להבין כיצד מגעים מעולים משפרים את הביצועים של מחברים מרובי-מיקומי-מגע

מחברים הם הקישור המכני והחשמלי הקריטי בין תת-חלקים של מערכת או בין מערכת לעולם החיצון. מספר גורמים קובעים את הבחירה של סוג מחבר,‏ כולל דרישות חשמליות ומכניות, תקני תעשייה, קלות שימוש וייצור, מספר וסוגי‏ מגעים, תרחישי חיבור וניתוק, יעדי אמינות ומנדטים רגולטוריים. עדיין, גוף המחבר D-subminiature‏ (D-sub‏) הקלאסי משמש כבר עשרות שנים וממשיך להיות המחבר המועדף עבור יישומים רבים.

בעוד סגנון גוף המחבר וסידור המגעים מקבלים תשומת לב רבה, המגעים משפיעים משמעותית על הביצועים החשמליים והמכניים של מחבר. ככל שהתכנים הופכים מורכבים יותר ויותר והיישומים הופכים תובעניים יותר, מתכננים צריכים להיות מודעים לחידושים האחרונים בטכנולוגיית המגעים כדי לעמוד בדרישות ובתקנים המתאימים, במיוחד במונחים של קשיחות, כוח הכנסה והחזקה, התנגדות מגע וטולרנס טמפרטורה.

מאמר זה מספק סקירה קצרה של מגמות מחברים, עם‏ דגש על התפקיד המתמשך של מחברי D-sub‏. אחר כך הוא מציג מגעים מתקדמים מבית Amphenol Positronic ומראה כיצד ניתן להשתמש בהם כדי לשפר ביצועי מחברים.

USB‏, Ethernet‏, והחשיבות של‏ מחברי D-sub‏

למרות צמצום השימוש בממשק ה-RS-232‏ הקלאסי והעליה של גרסאות‏ שונות של מחברי‏ USB‏ ו-Ethernet,‏ מחבר ה-D-sub ‏9-פינים הקלאסי (הנקרא לעיתים קרובות DB-9) ושאר המשפחה המורחבת של מחברי D-sub ממשיכים לשחק תפקיד חשוב בתקשורת מערכות אלקטרוניות. ישנן סיבות רבות לשימוש מתמשך זה. בעוד USB‏ ו-Ethernet‏ יכולים לעמוד בדרישות חברור רבות, שני סוגי מחברים אלה הנמצאים בשימוש נרחב הם טוריים ואינם ממשקים מרובי קווים. הם יכולים לשאת נתונים והספקת-כוח בו-זמנית, אבל רק עם מגבלות חמורות על סוג האות, מתח וזרם מקסימליים, ודירוגי הספק.

על פי תכנון, USB‏ ו-Ethernet‏ אינם יכולים לטפל באותות מרובים לא קשורים או פורמטים משתנים ביעילות כמו ממשק עם נתיבי מגע מקבילים מרובים. שיקול‏ נוסף ועם זאת קריטי הוא שחיבורי USB‏ ו-Ethernet‏ סטנדרטיים לא תוכננו עבור רמות השלמות והקשיחות המכנית והחשמלית הדרושות במצבים רבים.

מסיבות אלו ואחרות, מחבר ה-D-sub נמצא עדיין בשימוש נרחב. גורם הצורה קיים מאז שנות ה-50 ומציע יתרונות רבים. הוא מסוכך לחלוטין מפני הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) והפרעות תדר רדיו (RFI‏), מספק‏ מעטה אטום או כמעט אטום, מכנית הוא קשיח, והחצאים התואמים שלו ניתנים לנעילה אחד לשני באמצעות ברגי הגבהה. גוף מחבר ה-D-sub, או המעטה, מוצע לפחות בשישה גדלים סטנדרטיים ומספק גמישות במספר וסוגי מיקומי המגע שלהם. בנוסף להיצע של מעטי מחבר עם כל המגעים מאותו סוג בכל המיקומים, מחברי Combo-D” D-subs“תומכים‏ בשילוב של מגעי אותות והספקת-כוח עצמאיים בתוך מעטה מחבר יחיד (איור 1‏, למעלה).

איור 1‏: סגנון מחבר ה-Combo-D subminiature תומך בצירופים רבים של‏ נתיבים לאותות והספקת-כוח (למעלה); מחברי D-sub זמינים בגדלי מעטה וסידורי מגעים סטנדרטיים (למטה). (מקור תמונה: Amphenol Positronic)

מחבר D-sub‏ יחיד יכול לתמוך‏ במגוון סידורי‏ם מעורבים ומותאמים סטנדרטיים (איור 1‏, למטה). הם זמינים בגרסאות של שתי שורות עבור צפיפות סטנדרטית וגרסאות של שלוש שורות, צפיפות-גבוהה. ישנם מגעים עבור אותות, הספקת-כוח, סיכוך, מתח גבוה, צמדים תרמיים וסיבים אופטיים.

חידושים בטכנולוגיית מגעים

הסגולות של מעטה ה-D-sub הן חלק חשוב מסיפור המחבר, אך המגעים החשמליים והמאפיינים שלהם הם קריטיים גם כן למכלול מחבר מוצלח. במרוצת השנים, חלו שיפורים רבים בטכנולוגיית המגעים ביחס לחומרים, תכן וביצועים חשמליים ומכניים.

ביניהם אלה של Amphenol Positronic, טכנולוגיית המגעים PosiBand מוגנת-הפטנט (פטנט ארה"ב 7,115,002). טכנולוגיית PosiBand נוקטת בגישה‏ חדשנית למגעים השונה מתכנים קלאסיים כדי לספק ביצועים משופרים לרוחב פרמטרי מפתח רבים.

תכן אלמנט הלחץ החיצוני PosiBand מפריד לגמרי את הפעולה המכנית מהפעולה החשמלית של החיבור (איור 2‏). אלמנט ה‏לחץ מבצע את הפעולה המכנית על ידי הפעלת כוח הלוחץ את הפין הזכרי כנגד דופן החלל הפנימי‏ הנקבי כדי ליצור קו ארוך של מגע חשמלי ישיר. האורך של קו הממשק ניתן לשינוי, דבר המאפשר למתכננים למטב את התנגדות ממשק החיבור. טבעת שלמה מוצקה‏ בנקודת הכניסה מגדילה את החוסן המכני של המגע.

איור 2‏: טכנולוגיית PosiBand משתמשת‏ בתכן מוגן-פטנט כדי להפריד את הפעולה המכנית והפעולה החשמלית של החיבור. (מקור תמונה: Amphenol Positronic)

מהדק הקפיץ (איור 3‏, שמאל) בתוך ה-PosiBand‏ הוא חלק קטן אך קריטי של המכלול ותורם חשוב לביצועיו. סגסוגת בריליום-נחושת קפיצית זו מספקת כוח אנכי על המגע הזכרי, ובכך תורמת לזיווג מגעים קשיח ואמין (איור 3, ימין). בו-זמנית, היא מציעה כוח הכנסה ממוצע נמוך יותר תוך עמידה בדרישות הביצועים, או מעבר להן.

איור 3: מהדק הקפיץ PosiBand (שמאל) מספק כוח נורמלי על פני אזור המגע (ימין) כדי למקסם את שטח המגע של משטח החיבור החשמלי. (מקור תמונה: Amphenol Positronic)

מגע ה-PosiBand הבסיסי עשוי מפליז, ולו תכונות מעולות ללחיצת חוט לתוך מגעים. הוא גם מבטל את הצורך בחישול החומר, שלא רק מוסיף לעלות אלא גם מהווה צעד בייצור שיכול להיעשות בצורה לא נכונה ולגרום לבעיות ארוכות טווח.

מערכת ה-PosiBand גם מגדילה את שטח ההשקה בין מגעים זכריים ונקביים, בהשוואה לתכני מגעים מסורתיים, לקבלת שלמות חשמלית אמינה יותר. ברמת המיקרו, ישנם מספר גדול יותר של נתיבים חשמליים דרך ממשק המגעים. שטח המגע המוגדל מקטין את הסיכוי לנתק במהלך רעידות.

באופן המנוגד לאינטואיציה, שטח המגע המוגדל המוצע על ידי מערכת ה-PosiBand אינו מגדיל כוחות הכנסה; להיפך, תכן ה-PosiBand מספק ערך כוח-הכנסה עקבי יותר, מה שמביא לכוח הכנסה ממוצע נמוך יותר.

מוצרי Positronic הם חלק מרשימת המוצרים המופיעים ב-U.S. Defense Logistics Agency (DLA) Qualified Products List‏ (QPL), מה שאומר שהם עמדו בדרישות הכוללות זיהוי מוצר מתאים, הסמכה ובדיקות מוצר תקופתיות. טכנולוגיית PosiBand מוסמכת תחת מפרטי SAE AS3902 ו-MIL-DTL-24308 ומוסמכת גם לדרישה של בדיקת הפרדת-מגעים גבוהה מ-40 גרם (g) של GSFC S-311-P4/08 ו-GSFC S-311-P4/10.

גודל מגעים והתנגדות

מגעי PosiBand זמינים בגדלים סטנדרטיים של 20 ו-22. הראשון מתוכנן עבור חוטים בעוביים American Wire Gauge‏ (AWG‏) ‏20‏, 22‏ ו-24‏, בעוד השני‏ מתוכנן עבור חוטים בעוביים AWG‏ 22, 24, 26, 28 ו-30.

ההתנגדות המקסימלית של‏ מגעים בגודל 22‏ היא 0.005 אוהם (Ω‏), בעוד המספר המקביל עבור מגעים בגודל ‏20‏ הוא ‎0.004 Ω. התנגדות מגע נמוכה זו, ובעקבות כך חימום עצמי נמוך לאחר מכן עקב הפסדי I²R מינימליים, מציעה למתכננים הזדמנויות להשתמש במגעים בגודל 22‏ ובגודל ‏20‏ עבור הספקת-כוח.

המאפיינים התרמיים של מגעים הם גורם שחלק מהמהנדסים אינם מודעים לו, או מתחשבים בו בשלב מאוחר בתכנון ובתהליך בחירת המחבר. אף על פי כן, המאפיינים התרמיים הם גורם קריטי בעת הערכת ביצועי מחבר ומערכת. מגעי ה-PosiBand גודל ‏20‏ (איור 4, למעלה) וגודל 22‏ (איור 4, למטה) מאופיינים במלואם עבור עליית טמפרטורה לעומת זרם, עבור תצורות מגעים שונות.

איור 4: מוצגת עליית הטמפרטורה לעומת זרם נקוב עבור מגעי PosiBand גודל ‏20‏ (למעלה) וגודל 22 (למטה) בתצורות שונות. (מקור תמונה: Amphenol Positronic)

הזרם המקסימלי המותר מוגבל על ידי הטמפרטורה המקסימלית שהחיבור והמגע יכולים לסבול.

מוצרי PosiBand עבור יישומי העולם-האמיתי

עבור מתכננים המרכיבים את הכבלים והמחברים שלהם, מגעי PosiBand זמינים כפריטים אינדיבידואליים. לדוגמה, ה-FC6020D2-14 (איור 5) הוא מגע שקע מעובד-מכונה, עשוי מסגסוגת נחושת, בגודל 20, שמחובר לקצה החוט בלחיצה.

איור 5: ה-FC6020D2-14 הוא מגע שקע מעובד-מכונה, עשוי מסגסוגת נחושת, בגודל 20, שמחובר לקצה החוט בלחיצה. (מקור תמונה: Amphenol Positronic)

מגע נחושת מצופה-ניקל זה מצופה ב-1.27 מיקרו-מטר (µm)‏ זהב כדי להבטיח התנגדות נמוכה ורצף אמין. עבור חיבורים בלחיצה (לא-מולחמים) אלה, Amphenol‏ Positronic מציעה כלי לחיצה מיוחד כדי להבטיח שהחיבורים עומדים במפרטים מדויקים עבור עקביות ואמינות.

עבור מתכננים המחפשים פתרונות מוכנים מן-המדף, קיימים מחברים מורכבים במלואם עבור חלק מהתצורות הנפוצות יותר, כגון ה-MCD15M51R700K/AA-15 (איור6, שמאל) וה-CBC7W2S110000 (איור6, ימין) מסדרת MACH-D. ה-MCD15M51R700K/AA-15‏ הוא מחבר D-sub מפלדת אל-חלד, ‏15‏ מיקומי-מגע (פינים זכריים), עם מגעים זהים בגודל ‏20‏ הנקובים 17 אמפר (A). הוא מיועד להלחמה ללוח מעגל בזווית ישרה. בנוסף לסיומות הרכבה על לוח בזווית ישרה, הוא מוצע באפשרויות סיום לחיצה, גביע לחם ו-press-fit.

איור 6‏: ה-MCD15M51R700K/AA-15 (שמאל) הוא מחבר תקע D-sub‏ ‏15‏ מיקומי-מגע (פינים זכריים), עם מגעים בגודל ‏20‏; ה-CBC7W2S110000 (ימין) הוא מחבר שקע משולב‏ ‏7 מיקומי-מגע, עם מגעים נקביים הכוללים חמישה מגעי אותות PosiBand בגודל 20 ושני מגעי הספקת-כוח MC/FC 4012D. (מקור תמונה: Amphenol Positronic)

לעומתו, ה-CBC7W2S110000 הוא מחבר שקע משולב‏ ‏7 מיקומי-מגע עם שקעים נקביים. מחבר זה כולל חמישה מגעי אותות PosiBand בגודל 20 ועוד שני מגעי הספקת-כוח MC/FC 4012D 100 A (זמינים גם מגעי כבל קואקסיאלי). המעטפת שלו היא פלדה מצופה אבץ עם איטום מלח חומצת כרום (chromate) עבור שלמות חשמלית וסביבתית.

סיכום

המחברים המקבילים מרובי-מיקומי-המגע הקלאסיים ממשפחת ה-D-sub‏ הם המחבר המועדף עבור יישומים רבים. הם מציעים למתכננים אפשרויות גודל-פיזי מרובות וגמישות במספר וסידור מגעים. מגעי אותות חדשניים PosiBand של Amphenol Positronic, משולבים עם מעטי מחבר ה-D-sub שלהם, תומכים באמינות ובביצועים משופרים.