Bruk isolasjonforskyvningskontakter (IDC) med direkte innplugging for å gjøre monteringen mer effektiv og redusere materiallisten (BOM)

Ingeniører velger ofte isolasjonsforskyvningskontakter (IDC-er) og deres tilhørende båndkabler for forbindelser med flere posisjoner på grunn av deres høye kontakttetthet, ett-trinns masseterminering og manglende behov for avisolering av ledninger. Brukere av IDC-er antar som regel at de omfatter en todelt kontaktanordning med sammenhengende hannkontakter og stikkontakter. Disse IDC-ene er tilgjengelige i et stort utvalg av stiler (for eksempel kortmontering eller fritthengende), som tilbys med så få som åtte og så mange som femti posisjoner (vanligvis), og brukes med flate båndkabler med flere ledere.

Selv om IDC-er har mange fordeler, er utviklere alltid ute etter å redusere kostnadene som er direkte relatert til deler, trimme materiallisten (BOM), forenkle innkjøp og anskaffelse og effektivisere monteringsprosessen i et produksjonsmiljø. Alle disse målene kan oppnås i ett trinn ved å bruke en enkelt IDC-kontakt for å terminere båndkabelen, noe som også eliminerer behovet for en komplementær parringskontakt.

Denne nyvinningen, som strider imot «konvensjonell tenking» om IDC-kontakter, brukes i WR-WST REDFIT IDC SKEDD IDC-båndkabelkontakten fra Würth Elektronik. Den bruker kretskortet som parringskontakt, og reduserer dermed kostnadene, noe som forenkler sammensetningen og fjerner en ordrelinje fra materiallisten, helt uten at det går ut over ytelsen. Denne artikkelen tar for seg de ulike motivasjonene som ligger bak nyvinninger som disse IDC-kontaktene, og deretter introduseres WR-WST-kontakten og hvordan du kan dra nytte av den.

Hva er IDC-er og hvorfor trenger vi dem?

IDC-er løser et mangfold av problemer ved å muliggjøre rask og enkel terminering av flere signal- og strømledninger og gi rask og enkel til- og frakobling på tilkoblingsbanen (figur 1). IDC-baserte kabelsammensetninger er populære i mange bruksområder, for eksempel mellom tilstøtende kretskort eller mellom et hovedkort og forholdsvis fjerntliggende brukerskjermer/tastaturenheter. Den flate båndkabelen brukes til og med som en fleksibel «buss» i noen installasjoner. Den støtter ikke bare endetilkoblinger på kabel, men også kontakter som er plassert langs den fleksible kabelen slik at andre kretskort kan kobles til en felles bane.

Figur 1: IDC-kabelsammensetninger som bruker masseterminerte krympende hann- og hunnkontakter samt flat båndkabel med flere ledninger, slik som denne sammensetningen med 16 ledninger. Båndkabelen kan også være monokrom, i motsetning til dette regnbueeksemplet. (Bildekilde: eBay)

IDC-teknologien ble utviklet for over 50 år siden. Helt siden teknologien kom på markedet har den sett vidstrakt bruk, vekst i antall tilgjengelige versjoner, økt kontakttetthet, flere kontakter per kontakt samt andre forbedringer. Slik navnet indikerer, er IDC-teknologien (IDC – insulation displacement connector) basert på forskyvningsprinsippet, som innebærer å skyve tilside isolasjonen rundt kabellederne (ledningene) og opprette en direkte elektrisk forbindelse til kobberet (figur 2). Det er ikke nødvendig å fjerne isolasjonen fra ledningen, siden kontaktenes skarpe metallkanter stikker gjennom isolasjonen for å lage en gasstett forbindelse.

Figur 2 (topp)

Figur 2 (bunn)

Figur 2: Kontaktoverflaten på en IDC-kontakt trykkes ned for å krympe kontaktene samtidig og stikke gjennom isolasjonen til alle ledningene i kabelen (topp). Når du ser på sammensetningen med kontaktoverflaten fjernet (bunn), vises kontaktene som stikker gjennom ledningsisolasjonen. (Bildekilde: Jaycar Electronics referansedatablad)

Utviklingen av isolasjonsmateriale som på en ryddig og oversiktlig måte splitter, men ikke gjennom stikksonen, var et av de mange fremskrittene som gjorde massebruk av IDC-er praktisk. Fordi ledningen er en av mange i en anordning med flat båndkabel, kan mange slike termineringer utføres samtidig, så derfor kalles IDC-kabler noen ganger «masseterminerings»-kontakter. De første IDC-ene var begrenset til entrådede ledninger for å gi pålitelige tilkoblinger, men tekniske fremskritt utvidet snart IDC-ene til å også omfatte flertrådene ledninger (lisse).

Det er mange tilgjengelige standardversjoner for både hann- og hunntilkoblinger. Disse omfatter kontakter som loddes på et kretskort, i tillegg til de som er fritthengende, og terminerer enden av en kabel. På denne måten kan en IDC-kabelsammensetning kobles til en kortmontert kontakt eller til en annen IDC-kabel.

For eksempel er Würth 61201023021 en rektangulær IDC-hunnkontakt med to rader, 10 posisjoner og 2,54 millimeter (mm) avstand, som er påpresset/krympet til kabelen (figur 3). Hvis kabelen trenger en hannkontakt i stedet, er den komplementære Würth 61201025821 IDC-stikkontakten tilgjengelig (figur 4). Korresponderende kontakter er tilgjengelige for både hann- og hunnkontakter, og disse monteres på kretskort for å fullføre en kabel-til-kort-bane. Vær oppmerksom på at selv om dette er kontakter med 10 posisjoner, kan Würth WR-BHD-stikkontakten (boks) og IDC-kontaktfamilien utvides til kontakter med 60-posisjoner.

Figur 3: Würth Elektroniks 61201023021 IDC er en rektangulær hunnkontakt med dobbel rad, 10 posisjoner og 2,54 mm avstand. Den er konstruert for å krympes til en fritthengende flat båndkabel. (Bildekilde: Würth Elektronik)

Figur 4: Würth 61201025821 IDC-stikkontakten med pinner er motparten til Wurth 61201023021 IDC. (Bildekilde: Würth Elektronik)

IDC-er og deres flate båndkabler er tilgjengelige i et bredt spekter av posisjoner og alternativer. Disse omfatter pinneavstand på 1,27 mm (0,050 tommer) eller 2,54 mm (0,10 tommer), samt antallet pinner. Maksimal nominell strømkapasitet er vanligvis fra 1 A (ampere) til 3 A med tilgjengelige ledningstykkelser fra tynne 0,05 mm² (30 AWG) til tykkere 0,34 mm² (22 AWG). Det er også IDC-er som er tilgjengelige for DB-xx-tilkoblinger for størrelsene DB-25, DB-15 og DB-9 (vanlig med RS-232-grensesnitt) som var mye brukt tidligere.

Noen industrisegmenter har etablert bestemte IDC-typer, slik at tilkoblede enheter fra forskjellige produsenter kan erstatte hverandre. For eksempel er følgende standarder vanlige innen PC-bransjen:

• 3,5-tommers IDE-harddisker for stasjonære datamaskiner: 2,54 mm avstand, 40 pinner, 2 × 20 (2 rader med 20 pinner)
• 2,5-tommers IDE-harddisker for bærbare datamaskiner: 2,00 mm avstand, 44 pinner, 2 × 22
• SCSI 8-biters: 2,54 mm avstand, 50 pinner, 2 × 25
• SCSI 16-biters: 1,27 mm avstand, 68 pinner, 2 × 34

For alle de ovennevnte kontaktene, kobler vanligvis datamaskinprodusenten en IDC-hunnkontakt på den ene enden av en båndkabel sammen med en hann-stikkontakt (boks) eller pinne-stiftlist på datamaskinens hovedkort. Det er også anordninger med enkeltkontakter som brukes med enledere i termineringsblokker for telefonledninger. En tekniker kan lage tilkoblingen ute i felten ved hjelp av et spesialverktøy som skyver en isolert ledning mellom de skarpe gaffelterminalene for et ønsket kontaktsted.

Gå over til en IDC-sammenkobling i ett stykke

Det kan virke åpenbart, og til og med uunngåelig, at en multikontakt IDC-kabelsammensetning trenger en parringskontakt, og det har vært slik i lang tid. Det er imidlertid en nyere tilnærming som eliminerer hunndelen (stikkontakt), og i stedet bruker kretskortet som selve parringskontakten (figur 5).

Figur 5: REDFIT IDC SKEDD-kontakten i IDC-familien med flatkabler fra Würth Elektronik plugges direkte inn i kretskortet via pletterte gjennomganger (via-er) med riktig størrelse, og dette eliminerer behovet for en matchende IDC-hunnkontakt. (Bildekilde: Würth Elektronik)

Dette er prinsippet til REDFIT IDC SKEDD-kontakten i IDC-familien med flatkabler fra Würth Elektronik. Denne kontakten er festet til den flate båndkabelen i likhet med alle andre IDC-kabler, men den plugges direkte inn i pletterte hull eller gjennomganger (via-er) med riktig størrelse («via» er avledet fra forkortelsen «vertical interconnect access») på kretskortet, som er elektriske forbindelser mellom lag. Resultatet er en pålitelig tilkobling til en lavere pris med færre kontaktpunkter og færre monteringstrinn.

Dette er en loddefri, hånd-pluggbar, vendbar kontakt, noe som betyr at den kan kobles fra uten å bruke spesialverktøy, i motsetning til visse trykk- eller fjærklemmekontakter som ikke kan kobles fra uten spesialverktøy eller vridebevegelser fra brukeren (figur 6). Den er basert på en 1,27 mm avstand – ofte kalt «halv avstand» – og er tilgjengelig med 4 til 20 (i partall) kontakter per konnektor. Würth 490107671012-versjonen med 10 posisjoner viser de representative spesifikasjonene.

Figur 6: REDFIT IDC SKEDD-kontakten er en loddefri, hånd-pluggbar, vendbar IDC, noe som betyr at den kan kobles til og fra uten å bruke spesialverktøy. (Bildekilde: Würth Elektronik)

REDFIT IDC SKEDD-kontakten er godt egnet i forbrukerelektronikk, solkraftanlegg, industriell elektronikk og maskintekniske prosjekter med behov for ledningsstrekking. Leverandøren garanterer yteevne i minst 10 tilkoblingssykluser ute i felten og 25 på prototypebenken, der miljøforholdene er mer gunstige.

Denne yteevnen er ideell for alle produkter som ikke har behov for å demonteres, bortsett fra ved en engangsreparasjon eller oppgradering e.l. Kontaktmotstanden til det samlede systemet er angitt som 10 milliohm (mΩ) med en maksimal strømkapasitet på 1 A og nominell spenning på 100 V. Kablene på 0,08 mm² (28 AWG) kan lages vekk fra arbeidsområdet eller på fabrikken, alt etter behov.

Materialvitenskap får ting til å fungere

For å gjennomføre innledende og gjentagende tilkoblingssykluser, må kontakt-«partnerne» til REDFIT IDC SKEDD tilpasse seg hverandre slik at ingen plastisk formendring oppstår på metallet, noe som kan oppstå i visse kontaktutforminger. SKEDD-kontakten består derimot av to armer, forbundet på tuppen, der de fleksible gaffel-armene forblir i den elastiske tilstanden selv når de er plugget inn og fullstendig tilkoblet, noe som gir en reverserbar tilkobling (Figur 7).

Figur 7: De to armene på SKEDD-kontakten forblir i elastisk tilstand under og etter innsetting – en viktig faktor i deres evne til å opprettholde kontaktkraften, og når de skal fjernes og settes inn igjen. (Bildekilde: Würth Elektronik)

Fjærstivheten til den fleksible SKEDD-kontakten når sin høyeste verdi på slutten av innsettingsprosessen. I denne tilstanden er kontaktens normale kraft høy nok til å sikre at ingen signalavbrudd på mer enn 1 mikrosekund (μs) oppstår på grunn av mekanisk belastning.

Det kan kanskje se ut som om SKEDD-kontakter og -teknologi bare er en sofistikert utvidelse av tradisjonell presspasningsteknologi, men det er ikke tilfellet i det hele tatt. I presspasnings-tilnærmingen presses en hard pinne inn i det pletterte hullet. Den høye friksjonskraften mellom pinnen og hullet skaper en homogen kaldsveis-forbindelse mellom overflatene, noe som sikrer elektrisk og mekanisk integritet. Det pletterte gjennomføringshullet blir imidlertid deformert under denne presspasningsprosessen, og når den harde pinnen fjernes, brytes denne forbindelsen.

Når du bruker presspasningsteknologi med fleksible, i stedet for harde, pinner, forblir det pletterte hullet intakt, men selve pinnematerialet blir deformert. Selv om det er mulig å fjerne den fleksible pinnen siden den mekaniske tilkoblingen ikke er like sterk som med en hard pinne, blir selve pinnen skadet og kan ikke brukes en gang til.

Den elastiske sammenkoblingen og fraværet av plastisk formendring av både kontakten og den pletterte gjennomgangen til SKEDD-tilnærmingen, sikrer at sammenkoblede par kan kobles sammen igjen uten forringelse, samtidig som de tilhørende fireveis-kontaktene forbedrer påliteligheten (figur 8).

Figur 8: I motsetning til presspassingsteknologi med harde eller fleksible pinner som deformerer gjennomgangen eller pinnen, henholdsvis, når innsatt, deformerer ikke SKEDD-kontakten seg selv eller gjennomgangen. Dette er avgjørende for å muliggjøre gjentatt innføring av konnektoren og tilhørende kontakter. (Bildekilde: Würth Elektronik)

Fordeler og muligheter med sammenkoblingen

I et vanlig bruksområde for en konvensjonell IDC-kabel, sammenkobles en kabel med kontakter i begge ender med korresponderende kortmonterte kontakter for å forbinde tilstøtende kretskort. Utviklere oppnår flere fordeler når de bruker REDFIT IDC SKEDD-kontakten:

• Den eliminerer behovet for sammenkoblingskontakter for kretskort, noe som gjør at du slipper å bruke to deler når REDFIT IDC SKEDD-kontakten brukes i begge ender.
• Siden REDFIT IDC SKEDD-kontakten kan settes inn på topp- eller bunnflaten på et kort, er det mer fleksibilitet for rutingen av flatbåndkabelen og relativ kortavstand og -orientering, og dette muliggjør kortere forbindelser som er mer direkte (figur 9).
• Og helt til slutt, betyr dette at det er mulig å spare litt på vekt og materialer. Det er ikke sikkert dette er en faktor i noen utforminger, men i mange er det en betydelig faktor.

Figur 9: Siden REDFIT IDC SKEDD-kontakten kan settes inn på hver side av kretskortet, gir den bedre muligheter for å rute kabelen og plassere tilkoblede kort. (Bildekilde: Würth Elektronik)

Plasthuset til REDFIT IDC SKEDD-kontakten er en viktig del av kontaktenes ytelse. Huset har to føringsstifter med litt forskjellige diametre i motsatte hjørner for å sikre riktig sammenkobling og for å forhindre feil med omvendt polaritet i sammensetningen (figur 10). Huset av plast er motstandsdyktig mot høye temperaturer (merket -25 ⁰C til +105 ⁰C), oppfyller UL94 V-0-brennbarhetsstandarden, har overlegen kjemisk motstand og har en lav termisk utvidelseskoeffisient for å minimere feil på grunn av syklisk gjennomgang av temperatur.

Figur 10: Føringsstiftene med litt forskjellige diametre i motsatte hjørner av kontakthuset, forhindrer at kontakten settes inn feil vei. (Bildekilde: Würth Elektronik)

For å forhindre vekslende kontaktforbindelser på grunn av vibrasjoner, har den, i tillegg til de fire kontaktpunktene i hver pinne, to små friksjonslåser på hver plastkortføring som fungerer som et passivt låsesystem. Resultatet er en verktøyfri terminering som er selvlåsende ved innsetting og opprettholder en solid forbindelse helt til den kobles fra for hånd.

Spesifikasjonene for fremstilling av kort er fullstendig definert, og kan lett oppfylles

Korrekt fabrikasjon av kretskortets gjennomgang er nødvendig for å oppnå vellykket og effektiv bruk av REDFIT IDC SKEDD-kontakten. Dette er imidlertid ikke noe problem, fordi de kritiske kravene er i samsvar med dagens standardspesifikasjoner for kretskort. Fabrikkeringen av gjennomgangene krever ikke spesielle trinn eller ekstra presisjon for kretskorttoleranse utover det som normalt kreves.

Den dimensjonale tegningen viser kretskortets layout for hele kontakten og dimensjonene til borehull, samt tilknyttede toleranser for de ferdige gjennomgangene i et produksjonskort (figur 11). For prototypetesting og feilsøking hvor det er nødvendig med flere sykluser med innsetting/fjerning, tilbys et boremønster med bredere toleranser.

Figur 11: De spesifiserte dimensjonene og toleransene for produksjonskretskortets hull-layout og størrelse for å akseptere REDFIT IDC SKEDD-kontakten, så vel som toleransene, er i samsvar med moderne standarder for fabrikasjon av kretskort (til venstre). Det modifiserte boremønsteret for feilsøkingsformål har litt friere toleranser og er i stand til å håndtere flere sykluser med innsetting/fjerning (til høyre). (Bildekilde: Würth Elektronik)

Konklusjon

Den todelte IDC-kabelsammensetningen og systemet har blitt brukt i mange år, og har vist seg å være en viktig, mye brukt tilkoblingsmetode for flere ledninger. REDFIT IDC SKEDD-kontakten i IDC-familien med flatkabler fra Würth Elektronik er et alternativ som eliminerer behovet for IDC-hunnkontakter. Den hånd-pluggbare/-avtakbare hannkontakten plugges i stedet direkte til på kretskortet. Ved å gjøre dette vil kostnader reduseres, materiallisten (BOM) tynnes ut, en annen kilde til potensielle vekslende kontaktfeil elimineres, og flere alternativer for kabelruting og kretskortarrangement gjøres mulig.

Relaterte video- og treningsmoduler for Digi-Key

Würth Elektronik, REDFIT IDC SKEDD-kontaktløsninger

Würth Elektronik, REDFIT IDC – SKEDD-kontakt fra Würth Elektronik eiSos

Referanser

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