Oletko ajatellut liittimien yhdistämissyklejä viime aikoina?

Ei, tämä ei ole onneton vitsi siitä, miten yksin jääneet liittimet yöllä maagisesti alkavat muodostamaan minikokoisia versioita itsestään tai ihmeenomaisesti kasvattamaan uusia kontaktipisteitä. Kyse on nimittäin vakavasta ongelmasta, joka suunnittelijan on helppo unohtaa, kunnes hän törmää sen aiheuttamiin hankaluuksiin virheenkorjauksen tai pitkän aikavälin arvioinnin yhteydessä tai jopa tuotteen tultua jo käyttöön.

Liittimet on tarkoitettu liitettäväksi ja irrotettavaksi – se on niiden tehtävä. Mutta kuinka monta liitäntäsykliä liitinpari kestää, ennen kuin sen suorituskyky alkaa heikentyä – resistanssi alkaa kasvaa tai kytkentä alkaa katkeilla – ja johtaa vaikeasti selvitettäviin ongelmiin järjestelmässä? Suunnittelijat eivät välttämättä tule ottaneeksi huomioon liittimelle määritettyä liitossyklien nimellismäärää, joka voi tuotteesta, sen käyttäjistä ja sovelluksesta riippuen vaihdella muutamista kymmenistä tuhansiin sykleihin. Siihen olisi kuitenkin syytä kiinnittää huomiota. Tämä pätee etenkin kuluttajasovelluksiin sekä liitimen käyttöön prototyyppien kehittelyssä ja tuotekehityssyklin aikana.

Toimittajat ilmoittavat liittimillensä tietyn liitäntäsyklimäärän. Tämä määrä vaihtelee liittimen rakenteen lisäksi myös kontaktin rakenteen, materiaalin ja pinnoitteen mukaan. Myös jännite- ja virta-arvot vaikuttavat siihen. Syklimäärä voi kuitenkin ylittyä helposti ratkaisun virheenkorjauksen ja arvioinnin huumassa, mikä voi johtaa hallittavissa oleviin seurauksiin, kuten liittämisvoiman kasvuun, tai sitten hankaliin vaikutuksiin, kuten katkeileviin yhteyksiin.

Älä oleta liikaa

Fyysinen liitin näyttää yksinkertaiselta, mutta sitä se ei todellisuudessa ole. Liittimen suorituskyvyn perusparametreja ovat kontaktin resistanssi ja liitos-/irrotusvoima, joiden molempien pitäisi olla alhaisia ja pysyä sellaisina (tietenkin lukittuvia liitinpareja lukuun ottamatta). Useimmissa tapauksissa kontakti on metallinen tarkkaan muotoiltu sormimainen rakenne. Poikkeuksen tästä muodostaa liitoksen urospuolena käytettävä piirilevyn reuna. Signaaliliittimissä ei siirretä merkittävää virtamäärää ja niissä on lähes aina muutaman mikrometrin (µm) paksuinen kultapinnoite (tai edullisempi tinapinnoite). Pinnoite vähentää resistanssia ja korroosiota sekä parantaa liitospintojen kulutuksen kestoa. Fyysisesti pienikokoinen liitin, jonka kosketuspinta on vieläkin pienempi, joutuu selviämään paljosta.

Kuinka monta liitäntäsykliä liittimen täytyy kestää? Vastaus riippuu sovelluksesta. Joissakin tapauksissa riittää muutama kymmenen kertaa, toisissa taas liittimen täytyy kestää satoja tai tuhansia liitäntäkertoja (kuten puhelimen USB-liittimen). Pienelle liitäntäsyklimäärälle suunnitellun liittimen toimintaan tarvittava perusratkaisu, rakenne, materiaali ja pinnoite ovat hyvin erilaiset kuin toistuvasti liitettävän liittimen. Kyse ei ole liittimen laadusta vaan oikean vaihtoehdon valitsemisesta käyttötilanteen vaatimusten mukaisesti.

Esimerkkejä liittimien moninaisuudesta

Seuraavassa esitetään esimerkkejä tyypillisistä liittimistä sekä niiden tarjoamista liitäntäsyklimääristä ja koskettimen resistanssiarvoista:

• JAE Electronics SM3ZS067U410AMR1000 on 67-nastainen naarasmallinen kortinreunaliitin, joka täyttää PCI-SIG M.2 ‑spesifikaation vaatimukset. Sen jalkaväli on 0,020 tuumaa/0,50 millimetriä (mm) (kuva 1). Sen liitäntäsyklien nimellisarvo on 60 ja kontaktin resistanssi enintään 55 milliohmia (mΩ).

Kuva 1: JAE Electronicsin SM3ZS067U410AMR1000-kortinreunaliittimen jalkaväli on 0,50 mm, se täyttää PCI-SIG M.2 ‑spesifikaation vaatimukset ja sen liitäntäsyklien nimellismäärä on 60. (Kuvan lähde: JAE Electronics)

• Hirose Electric Co Ltd:n UX60A-MB-5ST on puolestaan suorakulmainen mini-B USB 2.0 ‑pintaliitosliitin (5-nastainen). Sen nimellissyklimäärä on 5 000 ja resistanssi enintään 70 mΩ (kuva 2).

Kuva 2: Hirosen UX60A-MB-5ST on kuluttajakäyttöön tarkoitettu USB-liitin, jonka liitäntäsyklien nimellismäärä on 5 000 ja jonka kontaktien resistanssi on enintään 70 mΩ. (Kuvan lähde: Hirose Electric)

• Litteiden kuitunauhakaapelien liittimiä (eli eristyksen syrjäyttäviä liittimiä tai IDC-liittimiä) käytetään yleensä tuotteen kotelon sisällä, eikä niitä tarvitse liittää ja kytkeä yhtä usein kuin käyttäjälle tarkoitettuja liittimiä. Tällaisia liittimiä ovat esimerkiksi Würth Elektronikin 490107671012 SKEDD ‑perheen liittimet (kuva 3). Tämä kymmennastainen liitin on ainutlaatuinen siinä mielessä, että se kytketään piirilevyn pinnoitettuihin reikiin suoraan ilman erillistä vastakappaletta. Toimittajan määrittämällä piirilevyn reikäkuviolla, reikien halkaisijalla ja pinnoitteella liittimen liitäntäsyklien nimellismäärä tuotantokäytössä on 10 sykliä resistanssilla 20 mΩ. Würth tarjoaa myös hieman erilaisen, prototyyppien kehittelyyn tarkoitetun lujatekoisemman liittimen, joka tukee 25 liitäntäsykliä.

Kuva 3: Würth Elektronikin eristyksen syrjäyttävän liittimen 490107671012 liitäntäsyklien nimellismäärä on 10. Siinä on kaksi suoran piirilevykytkennän porauskuviota, yksi prototyypeille ja toinen lopputuotteille. (Kuvan lähde: Würth Elektronik)

• Hartingin 09332062648 on kuuden kontaktin liitin maadoitusnastalla johtimille, joiden poikkipinta-ala on 0,14–2,5 mm² (AWG 26 – AWG 14). Sen kontaktit kestävät jopa 500 voltin jännitteen 16 A:n virralla (kuva 4). Tämä liitin kestää toistuvia liitäntöjä ja irrotuksia, sillä se on suunniteltu peräti yli 10 000 syklille enintään 3 mΩ:n kontaktin resistanssilla.

Kuva 4: Hartingin 09332062648-virtaliitinkokoonpanon ilmoitetaan kestävän vähintään 10 000 liitäntäsykliä niin, että kontaktin resistanssi on alle 3 mΩ. (Kuvan lähde: Harting)

Liittimien moninaisuus osoittaa, että toimittajat räätälöivät liittimiensä liitäntäsyklit ja maksimiresistanssit kohdesovelluksen mukaan. Huomaa, ettei nimellisarvoja voi aina päätellä pelkästään fyysisen koon tai ulkomuodon perusteella.

Koekytkentäalusta, prototyyppi ja virheenkorjaus vaativat liittimiltä erilaista käyttöikää

Liittimen käyttö on tuotesuunnitteluvaiheessa hyvin toisenlaista kuin lopullisessa tuotteessa. Olin vuosia sitten mukana hankkeessa, jossa käytettiin vakiokokoista korttikehykseen työnnettävää piirilevyä. Virheenkorjauksen aikana ilmaantui kaikenlaisia omituisia ongelmia. Loppujen lopuksi saimme selville, että niiden taustalla oli piirilevyn toistuva liittäminen ja irrottaminen.

Laajennuskortti olisi vähentänyt liitäntäsyklien määrää, koska olisimme voineet silloin käyttää korttia ”reaaliaikaisesti”, mutta se olisi heikentänyt signaalin laatua. Ratkaisimme asian karkealla, mutta toimivalla tavalla. Leikkasimme irti korttikehyksen yläpinnan ja asetimme levyn yläkorttipaikkaan siten, että pääsimme siihen käsiksi sen ollessa paikallaan kotelossa. Pystyimme itse asiassa mittaamaan, kalibroimaan ja säätämään analogisia kanavia levyn käyttöympäristössä. Tämä improvisoitu ratkaisu toimi meidän tapauksessamme, mutta useimmissa projekteissa siitä ei ole apua.

Minimoi liitinongelmat sopivalla valintastrategialla

Mitä liittimen valintavaiheessa voi tehdä, etenkin jos liitäntäsyklejä on testausvaiheessa paljon?

1: Tee ensinnäkin tarvittava taustaselvitys: tutustu teknisiin tietoihin huolellisesti ja tarkista miten ja missä olosuhteissa toimittaja on määrittänyt liitäntäsyklien määrät – tälle ei nimittäin ole standardia. Onko tiedoissa määritetty tietty kontaktin resistanssin kasvu? Liittämisvoiman kasvu? Jokin muu tekijä?

2: Jos mahdollista, käytä laajennuskorttia (usein se ei onnistu, mutta toisinaan saattaa onnistua).

3: Jos liitinparin toinen puolisko on piirilevyn reuna ja sen sormet, selvitä levyn valmistajalta, millainen ylimääräinen erikoispinnoite tarvitaan (levyn tavallinen muutaman kymmenen gramman painoinen pinnoittamaton kupari ei ehkä toimi kunnolla kovin pitkään).

4: Jos mahdollista, harkitse kestävämmän kaksiosaisen liittimen käyttämistä piirilevyn reunan sormien sijaan.

5: Tarkista tarjoaako liittimen toimittaja paksummalla pinnoitteella varustettuja liittimen kontakteja joko vakio-ominaisuutena tai räätälöitynä versiona – monet nimittäin tarjoavat. (Harkitse myös olisiko tällainen vaihtoehto hyvä lopullisessa tuotteessa.)

6: Tarkista kaapelien osalta, voiko ratkaisussa käyttää lyhyttä, helposti vaihdettavaa ”valejatketta”, joka vähentäisi ensisijaisen liittimen kulumista (kuva 5).

7: Tunnista lopuksi mahdolliset ongelmat ja yritä minimoida liitäntäsyklien määrä (mikä on tietenkin helpommin sanottu kuin tehty).

Kuva 5: Tuotteessa voi ehkä käyttää lyhyttä jatkojohtoa, jolla kiinteän liittimen liitäntäsyklien määrää voi vähentää. (Kuvan lähde: Bill Schweber)

Yhteenveto

Liittimet toimivat yleensä luotettavasti, kun niitä käytetään niiden teknisten spesifikaatioiden mukaisesti. Liittimien rajoitukset jäävät kuitenkin helposti huomaamatta, jolloin ilmoitetut liitäntäsyklimäärät ja muut parametrit ylittyvät etenkin virheenkorjaus- ja arviointivaiheissa. Tämä voi johtaa turhauttaviin kytkentäongelmiin ja piirin omituisiin toimintahäiriöihin. Varaa aikaa siihen että mietit miten liitintä käytetään tässä vaiheessa, ja vältä ongelmat harkitun taktiikan avulla.

Muuta lukemista:

”Use Direct Plug-in Insulation Displacement Connectors to Streamline Assembly and Lower BOM”

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

"Yksinkertaista teollisuuslaitteiden toteuttamista konfiguroitavilla modulaariliittimillä"

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