האם חשבתם לאחרונה על מחזורי חיבור-ניתוק של מחברים?

לא, זו לא בדיחה ערמומית על האופן שבו, אם יישארו לבד בלילה, המחברים שלכם יולידו באורח פלא מיני-גרסות חדשות של עצמם או כבמעשה קסם יצמיחו מיקומי מגעים חדשים. במקום זאת, מדובר בנושא רציני שעלולים בקלות לא לזהותו ולהתעלם ממנו עד שהוא פוגע במתכנן עם תוצאות מתסכלות במהלך ניפוי באגים, הערכה לטווח ארוך, או אפילו בשטח.

מחברים אמורים להיות מחוברים ומנותקים, זה התפקיד שלהם. אך כמה מחזורי חיבור-ניתוק כאלה יכול זוג המחברים לסבול לפני שהביצועים מתדרדרים עם התנגדות גבוהה או מגע לסירוגין, מה שמוביל לבעיות מערכת שקשה לזהות אותן? המתכננים עשויים שלא להקדיש מחשבה ראשונית לדירוג המחבר עבור מחזורי חיבור-ניתוק, היכולים לנוע ממספר דו-ספרתי נמוך ועד לאלפי מחזורים בהתאם למוצר, למשתמשים וליישום שלו. אבל הם חייבים. במיוחד עבור יישומי צרכנים, וכאשר משתמשים במחבר במהלך מחזור בניית האב-טיפוס והפיתוח.

היצרנים מספקים מפרטים עבור המחברים שלהם עבור מספר מסוים של מחזורים כאלה. מפרטים אלה הם פונקציה של תכן המחבר הכולל, כמו גם תכן, חומר וציפוי המגעים, ובערכי המתח והזרם המוגדרים בהם. עם זאת, קל לחרוג ממספר המחזורים ההולך וגדל בכאוס של איתור הבאגים והערכת התכן. ההשלכות נעות בין ניתנות-לניהול, כגון כוח תחיבה מוגדל, ועד לתסכול, כגון חיבורים לסירוגין.

מחברים: לעתים קרובות מדי נחשבים כמובנים מאליהם

המגע הפיזי נראה די פשוט אבל הוא לא. ביצועי המחבר כוללים את הפרמטרים הבסיסיים של התנגדות המגעים וכוח החיבור/ניתוק, כאשר שניהם צריכים להיות נמוכים ולהישאר כך (אלא אם כן מדובר בזוג מחברים נעול, כמובן). המגע הוא מבנה מתכת דמוי-אצבע מעוצב במדויק ברוב המקרים. יוצא מן הכלל הוא השימוש בקצה לוח מעגלים מודפסים כחצי החיבור הגברי. עבור תכנים המטפלים במגעי אותות ולא במגעי כוח, המגע כמעט תמיד מצופה בכמה מיקרומטרים (µm‏) של זהב או בדיל (פחות יקר) כדי להפחית את ההתנגדות החשמלית, להקטין למינימום את הקורוזיה ולהתנגד לבלאי במשטחי החיבור. אלו דרישות רבות ממגע פיזי קטן עם שטח מגע קטן עוד יותר.

כמה מחזורי חיבור-ניתוק נחוצים עבור מחבר? התשובה תלויה ביישום. במקרים מסוימים מדובר במספרים דו-ספרתיים נמוכים, אך הם יכולים להגיע למאות ואלפים (חשבו על מחבר ה- USB הזה בטלפון שלכם). מחבר המתוכנן לתפקד כראוי בקצה אחד של תחום מספר המחזורים שונה בתכן הבסיסי, במבנה, בחומר ובציפוי לעומת מחבר מהקצה השני של התחום. זו לא מחשבה על איכות המחברים; זוהי פונקציה של התאמה נכונה לדרישות.

דוגמאות המציגות את הגיוון בחיבוריות

מבט קצר על כמה מחברים מייצגים מציג את תחום המחזורים והתנגדויות המגעים שהם מציעים:

• מחבר SM3ZS067U410AMR1000 מבית JAE Electronics הוא מחבר קצה כרטיס נקבה עם 67 מיקומים התואם למפרט PCI-SIG M.2, עם פסיעת מגעים של 0.020 אינץ' (.In‏) / 0.50 מילימטר (מ"מ) (איור 1). הוא מדורג עבור 60 מחזורי חיבור-ניתוק עם התנגדות מגעים מקסימלית של 55 מילי-אוהם (mΩ).

איור 1: למחבר קצה כרטיס SM3ZS067U410AMR1000 מבית JAE Electronics יש מגעים עם פסיעה של 0.50 מ"מ, העומדים במפרט PCI-SIG M.2, והוא מדורג עבור 60 מחזורי חיבור-ניתוק. (מקור התמונה: JAE Electronics)

• לעומת זאת, ה- UX60A-MB-5ST מבית Hirose Electric Co Ltd‏ הוא מחבר שקע USB 2.0‏ Mini-B‏ (5 מיקומים) בזווית ישרה להרכבה-משטחית, המדורג ל- 5,000 מחזורים עם התנגדות מגעים מקסימלית של mΩ‏ 70‏ (איור 2).

איור 2: שקע USB ממוקד-צרכנים UX60A-MB-5ST מבית Hirose מדורג עבור 5,000 מחזורים תוך שמירה על התנגדות מגעים מקסימלית של mΩ‏ 70‏. (מקור התמונה: Hirose Electric)

• מחברי כבלי רצועה שטוחים (הנקראים גם מחברי דחיקת בידוד, או IDC), הם חלק ממשפחת SKEDD‏ 490107671012 מבית Würth Elektronik‏ המשמשים בדרך כלל בתוך מארז המוצר, ואינם דורשים מחזורי חיבור-ניתוק רבים כמו מחברים הנגישים-למשתמש (איור) 3). מחבר זה עם 10 מיקומים הוא ייחודי בכך שהוא מתאים ישירות לתוך חורים מצופים בלוח המעגלים המודפסים במקום להשתמש בחלק חיבור משלים. הודות לתבנית החורים, הקוטר והציפוי של הלוח שבמפרט היצרן, הוא מדורג ל- 10 מחזורים ב- mΩ‏ 20‏ עבור ריצות ייצור. חברת Würth גם מגדירה סט שונה במעט וחסון יותר עבור בניית אב-טיפוס המעלה את הדירוג ל- 25 מחזורים.

איור 3: מחבר דחיקת בידוד 490107671012 מבית Würth Elektronik מדורג ל- 10 מחזורים ויש לו שתי תבניות קידוח עבור לוח המעגלים המודפסים: אחת עבור אב-טיפוס ואחת עבור מוצרים סופיים. (מקור התמונה: Würth Elektronik)

• לבסוף, מחברי 09332062648 מבית Harting‏ הם בעלי שישה מגעים ומיקום הארקה, הם מתאימים עבור חוטים בקטרים מ- 0.14 ממ"ר עד 2.5 ממ"ר (AWG 26 עד AWG 14), ויש להם מגעים היכולים לטפל בעד 500 וולט ב- A‏ 16‏ (איור 4). בהנחה של מחזורי חיבור/ניתוק תכופים, הם מתוכננים לטפל ביותר מ- 10,000 מחזורים עם התנגדות מגעים מקסימלית של mΩ‏ 3‏ בלבד.

איור 4: מכלל מחבר הכוח 09332062648 מבית Harting‏ הוא בעל מפרט השומר על התנגדות מגעים של מתחת ל- mΩ‏ 3‏ עד לפחות 10,000 מחזורי חיבור-ניתוק. (מקור התמונה: HARTING)

מערך זה של מחברים שונים מדגים כיצד היצרנים מתאימים את דירוג מחזורי החיבור-ניתוק וההתנגדות המקסימלית של המחברים שלהם ליישום המטרה. שימו לב שיתכן ומספרים אלו אינם ברורים מאליהם אך ורק מהגודל הפיזי שלהם או מהמראה שלהם.

לוח אב-טיפוס, Breadboard‏, וניפוי-באגים: חיי מחבר שונים

המחבר נתקל בתרחישי פעולה שונים מאד בשלב תכנון המוצר בהשוואה לתפקידם ביישום הסופי שלו. לפני שנים רבות, הייתי מעורב בפרויקט שהשתמש בלוח מעגלים מודפסים עם גורם צורה סטנדרטי הנתקע בתוך כלוב כרטיסים. היו לנו כל מיני בעיות מסתוריות במהלך ניפוי הבאגים, ובסופו של דבר גילינו שזה בגלל המספר הרב של מחזורי תחיבה/הסרה שהלוח עבר על שולחן העבודה.

לוח מאריך היה מקטין את מחזורי החיבור/ניתוק מכיוון שהוא היה מאפשר לנו לגשת ללוח "חי", אך הוא פגע בתקינות האותות. הפתרון הגס אך האפקטיבי שלנו היה לקחת את כלוב הכרטיסים, לחתוך את הצד העליון שלו ולהכניס את הלוח שלנו לחריץ העליון כדי שנוכל לגשת אליו כשהוא בתוך הכלוב; למעשה, יכולנו לבדוק ולכייל את הערוצים האנלוגיים בזמן שהוא נמצא בסביבת העבודה שלו. פיתרון מאולתר זה עבד עבורנו, אך הוא אינו ישים לרוב הפרויקטים האחרים.

אסטרטגיית הבחירה הנכונה יכולה לצמצם למינימום בעיות מחברים

מה אתם יכולים לעשות בעת בחירת מחבר, במיוחד כזה שיהיה נתון למחזורי חיבור-ניתוק רבים בשלב הבדיקה?

1: ראשית, עשו שיעורי בית: למדו את גליונות נתונים תוך תשומת לב מיוחדת לאופן ובאילו תנאים הספק מציין את מספר מחזורי החיבור-ניתוק (אין תקן בתעשייה): האם מדובר בעלייה מסוימת בהתנגדות המגעים? מהו כוח התחיבה? אחר?

2: השתמשו במאריך, במידת האפשר (לרוב זה לא, אבל יכול להיות).

3: אם אתם משתמשים בקצה לוח מעגלים מודפסים עם האצבעות כמחצית מזוג המחברים, עבדו עם יצרנית הלוח כדי לקבוע איזה סוג של ציפוי נוסף או מיוחד נחוץ (הנחושת הלא-מצופה של אונקיה אחת או שתיים לא תעבוד טוב לאורך זמן).

4: שקלו להשתמש במחבר חסון יותר משני-חלקים מאשר באצבעות קצה לוח מעגלים מודפסים, במידת האפשר.

5: בדקו אם ספק המחברים מציע ציפוי מגע מחברים עבה יותר כאפשרות סטנדרטית או מותאמת-במיוחד, כפי שרבים עושים (שקלו גם אם זה הגיוני עבור מפרט החומרים (BOM) הסופי).

6: בכבלים, בדקו אם אתם יכולים להשתמש במאריך "רמאי" קצר הניתן להחלפה כדי להפחית את הבלאי של המחבר הראשי (איור 5).

7: לבסוף, זהו את הבעיות הפוטנציאליות ונסו להפחית למינימום את מחזורי החיבור-ניתוק (כמובן, קל יותר לומר מאשר לעשות).

איור 5: ייתכן שתוכלו להשתמש בכבל מאריך קצר כדי לצמצם למינימום את מחזורי החיבור-ניתוק של המחבר הקבוע במוצר. (מקור התמונה: Bill Schweber)

סיכום

מחברים הם באופן כללי אמינים כאשר משתמשים בהם בתוך המפרט המוגדר שלהם. עם זאת, קל להתעלם מהגבולות שלהם ולחרוג מהדירוגים שלהם עבור מחזורי חיבור-ניתוק ופרמטרים אחרים, במיוחד בשלבי ניפוי הבאגים וההערכה. התוצאה יכולה להיות בעיות מתסכלות לסירוגין והתנהגות לקויה לא-מוסברת של המעגל. קחו את הזמן לחשוב כיצד המחבר ישמש במהלך שלב זה ופתחו מערך טקטיקות למניעת בעיות.

לקריאה נוספת:

"השתמשו במחברי דחיקת בידוד נתקעים ישירות כדי לייעל את ההרכבה ולהקטין את מפרט החומרים (BOM)"

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

"פשטו את פרישת הציוד התעשייתי באמצעות מחברים מודולריים הניתנים-להגדרת-התצורה"

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