Tehniskā dokumentācija: Savienotāju izturība
Neatkarīgi no tā, vai runa ir par aviāciju un kosmosa nozari, rūpniecisko automatizāciju, transportu vai veselības aprūpi: savienotājiem vienmēr jānodrošina uzticama signāla pārraide, un tie nekādos apstākļos nedrīkst atteikties. Tajā pašā laikā tie ir pakļauti virknei vides radītu slodžu: mehāniskas ietekmes, piemēram, triecieni, vibrācijas un svārstības, apdraud datu pārraides stabilitāti, tāpat kā termiskas un ķīmiskas vides ietekmes, ko rada ekstremālas temperatūras, stipras temperatūras svārstības, kaitīgas gāzes, mitrums un netīrumi. Tāpēc augstas kvalitātes savienotāju ražotāji izmanto visdažādākās iespējas, lai pasargātu savus savienotājus no šīm slodzēm.
Izturība, neskatoties uz miniaturizāciju
Mūsdienu elektrotehnika vairāk nekā jebkad agrāk ir pakļauta vienai tendencei: miniaturizācijai. Moduļiem un to komponentiem ne tikai jābūt arvien jaudīgākiem, bet arī arvien mazākiem. Tomēr tie bieži tiek izmantoti nelabvēlīgos reālos apstākļos. Tāpēc detaļas, piemēram, savienotāji, pie nemainīgas slodzes kļūst arvien smalkāki. Tomēr kvalitatīvs savienotājs šim stresam ne tikai iztur tikpat labi kā savs vecākais un lielākais brālis, bet pat labāk. Iemesls tam ir uzlabojumi materiālu sastāvā, kā arī produkta dizainā, piemēram, izolācijas korpusa ģeometrijā (1. att.).
Ietekmējošais faktors – virsma
Savienotāja izturību ietekmē daudzi faktori. Viens no tiem ir kontaktu virsma. Tā būtiski nosaka savienotāja kalpošanas ilgumu, ko parasti mēra savienošanas ciklos. Ekspluatācijas apstākļos savienotājs ir pakļauts noteiktām mikrokustībām. Tās izraisa virsmas nodilumu un, kā rezultātā, oksīda veidošanos (2. att.).
Rezultātā palielinās pārejas pretestība, kas savukārt pasliktina signāla pārraides kvalitāti. Tāpēc ir svarīgi, izmantojot augstas kvalitātes un izturīgu kontaktu pārklājumu, līdz minimumam samazināt virsmas nodilumu savienošanas procesā un ekspluatācijas laikā. Lai to panāktu, gan asmens, gan atsperes kontaktam jābūt atbilstoši gludai virsmai. Neskatoties uz pieaugošajām cenām, zeltu tā korozijas izturības un izcilās vadītspējas dēļ joprojām labprāt izmanto virsmu pārklājumiem. Tā kā tīrs zelts ir mīksts, to leģē ar 0,2–0,3 procentiem kobalta vai niķeļa, tādējādi iegūstot cietu zeltu. Tomēr, ja meklējat cenu ziņā stabilāku alternatīvu šai pārklājuma struktūrai, varat izmantot, piemēram, niķeļa un fosfora sakausējumu ar zelta pārklājumu. Noteiktās proporcijās kombinēti šie abi materiāli uzrāda tās pašas pozitīvās īpašības, kas piemīt arī zeltam: augstu izturību pret koroziju, izteiktu nodilumizturību un izcilu vadītspēju. Lai novērstu difūziju starp kontaktmateriālu un virsmas pārklājumu, bieži tiek izmantota tā saucamā niķeļa barjeras slānis. Ar šīs barjeras palīdzību var novērst koroziju.
Ietekmējošais faktors – kontaktu izvietojums
Savienotāja kontakti tiek izstampāti vai izgriezti. Izstampājot, tomēr izstampātās lentes apakšpusē veidojas nevienmērīga, asu malu virsma, kas redzama zem mikroskopa. Parastās sistēmas veido kontaktu uz šīs izstampētās malas, kas rada pastiprinātu virsmas nodilumu un tādējādi arī lielāku pārejas pretestību. To var novērst, ja izstampēto spraudni tā saucamajā izstampēšanas-liekšanas procesā saliec par 90 grādiem, lai tā ar gludu, velmētu virsmu saskartos ar asmens kontaktu (3. att.).
Tomēr ne tikai kontaktjoslas dizains, bet arī asmens joslas dizains ir izšķirošs savienotāja ilgmūžībai. Jo arī pēdējai ir jābūt precīzi izstampētai un apstrādātai, lai izvairītos no bojātām, asām ģeometrijām.
Tomēr ne tikai kontaktjoslas dizains, bet arī asmens joslas dizains ir izšķirošs savienotāja ilgmūžībai. Jo arī pēdējai ir jābūt precīzi izstampētai un apstrādātai, lai izvairītos no bojātām, asām ģeometrijām.
Ietekmējošais faktors – kontaktu sistēma
Klasiskajiem divdaļīgajiem savienotājiem ir asmens kontakts un atsperes kontakts. Tomēr spēcīgas trieciena ietekmes gadījumā asmens sloksne var atdalīties no atsperes sloksnes. Lai novērstu šādu kontaktu pārtraukumu, var izmantot divpusēju atsperes sloksni, kas nodrošina redundanci un tādējādi kontaktu drošību, jo otrā atsperes sloksne jebkurā brīdī nodrošina signāla pārraidi vismaz caur vienu kontaktu (4. att.).
Savukārt savienotāji ar tā saukto „dzimumu neitrālo“ kontaktu sistēmu ir vēl izturīgāki. To īpatnība slēpjas identiskajā kontaktu ģeometrijā abām savienotāja pusēm – spraudnim un ligzdai. Abām ir gan atsperes, gan kontaktas. Tādējādi katrs kontakts tiek savienots ar divām atsperēm, turklāt spraudnis un ligzda ir savstarpēji savienoti un nevar atdalīties viens no otra. Kamēr divpusēja atsperu sloksne mehāniskas slodzes apstākļos vienmēr nodrošina vismaz vienu kontaktpunktu, savstarpēji savienotās ģeometrijas dzimumu neitrālās kontaktu sistēmās garantē, ka signāla pārraide vienmēr notiek caur diviem kontaktpunktiem. Šī augstā redundance tādējādi nodrošina maksimālu kontaktu drošību (5. att.).
Pēc izturības rādītājiem šo dzimumu neitrālo kontaktu sistēmu pārspēj vienīgi viengabala savienotāji. Tie pilnībā atsakās no klasiskā divdaļīgā kontaktu principa, kas sastāv no kontaktdakšas un kontaktplates. Tā kā nav neaizsargātas kontaktu zonas, viengabala savienotājiem ir ne tikai vislielākā izturība pret triecieniem, vibrācijām, mitrumu, putekļiem un atmosfēras apstākļiem, bet tie ir piemēroti arī liešanai un citām komponentu aizsardzības metodēm. Kombinācijā ar iespiešanas tehniku tie nodrošina visdrošāko mehānisko un elektrisko savienojumu starp divām platēm (6. att.).
Ietekmējošais faktors – savienojumu tehnika
Ir dažādas iespējas savienotāju piestiprināšanai pie platēm. Viena no tām ir jau minētā iespiešanas tehnika. Tās mērķis ir panākt pēc iespējas lielāku saķeres spēku starp savienotāju un plati, izmantojot pēc iespējas mazāku iespiešanas spēku. Fiksācijas spēki nosaka mehānisko savienojumu, kam savukārt jāiztur triecieni un vibrācijas. Šī savienošanas tehnika ir miljardiem reižu pārbaudīta metode, kurā iespiešanas tapu iespiež caurumā, kas ir caurvīts caur drukātās shēmas plati (7. att.).
Šajā gadījumā iespiešanas tapas diagonāle ir lielāka nekā plašu cauruma diametrs. Savienotāja tapa iespiešanas zonā ir elastīga, lai iespiešanas procesā fizisko spēku ietekmē plašu neizkropļotu. Tādējādi deformācija ir ierobežota tikai ar iespiešanas zonu (8. att.). Starp kontaktspīli un metalizētu plātnes caurumu veidojas aukstā metināšana: gāzes necaurlaidīgs, pret koroziju izturīgs, zemas pretestības un labi elektrovadošs mehānisks savienojums, kas ir piemērots arī liešanai. Turklāt tā ir specifikācijā DIN EN 60352-5 un saglabā drošu kontaktu pat ļoti lielu mehānisku un termisku slodžu gadījumā, piemēram, vibrācijas, lieces un strauju temperatūras svārstību gadījumā, un iztur pat triecienu līdz 200 g.
Pateicoties izcilajām izturības īpašībām un desmit reizes labākam atteices rādītājam (FIT rādītājs) nekā automatizēti lodēti savienotāji, iespiešanas tehnoloģija tiek plaši izmantota augstas drošības lietojumos, kur signāla pārraide nekādos apstākļos nedrīkst tikt pārtraukta, piemēram, gaisa spilvenu sistēmās vai ABS un ESP moduļos.
Pateicoties izcilajām izturības īpašībām un desmit reizes labākam atteices rādītājam (FIT rādītājs) nekā automatizēti lodēti savienotāji, iespiešanas tehnoloģija tiek plaši izmantota augstas drošības lietojumos, kur signāla pārraide nekādos apstākļos nedrīkst tikt pārtraukta, piemēram, gaisa spilvenu sistēmās vai ABS un ESP moduļos.
Tomēr iespiešanas tehnika ne vienmēr ir piemērota, piemēram, ja platīnes jāaprīko abās pusēs vai ja nav iespējams ievērot minimālo attālumu līdz komponentiem spēka virzienā. Tad vēl viena iespēja izveidot uzticamu un izturīgu savienojumu starp savienotāju un plati ir virsmas montāžas tehnoloģija (SMT). Ar lodēšanas pastas palīdzību savienotāji tiek pielodēti uz noteiktām plāksnes savienojuma virsmām, t.i., lodēšanas plāksnītēm. Tikai tā saucamajā reflow krāsnī lodēšanas materiāls tiek kausēts un pēc tam sacietēts. Izmantojot SMT, var izveidot stabilus savienojumus starp savienotāju un plašu. Tomēr tam ir jāizpilda daži kritēriji: pirmkārt, lai nodrošinātu standartam atbilstošu IPC-A-610 lodējuma vietu, ir jāievēro pareizais lodēšanas kājiņas, lodēšanas laukuma un lodēšanas pastas attiecība. Tikai tādā veidā tiek izveidots augstas kvalitātes savienojums, kas ļauj izveidot savienojumu atbilstoši IPC 3. klasei, tātad ir piemērots izmantošanai augstas jaudas elektronikas ierīcēs. Šajā klasē jebkurā brīdī ir jāizslēdz signāla pārraides traucējumi. Optimālu lodējuma savienojumu var atpazīt pēc vienmērīgas meniska veidošanās. Kontaktam visā perimetrā jābūt apņemamam ar lodējuma menisku, lai panāktu labāko saķeri ar plašu (9. att.).
Lai nodrošinātu izcilu savienojumu, ir svarīgi, lai kontaktu kājiņas būtu vienā plaknē. Ja visi šie nosacījumi ir izpildīti, SMT savienotāji ir pierādījuši, ka spēj izturēt mehānisku slodzi līdz pat 400 N.
Ietekmējošais faktors – izolācijas korpusa konstrukcija
Savienotāja izolācijas korpusa ģeometrija palīdz arī pasargāt kontaktus no bojājumiem darbības laikā vai uzstādīšanas brīdī. Tai jābūt veidotai tā, lai neaizsargātie kontakti atrastos drošībā savienotāja iekšpusē.
Turklāt, izmantojot ievietošanas slīpumus, var novērst bojājumus montāžas laikā. Tie palīdz izlīdzināt plašu nobīdi jebkurā virzienā, savienojot savienotāju. Ar papildu fiksācijas zonas palīdzību abas savienotāja puses var savienot bez bojājumiem pat tad, ja pastāv novirze pa vidu vai leņķī (10. att.).
Turklāt, izmantojot ievietošanas slīpumus, var novērst bojājumus montāžas laikā. Tie palīdz izlīdzināt plašu nobīdi jebkurā virzienā, savienojot savienotāju. Ar papildu fiksācijas zonas palīdzību abas savienotāja puses var savienot bez bojājumiem pat tad, ja pastāv novirze pa vidu vai leņķī (10. att.).
Dažiem savienotājiem ir arī Boardlock fiksatori. Tie ir metāla skavas, kas piestiprinātas pie izolatora un tiek pielodētas arī pie drukātās shēmas plāksnes (11. att.). Tādējādi tie nodrošina papildu stabilitāti – pat nelabvēlīgos apstākļos, piemēram, vibrācijas un triecienu gadījumā.
Ietekmējošais faktors Pieļaujamā robeža
Savienotāja pielaides diapazons ir izšķirošs faktors, novērtējot tā izturību. Ja savienotājs nespēj kompensēt noteiktās pielaides, mehāniskās kustības izraisa savienojuma nodilumu vai pat bojājumus. Uzstādīšanas laikā ievietošanas slīpumi palīdz nodrošināt kontaktplates un kontaktjoslas savienošanu bez bojājumiem. Tomēr arī savienotā stāvoklī ir jākompensē mikro kustības. To nodrošina kontaktu un izolācijas korpusa ģeometrija. Ja savienotājam ir peldošā funkcija, tas darbības laikā var kompensēt līdz ±0,4 mm. Šī funkcija kļūst arvien nozīmīgāka, jo tai ir izšķiroša loma, aprīkojot plašu ar vairākiem savienotājiem. Tomēr reālos apstākļos slodzes rodas ne tikai x un y virzienā, bet arī z virzienā (12. att.).
Šeit rodas jautājums par savienotāja pārklāšanās drošību. Tā raksturo kontaktu un kontaktplates pārklāšanās zonu, tādējādi nodrošinot ne tikai dažādus attālumus starp platēm, bet – atkarībā no šīs zonas lieluma – arī pielaides diapazonus (13. att.).
Savukārt maksimālo pielaides kompensāciju var panākt, izmantojot kabeļu savienojumu. Šajā gadījumā kabeļa garums nosaka savienotāja pielaides diapazonu.
Savukārt maksimālo pielaides kompensāciju var panākt, izmantojot kabeļu savienojumu. Šajā gadījumā kabeļa garums nosaka savienotāja pielaides diapazonu.
Pārbaudes procedūra
Lai rūpīgi pārbaudītu savienotāju izturības īpašības, tiek izmantotas dažādas pārbaudes metodes. Šajā procesā tiek izvērtēti tādi rādītāji kā izturība pret spriegumu un pārejas pretestība gan pirms, gan pēc slodzes testa, kā arī vizuāli pārbaudīts kontaktu stāvoklis. Tādējādi, piemēram, var pārbaudīt 500 savienošanas ciklu ietekmi uz izturību pret spriegumu vai klimata testā noteikt, vai vairākas stundas sākotnēji -55 °C un pēc tam 125 °C temperatūrā negatīvi ietekmē savienotāja pārejas pretestību. Temperatūras šoka testā savienotājam ir jāiztur strauja pāreja starp šīm ekstremālajām temperatūrām 100 reizes pa 30 minūtēm. Arī savienošanas centrālā un leņķiskā nobīde, kā arī pielaides diapazons savienotā stāvoklī ir jāpārbauda ne tikai teorētiski CAD modelī, bet arī plaši jātestē praksē, un izturība ir jāapstiprina empīriski. Tikpat svarīgi ir to, ka dažādi testi, kas ir kritiski kontaktvirsmai, tiek veikti arī kombinēti, lai simulētu reālos apstākļus. Tādējādi, piemēram, savienošanas ciklu un kaitīgo gāzu testi varētu tikt veikti kombinēti, lai nodrošinātu, ka savienotāja veiktspēja attiecībā uz pārejas pretestību un izturību pret spriegumu nav pasliktinājusies un kontakti nav cietuši (14. att.).
Jūsu dizains – jūsu izvēle
Atkarībā no lietojuma prasībām savienotājam ir jāatbilst dažādiem izturības kritērijiem. Piemēram, vai tam jākompensē lielas pielaides? Vai tas tiek pakļauts lielām triecienu slodzēm vai vibrācijām? Vai tas tiek izmantots apstākļos, kad tam iedarbojas spēcīga siltuma vai aukstuma ietekme? Vai arī savienojuma risinājumam jābūt aizsargātam pret mitrumu, kaitīgām gāzēm vai netīrumiem? Ja lietotājs savas savienojuma risinājuma izvēlē vadās pēc šiem jautājumiem, viņš var būt drošs, ka viņa savienotājs ir ideāli piemērots lietošanai lauka apstākļos.