3. Hogyan válasszunk csatlakozót elektronikai berendezések tervezésekor?
objektív és szubjektív tényezők
Mit értek elektronikai berendezés alatt?
Miden olyan készülék/berendezés/rendszer tervezőjéhez szólok, amelynek működése során villamos jelátvitel történik – legyen az gépészeti-, vegyészeti-, orvostechnikai- vagy akár űrkutatási célú eszköz.
A kiválasztás szempontjai alapvetően két csoportba sorolhatók – vannak teljesen objektív és erősen szubjektív tényezők. Lássuk most ezeket néhány saját megjegyzéssel:
Az OBJEKTÍV (elsősorban műszaki-) tényezők közül először el kell dönteni,
- hogy az alkalmazási körülmények milyen szabványoknak való megfelelést írnak elő, vagy ha szabvány nem is írja elő, meg kell gondolni milyen környezeti követelményeknek kell megfelelni – például egy hagyományos savas ólomakkumulátor vele egy légtérben elhelyezett töltőberendezés alkatrészeinek. Néhány olyan terület, ahol szigorú előírások vonatkoznak nemcsak a teljes berendezésre, de a beépített alkatrészekre vagy tartozékok anyagaira, sőt a gyártás során használt szerszámokra, technológiai környezetre is: autóipar, vasúti járművek, repülőgépek, hajók, orvostechnikai berendezések, mélytengeri alkalmazások, űripar, bányászat, olaj és földgáz kutak, geodézia, vegyipar, gyógyszeripar…
- védettség
– hagyományosan ezalatt a por- és nedvesség elleni védettségről beszélünk (IPXX),
azonban a tokozatoknál és kapcsolóknál használatos ütésállóság fogalom (IKXX) megjent a csatlakozók kapcsán is.
– ha a katalógus erre nem is tér ki, mindig tisztázni kell, hogy az IPXX védettség egy csatlakozónál csak csatlakoztatott állapotban igaz-e, vagy csatlakoztatatlanul is. Sok csatlakozóhoz kapható védősapka, mely a helyére téve biztosít valamiféle védettséget, de csak a helyére téve. Többségükhöz kapható a rendeltetési hely közelébe rögzítés célját szolgáló lánc vagy hasonló, de ez csak az elvesztés ellen véd, nem teszi a sapkát a helyére! Léteznek rugósan, automatikusan záródó fedelek, ezek azonban szerényebb védelmet nyújtanak.
– itt kell még gondolni az esetleges EMI/RFI árnyékolás szükségességére is
– meg kell gondolni, hogy az alkalmazás felvet-e ütés- vagy rezgésállósági kérdéseket. Ez egy asztali számítógép esetében talán nem lehet kritikus, de egy termelő gépre szerelhető ipari számítógépben, vagy a járműelektronikában már igen – sőt az űrkutatáshoz, műholdakhoz csatlakozókat ajánló cégek katalógusában már akár 50g ütés- és 20g rezgésállóság szerepel a specifikációban.
2005-ben egy korábbi IEC szabvány fogalmainak alkalmazásával kezdtek foglalkozni a különböző védettségi szempontok egy közös (közösített) specifikációval történő leírásával – így született a MICE concept.
A Mechanical, Ingress, Climate és EMC követelményeket három kategóriába sorolták, úgymint Office(1), Light industrial(2) és Heavy industrial(3), a csatlakozók környezetállóságát egy pl. M1I3C2E2 kifejezéssel leírhatják. Én eddig csak Ethernet csatlakozók specifikálásánál találkoztam a MICE concept alkalmazásával. - környezeti hőmérséklet
néhány érdekes példa: Space (-180…+380 C), Gas Turbine (-55…+1200 C), gépjármű utastér (-40…+85 C), de tetőtér +125C, motortér +150-175C! - üzemi feszültség/átütési feszültség/kúszóáram út
- áram
– a gyártók általában érintkezőnkénti terhelhetőséget adnak meg, de nem mindegy, hogy ez az áram egyszerre a csatlakozó valamennyi érintkezőjén átfolyhat, vagy például egy négyérintkezős csatlakozón a négyből egyszerre csak kettő
– nem szabad figyelmen kívül hagyni, hogy a csatlakozók áramterhelhetősége hőmérsékletfüggő
– a gyártók többsége katalógusában közzéteszi ezt a diagramot, miközben a csatlakozón átfolyó áram a csatlakozó átmeneti ellenállásán ugyancsak hőt termel
– vezetékbekötéses csatlakozóknál általában gyári adat az alkalmazható vezetékkeresztmetszet, ez azonban gyakran a megadott maximális áramhoz mérve szerénynek tűnik. Mindig meg kell gondolni, hogy a tényleges terhelőáramból és alkalmazandó vezeték/kábel szerkezete/keresztmetszetéből adódó áramsűrűség, valamint az adott vezetékhosszon keletkező feszültségesés elfogadható-e
– PCB csatlakozók pad kiképzése és az odavezető fólia keresztmetszete kapcsán a fentiekhez hasonlóan kell eljárni
– nem szabad elfelejteni, hogy a csatlakozó nem kapcsoló! Teljesítményérintkezők előtt – különösen a DC alkalmazások, induktív vagy kapacitív terhelés esetén – a terhelésnek megfelelően választott kapcsoló alkalmazásával kell gondoskodni a terhelésmentes csatlakoztatásról.
– elektronikai berendezések tervezésekor előfordul, hogy gondoskodni kell modulok, kártyák meleg ki/be csatlakoztatásának lehetőségéről – itt segít az előlmenő érintkezők (voreilender Kontakt/leading contact) alkalmazása. Ezt csatlakozógyártók általában hosszabb dugóérintkezővel oldják meg. - frekvencia/jelátviteli sebesség
- az átvitel módja optika/réz
az utóbbi évtizedekben mind több csatlakozógyártó portfoliójában szerepelnek az optikai jelátvitel csatlakozói mind PCB-, mind készülék-, mind kábel-kábel szinten – a továbbiakban elsősorban a rézvezetők csatlakoztatását biztosító eszközökről lesz szó - a csatlakozó és a rézvezető kapcsolata
– nyomtatott áramköri csatlakozók első generációjának lábai – a többi alkatrészhez hasonlóan – a nyák furatába illeszkedtek s a másik- a forrasztási oldalon lettek beforrasztva. Ez a through hole (TH) technológia, ami sok forrasztástechnológiai fejlesztés után ma is használatos.- A Press-fit (Press-in, Pres-xx…) technológia valójában TH, de a csatlakozó lábak nem forrasztva vannak, hanem az erre a célra kitalált formájú lábakat bepréselik a lyukgalvanizált furatokba.
Mind a lábaknak, mind a furatoknak (a csatlakozógyártók által előírt) nagyon szigorú méretelőírásoknak kell megfelelni. A katalógusokban/honlapokon általában található a bepréselésre vonatkozó technológiai előírás, egyesek szerszámokat is ajánlanak, sőt ilymódon szerelt back-panel gyártó is akad. Később – talán a 80-as években – a csatlakozókat is utolérte felületszerelés (SMT).
Az SMT rövidítésben a Technology a felületszerelési technológiára utal, az SMD-vel jellemzett Device eszköz SMT módon ültethető. A biztonságos nyákban/nyákon maradás érdekében születtek a vegyes ültetésű csatlakozók: a jelvezetékek egy része, vagy a rögzítési pontok TH, a többi SMT kötésű.
Kerülni kell a tisztán SMD csatlakozók használatát olyan alkalmazásokban, ahol a kábeles ellendarab olyan mozgásra képes, hogy az előbb-utóbb leszakíthatja az ültetett csatlakozót a nyákról (pl. LED-es asztali lámpák táplálása uUSB, vagy hasonló csatlakozóval). Jó példa e gond megelőzésére a jobb mobiltelefonok tápcsatlakozójának rögzítése. Az ú.n. one-pice csatlakozók úgy teremtenek kapcsolatot két nyák között, hogy az egyikbe(-re) TH vagy SMD módon van ültetve, a másikhoz rugózó érintkezőkkel csatlakoznak.
A hengeres változat (pogo-pin) belsejében tekercsrugó van, ez támasztja a másik nyákhoz a hegyes, kúp, gúla, korona alakú érintkezőt. Ezeknek érdekes felhasználása az ültetett vagy ültetetlen nyákok ellenőrzésére szolgáló tűágyak.
A one-pice csatlakozók újabb változata egyik nyákba sincs be-(rá-)forrasztva – mindkét irányban rugózó érintkezők biztosítják a kapcsolatot.
A one-pice módon csatlakoztatott nyákok pozícionálásáról és egymáshoz szorításáról az érintkezők mennyisége, elrendezése és rugóereje figyelembevételével méretezett összeszorító szerkezetről, csavarokról a felhasználónak kell gondoskodni – ehhez lehet találni segítséget a csatlakozógyártók honlapján, katalógusában. - vezetékbekötéses csatlakozók bekötése többnyire
– csavaros-,
– forrasztós-,
– crimp-,
– IDC,
– Splice
– Amplivar
– rugós-szorítós, vagy
– wire-wrap technológiával történik.
Vezetékek méretének jellemzésére az átmérő (mm)/keresztmetszet(mm2) helyett találkozhatunk – főleg amerikai eredetű, vagy oda szánt termékeknél – az AWG (American Wire Gauge) érték megadásával. Az AWG szabvány Amerikában, huzalgyártás 19. század eleji technológiája kapcsán született – végső változata 1957 óta érvényes. Előfordulhat még az AWG másik neve is, a B&S huzalmérték is.
Még a múlt évszázadban létezett a britek által alkotott BWG és SWG szabvány is – ma már egyik sem él. Kevéssé használatos, de előfordul a CMA (Circural Mil Area), ezt többerű vezetékek hasznos keresztmetszetének leírására használják.
Fentiek használatát konverziós táblázatok, diagramok segítik (pl. csatlakozó- és kábelgyártók katalógusa, honlapja).
A csavaros bekötést egyes gyártók kétféle kivitelben ajánlják: vezetékvédelemmel vagy anélkül – a felhasználónak kell ezek közöl választani annak függvényében, hogy flexibilis (többerű) vagy merev (egyerű) vezetéket használ. Flexibilis vezeték vezetékvédelem nélküli csatlakozóba bekötésekor az érvéghüvely alkalmazása kötelező. Az axiális bekötésre (többnyire csavaros) kizárólag flexibilis (fine (DIN EN 60 228-class 5 vagy superfine (-class 6)) használható!
A crimpelhető érintkezők választásánál feltétlenül figyelembe kell venni az alkalmazandó vezeték keresztmetszetét, majd a crimp szerszámot is ezekhez kell (kötelező!) választani. Mindezek figyelembevétele mellett is a crimpelés akkor lesz biztosan megfelelő minőségű, ha olyan fogót választunk, mely csak teljes összenyomás után nyitható ki. A fogók többsége a vezeték már csupaszított (leblankolt) vezető (réz) részét köti az érintkezőhöz, de vannak, melyek az érintkező erre kiképzett részéhez az érszigetelést is megfogják. Az esztergált és stancolt érintkezők crimpelő szerszámai eltérő konstrukciójúak!
A crimpelés minősége a kihúzóerővel mérhető – ennek mértékét (a vezetékkeresztmetszettől függ) szabvány írja elő (DIN EN 60352-2) és célszerű minél gyakrabban ellenőrizni.
Az IDC szigetelésátvágást jelent, ahol az érintkező vezetékfogadó része rugózó V-alakban kivágott lemez. A kivágás belső oldala éles, így az oda bepréselt blankolatlan vezeték szigetelését átvágja, s rugózó tulajdonságából fakadóan a vezetéket a kivágásban tartja. Szigorúan betartandó az – a kivágás mérete által megszabott – alkalmazható vezetékkeresztmetszet. A csatlakozógyártók általában szerszámot is (kézi- vagy asztali prés) ajánlanak a csatlakozók használatához.
IDC csatlakozók elterjedten használatosak szalagkábel-végek feldolgozásához, de vannak szóló vezeték fogadására alkalmasak is. Megjelentek vezetékek nyákrakötését segítő IDC megoldások is: az érintkező a nyákba van forrasztva vagy préselve, a vezetékfogadó rész a nyák felett áll.
A splice kötés egy bilincs segítségével fog össze két vezetéket, vagy egy vezetéket és a csatlakozó ennek megfelelően kiképzett lábát. A technológia hasonló a crimpeléshez. Tömegtermelésben virágkorát a kompakt fénycsövek gyártásában (a fénycső fejrészében az alkatrészek összekötésére használták) élte.
Az Amplivar kötés funkcionálisan valójában csak egy érvéghüvely. Zománchuzalok bekötését segíti: a hüvely/bilincs belső felülete úgy van kiképezve, hogy az a splice technológiához hasonló préseléskor átvágja a zománcszigetelést. Elsősorban transzformátorok, motorok, elektromágnesek tekercselőhuzalának (magnet wire) bekötésére használják.
A rugós vezetékrögzítésnél vannak mind bekötésnél, mind oldásnál szerszámot igénylő megoldások, de vannak, ahol csak oldáshoz kell szerszám.
A wire-wrap technológia (a 70-es években, a sokrétegű back-panel technológia megjelenése előtt rack-ek hátsó huzalozásának elterjedt módszere volt – mára sem halt ki) alkalmazásához a csatlakozók kimondottan erre a célra kiképzett lábakkal kell rendelkezzenek és itt csak az adott csatlakozólábhoz illeszkedő szerszám által meghatározott átmérőjű, merev (egyeres) vezeték alkalmazható.
A csatlakozógyártók a csavaros, rugós és wire-wrap érintkezőket miden esetben a csatlakozótestbe beépítve, a crimp érintkezőket minden esetben külön, a forraszthatókat vagy így vagy úgy szállítják. A külön szállított érintkezőket gyakran külön is kell kiválasztani és rendelni – erre a katalógusok általában felhívják a figyelmet. - érintkezőkiképzés (előállításuk gyártástechnológiája szerint)
Az érintkezők többsége esztergált, lemezből préselt (stancolt) vagy ezeknek hibrid változata. Elsősorban nagysebességű jelátvitelt szolgáló, nagysűrűségű PCB csatlakozókban megjelentek más technológiával előállított érintkezők is. - felületkikészítés
– a csatlakozótest és a csatlakozóház anyag- és felület választását elsősorban az alkalmazási környezet kell eldöntse, erről fent már volt szó- az érintkezők felületbevonatát a fentieken túl a csatlakozón átfolyó áram, a feszültség és az elvárt élettartam (csatlakoztatások száma az átmeneti ellenállás érdemi csökkenése nélkül) figyelembevételével kell eldönteni. Egyes csatlakozógyártók katalógusukban/honlapjukon erre vonatkozó ajánlásokat közölnek. - helyrerögzítés
– a nyomtatottáramköri csatlakozók gyakran csak jelvezetékekhez (-re) forrasztva is a helyükön maradnak, azonban a várhatóan a nyákra nem merőleges igénybevételnek kitetteket (különösen az SMT ültetésűeket) célszerű további TH lábbal, pánttal, csavarral, stb helyben maradásra bírni.
A panelre szerelendő darabok (figyelembe véve a kötelező védettséget) lehetnek
– kívülről, vagy belülről szerelhetők
– csavaros, peremes vagy bepattanó kivitelűek. - csatlakozópárok egymáshoz rögzítése
– a nyomtatottáramköri csatlakozók egymáshoz rögzítése nem szükséges, amennyiben a nyákok egymáshoz – távtartóval, vagy más tartóval – rögzítettek
– cable to PCB esetben kerülni kell olyan csatlakozópárok alkalmazását, ahol csatlakozótestek kiképzése nem tartalmazza az egymáshoz rögzítő funkciót
– cable to cable vagy cable to panel sok lehetőség között kell választani: menetes (egy-vagy többbekezdésű), bajonett vagy revers bajonett, push-pull, breakaway, kengyel, csavar…
Ahol csak lehetőség van rá, keressük a csatlakoztatással eleve reteszelődő megoldást, ami azt jelenti, hogy extra – egyébként dugaszoláskor elfelejthető – tennivaló csak a csatlakozás bontásakor van.
– mágneses összetapadású csatlakozópárral az Apple laptopok tápcsatlakozóinál találkozhatunk. Megjelentek más gyártótól gyűrű alakú mágnessel ellátott csatlakozók, ahol az egyik oldalon az érintkezők pogo (rugózó) pinek egyesével, egymástól különböző átmérőjű körgyűrű mentén helyezkednek el, az ellendarab érintkezői a fentivel azonos átmérőjű aranyozott sík gyűrűk. Ily módon a csatlakozó két oldala az egytengelyűséget megtartva tetszőleges szöghelyzetben is egyértelműen találkozik. Az ilyen csatlakozók alkalmazása különösen előnyös ott, ahol a vakon csatlakoztatás (blind mate) követelmény - tartozékok
– csatlakozóházak (kerek csatlakozóknál szokásos a backshell elnevezés) választásakor az előbb említett rögzítéssel kapcsolatos kérdésen kívül természetesen figyelembe kell venni a védettségi követelményeket, a kábelelvezetés irányát, a kábel/vezetékköteg átmérőjét, valamint a kábelmegfogás és/vagy kábel törésgátlás szükségességét. Kábelátvezetésre kerek csatlakozóknál is szokás a tömszelencék használata – léteznek ezekhez többlyukú gumibetétek is több vezeték vagy kábel átvezetésére. Néhány csatlakozógyártónál hozzáférhetők több kábelnyílással bíró házak is
– nyákra rögzítő csavarok, derékszögű tartók, stb
– védősapkák – figyelni kell a szükséges IPXX fokozatnak megfelelő választásra! (léteznek az elvesztést kizáró lánccal helyhezkötöttek vagy a csatlakozó ellendarabjának eltávolítása esetén rugóval automatikusan záródó kivitelek is)
– színjelzések (egy készülékre szerelt több egyforma megjelenésű csatlakozó megkülönböztetésére)
A műszaki tényezők között kell még beszélni a Hibrid (akár PCB, akár vezetékbekötéses) csatlakozók alkalmazásának lehetőségéről
– egy csatlakozótesten belül többféle érintkező van (mixed layout)
– egy csatlakozóházon belül többféle csatlakozómodul van (modular, ipari és PCB)
A csatlakozó műszaki specifikálása után még szintén objektívnek tekintendő szempont annak rögzítése, hogy milyen mennyiségben és mikor van szükség a csatlakozóra.
Ezek után kerülhet sor a gyártó és a kereskedő kiválasztására – ezek már szubjektív tényezők.
soon…