die UL Luftstrecken von mindestens 9,5 mm und Kriechstrecken von mindestens 12,7 mm. Für eine UL-Zertifizierung des Wechselrichters müssen auch sämtliche Verbindungen zur Leiterplatte diese Grenzwerte einhalten.

Die Hersteller von Leiterplatten-Anschlüssen stehen damit vor der Herausforderung, einerseits Steckverbinder, Leiterplatten- oder Durchführungsklemmen in möglichst geringen Baugrößen bereitzustellen, um ein kompaktes Geräte-Design zu ermöglichen. Andererseits müssen sie die teils seit Jahrzehnten bestehende Kontakttechnik weiterentwickeln, um eine hohe Anschlussflexibilität zu bieten und gleichzeitig eine hohe Übertragungssicherheit auch für künftige Einsatzgebiete zu ermöglichen.

Da der Leitungsquerschnitt mit der zu übertragenden Leistung zunimmt, sind nicht alle Anschlusstechniken gleichermaßen für anspruchsvolle Applikationen geeignet. Bei Leiterquerschnitten von 2,5 mm² bis 35 mm² haben Gerätehersteller und Installateure noch eine große Auswahl an Leiterplattenklemmen und -Steckverbindern. Je nach Einsatzgebiet bieten komfortable Zugfederanschlüsse, Push-in-Varianten oder die etablierten Schraubanschlüsse mit Zughülse hohe Kontaktsicherheit bei geringem Installations- und Wartungsaufwand. Je größer jedoch der verwendete Leiterquerschnitt, die zu übertragende Leistung und damit die Sicherheitsanforderungen, desto schwieriger wird es, Anschlusskomfort und -sicherheit miteinander in Einklang zu bringen.

Die Produktfamilie Combicon power von Phoenix Contact deckt eine breite Anwendungsspanne für Leiterquerschnitte von 2,5 mm² bis 150 mm² ab. So können Gerätehersteller und Installateure aus einem weiten Querschnittsbereich die individuell gewünschte Anschlusstechnik auswählen. Zu den neuesten Entwicklungen zählt der Push-Lock-Federanschluss. Mittels eines deutlich abgesetzten Hebels kann der Anwender bei dieser Anschlusstechnik die Kontaktfeder sicher auf den Leiter klemmen und fest arretieren. Das Prinzip kombiniert Sicherheit und Komfort und gibt dem Anwender eine unmittelbare Rückmeldung über den sicheren Anschluss.

Speziell für größere Querschnitte von mehr als 35 mm² kommen robuste Durchführungsklemmen zur Übertragung von bis zu 309 A und 600 V UL ins Spiel. Die Klemmen bestehen aus einem Innen- und einem Außenteil, die durch die Gehäusewand werkzeuglos miteinander verrastet werden. Die Bauart ist unabhängig von der Wandstärke und schafft eine besonders hohe Sicherheit, da mechanische Kräfte am Leiter nicht auf die Leiterplatte übertragen, sondern von der Gehäusewand aufgefangen werden. Zusätzliche Stabilität geben Schraub-, Nieten- oder Flanschverbindungen, die Innen- und Außenteil durch die Gerätewand miteinander verbinden.

Trotz der robusten Bauart erlauben die Wanddurchführungen unterschiedliche Anschlusstechniken wie Push-in-, Schraub- oder Bolzenanschluss – sowie horizontale und vertikale Leitungsabgänge. Gerätehersteller bleiben also auch bei erhöhten Sicherheitsanforderungen flexibel im Design-in.

Die hohe Technologievielfalt am Markt zeigt, wie viel Know-how in der vermeintlich einfachen Anschlusstechnik steckt. Während manche Lösungen wie der Schraubanschluss weltweit etabliert sind und konstruktiv kaum verändert wurden, haben sich gerade komfortable Steckverbinder mit Schnellanschlusstechnik stets weiterentwickelt. Zu den besonderen Herausforderungen in der Leistungselektronik gehört es, über die Materialauswahl hohe Kontaktkräfte bei immer geringeren Abmessungen zu realisieren. Dabei werden konstruktiv zahlreiche Komfortfunktionen wie Prüfabgriffe, Markierungsflächen, Steckbrücken oder Farbvariationen gewünscht. Das dafür nötige Know-how umfasst Herstellungsverfahren, Werkstoff- und Materialeigenschaften sowie Konstruktions- und Anwendungskenntnisse. Je umfassender die Kenntnisse des Zulieferers, desto besser können Gerätehersteller dem zunehmenden Kostendruck begegnen – und dies gilt für Endkundenmärkte wie die Photovoltaik-Branche ebenso wie für industrielle Anwendungen in der intelligenten Fabrik.

Ob im Solarwechselrichter, im robusten Portalkran oder in der Roboter-Ansteuerung – die Übertragung hoher Leistungen auf die Leiterplatte stellt beachtliche Ansprüche an Komfort und Sicherheit. Trotz einer Vielzahl an Kontakt- und Anschlusstechniken gibt es keine Universallösung für alle Anwendungsbereiche der Leistungselektronik. Flexibel kombinierbare Technologien unterstützen Gerätehersteller und Installateure dabei, hohe Leistung auf wenig Raum zu bringen. Phoenix Contact bietet die Produktfamilie Combicon power für die sichere Leistungsübertragung auf die Leiterplatte – dazu gehören: