Suoraan kytkettävien eristyksen syrjäyttävien liittimien avulla voidaan virtaviivaistaa kokoonpanoa ja pienentää osaluetteloa

Insinöörit valitsevat eristyksen syrjäyttävät liittimet (IDC) ja niihin liittyvät nauhakaapelit moninastaisiin yhdysjohtoihin niiden suuren kosketintiheyden ja yksivaiheisen massaliitännän perusteella sekä siksi, ettei johtimia tarvitse kuoria. IDC-liittimien käyttäjät yleensä odottavat, että niissä on kaksiosainen liitinkokoonpano, jossa on yhteen liitettävät urosnastat ja naarasliittimet. Näitä IDC-liittimiä on saatavana eri tyylisinä (kuten piirilevyyn asennettavat tai vapaasti riippuvat), niihin on saatavana 8–50 nastalla (tyypillisesti) ja niitä käytetään monijohtimisen lattakaapelin kanssa.

Vaikka IDC-liittimet tarjoavat monia etuja, suunnittelijat pyrkivät aina vähentämään suoria osakustannuksia, pienentämään osaluetteloa, yksinkertaistamaan ostoja ja hankintoja sekä virtaviivaistamaan kokoonpanoprosessia tuotantoympäristössä. Kaikki nämä tavoitteet voidaan saavuttaa yhdellä kertaa käyttämällä lattakaapeliin liitettävää yksittäistä IDC-liitintä, joka samalla poistaa vastaliittimen tarpeen.

Tätä innovaatiota, joka on vastoin IDC-liittimiä koskevaa perinteistä ajattelua, käytetään Würth Elektronikin WR-WST REDFIT IDC SKEDD -lattakaapeliliittimessä. Se käyttää piirilevyä vastakoskettimena, mikä vähentää kustannuksia, yksinkertaistaa kokoonpanotyötä ja poistaa yhden tuotteen osaluettelosta toimintaa heikentämättä. Tässä artikkelissa käsitellään näiden IDC-liitininnovaatioiden taustalla olevia tekijöitä sekä esitellään WR-WST-liitin ja sen käyttötavat.

Mitä IDC-liittimet ovat ja miksi niitä tarvitaan?

IDC-liittimet ratkaisevat useita ongelmia mahdollistamalla useiden signaali- ja virtajohtojen nopean ja helpon liitännän sekä liitospolun nopean ja helpon luomisen ja katkaisemisen (kuva 1). IDC-pohjaisia kaapelikokoonpanoja käytetään laajalti useissa sovelluksissa, kuten vierekkäisten piirilevyjen välissä tai prosessin piirilevyn ja suhteellisen kaukana olevan käyttäjän näytön ja näppäimistökokoonpanon välissä. Joissakin projekteissa lattakaapelia käytetään myös joustavana ”väylänä”, joka tukee sekä kaapelien päiden liitoksia että taipuisaan kaapeliin asetettuja liittimiä, jotta muita piirilevyjä voidaan liittää yhteiseen reittiin.

Kuva 1: IDC-kaapelikokoonpanoissa käytetään massaliitettyjä puristettavia uros- ja naarasvastaliittimiä sekä monen johtimen lattakaapelia, kuten tämä 16 johtimen kokoonpano. Nauhakaapeli voi myös olla yksivärinen toisin kuin tässä monivärisessä esimerkissä. (Kuvan lähde: eBay)

IDC-tekniikka kehitettiin yli 50 vuotta sitten. Sen jälkeen tekniikan käyttö on levinnyt laajalle, käytettäviä versioita on kehitetty lisää, kosketintiheys on kasvanut, kontakteja liitintä kohden on lisätty ja sitä on parannettu myös muilla tavoin. Nimensä mukaisesti IDC-tekniikka perustuu siihen, että osa kaapelin johtimien (johtojen) ympärillä olevasta eristyksestä syrjäytetään, jolloin saadaan suora sähköliitos kupariin (kuva 2). Eristystä ei tarvitse kuoria johdosta, koska koskettimien terävät metallireunat lävistävät eristyksen, mikä luo kaasutiiviin liitoksen.

Kuva 2 (ylempi)

Kuva 2 (alempi)

Kuva 2: IDC-liittimen yläosa on painettu alas, jolloin koskettimet puristuvat samanaikaisesti ja lävistävät kaapelin kaikkien johdinten eristyksen (ylempi kuva). Kuva kokoonpanosta, jossa liittimen yläosa on poistettu (alempi kuva). Se osoittaa, että koskettimet tulevat johdon eristyksen läpi. (Kuvan lähde: Jaycar Electronics -yhtiön tekniset referenssitiedot)

Yksi useista edistysaskeleista, joiden ansiosta IDC-liittimien massakäytöstä tuli käytännöllistä, oli sellaisten eristeiden kehittäminen, jotka leikkautuvat puhtaasti ja siististi mutta jotka eivät halkea lävistysalueen ulkopuolelta. Koska lattakaapelikokoonpanoissa käytetään useita johtimia, useita liitäntöjä voidaan tehdä samanaikaisesti, joten IDC-kaapeleita kutsutaan toisinaan massaliittimiksi. Ensimmäisiä IDC-liittimiä käytettiin ainoastaan säikeettömien johdinten kanssa, jotta saatiin luotettavat liitokset, mutta teknisten edistysaskelien ansiosta IDC-liittimiä voitiin käyttää pian myös säikeellisten johdinten kanssa.

Saatavilla on useita standardoituja versioita sekä uros- että naarasliitoksilla. Näihin kuuluu sekä piirilevyyn juotettavia liittimiä että vapaasti riippuvia ja kaapelin päähän liitettäviä liittimiä. Näin IDC-kaapelikokoonpano voidaan liittää levyyn asennettuun liittimeen tai toiseen IDC-kaapeliin.

Esimerkiksi Würth 61201023021 on kaksirivinen, 10-nastainen, johdinväliltään 2,54 millimetrin (mm) suorakulmainen IDC-vastake (naaras), joka puristetaan kaapeliin (kuva 3). Jos kaapelia varten tarvitaan sen sijaan urosliitin nastoilla, voidaan käyttää vastaavaa Würth 61201025821 -IDC-piirilevyliitintä (kuva 4). Sekä uros- että naarasliittimille on saatavilla vastakkaiset liittimet, jotka asennetaan piirilevyyn kaapelin ja piirilevyn välisen reitin muodostamista varten. Huomaa, että vaikka nämä ovat 10-nastaisia liittimiä, Würth WR-BHD -piirilevyliittimien ja IDC-liittimien tuotevalikoima sisältää jopa 60-nastaisia liittimiä.

Kuva 3: Würth Elektronikin IDC-liitin 61201023021 on kaksirivinen, 10-nastainen suorakulmainen vastake (naaras), jonka johdinväli on 2,54 mm. Se on suunniteltu puristettavaksi vapaasti riippuvaan lattakaapeliin. (Kuvan lähde: Würth Elektronik)

Kuva 4: Würthin IDC-piirilevyliitin 61201025821, jossa on urosnastat, on Würthin IDC-liitintä 61201023021 vastaava osa. (Kuvan lähde: Würth Elektronik)

IDC-liittimiä ja vastaavia lattakaapeleita on saatavana eri nastamäärillä ja erilaisilla optioilla. Vaihtoehtoihin kuuluvat muun muassa 1,27 mm:n ja 2,54 mm:n johdinvälit sekä kosketinnastojen lukumäärä. Maksimi virtaluokitus on yleensä enintään 1–3 ampeeria (A), ja johtimia on saatavana ohuista (30 AWG) paksumpiin (22 AWG). Lisäksi IDC-liittimiä saatavana on DB-xx-liitoksiin ja aiemmin yleisiin kokoihin DB-25, DB-15 ja DB-9 (yleinen RS-232-liitännöissä).

Joillakin toimialoilla on laadittu erityiset IDC-tyypit, jotta eri valmistajien valmistamia toisiinsa liitettyjä laitteita voidaan vaihtaa keskenään. Esimerkiksi kotitietokoneissa käytetään seuraavia yleisiä standardeja:

• 3,5 tuuman IDE-väylää käyttävien pöytätietokoneiden kiintolevyasemat: johdinväli 2,54 mm, 40 kosketinnastaa, 2 × 20 (2 riviä, joissa on 20 kosketinnastaa)
• 2,5 tuuman IDE-väylää käyttävien kannettavien tietokoneiden kiintolevyasemat: johdinväli 2,00 mm, 44 kosketinnastaa, 2 × 22
• 8-bittinen SCSI: johdinväli 2,54 mm, 50 kosketinnastaa, 2 × 25
• 16-bittinen SCSI: johdinväli 1,27 mm, 68 kosketinnastaa, 2 × 34

Kaikkien edellä mainittujen liittimien suhteen tietokoneen valmistaja kiinnittää yleensä IDC-naarasliittimen nauhakaapelin toiseen päähän ja vastaavan piirilevyliittimen (uros) tai piikkiriman tietokoneen emolevyyn. Saatavana on myös yhden kontaktin liittimiä, joita käytetään yksittäisten johtojen kanssa puhelinjohtojen liitäntälohkoissa. Teknikko voi tehdä liitoksen kentällä käyttämällä erikoistyökalua, jolla eristetty johto voidaan työntää terävien haarukkaliittimien väliin halutun yksittäisen kontaktin kohdalla.

Siirtyminen yksiosaiseen IDC-liitäntään

On itsestään selvää tai jopa väistämätöntä, että usean kontaktin IDC-kaapelikokoonpano tarvitsee vastaliittimen. Näin on ollut jo pitkään. Uusimmassa menetelmässä ei kuitenkaan tarvita naarasvastaketta, vaan sen sijaan vastaliittimenä käytetään piirilevyä (kuva 5).

Kuva 5: REDFIT IDC SKEDD -liitin, joka kuuluu Würth Elektronikin lattakaapeleiden IDC-liittimien tuotevalikoimaan, kytketään suoraan piirilevyn oikean kokoisiin ja metalloituihin läpivientiaukkoihin, jolloin vastaavia IDC-naarasliittimiä ei tarvita. (Kuvan lähde: Würth Elektronik)

Tätä periaatetta käytetään Würth Elektronikin lattakaapeleiden IDC-liittimien tuotevalikoimaan kuuluvissaREDFIT IDC SKEDD -liittimissä. Tämä liitin kiinnitetään lattakaapeliin kuten mihin tahansa IDC-kaapeliin, mutta sen jälkeen se kytketään suoraan piirilevyn oikean kokoisiin ja metalloituihin läpivientiaukkoihin (sähköisiin läpivienteihin piirilevykerrosten välillä). Tuloksena on luotettava liitos mutta pienemmät kustannukset, vähemmän kosketinkohtia ja vähemmän kokoonpanovaiheita.

Tämä on mekaaninen, käsin kytkettävä, palautuva liitin, mikä tarkoittaa, että se voidaan irrottaa ilman erikoistyökaluja, toisin kuin jotkin puristettavat tai kiinni napsautettavat liittimet, joita ei voi irrottaa ilman erikoistyökalua tai käyttäjältä vaadittavaa näppäryyttä (kuva 6). Se perustuu 1,27 mm:n johdinväliin, jota kutsutaan myös puolikkaaksi johdinväliksi, ja sitä on saatavana 4–20 koskettimella (tasaluku) liitintä kohden. 10-nastaisen Würth 490107671012 -version tekniset tiedot ovat tyypilliset.

Kuva 6: REDFIT IDC SKEDD -liitin on mekaaninen, käsin kytkettävä, palautuva IDC-liitin, mikä tarkoittaa, että se voidaan kytkeä ja irrottaa ilman erikoistyökaluja. (Kuvan lähde: Würth Elektronik)

REDFIT IDC SKEDD -liitintä voidaan käyttää esimerkiksi kulutuselektroniikassa, aurinkosähköjärjestelmissä, teollisuuselektroniikassa ja koneenrakennusprojekteissa, joissa käytetään johtoja. Myyjä takaa toiminnan vähintään 10 liitossyklin ajan kentällä ja 25 liitossyklin ajan prototyypin penkkitestissä, jossa ympäristöolosuhteet ovat paremmat.

Tämä luokitus soveltuu monille tuotteille, joita ei pureta, paitsi ehkä kerran korjausta tai päivitystä varten. Koko järjestelmän kosketinresistanssi on 10 milliohmia (mΩ), nimellinen virtakapasiteetti enintään 1 A ja nimellisjännite 100 volttia. 28 AWG:n (1,27 mm:n) kaapelit voidaan valmistaa tarpeen mukaan tehtaalla tai sen ulkopuolella.

Toiminta perustuu materiaalitieteeseen

Jotta ensimmäinen liitossykli ja useita liitossyklejä voidaan toteuttaa, REDFIT IDC-SKEDD -liittimen kosketusosapuolien on sovittava yhteen niin, ettei metallissa tapahdu plastista muodonmuutosta, kuten joissain kosketinmalleissa. Sen sijaan SKEDD-kosketin koostuu kahdesta päistään liitetystä haarasta. Joustavat haarukkatyyppiset haarat pysyvät joustavassa tilassa silloinkin, kun ne asetetaan paikoilleen ja liitetään, mikä varmistaa palautuvan liitoksen (kuva 7).

Kuva 7: SKEDD-koskettimen kaksi haaraa pysyvät elastisessa tilassa asettamisen aikana ja sen jälkeen. Tämä on keskeinen tekijä, jotta niiden kosketinvoima säilyy ja jotta ne voidaan myös irrottaa ja asettaa uudelleen paikalleen. (Kuvan lähde: Würth Elektronik)

Asettamisen jälkeen joustavan SKEDD-koskettimen jousen jäykkyys on korkeimmillaan. Tässä tilassa koskettimen normaalivoima on riittävän suuri, ettei mekaaninen stressi aiheuta yli 1 mikrosekunnin (μs) signaalin keskeytystä.

Voi vaikuttaa siltä, että SKEDD-koskettimet ja -tekniikka perustuvat vain pitkään käytetyn puristusasennustekniikan kehittämiselle, mutta näin ei kuitenkaan ole. Puristusasennuksessa kiinteä kosketinnasta puristetaan metalloituun läpivientiaukkoon. Kosketinnastan ja aukon välinen suuri kitkavoima luo tasaisen kylmähitsauksen pintojen välille, mikä varmistaa sähköisen ja mekaanisen integriteetin. Puristusprosessin aikana metalloitujen läpivientiaukkojen muoto kuitenkin muuttuu, ja kun kiinteä kosketinnasta irrotetaan, liitos katkeaa.

Kun puristusasennustekniikassa käytetään joustavia kosketinnastoja (kiinteiden kosketinnastojen sijasta), metalloitu läpivientiaukko pysyy eheänä mutta itse nastan materiaalin muoto muuttuu. Vaikka joustava kosketinnasta voidaan poistaa, koska mekaaninen liitos ei ole yhtä vahva kuin kiinteää kosketinnastaa käytettäessä, itse nasta on vaurioitunut eikä sitä voi käyttää toista kertaa.

Sen sijaan SKEDD-menetelmässä sekä koskettimen että metalloidun läpivientiaukon joustava liitäntä ja plastisen muodonmuutoksen puuttuminen varmistavat, että liitäntä voidaan tehdä uudelleen ilman toiminnan heikkenemistä. Nelitiekosketin puolestaan parantaa luotettavuutta (kuva 8).

Kuva 8: Puristusasennustekniikassa käytetään kiinteitä tai joustavia kosketinnastoja, ja läpivientiaukon tai nastan muoto muuttuu, kun liitin asetetaan paikalleen. SKEDD-kosketinta käytettäessä koskettimen tai läpivientiaukon muoto ei kuitenkaan muutu. Tämä on ratkaisevaa sen varmistamisessa, että liitin ja sen koskettimet voidaan asettaa uudelleen paikalleen niiden toimintaa heikentämättä. (Kuvan lähde: Würth Elektronik)

Yhteenkytkennän edut ja mahdollisuudet

Perinteistä IDC-kaapelia käytetään tyypillisesti siten, että vierekkäiset piirilevyt yhdistetään liittämällä kaapelin kummassakin päässä olevat liittimet vastaaviin levyyn asennettuihin liittimiin. REDFIT IDC SKEDD -liittimen käyttö tarjoaa suunnittelijoille useita etuja:

• Se poistaa tarpeen vastaavalle piirilevyliittimelle, jolloin säästetään kaksi osaa, jos REDFIT IDC SKEDD -liitintä käytetään kummassakin päässä.
• Koska REDFIT IDC SKEDD -liitin voidaan asettaa piirilevyn ylä- tai alaosaan, lattakaapelin reititys on joustavampaa, ja se mahdollistaa joustavammat piirilevyjen välit ja suunnat sekä suorat ja lyhyemmät liitokset (kuva 9).
• Lisäksi näiden liittimien käyttö vähentää painoa ja materiaalia. Tämä ei välttämättä ole merkittävä tekijä kaikissa projekteissa, mutta usein sillä on suuri merkitys.

Kuva 9: Koska REDFIT IDC SKEDD -liitin voidaan asettaa piirilevyn kummalle puolelle tahansa, se tarjoaa enemmän vaihtoehtoja kaapelin reitittämiseen ja liitettyjen piirilevyjen sijoittamiseen. (Kuvan lähde: Würth Elektronik)

REDFIT IDC SKEDD -liittimen muovikuori on tärkeä osa liittimen toimintaa. Kuoressa on kaksi halkaisijaltaan eri kokoista ohjainnastaa vastakkaisissa kulmissa, millä varmistetaan liitäntä oikeassa asennossa ja estetään napojen asettaminen kokoonpanossa väärin päin (kuva 10). Kuoren materiaali on korkeita lämpötiloja kestävää muovia (luokitus –25…+105 ⁰C), joka täyttää syttymisherkkyyttä koskevan UL94 V-0 -standardin vaatimukset ja jolla on ylivoimainen kemiallinen kestävyys ja pieni lämpölaajenemiskerroin, mikä ehkäisee lämpövuorottelusta johtuvaa vikaantumista.

Kuva 10: Halkaisijaltaan hieman erilaiset ohjainnastat liitinkuoren vastakkaisissa kulmissa estävät liittimen asettamisen väärin päin. (Kuvan lähde: Würth Elektronik)

Jotta vältettäisiin tärinästä johtuvat kontaktin hetkelliset katkeamiset, kunkin nastan neljän kosketinkohdan lisäksi jokaisessa muovisessa piirilevyohjaimessa on kaksi pientä kitkalukkoa, joka toimivat passiivisena lukitusjärjestelmänä. Tämän ansiosta liitännässä ei tarvita työkaluja, se lukittuu itsestään kun liitin asetetaan paikoilleen ja liitin säilyttää liitoksen, kunnes liitin irrotetaan käsin.

Piirilevyn valmistuksen tekniset tiedot on määritetty kattavasti ja niiden vaatimukset on helppo täyttää

Jotta REDFIT IDC SKEDD -liittimiä voidaan käyttää onnistuneesti ja tehokkaasti, piirilevyn läpivientiaukot on valmistettava asianmukaisesti. Tämä ei kuitenkaan muodostu ongelmaksi, sillä tekniikalle tärkeät vaatimukset vastaavat tämänhetkisiä piirilevyjen teknisiä standardeja. Läpivientiaukkojen valmistus ei edellytä erityisiä toimenpiteitä tai piirilevyn ylimääräistä toleranssitarkkuutta, vaan normaalit vaatimukset riittävät.

Mittapiirroksessa on esitetty piirilevysuunnitelman kaikkien liittimien ja läpivientiaukkojen mitat sekä tuotantolevyssä olevien valmiiden läpivientiaukkojen vastaavat toleranssit (kuva 11). Huomaa, että prototyyppitestissä ja vianetsinnässä, jossa tarvitaan useampia asetus- ja irrotussyklejä, voidaan käyttää laajemman toleranssin porauskaaviota.

Kuva 11: Tuotantopiirilevyn aukkojen asettelulle ja kooille määritetyt mitat ja toleranssit REDFIT IDC SKEDD -liitintä varten vastaavat tämänhetkisiä piirilevyjen valmistuksen teknisiä standardeja (vasen kuva). Vianetsinnässä käytettävässä muunnellussa porauskaaviossa on hieman väljemmät toleranssit, ja se mahdollistaa useampia asetus- ja irrotussyklejä (oikea kuva). (Kuvan lähde: Würth Elektronik)

Yhteenveto

Kaksiosaista IDC-kaapelikokoonpanoa ja -järjestelmää on käytetty useita vuosia, ja se on osoittautunut hyödylliseksi ja laajalti käytetyksi menetelmäksi monen johtimen yhteenkytkennässä. Yksiosainen REDFIT IDC SKEDD -liitin, joka kuuluu Würth Elektronikin lattakaapeleiden IDC-liittimien tuotevalikoimaan, tarjoaa nyt vaihtoehdon, jota käytettäessä ei tarvita IDC-naarasliitintä. Sen sijaan tämä käsin asetettava ja irrotettava urosnastaliitin kytketään suoraan piirilevyyn. Näin se vähentää kustannuksia, pienentää osaluetteloa, poistaa yhden mahdollisten ajoittaisten kosketinvirheiden aiheuttajan sekä tarjoaa lisää vaihtoehtoja kaapelien reititykseen ja piirilevyjen asetteluun.

Aiheeseen liittyvät Digi-Keyn video- ja koulutusmoduulit

Würth Elektronik, REDFIT IDC SKEDD -liitinratkaisut

Würth Elektronik, Würth Elektronik eiSos -yhtiön valmistama REDFIT IDC SKEDD -liitin

Lähteet

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