Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/Archiv/Elc1984/Y19841210Elc103.shtml

Соединители: новые сведения для разработчиков

Connector technology: an update for designers, No.28, pp.52—80.

Несмотря на то что фирмы, предоставившие материал для данной подборки, конкурируют между собой в области производства электрических соединителей, все они охотно присоединяются к следующему утверждению: чем больше знает заказчик о соединителях, тем лучше для того, кто их производит. С этой точки зрения в данном обзоре и будут рассмотрены основные типы соединителей, изучен ряд важнейших вопросов современной техники соединителей и методов подключения к ним кабелей и проводов, а также даны основные рекомендации по их выбору. Обзор проиллюстрирован целым рядом предлагаемых на продажу новых изделий, воплощающих в себе новаторские технические решения.

Конструкторам систем приходится делать выбор не только среди множества поставщиков, но и среди большого числа типов соединителей и соединительных систем. Например, для соединения кабеля с электронными устройствами, электрооборудованием, электрическими машинами, щитами и стендами, печатными платами, а также с другими кабелями используются кабельные соединители. Для прикрепления к жесткой поверхности используется стационарный кабельный соединитель, а для соединения с кабелем — свободный кабельный соединитель.

Стоечные и панельные соединители — это стационарные соединители, обеспечивающие электрическое соединение между каким-либо блоком и стойкой, в которой он смонтирован. Правильное сочленение монтируемых частей гарантируется согласующим (центрирующим) приспособлением, которое обычно предусматривается в конструкции.

Имеются два основных типа соединителей для печатных плат: краевой и двухкомпонентный. Краевой (гребенчатый) соединитель представляет собой розетку непосредственного сочленения, куда вставляется торец платы с напечатанными или вытравленными концевыми ламельными контактами. Двухкомпонентные соединители содержат сочленяющий элемент, неразборно закрепленный на плате, и другой элемент, соединенный с сопрягаемой частью оборудования. При использовании соединителей этого типа надо тщательно учитывать такие характеристики конструкции, как толщина платы, расстояние между контактами, длина платы или секции в стойке и тип контактов.

Большинство сверхминиатюрных соединителей типа D для IDC-кабелей непригодны для применения в устройствах с высокой плотностью компоновки, но изделия т
Рис.1. Большинство сверхминиатюрных соединителей типа D для IDC-кабелей непригодны для применения в устройствах с высокой плотностью компоновки, но изделия типа D, входящие в серию, выпускаемую фирмой Symbex Corp. (Чико, шт.Калифорния), имеют малый размер в глубину — он на 9,5 мм меньше, чем у конкурирующих конструкций. Существенное достоинство этих соединителей заключается в том, что в них предусмотрен целый ряд мер для снятия напряжений с мест соединения проводов.

Международный стандарт

В условиях непрекращающегося стремления к увеличению плотности компоновки краевой соединитель для плат, у которого плотность расположения контактов не превышает 20 контактов на 1 дюйм длины края платы (~8 контакт/см), уступает место двухкомпонентным розеточно-штыревым соединителям. Наиболее широко распространенный соединитель этого типа изготавливается в соответствии со стандартом DIN41612. Этот соединитель является стандартным в Западной Европе уже на протяжении 15 лет и поэтому серийно выпускается большинством крупных фирм, занятых изготовлением соединителей.

По существу, розеточно-штыревой соединитель, выполняемый по стандарту DIN41612, — единственный, который обеспечивает взаимозаменяемость изделий разных изготовителей по форме, способу сочленения и функциям. Это явилось одной из причин популярности соединителей такого типа в США. Поскольку по меньшей мере для двух важнейших шинных систем данный соединитель выбран в качестве стандартного средства сопряжения с платами, рынок соединителей этого типа будет шириться и впредь.

Старый вариант технических условий стандарта DIN требует, чтобы розеточная часть соединителя монтировалась на объединительной панели, а угловая штыревая часть с контактами, расположенными в узлах сетки с шагом 0,64 мм, — на плате модуля. В DIN-соединителях обратной конфигурации розеточная и штыревая части меняются местами: угловая розеточная часть располагается на плате модуля, а штыревая с контактами в узлах 0,64-мм сетки — перпендикулярно ей на объединительной панели. Обратная конфигурация позволяет заказчику полностью использовать все преимущества ремонтопригодности подобных соединителей.

Эти кабельные сборки фирмы Amphenoi Products (Ок-Брук, шт.Иллинойс) для сопряжения с шиной JEEE-488, применяемые в качестве межсоединений в системах с
Рис.2. Эти кабельные сборки фирмы Amphenoi Products (Ок-Брук, шт.Иллинойс) для сопряжения с шиной JEEE-488, применяемые в качестве межсоединений в системах с измерительными приборами, имеют кабели с двойной экранировкой и дополнительной экранировкой внутренних слоев, что приводит к уменьшению до минимума перекрестных помех между управляющими и информационными линиями. Соединители имеют изготовленный методом литья под давлением алюминиевый корпус, покрытый никелем.

Стандартные DIN-соединители, расположенные торец к торцу с минимальным межосевым расстоянием 95,2 мм, обеспечивают плотность 28 контактов на 1 дюйм по краю платы (11 контакт/см). Если расположить так до четырех соединителей этого типа, то общее число контактов может достигать 384 на плату. В настоящее время проектируются заказные конструкции (несколько таких конструкций уже поставляются заказчикам), в которых число контактов доведено до 600 на плату. Это достигнуто благодаря тому, что вместо трех рядов контактов в таких соединителях предусмотрено четыре ряда, а контакты расположены в узлах сетки с шагом 0,25 мм1{В оригинале опечатка: 100 дюйм вместо 100 мил. — Прим. ред.}.

Этот монтируемый на поверхность платы соединитель фирмы Elfab Corp. (Даллас, шт.Техас) заменяет традиционные позолоченные ламельные контакты печатных
Рис.3. Этот монтируемый на поверхность платы соединитель фирмы Elfab Corp. (Даллас, шт.Техас) заменяет традиционные позолоченные ламельные контакты печатных плат, что позволяет снизить стоимость изделия. Такой соединитель типа Finger-Pac просто устанавливается на краю платы путем припайки к покрытым припоем контактным площадкам, изготовленным путем травления, и сочленяется с существующими на печатной плате краевыми соединителями.

Работа с коаксиальными соединителями

Главная функция коаксиального соединителя, понятно, состоит в том, чтобы присоединять и отсоединять коаксиальный кабель. Для этого соединительная система должна быть электрически и механически подобна кабелю. В число основных критериев оценки, используемых при выборе подходящего соединителя, входят геометрические размеры, электрические характеристики, способ сочленения частей соединителя, способ присоединения к нему кабеля и стоимость.

Коаксиальные соединители по размеру обычно разделяют на четыре категории: сверхминиатюрные — для кабелей с наружным диаметром не более 3,8 мм; миниатюрные — для кабелей диаметром от 3,8 до 8,9 мм; средние — для кабелей диаметром от 8,9 до 15,2 мм; крупногабаритные. Важнейшие электрические характеристики — это величина согласованного полного сопротивления и рабочее напряжение. К сожалению, полное согласование одновременно обоих параметров обеспечить нельзя, поэтому заказчику обычно приходится довольствоваться компромиссным решением.

Для присоединения кабеля к: контактам этой серии высокочастотных соединителей, рассчитанных на двух- или трехслойные коаксиальные кабели, не нужна пай
Рис.4. Для присоединения кабеля к: контактам этой серии высокочастотных соединителей, рассчитанных на двух- или трехслойные коаксиальные кабели, не нужна пайка. Соединители с обжимными контактами и байонетным замком, разработанные фирмой Amp Inc. (Гаррисберг, шт.Пенсильвания), имеют жесткую конструкцию и обеспечивают быстрое сочленение — расчленение. Они отличаются малыми шумами, имеют срок службы свыше 500 циклов, а удерживающее усилие у них составляет 450Н.

По способу сочленения частей все эти соединители разделяются на три типа: байонетные, резьбовые и быстроразъемные. Байонетный соединитель обеспечивает быстроту соединения, но когда он работает в условиях вибрации, в соединенной им цепи возникают шумы. Самые старые по конструкции и наиболее дешевые резьбовые соединители дают более надежный контакт, чем соединители других двух типов. Но под воздействием вибраций и ударов соединение ослабляется; к тому же на сборку и разборку соединителя требуется больше времени. Быстроразъемные соединители — наилучшие, когда требуется часто соединять и разъединять цепи, а также в случаях, где важно экономить монтажное пространство, но в условиях резких перемещений и вибраций и они не всегда пригодны.

Быстро развивается техника передачи данных по оптическим волокнам. Волоконно-оптические соединители должны соединять волоконные кабели с активными электронными приборами, например свето- или фотодиодами. Имеются три класса таких соединителей: жгутовые, одноволоконные и гибридные.

Жгутовые соединители служат для оконцевания волоконно-оптических кабелей, которые могут содержать много волокон, по которым передается одно отдельное сообщение, причем весь жгут заканчивается одной муфтой. Эти соединители могут быть одно- и многоканальными и наилучшим образом подходят для систем, в которых длина кабелей не превышает 100 м и для передачи аналоговых данных требуется стабильность соединений.

Одноволоконные соединители связывают отдельные оптические волокна с другими отдельными волокнами. Они применяются, как правило, в системах с кабелями длиной более 100 м, по которым передаются цифровые данные.

Наконец, гибридные соединители содержат как волоконно-оптические муфты, так и электрические контакты и позволяют одновременно соединять комбинации волоконно-оптических и электрических кабелей. Они используются в тех системах, где требуется передача как оптических, так и электрических сигналов.

Новые технические решения

Электронная техника развивается быстро, подталкиваемая целым рядом фактов, и один из них — стремление к экономии монтажного пространства. В некоторых случаях это привело к замене традиционных соединительных приспособлений новыми техническими средствами, которые должны быть признаны теперь в качестве систем межсоединений.

Важнейшими среди технологических новшеств можно считать поверхностный монтаж электронных приборов и распространение проводящих эластомеров. В качестве соединителей все шире используются проводящие покрытия, краски (чернила) и компаунды. Многие органические вещества могут быть сделаны проводящими путем смешивания их с подходящими наполнителями. Типичные наполнители — золото, палладий, платина, серебро и более дешевые металлы. К числу других относятся никель,, олово, цинк и проводящие окислы.

В стендах для тренировочных и других подобных испытаний оборудования используют специальные розетки, составляющие важный класс соединителей. Испытательное гнездо состоит из изолирующего корпуса и электрических контактов. Материал корпуса может быть самым разнообразным в зависимости от того, в каких условиях будет использоваться гнездо.

Поскольку испытательная розетка должна выдерживать многократные циклические нагрузки, основная конструкция контактов и их покрытие должны быть более прочными, чем у розеток, предназначенных для массового производства. Вот некоторые важные факторы, о которых должен помнить каждый, кто использует испытательную розетку:

— Надо добиваться снижения утечек, перекрестных помех и паразитных емкостей между контактами на частотах переключения.

— При заданных напряжениях и токах сигнала сопротивление всей длины контакта надо суммировать с сопротивлением испытательной цепи.

— Сумма собственного сопротивления розетки и сопротивления пленки, образующейся на контактах, имеет тенденцию возрастать в результате снашивания контактов и по мере возрастания числа отработанных циклов электротермотренировки. Конструкция розетки предусматривает небольшое усилие при сочленении с выводами проверяемого прибора. Оно обычно составляет 0,35—0,50 Н/контакт — этого, как правило, достаточно для разрушения пленки (и соответственно ликвидации ее сопротивления) .

— Нужно составить график периодической замены, поскольку испытательные розетки в конце концов изнашиваются после определенного числа электротермотренировочных циклов.

Каким бы ни был тип соединителя, при выборе любого из них приходится учитывать ряд соображений, таких, как борьба с эфирными и кондуктивными помехами, тип материала для поверхностей контактов и методы оконцевания.

Эти сверхминиатюрные соединители типа D фирмы Belden Electronics Wire and Cable (Дженива, шт.Иллинойс) выпускаются теперь с 9, 15 и 37 контактами в до
Рис.5. Эти сверхминиатюрные соединители типа D фирмы Belden Electronics Wire and Cable (Дженива, шт.Иллинойс) выпускаются теперь с 9, 15 и 37 контактами в дополнение к прежней 25-контактной модели. 9-контактный соединитель может быть использован в системах с интерфейсом RS-422, а 37-контактный — для систем, с интерфейсами RS-449 и RS-422.

Борьба с электромагнитными помехами

Еще с момента зарождения радиотехники борьба с эфирными и кондуктивными помехами представляла собой трудную задачу, а сейчас она еще более усложнилась в связи с вводом в действие новых правил Федеральной комиссии связи [документ 20780], устанавливающих нормы электромагнитных излучений от вычислительных устройств. Более того, сформулированное ФКС определение вычислительного устройства намеренно было сделано широким — оно включает в себя оборудование, используемое для вычислений, записи, хранения и передачи информации. Как ни странно, но в категорию вычислительных устройств попадают и такие бытовые изделия, как электронные игры и цифровые телефоны.

Вообще говоря, новые правила распространяются на любые элементы электронного оборудования, в которых используются или вырабатываются импульсы (тактовые или информационные), частота которых превышает 10 кГц. Поскольку синхронизаторы большинства цифровых устройств работают на значительно более высокой частоте, все они подпадают под действие правил документа 20780.

Поскольку величина излучения всегда относительна, эфирные и кондуктивные помехи зависят в первую очередь от того, что из себя представляет сама система. Если некий метод экранирования пригоден для одной системы, то в другой системе, имеющей иные электрические характеристики, он может оказаться недостаточно эффективным. Для успешной борьбы с излучениями нужно учитывать множество факторов, в том числе конструкции электронных блоков и их. кожухов, заземление шасси и системы, применяемые соединители, кабели и средства сопряжения всех этих элементов.

Лабораторные и полевые испытания показали, что главным источником излучений являются соединительные кабели, поэтому весьма полезна исследовать именно такие элементы. Весьма часто кабельные сборки, соединяющие части системы, генерируют большие излучения, чем само оборудование.

Потребность в экранированных: кабелях породила большой интерес к экранированным соединителям с совместимыми характеристиками. Для всех условий применения имеются соединители, отвечающие военным стандартам, причем эффективность их экранирования подтверждается многими источниками. Эти соединители дороги и по эффективности экранировки обычно превосходят коммерческие экранированные кабели.

Поскольку степень подавления эфирных и кондуктивных помех в какой-либо системе определяется ее наиболее слабым с этой точки зрения звеном, чрезмерное экранирование соединителя ничего не добавляет в данном отношении, кроме стоимости. Конструкторы электронного оборудования для рынков с оживленной конкуренцией нуждаются в дешевых экранированных соединителях, которые по характеристикам согласуются с коммерческими экранированными кабелями.

Эти сверхминиатюрные соединители D-типа фирмы Berg Electronics (Кэмп-Хилл, шт.Пенсильвания), отделения фирмы DuPont Co., выпускаются в двух вариантах
Рис.6. Эти сверхминиатюрные соединители D-типа фирмы Berg Electronics (Кэмп-Хилл, шт.Пенсильвания), отделения фирмы DuPont Co., выпускаются в двух вариантах — с прямым и угловым основанием — и снабжены планарным фильтром. Они представляют собой экономически эффективное средство борьбы с электромагнитными помехами, излучаемыми кабелями ввода-вывода вычислительных машин. Пленарный фильтр заменяет дорогостоящий трубчатый фильтр.

Материалы контактов

Попытки заменить золото в качестве материала для контактов соединителей делались в первую очередь для того, чтобы преодолеть экономические затруднения, связанные с обычно высокой стоимостью этого материала и неустойчивостью его рыночной цены. В то же время инженеры хотели бы сохранить все преимущества золота как материала для поверхностей контактов.

Одно из решений состоит в том, чтобы не заменять золото, а реализовать программу его экономии. Например, можно наносить золотое покрытие не на весь контакт, а только на небольшие рабочие участки его поверхности. Иначе говоря, по методу селективного нанесения покрытий золото не наносится на те участки поверхности, которые не участвуют в выполнении контактом его функций. А применение новейших методов нанесения покрытий позволяет уменьшить толщину покрытия на тех участках, где золото необходимо.

К сожалению, попытки полностью заменить золото не были столь же успешными. Хотя недрагоценные металлы и сплавы, например олово и его сплав со свинцом, оказались в некоторых применениях эффективными, не было найдено способов заставить их работать так же хорошо, как золото. Интенсивно изучались также другие благородные металлы, например серебро и палладий, но по своим рабочим характеристикам они намного уступают золоту.

Золото, палладий, платина и индий довольно хорошо противостоят неблагоприятным окружающим условиям. Серебро не поддается окислению, но на нем формируется пленка сульфида. Медь, никель, вольфрам, молибден и латунь подвержены окислению и другим воздействиям окружающей среды.

На покрытии из чистого олова, нанесенном на межсоединения, могут спонтанно вырастать тонкие волоски (так называемые дендриты) — эти кристаллические, содержащие только металл отростки могут иметь длину, достаточную для того, чтобы вызвать короткое замыкание с соседними низковольтными цепями. Короткозамыкающие перемычки могут образоваться и отломившимися усиками.

Рост дендритов снимает внутренние напряжения, возникшие при нанесении покрытия благодаря индуцированной рекристаллизации, принимающей форму направленного роста кристаллов вовне и заменяющей внутренний рост зерен. Наиболее эффективным средством предотвращения роста оловянных усиков на контактах служит нанесение гальванопокрытий из сплавов на основе олова.

Золото остается основным металлом покрытий для низковольтных и слаботочных цепей, поскольку оно не подвержено коррозии, образованию пленки и сохраняет низкое поверхностное контактное сопротивление. Примерно такими же свойствами обладают платина, палладий и серебро. В число других заменителей золота входят блестящее покрытие из сплава олова и свинца и блестящее олово, осажденное в кислой ванне. В табл.1 приведены материалы покрытий и их характеристики.

Таблица 1. Характеристики покрытий контактов

Материал покрытия

Характеристики покрытия

Серебро

Универсальное покрытие для сильноточных контактов. Срок хранения невелик. Тускнеет при воздействии атмосферных условий, контактное сопротивление возрастает. Это создает дополнительные проблемы при применении в слаботочных цепях

Золото

Превосходный проводник, весьма стабильный материал. Твердые золотые покрытия хороши для часто сочленяемых соединителей. Имеет низкое контактное сопротивление и превосходную коррозионную стойкость

Никель

Превосходная коррозионная стойкость, довольно высокая проводимость. Обычно используется в качестве подслоя в тех случаях, когда воздействие высоких температур может вызывать миграцию серебра сквозь золото. Условия нанесения следует точно контролировать, чтобы исключить образование трещин в покрытии при обжатии. Хорошая износостойкость

Родий

Применяется в тех случаях, когда требуется повышенная износостойкость. Удельная проводимость меньше, чем у золота и серебра. При нанесении в виде тонких пленок сопротивление повышается в допустимых пределах. Очень высокая стоимость

Олово

Под давлением образует холодносварное соединение. Имеет хорошую удельную проводимость. Прекрасно паяется. Стоимость низкая. Малая износостойкость

Покрытие серебра золотом

Хорошо подходит для слаботочных [«сухих»] цепей. Низкое контактное сопротивление, умеренная коррозионная стойкость. Широкого распространения не имеет

Покрытие никеля золотом

Хорошо работает при частых циклах сочленения — расчленения. Превосходная коррозионная стойкость

Покрытие никеля родием

Максимальная износостойкость, хорошо работает при высоких температурах. Имеет более высокое контактное сопротивление, чем другие покрытия

Источник: фирма The Electronic Connector Study Group Inc.

В результате широких исследований и накопления практического опыта (с 1977г. исследовалось несколько сотен миллионов контактов) появилась третья возможность, позволяющая почти полностью достичь обеих целей. Это метод обработки поверхностей контактов, названный его разработчиком, фирмой Amp Inc. (Гаррисберг, шт.Пенсильвания), Amp-Duragold. Метод заключается в создании сложного многослойного покрытия, включающего слой золота, нанесенный на специальный слой палладия, который в свою очередь гальванически осажден на барьерный подслой из никеля. По заявлению фирмы-разработчика, система сохраняет идеальное качество золотой контактной поверхности, причем драгоценные металлы используются весьма экономно.

Заделка проводов

Всякий, кому приходилось с трудом снимать изоляцию с провода при подключении автомобильной стереосистемы или замене осветительной арматуры, оценит, сколь необходим быстрый и надежный способ соединения проводов с контактами, или, как выражаются специалисты, способ их заделки. Провод или кабель может быть присоединен к соединителю несколькими способами: пайкой, накруткой, обжатием, посредством контакта металл — металл (в результате физического смещения изоляции) или сваркой. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, и при выборе системы заделки пользователю приходится идти на компромиссы. В табл.2 сведены преимущества и недостатки различных методов заделки.

Таблица 2. Сравнение применяемых методов заделки кабелей

Характеристика

Обжатие

EPB-сварка

Пайка

Сварка

Простота выполнения

++

++

+

+

Выполняется без предварительного удаления изоляции

++1

++

 

 

Плотность расположения контактов

+2

++3

++

+

Технологичность

++

++

+

 

Прочность соединения на отрыв

+

+

 

 

Прочность на срез

+

+

+

+

Удельная проводимость соединения

+

++4

++4

 

Наличие металлургической связи

 

++

++5

 

Воспроизводимость в производстве

+6

++

 

 

Форма проводника

 

++

++

++

Геометрия контакта

+

++7

++7

++7

Возможность одновременного выполнения нескольких соединений

 

++

 

 

Уменьшение внутренних напряжений путем распределения нагрузки при одновременной заделке нескольких проводников

 

++

++

 

+ хорошее, ++ лучшее.

1. Возможен захват изоляции.

2. Обычно минимальное межосевое расстояние между контактами составляет 2,54 мм.

3. Расстояние между осями контактов в одном ряду составляет 1,27 мм.

4. Максимальная площадь контакта соединяемых материалов.

5. Для выполнения соединения необходим припой.

6. Обжимной штамп подвержен износу.

7. Простой контакт с прямым концом провода.

Источник: фирма: The Electronic Connector Study Group Inc.

Для постоянных соединений самым распространенным методом является пайка, при которой расплавленный припой расплавляет поверхности соединяемых металлов, так что они соединяются друг с другом1{При пайке поверхности соединяемых деталей не расплавляются, но иногда вступают с припоем в химическую реакцию, в результате которой образуется интерметаллическое соединение. — Прим. ред.}. Выбирая пайку, конструктор должен убедиться в том, что примененный им припой способен связываться с соединяемыми поверхностями. В хорошем соединении атомы припоя и основного металла перемешаны и образуют интерметаллический слой, который хотя и не слишком толст, но обеспечивает желаемую прочность. Два наиболее широко используемых метода — это пайка волной припоя (или ее разновидности) и путем оплавления полуды.

Накрутка провода

По этому способу соединение образуется путем плотной накрутки неизолированного пластичного проводника на твердый стержень призматической формы. Недостаточная пластичность проволоки приводит к несимметричности зоны контакта: участок дальше по ходу накрутки имеет большую площадь, чем начальный участок.

Соединения накруткой могут выполняться при помощи переносного электроинструмента или на стационарных монтажных станках. Провод вводится в прорезь накруточного наконечника, причем его изоляция прижимается к торцу наконечника и снимается. Конец провода подводится к хвостовику контакта, подлежащего накрутке, включается инструмент, и выполняется соединение.

Имеются также инструменты для проверки прочности электрического соединения, выполненного накруткой. Они захватывают конец накрученного провода и тянут его с контролируемым усилием от места соединения. Величина силы, необходимой для разрушения соединения, регистрируется на шкале. Этот метод используется для проверки работоспособности накруточных инструментов, чтобы гарантировать соответствующие электрические и механические свойства соединения.

Еще один вид постоянного соединения — заделка обжатием — выполняется при помощи металлической втулки, обжимаемой вокруг проводника при помощи плоскогубцев, прессов, специальных приспособлений или на автоматических обжимных станках. Методом обжатия обычно выполняются сращивание (соединение двух проводов), оконцевание (присоединение металлических наконечников к проводникам) и подсоединение проводов к многоконтактным соединителям.

Втулки и наконечники более простых конструкций могут поставляться в виде непрерывных гирлянд для использования в автоматических монтажных станках. Некоторые из них имеют с внутренней стороны или цилиндрические элементы, или стенки с острыми зубцами, или канавки. Их острые края, перпендикулярные оси проволоки, в процессе обжатия проникают сквозь изоляцию или сдирают ее. Металл проводника прижимается к зубцам, образуя надежный контакт и прочное однородное соединение. Этим методом можно присоединять как одножильные, так и многожильные проводники.

С целью снижения затрат труда и уменьшения стоимости в последнее время разработан метод смещения изоляции, подобный методу обжатия. Соединители, работающие по этому принципу (они называются IDC-соединителями1{IDC — insulation displacement connector}), в большинстве своем не требуют предварительного удаления изоляции с кабеля перед сборкой, поскольку контакты проникают сквозь изоляцию и сдвигают ее по мере того, как сборочный инструмент вдавливает каждый проводник на его место в контактной вилке. Почти все IDC-соединители состоят из двух главных частей: основания, профиль которого согласуется с профилем плоского кабеля, монтируемого в соединителе, и корпуса, содержащего контакты, которые осуществляют сдвиг изоляции.

Предназначенные для снижения затрат заказчика (путем применения групповой технологии заделки проводов) соединители модели 8676, выпускаемые фирмой Mol
Рис.7. Предназначенные для снижения затрат заказчика (путем применения групповой технологии заделки проводов) соединители модели 8676, выпускаемые фирмой Molex Inc. (Лайл, шт.Иллинойс), согласуются со штыревыми частями, имеющими межосевое расстояние между контактами 0,64 мм, и другими двухрядными соединителями той же фирмы. Расщепленный контакт соединителя выполняется с селективным покрытием из олова поверх меди или из золота поверх никеля на участке соприкосновения металлов, а также с оловянным покрытием — на участке сдвига изоляции.

Обычная трехэтапная процедура сборки начинается с того, что выпуклые жилы точно отрезанного кабеля укладывают в канавки основания, предварительно установленного в зажимном приспособлении. Затем оператор-сборщик помещает корпус поверх двух литых направляющих основания. Наконец, оператор включает обжимное приспособление, в результате чего контакты прорезают и смещают изоляцию и зажимают проводники. Одновременно изоляция плотно спрессовывается и прочно удерживается между основанием и корпусом соединителя.

Сверхминиатюрные D-соединители фирмы Wells Electronics Inc. (Саут-Бенд, шт.Индиана) производятся в двух исполнениях: изделия серии 420 цельнопластмасс
Рис.8. Сверхминиатюрные D-соединители фирмы Wells Electronics Inc. (Саут-Бенд, шт.Индиана) производятся в двух исполнениях: изделия серии 420 цельнопластмассовые и имеют размер в плане 15 мм, тогда как изделия серии 423 цельнометаллические с габаритным размером 8 мм.

Ряд поставщиков предлагают собственные варианты этого метода. В данных вариантах контакты имеют различную форму, но выполняют те же функции смещения изоляции и захвата провода.

Обычная сварка, представляющая собой процесс с непрерывным подводом тепловой энергии, и импульсная термокомпрессионная сварка (ЕРВ-сварка1{ЕРВ — energy pulse bonding}), в которой одновременно с тепловым импульсом прикладывается механическое давление, — оба этих метода используют для соединения металлов механизм диффузии. Сварное соединение может быть выполнено путем прижатия соединяемых поверхностей друг к другу, разрушения окисных слоев посредством обтяжки и создания условий, при которых в металле начинается процесс текучести. Другой способ состоит в том, что свариваемые поверхности, являющиеся одновременно электродами, прижимают друг к другу, а выделяющееся тепло расплавляет металлы в месте контакта или делает поверхностные слои пластичными.

Для успешного применения ЕРВ-сварки нужно обеспечить тесный контакт соединяемых поверхностей. Для гарантии получения такого контакта термокомпрессионная головка деформирует микронеровности поверхности и разрушает поверхностный слой окисла, увеличивая суммарную эффективную площадь соприкосновения соединяемых поверхностей.

Эти два типа соединителей серии Hi-Con фирмы Panduit Corp. (Тинли-Парк, шт.Иллинойс) отвечают европейскому стандарту. Они имеют половинный формат и пр
Рис.9. Эти два типа соединителей серии Hi-Con фирмы Panduit Corp. (Тинли-Парк, шт.Иллинойс) отвечают европейскому стандарту. Они имеют половинный формат и предназначаются для плат уменьшенных размеров, используемых в компактных электронных устройствах. Как и соединители стандартного размера, эти изделия имеют селективное золотое покрытие высокой плотности, обладают малым усилием сочленения и соответственно малым контактным сопротивлением.

Многочисленные недостатки

ЕРВ-сварка — экономически эффективное средство высококачественной массовой сборки плоских кабелей. Экономические выгоды достигаются благодаря тому, что метод обеспечивает:

— одновременное выполнение множества соединений;

— устранение отдельной операции снятия изоляции;

— малое время цикла операций;

— высокую плотность расположения соединений;

— соединение проводников различной формы.

Многие существующие методы соединения позволяют монтировать проводники только круглого или только прямоугольного сечения. Метод ЕРВ дает возможность заделывать проводники любой формы. В настоящее время при использовании ЕРВ-сварки заделываемые контакты располагаются с межосевыми расстояниями 1,27 мм, однако при помощи новых зажимных приспособлений это расстояние вполне можно уменьшить вдвое.

Хотя метод ЕРВ предоставляет множество весьма важных преимуществ, у него есть и некоторые недостатки. В процессе термокомпрессии проводник деформируется, и это надо учитывать при конструировании. В некоторых случаях между разнородными металлами, например между алюминием и бериллиевой бронзой, сформировать термокомпрессионное соединение невозможно, к тому же различные металлы имеют разные удельные сопротивления. Однако для специальных случаев предложены промежуточные покрытия, которые позволяют обойти эту трудность. Кроме того, некоторые изоляционные материалы, содержащие пламегасящие наполнители, могут оставлять на участке соединения осадки, ухудшающие его свойства.

Наконец, приходит время, когда нужно принимать решение о том, какие типы соединителя, контактов и состава их покрытия, а также какой способ соединения кабеля с контактами следует использовать. На данном этапе решающими становятся соображения о компромиссных характеристиках и параметрах. Конструктор может выбирать по меньшей мере из 10 изоляционных материалов, полудюжины металлов для контактов, еще большего числа металлов для покрытий и огромного количества форм, размеров и внешнего оформления соединителей. К этому надо добавить необходимость оценки различных способов прикрепления соединителя к проводу или кабелю.

Некоторые изготовители соединителей предоставляют заказчикам «опросные листы» с перечислением важнейших требований к изделиям — пример такого перечня приведен в табл.3. Если у вас нет такого листка, то сформулируйте главные требования и будьте готовы ознакомить с ними потенциального поставщика.

Таблица 3. Обзорный лист технических требований для заказа соединителя

1. Заявитель компания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. Данные сведения предназначены  . . . . . . . . . . . . . . . .
     — для немедленной закупки  . . . . . . . . . . . . . . . . .
     — для будущей закупки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
     — в качестве справочной информации . . . . . . . . . . . . .
3. Требуемое время поставки . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
     — Цена одного соединителя  . . . . . . . . . . . . . . . . .
     — Общая сумма накладных расходов . . . . . . . . . . . . . .
4. Какое оборудование будет подсоединяться  . . . . . . . . . . .
5. Тип проводников  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6. Требуемое число контактов соединителя  . . . . . . . . . . . .
7. Если соединители предназначены для печатных плат,то перечислите типы последних:
8. Допуски на размеры плат  . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9. Основные материалы и материалы покрытия  . . . . . . . . . . .
10. Сопротивление (падение напряжения в милливольтах) . . . . . .
11. Максимальная величина тока  . . . . . . . . . . . . . . . . .
12. Максимальная величина напряжения  . . . . . . . . . . . . . .
13. Величины напряжения в переходных процессах  . . . . . . . . .
14. Величины бросков тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15. Величина межконтактной емкости  . . . . . . . . . . . . . . .
16. Максимальная частота  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17. Напряжение пробоя диэлектрика . . . . . . . . . . . . . . . .
18. Волновое сопротивление  . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19. Коэффициент стоячей волны по напряжению . . . . . . . . . . .
20. Вносимые потери . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21. Коэффициент подавления электромагнитных помех . . . . . . . .
22. Прочие электрические требования . . . . . . . . . . . . . . .
23. Имеющееся свободное пространство  . . . . . . . . . . . . . .
24. Допуски на размеры  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25. Конструктивные ограничения на расстояние между контактами . .
26. Соединитель будет монтироваться в . . . . . . . . . . . . . .
27. Частота сочленения — расчленения соединителя  . . . . . . . .
28. Величина усилий сочленения — расчленения  . . . . . . . . . .
29. Нормальное контактирующее усилие  . . . . . . . . . . . . . .
30. Усилие удержания  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31. Маркировка или цветовой код для указания полярности . . . . .
32. Ограничения по массе  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33. Ожидаемый срок службы изделия . . . . . . . . . . . . . . . .
34. Требуемое экранирование или корпус  . . . . . . . . . . . . .
35. Снятие напряжений в местах присоединения проводов . . . . . .
36. Ожидаемая периодичность техобслуживания/сроки ремонта . . . .
37. Размещение и предполагаемые окружающие условия  . . . . . . .
38. Температура окружающего воздуха . . . . . . . . . . . . . . .
39. Коррозионная среда  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40. Высота над уровнем моря . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41. Влажность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42. Солевые осадки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43. Возможность водяных брызг . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44. Условия транспортировки   . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45. Требуемая герметизация  . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46. Долговечность при хранении  . . . . . . . . . . . . . . . . .
47. Условия и среда при хранении  . . . . . . . . . . . . . . . .
48. Сотрясения и удары  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49. Вибрации  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50. Температура в процессе пайки  . . . . . . . . . . . . . . . .
51. Длительность процесса пайки . . . . . . . . . . . . . . . . .
52. Прочие производственные факторы . . . . . . . . . . . . . . .
53. Максимальное повышение температуры при протекании тока  . . .
54. Перечислите и опишите испытания на надежность,
    которым будет подвергаться данный соединитель . . . . . . . .
55. Как вы планируете производить заделку проводов в этот соединитель? 
56. Какое оборудование для заделки проводов у вас имеется (вид и марка)? 
57. Оценка времени, необходимого для заделки проводов . . . . . .
58. Квалификация имеющегося персонала . . . . . . . . . . . . . .
59. План проведения ремонтных и доводочных работ  . . . . . . . .
60. Стандарты, которым должен удовлетворять этот соединитель  . .
61. Специальное покрытие и т.п., требуемые из соображений надлежащего внешнего вида 
62. Требования и предпочтительный выбор в отношении цветового оформления и стиля 
63. Перечислите металлы для изготовления контактов и (или) изоляционные материалы, 
    которым отдается предпочтение 
Нарисуйте эскиз соединителя.

Источник: фирма The Electronic Connector Study Group Inc.

Разумеется, вряд ли стоит напоминать о том, что главный фактор — это стоимость. Выражение «за что заплатите, то и получите», безусловно, является верным и в вопросе выбора типа соединителей.

Общая картина затрат

При правильном выборе соединителя экономия достигается независимо от произведенных при этом затрат. Такой выбор влияет не только на общие производственные расходы, но и на стоимость ремонта после того, как изделие передано в эксплуатацию и нуждается в обслуживании. Стоимость правильно выбранного соединителя может включать дополнительные расходы на материалы, но это вполне перекроется экономией на трудозатратах. Экономия получается также благодаря уменьшению расходов на пусконаладочные работы и повышению производительности труда при сборке.

Коаксиальные соединители новой серии Type N, выпускаемые фирмой Amphenol Products (Ок-Брук, шт.Иллинойс), служат для межсоединений и подключения аппар
Рис.10. Коаксиальные соединители новой серии Type N, выпускаемые фирмой Amphenol Products (Ок-Брук, шт.Иллинойс), служат для межсоединений и подключения аппаратуры в подавляющем большинстве локальных сетей. Кабели на обеих частях соединителя присоединяются к центральному контакту обжатием, что позволяет сэкономить деньги и облегчает установку соединителя. Контакты покрыты серебром или золотом.

Главное соображение при выборе соединителя — его функциональные свойства; проще говоря, нужно знать, что с чем соединяется и где соединитель будет использован. Составьте список соединяемых элементов оборудования, типов проводников, которые нужно присоединять, числа требуемых контактных штырьков и дайте краткое описание функций того оборудования, в котором будет установлен соединитель.

Например, при использовании краевых соединителей для печатных плат важно знать допуски на размеры платы. При проектировании низковольтных схем нужно учесть свойства основного металла контактов и их покрытия. При выборе металла важно, чтобы он был стойким к окислению, поскольку низкое напряжение не может пробить пленку окисла.

Соединители серии Arinc 600 фирмы Amp Inc. (Гаррисберг, шт.Пенсильвания), предназначенные для установки в стойках и на панелях, имеют усилие сочленени
Рис.11. Соединители серии Arinc 600 фирмы Amp Inc. (Гаррисберг, шт.Пенсильвания), предназначенные для установки в стойках и на панелях, имеют усилие сочленения, уменьшенное по сравнению с обычной величиной, которая составляет более 2,2 Н/контакт, до всего 0,41 Н/контакт. Это снижает механические напряжения в авиаэлектронных и испытательных устройствах, когда сочленяются соединители с большим числом контактов. Минимальный срок службы соединителей — 500 циклов.

Электрические параметры

Укажите требования к напряжению и току, например максимальное напряжение и максимальный ток, а также переходные характеристики напряжения, и отметьте, где должен использоваться разъем — в низковольтной цепи или в источнике питания, подчеркнув, что при малых токах и напряжениях нужно применять неокисляющееся покрытие. Ниже приводятся некоторые важнейшие электрические параметры и пояснения к ним:

— Падение напряжения на соединителе, выраженное в милливольтах, при определенном токе. Будучи еще одним способом выражения сопротивления, это падение напряжения определяет максимальный ток, допустимый с точки зрения нагрева.

— Максимальная величина тока,на которую влияют тип соединителя и сечение проводников, присоединяемых к нему.

— Максимальное напряжение, зависящее от расстояния между проводящими участками и используемого изоляционного материала (требования к изоляции зависят также от величины напряжения при переходном процессе).

— Емкость межсоединений, которая очень важна, когда цепи должны работать на высоких частотах.

В число электрических параметров входят также величина выбросов тока, волновые сопротивления, коэффициент стоячей волны по напряжению, вносимые потери и коэффициент ослабления кондуктивных помех.

Этот двухрядный соединитель для печатных плат, выпускаемый фирмой Symbex Corp. (Чико, шт.Калифорния), позволяет снизить монтажный объем на 70% по срав
Рис.12. Этот двухрядный соединитель для печатных плат, выпускаемый фирмой Symbex Corp. (Чико, шт.Калифорния), позволяет снизить монтажный объем на 70% по сравнению с обычными соединителями, состоящими из двух частей — гнездовой и штыревой. Соединитель запаивается в стандартную матрицу отверстий на плате, расположенных с шагом 2,54 мм. В его конструкции предусмотрены прокладки-шайбы из припоя.

Вероятно, важнейший фактор — это сопротивление. Когда соприкасаются поверхности двух токонесущих проводников, линии тока (траектории электронов) должны сходиться к микронеровностям, т.е. выступам и впадинам, которые имеются даже на самой гладкой поверхности. В данном случае длина пути электрического тока увеличивается, что приводит к возрастанию расчетного сопротивления на поверхности раздела контактирующих материалов. Это явление носит название сопротивления стягивания; оно способствует увеличению полного сопротивления контактного соединения.

Дополнительное сопротивление может вноситься окисными пленками,, маслами и аналогичными загрязнениями поверхности, которые препятствуют чистому контакту металл — металл. Сопротивление таких пленок между соприкасающимися металлами часто является важнейшим слагаемым полного сопротивления соединителя.

Минимально достижимое суммарное сопротивление зависит от чистоты обработки соединяемых поверхностей, контактного давления и вида металлов, использованных в конструкции соединителя. Характер компромиссов, на которые приходится идти, особенно ясен на примере сопротивления.

Скажем, алюминий был бы превосходным материалом для контактов, если бы не прочная и быстро образующаяся на нем пленка окисла. Олово — достаточно мягкий металл, так что пленка с него легко удаляется, но оно имеет высокое удельное сопротивление. Медь, наоборот, имеет низкое удельное сопротивление, но значительную твердость. Поэтому низкоомные медные контакты часто покрывают оловом. В тех случаях, когда дополнительные расходы оправданны, применяют другие комбинации, например медь с золотым покрытием.

Применяя эти горизонтальные соединители для плат, выпускаемые фирмой Berg Electronics (Кэмп-Хилл, шт.Пенсильвания), изготовители комплексного оборудов
Рис.13. Применяя эти горизонтальные соединители для плат, выпускаемые фирмой Berg Electronics (Кэмп-Хилл, шт.Пенсильвания), изготовители комплексного оборудования могут избежать формирования сквозных отверстий в многослойных печатных платах и тем самым уменьшить размеры последних. Фирма выпускает однорядные соединители с числом контактов в ряду от 3 до 52 и двухрядные с числом контактов в ряду от 3 до 65.

Требования к механической части

Из описания требований к механической части изготовитель может составить себе представление о размерах, форме и материале изделия. Здесь важно знать размеры пространства для установки соединителя — этим задаются габаритные ограничения, в которых изготовителю надлежит работать, и допуски на размеры соединителя. Последнее важно потому, что допуски, принятые у изготовителя, могут превосходить те, которые приемлемы для заказанной конструкции.

Важно упомянуть и ограничения на расстояние между контактами, устанавливаемые предельными размерами конструкции. Этим расстоянием отчасти определяется жесткость всей конструкции. Чем оно меньше, тем меньше слой изоляции между контактами, жестче допуски на усилие сочленения и сложнее проблемы, связанные с воздействием высоких напряжений.

Необходимо определить контактное давление, поскольку чем оно выше, тем большее усилие требуется для сочленения — расчленения частей соединителя. От того, как часто требуется производить эти операции, зависит выбор типа контакта: может ли он быть штампованным или должен быть обработан на станке.

Наконец, важное значение имеют требования к техобслуживанию, поскольку график обслуживания может расходиться с оценкой изготовителем гарантируемого числа циклов безотказного сочленения — расчленения.

Существенно знать, что будет размещен соединитель и в каких условиях ему предстоит работать. На его эксплуатационные характеристики могут повлиять даже условия транспортировки. Условия работы соединителя в оборудовании зачастую зависят от того, где именно он смонтирован, поскольку в некоторых местах могут собираться влага и загрязнения. В этом случае может потребоваться герметизирующее уплотнение.

Фактор времени

У потенциального изготовителя следует выяснить, каково время, необходимое для выполнения соединений кабеля с хвостовиками контактов, поскольку стоимость соединителя, имеющееся в наличии сборочное оборудование и время, отводимое на выполнение соединений, могут оказаться неподходящими. Изготовители соединителей могут выявить это несоответствие и подсказать заказчику альтернативные решения. Они могут определить, какой метод даст преимущества при сборке — обжатие или накрутка проводов. Кроме того, значительную часть стоимости заделки проводников составляет оплата труда, а уровень квалификации имеющегося персонала может повлиять на решение о приобретении нового сборочного оборудования.

Один из наиболее туманных пунктов диалога между поставщиком и покупателем — это стандарты. Различные стандарты могут оказаться несовместимыми, и потому потребуются компромиссные технические решения. Так, соединитель, удовлетворяющий всем военным техническим условиям и имеющий практически неограниченный срок службы, вовсе не обязательно использовать в бытовой аппаратуре, которая рассчитана на срок службы в течение всего нескольких лет.

Испытания

Соединитель можно считать надежным элементом оборудования только после того, как он пройдет проверку на соответствие техусловиям. Проверка даст уверенность в том, что соединитель будет надежно функционировать в большинстве предполагаемых условий работы.

Желательно, чтобы в ходе проверки различные испытания — воздействие повышенной влажности и воды, высоких и низких температур, вибраций и толчков, высотные испытания, воздействие коррозионной среды, погружения в жидкость и помещение в вакуум, а также надежности электромагнитной экранировки — проводились на установке заказчика. Но на практике так не делают из-за слишком больших затрат, а в большинстве случаев в этом и нет абсолютной необходимости, поскольку вполне достаточно прогнозов изготовителя, основанных на результатах моделирования условий эксплуатации. Тем не менее предусмотрительный заказчик, составляя технические требования на соединитель, всегда спросит изготовителя, имеются ли у него результаты таких испытаний.

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 57, No.25 (706), 1984г - пер. с англ. М.: Мир, 1984, стр.86

ElectronicsWeek Vol.57 No.35 December 10, 1984 A McGraw-Hill Publication

Connector technology: an update for designers, No.28, pp.52—80.

Раздел: РЕКЛАМНЫЕ СООБЩЕНИЯ

Тема:     Специальный информационно-рекламный раздел





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:55 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/Archiv/Elc1984/Y19841210Elc103.shtml