Użycie złączy z połączeniem wykonywanym przez przerwanie izolacji (IDC) w celu usprawnienia montażu i skrócenia wykazu materiałów BOM

Częstym wyborem inżynierów do połączeń wielopozycyjnych są złącza z połączeniami wykonywanymi przez przerwanie izolacji (IDC) i powiązane z nimi kable taśmowe ze względu na ich wysoką gęstość styków, realizowany w jednym kroku zacisk i brak potrzeby zdejmowania izolacji. Użytkownicy połączeń IDC są przyzwyczajeni do tego, że kable te składają się z dwuczęściowego układu złącza z pasującym męskim wtykiem i żeńskim gniazdem. Takie złącza IDC są dostępne w szerokiej gamie wariantów (takich jak złącza do montażu na płytce lub swobodnie wiszące), oferowane są (zwykle) w wersjach od 8 do nawet 50 pozycji, i stosuje się je z taśmowym kablem wielożyłowym.

Chociaż złącza IDC oferują wiele korzyści, projektanci zawsze starają się zmniejszyć bezpośredni koszt części, skrócić wykaz materiałów BOM, uprościć nabywanie elementów i zaopatrzenie oraz usprawnić proces montażu w środowisku produkcyjnym. Wszystkie te cele można osiągnąć w jednym kroku, używając pojedynczego złącza IDC do zakończenia kabla taśmowego, jednocześnie eliminując potrzebę stosowania pasującego złącza.

Ta innowacja, która jest sprzeczna z „konwencjonalnym podejściem” do złączy IDC, jest stosowana w złączach IDC z kablem taśmowym WR-WST REDFIT IDC SKEDD firmy Würth Elektronik. Wykorzystują one płytkę drukowaną jako pasujący styk, zmniejszając w ten sposób koszty, upraszczając montaż i usuwając element z zestawienia materiałów - a wszystko to bez pogarszania parametrów. W tym artykule omówiono czynniki przemawiające za zastosowaniem takich innowacji w złączach IDC a następnie wprowadzono złącza WR-WST, jak również podano sposoby ich wykorzystania.

Czym są złącza IDC i dlaczego są potrzebne?

Złącza z połączeniem wykonywanym przez przerwanie izolacji (IDC) rozwiązują wiele problemów, umożliwiając szybkie i łatwe zakańczanie szeregu przewodów sygnałowych oraz zasilających, jak również szybkie i łatwe wykonanie i przerywanie połączenia (ilustracja 1). Zespoły kabli oparte na technologii IDC są szeroko wykorzystywane w wielu zastosowaniach, takich jak połączenia między sąsiadującymi płytkami drukowanymi lub między płytką drukowaną a relatywnie oddalonym zespołem wyświetlacza/klawiatury. W niektórych projektach kabel taśmowy jest używany nawet jako elastyczna „magistrala” obsługująca nie tylko połączenia zakończeń kabli, ale także złącza umieszczone wzdłuż elastycznego kabla, aby inne płytki drukowane mogły być podłączone do wspólnej linii.

Ilustracja 1: zespoły kabli IDC, takie jak ukazany zestaw 16-żyłowy, wykorzystują masowo zagniatane złącza męskie i żeńskie wraz z wieloprzewodowym kablem taśmowym - w odróżnieniu od tego przykładu kabel taśmowy może być również monochromatyczny. (Źródło ilustracji: eBay)

Technologia IDC została opracowana ponad 50 lat temu. Od czasu jej wdrożenia zaobserwowano coraz szersze jej stosowanie, wzrost różnorodności dostępnych wersji, zwiększoną gęstość styków, więcej styków na złącze i inne ulepszenia. Jak sama nazwa wskazuje, technologia IDC (insulation-displacement contact) opiera się na zasadzie przesunięcia lub odepchnięcia części izolacji wokół żył (przewodów) kabla i wykonania bezpośredniego połączenia elektrycznego z elementem miedzianym (ilustracja 2). Nie ma potrzeby zdejmowania izolacji z kabla, ponieważ ostre metalowe krawędzie styków przebijają izolację, tworząc gazoszczelne połączenie.

Ilustracja 2 (u góry)

Ilustracja 2 (u dołu)

Ilustracja 2: w złączu IDC górna część złącza jest dociskana, aby jednocześnie zagnieść styki i przebić izolację wszystkich przewodów w kablu (u góry). Widok zespołu ze zdjętą górną częścią złącza (u dołu) pokazuje styki wystające przez izolację przewodu. (Źródło ilustracji: karta charakterystyki Jaycar Electronics)

Opracowanie materiału izolacyjnego, który można czysto i precyzyjnie przebić bez rozdzielania poza strefę przekłucia, było jednym z wielu osiągnięć, które doprowadziły do masowego stosowania złączy IDC. Ponieważ w kablu taśmowym występuje kilka żył, jednocześnie można stworzyć wiele zakończeń, dlatego kable IDC są czasami nazywane złączami do masowego zaciskania. Aby połączenia były niezawodne, pierwsze IDC wykorzystywały jedynie przewody lite, ale postęp techniczny wkrótce umożliwił wykorzystanie w IDC również splotek.

Jest dostępnych wiele standardowych wersji parowania męskiego i żeńskiego. Należą do nich złącza lutowane na płytce drukowanej, a także te, które zwisają swobodnie i zaciskają koniec kabla. W ten sposób zespół kablowy IDC można podłączyć do złącza montowanego na płytce lub do innego kabla IDC.

Na przykład 61201023021 firmy Würth to dwurzędowe, 10-pozycyjne, prostokątne złącze gniazda IDC (żeńskie) o rastrze 2,54mm, które jest zagniecione na kablu (ilustracja 3). Jeśli zamiast tego potrzebny jest męski wtyk, dostępne jest pasujące złącze IDC 61201025821 firmy Würth (ilustracja 4). Zarówno do wtyków męskich, jak i żeńskich, dostępne są odpowiednie złącza, które montuje się na płytkach drukowanych w celu zakończenia ścieżki kabel-płytka. Należy pamiętać, że chociaż są to złącza 10-pozycyjne, seria gniazd i złączy IDC WR-BHD firmy Würth obejmuje również złącza 60-pozycyjne.

Ilustracja 3: złącze 61201023021 IDC firmy Würth Elektronik to dwurzędowe, 10-pozycyjne prostokątne złącze gniazdowe (żeńskie) o rastrze 2,54mm. Przeznaczone jest do zagniatania na niemocowanym płaskim przewodzie taśmowym. (Źródło ilustracji: Würth Elektronik)

Ilustracja 4: złącze listwowe IDC 61201025821 firmy Würth z wtykami męskimi stanowi uzupełnienie złącza IDC 61201023021. (Źródło ilustracji: Würth Elektronik)

Złącza IDC i płaskie kable taśmowe są dostępne w szerokim zakresie pozycji i konfiguracji. Zakres ten obejmuje rozstaw wtyków (raster) 0,050” (1,27mm) lub 0,10” (2,54mm), a także różną liczbę wtyków. Maksymalny prąd znamionowy wynosi zwykle od 1A do 3A przy dostępnych przekrojach przewodu od cienkich 30AWG do grubszych 22AWG. Dostępne są również złącza IDC dla połączeń DB-xx dla powszechnie używanych kiedyś rozmiarów DB-25, DB-15 i DB-9 (wspólne dla interfejsów RS-232).

Niektóre segmenty przemysłu korzystają z określonych typów złącz IDC, dzięki czemu można wymiennie podłączać urządzenia różnych producentów. Na przykład w branży komputerów PC wykorzystywane są następujące standardy:

• 3,5-calowe dyski twarde IDE do komputerów PC: raster 2,54mm, 40 wtyków, 2×20 (2 rzędy po 20 wtyków)
• 2,5-calowe dyski twarde IDE do notebooków: raster 2,00mm, 44 wtyki, 2×22
• SCSI 8-bitowe: raster 2,54 mm, 50 wtyków, 2×25
• SCSI 16-bitowe: raster 1,27 mm, 68 wtyków, 2×34

W wypadku wszystkich powyższych złączy producent komputera zazwyczaj dołącza żeńskie złącze IDC na jednym końcu kabla taśmowego z pasującym męskim gniazdem lub złączem szpilkowym na płycie głównej komputera. Istnieją również złącza o pojedynczym styku stosowane z pojedynczymi przewodami w kostkach wciskanych okablowania telefonicznego. Technik może wykonać połączenie w terenie za pomocą specjalnego narzędzia do wciskania izolowanego drutu wykorzystującego ostre zaciski w jednym pożądanym miejscu styku.

Przejście na jednoczęściowe złącza parowane IDC

Może wydawać się oczywiste, a nawet nieuniknione, że wielostykowy zespół kablowy IDC wymaga odpowiedniego złącza i rzeczywiście jest tak od dawna. Istnieje jednak nowsza metoda, która eliminuje żeńską połówkę złącza (gniazdo) i zamiast tego wykorzystuje płytkę drukowaną jako pasujące złącze (ilustracja 5).

Ilustracja 5: kabel taśmowy REDFIT IDC SKEDD z serii IDC firmy Würth Elektronik podłącza się bezpośrednio do odpowiednio zwymiarowanych i metalizowanych przelotek na płytce drukowanej, eliminując potrzebę stosowania pasujących żeńskich IDC. (Źródło ilustracji: Würth Elektronik)

Taka jest zasada działania kabla taśmowego REDFIT IDC SKEDD z serii kabli IDC firmy Würth Elektronik. Złącze jest przymocowane do płaskiego kabla taśmowego, jak w przypadku każdego kabla IDC, a następnie jest podłączane bezpośrednio do odpowiednio dobranych i metalizowanych otworów lub przelotek na płytce drukowanej. Rezultatem jest niezawodne połączenie przy niższych kosztach z mniejszą liczbą punktów styku i mniejszą liczbą etapów montażu.

Jest to nielutowane, ręcznie podłączane, odwracalne złącze, co oznacza, że można je odłączyć bez specjalnych narzędzi, w przeciwieństwie do niektórych wtyczek lub zatrzasków, których nie można odłączyć bez specjalnego narzędzia lub użycia siły przez użytkownika (ilustracja 6). Oparte jest ono na rastrze 1,27mm - często nazywanym „półrastrem” - i jest dostępne w wersji od 4 do 20 (parzyste liczby) styków na złącze - przykładowe specyfikacje: 10-pozycyjna wersja 490107671012 firmy Würth.

Ilustracja 6: złącze REDFIT IDC SKEDD to nielutowane, ręcznie podłączane, odwracalne złącze, co oznacza, że można je podłączyć i odłączyć bez specjalnych narzędzi. (Źródło ilustracji: Würth Elektronik)

Złącze REDFIT IDC SKEDD jest przeznaczone do zastosowań takich jak elektronika użytkowa, instalacje systemów energii słonecznej, elektronika przemysłowa i projekty inżynierii mechanicznej wymagające okablowania. Sprzedawca gwarantuje właściwe działanie przez co najmniej 10 cykli parowania w warunkach polowych i 25 cykli na stanowisku roboczym, gdzie panują lepsze warunki środowiskowe.

To świetny wybór w wypadku wielu produktów, które nie będą demontowane, z wyjątkiem być może jednorazowej naprawy lub modernizacji. Rezystancja zestykowa całego układu wynosi 10mΩ przy maksymalnej obciążalności prądowej i napięciu znamionowym odpowiednio 1A i 100V. Kable 28AWG (1,27mm) można w razie potrzeby podłączyć poza zakładem lub w fabryce.

Usprawnienia w zakresie materiałoznawstwa

Aby wykonać początkowe i wielokrotne cykle parowania, pasujące styki REDFIT IDC SKEDD są do siebie dopasowane tak, aby nie dochodziło do plastycznego odkształcenia metalu, jak to ma miejsce w niektórych konstrukcjach styków. W przeciwieństwie do tego styk SKEDD składa się z dwóch ramion połączonych na wierzchołku, a elastyczne ramiona widełkowe zachowują sprężystość nawet po włożeniu i wykonaniu połączeń, zapewniając odwracalność połączenia (ilustracja 7).

Ilustracja 7: dwa ramiona styku SKEDD zachowują sprężystość podczas połączenia i po nim - jest to kluczowy czynnik w ich zdolności do zachowania zestyku, a także do odłączenia i ponownego połączenia. (Źródło ilustracji: Würth Elektronik)

Pod koniec procesu łączenia sztywność elastycznego styku SKEDD osiąga najwyższą wartość. W tym stanie normalna siła zestyku jest wystarczająco wysoka, aby przerwy sygnału z powodu obciążenia mechanicznego nie były dłuższe niż 1µs.

Może się wydawać, że styki i technologia SKEDD są tylko wyrafinowanym usprawnieniem od dawna stosowanej technologii połączeń zatrzaskowych, ale wcale tak nie jest. W przypadku połączeń zatrzaskowych w powlekany otwór przelotowy wciska się lity wtyk. Wysoka siła tarcia między wtykiem a przelotką tworzy na zimno jednorodną spoinę między powierzchniami, zapewniając integralność elektryczną i mechaniczną. Jednak podczas tego procesu powlekany otwór przelotowy ulega również deformacji, a usunięcie litego wtyku przerywa ciągłość połączenia.

W wypadku zastosowania technologii połączeń wciskanych z wtykami elastycznymi zamiast litych, metalizowany otwór przelotowy pozostaje nienaruszony, ale z kolei deformacji ulega sam materiał wtyku. Chociaż możliwe jest usunięcie elastycznego wtyku, ponieważ połączenie mechaniczne nie jest tak mocne jak w wypadku wtyku litego, sam wtyk zostaje uszkodzony i nie można go użyć ponownie.

W przeciwieństwie do tego, elastyczne dopasowanie i brak plastycznego odkształcenia zarówno styku, jak i metalizowanej przelotki w rozwiązaniu SKEDD sprawia, że pasująca para może zostać podłączona ponownie bez deformacji, a czterokierunkowy styk zwiększa niezawodność (ilustracja 8).

Ilustracja 8: w przeciwieństwie do technologii połączenia zatrzaskowego z litymi lub elastycznymi wtykami, w której odkształceniu ulega przelotka lub wtyk, w rozwiązaniu SKEDD nie odkształca się ani wtyk ani przelotka. Ma to kluczowe znaczenie dla zapewnienia niezawodnego ponownego połączenia złącza i jego styków. (Źródło ilustracji: Würth Elektronik)

Zalety i możliwości połączeń wzajemnych

W typowym zastosowaniu konwencjonalnego kabla IDC, w celu połączenia sąsiadujących ze sobą płytek drukowanych, kabel ze złączami na obu końcach łączy się z odpowiednimi złączami montowanymi na płytkach drukowanych. Korzystanie ze złącza REDFIT IDC SKEDD ma wiele zalet:

• Złącze to eliminuje potrzebę stosowania pasującego złącza na płytce - w wypadku używania złącza REDFIT IDC SKEDD na obu końcach pozbywamy się dwóch części.
• Ponieważ złącze REDFIT IDC SKEDD można włożyć w górną lub dolną część płytki, zachowujemy większą elastyczność w poprowadzeniu kabla taśmowego oraz w zakresie względnego odstępu i orientacji płytki, co pozwala na bezpośrednie, krótsze połączenia (ilustracja 9).
• Ponadto uzyskujemy pewną oszczędność pod względem masy i użytych materiałów. Może nie jest to znaczącym czynnikiem w niektórych projektach, ale w wielu innych będzie istotny.

Ilustracja 9: ponieważ złącze REDFIT IDC SKEDD można wstawić po obu stronach płytki drukowanej, oferuje ono więcej opcji w zakresie poprowadzenia kabla i rozmieszczenia podłączonych płytek. (Źródło ilustracji: Würth Elektronik)

Ważną częścią wpływającą na działanie złącza jest plastikowa obudowa złącza REDFIT IDC SKEDD. Obudowa ma w przeciwległych rogach dwa kołki prowadzące o nieco różnych średnicach, aby zapewnić prawidłową orientację dopasowania i zapobiec błędom odwrotnej polaryzacji w montażu (ilustracja 10). Materiał obudowy to tworzywo sztuczne, które jest odporne na wysokie temperatury (od -25⁰C do +105⁰C), spełnia normę palności UL94 V-0, ma doskonałą odporność chemiczną i niski współczynnik rozszerzalności cieplnej w celu zminimalizowania uszkodzeń spowodowanych cyklami termicznymi.

Ilustracja 10: kołki prowadzące o nieco różnych średnicach w przeciwległych rogach obudowy zapobiegają włożeniu złącza w odwrotnej pozycji. (Źródło ilustracji: Würth Elektronik)

Aby zapobiec przerwom w połączeniu z powodu drgań, oprócz czterech punktów kontaktu na każdym wtyku każda plastikowa płytka zawiera dwa małe połączenia zaciskowe cierne, które działają jak pasywny system blokujący. Dzięki temu uzyskujemy beznarzędziowy zacisk, który samoczynnie blokuje się po włożeniu i utrzymuje prawidłowe połączenie, dopóki nie zostanie ręcznie rozłączony.

Specyfikacje produkcyjne płytek są w pełni zdefiniowane i łatwo je spełnić

Do skutecznego i niezawodnego wykorzystania złącza REDFIT IDC SKEDD niezbędne jest prawidłowe wykonanie przelotek na płytce drukowanej. Nie stanowi to jednak problemu, ponieważ kluczowe wymagania są zgodne z dzisiejszymi standardowymi specyfikacjami płytek drukowanych. Produkcja przelotki nie wymaga specjalnych kroków ani dodatkowej precyzji tolerancji płytki drukowanej ponad standardowe wymagania.

Na schemacie pokazano układ płytki drukowanej wraz z wymiarami złącza i otworu, a także powiązane tolerancje dla gotowych przelotek na płytce produkcyjnej (ilustracja 11). Należy pamiętać, że w przypadku testów prototypowych i sprawdzania poprawności, które często wymagają więcej cykli łączenia/odłączania, stosowany jest szerszy zakres tolerancji otworów.

Ilustracja 11: podane wymiary i tolerancje dla rozmieszczenia i rozmiarów otworów w płytkach produkcyjnych pasujące do złącza REDFIT IDC SKEDD, są zgodne z nowoczesnymi standardami produkcji płytek (po lewej); zmodyfikowany schemat otworów do zastosowania w sprawdzaniu poprawności ma nieco większe tolerancje i pozwala na więcej cykli łączenia/odłączania (po prawej). (Źródło ilustracji: Würth Elektronik)

Podsumowanie

Używany od wielu lat dwuczęściowy zespół i system kablowy IDC jest sprawdzonym, wartościowym i szeroko stosowanym rozwiązaniem w wypadku połączeń wieloprzewodowych. Obecnie prezentowany kabel taśmowy REDFIT IDC SKEDD firmy Würth Elektronik stanowi alternatywę, która eliminuje potrzebę wykorzystania pasującego żeńskiego gniazda IDC. Zamiast tego zastosowane w złączu ręcznie podłączane i odłączane męskie złącze wtykowe podłącza się bezpośrednio do płytki drukowanej. Obniża to koszty, skraca wykaz materiałów BOM, eliminuje źródło potencjalnych przerw ciągłości zestyku oraz oferuje dodatkowe opcje prowadzenia kabli i rozmieszczenia płytek.

Powiązane filmy wideo i moduły szkoleniowe Digi-Key

Würth Elektronik, rozwiązania REDFIT IDC SKEDD

Würth Elektronik, REDFIT IDC - złącze SKEDD firmy Würth Elektronik eiSos

Źródła

1. “Jaycar Electronics Reference Data Sheet” (Internet Archive Wayback Machine)
2. „Insulation-displacement connector” (Wikipedia)