Brug direkte plug-in klemmestik til at optimere samling og trimme styklisten

Ingeniører vælger ofte klemmestik (IDC-stik) og deres tilhørende båndkabler til sammenkoblinger af multiple forbindelser på grund af deres høje kontakttæthed, et-trins masseterminering og manglende behov for afisolering af ledningerne. Brugere af IDC-stik antager normalt, at de inkluderer et todelt konnektorarrangement med sammenkoblede han- og hunstik. Disse IDC-stik fås i et bredt udvalg af stilarter (såsom kortmontering eller frithængende), der tilbydes med så få som otte og så mange som 50 positioner (typisk) og bruges med multileder fladbåndkabel.

Mens IDC-stik tilbyder mange fordele, søger designere altid at reducere omkostningerne til dele, trimme styklisten (BOM), forenkle indkøb og optimere monteringsprocessen i et produktionsmiljø. Alle disse mål kan nås i et trin ved at bruge et enkelt IDC-stik til at afslutte fladkablet, samtidig med at det eliminerer behovet for et komplementært sammenkoblingsstik.

Denne innovation, der er i modstrid med "konventionel tænkning" om IDC-stik, bruges i WR-WST REDFIT IDC SKEDD fladkabel IDC-stik fra Würth Elektronik. Det bruger pc-kortet som parringskontakt, hvilket reducerer omkostningerne, forenkler monteringsprocessen og fjerner en linjepost fra styklisten – alt uden at gå på kompromis med ydeevnen. Denne artikel diskuterer kræfterne bag sådanne innovationer med IDC-stik, før WR-WST-stikket introduceres, og hvordan man drager fordel af det.

Hvad er IDC-stik, og hvorfor er de nødvendige?

IDC-stik løser flere problemer ved at muliggøre hurtig og nem afslutning af et antal signal- og strømkabler sammen med hurtig og nem oprettelse og afbrydelse af forbindelsesstien (figur 1). IDC-baserede kabelanordninger bruges meget i mange applikationer, såsom mellem tilstødende pc-kort eller mellem et proces-pc-kort og et relativt fjern brugerdisplay/tastatur. I nogle udformninger bruges fladkablet endda som en fleksibel “bus”, der ikke kun understøtter kabelforbindelser, men også stik, der er placeret langs det fleksible kabel, så andre pc-kort kan forbindes til en fælles sti.

Figur 1: IDC kabelanordninger bruger masseterminerede krympede han og hun sammenkoblingsstik sammen med fladbåndkabler med mange ledninger, såsom denne enhed med 16 ledninger. Båndkablet kan også være monokromt i modsætning til dette regnbueeksempel. (Billedkilde: eBay)

IDC-teknologi blev udviklet for over 50 år siden. Siden den begyndte at blive brugt er den blevet meget udbredt. Der er nu flere forskellige tilgængelige versioner, øget kontakttæthed, flere kontakter pr. stik og andre forbedringer. Som det engelske navn antyder (IDC står for ”insulation displacement connectors”), er IDC-teknologien baseret på princippet om forskydning (displacement) eller skubning til side af noget af isoleringen omkring kabellederne (ledningerne) og oprettelse af en direkte elektrisk forbindelse til kobberet (figur 2). Det er ikke nødvendigt at fjerne isoleringen fra ledningen, da de skarpe metalkanter på kontakterne gennemborer isoleringen for at skabe en gastæt forbindelse.

Figur 2 (top)

Figur 2 (bund)

Figur 2: I et IDC-stik skubbes toppen af stikket ned for at krympe kontakterne samtidigt og gennemtrænge isoleringen af alle ledninger i kablet (toppen). Visning af enheden med toppen af stikket fjernet (nederst), der viser kontakterne, der stikker ud gennem isoleringen. (Billedkilde: Jaycar Electronics referencedatablad)

Udviklingen af isolerende materialer, der spalter rent og pænt, men ikke splittes ud over gennemboringszonen, var et af de mange fremskridt, der gjorde massebrug af IDC-stik praktisk. Da ledningen er en af mange i et fladbåndsarrangement, kan mange sådanne afslutninger foretages på samme tid, så IDC-kabler kaldes undertiden ”massetermineringsstik”. De første IDC-stik var begrænset til massive ledninger for pålidelige forbindelser, men tekniske fremskridt udvidede snart også IDC-stik til trådede ledninger.

Der er mange tilgængelige standardversioner af både parrede han- og hunstik. Disse inkluderer stik, der loddes på et pc-kort, såvel som dem, der er frit hængende og afslutter enden af et kabel. På denne måde kan en IDC-kabelanordninger tilsluttes et kortmonteret stik eller til et andet IDC-kabel.

For eksempel, har Würth 61201023021 en dobbelt række, 10 positioner, 2,54 millimeter (mm) benafstand, rektangulært IDC-stik (hun), der krympes på kablet (figur 3). Hvis kablet i stedet har brug for et hanstik, er den komplementære Würth 61201025821 IDC-headerstik tilgængeligt (figur 4). For både han- eller hunstik, er der tilsvarende stik, der monteres på pc-kortet for at afslutte en kabel-til-kort-sti. Bemærk, at selv om dette er 10 positionskonnektorer, strækker Würth WR-BHD header og IDC-stik familien sig ud til stik med 60 positioner.

Figur 3: Würth Elektronik’s 61201023021 IDC har en dobbelt række, 10 bens rektangulært stik (hun), med 2,54 mm benafstand. Det er designet til at blive krympet på et frit hængende fladbåndkabel. (Billedkilde: Würth Elektronik)

Figur 4: Würth 61201025821 IDC headerstik med hanstikben er et supplement til Wurth 61201023021 IDC. (Billedkilde: Würth Elektronik)

IDC-stik og deres fladbåndkabler fås i en lang række positioner og muligheder. Disse inkluderer benafstand på 1,27 mm (0,050 tommer) eller 2,54 mm (0,10 tommer) såvel som antallet af ben. Maksimal strømkapacitet er normalt 1 ampere (A) til 3 A med tilgængelige trådstørrelser fra tynde 0.255 mm (30 AWG) til tungere 0,643 mm (22 AWG). Der er også IDC-stik tilgængelige for DB-xx-forbindelser til de engang så udbredte DB-25, DB-15 og DB-9 størrelser (almindeligt med RS-232-interface).

Nogle industrisegmenter har etableret specifikke IDC-typer, så tilsluttede enheder fra forskellige producenter er omskiftelige. For eksempel inden for den personlige computer findes følgende almindelige standarder:

• 3,5 tommer IDE stationær computer harddiskdrev: 2,54 mm benafstand, 40 ben, 2 × 20 (2 rækker af 20 ben)
• 2,5 tommer IDE notebook computer harddiskdrev: 2,00 mm benafstand, 44 ben, 2 × 22
• SCSI 8-bit: 2,54 mm benafstand, 50 ben, 2 × 25
• SCSI 16-bit: 1,27 mm benafstand, 68 ben, 2 × 34

For alle de ovennævnte stik forbinder computerproducenten typisk et hun-IDC-stik på den ene ende af et båndkabel med et matchende han-kassestik eller header på computerens bundkort. Der er også enkeltkontaktarrangementer, der bruges med enkeltledere i "punchdown”-blokke til telefonledninger. En tekniker kan lave forbindelsen i marken ved hjælp af et specielt værktøj til at skubbe en isoleret ledning mellem de skarpe gaffelterminaler på en enkelt ønsket kontaktplacering.

Gå til IDC-parring i ét stykke

Det kan virke indlysende og endda uundgåeligt, at en IDC-kabelanordning med flere kontakter har brug for et parringsstik, og det har længe været tilfældet. Der er imidlertid en nyere fremgangsmåde, der eliminerer hunstikket, og i stedet bruger pc-kortet som modtagerstik (figur 5).

Figur 5: REDFIT IDC SKEDD-stik fladkabel IDC-familie fra Würth Elektronik tilsluttes direkte til korrekt tilpassede og belagte vias på pc-kortet, hvilket eliminerer behovet for et matchende hun-IDC-stik. (Billedkilde: Würth Elektronik)

Det er princippet for REDFIT IDC SKEDD -stik fladkabel IDC-familien fra Würth Elektronik. Dette stik er forbundet til fladbåndkablet som med ethvert IDC-kabel, men tilsluttes derefter direkte til korrekt tilpassede og belagte huller eller vias (afledt af forkortelsen "vertical interconnect access” eller lodrette adgangspunkter) på pc-kortet. Resultatet er en pålidelig forbindelse til lavere omkostninger med færre kontaktpunkter og færre monteringstrin.

Dette er et loddefrit, reversibelt stik, der kan tilsluttes med hænderne, hvilket betyder, at det kan tages ud uden specialværktøj, i modsætning til visse tryk- eller snap-in-stik, der ikke kan kobles fra uden et specielt værktøj eller stort besvær (figur 6). Det er baseret på en 1,27 mm benafstand, ofte kaldet "halv benafstand", og er tilgængelig med fire til 20 (lige tal) kontakter pr. stik; 10-bens Würth 490107671012 versionen har de repræsentative specifikationer.

Figur 6: REDFIT IDC SKEDD-stikket er et loddefrit, reversibelt IDC-stik, der kan tilsluttes med hænderne, hvilket betyder, at det kan tilsluttes og tages ud uden specialværktøj. (Billedkilde: Würth Elektronik)

REDFIT IDC SKEDD-stikket er målrettet mod applikationer som forbrugerelektronik, solenergisysteminstallationer, industriel elektronik og maskintekniske projekter med ledningsbehov. Sælgeren garanterer ydeevne i mindst 10 parringscyklusser i marken og 25 ved prototypebænken, hvor miljøforholdene er bedre.

Denne klassificeringer passer godt til de mange produkter, der ikke bliver adskilt, undtagen måske for en engangsreparation eller opgradering. Kontaktsmodstanden for det samlede system er specificeret som 10 milliohm (mΩ) med en maksimal strømkapacitet og spændingsklassificering på henholdsvis 1 A og 100 volt. 1,27 mm (28 AWG) kablerne kan fremstilles off-site eller på fabrikken efter behov.

Materialevidenskab får det til at fungere

For at realisere indledende og flere parringscyklusser skal kontaktparterne i REDFIT IDC SKEDD tilpasse sig hinanden, således at der ikke forekommer nogen plastisk deformation af metallet, som det sker ved nogle kontaktdesign. I modsætning hertil består SKEDD-kontakten af to arme, der er forbundet ved deres spids; og de fleksible arme af gaffeltypen forbliver i en elastisk tilstand, selv når de indsættes og forbindelsen etableres, hvilket sikrer en reversibel forbindelse (figur 7).

Figur 7: SKEDD-kontakternes to arme forbliver i elastisk tilstand under og efter indsættelse, hvilket er en nøglefaktor i deres evne til at opretholde kontaktkraft og også kunne fjernes og indsættes igen. (Billedkilde: Würth Elektronik)

Ved afslutningen af indsættelsesprocessen når fjederstivheden af den fleksible SKEDD-kontakt sin højeste værdi. I denne tilstand er kontaktens normale kraft stor nok til at sikre, at der ikke forekommer nogen signalafbrydelse på mere end 1 mikrosekund (µs) på grund af mekanisk belastning.

Det kan synes, at SKEDD-kontakter og teknologi bare er en sofistikeret udvidelse af længe brugt prespasningsteknologi, men dette er slet ikke tilfældet. I prespasningstilgangen presses en massiv stift i det belagte gennemgående hul. Den høje friktionskraft mellem stift og hul skaber en homogen kold svejsning mellem overfladerne og sikrer elektrisk og mekanisk integritet. Imidlertid deformeres det gennemgående hul også under denne presningsproces, og fjernelse af den massive stift afbryder denne forbindelse.

Når man bruger prespasningsteknologi med fleksible snarere end faste stifter, forbliver det gennemgående hul intakt, men selve stiftmaterialet bliver deformeret. Selvom det er muligt at fjerne den fleksible stift, da den mekaniske forbindelse ikke er lige så stærk, som med den massive stift, er selve stiften beskadiget og kan ikke bruges en anden gang.

I modsætning hertil sikrer den elastiske parring og fraværet af plastisk deformation af både kontakten og den belagte via i SKEDD-fremgangsmåden, at forbindelsen kan oprettes igen uden nedbrydning, og dets 4-vejs kontakt forbedrer også pålideligheden (figur 8).

Figur 8: I modsætning til prespasningsteknologi med massive eller fleksible stifter, der deformerer henholdsvis via eller ben, når de indsættes, deformerer SKEDD-kontakten ikke sig selv eller via’en. Dette er kritisk for at sikre en bæredygtig genindsættelse af forbindelsen og dens kontakter. (Billedkilde: Würth Elektronik)

Fordele og muligheder for sammenkobling

I en typisk anvendelse af et konventionelt IDC-kabel passer et kabel med stik i begge ender sammen med tilsvarende plademonterede stik til at forbinde tilstødende pc-kort. Ved hjælp af REDFIT IDC SKEDD-stikket opnår designere flere fordele:

• Det eliminerer behovet for forbindelseskortets stik; det er to dele, der spares, hvis REDFIT IDC SKEDD-stikket bruges i begge ender.
• Da REDFIT IDC SKEDD-stikket kan indsættes i toppen eller bunden af et kort, er der mere fleksibelt for fladbåndkablet og giver relativ kortere afstand og bedre orientering, og det tillader direkte, kortere forbindelser (figur 9).
• Endelig er der en lille vægt og materialebesparelser. Dette er muligvis ikke en faktor i nogle designs, men det kan være betydeligt blandt andre.

Figur 9: Da REDFIT IDC SKEDD-stikket kan indsættes på hver side af pc-kortet, giver det flere muligheder for at placere kablet og for placeringen af tilsluttede kort. (Billedkilde: Würth Elektronik)

REDFIT IDC SKEDD-stikkets plastikhus er en vigtig del af stikkets ydelse. Huset har to styrestifter med lidt forskellige diametre ved modsatte hjørner for at sikre korrekt parringsorientering og for at forhindre omvendt polaritetsfejl i enheden (figur 10). Husmaterialet er en plastik, der er modstandsdygtig over for høje temperaturer (nominel -25 °C til +105 °C), og opfylder UL94 V-0 standarden for brændfarlighed. Det har også overlegen kemikaliebestandighed og har en lav termisk ekspansionskoefficient for at minimere fejl på grund af termiske cyklusser.

Figur 10: Styrestifterne med let forskellige diametre i modsatte hjørner af stikhuset forhindrer indsættelse af stikket i modsat position. (Billedkilde: Würth Elektronik)

For at forhindre intermitterende kontakter på grund af vibrationer er der ud over de fire kontaktpunkter i hver stift to små friktionslåse på hver plastkortstyr, der fungerer som et passivt låsesystem. Resultatet er en værktøjsfri afslutning, som selv låses ved indsættelse og vil opretholde en levedygtig forbindelse, indtil den afbrydes med hånden.

Specifikationer for kortfremstilling er fuldt defineret og let opfyldt

Korrekt fremstilling af pc-kortets via’er er nødvendigt for en vellykket og effektiv brug af REDFIT IDC SKEDD-stikket. Dette er imidlertid ikke et problem, da de kritiske krav svarer til dagens standardspecifikationer for pc-kort. Via fabrikationen kræver ikke specielle trin eller yderligere pc-kort tolerancepræcision ud over, hvad der normalt kræves.

Den dimensionelle tegning fremhæver pc-kortets layout for hele konnektor- og hulsdimensionen, samt tilhørende tolerancer for de færdige vias i et produktionskort (figur 11). Bemærk, at for prototypetest og fejlsøgning, hvor der ofte kræves flere indsættelses-/fjernelsescykler, tilbydes et bredere tolerancemønster.

Figur 11: De specificerede dimensioner og tolerancer for produktions-pc-kortets hul-layout og størrelser for at acceptere REDFIT IDC SKEDD-stikket såvel som tolerancer, er i overensstemmelse med moderne kortfabrikationsstandarder (til venstre). Det modificerede boremønster til fejlsøgningsapplikationer har lidt løsere tolerancer og muliggør flere indsættelses-/fjernelsescyklusser (til højre). (Billedkilde: Würth Elektronik)

Konklusion

IDC-kabelanordninger og -systemet i to dele er blevet brugt i mange år og er vist sig at være en værdifuld, vidt brugt sammenkoblingsmetode til brug med flere ledninger. Nu tilbyder REDFIT IDC SKEDD-stikket af IDC-familien fra Würth Elektronik i ét stykke et alternativ, der eliminerer behovet for det parrende IDC-hunstik. I stedet kan hanstikket tilsluttes/fjernes direkte på pc-kortet med hånden. Derved reduceres omkostningerne, styklisten trimmes, det fjerner en anden kilde til potentielle intermitterende kontaktfejl og tilbyder yderligere muligheder for kabelføring og kortarrangement.

Relaterede DigiKey video- og træningsmoduler

Würth Elektronik, REDFIT IDC SKEDD-stikløsninger

Würth Elektronik, REDFIT IDC–SKEDD-stik fra Würth Elektronik eiSos

Referencer

1. ”Jaycar Electronics referencedatablad” (Internet Archive Wayback Machine)
2. ”Insulation-displacement connector” (Wikipedia)