Jak wykorzystać zalety złączy przewód-płytka w ultrakompaktowych konstrukcjach

Popularne są połączenia składające się z przewodów umieszczonych w obudowie gniazda, które wpina się do listwy zamontowanej na płytce. Stanowią one proste, solidne i tanie rozwiązanie zapewnienia zasilania i komunikacji pomiędzy poszczególnymi płytkami drukowanymi w produktach stosowanych w motoryzacji, przemyśle, oświetleniu i telekomunikacji.

Jednakże połączenia przewód-płytka mają pewne wady. Na przykład standardowe złącza są duże i mają wysoki profil, co sprawia, że są niepraktyczne w przypadku kompaktowych konstrukcji. Ponadto montaż złącza i kabla może być trudny, co z kolei może prowadzić do spowolnienia procesów produkcji masowej.

Wprowadzenie ultrakompaktowych złączy o profilach nawet 1,4 milimetra (mm) zaprojektowanych tak, aby były kompatybilne z zestawem do automatycznego montażu powierzchniowego i uproszczoną konstrukcją kabla, rozwiązuje ten problem. Chociaż złącza te są niewielkie, spełniają one wymagania dotyczące mechanicznej i elektrycznej integralności niezawodnego łącza przewodowego. Charakteryzują się pozłacanymi stykami, możliwością odciążenia przewodów i mechanizmami blokującymi, które umożliwiają łatwe odłączenie w razie potrzeby.

W poniższym artykule omówiono pokrótce zalety połączeń przewodowych, a następnie pokazano, w jaki sposób można wykorzystać zalety złączy kompaktowych nowej generacji w produktach elektronicznych. Następnie przeanalizowano ich konstrukcję na przykładzie złączy firmy Molex, aby pokazać w jaki sposób, pomimo swoich niewielkich rozmiarów, gwarantują one wysoką integralność połączeń sygnałowych oraz jak dzięki charakterystyce swojej i odpowiadających im kabli umożliwiają dokonywanie montażu na dużą skalę.

Kurczliwe połączenia przewodowe

Złącza i kable to proste, niezawodne i niedrogie rozwiązanie do przesyłania zasilania oraz sygnału pomiędzy wieloma płytkami drukowanymi (PCB) umieszczonymi wewnątrz jednego produktu. Aby jednak wypełnić swoje zadanie, połączenia te muszą być wystarczająco wytrzymałe, żeby zapewnić wysoką integralność sygnału, nawet w przypadku wystąpienia drgań, pojawienia się brudu i wysokiej temperatury. Sprawdzone rozwiązanie oferuje producent złączy, firma Molex, która opracowała system zawierający zaciski gniazdowe, obudowy gniazd i listwy (ilustracja 1).

Ilustracja 1: system przewód-płytka stanowi proste i solidne rozwiązanie połączeń o wysokiej integralności. (Źródło ilustracji: Molex)

Wygląd systemu przewód-płytka firmy Molex ukazano na ilustracji 2.

Ilustracja 2: system przewód-płytka firmy Molex zawiera przewód, zaciski gniazdowe wtykane do obudowy gniazda, oraz listwę pasującą do obudowy. (Źródło ilustracji: Molex)

Konwencjonalne systemy tego typu - takie jak system przewód-płytka Mini-Lock firmy Molex wykorzystują 2,5mm raster rozstawu wtyków złącza. Chociaż systemy te działają dobrze, stosunkowo szeroki raster sprawia, że ogólne wymiary gniazda i listew są dość duże. Na przykład, 6-pozycyjna listwa do montażu na płytce 0534260610 ma wymiary 17,4mm x 11,5mm x 6,7mm (szer. x gł. x wys.) (co daje objętość 1340mm³). Pasująca obudowa gniazda (0511020600) ma wymiary 15,5mm x 9,5mm x 5,8mm (szer. x gł. x wys.) (co daje objętość 850mm³).

Firma Molex wprowadziła ostatnio systemy przewód-płytka z węższymi rastrami. Są to m. in. systemy Pico-Lock 1,5mm (5040500691) i 1,0mm (5037630691) o obciążalności prądowej 2 amperów (A), oraz system Pico-EZmate 1,2mm (0781715006). Węższy raster wtyków znacznie zmniejsza ogólne wymiary złącza (tabela 1).

Tabela 1: wymiary 6-pozycyjnych listew w seriach Mini-Lock (0534260610), Pico-Lock (5040500691 oraz 5037630691) i Pico-EZmate (0781715006). (Źródło tabeli: Digi-Key Electronics)

Jako że systemy te zajmują niewiele miejsca na płytkach i charakteryzują się bardzo niskim profilem (ilustracja 3), inżynierowie mogą wykorzystywać niezawodne i niedrogie połączenia typu przewód-płytka w produktach, które wcześniej były zbyt małe, aby pomieścić tę technologię.

Ilustracja 3: listwa Pico-Lock o profilu 1,5mm do montażu powierzchniowego, umożliwiającym zastosowanie jej w kompaktowych produktach końcowych. (Źródło ilustracji: Molex)

Kluczowe elementy złączy przewód-płytka

Kluczowe dla prostoty systemu złączy Molex są zaciski gniazdowe. Jest to element, który najpierw jest zaciskany na końcu przewodu, a następnie wkładany do obudowy gniazda. Firma Molex oferuje różne zaciski gniazdowe, w tym pozłacane (5040520098) do stosowania z przewodami 24-28 AWG i złączami Pico-Lock oraz 0781720411 do stosowania z przewodami 28-30AWG i systemem Pico-EZmate. Połączenia zaciskane wykonuje się za pomocą narzędzi ręcznych, takich jak zaciskarka 0638275700 lub automatycznych systemów zaciskowych.

Połączenie utworzone za pomocą zaciśniętego zacisku gniazdowego (ilustracja 4) składa się z kilku kluczowych części:

• Konfuzor: jest to kołnierz utworzony na krawędzi zacisku żyły, który działa jak lejek dla splotów drutu. Jest to ważny element, ponieważ zmniejsza on prawdopodobieństwo, że ostra krawędź zacisku gniazdowego przetnie lub złamie żyłę kabla.
• Zacisk żyły: jest to najważniejszy element połączenia, który powstaje w wyniku mechanicznego zacisku wokół żyły przewodu, co tworzy z kolei wspólną ścieżkę elektryczną o niskiej rezystancji i wysokiej obciążalności prądowej bez konieczności dodatkowego lutowania.
• Szczotka żyły: odnosi się to do żył, które wystają poza zacisk po stronie stykowej gniazda wtykowego (ale nie wkraczają w obszar współpracującego połączenia). Przedłużenie to jest ważne, ponieważ sprawia, że mechaniczny nacisk wywierany podczas procesu zaciskania obejmuje całą maksymalną powierzchnię żył przewodu.
• Zacisk izolacji: jest to ta część gniazda wtykowego, która pozwala na umieszczenie przewodu w obudowie oraz umożliwia jego odciążenie. Jej funkcją jest ściśnięcie przewodów z możliwie dużą siłą, ale bez ich przecięcia.

Ilustracja 4: części połączenia zaciskowego utworzonego za pomocą zacisków gniazdowych oraz narzędzi firmy Molex. (Źródło ilustracji: Molex)

Dobrze wykonane połączenie zaciskowe ma następujące cechy (ilustracja 5):

• Zacisk izolacji ściska izolację bez przebijania jej
• Szczotka żyły wystaje przez przednią część sekcji zaciskowej żyły na długość równą lub większą niż średnica żyły drutu
• Izolacja i żyła są widoczne na obszarze pomiędzy izolacją a zaciśniętą częścią żyły
• Zaciśnięty odcinek żyły przybiera kształt konfuzora w końcówce wychodzącej i doprowadzającej
• Odcinki przejściowe i łączące nie podlegają procesowi zaciskania

Ilustracja 5: dobrze utworzone połączenie zaciskowe charakteryzuje się tym, że zacisk nie przebija izolacji, a także utworzeniem widocznego konfuzora. (Źródło ilustracji: Molex)

Pomiar wysokości zacisku jest szybkim, nieinwazyjnym sposobem weryfikacji poprawności mechanicznego zacisku żyły przewodu. Wysokość zacisku definiuje się jako odległość mierzoną od górnej powierzchni utworzonego zacisku do dolnej powierzchni promieniowej. Kolejnym wizualnym wskaźnikiem jakości zacisku są wytłoczki (lub małe klosze), które tworzą się na dnie zacisku żyły, wynikające z prześwitu pomiędzy powierzchnią osprzętu przebijaka a płytką odbojową. Jeśli płytka odbojowa jest zużyta lub jeśli za bardzo obetniemy końcówkę, wytłoczki będą zbyt duże. Nierównomierne wytłoczki mogą również wystąpić, gdy przebijak i płytka odbojowa są źle ustawione lub gdy regulacja jest nieprawidłowa.

Ważne jest również, aby mechanicznie wyrównać zacisk gniazdowy po montażu - niewspółosiowość zaciśniętej i współpracującej sekcji przejawiająca się w postaci skręceń lub zagięć uniemożliwi włożenie złącza wtykowego do listwy.

Po ich pomyślnym uformowaniu, zaciśnięte zaciski gniazdowe można włożyć do obudowy gniazda. Jeśli zaciśnięty zacisk gniazdowy został mechanicznie wyrównany, nie powinno to być trudne, ale ważne jest, aby upewnić się, że zacisk ten następnie prawidłowo połączy się z listwą. W obudowach znajdują się zazwyczaj mechanizmy blokujące, które zapobiegają rozłączeniu zacisków w przypadku naprężenia przewodów. Na przykład na 6-pozycyjnej obudowie gniazda 5037640601 firmy Molex do zacisków serii Pico-Lock znajduje się lanca, która łączy się z metalową lancą zacisku gniazdowego i zapobiega wyciągnięciu gniazda z obudowy (ilustracja 6).

Ilustracja 6: w serii Pico-Lock firmy Molex lanca zacisku gniazdowego łączy się z lancą znajdującą się na obudowie gniazda w celu zabezpieczenia gniazda i utrzymania go w miejscu. (Źródło ilustracji: Molex)

Po włożeniu zacisków gniazdowych do obudowy gniazda gotowy zespół kablowy można włożyć do listwy montowanej na płycie. Warto przypomnieć, że konstrukcja systemu złączy sprawia, że jest to stosunkowo proste pod warunkiem, że obudowa i listwa zostały mechanicznie wyrównane (co wymaga precyzji, ponieważ złącza są bardzo małe). Podobnie jak w przypadku zacisków gniazdowych, które blokują się w obudowie gniazda tak, by nie mogły się poluzować, obudowa i listwy również zawierają mechanizmy sprawiające, że po montażu nie tak łatwo będzie je odłączyć. Na przykład 6-pozycyjne obudowy gniazd serii Pico-Lock zawierają blokadę tarciową i dwa mocowania zatrzaskowe, które zatrzaskują się po włożeniu obudowy do listwy (ilustracja 7).

Ilustracja 7: listwy serii Pico-Lock firmy Molex zawierają blokadę tarciową i dwa mocowania zatrzaskowe, które zapewniają solidne mocowanie. (Źródło ilustracji: Molex)

Stworzone do automatycznego montażu

Systemy przewód-płytka mogą okazać się wyzwaniem dla producentów chcących wytwarzać je na dużą skalę, ponieważ standardowe listwy mają niewygodne w użyciu profile i zazwyczaj wykorzystują połączenia przelotowe do montażu na płytce drukowanej. (Technologię przewlekaną wykorzystuje np. Mini-Lock 0534260610 firmy Molex.) Dlatego też stosowanie automatycznych urządzeń do montażu złącza na płycie jest niewykonalne, co zmusza producentów do wykonywania tego procesu ręcznie, a tym samym spowolnienia działania linii produkcyjnej.

Rozwiązaniem tego problemu są listwy Pico-EZMate i Pico-Lock (montowane na płytce) firmy Molex zaprojektowane tak, aby umożliwić montaż powierzchniowy. W miejsce połączeń przewlekanych urządzenia te wyposażone zostały w pola lutownicze i zaprojektowano je tak, aby można je było pakować na szpulach stosowanych w automatach montażowych. Ponadto listwy posiadają płaskie powierzchnie, co ułatwia przenoszenie z dysz automatów montażowych (ilustracje 8, 9 i 10).

Ilustracja 8: złącza Pico-Lock i Pico-EZmate firmy Molex są przeznaczone do montażu powierzchniowego. Ukazano tutaj układ pól lutowniczych listwy Pico-Lock. (Źródło ilustracji: Molex)

Ilustracja 9: złącza Pico-Lock i Pico-EZmate firmy Molex mogą być dostarczane w szpulach odpowiednich do automatów montażowych. Ukazano tutaj listwy Pico-Lock do umieszczenia na szpuli. (Źródło ilustracji: Molex)

Ilustracja 10: złącza Pico-Lock i Pico-EZmate firmy Molex mają duże płaskie powierzchnie współpracujące z próżniowymi chwytakami automatów montażowych. Ukazano tutaj powierzchnię listwy Pico-Lock służącą do podejmowania. Wymiar „A” w przypadku listwy 6-pozycyjnej wynosi 9,8mm. (Źródło ilustracji: Molex)

Podsumowanie

Systemy złączy typu przewód-płytka stanowią sprawdzoną i niedrogą metodę przesyłania zasilania i sygnałów pomiędzy płytkami drukowanymi w produktach motoryzacyjnych, przemysłowych, oświetleniowych i telekomunikacyjnych. Jednak stosunkowo duże rozmiary standardowych konstrukcji uniemożliwiły ich zastosowanie w bardziej kompaktowych produktach.

Nowa generacja kompaktowych systemów typu przewód-płytka obecnie umożliwia inżynierom szersze zastosowanie tych produktów w znacznie mniejszych urządzeniach. Jeśli zostały zamontowane zgodnie ze specyfikacją producenta, te systemy złączy będą niezawodnie pracowały przez długi czas i będą w stanie dostarczać prąd do 2A, nawet w przypadku złączy o najdrobniejszych rastrach wtyków.

Co więcej, stanowiące część tych systemów listwy do montażu na płytach zostały zaprojektowane tak, aby były kompatybilne z automatami montażowymi powszechnie stosowanymi w środowiskach montażowych o dużej wydajności.