Λευκή βίβλος: Ανθεκτικότητα των συνδετήρων
Είτε στον τομέα της αεροδιαστημικής, της βιομηχανικής αυτοματοποίησης, των μεταφορών ή της υγειονομικής περίθαλψης: οι σύνδεσμοι πρέπει πάντα να εξασφαλίζουν αξιόπιστη μετάδοση σήματος και δεν επιτρέπεται σε καμία περίπτωση να παρουσιάσουν βλάβη. Ταυτόχρονα, εκτίθενται σε μια σειρά καταπονήσεων λόγω του περιβάλλοντος στο οποίο λειτουργούν: Μηχανικές επιδράσεις όπως κρούσεις, δονήσεις και ταλαντώσεις θέτουν σε κίνδυνο τη σταθερότητα της μετάδοσης δεδομένων, όπως και θερμικές και χημικές επιδράσεις του περιβάλλοντος λόγω ακραίων θερμοκρασιών, έντονων διακυμάνσεων θερμοκρασίας, επιβλαβών αερίων, υγρασίας και ρύπων. Οι κατασκευαστές υψηλής ποιότητας συνδετήρων αξιοποιούν επομένως ένα ολόκληρο φάσμα δυνατοτήτων για να θωρακίσουν τους συνδετήρες τους ενάντια σε αυτές τις καταπονήσεις.
Ανθεκτικότητα παρά τη μικροποίηση
Η σύγχρονη ηλεκτρολογία ακολουθεί, περισσότερο από ποτέ, μια τάση: τη μικροποίηση. Τα συγκροτήματα και τα εξαρτήματά τους πρέπει όχι μόνο να γίνονται όλο και πιο ισχυρά, αλλά και όλο και μικρότερα. Ωστόσο, συχνά χρησιμοποιούνται σε σκληρές πραγματικές συνθήκες. Επομένως, τα εξαρτήματα, όπως και οι σύνδεσμοι, γίνονται όλο και πιο λεπτοκαμωμένα, ενώ η καταπόνηση παραμένει η ίδια. Ωστόσο, ένας ποιοτικός σύνδεσμος αντέχει σε αυτή την καταπόνηση όχι μόνο εξίσου καλά με τον παλαιότερο και μεγαλύτερο αδελφό του, αλλά ακόμη καλύτερα. Ο λόγος για αυτό είναι οι εξελίξεις στη σύνθεση των υλικών καθώς και στο σχεδιασμό του προϊόντος, για παράδειγμα στη γεωμετρία του μονωτικού σώματος (Εικ. 1).
Παράγοντας επιρροής: επιφάνεια
Πολλοί παράγοντες επηρεάζουν την ανθεκτικότητα ενός συνδετήρα. Ένας από αυτούς είναι η επιφάνεια επαφής. Αυτή καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τη διάρκεια ζωής του συνδετήρα, η οποία συνήθως μετράται σε κύκλους σύνδεσης. Κατά τη χρήση στο πεδίο, ο συνδετήρας εκτίθεται σε ορισμένες μικροκινήσεις. Αυτές οδηγούν σε τριβή της επιφάνειας και, κατά συνέπεια, σε οξείδωση (Εικ. 2).
Το αποτέλεσμα είναι αυξημένη αντίσταση επαφής και, κατά συνέπεια, χειρότερη ποιότητα στη μετάδοση του σήματος. Για τον λόγο αυτό, είναι απαραίτητο να μειωθεί στο ελάχιστο η τριβή της επιφάνειας κατά τη σύνδεση καθώς και κατά τη λειτουργία, με τη βοήθεια μιας υψηλής ποιότητας και ανθεκτικής επίστρωσης επαφής. Για τον σκοπό αυτό, τόσο η επαφή μαχαιριού όσο και η επαφή ελατηρίου πρέπει να διαθέτουν μια αντίστοιχα λεία επιφάνεια. Παρά την αύξηση των τιμών, ο χρυσός εξακολουθεί να χρησιμοποιείται ευρέως για επιφανειακές επιστρώσεις λόγω της αντοχής του στη διάβρωση και της εξαιρετικής αγωγιμότητάς του. Δεδομένου ότι ο καθαρός χρυσός είναι μαλακός, αναμιγνύεται με 0,2 έως 0,3 τοις εκατό κοβάλτιο ή νικέλιο, δημιουργώντας έτσι σκληρό χρυσό. Ωστόσο, όποιος αναζητά μια εναλλακτική λύση με σταθερότερη τιμή σε σχέση με αυτή τη δομή επίστρωσης, μπορεί, για παράδειγμα, να καταφύγει σε ένα κράμα νικελίου και φωσφόρου με επίστρωση χρυσού. Σε συγκεκριμένες αναλογίες, αυτά τα δύο υλικά συνδυάζουν τις θετικές ιδιότητες που προσφέρει και ο χρυσός: υψηλή αντοχή στη διάβρωση, έντονη αντοχή στη φθορά και εξαιρετική αγωγιμότητα. Για να αποφευχθούν οι διαχύσεις μεταξύ του υλικού επαφής και της επιφανειακής επίστρωσης, χρησιμοποιείται συχνά ένα λεγόμενο στρώμα φραγμού νικελίου. Με τη βοήθεια αυτού του φραγμού μπορεί να αποφευχθεί η διάβρωση.
Παράγοντας επιρροής: Σχεδιασμός επαφών
Οι επαφές ενός συνδετήρα κατασκευάζονται με σφράγιση ή στροφή. Ωστόσο, κατά τη σφράγιση δημιουργείται στην κάτω πλευρά της ταινίας σφράγισης μια ανομοιογενής επιφάνεια με αιχμηρές άκρες, ορατή μόνο με μικροσκόπιο. Τα συμβατικά συστήματα έρχονται σε επαφή με αυτή την άκρη σφράγισης, κάτι που συνεπάγεται αυξημένη τριβή της επιφάνειας και, ως εκ τούτου, υψηλότερη αντίσταση μετάβασης. Αυτό μπορεί να αποφευχθεί αν η ελατηριωτή βάση λυγίσει κατά 90 μοίρες κατά τη διάρκεια της λεγόμενης διαδικασίας σφράγισης-κάμψης, έτσι ώστε να έρχεται σε επαφή με την επαφή του μαχαιριού μέσω της λείας, έλασης επιφάνειας (Εικ. 3).
Ωστόσο, όχι μόνο ο σχεδιασμός της λωρίδας ελατηρίων, αλλά και αυτός της λωρίδας μαχαιριών είναι καθοριστικοί για τη διάρκεια ζωής του συνδετήρα. Διότι και οι τελευταίες πρέπει να διατρηθούν και να υποστούν περαιτέρω επεξεργασία με ακρίβεια, προκειμένου να αποφευχθούν ελαττωματικές, αιχμηρές γεωμετρίες.
Ωστόσο, όχι μόνο ο σχεδιασμός της λωρίδας ελατηρίων, αλλά και αυτός της λωρίδας μαχαιριών είναι καθοριστικοί για τη διάρκεια ζωής του συνδετήρα. Διότι και οι τελευταίες πρέπει να διατρηθούν και να υποστούν περαιτέρω επεξεργασία με ακρίβεια, προκειμένου να αποφευχθούν ελαττωματικές, αιχμηρές γεωμετρίες.
Παράγοντας επιρροής: σύστημα επαφών
Οι κλασικοί σύνδεσμοι δύο τμημάτων διαθέτουν έναν επαφέα μαχαιριού και έναν επαφέα ελατηρίου. Ωστόσο, σε περίπτωση ισχυρού κραδασμού, η λωρίδα επαφών τύπου μαχαιριού μπορεί να αποκολληθεί από τη λωρίδα επαφών τύπου ελατηρίου. Για να μην συμβεί τέτοια διακοπή επαφής, μπορεί να εξασφαλιστεί εφεδρεία και, συνεπώς, ασφάλεια επαφής με τη χρήση μιας λωρίδας επαφών τύπου ελατηρίου διπλής όψης, καθώς χάρη στο δεύτερο ελατήριο η μετάδοση σήματος εξασφαλίζεται ανά πάσα στιγμή τουλάχιστον μέσω ενός σημείου επαφής (Εικ. 4).
Ακόμη πιο ανθεκτικοί είναι, αντίθετα, οι σύνδεσμοι με το λεγόμενο «ουδέτερο ως προς το φύλο» σύστημα επαφών. Η ιδιαιτερότητά τους έγκειται στις πανομοιότυπες γεωμετρίες επαφών των δύο ημίσεων του συνδετήρα, του βύσματος και της υποδοχής. Και οι δύο διαθέτουν, συνεπώς, τόσο ένα ελατήριο όσο και ένα μαχαίρι. Έτσι, κάθε ακίδα έρχεται σε επαφή με δύο ελατήρια, ενώ το βύσμα και η υποδοχή είναι αλληλοσυνδεδεμένα και δεν μπορούν να αποσπαστούν το ένα από το άλλο. Ενώ μια διπλής όψης σειρά ελατηρίων εξασφαλίζει πάντα τουλάχιστον ένα σημείο επαφής υπό μηχανική καταπόνηση, οι αλληλοσυνδεόμενες γεωμετρίες στα συστήματα επαφών ουδέτερου φύλου εγγυώνται ότι η μετάδοση σήματος πραγματοποιείται πάντα μέσω δύο σημείων επαφής. Αυτή η υψηλή πλεοναστικότητα επιτρέπει έτσι τη μέγιστη ασφάλεια επαφής (Εικ. 5).
Όσον αφορά τις ιδιότητες ανθεκτικότητάς του, το σύστημα επαφών ουδέτερου φύλου ξεπερνιέται μόνο από τους μονοκόμματους συνδετήρες. Αυτοί αποφεύγουν εντελώς την κλασική αρχή της διμερούς επαφής που αποτελείται από λεπίδα και ελατήριο. Λόγω της κατάργησης της ευάλωτης περιοχής επαφής, οι μονοκόμματοι σύνδεσμοι δεν διαθέτουν μόνο την υψηλότερη αντοχή σε κρούσεις, δονήσεις, υγρασία, σκόνη και ατμοσφαιρικές συνθήκες, αλλά είναι επίσης κατάλληλοι για εγκιβώτιση και άλλες μεθόδους προστασίας εξαρτημάτων. Σε συνδυασμό με την τεχνική εισαγωγής με πίεση, αποτελούν την ασφαλέστερη μηχανική και ηλεκτρική σύνδεση δύο πλακετών κυκλωμάτων (Εικ. 6).
Παράγοντας επιρροής: τεχνική σύνδεσης
Υπάρχουν διάφοροι τρόποι τοποθέτησης των συνδετήρων στις πλακέτες κυκλωμάτων. Ένας από αυτούς είναι η ήδη αναφερθείσα τεχνική πρεσαρίσματος. Στόχος της είναι να επιτυγχάνει τη μέγιστη δυνατή δύναμη συγκράτησης μεταξύ του συνδετήρα και της πλακέτας κυκλωμάτων, με τη μικρότερη δυνατή δύναμη πρεσαρίσματος. Οι δυνάμεις συγκράτησης καθορίζουν τη μηχανική σύνδεση, η οποία με τη σειρά της πρέπει να αντέχει σε κραδασμούς και δονήσεις. Αυτή η τεχνική σύνδεσης είναι μια μέθοδος που έχει δοκιμαστεί δισεκατομμύρια φορές, κατά την οποία ένας πείρος πίεσης πιέζεται σε μια οπή με διαμπερή επαφή στην πλακέτα κυκλώματος (Εικ. 7).
Σε αυτή την περίπτωση, ο πείρος πρεσαρίσματος έχει μεγαλύτερη διαγώνιο από τη διάμετρο της οπής της πλακέτας κυκλώματος. Ο πείρος του συνδετήρα είναι εύκαμπτος στη ζώνη πρεσαρίσματος, ώστε η πλακέτα κυκλώματος να μην παραμορφώνεται από τις φυσικές δυνάμεις κατά τη διαδικασία πρεσαρίσματος. Η παραμόρφωση περιορίζεται επομένως στη ζώνη εισαγωγής (Εικ. 8). Δημιουργείται μια ψυχρή συγκόλληση μεταξύ του ακροδέκτη επαφής και της μεταλλικής οπής της πλακέτας: μια αεριοστεγής, ανθεκτική στη διάβρωση, χαμηλής αντίστασης και ηλεκτρικά αγώγιμη μηχανική σύνδεση, η οποία είναι επίσης κατάλληλη για εγκιβώτιση. Επιπλέον, προδιαγράφεται στο πρότυπο DIN EN 60352-5 και παραμένει αξιόπιστη ως προς την επαφή ακόμη και υπό πολύ υψηλές μηχανικές και θερμικές καταπονήσεις, όπως δονήσεις, κάμψη και έντονες μεταβολές θερμοκρασίας, ενώ αντέχει ακόμη και σε κρούσεις έως 200g.
Λόγω των εξαιρετικών χαρακτηριστικών ανθεκτικότητάς της και του δέκα φορές καλύτερου ποσοστού αστοχίας (FIT-Rate) σε σύγκριση με τους αυτοματοποιημένους συγκολλημένους συνδετήρες, η τεχνική εισαγωγής με πίεση χρησιμοποιείται συχνά σε εφαρμογές υψηλής ασφάλειας, στις οποίες η μετάδοση σήματος δεν πρέπει να διακοπεί υπό καμία περίπτωση, για παράδειγμα σε συστήματα αερόσακων ή μονάδες ABS και ESP.
Λόγω των εξαιρετικών χαρακτηριστικών ανθεκτικότητάς της και του δέκα φορές καλύτερου ποσοστού αστοχίας (FIT-Rate) σε σύγκριση με τους αυτοματοποιημένους συγκολλημένους συνδετήρες, η τεχνική εισαγωγής με πίεση χρησιμοποιείται συχνά σε εφαρμογές υψηλής ασφάλειας, στις οποίες η μετάδοση σήματος δεν πρέπει να διακοπεί υπό καμία περίπτωση, για παράδειγμα σε συστήματα αερόσακων ή μονάδες ABS και ESP.
Ωστόσο, η τεχνική εισαγωγής με πίεση δεν είναι πάντα κατάλληλη, για παράδειγμα όταν οι πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων πρέπει να εξοπλιστούν και από τις δύο πλευρές ή όταν δεν είναι δυνατό να τηρηθεί η ελάχιστη απόσταση από τα εξαρτήματα κατά τη διεύθυνση της δύναμης. Μια άλλη δυνατότητα για τη δημιουργία μιας αξιόπιστης και ανθεκτικής σύνδεσης μεταξύ του συνδετήρα και της πλακέτας είναι η τεχνολογία επιφανειακής συναρμολόγησης (SMT). Με τη χρήση πάστας συγκόλλησης, οι συνδετήρες συγκολλούνται σε καθορισμένες επιφάνειες σύνδεσης της πλακέτας, τα σημεία συγκόλλησης. Μόνο σε έναν λεγόμενο φούρνο ανασύστασης το υλικό συγκόλλησης τήκεται και στη συνέχεια σκληρύνεται. Μέσω της SMT μπορούν να πραγματοποιηθούν σταθερές συνδέσεις μεταξύ του βύσματος και της πλακέτας κυκλώματος. Για το σκοπό αυτό, ωστόσο, πρέπει να πληρούνται ορισμένα κριτήρια: Κατ' αρχάς, για ένα σημείο συγκόλλησης σύμφωνο με το πρότυπο IPC-A-610 πρέπει να τηρείται η σωστή αναλογία μεταξύ βάσης συγκόλλησης, επιφάνειας συγκόλλησης και πάστας συγκόλλησης. Μόνο έτσι δημιουργείται μια σύνδεση υψηλής ποιότητας, η οποία επιτρέπει μια σύνδεση σύμφωνα με την κατηγορία IPC 3, δηλαδή είναι κατάλληλη για χρήση στην ηλεκτρονική υψηλής απόδοσης. Σε αυτή την κατηγορία πρέπει να αποκλείονται ανά πάσα στιγμή οι διακοπές στη μετάδοση σήματος. Μια βέλτιστη συγκόλληση αναγνωρίζεται από τον ομοιόμορφο σχηματισμό μενίσκου. Η επαφή πρέπει να περιβάλλεται περιμετρικά από μενίσκο συγκόλλησης, προκειμένου να επιτευχθούν οι βέλτιστες δυνάμεις συγκράτησης στην πλακέτα κυκλώματος. (Εικ. 9).
Η κοπλαναρικότητα των ακροδεκτών αποτελεί προϋπόθεση για μια άριστη σύνδεση. Εφόσον πληρούνται όλες αυτές οι προϋποθέσεις, τα βύσματα SMT μπορούν αποδεδειγμένα να αντέξουν μηχανικές καταπονήσεις έως και 400 N.
Παράγοντας επιρροής: Σχεδιασμός του μονωτικού σώματος
Η γεωμετρία του μονωτικού σώματος ενός συνδετήρα συμβάλλει επίσης στην προστασία των επαφών από ζημιές κατά τη λειτουργία ή την εγκατάσταση. Θα πρέπει να είναι σχεδιασμένη έτσι ώστε οι ευαίσθητες επαφές να βρίσκονται προστατευμένες στο εσωτερικό του συνδετήρα. Επιπλέον,
οι λοξές επιφάνειες εισαγωγής βοηθούν στην αποφυγή ζημιών κατά τη συναρμολόγηση. Συμβάλλουν στην εξισορρόπηση τυχόν μετατόπισης των πλακετών κυκλωμάτων προς οποιαδήποτε κατεύθυνση κατά τη σύνδεση. Με τη βοήθεια μιας πρόσθετης περιοχής συγκράτησης, τα δύο μισά του συνδετήρα μπορούν να συνδεθούν χωρίς ζημιά ακόμη και σε περίπτωση μετατόπισης στο κέντρο ή υπό γωνία (Εικ. 10).
οι λοξές επιφάνειες εισαγωγής βοηθούν στην αποφυγή ζημιών κατά τη συναρμολόγηση. Συμβάλλουν στην εξισορρόπηση τυχόν μετατόπισης των πλακετών κυκλωμάτων προς οποιαδήποτε κατεύθυνση κατά τη σύνδεση. Με τη βοήθεια μιας πρόσθετης περιοχής συγκράτησης, τα δύο μισά του συνδετήρα μπορούν να συνδεθούν χωρίς ζημιά ακόμη και σε περίπτωση μετατόπισης στο κέντρο ή υπό γωνία (Εικ. 10).
Ορισμένοι σύνδεσμοι διαθέτουν επιπλέον μηχανισμούς στερέωσης στην πλακέτα. Πρόκειται για μεταλλικά στηρίγματα που είναι στερεωμένα στο μονωτικό σώμα και συγκολλώνται επίσης στην πλακέτα κυκλώματος (Εικ. 11). Με αυτόν τον τρόπο εξασφαλίζουν επιπλέον σταθερότητα – ακόμη και υπό αντίξοες συνθήκες, όπως κραδασμούς και κρούσεις.
Παράγοντας επιρροής Εύρος ανοχής
Το εύρος ανοχής ενός συνδετήρα παίζει καθοριστικό ρόλο στην αξιολόγηση της ανθεκτικότητάς του. Εάν ο συνδετήρας δεν μπορεί να αντισταθμίσει τις δεδομένες ανοχές, οι μηχανικές κινήσεις οδηγούν σε φθορά ή ακόμη και σε βλάβη της σύνδεσης. Κατά την εγκατάσταση, οι λοξές επιφάνειες εισαγωγής προσφέρουν υποστήριξη, ώστε να επιτρέπουν την ασφαλή σύνδεση των ακροδεκτών και των πλακών επαφών. Ωστόσο, ακόμη και όταν ο σύνδεσμος είναι συνδεδεμένος, πρέπει να αντισταθμίζονται οι μικροκινήσεις. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της γεωμετρίας των επαφών και των μονωτικών σωμάτων. Εάν ένας σύνδεσμος διαθέτει λειτουργία «floating», μπορεί να αντισταθμίσει έως και ±0,4 mm ακόμη και κατά τη λειτουργία. Αυτή η λειτουργία αποκτά ολοένα και μεγαλύτερη σημασία, καθώς παίζει καθοριστικό ρόλο κατά την τοποθέτηση πολλών συνδέσμων σε μια πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος. Ωστόσο, στο πεδίο δημιουργούνται φορτία όχι μόνο κατά τη διεύθυνση x και y, αλλά και κατά τη διεύθυνση z (Εικ. 12).
Εδώ τίθεται το ζήτημα της ασφάλειας σύνδεσης ενός βύσματος. Αυτή περιγράφει την περιοχή επικάλυψης μεταξύ της λωρίδας επαφών και της λωρίδας ελατηρίων και επιτρέπει έτσι όχι μόνο διαφορετικές αποστάσεις μεταξύ των πλακετών κυκλωμάτων, αλλά – ανάλογα με το μέγεθος αυτής της περιοχής – και περιοχές ανοχής (Εικ. 13).
Αντίθετα, η μέγιστη αντιστάθμιση ανοχών επιτυγχάνεται μέσω καλωδιακής σύνδεσης. Εδώ, το μήκος του καλωδίου καθορίζει το εύρος ανοχής της σύνδεσης.
Αντίθετα, η μέγιστη αντιστάθμιση ανοχών επιτυγχάνεται μέσω καλωδιακής σύνδεσης. Εδώ, το μήκος του καλωδίου καθορίζει το εύρος ανοχής της σύνδεσης.
Διαδικασία ελέγχου
Για να ελεγχθούν διεξοδικά οι σύνδεσμοι ως προς τις ιδιότητες αντοχής τους, υπάρχουν διάφορες μέθοδοι δοκιμών. Στο πλαίσιο αυτό, εξετάζονται μεταβλητές όπως η αντοχή σε τάση και η αντίσταση επαφής πριν και μετά από μια δοκιμή καταπόνησης, ενώ η κατάσταση των επαφών ελέγχεται οπτικά. Έτσι, για παράδειγμα, μπορούν να ελεγχθούν οι επιπτώσεις 500 κύκλων σύνδεσης στην αντοχή στη διέλευση τάσης ή, στη δοκιμή κλιματικών συνθηκών, να διαπιστωθεί εάν η έκθεση για αρκετές ώρες αρχικά στους -55 °C και στη συνέχεια στους 125 °C έχει αρνητικές επιπτώσεις στην αντίσταση μετάδοσης του συνδετήρα. Κατά τη δοκιμή θερμικού σοκ, ο σύνδεσμος πρέπει να αντέξει τη γρήγορη εναλλαγή μεταξύ αυτών των ακραίων θερμοκρασιών 100 φορές για 30 λεπτά κάθε φορά. Επίσης, η μετατόπιση του κέντρου και η γωνιακή μετατόπιση κατά τη σύνδεση, καθώς και το εύρος ανοχής σε κατάσταση σύνδεσης, δεν πρέπει να ελέγχονται μόνο θεωρητικά στο μοντέλο CAD, αλλά να δοκιμάζονται εκτενώς στην πράξη και η αντοχή τους να επιβεβαιώνεται εμπειρικά. Εξίσου σημαντικό είναι να διεξάγονται συνδυαστικά διάφορες δοκιμές που είναι κρίσιμες για την επιφάνεια επαφής, προκειμένου να προσομοιώνονται πραγματικές συνθήκες. Έτσι, για παράδειγμα, θα μπορούσαν να πραγματοποιηθούν δοκιμές κύκλων σύνδεσης και δοκιμές επιβλαβών αερίων σε συνδυασμό, για να διασφαλιστεί ότι η απόδοση του συνδετήρα όσον αφορά την αντίσταση μεταφοράς και την αντοχή σε τάση δεν έχει επιδεινωθεί και ότι οι επαφές δεν έχουν υποστεί ζημιά (Εικ. 14).
Το σχέδιό σας – Η επιλογή σας
Ανάλογα με τις απαιτήσεις της εφαρμογής, υπάρχουν διαφορετικά κριτήρια ανθεκτικότητας που πρέπει να πληροί ένας σύνδεσμος. Πρέπει, για παράδειγμα, να αντισταθμίζει υψηλές ανοχές; Εκτίθεται σε ισχυρές κρούσεις ή δονήσεις; Χρησιμοποιείται υπό την επίδραση έντονης θερμότητας ή ψύχους; Ή μήπως η λύση σύνδεσης πρέπει να προστατεύεται από την υγρασία, τα επιβλαβή αέρια ή τη σκόνη; Εάν ένας χρήστης βασίζεται σε αυτές τις ερωτήσεις κατά την επιλογή της λύσης σύνδεσης, μπορεί να είναι σίγουρος ότι ο σύνδεσμός του είναι άριστα προετοιμασμένος για χρήση στο πεδίο.