Klemmenblokken: wat je allemaal moet weten

Klemmenblokken zijn een bekend onderdeel in de gereedschapskist van elke engineer en worden al vele jaren gebruikt om semi-permanente, veilige draadverbindingen te maken in een reeks toepassingen. Klemmenblokken, ook wel aansluitblokken, schroefconnectors, kroonsteentjes of klemmenstrook genoemd, bestaan uit een modulaire behuizing en een geïsoleerd hoofddeel waarmee twee of meer draden met elkaar worden verbonden. Dankzij de semi-permanente aard van de aansluitingen maken klemmenblokken het inspectie- en reparatieproces in het veld eenvoudiger. Hoewel het een relatief eenvoudig onderdeel is, is het toch nuttig om een basiskennis te hebben van klemmenblokken en hun specificaties voordat je een keuze maakt. Dit artikel gaat dieper in op onderwerpen zoals veelvoorkomende typen klemmenblokken en belangrijke elektrische en mechanische overwegingen om engineers te helpen bij dit proces.

Algemene configuraties

Printplaatconnectors (PCB-connectors), barrièreblokken en doorvoerklemmen zijn drie van de meest gebruikte soorten klemmenblokken in ontwerpen. De volgende tabel geeft een overzicht van de drie verschillende types, inclusief hun basisprincipes, montagestijlen en configuraties.

Belangrijke elektrische specificaties

Nu de gangbare typen klemmenblokken aan bod zijn gekomen, zijn er een aantal belangrijke elektrische specificaties waar tijdens de ontwerpfase rekening mee moet worden gehouden. Dit zijn:

Nominale stroomsterkte: Over het algemeen is de nominale stroomsterkte de belangrijkste specificatie bij het klemmenblokontwerp. Het gaat hierbij om drie aspecten: de geleidbaarheid van de aansluitingen, de doorsnede en de bijbehorende temperatuurstijging. Bij het kiezen van een klemmenblok wordt aanbevolen dat de module een nominale stroomsterkte heeft van minstens 150% van de verwachte maximale systeemstroom. Als een klemmenblok niet de juiste nominale waarde heeft en een te grote stroom heeft, kan oververhitting en beschadiging van het klemmenblok leiden tot kritieke veiligheidsproblemen.

Nominale spanning: De nominale spanningswaarde van een klemmenblok wordt gedeeltelijk beïnvloed door de steek (pitch) en de diëlektrische sterkte van de behuizing. Net als bij de nominale stroomsterkte moet de nominale spanning van een klemmenblok hoger zijn dan de maximale systeemspanning, waarbij ook rekening moet worden gehouden met spanningspieken die de aansluitingen kunnen beschadigen.

Het aantal polen: Het aantal polen is de gebruikelijke manier om het aantal individuele circuits uit te drukken dat in een klemmenblok is ondergebracht. Deze specificatie varieert meestal van één pool tot wel 24 polen.

Steek (pitch): De steek wordt gedefinieerd als de afstand tussen het midden van aangrenzende polen en wordt bepaald door de totale nominale waarde van het klemmenblok voor factoren als kruip, spanning/stroom en vrije ruimte. Enkele voorbeelden van gangbare steekgroottes zijn onder meer 2,54 mm, 3,81 mm en 5,0 mm.

Draadmaat/type: Klemmenblokken worden in Noord-Amerika gespecificeerd in American Wire Gauge (AWG) en geven de draadgrootte of -dikte aan die de module aankan, zodat de draden fysiek in de behuizing passen. Gelukkig bieden de meeste klemmenblokken enige tolerantie zodat een reeks draadmaten zoals 18~4 of 24~12 AWG past. Naast de draaddikte moet ook rekening worden gehouden met het type draad, afhankelijk van het gekozen moduletype. Gevlochten of meeraderige draad is ideaal voor schroefklemmen, terwijl eenaderige draad vaak wordt gecombineerd met zogenaamde push-in klemmenblokken.

Belangrijke mechanische specificaties

Vervolgens kijken we naar mechanische specificaties. Deze hebben betrekking op de voetafdruk (footprint) van het klemmenblok, de oriëntatie en de toegankelijkheid van de aansluitingen binnen een klemmenblokontwerp. Belangrijke mechanische factoren zijn onder andere:

Oriëntatie van de draadinvoer: Horizontaal (90°), verticaal (180°) en 45° zijn de drie meest voorkomende oriëntaties van klemmenblokken. Deze beslissing hangt af van de lay-out van een ontwerp en welke oriëntatie het beste aansluit en het beste toegankelijk is voor de aansluitingen.

Afbeelding 1: Veelgebruikte klemmenblokoriëntaties (Bron afbeelding: Same Sky)

Draadverbindingsmethode: Net als bij oriëntaties zijn er drie veelgebruikte methoden om de draden aan te sluiten: schroefverbinding (screw type), drukknopverbinding (push button) of insteekverbinding (push-in). Alle drie de typen doen hun naam eer aan. Schroefverbindingen of schroefklemmen bevatten een schroef die bij het vastdraaien een klem sluit die de draad tegen de geleider vastzet. Drukknopverbindingen werken eenvoudig door op een knopje te drukken die een klem opent om de draad in te voeren waarna de draad wordt vastgezet zodra het knopje wordt losgelaten. Met de zogenaamde push-in-verbindingen kunnen draden rechtstreeks in de behuizing worden gestoken, zodat er een verbinding ontstaat zonder dat er schroeven of knopjes nodig zijn om de klem te openen.

Afbeelding 2: Veelgebruikte draadverbindingsmethoden (Bron afbeelding: Same Sky)

Aaneensluitende of eendelige behuizing: Klemmenblokken kunnen worden uitgevoerd als aaneensluitende (interlocking) of eendelige (single-piece) behuizingen. Aaneensluitende klemmenblokken zijn meestal verkrijgbaar in 2- of 3-polige versies en bieden engineers de mogelijkheid om snel en eenvoudig een klemmenstrook te maken voor meerdere polen of om verschillende kleuren van hetzelfde moduletype met elkaar te verbinden. DIN-railklemmenblokken werken op een vergelijkbare manier door afzonderlijke eenheden op een metalen rail in elkaar te schuiven. Zodra de gewenste configuratie en het gewenste aantal polen is bereikt, worden de klemmenblokken afgewerkt met een compatibele eindkap om de behuizing van de buitenste eenheden te beschermen. Bij eendelige klemmenblokken zijn alle polen omvat in één module, waardoor deze steviger en robuuster zijn afhankelijk van de ontwerpvereisten.

Afbeelding 3: Aaneensluitende (interlocking) en eendelige (single-piece) klemmenblokken (Bron afbeelding: Same Sky)

Wire-to-housing (draad-naar-behuizing) methode: Wanneer de hoofdaansluiting vaak moet worden losgemaakt en aangesloten, zijn insteekbare klemmenblokken een goede optie. Deze werken door draden in een modulaire stekker te steken, die wordt aangesloten op een vaste aansluiting op de printplaat, waardoor de verbinding gemakkelijk kan worden verbroken zonder de afzonderlijke draden aan te raken.

Afbeelding 4: Plug- en receptacle-aansluitingen van een insteekbaar klemmenblok (Bron afbeelding: Same Sky)

Veiligheidsbeoordelingen en extra overwegingen

UL en IEC zijn de belangrijkste veiligheidsinstanties die worden gebruikt om klemmenblokken te certificeren. Als je naar het gegevensblad van een klemmenblok kijkt, worden de UL- en/of IEC-veiligheidsnormen vermeld, meestal met verschillende waarden. Dit komt omdat elke instantie een andere norm gebruikt voor het testen. Het is dus belangrijk dat engineers de algemene veiligheidseisen van hun systeem kennen om een klem te kunnen kiezen die aan de eisen voldoet.

Hoewel het wellicht in veel ontwerpen een bijkomstigheid is, kan het gebruik van verschillende kleuren voor de klemmenblokbehuizing of knoppen handig zijn. Door unieke kleuren voor klemmenblokken te kiezen, kunnen engineers het verbinden van aansluitpunten in complexe systemen vereenvoudigen en verkeerde aansluitingen voorkomen.

Tot slot zijn klemmenblokken met een hogere nominale temperatuur ook een optie in omgevingen of toepassingen die te maken hebben met extreme temperaturen.

Conclusie

Met kennis van de belangrijkste elektrische en mechanische specificaties en de verschillende moduletypes, zijn engineers beter uitgerust om aan de behoeften van een verscheidenheid aan elektrische systeemverbindingen te voldoen. De klemmenblokken van Same Sky bieden engineers een reeks kleurenopties en configuraties om het selectieproces te vereenvoudigen.