Har du tænkt på konnektors koblingscyklusser for nylig?

Nej, det er ikke en vittighed om, hvordan dine konnektorer, hvis de lades alene om natten, på magisk vis vil skabe nye miniversioner af sig selv eller på mirakuløst vis gro nye kontaktpositioner. I stedet er det et alvorligt problem, der let overses og ignoreres, indtil det rammer designeren med frustrerende konsekvenser under fejlfinding, langsigtet evaluering eller endda i marken.

Konnektorer er beregnet til at være tilsluttet (koblet) og ikke tilsluttet (afbrudt), det er deres rolle. Men hvor mange sådanne koblingscyklusser kan konnektorparret tolerere, før ydelsen forringes med høj modstand eller intermitterende kontakter, hvilket fører til systemproblemer, der er svære at finde? Designere tænker muligvis ikke meget over en konnektors klassificeringer for koblingscyklusser indledningsvis, der kan variere fra lave tocifrede numre til tusindvis af cyklusser afhængigt af produktet, dets brugere og applikationen. Men det burde de. Især til forbrugerapplikationer og ved brug af en konnektor under prototyping og i udviklingsfasen.

Leverandører angiver specifikationer for deres konnektorer i et antal af sådanne cyklusser. Disse specifikationer er en funktion af det overordnede konnektordesign samt kontaktdesign, materiale og belægning og inden for definerede spændings- og strømværdier. Alligevel er det let at overskride dette cyklustal når man kæmper med designfejlfinding og -evaluering. Konsekvenserne spænder fra håndterbare, såsom øget indføringskræft, til frustrerende, såsom intermitterende forbindelser.

Konnektorer tages ofte for givet

Den fysiske kontakt ser enkel nok ud, men det er den ikke. Konnektorens ydeevne inkluderer de grundlæggende parametre for kontaktmodstand og tilsluttende/afbrydende kraft, som begge skal være lave og forblive sådan (medmindre det er et låsende konnektorpar, selvfølgelig). Kontakten er i de fleste tilfælde en præcist dannet metalfingerlignende struktur. En undtagelse er at bruge pc-kortets kant som den koblede han-del. For ikke-effekthåndterende signalkontaktdesign er kontakten næsten altid belagt med et par mikrometer (µm) guld eller tin (billigere) for at reducere elektrisk modstand, minimere korrosion og modstå slid på de koblede overflader. Det er store forventninger for en fysisk lille kontakt med et endnu mindre kontaktområde.

Hvor mange koblingscyklusser er nødvendige for en konnektor? Svaret afhænger af applikationen. I nogle tilfælde er det i de lave tocifrede antal, men det kan også være i hundredvis og tusindvis (tænk på USB-stikket på din telefon). En konnektor designet til at fungere korrekt i den ene ende af cyklusområdet er anderledes i grundlæggende design, konstruktion, materiale og belægning end en der er designet for den anden ende. Det er ikke en refleksion over konnektorens kvalitet; det er en funktion af at blive korrekt tilpasset kravene.

Eksempler viser mangfoldigheden af tilslutningsmuligheder

Et kort kig på nogle repræsentative konnektorer viser rækkevidden af cyklusser og kontaktmodstande, de tilbyder:

• JAE Electronics SM3ZS067U410AMR1000 er en 67-bens, hun-kortkantkonnektor, der er kompatibel med PCI-SIG M.2-specifikationen, med en kontaktafstand på 0,020 tommer (in)/0,50 millimeter (mm) (figur 1). Den er klassificeret til 60 koblingscyklusser med maksimal kontaktmodstand på 55 milliohms (mΩ).

Figur 1: SM3ZS067U410AMR1000-kortkantkonnektor fra JAE Electronics har kontakter med en benafstand på 0,50 mm, der opfylder PCI-SIG M.2-specifikationen, og er klassificeret for 60 koblingscyklusser. (Billedkilde: JAE Electronics)

• I modsætning hertil er Hirose Electric Co Ltd UX60A-MB-5ST, et overflademonteret, retvinklet, mini-B USB 2.0-stik (5-position), specificeret til 5000 cyklusser og 70 mΩ maksimal modstand (figur 2).

Figur 2: UX60A-MB-5ST forbrugerfokuseret USB-stik fra Hirose er klassificeret til 5000 cyklusser, samtidig med at den maksimalt opretholder 70 mΩ kontaktmodstand. (Billedkilde: Hirose Electric)

• Som fladbåndskabelkonnektorer (også kaldet en isolationsfortrængningskonnektor eller IDC) bruges medlemmer af Würth Elektronik’s 490107671012 SKEDD-familien normalt inden i produktkabinetet og kræver ikke så mange koblingscyklusser som et brugervenligt stik (figur 3). Denne konnektor med 10 ben er unikt, fordi det passer direkte ind i belagte huller i pc-kortet frem for at bruge en komplementær koblingsdel. Ved hjælp af det sælgerspecificerede bordhulmønster, diameter og belægning er det vurderet til 10 cyklusser ved 20 mΩ for produktionsforløb. Würth definerer også et lidt anderledes, mere robust sæt tal til prototyper, der øger denne klassificering til 25 cyklusser.

Figur 3: 490107671012 isolationsfortrængnings-konnektoren fra Würth Elektronik er klassificeret til 10 cyklusser og har to direkte til pc-kort boremønstre: En til prototyper og en til slutprodukter. (Billedkilde: Würth Elektronik)

• Endelig har Harting 09332062648 seks-kontakts, jordpositionskonnektor til ledninger med diameter på fra 0,14 til 2,5 mm² (AWG 26 til AWG 14) kontakter, der kan klare op til 500 volt ved 16 A (figur 4). Under forudsætning af hyppige til-/frakoblingscyklusser er den designet til at håndtere over 10.000 cyklusser med kun 3 mΩ maksimal kontaktmodstand.

Figur 4: 09332062648 strømkonnektor fra Harting er specificeret til at opretholde kontaktmodstand under 3 mΩ op til mindst 10.000 koblingscyklusser. (Billedkilde: Harting)

Denne vifte af forskellige konnektorer demonstrerer, hvordan leverandører skræddersyr deres konnektor-koblingscyklusser og maksimale modstandsklassificeringer til målanvendelser. Bemærk, at disse tal muligvis ikke kun er tydelige ud fra deres fysiske størrelse eller udseende.

Breadboards, prototype og fejlfinding: Et andet konnektorliv

En konnektor støder på et meget anderledes driftsscenario i en produktdesignfase sammenlignet med dets applikationsrolle til slutbrug. For mange år siden var jeg involveret i et projekt, der brugte et standard formfaktor pc-kort, der blev tilsluttet en kortramme. Vi havde alle mulige mystiske problemer under fejlfinding, som vi til sidst opdagede skyldtes det store antal indsættelses-/frakoblingscyklusser, kortet gennemgik på bænken.

Et forlængerkort ville have reduceret koblingscyklusserne, da det ville have givet os adgang til kortet "live", men det forringede signalintegriteten. Vores grove, men effektive løsning var at tage kortrammen, afskære oversiden og indsætte vores kort i det øverste slot, så vi kunne få adgang til det, mens det var i rammen; faktisk kunne vi probe, kalibrere og trimme de analoge kanaler, mens det var i sit arbejdsmiljø. Den improviserede løsning fungerede for os, men den kan ikke anvendes på de fleste andre projekter.

Den rigtige udvælgelsesstrategi kan minimere problemer med konnektorer

Hvad gør du, når du vælger en konnektor, især en konnektor, der vil blive udsat for mange koblingscyklusser i testfasen?

1: Gør først dit hjemmearbejde: Undersøg datablade med særlig opmærksomhed på, hvordan og under hvilke betingelser sælgeren angiver antallet af koblingscyklusser (der er ingen branchestandard): Er der en specificeret stigning i kontaktmodstand? Indføringskræft ? Andet?

2: Brug en forlænger, hvis det er muligt (det er det ofte ikke, men kan være det).

3: Hvis du bruger pc-kortets kant med fingre som den ene halvdel af konnektorparret, kan du arbejde med kortfabrikanten for at afgøre, hvilken slags ekstra eller speciel belægning der er nødvendig (kortets et eller to ounce ubelagt kobber fungerer muligvis ikke godt over lang tid).

4: Overvej at bruge et mere robust todelt stik i stedet for pc-kortets kantfingre, hvis det er muligt.

5: Kontroller, om konnektorforhandleren tilbyder tykkere kontaktbelægning som en standard eller tilpasset mulighed, som mange gør (overvej også, om det giver mening for den endelige stykliste).

6: For kabler, se om du kan bruge en kort, snydeforlænger, der let kan udskiftes, for at reducere slid på det primære stik (figur 5).

7: Identificer til slut de potentielle problemer, og prøv at minimere koblingscyklusser (selvfølgelig lettere sagt end gjort).

Figur 5: Du kan muligvis bruge et kort forlængerkabel til at minimere koblingscyklusser for det faste stik på produktet. (Billedkilde: Bill Schweber)

Konklusion

Konnektorer er generelt pålidelige, når de bruges inden for deres definerede specifikationer. Det er dog let at overse deres grænser og overskride deres klassificering for koblingscyklusser og andre parametre, især i fejlfindings- og evalueringsfasen. Resultatet kan være frustrerende intermitterende problemer og uforklarlige fejl i kredsløbet. Tag dig tid til at tænke over, hvordan stikket vil blive brugt i denne fase, og udvikl et sæt taktikker for at undgå problemer.

Yderligere læsning:

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

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

"Forenkling af implementering af industriudstyr ved hjælp af konfigurerbare modulære stik"

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