Jedes Milliohm entscheidet
Das Quadrat in der Gleichung
Ein Milliohm entspricht nur einem Tausendstel Ohm. Wenn ein Leiter Ströme von mehreren hundert Ampere führt, können selbst wenige Milliohm einen erheblichen Einfluss auf den Wirkungsgrad und die Temperatur haben.
Das Ohmsche Gesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen Spannung, Strom und Widerstand:
Fließt Strom durch einen Leiter, verursacht dessen elektrischer Widerstand einen Spannungsabfall. Bei einem Widerstand von 1 mΩ und einem Strom von 10 A beträgt dieser Spannungsabfall lediglich 10 mV. Steigt der Strom auf 100 A, erhöht sich der Spannungsabfall auf 100 mV. In einem Niederspannungsschaltkreis kann selbst ein vergleichsweise geringer Spannungsabfall einen erheblichen Anteil der für die Last verfügbaren Spannung ausmachen.
Der elektrische Widerstand wandelt außerdem einen Teil der durch den Leiter übertragenen Energie in Wärme um. Diese ohmsche Verlustleistung wird durch folgende Gleichung beschrieben:
Der entscheidende Punkt in dieser Gleichung ist das Quadrat. Bleibt der Widerstand konstant, führt eine Verdopplung des Stroms nicht zu einer Verdopplung der Verlustleistung. Stattdessen steigt sie um den Faktor vier. Bei dreifachem Strom ist die Verlustleistung neunmal so hoch. Deshalb werden selbst sehr kleine Widerstandswerte in Hochstromsystemen relevant. Bei 10 A erzeugt ein Widerstand von 1 mΩ lediglich 0,1 W Wärme. Bei 100 A erzeugt derselbe Widerstand bereits 10 W. Steigt der Strom auf 500 A, erreicht die Verlustleistung 250 W.
Dieser Zusammenhang erklärt auch den zunehmenden Einsatz höherer Verteilungsspannungen. Wie wir in Teil 1 gesehen haben, benötigt eine Last von 1 kW bei 12 V einen Strom von etwa 83 A, bei 48 V dagegen nur rund 21 A. Bei gleicher übertragener Leistung reduziert eine Vervierfachung der Verteilungsspannung den Strom um denselben Faktor. Da die ohmschen Verluste proportional zum Quadrat des Stroms sind, fällt die mögliche Reduzierung der Verluste entsprechend deutlich größer aus.
Woher elektrischer Widerstand entsteht
Kein praktisch eingesetzter Leiter besitzt einen elektrischen Widerstand von null. Der Widerstand eines einfachen Leiters lässt sich durch eine weitere bekannte Beziehung beschreiben:
In dieser Gleichung steht ρ für den spezifischen elektrischen Widerstand des Materials, L für die Länge des Leiters und A für dessen Querschnittsfläche.
Entwickler können den Widerstand reduzieren, indem sie Materialien mit einem geringeren spezifischen Widerstand wählen, den leitenden Pfad verkürzen oder dessen Querschnittsfläche vergrößern. Die Vergrößerung des Leiterquerschnitts ist dabei der naheliegendste Ansatz.
Ein dickeres Kabel enthält mehr leitfähiges Material und weist daher bei gleicher Länge und gleichem Material einen geringeren Widerstand auf als ein dünneres Kabel. Das gleiche Prinzip gilt für Leiterbahnen auf Leiterplatten sowie für andere Bestandteile des Stromverteilungsnetzes.
Größere Leiter benötigen jedoch zusätzlichen Bauraum und erhöhen das Gewicht. Beides sind wichtige Faktoren bei Anwendungen, in denen eine höhere Leistungsdichte erreicht werden soll, ohne gleichzeitig die Gesamtgröße des Systems zu erhöhen. Die Reduzierung des Widerstands kann daher nicht einfach darin bestehen, immer mehr Kupfer einzusetzen.
Die Unterbrechung des Leiters
Steckverbinder bringen einen weiteren Aspekt ins Spiel, da sie den leitfähigen Pfad bewusst unterbrechen. Werden zwei Kontakte miteinander verbunden, kann der Strom von einem Kontakt zum anderen fließen. Auf mikroskopischer Ebene ist diese Kontaktstelle jedoch deutlich komplexer.
Selbst hochglanzpolierte Metalloberflächen sind nicht vollkommen glatt. Sie weisen mikroskopisch kleine Erhebungen und Vertiefungen auf. Dadurch kann die tatsächlich elektrisch wirksame Kontaktfläche wesentlich kleiner sein als die scheinbare Kontaktfläche.
Der Strom konzentriert sich daher auf die Punkte, an denen sich die Oberflächen tatsächlich wirksam berühren. Die verwendeten Materialien, die Kontaktgeometrie, die Oberflächenbeschaffenheit sowie die Kraft, mit der die Kontakte aufeinandergepresst werden, können den daraus resultierenden Kontaktwiderstand beeinflussen.
Bei Signalsteckverbindern, die vergleichsweise kleine Ströme übertragen, hat ein Kontaktwiderstand im Milliohm-Bereich möglicherweise nur geringe Auswirkungen auf den gesamten Energieverbrauch des Systems. Bei einem Hochstrom-Steckverbinder gewinnt derselbe Widerstand jedoch erheblich an Bedeutung – aufgrund des durch I²R beschriebenen Zusammenhangs.
Entwickler von Steckverbindern müssen daher eine dauerhaft stabile elektrische Verbindung sicherstellen und gleichzeitig den Kontaktwiderstand so gering wie praktisch möglich halten.
Widerstand wird zu Wärme
Die durch den elektrischen Widerstand verursachte Verlustleistung wird in Wärme umgewandelt. Damit sind elektrische und thermische Eigenschaften unmittelbar miteinander verknüpft. Gleichzeitig beeinflusst die Temperatur auch die elektrischen Eigenschaften eines Leiters. Der spezifische Widerstand von Metallen wie Kupfer steigt mit zunehmender Temperatur, sodass ein wärmerer Leiter einen höheren elektrischen Widerstand aufweist.
Die Strombelastbarkeit kann daher nicht unabhängig von der Betriebstemperatur betrachtet werden. Ein Steckverbinder, der bei einem bestimmten Strom unter gegebenen Umgebungsbedingungen sicher arbeitet, kann sich bei einer höheren Umgebungstemperatur anders verhalten. Die thermischen Eigenschaften des Gesamtsystems spielen deshalb eine entscheidende Rolle dabei, welcher Strom sicher und effizient übertragen werden kann.
Niedrigen Widerstand dauerhaft sicherstellen
Der Widerstand eines Steckverbinders kann sich während seiner Betriebsdauer verändern. Elektrische Kontakte sind auf eine mechanische Kontaktkraft angewiesen, um eine stabile Verbindung zwischen den leitfähigen Oberflächen sicherzustellen. Diese Kontaktkraft muss auch bei wiederholter Nutzung zuverlässig erhalten bleiben.
Durch wiederholte Steck- und Trennvorgänge entsteht zwischen den Kontakten eine Wischbewegung, die mit der Zeit zu Verschleiß an der Kontaktbeschichtung führen kann. Auch Schmutz, Feuchtigkeit, Korrosion und andere Verunreinigungen können die elektrische Kontaktstelle beeinträchtigen.
Der Wert R in der Gleichung für die Verlustleistung sollte daher nicht grundsätzlich als konstant betrachtet werden.
Ein geringer Anstieg des Kontaktwiderstands kann bei Anwendungen mit niedrigen Strömen kaum Auswirkungen haben. Bei hohen Strömen kann derselbe Widerstandsanstieg jedoch zu einer deutlich stärkeren Wärmeentwicklung führen. Der Kontaktwiderstand ist deshalb nicht nur ein Maß für die anfängliche Leistungsfähigkeit eines Steckverbinders, sondern auch dafür, wie gut diese Eigenschaften über die gesamte Lebensdauer erhalten bleiben.
Milliohm für Milliohm optimieren
Um den Widerstand zu reduzieren, sind Materialien mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, ein ausreichend großer Leiterquerschnitt beziehungsweise eine ausreichende leitfähige Fläche sowie eine zuverlässige Kontaktierung zwischen den Steckpartnern erforderlich. Entwickler von Steckverbindern müssen alle drei Faktoren berücksichtigen und gleichzeitig verschiedene mechanische und konstruktive Anforderungen miteinander in Einklang bringen.
Größere Kontakte können höhere Ströme übertragen, benötigen jedoch mehr Bauraum. Eine höhere Kontaktkraft kann zu einer stabileren elektrischen Verbindung beitragen, erhöht jedoch zugleich die Steckkraft und kann den mechanischen Verschleiß beeinflussen. Kontaktwerkstoffe müssen deshalb eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit mit den mechanischen Eigenschaften verbinden, die erforderlich sind, um die Kontaktkraft während der gesamten Lebensdauer des Steckverbinders aufrechtzuerhalten.
Damit gewinnt auch die Geometrie des Kontakts an Bedeutung. Konstruktionen, die eine wirksame Kontaktfläche mit einer dauerhaft stabilen mechanischen Kontaktkraft kombinieren, können den Widerstand reduzieren, ohne dass dafür zwangsläufig die Gesamtgröße des Steckverbinders erhöht werden muss.
Mit zunehmender Leistungsdichte wird dies besonders wichtig. Entwickler müssen höhere Ströme auf begrenztem Leiterplatten- und Panelraum übertragen und gleichzeitig sowohl den Spannungsabfall als auch den Temperaturanstieg kontrollieren.
Der vollständige Strompfad
Der elektrische Kontakt ist nur eine der beteiligten Schnittstellen. Jedes Kabel, jede Leiterbahn auf der Leiterplatte, jede Durchkontaktierung und jeder Kontakt trägt einen gewissen Widerstand zum gesamten Stromverteilungsnetz bei. Bei ausreichend hohen Strömen wirken sich diese Widerstände auf die elektrische und thermische Performance des Gesamtsystems aus.
Die Stromverteilung sollte deshalb als vollständiger Übertragungspfad betrachtet werden. Die Reduzierung des Widerstands einzelner Komponenten ist sinnvoll, den größten Nutzen erzielt man jedoch, wenn die Verlustquellen im gesamten Netzwerk verstanden und möglichst umfassend reduziert werden.
Mit weiter steigenden Leistungsanforderungen stößt die reine Optimierung einzelner Leiter und Kontakte schließlich an Grenzen. Ab einem bestimmten Punkt reicht es nicht mehr aus, lediglich die Verluste einzelner Komponenten weiter zu reduzieren. Dann muss die Architektur des Stromverteilungsnetzes selbst neu betrachtet und entsprechend angepasst werden.
