Gondolt-e mostanában a csatlakozók dugaszolási ciklusainak számára?

Nem, ez nem valami ravasz vicc, hogy ha éjjel a csatlakozók magukra maradnak, akkor valami varázslat folytán saját maguk szaporodni kezdenek, és új mini-verziókat hoznak létre magukból, vagy csodával határos módon új érintkezőpozíciókat növesztenek. Ellenkezőleg, ez egy komoly probléma, amelyről a tervezők hajlamosak megfeledkezni mindaddig, amíg nem szembesülnek a frusztráló következményeivel hibakeresés, hosszú távú kiértékelés során vagy akár a terepen.

A csatlakozókat csatlakoztatni (párosítani) kell és szétválasztani (párosításukat megszüntetni), erre találták ki őket. De hány ilyen párosítási ciklust képes elviselni a csatlakozópár a megfelelő működésnek az ellenállás megnövekedésében vagy az érintkezés megszakadásaiban jelentkező degradálódásáig, ami nehezen kideríthető rendszerproblémákhoz vezet? Előfordulhat, hogy a tervezők kezdetben nem sokat foglalkoznak a csatlakozók párosítási ciklusai számával, amely az adott terméktől, a felhasználóktól és az alkalmazástól függően a kisebb kétjegyű számoktól több ezer ciklusig terjedhet. Pedig ajánlatos foglalkozniuk vele. Különösen a fogyasztói alkalmazások esetében, valamint olyankor, amikor a csatlakozót a prototípus-készítési és fejlesztési ciklus alatt használják.

A szállítók a csatlakozók műszaki jellemzőit bizonyos számú ilyen ciklusra adják meg. Ezek a jellemzők a csatlakozók általános felépítésétől, az érintkezők kialakításától, anyagától és bevonatától, valamint meghatározott feszültség- és áramértékektől függenek. Igen, ezt a ciklusszámot valóban könnyű túllépni hétköznapi használat során, az elrendezéseken belüli hibakeresés és azok kiértékelése közben. Következményei lehetnek elviselhetők (például megnövelt beillesztési erő), de akár frusztrálók is (például az érintkezések szakadozása).

Túl gyakran tekintenek kész tényként a csatlakozókra

A fizikai kapcsolat elég egyszerű fogalomnak tűnhet, de valójában nem az. A csatlakozó megfelelő működése magában foglalja alapvető paraméterekként az átmeneti ellenállást és a párosítási/szétválasztási erőt, amelyek mindkettejének alacsonynak és maradandónak kell lennie (kivéve persze, ha reteszelő csatlakozópárról van szó). Az érintkező a legtöbb esetben precízen kialakított, ujjszerű fém szerkezet. Kivétel, ha a nyomtatott áramköri kártya szélét használják dugaszként. Tápellátást nem megvalósító jelérintkezős kialakításoknál az érintkezőt szinte mindig néhány µm vastagságú arany vagy (olcsóbb) ón borítja az elektromos ellenállás csökkentése, a korrózió minimalizálása és a csatlakozó felületek kopásállóságának növelése céljából. Ehhez nagyszámú, fizikailag kis méretű érintkezőre van szükség, még ezektől is kisebb érintkezési felületekkel.

Hány párosítási ciklust kell elviselnie egy csatlakozónak? Ez mindig függ az adott alkalmazástól. Bizonyos esetekben ez egy alacsony kétjegyű szám, de több száz és ezer is lehet (gondoljunk csak a telefon USB csatlakozójára). Alapvető kialakításukban, felépítésükben, anyagukban és bevonatukban ezen számtartomány két végén található csatlakozók nagyban különböznek egymástól. Ez nem a csatlakozó minőségét tükrözi, hanem arról van szó, hogy a csatlakozót a követelményeknek megfelelően kell kiválasztani.

Példák a csatlakoztathatóság sokféleségére

Néhány jellemző csatlakozó rövid áttekintésével megfigyelhetjük az általuk kínált ciklusszámokat és átmeneti ellenállásaikat:

• A JAE Electronics SM3ZS067U410AMR1000 jelű terméke egy aljzat típusú, 67 pozíciós bővítőkártya-csatlakozó, amely megfelel a PCI-SIG M.2 előírásoknak, érintkezőtávolsága 0,5 mm / 0,020 in (1. ábra). Névleges párosítási ciklusszáma 55 mΩ maximális átmeneti ellenállás mellett 60.

1. ábra: A JAE Electronics SM3ZS067U410AMR1000 jelű bővítőkártya-csatlakozójának érintkezőtávolsága 0,5 mm, megfelel a PCI-SIG M.2 előírásoknak, névleges párosítási ciklusszáma 60. (Kép: JAE Electronics)

• Ezzel szemben a Hirose Electric Co Ltd UX60A-MB-5ST jelű felületszerelt, derékszögű mini-B USB 2.0 (5 pozíciós) csatlakozóaljzatának névleges párosítási ciklusszáma 5000, maximális átmeneti ellenállása 70 mΩ (2. ábra).

2. ábra: A Hirose fogyasztókra összpontosító UX60A-MB-5ST jelű USB aljzatának névleges párosítási ciklusszáma 5000, maximális átmeneti ellenállása 70 mΩ. (Kép: Hirose Electric)

• A Würth Elektronik 490107671012 jelű szalagkábel-csatlakozók (más néven IDC csatlakozók) SKEDD családjának tagjait általában a termékek készülékházán belül használják és esetükben nincs szükség annyi párosítási ciklusra, mint a felhasználó által hozzáférhető csatlakozóknál (3. ábra). Ez a 10 pozíciós csatlakozó abban egyedülálló, hogy egy vele párosuló rész nélkül is közvetlenül a nyomtatott áramköri kártya galvanizált furataiba illeszkedik. A gyártó által megadott kártyafuratminta, átmérő és bevonat esetén névleges párosítási ciklusszáma 10, 20 mΩ átmeneti ellenállás mellett; gyártási sorozatokhoz tervezték. A Würth prototípuskészítéshez kissé eltérő, strapabíróbb kivitelre utaló számokat is definiál, és 25-re emeli a névleges párosítási ciklusszámot.

3. ábra: A Würth Elektronik 490107671012 jelű IDC csatlakozóját 10 párosítási ciklusra tervezték és két közvetlen nyomtatott áramköri furatmintával rendelkezik: egy a prototípusokhoz, egy pedig végtermékekhez használható. (Kép: Würth Elektronik)

• Végezetül a Harting 09332062648 jelű hat érintkezős, 0,14 - 2,5 mm² (AWG 26 - AWG 14) keresztmetszetű vezetékekhez használható, földeléssel ellátott csatlakozója 16 A-en maximum 500 V-ot továbbítani képes érintkezőkkel rendelkezik (4. ábra). Gyakori csatlakoztatásokra/szétválasztásra tervezték, így névleges párosítási ciklusszáma több mint 10 000, mindössze 3 mΩ maximális átmeneti ellenállás mellett.

4. ábra: A Harting 09332062648 jelű nagy terhelhetőségű szerelt csatlakozója a gyártó szerint 10 000-nél több párosítási ciklus során is megtartja 3 mΩ alatti átmeneti ellenállását. (Kép: Harting)

Ezen sor különböző csatlakozó szemlélteti, hogy a gyártók hogyan igazítják hozzá a csatlakozók névleges párosítási ciklusszámát és maximális átmeneti ellenállását a célalkalmazáshoz. Ne feledjük, hogy ezek a számok nem feltétlenül derülnek ki első ránézésre, kizárólag a fizikai méret vagy a megjelenés alapján.

Próbapanel, prototípus és hibakeresés: a csatlakozók életvitele

A tervezési fázisokban egy csatlakozó használata nagyon eltér a végfelhasználási alkalmazásokban betöltött szerepétől. Sok évvel ezelőtt részt vettem egy projektben, amelynél volt egy kártyakeretbe dugaszolt szabványos nyomtatott áramköri kártya is. A hibakeresés során mindenféle titokzatos problémával szembesültünk, és végül kiderült, hogy ennek oka a behelyezési/eltávolítási ciklusok nagy száma volt.

Egy bővítőkártya csökkentette volna a párosítási ciklusok számát, mivel lehetővé tette volna számunkra, hogy „élesben” hozzáférjünk a kártyához, de ez rontotta a jel minőségét. Kezdetlegesen, de hatékonyan úgy oldottuk meg ezt a problémát, hogy levágtuk a kártyakeret felső oldalát és a felső foglalatba helyeztük be a kártyánkat, így hozzá tudtunk férni, miközben a keretben volt. Lényegében működési környezetben mérhettük, kalibrálhattuk és hangolhattuk az analóg csatornákat. Ez a rögtönzött megoldás nekünk bevált, de más projekteknél a legtöbb esetben nem alkalmazható.

Megfelelő kiválasztási módszerekkel a csatlakozókkal kapcsolatos problémák minimalizálhatók

Mit lehet tenni a csatlakozó kiválasztásakor, különösen ha tudjuk, hogy az a tesztfázisban sok párosítási ciklusnak lesz kitéve?

1: Először is el kell végezni a házi feladatot: át kell tanulmányozni az adatlapokat. Különös figyelmet kell fordítani arra, hogy a gyártó hogyan és milyen feltételekre vonatkozólag határozta meg a párosítási ciklusok számát (erre nincs ipari szabvány). Talán az átmeneti ellenállás fog adott értékkel megnőni? Vagy a beillesztési erő? Vagy más?

2: Ha lehetséges bővítőkártyát kell használni (gyakran nem lehet, de előfordulhat, hogy igen).

3: Ha a nyomtatott áramköri kártya szélén található hosszanti érintkezők képezik a csatlakozópár egyik felét, akkor a kártya gyártójával együttműködve meg kell határozni, milyen extra vagy speciális bevonatra van szükség (előfordulhat, hogy a kártyán levő egy vagy két unciányi, galvanizálatlan réz nem fog sokáig jól működni).

4: Ha lehetséges, el kell gondolkodni egy masszívabb kétrészes csatlakozó használatán a nyomtatott áramköri kártya szélén lévő ujjszerű kontaktusok helyett.

5: Ellenőrizni kell, hogy a csatlakozó szállítója sok máshoz hasonlóan kínál-e vastagabb bevonatot a csatlakozó érintkezői számára standard vagy egyedi opcióként (meg kell fontolni, hogy van-e ennek értelme a végső anyagjegyzék szempontjából).

6: A kábelekre vonatkozóan meg kell nézni, hogy van-e lehetőség rövid, könnyen cserélhető „munka” hosszabbító használatára az elsődleges csatlakozó kopásának csökkentése érdekében (5. ábra).

7: Végül azonosítani kell a lehetséges problémákat és meg kell próbálni minimalizálni a párosítási ciklusok számát (ezt természetesen könnyebb mondani, mint kivitelezni).

5. ábra: Előfordulhat, hogy rövid hosszabbító kábelt lehet használni a termékhez rögzített csatlakozó párosítási ciklusai számának minimalizálására. (Kép: Bill Schweber)

Összegzés

A csatlakozók a megadott specifikációjuknak megfelelő használat esetén általában megbízhatóak. Könnyű azonban megfeledkezni a korlátaikról és túllépni a párosítási ciklusokra és más paraméterekre vonatkozó névleges értékeket, különösen a hibakeresési és kiértékelési fázisokban. Ez időszakosan előforduló frusztráló problémákhoz és az áramkör megmagyarázhatatlan viselkedéséhez vezethet. Rá kell szánni az időt, és át kell gondolni, hogy a csatlakozó milyen hatásoknak lesz kitéve ezekben a fázisokban, és megfelelő módszert kell kidolgozni a problémák elkerülésére.

További irodalom:

Közvetlenül dugaszolható IDC csatlakozók használata a szerelés egyszerűsítése és az anyagjegyzék csökkentése érdekében

https://www.digikey.com/en/articles/use-direct-plug-in-insulation-displacement-connectors

Ipari berendezések telepítésének egyszerűsítése konfigurálható UTP csatlakozók használatával

https://www.digikey.com/en/articles/simplify-industrial-equipment-deployment-using-configurable-modular-connectors