Бела књига: Робустност у конекторима
Било да је у питању ваздухопловство, индустријска аутоматизација, транспорт или здравство: конектори увек морају да обезбеде поуздану пренос сигнала и ни под којим околностима не смеју да откажу. Истовремено, изложени су низу окружењских оптерећења: Механички напони као што су ударци, вибрације и осцилације угрожавају стабилност преноса података, као и термички и хемијски утицаји окружења изазвани екстремним температурама, значајним флуктуацијама температуре, штетним гасовима, влагом и прљавштином. Стога произвођачи висококвалитетних конеktора примењују читав низ мера како би заштитили своје конеktоре од ових утицаја.
Издржљивост упркос минијатуризацији
Модерно електрично инжењерство је, више него икада, подложно једном посебном тренду: минијатуризацији. Склопови и њихове компоненте не само да морају постати све моћнији, већ и све мањи. Ипак, често се користе у суровим условима реалног света. Компоненте, укључујући конекторе, стога постају све осетљивије, а истовремено издржавају исти ниво оптерећења. Међутим, висококвалитетни конектор не само да подноси овај напон подједнако добро као и његов старији и већи еквивалент, већ и боље. Разлог за то лежи у напретку у саставу материјала и дизајну производа, на пример у геометрији изолационог кућишта (сл. 1).
Површина као фактор утицаја
Широк спектар фактора утиче на чврстоћу конектора. Једна од њих је контактна површина. Она игра кључну улогу у одређивању век трајања конектора, који се обично мери бројем спајања. Приликом коришћења у терену конектор је изложен одређеним микропокретима. Они доводе до абразије површине и, последично, до оксидације (Сл. 2).
Резултат је повећана контактна отпорност и, последично, лошија квалитет преноса сигнала. Стога је неопходно минимизирати површинско хабање током спајања и у току рада коришћењем висококвалитетног, издржљивог контактног премаза. Да би се то постигло, и сечиво и контактни пролећи морају имати одговарајуће глатку површину. Упркос растућим ценама, злато се и данас широко користи за површинске премазе због отпорности на корозију и одличне проводљивости. Пошто је чисто злато меко, легује се са 0,2 до 0,3 одсто кобалта или никла како би се добило тврдо злато. Међутим, они који траже исплативију алтернативу овој структури премаза могу, на пример, да се одлуче за легуру никла и фосфора са позлатом. Када се комбинују у веома специфичним пропорцијама, ова два материјала показују позитивна својства која злато нуди: високу отпорност на корозију, изражену отпорност на хабање и одличну проводљивост. Да би се спречила дифузија између контактног материјала и површинског премаза, често се користи такозвани никлани баријерни слој. Ова баријера помаже у спречавању корозије.
Контактни дизајн као фактор утицаја
Контакти конектора се или штампају или токарe. Међутим, током штампања на доњој страни штампане траке формира се неравномерна површина оштрих ивица, која је видљива под микроскопом. Конвенционални системи остварују контакт на овом штампаном рубу, што доводи до повећаног хабања површине и, последично, веће контактне отпорности. Ово се може избећи савијањем пролећног тулипана за 90 степени у такозваном процесу штампања и савијања, тако да он додирује контактни лист глатком, ваљаном површином (сл. 3).
Међутим, не само дизајн пруге опруге, већ и дизајн пруге сечива су пресудни за дуговечност конектора. То је зато што и ова друга пруга мора бити чиста и даље обрађена како би се избегле дефектне, оштре геометрије.
Међутим, не само дизајн пруге опруге, већ и дизајн пруге сечива су пресудни за дуговечност конектора. То је зато што и ова друга пруга мора бити чиста и даље обрађена како би се избегле дефектне, оштре геометрије.
Контактни систем као фактор утицаја
Традиционални дводелни конектори имају контакт у облику оштрице и контакт са опругом. Међутим, у случају јаког удара, трака са лопатицама може се одвојити од траке са опругом. Да би се спречио такав губитак контакта, може се користити двострана трака са опругом која обезбеђује резервност и тиме поуздан контакт, јер друга опруга осигурава да се пренос сигнала у сваком тренутку одржава преко најмање једне контактне тачке (Сл. 4).
Конектори са такозваним "родно неутралним" контактним системом су још робуснији. Кључна карактеристика је да су контактне геометрије две половине конектора – прикључника и пријема – идентичне. Обе имају и опругу и лемилицу. То значи да сваки пин контактирају две опруге, док су прикључник и пријем међусобно закључани и не могу се раздвојити. Док двострана пружинска трака увек обезбеђује најмање једну контактну тачку под механичким оптерећењем, укрштене геометрије у родно-неутралним контактним системима обезбеђују да се пренос сигнала увек одвија преко две контактне тачке. Овај висок ниво редундансности тиме омогућава максималну поузданост контакта (Сл. 5).
Што се тиче чврстоће, родно неутрални контактни систем надмашују само једноделни конектори. Они у потпуности елиминишу традиционални дводелни контактни принцип који се састоји од оштрице и пружне траке. Уклањањем рањивог контактног подручја, једноделни конектори не само да пружају највишу отпорност на ударце, вибрације, влагу, прашину и атмосферске услове, већ су погодни и за заливање и друге методе заштите компоненти. У комбинацији са press-fit техником, они представљају најсигурнију механичку и електричну везу између две штампане плоче (сл. 6).
Технологија повезивања као доприносни фактор
Постоје различити начини монтаже конектора на штампаним плочама. Један од њих је раније поменута преса-фит техника. Њена сврха је да обезбеди највеће могуће силе задржавања између конектора и штампане плоче, уз употребу најмање могуће силе убацивања. Снага држања одређује механичку везу, која заузврат мора издржати ударце и вибрације. Ова техника повезивања је испробан и проверен процес који се користи милијарде пута, у којем се преса-фит пин убацује у месингану пробушену рупу на штампаној плочи (сл. 7).
Притиснути штифт има већу дијагоналну димензију од пречника отвора на ПЦБ. Коннекторски штифт је флексибилан у зони притиска како би се осигурало да ПЦБ не буде деформисано физичким силама које се примењују током процеса притиска. Деформација је стога ограничена на зону преса-фита (сл. 8). Између контактне игле и метализоване рупе на штампаној плочи настаје хладни завар: гасно-непропусна, отпорна на корозију, нискоотпорна и електрично проводљива механичка веза, која је такође погодна за заливање. Ово је такође прописано у стандарду DIN EN 60352-5 и остаје поуздано чак и под веома високим механичким и термичким оптерећењима, као што су вибрације, савијање и екстремне флуктуације температуре, а може издржати и ударна оптерећења до 200g.
Због своје изузетне робусности и стопе отказа током транспорта (FIT) десет пута ниже од аутоматизованих лемљених конеktора, пресс-фит технологија се често користи у апликацијама високог нивоа безбедности где пренос сигнала не сме бити прекинут ни под којим условима, на пример у системима ваздушних јастука или модулима ABS и ESP.
Због своје изузетне робусности и стопе отказа током транспорта (FIT) десет пута ниже од аутоматизованих лемљених конеktора, пресс-фит технологија се често користи у апликацијама високог нивоа безбедности где пренос сигнала не сме бити прекинут ни под којим условима, на пример у системима ваздушних јастука или модулима ABS и ESP.
Међутим, пресс-фит технологија није увек погодна; на пример, када се штампане плоче морају попунити са обе стране или када се минимална удаљеност од компоненти у правцу деловања силе не може одржати. Још један начин за стварање поуздане и издржљиве везе између конектора и штампане плоче јесте технологија површинског монтирања (SMT). У овом процесу конектори се леме на дефинисана повезивачка подручја на штампаној плочи, позната као лемне чауре, уз помоћ пасте за лемљење. Само у такозваној рефлоу пећи лем се топи и затим дозвољава да се стврдне. SMT омогућава успостављање стабилних веза између конектора и штампане плоче. Међутим, за то морају бити испуњени одређени критеријуми: прво, за лемну споју у складу са стандардом IPC-A-610, мора се одржати правилан однос између куглице калаја, контактне плочице и пасте од калаја. Само на овај начин се успоставља висококвалитетна веза која омогућава повезивање у складу са класом IPC 3 и стога је погодна за употребу у високопродуктивној електроници. У оквиру ове класе, кварови у преносу сигнала морају бити искључени у сваком тренутку. Оптимални лемни спој препознаје се по формирању једноличног менискуса. Контакт мора бити потпуно окружен менискусом лемилице како би се постигле најбоље силе приањања на штампаној плочи. (Сл. 9).
Копланарност контактних пинова је од суштинског значаја за одличну везу. Уколико су сви ови услови испуњени, доказано је да SMT конектори могу издржати механичка оптерећења до 400 N.
Дизајн изолационог тела као фактор утицаја
Геометрија изолационог тела конектора такође помаже у заштити контаката од оштећења током рада или инсталације. Треба је дизајнирати тако да су рањиви контакти заштићени унутар конектора.
Фазе за увођење жица такође могу спречити оштећења током монтаже. Оне помажу да се компензује било какво неусклађивање штампаних плоча у било ком правцу када се конектор спаја. Помоћу додатне зоне за закључавање, две половине конектора могу се спојити без оштећења чак и у случају централног или угаоног неусклађивања (сл. 10).
Фазе за увођење жица такође могу спречити оштећења током монтаже. Оне помажу да се компензује било какво неусклађивање штампаних плоча у било ком правцу када се конектор спаја. Помоћу додатне зоне за закључавање, две половине конектора могу се спојити без оштећења чак и у случају централног или угаоног неусклађивања (сл. 10).
Неки конектори такође имају закључавајуће ножице. То су металне копче причвршћене за тело изолатора, које су такође залемљене на штампану плочу (сл. 11). На овај начин обезбеђују додатну стабилност – чак и у неповољним условима као што су вибрације и удари.
Фактор утицаја Опсег толеранције
Дометак толеранције конектора игра кључну улогу у процењивању његове чврстоће. Ако конектор не може да компензује дате толеранције, механичка померања довешће до хабања или чак оштећења везе. Током инсталације, косине за уметање помажу да се обезбеди спајање мушког и женског конектора без оштећења. Међутим, при спајању конектора такође морају бити узети у обзир микропокрети. То се постиже геометријом контаката и изолационих тела. Ако конектор има функцију плутања, може да компензује чак ±0,4 мм чак и током рада. Ова функција постаје све важнија, јер игра кључну улогу када је штампана плоча натоварена са више конектора. Међутим, у пракси се напрезања јављају не само у правцима x и y, већ и у правцу z (сл. 12).
Ово покреће питање преклапајуће сигурности конектора. Ово описује преклапајући простор између мушких и женских контаката, чиме се омогућава не само различита удаљеност између контаката на штампаној плочи, већ и – у зависности од величине тог простора – распони толеранције (Сл. 13).
С друге стране, максимална компензација толеранције постиже се кабловским прикључком. Овде дужина кабла одређује опсег толеранције конектора.
С друге стране, максимална компензација толеранције постиже се кабловским прикључком. Овде дужина кабла одређује опсег толеранције конектора.
Поступак тестирања
Постоје различите процедуре испитивања које омогућавају темељну процену чврстоће конектора. Оне обухватају испитивање променљивих као што су диелектрична чврстоћа и контактни отпор пре и после испитивања под оптерећењем, као и визуелни преглед стања контаката. На пример, могу се проценити ефекти 500 циклуса спајања на диелектричну чврстоћу, или климатски тест може утврдити да ли неколико сати на -55°C, а затим на 125°C, има негативан утицај на контактни отпор конектора. У тесту на температурски шок конектор мора да издржи брзу смењивост између ових екстремних температура 100 пута, по 30 минута. Поред тога, централно и угаоно несаглашавање при спајању, као и толерантни опсег у спојеном стању, не би требало да буду проверени само теоријски на CAD моделу, већ и обимно тестирани у пракси, при чему се носивост емпиријски потврђује. Једнако је важно да се различити тестови критични за контактну површину такође спроведу у комбинацији како би се симулирали услови из стварног света. На пример, тест циклуса спајања и тест корозивног гаса могу се спровести заједно како би се осигурало да перформансе конектора у погледу контактног отпора и диелектричне чврстоће нису опале и да контакти нису оштећени (Сл. 14).
Ваш дизајн – ваш избор
У зависности од захтева примене, постоје различити критеријуми чврстоће које конектор мора да испуни. На пример, да ли треба да компензује велике толеранције? Да ли је изложен високим нивоима удара или вибрација? Да ли се користи у окружењима подвргнутим екстремној врућини или хладноћи? Или решење за повезивање треба да буде заштићено од влаге, корозивних гасова или прљавштине? Ако корисник заснива избор решења за повезивање на ова питања, може бити сигуран да је његов конектор идеално прилагођен за теренску употребу.