Přemýšleli jste někdy v poslední době o spojovacích cyklech konektorů?

Ne, opravdu nejde o žádný přechytralý vtip o tom, jak se konektory, když je ponecháte přes noc o samotě, budou nějak magicky pářit a vytvářet tak svoje nové miniverze či zázračně vypěstovávat nové pozice kontaktů. Namísto toho jde o vážnou věc, která se snadno přehlíží a ignoruje aspoň do té doby, než konstruktér během ladění, dlouhodobého vyhodnocování nebo dokonce v terénu narazí na frustrující následky.

Konektory jsou určeny k zapojování (spojování) a vytahování (rozpojování), to jejich úloha. Ale kolik takových spojovacích cyklů dokáže pár konektorů zvládnout, než se jeho výkon sníží na vysoký odpor a přerušovaný kontakt, což vede k těžko vysledovatelným problémům systému? Na začátku konstruktéři počtu spojovacích cyklů možná moc pozornosti nevěnují, ale tyto počty se přitom mohou pohybovat od nízkých dvouciferných čísel až po tisíce cyklů v závislosti na produktu, jeho uživatelích a aplikaci. Ale tento údaj si pozornost zasluhuje. Zejména ve spotřebitelských aplikacích a při používání konektoru během prototypování a cyklu vývoje.

Dodavatelé uvádějí technické parametry svých konektorů pro určitý počet těchto cyklů. Tyto technické parametry jsou funkcí celkového provedení konektoru, dále provedení kontaktu, materiálu a pokovení a platí pro definovaný rozsah hodnot napětí a proudu. Přesto je snadné tento počet cyklů při zmatcích s laděním a vyhodnocováním návrhu přehlédnout. Následky se mohou pohybovat od zvladatelných, jako je používání větší zásuvné síly, až po frustrující, jako jsou přerušovaná spojení.

Konektory – až příliš často považované za spolehlivé

Fyzický kontakt vypadá dostatečně jednoduchý, ale není. Výkon konektoru se hodnotí podle základních parametrů odporu kontaktu a síly pro spojování/rozpojování a obě tyto hodnoty by měly být nízké a zůstat celou dobu stejné (samozřejmě kromě páru uzamykacích konektorů). Ve většině případů představuje kontakt přesně vytvarovanou kovovou strukturu podobající se prstu. Výjimkou je použití hrany desky plošných spojů jako samčí poloviny spojovacího páru. V provedeních signálu a kontaktu nepracujících s napájením je na kontaktu téměř vždy nanesena vrstva několika mikrometrů (µm) zlata nebo cínu (který je levnější), aby se snížil elektrický odpor, minimalizovala koroze a opotřebení spojovacích ploch. Od fyzicky malého kontaktu s dokonce ještě menší kontaktní plochou se toho žádá hodně.

Kolik spojovacích cyklů je pro konektor potřeba? Odpověď záleží na aplikaci. V některých případech to je nízké dvouciferné číslo, ale v jiných může jít o stovky až tisíce (vzpomeňte si na konektor USB na telefonu). Konektor navržený k řádnému fungování na jednom konci rozsahu počtu cyklů se liší od konektoru na konci tohoto rozsahu svým základním provedením, konstrukcí, materiálem i pokovením. Nevypovídá to o kvalitě konektoru – jde o to vybrat správně podle požadavků.

Příklady pro ukázku diverzity připojení

I jen rychlý pohled na několik zástupců konektorů ukazuje různorodost cyklů a odporů kontaktu, který nabízejí:

• Konektor SM3ZS067U410AMR1000 společnosti JAE Electronics je samičí hranový konektor pro karty se 67 pozicemi, který je kompatibilní se specifikací PCI-SIG M.2. Rozteč kontaktů je 0,020 palce / 0,50 mm (obrázek 1). Je dimenzován na 60 spojovacích cyklů s maximálním odporem kontaktu 55 mΩ.

Obrázek 1: Hranový konektor pro karty SM3ZS067U410AMR1000 společnosti JAE Electronics má kontakty s roztečí 0,50 mm, splňuje specifikaci PCI-SIG M.2 a je dimenzován na 60 spojovacích cyklů. (Zdroj obrázku: společnost JAE Electronics)

• Opakem je konektor UX60A-MB-5ST společnosti Hirose Electric Co Ltd – pravoúhlý zásuvkový konektor mini-B USB 2.0 s povrchovou montáží (5 pozic) určený pro 5 000 cyklů a s maximálním odporem 70 mΩ (obrázek 2).

Obrázek 2: Zásuvka USB UX60A-MB-5ST zaměřená na spotřebitele od společnosti Hirose je dimenzována na 5 000 cyklů a udržuje maximální odpor kontaktu 70 mΩ. (Zdroj obrázku: společnosti Hirose Electric)

• Konektory pro ploché kabely (nazývané také jako konektory posunutí izolace, IDC) – zástupci řady SKEDD 490107671012 společnosti Würth Elektronik se normálně používají v krytu produktu a nevyžadují tolik spojovacích cyklů jako konektory, jsou přístupné uživateli (obrázek 3). Tento konektor s 10 pozicemi je jedinečný v tom, že přímo zapadá do pokovených otvorů desky plošných spojů a není nutné použít komplementární spojovací díl. S dodavatelem určeným vzorem otvorů desky, průměrem a pokovením je pro produkční běh dimenzován na 10 cyklů při 20 mΩ. Společnost Würth také definovala mírně odlišnou a odolnější sadu s počtem cyklů pro prototypování, která hodnotu zvyšuje až na 25 cyklů.

Obrázek 3: Konektor 490107671012 s posunutím izolace od společnosti Würth Elektronik je dimenzován na 10 cyklů a má vyvrtané vzory přímo na PC desku pro prototypy a má dva vyvrtané vzory pro přímé připojení k desce plošných spojů: jeden pro prototypy a druhý pro finální produkty. (Zdroj obrázku: společnost Würth Elektronik)

• A konečně konektor 09332062648 od společnosti Harting se šesti kontakty se spodními pozicemi pro vodiče s průměry od 0,14 do 2,5 mm² (AWG 26 až AWG 14) má kontakty, které dokáží zvládnout až 500 V při 16 A (obrázek 4). Předpokládají se u něj časté cykly spínání a rozpojování a je navržen tak, aby zvládl více než 10 000 cyklů s maximálním odporem kontaktů 3 mΩ.

Obrázek 4: Sestava napájecího konektoru 09332062648 od společnosti Harting je určena k udržení odporu kontaktu pod 3 mΩ po až 10 000 spojovacích cyklů. (Zdroj obrázku: společnost Harting)

Tato škála různorodých konektorů demonstruje, jak dodavatelé přizpůsobují počet spojovacích cyklů a hodnoty maximálního odporu cílové aplikaci. Povšimněte si, že tyto hodnoty nejsou zřejmé z jejich fyzické velikosti nebo vzhledu.

Nepájivé pole, prototyp a ladění: jiný život konektoru

Konektor prochází ve fázi návrhu produktu velmi různorodými scénáři provozu ve srovnání se svou rolí v aplikaci cílového použití. Před mnoha lety jsem se podílel na projektu, ve kterém se používala deska plošných spojů se standardním tvarovým faktorem, která se zapojovala do klece pro karty. Během ladění jsme naráželi na celou řadu záhadných problémů a náhodně jsme zjistili, že je způsoboval vysoký počet cyklů vkládání a vyjímání, které deska na stole podstoupila.

Deska s prodloužením by počty spojovacích cyklů snížila, protože by nám umožnila přístup k desce „naživo“, ale snižovala integritu signálu. Naším poněkud hrubým, ale efektivním řešením bylo vzít klec pro karty, odříznout její horní stranu, vložit naši desku do horního slotu tak, abychom k ní měli přístup, když je v kleci. Mohli jsme tak ve skutečnosti sondovat, kalibrovat a ořezávat analogové kanály, zatímco deska byla v provozním prostředí. Toto improvizované řešení nám fungovalo, ale pro většinu ostatních projektů použít nešlo.

Správná strategie výběru pro minimalizaci problémů s konektory

Co můžete při výběru konektoru udělat, zejména při výběru takového, který bude v testovací fázi podstupovat mnoho spojovacích cyklů?

1: Nejprve si jako domácí úkol nastudujte katalogové listy a věnujte speciální pozornost tomu, jak a za jakých podmínek specifikuje dodavatel počet spojovacích cyklů (neexistuje pro to žádný oborový standard): je určený nárůst odporu kontaktu? Co zásuvná síla? Něco jiného?

2: Je-li to možné, použijte prodloužení (často to možné není, ale někdy přeci jen ano).

3: Pokud používáte hranu desky plošných spojů s jejími konektory jako polovinou páru konektorů, obraťte se na výrobce desky, aby určil, jaký druh speciálního pokovení navíc je potřeba (28 nebo 57 gramů nepokovené mědi, které na desce jsou, nemusí fungovat dobře dlouho).

4: Je-li to možné, zvažte použití odolnějšího dvoudílného konektoru spíše než hranových konektorů desky plošných spojů.

5: Zjistěte, zda dodavatel konektoru nabízí silnější pokovení kontaktu konektoru jako standard nebo jako možnost přizpůsobení, jako to mnozí dodavatelé dělají (také zvažte, zda se to s ohledem na konečný kusovník vyplatí).

6: Pokud jde o kabely, zjistěte, jestli můžete použít krátké a snadno vyměnitelné „švindlovací“ prodloužení, abyste snížili opotřebení primárního konektoru (obrázek 5).

7: A na závěr identifikujte potenciální problémy a pokuste se minimalizovat počet spojovacích cyklů (což se samozřejmě snadněji říká, než udělá).

Obrázek 5: Možná budete moct použít krátký prodlužovací kabel, abyste minimalizovali počty spojovacích cyklů pevného konektoru na produktu. (Zdroj obrázku: Bill Schweber)

Závěr

Konektory jsou obecně spolehlivé, když se používají v rámci svých definovaných technických parametrů. Lze však snadno přehlédnout jejich limity a překročit dané hodnoty spojovacích cyklů i jiné parametry, zejména ve fázích ladění a vyhodnocování. Výsledkem můžou být frustrující problémy s přerušováním kontaktu a nevysvětlitelné chování obvodu. Vyhraďte si čas a promyslete, jak se bude konektor během této fáze používat a připravte si sadu taktik, abyste zabránili problémům.

K dalšímu čtení:

„Používání konektorů posunutí izolace k přímému zapojení ke zjednodušení sestavy a zmenšení kusovníku“

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

„Zjednodušení nasazení průmyslového vybavení pomocí konfigurovatelných modulárních konektorů“

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