Компоненты электрической цепи электрически соединены, если электрический ток может проходить между ними через электрический проводник . Электрический соединитель — это электромеханическое устройство, используемое для создания электрического соединения между частями электрической цепи или между различными электрическими цепями, тем самым объединяя их в большую цепь. [1]
Соединение может быть съемным (как для переносного оборудования), требовать инструмента для сборки и снятия или служить постоянным электрическим соединением между двумя точками. [2] Адаптер может использоваться для соединения разнородных разъемов. Большинство электрических разъемов имеют пол – то есть мужской компонент, называемый вилкой , подключается к женскому компоненту, или гнезду .
Тысячи конфигураций разъемов производятся для электропитания , передачи данных и аудиовизуальных приложений. [3] Электрические разъемы можно разделить на четыре основные категории, различающиеся по их функции: [4]
В вычислительной технике электрические разъемы считаются физическим интерфейсом и составляют часть физического уровня сетевой модели OSI .
Помимо перечисленных выше классов, разъемы характеризуются расположением выводов , способом подключения, материалами, размерами, контактным сопротивлением , изоляцией , механической прочностью, степенью защиты от проникновения , сроком службы (количеством циклов) и простотой использования.
Обычно желательно, чтобы соединитель был легко идентифицируемым визуально, быстро собираемым, недорогим и требовал только простых инструментов. В некоторых случаях производитель оборудования может выбрать соединитель специально, потому что он несовместим с соединителями из других источников, что позволяет контролировать то, что может быть подключено. Ни один соединитель не обладает всеми идеальными свойствами для каждого применения; распространение типов является результатом разнообразных, но специфических требований производителей. [7] : 6
Электрические соединители в основном состоят из двух классов материалов: проводников и изоляторов. Свойства, важные для материалов проводников, это контактное сопротивление, проводимость , механическая прочность , формуемость и упругость . [8] Изоляторы должны иметь высокое электрическое сопротивление , выдерживать высокие температуры и быть простыми в изготовлении для точной подгонки
Электроды в разъемах обычно изготавливаются из медных сплавов из-за их хорошей проводимости и пластичности . [7] : 15 Альтернативы включают латунь , фосфористую бронзу и бериллиевую медь . Основной металл электрода часто покрывается другим инертным металлом, таким как золото , никель или олово . [8] Использование материала покрытия с хорошей проводимостью, механической прочностью и коррозионной стойкостью помогает уменьшить влияние пассивирующих оксидных слоев и поверхностных адсорбатов, которые ограничивают пятна контакта металла с металлом и способствуют контактному сопротивлению. Например, медные сплавы обладают благоприятными механическими свойствами для электродов, но их трудно паять, и они подвержены коррозии. Таким образом, медные штырьки обычно покрываются золотом, чтобы смягчить эти подводные камни, особенно для аналоговых сигналов и высоконадежных приложений. [9] [10]
Контактные держатели , которые удерживают части соединителя вместе, обычно изготавливаются из пластика из-за его изолирующих свойств. Корпуса или задние оболочки могут быть изготовлены из формованного пластика и металла. [7] : 15 Корпуса соединителей для использования при высоких температурах, таких как термопары или связанные с большими лампами накаливания , могут быть изготовлены из обожженного керамического материала.
Большинство отказов разъемов приводят к нестабильным соединениям или разомкнутым контактам: [11] [12]
Разъемы являются чисто пассивными компонентами, то есть они не улучшают функцию цепи, поэтому разъемы должны влиять на функцию цепи как можно меньше. Ненадежное крепление разъемов (в первую очередь, на шасси) может значительно повысить риск отказа, особенно при воздействии сильных ударов или вибрации. [11] Другими причинами отказа являются разъемы, не рассчитанные на приложенный ток и напряжение, разъемы с недостаточной защитой от проникновения и резьбовые задние кожухи, которые изношены или повреждены.
Высокие температуры также могут стать причиной выхода из строя разъемов, что приводит к «лавине» отказов — температура окружающей среды повышается, что приводит к снижению сопротивления изоляции и повышению сопротивления проводника; это повышение генерирует больше тепла, и цикл повторяется. [11]
Фреттинг (так называемая динамическая коррозия ) является распространенным видом отказа в электрических разъемах, которые не были специально разработаны для его предотвращения, особенно в тех, которые часто соединяются и разъединяются. [13] Поверхностная коррозия представляет собой риск для многих металлических деталей в разъемах и может привести к тому, что контакты образуют тонкий поверхностный слой, который увеличивает сопротивление, тем самым способствуя накоплению тепла и прерывистым соединениям. [14] Однако повторное соединение или переустановка разъема может облегчить проблему поверхностной коррозии, поскольку каждый цикл соскребает микроскопический слой с поверхности контакта(ов), обнажая свежую, неокисленную поверхность.
Многие разъемы, используемые для промышленных и высоконадежных приложений, имеют круглое поперечное сечение, цилиндрический корпус и круглую геометрию контактного интерфейса. Это контрастирует с прямоугольной конструкцией некоторых разъемов, например, разъемов USB или лезвийных разъемов. Они обычно используются для более легкого соединения и разъединения, плотной герметизации окружающей среды и прочных механических характеристик. [15] Они широко используются в военной, аэрокосмической, промышленной технике и железнодорожной промышленности, где обычно указаны MIL-DTL-5015 и MIL-DTL-38999. В таких областях, как звукотехника и радиосвязь, также используются круглые разъемы, такие как XLR и BNC . Вилки переменного тока также обычно имеют круглую форму, например, вилки Schuko и IEC 60309 .
Разъем M12 , указанный в IEC 61076-2-101, представляет собой круглую электрическую пару вилка/розетка с ответной резьбой наружным диаметром 12 мм, используемую в NMEA 2000 , DeviceNet , IO-Link , некоторых видах промышленного Ethernet и т. д. [16] [17]
Недостатком круглой конструкции является неэффективное использование пространства панели при использовании в массивах по сравнению с прямоугольными разъемами.
Круглые разъемы обычно используют кожухи, которые обеспечивают физическую и электромагнитную защиту, а иногда также предоставляют способ фиксации разъема в розетке. [18] В некоторых случаях этот кожух обеспечивает герметичное уплотнение или некоторую степень защиты от проникновения за счет использования прокладок , уплотнительных колец или заливки . [15]
Гибридные разъемы позволяют смешивать многие типы разъемов, обычно с помощью корпуса со вставками. [19] Эти корпуса также могут позволять смешивать электрические и неэлектрические интерфейсы, примерами последних являются пневматические линейные разъемы и оптоволоконные разъемы . Поскольку гибридные разъемы имеют модульную природу, они, как правило, упрощают сборку, ремонт и будущие модификации. Они также позволяют создавать композитные кабельные сборки, которые могут сократить время установки оборудования за счет сокращения количества отдельных кабельных и соединительных сборок.
Некоторые разъемы спроектированы таким образом, что определенные контакты контактируют раньше других при вставке и отключаются первыми при отключении. [1] Это часто используется в разъемах питания для защиты оборудования, например, сначала подключая защитное заземление . Это также используется для цифровых сигналов, как метод правильной последовательности соединений при горячей замене .
Многие разъемы имеют ключ с некоторым механическим компонентом (иногда называемым шпоночным пазом ), который предотвращает сопряжение в неправильной ориентации. [20] Это может быть использовано для предотвращения механического повреждения разъемов, застревания под неправильным углом или в неправильном разъеме, или для предотвращения несовместимых или опасных электрических соединений, таких как подключение аудиокабеля к розетке. [1] Ключ также предотвращает подключение симметричных разъемов в неправильной ориентации или полярности . Ключ особенно важен в ситуациях, когда имеется много похожих разъемов, например, в сигнальной электронике. [7] : 26 Например, разъемы XLR имеют выемку для обеспечения правильной ориентации, в то время как штекеры Mini-DIN имеют пластиковый выступ, который вставляется в соответствующее отверстие в гнезде (они также имеют выемчатую металлическую юбку для обеспечения вторичной кодировки). [21]
Некоторые корпуса разъемов спроектированы с механизмами блокировки для предотвращения непреднамеренного отсоединения или плохой герметизации окружающей среды. [1] Конструкции механизмов блокировки включают в себя фиксирующие рычаги различных видов, винтовые домкраты , ввинчивающиеся оболочки, разъем push-pull и системы переключателей или байонетных замков . Некоторые разъемы, особенно с большим количеством контактов, требуют больших усилий для соединения и разъединения. Фиксирующие рычаги, винтовые домкраты и ввинчивающиеся оболочки для таких разъемов часто служат как для удержания разъема при соединении, так и для обеспечения усилия, необходимого для соединения и разъединения. В зависимости от требований применения корпуса с механизмами блокировки могут быть испытаны в различных условиях моделирования окружающей среды, которые включают в себя физические удары и вибрацию, водяные брызги, пыль и т. д., чтобы гарантировать целостность электрического соединения и уплотнений корпуса.
Корпуса являются распространенным аксессуаром для промышленных и высоконадежных разъемов, особенно круглых разъемов. [18] Корпуса обычно защищают разъем и/или кабель от воздействия окружающей среды или механического воздействия или экранируют его от электромагнитных помех . [22] Существует множество типов корпусов для различных целей, включая различные размеры, формы, материалы и уровни защиты. Корпуса обычно фиксируются на кабеле с помощью зажима или формованного чехла и могут иметь резьбу для крепления к ответной розетке. [23] Корпуса для военного и аэрокосмического использования регулируются SAE AS85049 в США. [24]
Для обеспечения гарантированной стабильности сигнала в экстремальных условиях традиционная конструкция штырьков и гнезд может стать неадекватной. Гиперболоидные контакты разработаны для выдерживания более экстремальных физических нагрузок, таких как вибрация и удары. [20] Они также требуют примерно на 40% меньше силы вставки [25] — всего 0,3 ньютона (1 унция -сила ) на контакт, [26] — что продлевает срок службы и в некоторых случаях предлагает альтернативу разъемам с нулевой силой вставки . [27] [25]
В разъеме с гиперболоидными контактами каждый женский контакт имеет несколько равномерно расположенных продольных проводов, скрученных в гиперболическую форму. Эти провода очень устойчивы к деформации, но все еще несколько эластичны, поэтому они по сути функционируют как линейные пружины. [28] [29] Когда вставлен штыревой штифт, осевые провода в половине гнезда отклоняются, обвиваясь вокруг штыря, чтобы обеспечить несколько точек контакта. Внутренние провода, которые образуют гиперболоидную структуру, обычно закрепляются на каждом конце путем изгиба кончика в канавку или выемку в корпусе. [30]
Хотя гиперболоидные контакты могут быть единственным вариантом для создания надежного соединения в некоторых обстоятельствах, их недостатком является то, что они занимают больший объем в разъеме, что может вызвать проблемы для разъемов высокой плотности. [25] Они также значительно дороже традиционных штыревых и гнездовых контактов, что ограничило их распространение с момента их изобретения в 1920-х годах Вильгельмом Гарольдом Фредериком. [31] В 1950-х годах Франсуа Бономм популяризировал гиперболоидные контакты с помощью своего разъема «Hypertac», который позже был приобретен Smiths Group . В течение следующих десятилетий разъемы неуклонно набирали популярность и до сих пор используются в медицинских, промышленных, военных, аэрокосмических и железнодорожных приложениях (особенно в поездах в Европе). [28]
Разъемы Pogo pin или пружинные разъемы обычно используются в потребительских и промышленных товарах, где механическая устойчивость и простота использования являются приоритетами. [32] Разъем состоит из ствола, пружины и плунжера. Они используются в таких приложениях, как разъем MagSafe , где для безопасности требуется быстрое разъединение. Поскольку они полагаются на давление пружины, а не на трение, они могут быть более долговечными и менее разрушительными, чем традиционная конструкция штифта и гнезда, что приводит к их использованию при внутрисхемном тестировании . [33]
Соединители Crown Spring обычно используются для более высоких токов и промышленных приложений. Они имеют большое количество точек контакта, что обеспечивает более электрически надежное соединение, чем традиционные штыревые и гнездовые соединители. [34]
Хотя это технически неточно, электрические разъемы можно рассматривать как тип адаптера для преобразования между двумя способами подключения, которые постоянно подключены на одном конце и (обычно) отсоединяемы на другом конце. [7] : 40 По определению, каждый конец этого «адаптера» имеет разный способ подключения — например, паяные лепестки на штекерном телефонном разъеме и сам штекерный телефонный разъем. [3] В этом примере паяные лепестки, подключенные к кабелю, представляют собой постоянное соединение, в то время как штекерная часть разъема взаимодействует с гнездовым гнездом, образуя разъемное соединение.
Существует множество способов установки разъема на кабель или устройство. Некоторые из этих методов можно реализовать без специальных инструментов. Другие методы, хотя и требуют специального инструмента, позволяют собирать разъемы гораздо быстрее и надежнее, а также облегчают ремонт.
Количество раз, когда разъем может соединяться и разъединяться с его ответной частью, при этом соблюдая все его спецификации, называется циклами сопряжения и является косвенным показателем срока службы разъема. Материал, используемый для контакта разъема, тип покрытия и толщина являются основными факторами, определяющими циклы сопряжения. [35]
Соединители типа «вилка и розетка» обычно состоят из штекера ( обычно штыревые контакты) и гнезда ( обычно розеточные контакты). Часто, но не всегда, розетки постоянно закреплены на устройстве, как в разъеме шасси , а вилки прикреплены к кабелю.
Вилки обычно имеют один или несколько штырей или зубцов, которые вставляются в отверстия в сопрягаемом гнезде. Соединение между сопрягаемыми металлическими частями должно быть достаточно плотным, чтобы обеспечить хорошее электрическое соединение и замкнуть цепь. Альтернативный тип соединения вилки и розетки использует гиперболоидные контакты, что обеспечивает более надежное электрическое соединение. При работе с многоконтактными разъемами полезно иметь схему расположения выводов , чтобы идентифицировать провод или узел цепи, подключенный к каждому выводу.
Некоторые стили разъемов могут объединять типы штыревых и гнездовых соединений в одном блоке, называемом гермафродитным разъемом . [6] : 56 Эти разъемы включают сопряжение как с мужскими, так и с женскими аспектами, включая дополнительные парные идентичные детали, каждая из которых содержит как выступы, так и углубления. Эти сопрягаемые поверхности монтируются в идентичные фитинги, которые свободно сопрягаются с любыми другими, независимо от пола (при условии, что размер и тип совпадают).
Иногда оба конца кабеля заканчиваются одним и тем же типом разъема, как во многих соединительных кабелях Ethernet . В других приложениях два конца заканчиваются по-разному, либо штекером и гнездом одного и того же разъема (как в удлинителе ) , либо несовместимыми разъемами, что иногда называется адаптерным кабелем .
Вилки и розетки широко используются в различных системах разъемов, включая плоские разъемы, макетные платы , разъемы XLR , автомобильные розетки , разъемы типа «банан» и телефонные разъемы .
Гнездо — это разъем, который устанавливается на поверхность переборки или корпуса и сопрягается со своим ответным элементом, вилкой . [36] Согласно Американскому обществу инженеров-механиков , [37] неподвижный (более фиксированный) разъем пары классифицируется как гнездо ( обозначается J), обычно прикрепляемое к части оборудования, как в разъеме для монтажа на шасси или панели. Подвижный (менее фиксированный) разъем классифицируется как вилка ( обозначается P), [37] предназначенная для присоединения к проводу, кабелю или съемной электрической сборке. [38] Это соглашение в настоящее время определено в ASME Y14.44-2008, который заменяет IEEE 200-1975 , который, в свою очередь, происходит от давно отмененного MIL-STD-16 (с 1950-х годов), подчеркивая наследие этого соглашения об именовании разъемов. [36] IEEE 315-1975 работает совместно с ASME Y14.44-2008 для определения разъемов и вилок.
Термин «джек» встречается в нескольких родственных терминах:
Обжимные разъемы представляют собой тип беспаечного соединения, использующего механическое трение и равномерную деформацию для крепления разъема к предварительно зачищенному проводу (обычно многожильному). [1] Обжим используется в сращиваемых разъемах, обжимных многоконтактных вилках и розетках и обжимных коаксиальных разъемах. Обжим обычно требует специального обжимного инструмента, но разъемы быстро и легко устанавливаются и являются распространенной альтернативой паяным соединениям или разъемам со смещением изоляции. Эффективные обжимные соединения деформируют металл разъема за пределами его предела текучести, так что сжатый провод вызывает напряжение в окружающем разъеме, и эти силы противодействуют друг другу, создавая высокую степень статического трения . Благодаря эластичному элементу в обжимных соединениях они обладают высокой устойчивостью к вибрации и тепловому удару . [39]
Обжатые контакты являются постоянными (т.е. разъемы и концы проводов не могут быть использованы повторно). [40]
Обжимные штекерные разъемы можно классифицировать как разъемы с задним или передним выпуском . Это относится к стороне разъема, где закреплены штыри: [20]
Многие штепсельные и гнездовые разъемы крепятся к проводу или кабелю путем припаивания проводников к электродам на задней стороне разъема. Паяные соединения в разъемах прочны и надежны, если выполнены правильно, но обычно медленнее в изготовлении, чем обжимные соединения. [1] Когда провода должны быть припаяны к задней стороне разъема, часто используется кожух для защиты соединения и добавления снятия натяжения. Предоставляются металлические ведра для припоя или чашки для припоя , которые состоят из цилиндрической полости, которую установщик заполняет припоем перед вставкой провода. [41]
При создании паяных соединений возможно расплавление диэлектрика между штырями или проводами. Это может вызвать проблемы, поскольку теплопроводность металлов заставляет тепло быстро распространяться по кабелю и разъему, и когда это тепло плавит пластиковый диэлектрик, это может привести к коротким замыканиям или «расклешенной» (конической) изоляции. [40] Паяные соединения также более подвержены механическим повреждениям, чем обжимные соединения, когда подвергаются вибрации и сжатию. [42]
Поскольку снятие изоляции с проводов занимает много времени, многие разъемы, предназначенные для быстрой сборки, используют разъемы со смещением изоляции , которые разрезают изоляцию при вставке провода. [1] Обычно они имеют форму вилкообразного отверстия в клемме, в которое вдавливается изолированный провод, который прорезает изоляцию для контакта с проводником. Чтобы сделать эти соединения надежными на производственной линии, специальные инструменты точно контролируют усилия, прилагаемые во время сборки. В небольших масштабах эти инструменты, как правило, стоят дороже, чем инструменты для обжимных соединений.
Соединители со смещением изоляции обычно используются с небольшими проводниками для передачи сигналов и при низком напряжении. Силовые проводники, несущие более нескольких ампер, более надежно подключаются другими способами, хотя соединители с "горячим подключением" находят некоторое применение в автомобильных приложениях для добавления к существующей проводке.
Типичным примером является многожильный плоский ленточный кабель, используемый в компьютерных дисководах; заделка каждого из многочисленных (примерно 40) проводов по отдельности была бы медленной и подверженной ошибкам, но разъем со смещением изоляции может заделать все провода одним действием. Другое очень распространенное применение — так называемые блоки с заделкой, используемые для заделки неэкранированной витой пары .
Клеммы для присоединения представляют собой метод однопроводного соединения, при котором зачищенный провод прикручивается или зажимается к металлическому электроду. Такие разъемы часто используются в электронном испытательном оборудовании и аудиотехнике. Многие клеммы для присоединения также принимают вилку типа «банан» .
Винтовые соединения часто используются для полупостоянной проводки и соединений внутри устройств из-за их простой, но надежной конструкции. Основной принцип всех винтовых клемм заключается в том, что кончик болта зажимается на зачищенном проводнике. Их можно использовать для соединения нескольких проводников, [43] для подключения проводов к печатной плате или для подключения кабеля к вилке или розетке. [7] : 50 Зажимной винт может действовать по продольной оси (параллельно проводу) или по поперечной оси (перпендикулярно проводу), или в обеих. Некоторые недостатки заключаются в том, что подключение проводов сложнее, чем простое подключение кабеля, и винтовые клеммы, как правило, не очень хорошо защищены от контакта с людьми или посторонними проводящими материалами.
Клеммные колодки (также называемые клеммными колодками или полосками ) обеспечивают удобное средство соединения отдельных электрических проводов без сращивания или физического соединения концов. Поскольку клеммные колодки легко доступны для широкого диапазона размеров проводов и количества клемм, они являются одним из самых гибких типов электрических разъемов. Один тип клеммной колодки принимает провода, которые подготовлены только путем снятия короткой длины изоляции с конца. Другой тип, часто называемый барьерными полосками , принимает провода, которые имеют кольцевые или лопаточные клеммные наконечники , обжатые на проводах.
Винтовые клеммы , монтируемые на печатной плате (ПП), позволяют подключать отдельные провода к ПП через выводы, припаянные к плате.
Разъемы в верхнем ряду изображения известны как кольцевые клеммы и плоские клеммы (иногда называемые вилочными или разъемными кольцевыми клеммами). Электрический контакт осуществляется плоской поверхностью кольца или лопатки, тогда как механически они крепятся путем пропускания через них винта или болта. Форм-фактор плоских клемм облегчает соединения, поскольку винт или болт можно оставить частично вкрученным, пока плоская клемма снимается или крепится. Их размеры можно определить по калибру проводника , а также внутреннему и внешнему диаметрам.
В случае изолированных обжимных соединителей обжимаемая область находится под изолирующей втулкой, через которую действует сила сжатия. Во время обжима удлиненный конец этой изолирующей втулки одновременно обжимается вокруг изолированной области кабеля, создавая разгрузку от натяжения. Изолирующая втулка изолированных соединителей имеет цвет, который указывает на площадь поперечного сечения провода . Цвета стандартизированы в соответствии с DIN 46245:
Ножевой разъем — это тип однопроводного устройства с вилкой и гнездом, в котором используется плоский проводящий лезвие (вилка), вставляемый в розетку. Провода обычно присоединяются к штекерным или гнездовым клеммам ножевого разъема путем обжима или пайки . Доступны изолированные и неизолированные разновидности. В некоторых случаях лезвие является неотъемлемой частью компонента (например, переключателя или динамика), а ответная клемма разъема вставляется в клемму разъема устройства.
Золото обычно указывается в качестве контактного покрытия для низкоуровневых сигнальных напряжений и токов, а также там, где высокая надежность является основным фактором.
своей конструкции предотвращается традиционный вид отказа в луженых соединениях, фреттинг-коррозия.
стационарный (более фиксированный) соединитель сопряженной пары должен быть обозначен J или X ... Подвижный (менее фиксированный) соединитель сопряженной пары должен быть обозначен P
Медиа, связанные с Электрические соединители на Wikimedia Commons