커넥터의 정격 전류 및 분류
커넥터에는 정격 전류라는 규정이 있습니다. 당사의 경우, 「전극 통전으로 했을 경우에, 30℃ 상승이 되는 전류치」를 정격 전류로 하고 있습니다. 통전시의 온도 상승은 제품의 정격 온도(허용 온도)에 포함되기 때문에, 정격보다 30℃ 낮은 온도 환경이라면, 전극에 눈 가득한 전류를 흐르게 됩니다. 이것은 경쟁사도 대체로 마찬가지입니다. 주변 온도가 낮은 등의 특정 환경하에서 다른 독자적인 정격 전류를 마련하고 있는 케이스도 볼 수 있습니다만, UL 규격 등의 정합도 있어, 대부분의 제품으로 30℃ 상승이 되는 전류치를 정격으로 정하고 있습니다.
그러나 이것이 분류가 되면, 각 메이커에서 대응이 다른 것 같습니다. 예를 들면, 「이 커넥터 정격 1.0A이지만, 3핀 사용해 3.0A 흘리고 싶다」라고 하는 요망에, 어떻게 응할까. 당사는 이러한 경우 고객과 협의를 하며, 종종 분류를 권장합니다. 한편, 분류의 편차의 영향을 생각해 「권장하지 않는다」라고 되어 있는 메이커님도 계십니다. 왜 그런 차이가 있습니까? 이것은 커넥터 유형에 따라 다릅니다.
이번 기사에서는, 통전에 의한 커넥터 발열로부터 대전류에의 대응에도 접하면서, 분류에 대해서도 조금 고찰을 해 보고 싶습니다.
커넥터가 발열하는 이유는 무엇입니까?
옴의 법칙
전기 저항 = R에 전류 = I가 흐르면 그 전후에서 전압이 발생합니다. 그리고 전기 저항에서는 "전력 = W"가 소비됩니다. 각각의 관계는 옴의 법칙이며 아래 그림과 같습니다.
이 내용은 칼럼 " "저항 손실"과 "유전 손실"신호가 열로 바뀌어 작아진다? '에서도 설명하고 있으므로 참조하십시오.
그럼, 이 소비된 W는 어디에 가 버릴까라고 하면, 열로 바뀌는 것입니다. 전기를 통하는 기기나 부품, 예를 들어 전원 케이블 등이 열을 가지는 것은 이 현상에 의합니다. 즉, 전류를 흘려 넣은 「저항=R」이 열원이 되는 것입니다. 모든 금속은 전기 저항을 가지므로, 전기를 흘리는 커넥터의 단자도 그 예외는 아니고, 통전시의 열원이 됩니다.
이 열을 가능한 한 작게 하려면, 같은 전류를 흘렸을 때의 W를 작게 하면 좋기 때문에, R이 작은 쪽이 좋다고 생각됩니다. 그럼 R = 전기 저항에 대해 조금 생각해 봅시다.
원통 도체의 전기 저항은 금속 종류, 길이, 단면적에 의해 결정된다
R=전기 저항을 생각하는데, 우선은 심플한 모델로부터 생각해 봅니다.
금속은 각 재료마다 전기, 전류의 흐름 어려움을 나타내는 체적 교유 저항값이라는 값을 갖습니다. 전류 흐름의 용이성을 나타내는 전도도는 이 역수에 비례한다. 그리고 원통의 도체의 경우 그림의 전기 저항 값을가집니다.
전기저항값＝R＝ρ×L/S
여기서 조금 이미지의 이야기를, 도로에 비유해 설명합니다. 자동차를 운전할 때 노면이 부드러운 것이 피로하지 않습니다. 이 노면의 볼록 오목 상태를 나타내는 것이 내성 고유 저항값=ρ가 됩니다. 또한 도로는 넓은 쪽이 스트레스없이 운전할 수 있습니다. 전류도, 도로의 폭에 해당하는 도체의 단면적이 넓은 쪽이, 소모는 적습니다. 긴 거리를 운전하면 역시 피곤하므로 거리 = L도 큰 것이 전기는 소모합니다. 도로 이외에도 수도의 호스와 빨대를 이미지 해 주셔도 좋을까 생각합니다. 물건이 지나갈 때의 「저항」이라고 하는 것은, 만사 공통의 곳이 있는 것입니다.
그런데, 이 식으로부터 하면 「저항치가 낮은 재질로, 넓은 단면적을 갖고, 짧은 도체」가 전기 저항치가 낮게 됩니다. I2×R로 표시되는 발열에 사용되는 에너지도 낮게 할 수 있어야 합니다. 그렇다면, 온도 상승도 그대로의 흐름으로 생각할 수 있을 것 같습니다만, 조금만 상황이 복잡해지기 때문에, 다음으로 생각해 보겠습니다.
원통 도체에서의 발열
이 그림은 전류가 지나면서 원통 도체가 발열하는 이미지도입니다. 전기 저항이 있는 원통 도체를 전류가 흐르면서, 길이 방향으로 계속 발열을 계속해 갑니다.
여기서 도체를 짧게 하면 저항값이 떨어지므로 조금 짧게 해 봅시다. 온도 상승은 억제될 수 있을까?
그러면 저항 값이 떨어집니다. 단지 어디까지나 감각적인 이야기입니다만, 이 이미지도로부터 하면 별로 뜨거움은 변하지 않는 것 같은 인상을 받습니다. 도체를 짧게 함으로써 저항값은 내려 총 발열량도 내려가고 있습니다만, 「온도를 상승시키는 대상 범위」도 작아져 버리기 때문에, 결과적으로 이 경우에서는 온도 상승은 변하지 않습니다.
이미지 이야기를 조금 봅시다.
한겨울에 6 다다미 한 사이를 따뜻하고 편안하게 보낼 수있는 난방기구를 다른 공간에 반입하면 어떻게 될까요? 12 다다미의 방에서 사용해 보면, 아마 조금 추울 것입니다. 만약 체육관 등의 쭉 넓은 공간에 반입하면, 반드시 기능하지 않습니다. 정말 난방기 근처 이외는 전혀 따뜻해지지 않습니다.
이와 같이 발열량이 같아도 온도를 상승시키는 대상이 커지면 효과는 내려갑니다. 반대로 원통 도체의 예와 같이, 짧게 함으로써 저항값을 낮추어도 한정된 개소에서의 온도 상승은 변하지 않습니다.
라고 하는 것은, 재질의 저효율과 도체의 단면적만을 보면 온도 상승이 결정될 것 같습니다만, 예외는 없는 것일까요? 의존하지 않는 예로 예를 들어 조금 생각해 봅시다.
길이가 영향을 미치지 않는 경우로 하는 경우 전선의 허용 전류량과 전열선
여기까지 원통 도체를 모델에 설명하고 있으므로, 그 연장선으로 전선의 경우를 살펴 보겠습니다.
전선에는 허용 전류량이라고 하는 정의가 있어, 특히 「여유를 가진 공간에 1개 배치되는 경우」의 허용 전류량은, 단순한 현상이므로 계산식도 확실히 하고 있습니다. 식 그 자체는 대수가 포함되어 있어, 약간 복잡합니다만(각 전선 메이커님의 사이트등에 게시되고 있기 때문에 흥미가 있는 쪽은 검색해 주세요), 기본적인 생각은 대체로 아래와 같습니다(실제의 식에서는, 다이렉트의 허용 전류량을 산출할 수 있는 형태로 변형되고 있습니다).
・단위 길이 근처의 현상으로부터 계산해, 길 때는 같은 현상이 계속 계속되기 때문에 길이에 의존하지 않고 일의적으로 결정한다
・도체에 전류가 흐를 때의 발열량을 계산한다.
・전선 표면까지의 열의 흐름=전열을 계산한다
・전선 표면으로부터의 방열을 계산한다.
· 이것에 의해 내부에 담긴 열을 산출하고, 가장 온도가 상승하는 부위인 도체의 온도 상승을 산출한다.
・전선의 주변 온도와 정격 온도(최대 허용 온도)도 차분이, 먼저 산출한 온도 상승과 같게 되는 전류값을 허용 온도로 한다.
전항의 설명과 중복합니다만, 전선이 길 때는 발열 총량도 커집니다만, 그만큼 넓은 구간에서 온도 상승을 시키기 때문에, 길이에 의존하지 않는다고 합니다. 즉, 여유롭게 여유를 가지고 배선된 전선에 관해서는 길이에 따라 저항값은 올라가지만 온도 상승에 의존하지 않는다는 것입니다.
그렇다면 여유롭게 여유가 없다면 어떻게 될까요? 예를 들어, 꽉 얽힌 전선에서는 좁은 공간에 더 큰 열원이 존재하게 되기 때문에, 전선의 길이가 온도 상승에 의존할 것 같습니다(열이 도망치기 어려워진다고 하는 요소도 물론 있습니다만). 그런 것들 중에서 가장 좋은 것으로 전열선이 있습니다.
전열선은 굳이 저항값이 높은 니크롬선을 사용하여 코일 형상으로 하는 것으로, 길고 저항값이 높은 도체를 짧은 공간에 밀어 넣어 열원으로서 사용하는 것입니다. 이와 같이 긴 것을 좁은 공간에 밀어 넣을 수 있는 구성에서는, 도체의 길이도 온도 상승에 효과적입니다.
정리하면 온도 상승에 기여할 것 같은 것은, 일정 구간내의 전기 저항치=금속 재질과 단면적에 더해 상태에 따라서는 도체 길이도, 라고 하는 것이 됩니다. 그렇다면 커넥터의 경우는 어떻습니까?
커넥터의 단자 형상과 발열·온도 상승에 대해서
커넥터의 도체인 단자는 원통 도체처럼 단순한 구조가 아닙니다. 기능이나 기구에 따라, 금속을 늘리거나, 짜거나, 빼거나와 복잡한 형상으로 하고 있고, 끼워맞춤 상대와의 접촉도 있으므로 일근줄로는 가지 않습니다. 그래도 기본적인 사고방식은 전항까지 따라온 내용을 답습할 수 있습니다.
커넥터의 단자에서는, 열원이 되기 쉬운 부분이 몇개 있습니다만, 그 중 2개의 예를 보고 싶습니다.
위에 표시된 것은 플로팅 커넥터의 단면을 취하여 단자의 모습을 나타낸 것입니다.
열원이 되기 쉬운 첫 번째는 플로팅의 가동용 스프링부입니다. 앞의 전열선의 예로 나타낸 바와 같이, 긴 도체가 좁은 범위에 들어가 있습니다. 또한 스프링의 힘은 적정하게 유지해야 하기 때문에 너무 굵게 할 수 없다, 즉 단면적을 크게 취할 수 없기 때문에, 아무래도 높은 저항값이 되기 쉽습니다.
두 번째는 접점부입니다. 단자끼리가 접촉하는 부분은 일체의 금속부보다 아무래도 전류가 흐르기 어려워, 즉 전기 저항값이 높아지기 때문에, 여기가 발열원이 되기 쉽습니다. 앞의 설명으로 도체를 도로나 수도 호스에 비유했지만, 고속도로의 접합이나 호스의 이음새에서는 아무래도 흐름이 정체하는 것과 비슷한 이미지군요.
반대의 말을 하면, 이 2곳의 구조는 대전류 커넥터로의 궁리의 힘이 됩니다. 예를 들어, 아래 그림은 10122 시리즈 터미널의 다이어그램입니다. 이 제품은 독자적인 4점 접점 구조를 가지고 가동 스프링을 부분적으로 분할함으로써 발열의 억제와 기계 특성의 양립을 도모하고 있습니다.
또한 현재 새로운 가동 스프링 기구를 이용한 30A 타입도 개발 중입니다. 글쎄, 그럼 조금 멀었지만, 처음에 말한 분류 이야기로 진행하고 싶습니다.
전류는 어떻게 분류됩니까? 저항값의 변동
시작하기 섹션에서 언급한 "이 커넥터 정격 1.0A이지만, 3핀 사용하여 3.0A 흘리고 싶다"는 경우를 예로 생각해 보겠습니다.
커넥터를 포함한 분류 구간에서 전기 저항값이 정확히 동일하면 3.0A의 전류는 각 핀에 1.0A씩 균등하게 분류됩니다. 그러면, 커넥터부의 저항에 편차가 있었을 경우는 어떻게 되는지, 3개의 선로 중 하나 ΔR만큼 저항이 높은 케이스를 살펴봅니다.
도중의 계산은 생략합니다만, 그림에 나타낸 바와 같이 간단한 회로 계산으로 산출할 수 있습니다. 마지막으로 각 단자에 흐르는 전류를 살펴 보겠습니다. 저항 편차가 없고 = R인 경로의 전류 I1과 I3은 양쪽(1+Δ)/(1+2/3Δ) A가 됩니다. Δ가 양수이면 Δ>2/3Δ로 분자가 분모보다 커지므로 I1=I3>1.0A로 정격 전류값을 넘습니다. 한편 저항에 편차가 생긴 선로의 전류 I2는 1/(1+2/3Δ)A가 되어 분모가 분자보다 커지므로 정격의 1.0A보다 작아집니다. 덧붙여 검산해 주시면 알까라고 생각합니다만 3개의 전류의 합은, 물론 3.0A가 됩니다.
전류는 흐르기 쉬운 분에게 편향하는 성질을 가지고 있습니다. 이것은 전류가 아니어도, 수류나 에어 플로우에서도 같습니다. 따라서 저항이 높은 I2에서 약간의 흐름 어려움만큼 저항이 낮은 경로의 I1, I3으로 나누어진 결과, 이러한 전류 배분이 되는 것입니다.
그런데 I1과 I3은 정격 전류 값을 초과했습니다. 이것은 사용을 견딜 수 없다는 것입니까? 처음으로, 정격 전류의 정의는 "전극 통전으로 했을 경우에, 30℃ 상승이 되는 전류치"로 하고 있었습니다. 그럼 온도 상승에 관련된 열원인 저항 손실이 어떻게 되어 있는지를, 전극 정격 전류 통전과의 비교로 살펴보겠습니다.
분류에 의한 손실의 변화 ① 흐르는 데 맡기는 것이 총 손실이 적다
발열에 관련된 저항 손실을 비교하기 위해 다음과 같은 모델을 생각해 보겠습니다. 정격전류의 정의에 따라 3핀에 독립적으로 각각 1.0A의 전류가 공급되는 경우입니다.
저항의 전후의 전위차 V=IR이 다르기 때문에, 하나의 파워를 분기해 송부하는 사양으로서는 조금 있을 수 없는 모델로, 어느 쪽인가라고 하면 3개의 독립한 파워 공급이라고 하는 이미지일까요. 각각의 저항으로 소비되는 전력은 W=I2×저항값으로 전류 I가 1.0A이기 때문에 저항값과 같아집니다. 3개 맞추면(3+Δ)R이 됩니다.
한편, 이전 단락에서 본 분류 모델의 3개의 저항에서의 소비 전력 적산은 전압값에 총 전류인 3.0A를 곱한 것이므로 (1+Δ)/(1+2/3Δ)×3이 됩니다.
각각의 총 전력을 Δ가 부의 값인 경우, 즉 하나만 저항값이 내려가는 경우도 포함해 「3개의 저항이 변하지 않고, 모두 R인 경우」의 전력과의 비교로 그래프로 해 보았습니다.
저항에 편차가 없을 때의 총 소비 전력과의 비교
오렌지 라인이 저항값에 편차가 있을 때의 분류 모델의 저항부에서의 총 소비 전력, 청색 라인이 그 커넥터에 독립 1.0A를 전극 통전한 경우입니다. 두 라인 모두 Δ가 양수이면 합성 저항 값이 커지므로 변동이 없을 때보다 소비 전력이 높아져 100 %를 초과합니다. 그러나 여기에서 주목해야 할 것은 오렌지 라인이 사양대로 1.0A 전극 통전보다 전역에서 낮다는 점입니다. 같은 총통전량이 3.0A로 왜 이 차이가 생기는 것일까요?
앞서 언급했듯이 전류는 흐르기 쉬운 편향 특성을 가지고 있습니다. 제대로 3등분하고, 흐르기 어려운 곳에도 무리하게 등량 흘리는 것보다, 전류가 흐르고 싶은 것처럼 분류시켜 주는 것이, 결과적으로 효율이 좋은 흐르는 방법이 됩니다. 따라서 총 소비 전력이 낮아집니다.
이 결과로부터, 저항값에 편차가 생긴 커넥터에서는 분류시에 엄밀하게는 정격 전류값을 넘어 버리는 핀이 있지만, 정격 전류의 규정의 근거가 되고 있는 온도 상승이라고 하는 점에서는 규정하고 있는 사양 눈 가득의 사용보다도 낮아질 것 같다고 느끼실 수 있다고 생각합니다. 그렇다면 더 국소적인 발열에 관해서는 어떨까요? 두 모델에서 가장 높은 전력 소비를 제공하는 개별 핀을 살펴 보겠습니다.
분류에 의한 손실의 변화 ② 개별 핀의 발열은?
분류 모델에서는 저항 전후의 전압값이 같기 때문에 「전류가 제일 흐르고 있는 핀」이, 독립 전류 공급에서는 전류값이 같기 때문에 「저항값이 제일 높은 핀」이 가장 소비 전력이 높아지므로, 각각 Δ가 양수인지 음수가 다른 핀이 됩니다. 자세한 내용은 다음 그래프의 범례를 참조하십시오.
저항에 편차가 없을 때 핀당 전력과 비교
이와 같이, 개별 핀의 소비 전력으로 보았을 경우에도, 전역에서 오렌지의 라인이 청색의 라인을 밑도는 결과가 됩니다. 국소적인 발열의 원인이 되는 개별 핀의 소비 전력으로 봐도, 분류시가 사양에 규정하고 있는 조건보다 낮다고 합니다. 실장 미비나 이물질의 물림 등 불편에 의한 경우는 완전히 다른 이야기로서(원래 단독 통전에서도 안 되네요), 여기까지의 확인 결과로부터 하면 제품의 사양내에서 커넥터의 저항값이 변동하는 경우에는, 분류는 문제 없다고 생각됩니다.
하지만 문제가 되는 경우는 없을까요? 다음에 커넥터 이외의 요인으로, 전류의 분류 배분이 바뀌어 버리는 케이스를 생각해 보고 싶습니다.
덧붙여 사족이 됩니다만 이물질의 물림에 관해서는, 2-POINT CONTACT 구조라고 하는 기술을 준비하고 있으므로, 그쪽도 봐 주시면 다행입니다.
커넥터에 이르는 배선의 영향
전원, 커넥터, 공급 대상에 이르기까지 → 사이에는 보통 배선 소재가 포함됩니다. 예를 들어, 전선이나 기판의 트레이스가 그에 해당합니다. 전류를 분류하는 경우에 이들이 개재하는 것입니다만, 이것이 접속 거리이거나, 기판 레이아웃에서의 루틴이거나, 분기 후의 배선이 커넥터의 저항값보다 훨씬 큰 값을 가지는 경우, 전류의 분배가 커넥터의 저항값에 의존하지 않게 됩니다.
즉, 이 배선의 저항이 크고 편차가 있는 경우는 커넥터의 상태에 의존하지 않고, 각 핀에 치우친 전류가 배분되어 버리게 됩니다.
여기서, 조금 극단적인 예입니다만 아래와 같은 배선의 저항에 편차가 있는 모델을 생각해 보겠습니다.
여기서 각 저항에서 소비되는 전력은 정확하게 1.0A씩 흐를 때보다 각각 I12, I22, I32배가 됩니다. 3분의 저항으로 소비되는 전력은 (3+4Δ+2Δ2)/{3×(1+2/3Δ)2}배입니다. 이것도 커넥터에서의 총 소비 전력과 가장 소비가 큰 핀의 소비 전력을 그래프로 보자 (지금까지와 그래프 표기가 조금 다르므로주의하시기 바랍니다).
커넥터부에서의 소비 전력, 전류가 균일한 경우로부터의 증가 비율
전제의 단계에서 근사도 하고 있기 때문에, Δ가 음이고 또한 클 때는 현실에는 일어나기 어려운 상태도 포함합니다만, 3핀의 합계치에서도 단독 핀으로 봐도 전역에서 배선이 균일한 상태보다 높아지고 있습니다. 특히 단독 핀으로 보면 전류가 크게 배분되어 버린 곳의 전력 상승이 크게 확인됩니다. 즉 고전류를 정격 전류 이하로 분할하여 커넥터를 통해 보내는 경우 커넥터에 이르기까지 그리고 거기에서 앞선 배선 상태에 따라 의도하지 않은 발열의 가능성이 있다는 것입니다.
아마 동업 타사님이 「분할을 추천하지 않는다」라고 되어 있는 케이스는, 이런 경우를 상정되고 있는 것이 아닐까 생각합니다. 또, 커넥터의 종류라고 하는 견해를 한 경우에는, 전선 대 기판 커넥터나 전선 대 전선 커넥터 등 전선을 통한 접속에서는, 이러한 현상이 현저해질 가능성이 있습니다. 당사의 경우 「고객과 협의를 한 후, 많은 경우는 분류를 추천」이라고 최초로 설명했습니다만, 이 협의중에서 이러한 리스크가 없는지 확인을 하겠습니다.
결론으로서는 배선 부분의 저항값이 안정적으로 등분되고 있는 상태이면, 정격×배분 핀수까지의 전류의 통전은 가능하다고 합니다만, 배선부 밸런스에 우려가 있을 때는 상응의 여유를 가진 배분이 필요합니다. 또 하나, 지금까지의 이야기와는 조금 다른 점입니다만, 전류를 분기하고 있는 경우, 예를 들어 1개의 접속이 완전하게 망가져 버린 경우 등에, 전류를 분기하고 있기 때문에 완전하게 흐름이 멈추지 않고 「불량의 발생」의 지각이 늦어지는 리스크도 있습니다. 그러한 점도 근거로 여러가지 제안·협의가 가능하므로, 당사 커넥터에서 검토할 때는, 당사 영업원에게 상담해 주시거나, WEB 사이트 경유로 문의해 주세요.
마지막으로
전자 기기의 협소화의 흐름도 있어, 「기판 레이아웃상 저전력의 신호와 전원을 같은 커넥터로 흘리고 싶다.하지만 큰 것은 사용할 수 없다.」라고 하는 케이스는, 이전보다 늘어나고 있는 것처럼 느끼고 있습니다. 그러한 경우, 정격 전류값이 작은 커넥터를 어떻게 다루는가 하는 점에서, 고생하고 있는 케이스도 많이 있을 것이며, 또, 분류에 대한 각 메이커의 견해도 조금씩 다르고 있는 것으로 보여졌으므로, 이 테마를 거론한 대로입니다.
또한 당사에서는 신호 라인 0.5A 정격의 0.5mm 피치의 커넥터에 3.0A의 전원 라인 4개를 더한 10143 시리즈라고 하는 기판 대 기판 커넥터를 준비하고 있습니다. 꼭 확인하십시오. 문중에서 소개했습니다 대전류 플로팅 커넥터 10122 시리즈도 잘 부탁드립니다.