К счастью, существует проверенный и практически безошибочный способ прогнозирования надежности разъема: контактное напряжение в Герцах. Разработчики электронных систем могут использовать этот показатель, учитывающий основные факторы, генерирующие ток и сопротивление, чтобы убедиться, что выбранные ими разъемы не подведут ни их самих, ни конечных пользователей.
Надежность разъемов нельзя оставлять на волю случая, и для этого нет причин. Пятнадцать лет назад анализ IBM показал, что один-единственный показатель — высокое контактное напряжение в Герцах — практически гарантирует хорошую работу разъема.
Удивительно, что это новость для многих разработчиков электронных систем и производителей продукции, работа которой зависит от разъемов. Разъемы считаются взаимозаменяемыми компонентами; то есть, все они одинаково хороши. Это заблуждение приводит к дорогостоящим и проблемным отказам и корректирующим действиям, которых можно избежать, просто используя разъемы, рассчитанные на высокое контактное напряжение в Герцах.
Неисправности разъемов остаются незамеченными до начала эксплуатации.
Несмотря на многочисленные инновации и значительные достижения в индустрии разъемов, клиенты по-прежнему сталкиваются со слишком многими проблемами, вызванными отказами компонентов. Во многих случаях эти проблемы проявляются только при использовании готовой продукции в полевых условиях. В любом применении, от медицинских приборов до военных радиостанций, если конечные пользователи обнаруживают проблемы и ошибки, это может иметь серьезные последствия для производителей и поставщиков неисправных электронных систем, в которых используются эти разъемы.
Компании, закупающие разъемы для своего оборудования, не хотят использовать своих клиентов в качестве тестировщиков продукции, но считают, что у них нет другого выбора, поскольку они не знают о каких-либо проактивных и прогнозных методах тестирования, которые могли бы гарантировать надежную работу разъема при любых условиях. Короче говоря, они не знают, что использование частоты контакта в Герцах в качестве параметра спецификации для разъемов может предотвратить большинство отказов и значительные финансовые затраты на корректирующие действия.
Универсальный контакт ITT. Зона спаривания универсального контакта ITT. Источник: ITT Cannon
Контактное напряжение Герца как индикатор прогнозируемой производительности.
Существует надежный метод прогнозирования надежности разъема: контактное напряжение Герца. Этот параметр, также называемый силой Герца, представляет собой расчет величины напряжения, возникающего при контакте двух изогнутых поверхностей и их незначительной деформации под воздействием приложенных нагрузок. В данном случае более высокий уровень напряжения является положительным, поскольку это означает большее количество контактного материала, что является основой для прочного и надежного контакта, а также для производительности разъема. Это было убедительно продемонстрировано несколько десятилетий назад инженерами IBM, которые проанализировали различные конструкции контактов, чтобы выяснить, существует ли общий знаменатель, который позволил бы им прогнозировать отказ или успех разъема.
Анализ показал, что «конструкции контактов вышедших из строя разъемов всегда характеризовались низким контактным напряжением Герца, в то время как успешные были основаны на конструкциях с контактным напряжением Герца на порядок выше». Это открытие было подтверждено за прошедшие годы и стало все более важным индикатором по мере развития конструкции разъемов, включающей в себя более компактные и легкие разъемы, низкопрофильные контакты и модели, способные выдерживать суровые условия эксплуатации, такие как вибрация и удары. Индикатор контактного напряжения Герца — лучший способ для разработчиков электронных систем убедиться в том, что они используют в своих изделиях высокопроизводительные разъемы.
Физические принципы:
Чтобы понять, почему высокое контактное напряжение в Герцах практически гарантирует хорошую работу, важно понимать физические принципы, на которых основана работа разъемов. Все металлические электрические соединения достигаются путем соединения деформируемых металлических структур, которые создают микроскопические металлические контактные точки или неровности (называемые «точками А»), через которые будет протекать ток. Количество и расположение этих точек А определяются качеством обработки поверхности, геометрией контакта, прочностью металлургии и усилием, приложенным при соединении двух частей.
После образования этих металлических мостиков задача состоит в том, чтобы уменьшить и/или стабилизировать факторы, которые уменьшат ток между точками А. Общее контактное сопротивление представляет собой сумму трех типов сопротивлений:
Rt = Rb + Rc + Rf,
где
Rt = общее контактное сопротивление,
Rb = общее сопротивление (обусловленное металлургией контактных элементов),
Rc = сопротивление усадки (обусловленное размером, количеством и распределением точек А),
Rf = поверхностное сопротивление (обусловленное образованием оксидов, водяного пара и других пленочных барьеров).
Рисунок 1: Диаграмма контактного сопротивления. Источник: ITT Cannon
Пленка является наиболее важным резистивным параметром. Все металлы имеют пленки, толщина которых может варьироваться от «тонкой» или «нормальной» у таких металлов, как медь, алюминий, железо и никель, до «толстой» у состаренных металлов. Чем толще пленка, тем выше сопротивление току и тем ниже и нестабильнее уровни контактного напряжения Герца. Решение заключается не просто в увеличении силы, соединяющей две металлические части, что может привести к усталости материала и выходу из строя разъема, а в улучшении конструкции контакта. Для достижения оптимальных и стабильных уровней контактного напряжения Герца и хорошей работы разъема идеальный разъем проектируется не с плоскими, а с выпуклыми поверхностями. На диаграмме ниже показано типичное различие между двумя конструкциями контактов. Когда к этим двум разъемам прикладывается «нормальная сила» — то есть сила, прижимающая две металлические части друг к другу в противоположных направлениях, — контактное напряжение Герца выше в разъеме справа. Эта диаграмма показывает, что общепринятая практика оценки характеристик контакта на основе нормальной силы является ошибочной. Выпуклый разъем справа обеспечит большую надежность, поскольку нормальные силы передаются через меньшую площадь поверхности. Это означает, что на единицу площади доступно больше силы для преодоления препятствия, создаваемого стабильным контактным сопротивлением: контактных пленок.
Однако, если пленка слишком толстая, как в случае со стареющими металлами, никакая сила, приложенная к двум неподвижным металлическим деталям, не позволит образоваться точкам контакта А и протекать току. В таких случаях решением является «проскальзывание» контакта, которое вносит движение в уравнение.
Это «проскальзывание» определяется как действие движущегося контакта относительно неподвижного, направленное на удаление пленок и мусора до достижения стабильного контактного сопротивления. Это непросто. Если движение или сила недостаточны, пробить пленку будет невозможно. С другой стороны, если движение контакта, отрывающего пленку, чрезмерно, оно создает новый мусор, который увеличивает контактное сопротивление.
Рисунок 2: Общепринятая практика использования нормальной силы в качестве показателя эффективности контакта неверна. Источник: ITT Cannon
В исследовании IBM отмечается: «Геометрия, обеспечивающая максимальное контактное усилие, также является той, которая обеспечивает наименьшую площадь поверхности раствора. Если сила на единицу площади достаточно велика, чтобы прорезать пленку и удалить загрязнения, контакт не будет «подниматься» на пленку, и контактное сопротивление будет сохраняться. Ключевым фактором, опять же, является контактное усилие в Герцах, необходимое для образования неровностей в конце движения и способности контакта поддерживать контакт во время движения».
Исследование IBM, демонстрирующее огромную важность контактного усилия в Герцах, было проведено совместно с инженерами ITT, специализирующимися на разъемах. На основе полученных результатов инженеры ITT перепроектировали многие линейки разъемов для достижения высоких уровней контактного усилия в Герцах, и текущий ассортимент продукции ITT включает разъемы марки ITT Cannon, которые доказали свою способность обеспечивать высокое контактное усилие в Герцах в широком диапазоне применений. Большинство этих разъемов ITT Cannon доступны через Powell Electronics в Европе. Эти разъемы основаны на универсальном контакте ITT Cannon, контактная поверхность которого соответствует идеальным проектным характеристикам для достижения высокого контактного усилия в Герцах. Выпуклая конструкция обеспечивает множество других преимуществ, таких как усилие 0,3 Н при отклонении всего на 0,1 мм и перемещении по осям XYZ, что гарантирует надежное соединение между контактной поверхностью и компонентом.
Клиенты на самых разных рынках, включая портативные медицинские устройства, смартфоны, датчики дыма, системы охранной сигнализации, военные радиостанции, карты памяти и GPS-устройства, полагаются на универсальный контакт ITT Cannon для удовлетворения своих функциональных потребностей, будучи уверенными в том, что его высокая частота контакта обеспечивает надежную работу.
ITT предлагает и другие разъемы, разработанные для обеспечения высокой частоты контакта, такие как линейка ITT Cannon QLC (quad lock connect), которая удовлетворяет разнообразные потребности в медицинской, промышленной и приборостроительной отраслях, включая портативные ультразвуковые аппараты, системы мониторинга состояния пациентов, эндоскопы и испытательное оборудование, а также оборудование для производства полупроводников.
Подобно разъемам серии DL, разъем QLC отличается высокой надежностью и большим количеством контактов: до 260 контактов для монтажа на печатной плате. Благодаря технологическим достижениям, примененным к малогабаритному портативному оборудованию для визуализации, ITT уменьшила стандартное расстояние между контактами DL до 0,8 мм, тем самым уменьшив общий размер более чем на 60 процентов при сохранении того же количества контактов.
Большое количество контактов позволяет инженерам использовать различные методы заземления для поддержания целостности сигнала. Интерфейс разъема QLC использует пружины для защиты от электромагнитных помех и экранирующий механизм фиксации, обеспечивающие равномерное контактное давление по периметру разъема, создавая эффективную защиту от электромагнитных и радиочастотных помех. Высокое контактное усилие в Герцах достигается за счет превосходной кулачковой системы, которая адаптирует контактную систему к своему положению. Используя контактное усилие в Герцах в качестве основного параметра проектирования, разработчики и инженеры ITT гарантируют, что надежность разъема соответствует его функциональности. Разъемы ITT разработаны для оптимальной работы для клиентов, гарантируя их надежность и отсутствие отказов.
Контактное усилие в Герцах является лучшим показателем будущей производительности разъема. Компании, которые используют, разрабатывают или продают устройства на основе разъемов, должны оценивать эти компоненты с точки зрения их способности обеспечивать оптимальное и стабильное контактное усилие в Герцах.
https://powell-europe.com/about-us
Автор: Дэвид Камисон Торнавакас — представитель компании Powell Electronics в Испании — https://powell-europe.com/
