Biela kniha: Odolnosť konektorov
Či už v leteckom a kozmickom priemysle, v priemyselnej automatizácii, v doprave alebo v zdravotníctve: konektory musia vždy zaručiť spoľahlivý prenos signálu a za žiadnych okolností nesmú zlyhať. Zároveň sú vystavené rade namáhavých vplyvov zo svojho okolia: Mechanické vplyvy, ako sú nárazy, vibrácie a kmitanie, ohrozujú stabilitu prenosu dát rovnako ako tepelné a chemické vplyvy prostredia spôsobené extrémnymi teplotami, silnými teplotnými výkyvmi, škodlivými plynmi, vlhkosťou a nečistotami. Výrobcovia kvalitných konektorov preto využívajú celý rad možností, aby svoje konektory proti týmto vplyvom ochránili.
Odolnosť napriek miniaturizácii
Moderná elektrotechnika podlieha viac než kedykoľvek predtým jednému trendu: miniaturizácii. Moduly a ich komponenty musia byť nielen stále výkonnejšie, ale aj stále menšie. Napriek tomu sa často používajú v náročných reálnych podmienkach. Komponenty, ako aj konektory, sa preto pri rovnakom zaťažení stávajú stále jemnejšími. Kvalitný konektor však tomuto namáhaniu odoláva nielen rovnako dobre ako jeho starší a väčší brat, ale dokonca ešte lepšie. Dôvodom sú ďalšie vývojové kroky v zložení materiálov, ako aj v dizajne výrobkov, napríklad v geometrii izolačného telesa (obr. 1).
Faktor vplyvu: povrch
Na odolnosť konektora vplýva množstvo faktorov. Jedným z nich je povrch kontaktov. Ten rozhodujúcim spôsobom ovplyvňuje životnosť konektora, ktorá sa zvyčajne meria v počte zapojovacích cyklov. Pri prevádzke v teréne je konektor vystavený určitým mikropochodom. Tie vedú k opotrebeniu povrchu a následne k tvorbe oxidu (obr. 2).
Dôsledkom je zvýšený prechodový odpor a tým aj horšia kvalita prenosu signálu. Preto je potrebné pomocou kvalitného a odolného povlaku kontaktov znížiť opotrebenie povrchu pri zapájaní aj počas prevádzky na minimum. Na to musia mať tak nožový, ako aj pružinový kontakt primerane hladký povrch. Napriek rastúcim cenám sa zlato vďaka svojej odolnosti proti korózii a vynikajúcej vodivosti dodnes rado používa na povrchové povlaky. Keďže čisté zlato je mäkké, leguje sa s podielom 0,2 až 0,3 percenta kobaltu alebo niklu, čím sa získava tvrdé zlato. Kto však hľadá cenovo stabilnejšiu alternatívu k tejto štruktúre povlaku, môže napríklad využiť zliatinu niklu a fosforu s povrchovou úpravou Goldflash. V presne stanovených pomeroch vykazujú tieto dva materiály v kombinácii pozitívne vlastnosti, ktoré má aj zlato: vysokú odolnosť proti korózii, výraznú odolnosť proti opotrebeniu a vynikajúcu vodivosť. Aby sa zabránilo difúzii medzi kontaktným materiálom a povrchovou úpravou, často sa používa takzvaná niklová bariérová vrstva. Pomocou tejto bariéry je možné zabrániť korózii.
Faktor vplyvu: konštrukcia kontaktov
Kontakty konektora sú lisované alebo sústružené. Pri lisovaní však na spodnej strane lisovaného pásu vzniká nehomogénny povrch s ostrými hranami, viditeľný pod mikroskopom. Bežné systémy sa dotýkajú práve tejto lisovanej hrany, čo so sebou prináša zvýšené opotrebenie povrchu a tým aj vyšší prechodový odpor. Tomu sa dá zabrániť, ak sa pružinová tulipánová časť v takzvanom procese lisovania a ohýbania ohnú o 90 stupňov tak, aby sa dotýkala nožového kontaktu hladkou, valcovanou plochou (obr. 3).
Pre životnosť konektora je však rozhodujúci nielen dizajn pružinovej lišty, ale aj dizajn nožovej lišty. Aj táto musí byť totiž čistým spôsobom vyrazená a ďalej spracovaná, aby sa predišlo poškodeným, ostrým geometriám.
Pre životnosť konektora je však rozhodujúci nielen dizajn pružinovej lišty, ale aj dizajn nožovej lišty. Aj táto musí byť totiž čistým spôsobom vyrazená a ďalej spracovaná, aby sa predišlo poškodeným, ostrým geometriám.
Faktor vplyvu: kontaktný systém
Klasické dvojdielne konektory sú vybavené nožovým a pružinovým kontaktom. V prípade silného nárazu sa však nožová lišta môže od pružinovej lišty odtrhnúť. Aby nedošlo k takémuto prerušeniu kontaktu, je možné pomocou obojstrannej pružinovej lišty zabezpečiť redundanciu a tým aj spoľahlivosť kontaktu, pretože vďaka druhej pružine je prenos signálu kedykoľvek zabezpečený aspoň cez jeden kontaktný bod (obr. 4).
Ešte odolnejšie sú naopak konektory s takzvaným „rodovo neutrálnym“ kontaktným systémom. Ich zvláštnosťou je identická geometria kontaktov na oboch poloviciach konektora, na zástrčke aj na zásuvke. Obe časti majú teda k dispozícii ako pružinu, tak aj kontaktný hrot. Každý kolík je tak v kontakte s dvoma pružinami, pričom zástrčka a zásuvka sú navzájom prepletené a nemôžu sa od seba odpojiť. Zatiaľ čo obojstranná pružinová lišta pri mechanickom zaťažení vždy zabezpečuje aspoň jeden kontaktný bod, prepletené geometrie v rodovo neutrálnych kontaktných systémoch zaručujú, že prenos signálu prebieha vždy cez dva kontaktné body. Táto vysoká redundancia tak umožňuje maximálnu spoľahlivosť kontaktu (obr. 5).
Pokiaľ ide o odolnosť, tento kontaktný systém s neutrálnym dizajnom prekonávajú už len jednodielne konektory. Tie sa úplne zbavili klasického dvojdielneho princípu kontaktu pozostávajúceho z nožovej a pružinovej lišty. Vďaka odstráneniu citlivej kontaktnej oblasti majú jednodielne konektory nielen najvyššiu odolnosť voči nárazom, vibráciám, vlhkosti, prachu a atmosférickým podmienkam, ale sú vhodné aj na zalievanie a iné postupy ochrany komponentov. V kombinácii s technológiou lisovania predstavujú najbezpečnejšie mechanické a elektrické spojenie dvoch dosiek plošných spojov (obr. 6).
Faktor vplyvu: Spojovacia technika
Existujú rôzne možnosti upevnenia konektorov na dosky s plošnými spojmi. Jednou z nich je už spomínaná technika vtláčania. Jej cieľom je dosiahnuť čo najvyššiu upevňovaciu silu medzi konektorom a doskou s plošnými spojmi pri čo najmenšej vtláčacej sile. Prídržné sily rozhodujú o mechanickom spojení, ktoré musí odolávať nárazom a vibráciám. Táto technika pripojenia je osvedčeným postupom, ktorý sa používa už miliardy krát a pri ktorom sa vtláčací kolík vtlačí do priechodného otvoru v doske plošných spojov (obr. 7).
Zatlačovací kolík má pritom väčšiu uhlopriečku ako priemer otvoru v doske s plošnými spojmi. Kolík konektora je v zóne zatlačenia ohybný, aby sa doska s plošnými spojmi počas procesu zatlačenia nedeformovala v dôsledku pôsobenia fyzikálnych síl. Deformácia sa preto obmedzuje na zónu vtláčania (obr. 8). Vzniká studené zváranie medzi kontaktným kolíkom a pokoveným otvorom dosky s plošnými spojmi: plynotesné, odolné proti korózii, nízkoohmové a elektricky dobre vodivé mechanické spojenie, ktoré je vhodné aj na zalievanie. Je navyše špecifikované v norme DIN EN 60352-5 a zostáva spoľahlivé aj pri veľmi vysokých mechanických a tepelných zaťaženiach, ako sú vibrácie, ohyb a silné teplotné výkyvy, a vydrží dokonca nárazové zaťaženie až do 200 g.
Vďaka svojim vynikajúcim vlastnostiam v oblasti odolnosti a desaťnásobne lepšej miere poruchovosti (FIT-rate) v porovnaní s automaticky spájkovanými konektormi sa technológia lisovania často používa v aplikáciách s vysokou bezpečnosťou, kde nesmie dôjsť k prerušeniu prenosu signálu za žiadnych okolností, napríklad v systémoch airbagov alebo moduloch ABS a ESP.
Vďaka svojim vynikajúcim vlastnostiam v oblasti odolnosti a desaťnásobne lepšej miere poruchovosti (FIT-rate) v porovnaní s automaticky spájkovanými konektormi sa technológia lisovania často používa v aplikáciách s vysokou bezpečnosťou, kde nesmie dôjsť k prerušeniu prenosu signálu za žiadnych okolností, napríklad v systémoch airbagov alebo moduloch ABS a ESP.
Technika vtláčania však nie je vždy vhodná, napríklad ak sa dosky plošných spojov majú osadiť z oboch strán alebo ak nie je možné dodržať minimálnu vzdialenosť od komponentov v smere pôsobenia sily. Ďalšou možnosťou, ako vytvoriť spoľahlivé a trvalé spojenie medzi konektorom a doskou s plošnými spojmi, je technológia povrchovej montáže (SMT). Pomocou spájkovacej pasty sa konektory spájkujú na definované pripojovacie plochy dosky s plošnými spojmi, tzv. spájkovacie podložky. Až v takzvanom reflow peci sa spájka roztaví a následne vytvrdí. Pomocou SMT je možné realizovať stabilné spoje medzi konektorom a doskou plošných spojov. Na to však musia byť splnené niektoré kritériá: Najprv je potrebné dodržať správny pomer medzi pätkou, spájkovacou podložkou a spájkovacou pastou, aby bol spájkovaný bod v súlade s normou IPC-A-610. Iba tak sa vytvorí kvalitný spoj, ktorý umožňuje pripojenie podľa triedy IPC 3, a je teda vhodný na použitie vo vysokovýkonnej elektronike. V tejto triede musia byť výpadky v prenose signálu kedykoľvek vylúčené. Optimálne spájkované spojenie možno rozpoznať podľa rovnomerného vytvorenia menisku. Kontakt musí byť po celom obvode obklopený meniskom spájky, aby sa dosiahli najlepšie priľnavé sily na doske s plošnými spojmi. (Obr. 9).
Koplanarita kontaktných pätiek je pritom predpokladom pre vynikajúce spojenie. Ak sú splnené všetky tieto predpoklady, konektory SMT preukázateľne vydržia mechanické zaťaženie až do 400 N.
Faktor vplyvu: konštrukcia izolačného telesa
Geometria izolačného telesa konektora navyše pomáha chrániť kontakty pred poškodením počas prevádzky alebo inštalácie. Mala by byť navrhnutá tak, aby citlivé kontakty vo vnútri konektora boli chránené.
Vďaka zrezaným hranám sa dá tiež predísť poškodeniu pri montáži. Pomáhajú kompenzovať posun dosiek plošných spojov pri zasúvaní v akomkoľvek smere. Vďaka dodatočnej zachytávacej ploche je možné obe polovice konektora zasunúť do seba bez poškodenia aj v prípade posunu v strede alebo v uhle (obr. 10).
Vďaka zrezaným hranám sa dá tiež predísť poškodeniu pri montáži. Pomáhajú kompenzovať posun dosiek plošných spojov pri zasúvaní v akomkoľvek smere. Vďaka dodatočnej zachytávacej ploche je možné obe polovice konektora zasunúť do seba bez poškodenia aj v prípade posunu v strede alebo v uhle (obr. 10).
Niektoré konektory sú navyše vybavené upevňovacími prvkami typu Boardlock. Ide o kovové úchytky, ktoré sú pripevnené k izolačnému telu a zároveň sú napájané na dosku s plošnými spojmi (obr. 11). Týmto spôsobom dodatočne zabezpečujú stabilitu – aj v nepriaznivých podmienkach, ako sú vibrácie a nárazy.
Vplyvný faktor Rozsah tolerancie
Rozsah tolerancií konektora zohráva kľúčovú úlohu pri posudzovaní jeho odolnosti. Ak konektor nedokáže kompenzovať dané tolerancie, mechanické pohyby vedú k opotrebeniu alebo dokonca k poškodeniu konektorového spojenia. Pri inštalácii pomáhajú v tomto smere vkladacie skosenia, ktoré umožňujú bezproblémové zasunutie nožovej a pružinovej lišty. Avšak aj v zapojenom stave je potrebné kompenzovať mikropohyby. To sa darí vďaka geometrii kontaktov a izolačných telies. Ak má konektor funkciu „floating“, dokáže kompenzovať až ±0,4 mm aj počas prevádzky. Táto funkcia nadobúda čoraz väčší význam, pretože zohráva rozhodujúcu úlohu pri osadzovaní dosky s plošnými spojmi viacerými konektormi. V teréne však vznikajú zaťaženia nielen v smere x a y, ale aj v smere z (obr. 12).
Tu sa naskytá otázka bezpečnosti prekrytia konektora. Táto vlastnosť opisuje oblasť prekrytia kontaktných lišt a umožňuje tak nielen rôzne rozstupy dosiek plošných spojov, ale – v závislosti od veľkosti tejto oblasti – aj rozsahy tolerancií (obr. 13).
Maximálne vyrovnanie tolerancií sa naopak darí pomocou káblového spojenia. Tu rozhoduje dĺžka kábla o tolerančnom rozsahu konektorového spojenia.
Maximálne vyrovnanie tolerancií sa naopak darí pomocou káblového spojenia. Tu rozhoduje dĺžka kábla o tolerančnom rozsahu konektorového spojenia.
Skúšobný postup
Na dôkladné otestovanie konektorov z hľadiska ich odolnosti existujú rôzne skúšobné postupy. Pri tom sa posudzujú premenné, ako je dielektrická pevnosť a kontaktný odpor, a to pred aj po záťažovej skúške, a vizuálne sa kontroluje stav kontaktov. Takto je možné napríklad overiť vplyv 500 cyklov zapájania na dielektrickú pevnosť alebo v klimatickom teste zistiť, či niekoľko hodín pri teplote najskôr -55 °C a následne 125 °C má negatívny vplyv na kontaktný odpor konektora. Pri teplotnej šokovej skúške musí konektor vydržať rýchlu zmenu medzi týmito extrémnymi teplotami 100-krát po 30 minút. A tiež posun v strede a uhlový posun pri zapájaní, rovnako ako rozsah tolerancie v zapojenom stave, by sa nemali overovať len teoreticky na CAD modeli, ale mali by sa dôkladne otestovať v praxi a odolnosť by sa mala empiricky potvrdiť. Rovnako dôležité je, aby sa rôzne skúšky, ktoré sú kritické pre kontaktnú plochu, vykonávali aj v kombinácii, aby sa simulovali reálne podmienky. Tak by sa napríklad mohli vykonávať skúšky zapájacích cyklov a skúšky s poškodzujúcimi plynmi v kombinácii, aby sa zabezpečilo, že sa výkon konektora z hľadiska kontaktného odporu a dielektrickej pevnosti nezhoršil a kontakty neutrpeli žiadne poškodenie (obr. 14).
Váš dizajn – vaša voľba
V závislosti od požiadaviek danej aplikácie existujú rôzne kritériá odolnosti, ktoré musí konektor spĺňať. Musí napríklad kompenzovať veľké tolerancie? Je vystavený silným nárazom alebo vibráciám? Používa sa v prostredí s vysokými teplotami alebo nízkymi teplotami? Alebo musí byť konektor chránený pred vlhkosťou, škodlivými plynmi alebo nečistotami? Ak sa používateľ pri výbere pripojovacieho riešenia riadi týmito otázkami, môže si byť istý, že jeho konektor je na použitie v teréne optimálne pripravený.