Har du noen gang tenkt på paringssyklusene til kontakter?

Nei, dette er ikke en snedig vits om hvordan kontaktene dine – hvis du gir dem alenetid om natten – på magisk vis vil lage nye miniversjoner av seg selv, eller mirakuløst gro nye kontaktstillinger. I stedet er det et alvorlig problem som er lett å overse, og det ignoreres ofte helt til det rammer konstruktøren med frustrerende konsekvenser under feilsøking, langtidsevaluering eller til og med ute i felten.

Kontakter er laget for å kobles til (pares) og kobles fra – dette er rollen de har. Hvor mange slike tilkoblingssykluser kan imidlertid kontaktparet tåle før ytelsen forringes med høy motstand eller intermitterende kontakt, og føre til systemproblemer som er vanskelige å spore? Konstruktører vurderer kanskje ikke innledningsvis klassifiseringen til en kontakt når det kommer til antall tilkoblingssykluser, som kan variere fra titalls til tusenvis av sykluser avhengig av produktet, dets brukere og bruksområdet. Det burde de imidlertid gjøre. Spesielt for forbrukerprodukter, og når en kontakt brukes under prototyping- og utviklingssyklusen.

Leverandører gir spesifikasjoner for kontaktene sine for et visst antall slike sykluser. Disse spesifikasjonene er en funksjon av den generelle konnektorkonstruksjonen, samt kontaktkonstruksjon, -materiale og -plettering, og innenfor definerte spennings- og strømverdier. Likevel er det lett å overgå dette syklusantallet i den tøffe perioden med feilsøking og evaluering av konstruksjonen. Konsekvensene varierer fra håndterbare, for eksempel økt innsettingskraft, til frustrerende, for eksempel intermitterende konnektivitet.

Kontakter: De blir alt for ofte tatt for gitt

Den fysiske kontakten ser kanskje enkel ut, men det er den ikke. Kontaktytelse omfatter grunnleggende parametre for kontaktmotstand og tilkobling-/frakoblingskraft, som begge bør være lave og holde seg lave (med mindre det er et kontaktpar med låsing, selvfølgelig). I de fleste tilfeller dannes kontakten av en nøye utformet fingerlignende metallkonstruksjon. Et unntak er å bruke kretskortkanten (pc board edge) som hannkontakthalvdelen. For signalkontaktkonstruksjoner som ikke håndterer effekt, er kontakten nesten alltid plettert med noen få mikrometer (µm) gull eller tinn (billigere) for å redusere elektrisk motstand, minimere korrosjon og motstå slitasje på sammenkoblingsflatene. Dette er krevende for en fysisk liten kontakt med et enda mindre kontaktområde.

Hvor mange tilkoblingssykluser kreves for en kontakt? Svaret avhenger av bruksområdet. I noen tilfeller er dette titalls, men det kan også være hundrevis og tusenvis (tenk på USB-kontakten på telefonen din). En kontakt som er konstruert for å fungere riktig i den ene enden av syklusantall-området (f.eks. titalls sykluser), er forskjellig i sin grunnleggende utforming, konstruksjon, materiale og plettering sammenlignet med en for den andre enden (f.eks tusenvis av sykluser). Dette er ikke en refleksjon av kontaktkvaliteten, men et resultat av å være riktig tilpasset til kravene.

Eksempler viser konnektivitetsmangfold

En kjapp titt på noen representative kontakter viser syklusområdene og kontaktmotstandene de tilbyr:

JAE Electronics SM3ZS067U410AMR1000 er en hunnkontakt for kortkant med 67 posisjoner som er kompatibel med PCI-SIG M.2-spesifikasjonen, med en kontaktpinneavstand på 0,50 millimeter (mm) (0,020 tommer) (figur 1). Den er klassifisert for 60 tilkoblingssykluser med en maksimal kontaktmotstand på 55 milliohm (mΩ).

Figur 1: SM3ZS067U410AMR1000-kortkantkontakten fra JAE Electronics har kontakter med en pinneavstand på 0,50 mm, som oppfyller PCI-SIG M.2-spesifikasjonen, og er klassifisert for 60 tilkoblingssykluser. (Bildekilde: JAE Electronics)

• I motsetning er Hirose Electric Co Ltd UX60A-MB-5ST en overflatemontert rettvinklet mini-B USB 2.0-stikkontakt (5-posisjon), klassifisert for 5000 sykluser og 70 mΩ maksimal motstand (figur 2).

Figur 2: UX60A-MB-5ST, en forbrukerfokusert USB-stikkontakt fra Hirose, er klassifisert for 5000 sykluser og opprettholder en maksimal kontaktmotstand på 70 mΩ. (Bildekilde: Hirose Electric)

• Flatbåndkabler i Würth Elektroniks 490107671012 SKEDD-familien brukes vanligvis i produktkabinettet, og de krever ikke like mange tilkoblingssykluser som en brukertilgjengelig kontakt (figur 3). Denne kontakten med 10 posisjoner er unik fordi den passer direkte inn i pletterte hull i kretskortet i stedet for å bruke en komplementær sammenkoblingsdel. Ved å bruke leverandørspesifisert hullmønster, diameter og plettering, er den klassifisert for 10 sykluser ved 20 mΩ for produksjonsløp. Würth definerer også et litt annerledes, mer robust sett med tall for prototyping, noe som øker denne klassifiseringen til 25 sykluser.

Figur 3: 490107671012-isolasjonsforskyvningskontakten fra Würth Elektronik er klassifisert for 10 sykluser og har to direkte-til-kretskort-boremønstre: én for prototyping og én for sluttprodukter. (Bildekilde: Würth Elektronik)

• Til slutt har Harting 09332062648-jordposisjonskontakten, som har seks kontakter for ledningstykkelser fra 0,14 til 2,5 mm² (AWG 26 til AWG 14), kontakter som kan håndtere opptil 500 volt ved 16 A (figur 4). Forutsatt hyppige tilkobling/frakobling-sykluser, er den konstruert for å håndtere over 10 000 sykluser med en maksimal kontaktmotstand på bare 3 mΩ.

Figur 4: 09332062648-strømkontaktmodulen fra Harting er spesifisert for å opprettholde en kontaktmotstand på under 3 mΩ for opptil minst 10 000 tilkoblingssykluser. (Bildekilde: Harting)

Dette utvalget av ulike kontakter viser hvordan leverandører skreddersyr klassifiseringene for kontaktenes tilkoblingssyklus og maksimale motstand til det tiltenkte bruksområdet. Vær oppmerksom på at disse tallene kanskje ikke er åpenbare basert kun på deres fysiske størrelse eller utseende.

Prototypingskort (breadboard), prototype og feilsøking: En annen kontaktlevetid

En kontakt møter et helt annet driftsscenario i en produktutviklingsfase enn i sluttproduktrollen. For mange år siden var jeg involvert i et prosjekt som brukte et kretskort med standardformat som var koblet til et kortstativ. Vi opplevde alle mulige slags mystiske problemer under feilsøking, som vi til slutt fant ut at skyldtes det høye antallet tilkobling/frakobling-sykluser som kortet gjennomgikk på benken.

Et utvidelseskort ville ha redusert tilkoblingssyklusene siden det ville ha gitt oss tilgang til kortet i «sanntid», men dette resulterte i forringet signalintegriteten. Vår primitive, men effektive løsning var å ta kortstativet, kutte av den øverste delen og sette inn kortet i det øverste sporet, slik at vi kunne få tilgang til det mens det var i stativet. Faktisk kunne vi måle, kalibrere og trimme de analoge kanalene mens det var i arbeidsomgivelsene. Denne improviserte løsningen fungerte for oss, men den kan ikke anvendes for de fleste andre prosjekter.

Den riktige valgstrategien kan minimere kontaktproblemer

Hva kan du gjøre når du velger en kontakt, spesielt en som vil bli utsatt for mange tilkoblingssykluser i testfasen?

1: Først må du studere: Gå nøye gjennom datablader og legg spesielt merke til hvordan og under hvilke forhold leverandøren spesifiserer antall tilkoblingssykluser (det finnes ingen industristandard) – er det en spesifisert økning i kontaktmotstand? Innsettingskraft? Annet?

2: Bruk en utvider om mulig (det er ofte ikke nødvendig, men det kan være det).

3: Hvis du bruker kretskortets kant med fingre som den ene halvdelen av kontaktparet, må du samarbeide med kretskortets produsent for å fastsette hva slags ekstra eller spesiell plettering/belegning som er nødvendig (det er ikke sikkert kretskortets ubelagte kobber på én til to unser fungerer så bra i lengden).

4: Vurder å bruke en mer robust todelt kontakt fremfor kretskortkant med fingre, hvis mulig.

5: Sjekk om kontaktleverandøren tilbyr tykkere kontaktplettering som et standard eller egendefinert alternativ, slik mange gjør (vurder også om det er fornuftig for den endelige materiallisten).

6: Når det kommer til kabler, se om du kan bruke en kort, lett utskiftbar «jukseforlengelse» for å redusere slitasje på hovedkontakten (figur 5).

7: Til slutt må du identifisere de potensielle problemene og forsøke å minimere antall tilkoblingssykluser (noe som selvsagt er enklere sagt enn gjort).

Figur 5: Du kan kanskje bruke en kort skjøteledning for å minimere tilkoblingssyklusene til den faste kontakten på produktet. (Bildekilde: Bill Schweber)

Konklusjon

Kontakter er som regel pålitelige når de brukes innenfor de definerte spesifikasjonene. Det er imidlertid lett å overse begrensningene og overvurdere klassifiseringene deres for tilkoblingssykluser og andre parametere, spesielt i feilsøkings- og evalueringsfasen. Resultatet kan være frustrerende periodiske problemer og uforklarlig oppførsel fra kretsen. Bruk tid på å tenke gjennom hvordan kontakten vil bli brukt i denne fasen og utvikle et sett med taktikker for å unngå problemer.

Videre lesing:

«Bruk isolasjonsforskyvningskontakter (IDC) med direkte innplugging, for å gjøre monteringen mer effektiv og redusere materiallisten (BOM)»

https://www.digikey.com/en/articles/use-direct-plug-in-insulation-displacement-connectors

«Forenkle distribusjon av industrielt utstyr ved å bruke konfigurerbare modulkontakter»

https://www.digikey.com/en/articles/simplify-industrial-equipment-deployment-using-configurable-modular-connectors

Om skribenten

Image of Bill Schweber

Bill Schweber er en elektronikkingeniør som har skrevet tre lærebøker om elektroniske kommunikasjonssystemer, i tillegg til hundrevis av tekniske artikler, leserinnlegg og produktartikler. I tidligere roller jobbet han som teknisk nettstedsjef for flere emnespesifikke nettsteder for EE Times, i tillegg til både Executive Editor og Analog Editor ved EDN.

Hos Analog Devices, Inc. (en ledende leverandør av analoge og blandede signal-IC-er), var Bill innen markedskommunikasjon (PR); som et resultat har han vært på begge sider av den tekniske PR-funksjonen, presentert firmaprodukter, historier og meldinger til media og også som mottaker av disse.

Før han kom til markedskommunikasjonsavdelingen i Analog Devices, var Bill assisterende redaktør for deres respekterte tekniske tidsskrift og jobbet også i deres grupper for produktmarkedsføring og tilrettelegging av bruksområder. Før disse rollene jobbet Bill hos Instron Corp. og gjorde praktisk konstruksjonsarbeid av analoge strømkretser, samt systemintegrasjon for materialtesting av maskinkontroller.

Han har en MSEE (Univ. of Mass) og BSEE (Columbia Univ.), er registrert yrkesingeniør, han har også en Advanced Class-amatørradiolisens. Bill har også planlagt, skrevet og presentert nettkurs om en rekke tekniske emner som inkluderer grunnleggende om MOSFET, ADC-seleksjon og LED-drivere.

More posts by Bill Schweber)