Złącza są ważnymi mechanicznymi i elektrycznymi urządzeniami łączącymi pomiędzy różnymi częściami systemu lub pomiędzy systemem a światem zewnętrznym. Wybór typu złącza zależy od wielu czynników, w tym wymagań elektrycznych i mechanicznych, standardów branżowych, użyteczności i produkcji, liczby i rodzaju styków, sytuacji łączenia i braku łączenia, celów w zakresie niezawodności i wymagań prawnych. Jednakże klasyczny korpus złącza D-Sub (ultra mały typ D) jest używany od dziesięcioleci i nadal jest preferowanym złączem w wielu zastosowaniach.
Chociaż wygląd korpusu i układ styków złączy przyciągają wiele uwagi, same styki mają znaczący wpływ na parametry elektryczne i mechaniczne złączy. W miarę jak projekty stają się coraz bardziej złożone, a wymagania aplikacji coraz wyższe, projektanci muszą poznać najnowsze innowacje w technologii styków, aby spełnić odpowiednie standardy i wymagania, szczególnie w zakresie wytrzymałości, siły wstawiania i siły trzymania, rezystancji styku i tolerancji temperatury.
Artykuł ten zawiera krótki przegląd trendów rozwojowych złączy, ze szczególnym uwzględnieniem powodów dalszego stosowania złączy D-sub. Następnie zaprezentowano zaawansowane styki Amphenol Positronic i zademonstrowano, jak można je wykorzystać w celu poprawy wydajności złącza.
USB. Znaczenie złączy Ethernet i D-sub
Chociaż wykorzystanie tradycyjnych interfejsów RS-232 spadło i pojawiają się różne wersje złączy USB i Ethernet, klasyczne 9-pinowe złącze D-sub (powszechnie znane jako DB-9) i inne złącza z szerszej serii złączy D-sub nadal odgrywają kluczową rolę w komunikacji systemów elektronicznych. Powodów ciągłego używania jest wiele. Chociaż USB i Ethernet mogą spełniać wiele wymagań dotyczących połączeń wzajemnych, te dwa powszechnie stosowane typy złączy są interfejsami szeregowymi, a nie interfejsami wieloprzewodowymi. Mogą jednocześnie przesyłać dane i moc, ale mają ścisłe ograniczenia dotyczące typów sygnałów, maksymalnych wartości napięcia i prądu oraz mocy znamionowej.
Pod względem konstrukcyjnym USB i Ethernet nie są w stanie skutecznie obsługiwać wielu niepowiązanych ze sobą sygnałów lub różnych formatów, takich jak interfejsy z wieloma równoległymi ścieżkami stykowymi. Inną ważną kwestią jest to, że konstrukcja standardowych połączeń USB i Ethernet w wielu przypadkach nie zapewnia wymaganego poziomu integralności mechanicznej i elektrycznej oraz wytrzymałości.
Z tych i tych powodów złącza D-sub są nadal szeroko stosowane. Ten typ konstrukcji zewnętrznej pojawił się już w latach pięćdziesiątych XX wieku i ma wiele zalet. Ma funkcję całkowitego ekranowania zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) i zakłóceń o częstotliwości radiowej (RFI), zapewniając szczelną lub prawie szczelną obudowę o solidnej konstrukcji mechanicznej, a jej dwie części dokujące można połączyć ze sobą za pomocą małego górnego drutu. Korpus lub obudowa złącza D-sub ma co najmniej sześć standardowych rozmiarów, co zapewnia elastyczne opcje lokalizacji i typów styków elektrycznych. Oprócz zapewnienia obudów złączy z tym samym typem styków we wszystkich pozycjach styków, sub D-Sub „Combo-D” obsługuje także miksowanie niezależnych styków sygnałowych i mocy w pojedynczej obudowie złącza (rysunek 1, u góry).
Obraz w stylu bardzo małego złącza Combo-D (kliknij, aby powiększyć)
Rysunek 1: Bardzo małe złącze Combo-D obsługuje wiele kombinacji ścieżek sygnału i zasilania (jak pokazano na rysunku); Złącze D-sub przyjmuje standardowe wymiary obudowy i układ styków (jak pokazano na poniższym rysunku). (Źródło obrazu: Amphenol Positronic)
Pojedynczy D-sub może obsługiwać różne standardowe konfiguracje typu mix and match (rysunek 1 na dole). Oferują wersje dwurzędowe o standardowej gęstości i trzyrzędowe o wysokiej gęstości, z opcjami sygnału, zasilania, ekranowania, wysokiego napięcia, termopary i styków światłowodowych.
Innowacja w technologii kontaktowej
Zaletą obudowy D-sub jest ważny wątek w historii złącza, a styki elektryczne i ich właściwości są również kluczem do udanego montażu złącza. Na przestrzeni lat technologia styków wprowadziła wiele ulepszeń w zakresie materiałów, konstrukcji, właściwości elektrycznych i mechanicznych.
Obejmuje to opatentowaną przez firmę Amphenol Positronic technologię styku PosiBand (patent USA nr 7115002). PosiBand wykorzystuje innowacyjną konstrukcję styków, która różni się od tradycyjnej konstrukcji i zapewnia wyższą wydajność w wielu kluczowych parametrach.
Zewnętrzny element dociskowy PosiBand został zaprojektowany tak, aby całkowicie oddzielić mechaniczne i elektryczne działanie połączenia (rysunek 2). Element dociskowy wywiera siłę, aby docisnąć kołek męski do wewnętrznej wnęki, tworząc długą bezpośrednią linię styku elektrycznego, kończąc w ten sposób działanie mechaniczne. Długość przewodu jezdnego można zmieniać, co pozwala projektantom zoptymalizować rezystancję interfejsu połączenia. Solidna i nieuszkodzona okrągła konstrukcja na wejściu może zwiększyć wytrzymałość mechaniczną styków.
Amphenol Positronic PosiBand wykorzystuje opatentowane obrazy projektowe (kliknij, aby powiększyć)
Rysunek 2: PosiBand wykorzystuje opatentowaną konstrukcję, która oddziela mechaniczne i elektryczne działanie połączenia. (Źródło obrazu: Amphenol Positronic)
Zacisk sprężynowy wewnątrz PosiBand (Rysunek 3, po lewej) to mały, ale krytyczny element zespołu i kluczowy czynnik wpływający na jego działanie. Ten sprężysty arkusz stopu berylu i miedzi może generować normalną siłę na styku męskim, zapewniając w ten sposób mocne i niezawodne połączenie stykowe (rysunek 3, po prawej). Jednocześnie spełniając lub przekraczając wymagania wydajnościowe, może również zmniejszyć średnią siłę wstawiania.
Zacisk sprężynowy Amphenol Positronic PosiBand (po lewej) zapewnia obraz normalnej siły w obszarze styku (po prawej)
Rysunek 3: Zacisk sprężynowy PosiBand (po lewej) zapewnia normalną siłę w obszarze styku (po prawej), aby zmaksymalizować powierzchnię styku elektrycznej powierzchni stykowej. (Źródło obrazu: Amphenol Positronic)
Styki podstawowe PosiBand są wykonane z mosiądzu i charakteryzują się doskonałą wydajnością podczas zaciskania przewodów na stykach. Eliminuje również potrzebę wyżarzania materiału, co nie tylko zwiększa koszty, ale może również powodować długoterminowe problemy, jeśli nie będzie się z nim właściwie obchodzić w procesie produkcyjnym.
W porównaniu z tradycyjnymi konstrukcjami styków, system PosiBand zwiększa również powierzchnię styku pomiędzy stykami męskimi i żeńskimi, zapewniając w ten sposób bardziej niezawodną integralność elektryczną. Na poziomie mikro przez interfejs stykowy przechodzi więcej ścieżek elektrycznych. Zwiększenie powierzchni styku zmniejsza możliwość nieciągłości podczas wibracji.
Wbrew intuicji system PosiBand zapewnia większą powierzchnię styku bez zwiększania siły wkładania; Wręcz przeciwnie, konstrukcja PosiBand zapewnia bardziej stałą siłę wkładania, zmniejszając w ten sposób średnią siłę wkładania.
Produkty Positronic zostały wpisane na listę produktów kwalifikowanych (QPL) Agencji Logistyki Departamentu Obrony Stanów Zjednoczonych (DLA), co oznacza, że spełniły wymagania, w tym odpowiednią identyfikację produktu, kwalifikację i okresowe testy walidacyjne. PosiBand jest zgodny ze specyfikacjami SAE AS3902 i MIL-DTL-24308, a także spełnia wyższe wymagania testu separacji styków 40 g zgodnie z normami GSFC S-311-P4/08 i GSFC S-311-P4/10.
Rozmiar styku i rezystancja
Styki PosiBand wykorzystują standardowe rozmiary 20 i 22. Pierwszy z nich ma zastosowanie do przewodów American Wire Gauge (AWG) 20, 22 i 24, natomiast drugi ma zastosowanie do przewodów AWG 22, 24, 26, 28 i 30.
Maksymalna rezystancja styku 22 wynosi 0,005 oma (Ω), natomiast odpowiadająca rezystancja styku 20 wynosi 0,004 oma. Ze względu na niską rezystancję styków, straty I2R są niewielkie, co skutkuje niskim poziomem samonagrzewania, co zapewnia projektantom możliwość wykorzystania styków 22 i 20 do zasilania.
Niektórzy inżynierowie nie rozumieją właściwości termicznych styków lub uwzględniają ten czynnik jedynie na późniejszych etapach projektowania i doboru złączy. Jednakże ciepło pozostaje kluczowym czynnikiem przy ocenie wydajności złącza i systemu. Wzrost temperatury i zależność prądu styków PosiBand 20 (rysunek 4, góra) i 22 (rysunek 4, dół) są całkowicie spójne przy różnych konfiguracjach styków.