V-ați gândit recent la ciclurile de cuplare a conectorilor?

Nu, asta nu e o glumă șmecheră despre conectorii dvs. care, rămași singuri noaptea, vor da naștere ca prin magie la noi mini-versiuni ale lor sau vor crește noi poziții de contact. În schimb, este o problemă serioasă care poate fi omisă și ignorată cu ușurință până când proiectantul se lovește de consecințele frustrante ale acesteia în timpul depanării, evaluării pe termen lung sau chiar pe teren.

Conectorii sunt proiectați pentru a fi conectați (cuplați) și deconectați (decuplați) – acesta este rolul lor. Dar la câte astfel de cicluri de cuplare poate rezista perechea de conectori înainte ca performanța să scadă odată cu creșterea rezistenței sau în cazul contactelor intermitente, ducând la probleme de sistem greu de detectat? Proiectanții poate că nu se vor gândi prea mult la evaluările unui conector pentru ciclurile de cuplare, care pot varia de la valori mici cu două cifre, până la mii de cicluri, în funcție de produs, de utilizatori și de aplicație. Totuși, ar trebui să se gândească la asta. În special pentru aplicațiile de consum și pentru cazurile în care se folosește un conector în timpul ciclului de prototipare și dezvoltare.

Furnizorii oferă specificații pentru conectorii lor, pentru un anumit număr de astfel de cicluri. Aceste specificații reprezintă o funcție a proiectării generale a conectorului, precum și a tipului de contact, materialului și placării, și a intervalelor definite de tensiune și curent. Totuși, acest număr de cicluri poate fi depășit cu ușurință în cadrul procesului complex de depanare și evaluare a proiectării. Consecințele variază de la cele gestionabile, cum ar fi forța de inserare crescută, la cele frustrante, precum conexiunile intermitente.

Conectorii: de prea multe ori sunt luați de buni

Contactul fizic arată destul de simplu, deși nu este. Performanța conectorilor include parametrii de bază pentru rezistența la contact și forța de cuplare/decuplare; ambele trebuie să fie scăzute și să rămână scăzute (desigur, cu excepția cazului în care este vorba despre o pereche de conectori cu blocare). În majoritatea cazurilor, contactul este o structură ca un deget metalic, format cu precizie. O excepție este utilizarea marginii plăcii cu circuite imprimate pe post de jumătate de conectare tip tată. Pentru proiectele de contacte de semnal care nu implică manipularea energiei, contactul este aproape întotdeauna placat cu câțiva micrometri (µm) de aur sau staniu (mai puțin costisitor) pentru a reduce rezistența electrică, a minimiza coroziunea și a face suprafețele de cuplare rezistente la uzură. Acestea sunt cerințe mari pentru un contact fizic mic, cu o suprafață de contact și mai mică.

Câte cicluri de cuplare sunt necesare pentru un conector? Răspunsul depinde de aplicație. În unele cazuri, este vorba de câteva zeci de cicluri, dar pot fi și sute și mii (gândiți-vă la conectorul USB de pe telefonul dvs.). Un conector conceput pentru a funcționa corect la un capăt al intervalului de cicluri este diferit în ceea ce privește proiectarea de bază, construcția, materialul și placarea, comparativ cu unul pentru celălalt capăt al intervalului. Acest lucru nu denotă calitatea conectorului; este o funcție a faptului că este adaptat în mod corespunzător la cerințe.

Exemple care arată diversitatea conectivității

O scurtă prezentare a unor conectori reprezentativi arată gama de cicluri și rezistențe de contact pe care le oferă:

• JAE Electronics SM3ZS067U410AMR1000 este un conector mamă pentru marginea plăcii, cu 67 de poziții, compatibil cu specificația PCI-SIG M.2, cu un pas între contacte de 0,020 inch (in.)/0,50 milimetri (mm) (Figura 1). Acesta este evaluat la 60 de cicluri de cuplare cu o rezistență maximă de contact de 55 miliohmi (mΩ).

Figura 1: Conectorul pentru marginea plăcii SM3ZS067U410AMR1000 de la JAE Electronics are contacte cu un pas de 0,50 mm, respectând specificația PCI-SIG M.2, și este evaluat pentru 60 de cicluri de cuplare. (Sursă imagine: JAE Electronics)

• În schimb, UX60A-MB-5ST de la Hirose Electric Co Ltd, un conector de soclu USB 2.0 mini-B cu montare pe suprafață, în unghi drept (5 poziții), este specificat pentru 5000 de cicluri și o rezistență maximă de 70 mΩ (Figura 2).

Figura 2: Soclul USB UX60A-MB-5ST de la Hirose, destinat consumatorilor, este evaluat pentru 5000 de cicluri, menținând o rezistență de contact de maximum 70 mΩ. (Sursă imagine: Hirose Electric)

• Ca și conectori de cablu plat tip panglică (numiți și conectori cu deplasarea izolației, sau IDC), membrii familiei 490107671012 SKEDD de la Würth Elektronik sunt utilizați în mod normal în interiorul carcasei produsului și nu necesită la fel de multe cicluri de cuplare ca un conector care poate fi accesat de utilizator (Figura 3). Acest conector cu 10 poziții este unic prin faptul că se potrivește direct în orificiile placate din placa de circuite imprimate, în loc să necesite utilizarea unei piese de cuplare complementare. Utilizând modelul de orificii, diametrul și placarea plăcii specificate de furnizor, acesta este evaluat pentru 10 cicluri la 20 mΩ pentru seriile de producție. De asemenea, Würth definește un set de numere ușor diferit, mai robust, pentru prototipare, care crește această evaluare până la 25 de cicluri.

Figura 3: Conectorul cu deplasarea izolației 490107671012 de la Würth Elektronik este evaluat pentru 10 cicluri și are două modele de orificii pentru conectare directă pe placa de circuite imprimate: unul pentru prototipuri și unul pentru produsele finale. (Sursă imagine: Würth Elektronik)

• În final, conectorul Harting 09332062648 cu șase contacte și poziție de masă pentru fire cu diametre de la 0,14 la 2,5 mm² (AWG 26 la AWG 14), are contacte care pot accepta până la 500 volți la 16 A (Figura 4). Presupunând cicluri de conectare/deconectare frecvente, acesta este proiectat să reziste la peste 10.000 de cicluri cu o rezistență maximă a contactelor de numai 3 mΩ.

Figura 4: Ansamblul de conectori de alimentare 09332062648 de la Harting este specificat pentru a menține rezistența de contact sub 3 mΩ până la cel puțin 10.000 de cicluri de cuplare. (Sursă imagine: Harting)

Această serie de conectori separați demonstrează modul în care furnizorii își adaptează ciclurile de cuplare și rezistențele maxime ale conectorilor în funcție de aplicația țintă. Rețineți că este posibil ca aceste numere să nu fie evidente numai pe baza dimensiunii sau a aspectului lor fizic.

Breadboard, prototip și depanare: o viață diferită a conectorilor

Un conector este supus unui scenariu de funcționare foarte diferit în faza de proiectare a unui produs, comparativ cu rolul pe care îl are în aplicația de utilizare finală. Cu mulți ani în urmă, am fost implicat într-un proiect care folosea o placă de circuite imprimate cu factor de formă standard care se conecta la o carcasă de plăci. Aveam tot felul de probleme misterioase în timpul depanării, despre care am descoperit în cele din urmă că se datorau numărului mare de cicluri de inserție/scoatere la care era supusă placa pe bancul de lucru.

O placă de extensie ar fi redus ciclurile de cuplare, deoarece ne-ar fi permis să accesăm placa „în direct”, dar ar fi degradat integritatea semnalului. Soluția noastră rudimentară, dar eficientă, a fost să luăm carcasa de plăci, să îi tăiem partea de sus și să introducem placa noastră în fanta superioară, astfel încât să o putem accesa în timp ce se afla în carcasă; de fapt, am putut sonda, calibra și ajusta canalele analogice în timp ce placa se afla în mediul său de lucru. Această soluție improvizată a funcționat pentru noi, dar nu este aplicabilă pentru majoritatea proiectelor.

O strategie de selecție corectă poate minimiza problemele legate de conectori

Ce puteți face atunci când alegeți un conector, în special unul care va fi supus unui număr ridicat de cicluri de cuplare în faza de testare?

1: În primul rând, faceți-vă temele: studiați fișele tehnice, acordând atenție deosebită modului și condițiilor în care furnizorul specifică numărul de cicluri de cuplare (nu există un standard industrial): se specifică o creștere a rezistenței de contact? A forței de inserție? Altele?

2: Folosiți un prelungitor, dacă este posibil (de multe ori nu este, dar s-ar putea să fie).

3: Dacă utilizați marginea plăcii de circuite imprimate cu degete ca o jumătate a perechii de conectori, colaborați cu producătorul plăcii pentru a determina ce fel de placare suplimentară sau specială este necesară (este posibil ca partea de cupru neplacat de o uncie sau două a plăcii să nu funcționeze bine pentru mult timp).

4: Luați în considerare utilizarea unui conector mai robust, format din două piese, în locul unor degete pentru marginea plăcii de circuite imprimate, dacă este posibil.

5: Verificați dacă furnizorul conectorilor oferă o placare mai groasă a contactelor conectorului ca opțiune standard sau personalizată, așa cum fac mulți (în plus, luați în considerare și dacă acest lucru este rentabil pentru lista de materiale finală).

6: În cazul cablurilor, vedeți dacă puteți utiliza o extensie de „trișare” ușor de înlocuit, pentru a reduce uzura conectorului principal (Figura 5).

7: În final, identificați problemele potențiale și încercați să reduceți la minimum ciclurile de cuplare (desigur, acest lucru este mai ușor de spus decât de făcut).

Figura 5: Este posibil să puteți utiliza un cablu de prelungire scurt pentru a minimiza ciclurile de cuplare a conectorului fix la produs. (Sursă imagine: Bill Schweber)

Concluzie

În general, conectorii sunt fiabili atunci când sunt utilizați conform specificațiilor definite. Cu toate acestea, este ușor să le neglijați limitele și să le depășiți valorile nominale pentru ciclurile de cuplare și alți parametri, în special în etapele de depanare și evaluare. Acest lucru poate cauza probleme intermitente frustrante și un comportament inexplicabil al circuitelor. Nu vă grăbiți și gândiți-vă la modul în care va fi utilizat conectorul în această fază și dezvoltați un set de tactici pentru a evita problemele.

Lectură suplimentară:

„Utilizați conectori cu deplasarea izolației cu conectare directă pentru a simplifica asamblarea și a reduce lista de materiale”

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

„Simplificați implementarea echipamentelor industriale utilizând conectori modulari configurabili”

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