Biela kniha: Odolnosť konektorov
Či už v leteckom a kozmickom priemysle (letectvo a kozmonautika), v priemyselnej automatizácii, v doprave alebo v zdravotníctve: konektory (konektor) 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 vysokokvalitných konektorov (konektor) preto využívajú celý rad možností, aby svoje konektory ochránili pred týmito namáhaniami.
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. Súčiastky, ako aj konektory (konektor), sa preto pri rovnakom zaťažení stávajú čoraz jemnejšími. Kvalitný konektor však tomuto namáhaniu odoláva nielen rovnako dobre ako jeho starší a väčší predchodca, ale dokonca ešte lepšie. Dôvodom sú pokroky v zložení materiálov, ako aj v konštrukcii výrobku, napríklad v geometrii izolačného telesa (obr. 1).
Faktor vplyvu: povrch
Na odolnosť konektora vplýva množstvo faktorov. Jedným z nich je kontaktná plocha (povrch kontaktu). Tá rozhodujúcim spôsobom určuje životnosť konektora, ktorá sa zvyčajne meria v počte zasúvacích cyklov (počet cyklov spojenia). Pri prevádzke v teréne je konektor vystavený určitým mikropohybom. Tie vedú k opotrebeniu povrchu a v dôsledku toho k tvorbe oxidu (obr. 2).
Dôsledkom je zvýšený prechodový odpor (prechodový odpor) a tým aj horšia kvalita prenosu signálu. Preto je potrebné pomocou kvalitného a odolného povrchového náteru (povrchová úprava kontaktov) znížiť opotrebenie povrchu pri zapájaní aj počas prevádzky na minimum. Na to musia mať ako nožové, tak aj pružinové kontakty (zdierkový 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 (tvrdé zlato). Kto však hľadá cenovo stabilnejšiu alternatívu k tejto štruktúre povlaku, môže napríklad využiť zliatinu niklu a fosforu s technológiou „gold flash“. Pri kombinácii v presne stanovených pomeroch vykazujú tieto dva materiály 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 vrstvou, často sa používa takzvaná niklová bariérová vrstva. Pomocou tejto bariéry je možné zabrániť korózii.
Faktor vplyvu: konštrukcia kontaktov
Kontakty konektora sú lisované alebo točené. Pri lisovaní (lisovanie) však na spodnej strane lisovaného pásu vzniká nerovnomerný povrch s ostrými hranami, viditeľný pod mikroskopom. Tradičné systémy nadväzujú kontakt na tomto „strižná hrana“, 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, aby sa dotýkala hladkej, valcované plochy na kolíkový kontakt (obr. 3).
Pre dlhú životnosť konektora je však rozhodujúci nielen dizajn lišty s pružinami (zásuvkový konektor), ale aj dizajn lišty s nožmi (kolíkový konektor). Aj táto lišta totiž musí byť čistým spôsobom lisovaná a ďalej spracovaná, aby sa predišlo poškodeným, ostrým geometriám.
Pre dlhú životnosť konektora je však rozhodujúci nielen dizajn lišty s pružinami (zásuvkový konektor), ale aj dizajn lišty s nožmi (kolíkový konektor). Aj táto lišta totiž musí byť čistým spôsobom lisovaná a ďalej spracovaná, aby sa predišlo poškodeným, ostrým geometriám.
Faktor vplyvu: kontaktný systém
Klasické dvojdielne konektory (konektor) disponujú nožovým a pružinovým kontaktom (zdierkový kontakt). V prípade silného nárazu sa však nožová lišta (kolíkový konektor) môže odtrhnúť od pružinovej lišty (zásuvkový konektor). Aby nedošlo k takémuto prerušeniu kontaktu (prerušenie kontaktu), je možné pomocou obojstrannej pružinovej lišty (zásuvkový konektor) 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 (konektor) s takzvaným „hermafroditným“ kontaktným systémom. Ich zvláštnosť spočíva v identickej geometrii kontaktov oboch polovíc konektora, Plug a Socket. Obe časti majú teda k dispozícii aj pružinu, aj kontaktný hrot. Každý pin je tak v kontakte s dvoma pružinami, pričom Plug a Socket sú navzájom prepletené a nemôžu sa od seba odpojiť. Zatiaľ čo obojstranná lišta s pružinami (zásuvkový konektor) pri mechanickom namáhaní 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 hermafroditný kontaktný systém prekonávajú iba jednodielne konektory. Tie sa pritom úplne vzdávajú klasického dvojdielneho kontaktného princípu pozostávajúceho z nožovej a pružinovej lišty (zásuvkový konektor). Vďaka odstráneniu citlivej kontaktnej oblasti majú jednodielne konektor nielen najvyššiu odolnosť voči nárazom, vibráciám, vlhkosti, prachu a atmosférickým podmienkam, ale sú vhodné aj na zalievanie (zalievanie) a iné postupy ochrany komponentov. V kombinácii s technológiou vtláčania (technológia press-fit) predstavujú najbezpečnejšie mechanické a elektrické spojenie dvoch dosiek s plošnými spojmi (obr. 6).
Vplyvný faktor: technika pripojenia
Existujú rôzne možnosti upevnenia konektorov (konektor) na dosky s plošnými spojmi. Jednou z nich je už spomínaná technika vtláčania (technológia press-fit). Jej cieľom je dosiahnuť čo najvyššiu prídržnú silu medzi konektorom a doskou s plošnými spojmi pri čo najmenšej vtláčacej sile (zalisovacia sila). Prídržné sily rozhodujú o mechanickom spojení, ktoré musí odolávať nárazom a vibráciám. Táto technika pripojenia (technika pripojenia) je postup, ktorý sa osvedčil miliardy ráz, pri ktorom sa vtláčací kolík (zalisovací kolík) vtlačí do priechodného otvoru (prekovený otvor) v doske s plošnými spojmi (obr. 7).
zalisovací kolík má pritom väčšiu uhlopriečku ako priemer otvoru na doske s plošnými spojmi. Kolík konektora je v zalisovacia zóna ohybný, aby sa doska s plošnými spojmi počas procesu vtláčania nedeformovala v dôsledku pôsobenia fyzikálnych síl. Deformácia sa preto obmedzuje na zalisovacia zóna (obr. 8). Vzniká zváranie za studena medzi kontaktný kolík a metalizovaným otvorom v doske s plošnými spojmi: plynotesné, odolné proti korózii, nízkoohmové a elektricky dobre vodivé mechanické spojenie, ktoré je vhodné aj pre zalievanie. Toto spojenie je navyše špecifikované v norme DIN EN 60352-5 a zachováva spoľahlivý kontakt aj pri veľmi vysokých mechanických a tepelných zaťaženiach, ako sú vibrácie, ohyb a výrazné teplotné výkyvy, a odoláva dokonca nárazom až do 200 g.
Vďaka svojim vynikajúcim vlastnostiam odolnosti a desaťnásobne lepšej elektrickej spoľahlivosti ( intenzita porúch ) (hodnota FIT) v porovnaní s automaticky spájkovanými konektormi konektor sa konektor technológia press-fit často používa vo vysokobezpečnostných aplikáciách, kde nesmie dôjsť k prerušeniu prenosu signálu za žiadnych okolností, napríklad v systémoch airbagov alebo moduloch ABS a ESP.
Vďaka svojim vynikajúcim vlastnostiam odolnosti a desaťnásobne lepšej elektrickej spoľahlivosti ( intenzita porúch ) (hodnota FIT) v porovnaní s automaticky spájkovanými konektormi konektor sa konektor technológia press-fit často používa vo vysokobezpečnostných aplikáciách, kde nesmie dôjsť k prerušeniu prenosu signálu za žiadnych okolností, napríklad v systémoch airbagov alebo moduloch ABS a ESP.
Technika vtláčania (technológia press-fit) však nie je vždy vhodná, napríklad ak sa dosky s plošnými spojmi majú osadiť z oboch strán alebo ak nie je možné dodržať minimálnu vzdialenosť od súčiastok v smere pôsobenia sily. Ďalšou možnosťou, ako vytvoriť spoľahlivé a trvalé spojenie medzi konektorom (konektor) a doskou s plošnými spojmi, je v takom prípade technológia povrchovej montáže (SMT). Pomocou spájkovacej pasty (spájkovacia pasta) sa pri tom konektor napájajú na definované plôšky dosky s plošnými spojmi, tzv. spájkovacie plôšky (spájkovacie plôšky). Až v takzvanom reflowovom peci (pretavovacia pec) sa spájka roztaví a následne vytvrdí. SMT umožňuje vytvárať stabilné spoje medzi konektorom a doskou s plošnými spojmi. Na to však musia byť splnené niektoré kritériá: V prvom rade je potrebné dodržať správny pomer medzi SMT vývod, spájkovacia plôška a spájkovacia pasta, aby bolo spájkovaný spoj v súlade s normou IPC-A-610. Iba tak sa vytvorí kvalitné spojenie, ktoré umožňuje pripojenie podľa triedy IPC 3, a je teda vhodné na použitie vo vysokovýkonnej elektronike. V tejto triede musia byť výpadky v prenose signálu kedykoľvek vylúčené. Optimálne spájkované spojenie (spájkovaný spoj) možno rozpoznať podľa rovnomerného vytvorenia menisku. Kontakt musí byť po celom obvode obklopený meniskom spájky, aby sa dosiahli najlepšie prídržné 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 (konektor) sú navyše vybavené Boardlockmi. Ide o kovové úchytky, ktoré sú upevnené na izolačnom telese (izolačné teleso) a sú tiež napájané na dosku s plošnými spojmi (obr. 11). Tým zabezpečujú dodatočnú stabilitu – aj za nepriaznivých podmienok, ako sú vibrácie a nárazy.
Vplyvný faktor Rozsah tolerancie
Rozsah tolerancie konektora zohráva rozhodujúcu 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 zavádzacie skosenia, ktoré umožňujú bezproblémové zasunutie nožových a pružinových lišt (zásuvkový konektor). Avšak aj v zapojenom stave je potrebné kompenzovať mikropohyby. To sa darí vďaka geometrii kontaktov a izolačných telies. Ak má konektor (konektor) plávajúce uloženie-funkciu, dokáže kompenzovať odchýlky až do ±0,4 mm aj počas prevádzky. Táto funkcia nadobúda čoraz väčší význam, pretože zohráva kľúčovú 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 týkajúca sa „efektívna dĺžka spojenia“ (bezpečnosti proti prekĺznutiu) konektora. Táto vlastnosť opisuje oblasť prekrývania čepovej a perovej lišty (zásuvkový konektor) a umožňuje tak nielen rôzne vzdialenosťi medzi doskami, ale – v závislosti od veľkosti tejto oblasti – aj rozsahy tolerancií (obr. 13).
Maximálna kompenzácia tolerancií sa naopak darí pomocou káblového pripojenia. Tu dĺžka kábla určuje rozsah tolerancie konektora.
Maximálna kompenzácia tolerancií sa naopak darí pomocou káblového pripojenia. Tu dĺžka kábla určuje rozsah tolerancie konektora.
Skúšobný postup
Na dôkladné otestovanie konektorov (konektor) z hľadiska ich odolnosti existujú rôzne skúšobné postupy. Pri tom sa posudzujú premenné ako napríklad elektrická pevnosť (napäťová odolnosť) a prechodový odpor (prechodový odpor) pred a po záťažovej skúške a vizuálne sa kontroluje stav kontaktov. Takto je možné napríklad overiť vplyv 500 počet cyklov spojenia na elektrická pevnosť alebo v klimatickej skúške zistiť, či niekoľko hodín pri teplote najskôr -55 °C a následne 125 °C má negatívny vplyv na prechodový odpor konektora. Pri teplotnej šokovej skúške musí konektor vydržať rýchlu zmenu medzi týmito extrémnymi teplotami 100-krát po dobu 30 minút. Aj stredový a uhlový posun (uhlová nesúosovosť) 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 ich odolnosť by sa mala empiricky potvrdiť. Rovnako dôležité je, aby sa rôzne skúšky, ktoré sú kritické pre povrch kontaktu (kontaktnú plochu), vykonávali aj v kombinácii, aby sa simulovali reálne podmienky. Tak by sa napríklad mohli vykonávať skúšky počet cyklov spojenia- (cyklov zapájania) a skúšky korozívnymi plynmi v kombinácii, aby sa zabezpečilo, že sa výkon konektora z hľadiska prechodový odpor (prechodového odporu) a elektrická pevnosť (napäťovej pevnosti) nezhoršil a že kontakty neutrpeli žiadne poškodenie (obr. 14).
Váš dizajn – vaša voľba
V závislosti od požiadaviek danej aplikácie platia rôzne kritériá odolnosti, ktoré musí konektor (konektor) spĺňať. Musí napríklad kompenzovať veľké tolerancie? Je vystavený veľkým nárazom alebo vibráciám? Používa sa v prostredí s vysokým pôsobením tepla alebo chladu? Alebo musí byť konektorové riešenie chránené pred vlhkosťou, škodlivými plynmi alebo nečistotami? Ak sa používateľ pri výbere svojho pripojovacieho riešenia riadi týmito otázkami, môže si byť istý, že jeho konektor je na použitie v teréne optimálne pripravený.