Document tehnic: Rezistența conectorilor
Fie că este vorba de industria aeronautică și spațială, de automatizarea industrială, de sectorul transporturilor sau de cel al sănătății: conectorii trebuie să asigure întotdeauna o transmisie fiabilă a semnalului și nu trebuie să se defecteze sub nicio formă. În același timp, aceștia sunt expuși la o serie de solicitări din partea mediului înconjurător: Efectele mecanice, precum șocurile, vibrațiile și oscilațiile, pun în pericol stabilitatea transmiterii datelor, la fel ca și influențele termice și chimice ale mediului, cauzate de temperaturi extreme, variații puternice de temperatură, gaze nocive, umiditate și murdărie. Producătorii de conectori de înaltă calitate apelează, prin urmare, la o gamă largă de soluții pentru a-și proteja conectorii împotriva acestor solicitări.
Robustețe în ciuda miniaturizării

Electrotehnica modernă se confruntă mai mult ca niciodată cu o tendință: miniaturizarea. Subansamblele și componentele acestora trebuie să devină nu doar din ce în ce mai performante, ci și din ce în ce mai mici. Cu toate acestea, ele sunt adesea utilizate în condiții reale dificile. Prin urmare, componentele, precum și conectorii, devin din ce în ce mai delicate, menținând în același timp aceeași capacitate de încărcare. Un conector de calitate rezistă însă la această solicitare nu doar la fel de bine ca fratele său mai vechi și mai mare, ci chiar mai bine. Motivul pentru aceasta îl constituie evoluțiile în compoziția materialelor, precum și în designul produsului, de exemplu în geometria corpului izolator (fig. 1).
Factorul de influență: suprafața

O serie de factori influențează rezistența unui conector. Unul dintre aceștia este suprafața de contact. Aceasta determină în mod decisiv durata de viață a conectorului, care se măsoară de obicei în cicluri de conectare. În timpul utilizării în teren, conectorul este supus unor microdeplasări. Acestea duc la abraziunea suprafeței și, în consecință, la formarea de oxid (Fig. 2).
Consecința este o rezistență de contact crescută și, prin urmare, o calitate inferioară a transmisiei semnalului. Prin urmare, este necesar să se reducă la minimum uzura suprafețelor în timpul conectării și în timpul funcționării, cu ajutorul unui strat de acoperire al contactelor de înaltă calitate și durabil. Pentru aceasta, atât contactul cu lamă, cât și cel cu arc trebuie să aibă o suprafață suficient de netedă. În ciuda prețurilor în creștere, aurul este încă utilizat astăzi pentru acoperirea suprafețelor datorită rezistenței sale la coroziune și conductivității excelente. Deoarece aurul pur este moale, acesta este aliat cu un procent de 0,2 până la 0,3% de cobalt sau nichel, obținându-se astfel aur dur. Cu toate acestea, cei care caută o alternativă mai stabilă din punct de vedere al prețului la această structură de strat pot recurge, de exemplu, la un aliaj de nichel și fosfor cu strat de aur. Combinate în proporții foarte precise, aceste două materiale prezintă proprietățile pozitive pe care le are și aurul: rezistență ridicată la coroziune, rezistență pronunțată la uzură și conductivitate excelentă. Pentru a preveni difuziunile între materialul de contact și acoperirea de suprafață, se utilizează adesea un așa-numit strat barieră de nichel. Cu ajutorul acestei bariere se poate evita coroziunea.
Factorul de influență: proiectarea contactelor

Contactele unui conector sunt decupate sau filetate. Cu toate acestea, în cazul decupării, pe partea inferioară a benzii decupate se formează o suprafață neomogenă, cu margini ascuțite, vizibilă la microscop. Sistemele convenționale fac contact pe această margine de ștanțare, ceea ce duce la o abraziune sporită a suprafeței și, prin urmare, la o rezistență de tranziție mai mare. Acest lucru poate fi evitat dacă se îndoaie tulpina elastică cu 90 de grade în cadrul așa-numitului proces de ștanțare-îndoire, astfel încât aceasta să intre în contact cu contactul cu lamă prin suprafața netedă, laminată (Fig. 3).
Totuși, nu doar designul benzii cu arcuri, ci și cel al benzii cu lame sunt decisive pentru durabilitatea conectorului. Deoarece și acestea din urmă trebuie ștanțate și prelucrate corespunzător, pentru a evita geometriile defectuoase și ascuțite.
Totuși, nu doar designul benzii cu arcuri, ci și cel al benzii cu lame sunt decisive pentru durabilitatea conectorului. Deoarece și acestea din urmă trebuie ștanțate și prelucrate corespunzător, pentru a evita geometriile defectuoase și ascuțite.
Factorul de influență: sistemul de contact

Conectorii clasici din două părți sunt prevăzuți cu un contact cu lamă și unul cu arc. Cu toate acestea, în cazul unor șocuri puternice, șina cu contact de tip cuțit se poate desprinde de șina cu contact de tip arc. Pentru a preveni o astfel de întrerupere a contactului, se poate asigura redundanța și, prin urmare, siguranța contactului cu ajutorul unei șine cu contact de tip arc cu două fețe, deoarece, datorită celui de-al doilea arc, transmisia semnalului este asigurată în orice moment prin cel puțin un punct de contact (Fig. 4).

În schimb, conectorii cu așa-numitul sistem de contact „neutru din punct de vedere al genului” sunt și mai rezistenți. Particularitatea constă în geometriile identice ale contactelor celor două jumătăți ale conectorului, mufa și priza. Ambele dispun, așadar, atât de un contact cu arc, cât și de un contact cu lamă. Astfel, fiecare pin este contactat de două arcuri, mufa și priza fiind interconectate și neputându-se desprinde una de cealaltă. În timp ce o bară cu arcuri pe două fețe asigură întotdeauna cel puțin un punct de contact sub sarcină mecanică, geometriile interconectate din sistemele de contact neutre din punct de vedere al genului garantează că transmisia semnalului se realizează întotdeauna prin două puncte de contact. Această redundanță ridicată permite astfel o siguranță maximă a contactului (Fig. 5).

În ceea ce privește caracteristicile de rezistență, sistemul de contact neutru din punct de vedere al genului este depășit doar de conectorii dintr-o singură piesă. Aceștia renunță complet la principiul clasic de contact în două părți, format din lamă și bară cu arc. Prin eliminarea zonei de contact vulnerabile, conectorii dintr-o singură piesă nu numai că au cea mai mare rezistență la șocuri, vibrații, umiditate, praf și condiții atmosferice, dar sunt potriviți și pentru turnare și alte metode de protecție a componentelor. În combinație cu tehnica de presare, aceștia reprezintă cea mai sigură conexiune mecanică și electrică între două plăci de circuit imprimat (Fig. 6).
Factorul de influență: tehnica de conectare

Există diverse modalități de montare a conectorilor pe plăcile de circuit imprimat. Una dintre acestea este tehnica de presare menționată anterior. Scopul acesteia este de a obține forțe de fixare cât mai mari între conector și placa de circuit imprimat, cu o forță de presare cât mai redusă. Forțele de fixare determină calitatea conexiunii mecanice, care, la rândul său, trebuie să reziste la șocuri și vibrații. Această tehnică de conectare este un procedeu verificat de miliarde de ori, în care un pin de presare este introdus prin presare într-un orificiu cu contact prin trecere din placa de circuit imprimat (Fig. 7).

În acest caz, pinul de inserare are o diagonală mai mare decât diametrul orificiului plăcii de circuit imprimat. Pinul conectorului este flexibil în zona de inserare, astfel încât placa de circuit imprimat să nu se deformeze sub efectul forțelor fizice din timpul procesului de inserare. Prin urmare, deformarea se limitează la zona de presare (Fig. 8). Se produce o sudură la rece între pinul de contact și orificiul metalizat al plăcii de circuit imprimat: o conexiune mecanică etanșă la gaze, rezistentă la coroziune, cu impedanță redusă și cu o bună conductivitate electrică, care este potrivită și pentru turnare. Aceasta este, de asemenea, specificată în norma DIN EN 60352-5 și rămâne sigură din punct de vedere al contactului chiar și în cazul unor solicitări mecanice și termice foarte mari, precum vibrații, îndoire și schimbări puternice de temperatură, rezistând chiar și la șocuri de până la 200 g.
Datorită proprietăților sale excelente de robustețe și a ratei de defectare (rata FIT) de zece ori mai bună decât în cazul conectorilor lipiți automat, tehnica de presare este utilizată cu succes în aplicații de înaltă siguranță, în care transmisia semnalului nu trebuie întreruptă sub nicio formă, de exemplu în sistemele de airbag sau în modulele ABS și ESP.
Datorită proprietăților sale excelente de robustețe și a ratei de defectare (rata FIT) de zece ori mai bună decât în cazul conectorilor lipiți automat, tehnica de presare este utilizată cu succes în aplicații de înaltă siguranță, în care transmisia semnalului nu trebuie întreruptă sub nicio formă, de exemplu în sistemele de airbag sau în modulele ABS și ESP.

Totuși, tehnica de presare nu este întotdeauna adecvată, de exemplu atunci când plăcile de circuit imprimat trebuie echipate pe ambele fețe sau când nu se poate respecta distanța minimă față de componente în direcția forței. O altă posibilitate de a realiza o conexiune fiabilă și durabilă între conector și placa de circuit imprimat este tehnologia de montare pe suprafață (SMT). Cu ajutorul pastei de lipit, conectorii sunt lipiți pe suprafețele de conectare definite ale plăcii de circuit imprimat, numite paduri de lipit. Abia într-un așa-numit cuptor de reflow, materialul de lipit este topit și apoi întărit. Prin SMT se pot realiza conexiuni stabile între conector și placa de circuit imprimat. Pentru aceasta trebuie însă îndeplinite câteva criterii: în primul rând, pentru un punct de lipire conform standardului IPC-A-610 trebuie respectat raportul corect dintre piciorul de lipire, padul de lipire și pasta de lipire. Numai astfel se realizează o conexiune de înaltă calitate, care permite o conexiune conform clasei IPC 3, fiind astfel adecvată pentru utilizarea în electronica de înaltă performanță. În această clasă, trebuie excluse în orice moment defecțiunile în transmisia semnalului. O conexiune optimă prin lipire se recunoaște după formarea uniformă a meniscului. Contactul trebuie să fie înconjurat pe toată circumferința de meniscul de lipire, pentru a obține cele mai bune forțe de fixare pe placa de circuit imprimat. (Fig. 9).
Coplanaritatea picioarelor de contact este o condiție esențială pentru o conexiune excelentă. Dacă toate aceste condiții sunt îndeplinite, s-a demonstrat că conectorii SMT pot rezista la solicitări mecanice de până la 400 N.
Factorul de influență: designul corpului izolator

Geometria corpului izolator al unui conector contribuie, de asemenea, la protejarea contactelor împotriva deteriorării în timpul funcționării sau al instalării. Aceasta trebuie concepută astfel încât contactele vulnerabile din interiorul conectorului să fie protejate.
În plus, muchiile de ghidare permit evitarea deteriorărilor în timpul montării. Acestea ajută la compensarea deplasării plăcilor de circuit imprimat în orice direcție în momentul conectării. Cu ajutorul unei zone de prindere suplimentare, cele două jumătăți ale conectorului pot fi conectate fără a se deteriora, chiar și în cazul unui decalaj central sau unghiular (fig. 10).
În plus, muchiile de ghidare permit evitarea deteriorărilor în timpul montării. Acestea ajută la compensarea deplasării plăcilor de circuit imprimat în orice direcție în momentul conectării. Cu ajutorul unei zone de prindere suplimentare, cele două jumătăți ale conectorului pot fi conectate fără a se deteriora, chiar și în cazul unui decalaj central sau unghiular (fig. 10).

Unele conectori dispun, de asemenea, de dispozitive de fixare pe placă. Este vorba despre cleme metalice fixate pe corpul izolator și care sunt, de asemenea, lipite pe placa de circuit imprimat (fig. 11). Astfel, acestea asigură o stabilitate suplimentară – chiar și în condiții nefavorabile, precum vibrațiile și șocurile.
Factor de influență Interval de toleranță

Intervalul de toleranță al unui conector joacă un rol decisiv în evaluarea robusteții acestuia. Dacă conectorul nu poate compensa toleranțele date, mișcările mecanice duc la uzură sau chiar la deteriorarea conexiunii. La instalare, muchiile de ghidare oferă un sprijin în acest sens, pentru a permite conectarea fără deteriorări a conectorului cu pini și a celui cu contacti. Totuși, chiar și în stare conectată, trebuie compensate micromișcările. Acest lucru se realizează prin geometria contactelor și a corpului izolator. Dacă un conector dispune de o funcție de flotare, acesta poate compensa până la ±0,4 mm chiar și în timpul funcționării. Această funcție capătă o importanță din ce în ce mai mare, deoarece joacă un rol decisiv la echiparea unei plăci de circuit imprimat cu mai multe conectori. În câmp, însă, solicitările apar nu numai în direcția x și y, ci și în direcția z (fig. 12).

Aici se pune problema siguranței de fixare a unui conector. Aceasta descrie zona de suprapunere dintre contactele de tip lamă și cele de tip arc și permite astfel nu numai distanțe diferite între plăcile de circuit imprimat, ci și – în funcție de dimensiunea acestei zone – intervale de toleranță (fig. 13).
Compensările maxime de toleranță se realizează, în schimb, prin intermediul conexiunii prin cablu. Aici, lungimea cablului determină intervalul de toleranță al conexiunii prin conector.
Compensările maxime de toleranță se realizează, în schimb, prin intermediul conexiunii prin cablu. Aici, lungimea cablului determină intervalul de toleranță al conexiunii prin conector.
Proceduri de verificare

Pentru a testa în detaliu caracteristicile de rezistență ale conectorilor, există diverse proceduri de testare. În acest context, se iau în considerare variabile precum rezistența la tensiune și rezistența de contact, atât înainte, cât și după un test de solicitare, iar starea contactelor este inspectată vizual. Astfel, se pot verifica, de exemplu, efectele a 500 de cicluri de conectare asupra rezistenței la tensiune sau se poate stabili, în cadrul testului climatic, dacă expunerea timp de câteva ore la -55 °C și apoi la 125 °C are un efect negativ asupra rezistenței de contact a conectorului. În cadrul testului de șoc termic, conectorul trebuie să reziste la schimbarea rapidă între aceste temperaturi extreme de 100 de ori, timp de 30 de minute de fiecare dată. De asemenea, decalajul central și unghiular la conectare, precum și intervalul de toleranță în stare conectată, nu ar trebui verificate doar teoretic pe modelul CAD, ci testate extensiv în practică, iar rezistența la solicitare ar trebui confirmată empiric. La fel de important este ca diferitele teste critice pentru suprafața de contact să fie efectuate și în combinație, pentru a simula condițiile reale. Astfel, de exemplu, testele de cicluri de conectare și cele cu gaze nocive ar putea fi efectuate în combinație, pentru a se asigura că performanța conectorului nu s-a deteriorat în ceea ce privește rezistența de contact și rezistența la tensiune și că contactele nu au suferit daune (Fig. 14).
Designul dumneavoastră – alegerea dumneavoastră

În funcție de cerințele aplicației, există diferite criterii de rezistență pe care trebuie să le îndeplinească un conector. De exemplu, trebuie să compenseze toleranțe mari? Este expus la șocuri puternice sau vibrații? Este utilizat în condiții de căldură sau frig extrem? Sau soluția de conectare trebuie să fie protejată împotriva umezelii, a gazelor nocive sau a murdăriei? Dacă un utilizator se ghidează după aceste întrebări atunci când alege soluția de conectare, poate fi sigur că conectorul său este perfect pregătit pentru utilizarea în teren.

