Techninis dokumentas: Jungčių patikimumas
Nesvarbu, ar tai aviacijos ir kosmoso pramonė, pramoninė automatika, transportas ar sveikatos priežiūra: jungtys visada turi užtikrinti patikimą signalų perdavimą ir jokiu būdu negali sugesti. Tuo pačiu metu jos patiria įvairių aplinkos veiksnių poveikį: mechaniniai veiksniai, tokie kaip smūgiai, vibracija ir svyravimai, kelia grėsmę duomenų perdavimo stabilumui, taip pat terminiai ir cheminiai aplinkos veiksniai, susiję su ekstremaliomis temperatūromis, stipriais temperatūros svyravimais, kenksmingomis dujomis, drėgme ir nešvarumais. Todėl aukštos kokybės jungčių gamintojai pasitelkia visą galimų priemonių spektrą, kad apsaugotų savo jungtis nuo šių apkrovų.
Tvirtumas nepaisant miniatiūrizacijos
Šiuolaikinė elektrotechnika labiau nei bet kada anksčiau yra veikiamas vienos tendencijos – miniatiūrizacijos. Moduliai ir jų komponentai turi tapti ne tik vis galingesni, bet ir vis mažesni. Vis dėlto jie dažnai naudojami sudėtingomis realiomis sąlygomis. Todėl komponentai, taip pat jungtys, esant tokiai pačiai apkrovai tampa vis subtilesni. Tačiau kokybiškas jungtis šiam krūviui atlaiko ne tik taip pat gerai, kaip jo senesnis ir didesnis brolis, bet netgi geriau. To priežastis – tolesni patobulinimai medžiagų sudėtyje bei produkto konstrukcijoje, pavyzdžiui, izoliatoriaus geometrijoje (1 pav.).
Veiksnys: paviršius
Jungties patvarumą lemia daugybė veiksnių. Vienas iš jų – kontaktų paviršius. Jis iš esmės lemia jungties tarnavimo laiką, kuris paprastai matuojamas jungimo ciklais. Eksploatuojant lauke jungtis patiria tam tikrus mikrojudesius. Dėl jų atsiranda paviršiaus nusidėvėjimas, o dėl to – oksidacijos procesai (2 pav.).
Dėl to padidėja perėjimo varža, o kartu pablogėja signalų perdavimo kokybė. Todėl būtina, pasitelkiant kokybišką ir patvarią kontaktų dangą, iki minimumo sumažinti paviršiaus nusidėvėjimą jungiant ir eksploatuojant. Tam tiek peilio, tiek spyruoklinio tipo kontaktai turi turėti atitinkamai lygų paviršių. Nepaisant kylančių kainų, auksas dėl savo atsparumo korozijai ir puikios laidumo savybių iki šiol yra mėgstamas paviršių dangoms. Kadangi grynas auksas yra minkštas, jis legiruojamas 0,2–0,3 proc. kobalto arba nikelio, taip gaunant kietąjį auksą. Tačiau tie, kurie ieško kainos atžvilgiu stabilesnės alternatyvos šiai dangai, gali pasinaudoti, pavyzdžiui, nikelio ir fosforo lydiniu su aukso danga. Kai šios dvi medžiagos yra sujungtos tam tikru santykiu, jos pasižymi tomis pačiomis teigiamomis savybėmis, kurias turi ir auksas: dideliu atsparumu korozijai, išskirtiniu atsparumu nusidėvėjimui ir puikiu laidumu. Siekiant užkirsti kelią difuzijai tarp kontaktinės medžiagos ir paviršiaus dangos, dažnai naudojamas vadinamasis nikelio barjerinis sluoksnis. Šios barjeros pagalba galima išvengti korozijos.
Veiksnys, turintis įtakos kontaktų dizainui
Jungties kontaktai yra štampuojami arba sukami. Tačiau štampavimo metu štampuojamos juostos apačioje susidaro mikroskopu matomas nevienalytis, aštrių briaunų paviršius. Tradicinės sistemos liečiasi su šiuo štampuotu kraštu, o tai lemia padidėjusį paviršiaus nusidėvėjimą ir dėl to didesnį perėjimo pasipriešinimą. Tai galima išvengti, jei vadinamajame štampavimo-lenkimo procese spyruoklinę tulpę sulenkiama 90 laipsnių kampu, kad ji liestųsi su peilio kontaktu lygiu, valcuotu paviršiumi (3 pav.).
Tačiau ne tik spyruoklinės juostos konstrukcija, bet ir peilio juostos konstrukcija yra lemiamas veiksnys jungties ilgaamžiškumui. Mat ir pastaroji turi būti tiksliai išpjaustyta ir apdorota, kad būtų išvengta pažeistų, aštrių geometrijų.
Tačiau ne tik spyruoklinės juostos konstrukcija, bet ir peilio juostos konstrukcija yra lemiamas veiksnys jungties ilgaamžiškumui. Mat ir pastaroji turi būti tiksliai išpjaustyta ir apdorota, kad būtų išvengta pažeistų, aštrių geometrijų.
Veiksnys: kontaktų sistema
Klasikiniai dviejų dalių jungtys turi peilio ir spyruoklinį kontaktus. Tačiau esant stipriam smūgiui peilio kontaktų juosta gali atsiskirti nuo spyruoklinės kontaktų juostos. Kad toks kontaktų nutraukimas neįvyktų, dvipusė spyruoklinė kontaktų juosta užtikrina rezervą ir taip garantuoja kontaktų patikimumą, nes antrasis spyruoklinis kontaktas užtikrina, kad signalas bet kuriuo metu būtų perduodamas bent per vieną kontaktinį tašką (4 pav.).
Dar patvaresni yra jungtys su vadinamąja „lyčių neutralia“ kontaktų sistema. Jos ypatumas – identiška kontaktų geometrija abiejose jungties pusėse: kištuke ir lizde. Abiejose pusėse yra tiek spyruoklė, tiek kontaktas. Taigi kiekvienas kontaktas liečiasi su dviem spyruoklėmis, o kištukas ir lizdas yra tarpusavyje susipynę ir negali atsiskirti vienas nuo kito. Nors dvipusė spyruoklių juosta mechaninio apkrovimo metu visada užtikrina bent vieną kontaktinį tašką, susipynusios geometrijos lyčių neutralioje kontaktų sistemoje garantuoja, kad signalas visada perduodamas per du kontaktinius taškus. Ši didelė redundancija užtikrina maksimalų kontaktų patikimumą (5 pav.).
Kalbant apie patvarumą, šią lyčių požiūriu neutralią kontaktų sistemą pranoksta tik vienos dalies jungtys. Jos visiškai atsisako klasikinio dviejų dalių kontaktų principo, sudaryto iš peiliuko ir spyruoklės. Dėl pažeidžiamos kontaktinės zonos pašalinimo vienos dalies jungtys ne tik pasižymi didžiausiu atsparumu smūgiams, vibracijai, drėgmei, dulkėms ir atmosferos sąlygoms, bet taip pat tinka užpildymui ir kitoms komponentų apsaugos procedūroms. Kartu su įspaudimo technologija jos užtikrina saugiausią dviejų spausdintinių plokščių mechaninį ir elektrinį sujungimą (6 pav.).
Veiksnys: jungčių technika
Yra įvairių būdų, kaip pritvirtinti jungtis prie spausdintinių plokščių. Vienas iš jų – jau minėta įspaudimo technologija. Jos tikslas – su kuo mažesne įspaudimo jėga užtikrinti kuo didesnę jungties ir spausdintinės plokštės tarpusavio sukibimo jėgą. Laikymo jėgos lemia mechaninį sujungimą, kuris savo ruožtu turi atlaikyti smūgius ir vibraciją. Ši jungimo technologija yra milijardus kartų patikrintas procesas, kurio metu įspaudimo kaištis įspaudžiamas į spausdintinės plokštės skylę su perėjimu (7 pav.).
Įspaudimo kaištis turi didesnę įstrižainę nei plokštės skylės skersmuo. Jungties kaištis įspaudimo zonoje yra lankstus, kad plokštė nebūtų deformuota dėl fizinių jėgų, veikiančių įspaudimo proceso metu. Todėl deformacija apsiriboja įspaudimo zona (8 pav.). Tarp kontaktinio kaiščio ir metalizuotos spausdintinės plokštės skylės susidaro šaltojo suvirinimo jungtis: dujų nepraleidžianti, atspari korozijai, mažos varžos ir gerai elektrą laidži mechaninė jungtis, kuri taip pat tinka užpildymui. Be to, ji yra apibrėžta DIN EN 60352-5 standarte ir išlaiko patikimą kontaktą net esant labai didelėms mechaninėms ir terminėms apkrovoms, tokioms kaip vibracija, lenkimas ir staigūs temperatūros pokyčiai, bei atlaiko net iki 200 g smūginę apkrovą.
Dėl puikių tvirtumo savybių ir dešimt kartų mažesnio gedimų dažnio (FIT rodiklio), palyginti su automatizuotai litiniais jungtimis, įspaudimo technologija dažnai naudojama aukšto saugumo lygio taikymuose, kur signalų perdavimas jokiu būdu negali būti pertrauktas, pavyzdžiui, oro pagalvių sistemose arba ABS ir ESP moduliuose.
Dėl puikių tvirtumo savybių ir dešimt kartų mažesnio gedimų dažnio (FIT rodiklio), palyginti su automatizuotai litiniais jungtimis, įspaudimo technologija dažnai naudojama aukšto saugumo lygio taikymuose, kur signalų perdavimas jokiu būdu negali būti pertrauktas, pavyzdžiui, oro pagalvių sistemose arba ABS ir ESP moduliuose.
Tačiau įspaudimo technologija ne visada tinka, pavyzdžiui, kai spausdintinės plokštės turi būti surenkamos iš abiejų pusių arba kai neįmanoma išlaikyti minimalaus atstumo iki komponentų jėgos veikimo kryptimi. Kitas būdas sukurti patikimą ir patvarų jungtį tarp jungties ir spausdintinės plokštės yra paviršinio montavimo technologija (SMT). Naudojant lydmetalo pastą, jungtys yra prilituojamos prie nustatytų spausdintinės plokštės jungčių paviršių, vadinamųjų lydmetalo padų. Tik vadinamojoje reflow krosnelėje lydmetalas yra išlydomas ir vėliau sukietinamas. Naudojant SMT galima sukurti stabilius jungimus tarp jungties ir spausdintinės plokštės. Tačiau tam turi būti įvykdyti keli kriterijai: pirmiausia, norint gauti standartą IPC-A-610 atitinkančią litavimo vietą, reikia išlaikyti tinkamą litavimo kojelės, litavimo plokštelės ir litavimo pastos santykį. Tik taip sukuriamas aukštos kokybės jungimas, leidžiantis jungtį pagal IPC 3 klasę, t. y. tinkamą naudoti didelio galingumo elektronikoje. Šioje klasėje bet kuriuo metu turi būti išvengta signalų perdavimo sutrikimų. Optimalų litavimo jungtį galima atpažinti pagal tolygų menisko susidarymą. Kontaktas turi būti visiškai apsuptas litavimo menisku, kad būtų pasiektos geriausios tvirtinimo jėgos ant spausdintinės plokštės. (9 pav.).
Kontaktų pėdučių koplanariškumas yra būtina sąlyga, užtikrinanti puikų sujungimą. Jei visos šios sąlygos įvykdytos, SMT jungtys, kaip įrodyta, gali atlaikyti mechanines apkrovas iki 400 N.
Veiksnys: izoliatoriaus konstrukcija
Be to, jungties izoliacinio korpuso geometrija padeda apsaugoti kontaktus nuo pažeidimų eksploatacijos ar montavimo metu. Ji turėtų būti suprojektuota taip, kad pažeidžiami kontaktai būtų saugiai paslėpti jungties viduje.
Įvedimo nuolydžiai taip pat padeda išvengti pažeidimų montavimo metu. Jie padeda kompensuoti spausdintinių plokščių poslinkį bet kuria kryptimi jungiant jungtį. Naudojant papildomą fiksavimo zoną, abi jungties pusės gali būti sujungtos be pažeidimų net ir esant centriniam ar kampiniam poslinkiui (10 pav.).
Įvedimo nuolydžiai taip pat padeda išvengti pažeidimų montavimo metu. Jie padeda kompensuoti spausdintinių plokščių poslinkį bet kuria kryptimi jungiant jungtį. Naudojant papildomą fiksavimo zoną, abi jungties pusės gali būti sujungtos be pažeidimų net ir esant centriniam ar kampiniam poslinkiui (10 pav.).
Be to, kai kurie jungtys turi „Boardlock“ fiksatorius. Tai – prie izoliacinio korpuso pritvirtinti metaliniai lankeliai, kurie taip pat yra pripajungti prie spausdintinės plokštės (11 pav.). Tokiu būdu jie užtikrina papildomą stabilumą – net ir esant nepalankioms sąlygoms, pavyzdžiui, vibracijai ir smūgiams.
Veiksnys Tolerancijos ribos
Jungties tolerancijų diapazonas atlieka lemiamą vaidmenį vertinant jos patvarumą. Jei jungtis negali kompensuoti nustatytų tolerancijų, mechaniniai judesiai sukelia nusidėvėjimą ar net jungties pažeidimą. Montavimo metu įterpimo nuolydžiai padeda užtikrinti, kad peilių ir spyruoklinių juostų sujungimas vyktų be pažeidimų. Tačiau net ir prijungtoje būsenoje reikia kompensuoti mikrojudesius. Tai pavyksta dėl kontaktų ir izoliacijos korpuso geometrijos. Jei jungtis turi „plaukiojančią“ funkciją, ji gali kompensuoti iki ±0,4 mm net ir veikimo metu. Ši funkcija tampa vis svarbesnė, nes ji atlieka lemiamą vaidmenį montuojant spausdintinę plokštę su keliomis jungtimis. Tačiau praktikoje apkrovos atsiranda ne tik x ir y, bet ir z kryptimis (12 pav.).
Čia kyla klausimas dėl jungties perjungimo patikimumo. Jis apibūdina kontaktų ir kontaktų juostos persidengimo plotą ir taip leidžia ne tik naudoti skirtingus spausdintinių plokščių tarpus, bet ir – priklausomai nuo šio ploto dydžio – taikyti skirtingus leistinųjų nuokrypių intervalus (13 pav.).
Tuo tarpu maksimalus nuokrypio kompensavimas pasiekiamas naudojant kabelinį sujungimą. Šiuo atveju kabelio ilgis lemia jungties nuokrypio ribas.
Tuo tarpu maksimalus nuokrypio kompensavimas pasiekiamas naudojant kabelinį sujungimą. Šiuo atveju kabelio ilgis lemia jungties nuokrypio ribas.
Tikrinimo procedūra
Siekiant išsamiai patikrinti jungčių patvarumo savybes, taikomi įvairūs bandymo metodai. Tuomet vertinami tokie parametrai kaip įtampos atsparumas ir perėjimo varža prieš ir po apkrovos bandymo, taip pat vizualiai tikrinama kontaktų būklė. Pavyzdžiui, galima patikrinti 500 jungimo ciklų poveikį įtampos atsparumui arba klimato bandymo metu nustatyti, ar kelių valandų buvimas iš pradžių -55 °C, o vėliau 125 °C temperatūroje neigiamai veikia jungties perėjimo varžą. Atliekant temperatūros šoko bandymą, jungtis turi išlaikyti greitą perėjimą tarp šių ekstremalių temperatūrų 100 kartų po 30 minučių. Taip pat jungimo metu atsirandantis centrinis ir kampinis poslinkis, taip pat tolerancijos diapazonas sujungtoje būsenoje turėtų būti ne tik teoretiškai patikrinti CAD modelyje, bet ir išsamiai išbandyti praktikoje, o atsparumas apkrovai – patvirtintas empiriškai. Taip pat svarbu, kad įvairūs bandymai, kurie yra kritiškai svarbūs kontaktų paviršiui, būtų atliekami kartu, siekiant imituoti realias sąlygas. Pavyzdžiui, jungimo ciklų ir kenksmingų dujų bandymai galėtų būti atliekami kartu, siekiant užtikrinti, kad jungties veikimas, susijęs su perėjimo varža ir įtampos atsparumu, nepablogėjo, o kontaktai nebuvo pažeisti (14 pav.).
Jūsų dizainas – jūsų pasirinkimas
Priklausomai nuo taikymo reikalavimų, jungtis turi atitikti skirtingus patvarumo kriterijus. Pavyzdžiui, ar ji turi kompensuoti didelius nuokrypius? Ar ji patiria didelius smūgius ar vibraciją? Ar ji naudojama esant stipriam karščiui ar šalčiui? Arba ar jungties sprendimas turi būti apsaugotas nuo drėgmės, kenksmingų dujų ar nešvarumų? Jei vartotojas, rinkdamasis jungties sprendimą, vadovaujasi šiais klausimais, jis gali būti tikras, kad jo jungtis yra puikiai pritaikyta naudoti lauke.