Компоненты электрической цепи считаются электрически связанными , если между ними через электрический проводник может протекать электрический ток . Электрический разъем — это электромеханическое устройство, используемое для создания электрического соединения между частями электрической цепи или между различными электрическими цепями, тем самым объединяя их в более крупную цепь. [1] Большинство электрических разъемов имеют пол – т. е. вилка, называемая вилкой , соединяется с розеткой или розеткой . Соединение может быть съемным (как для портативного оборудования), требовать инструмента для сборки и снятия или служить постоянным электрическим соединением между двумя точками. [2] Для соединения разнородных разъемов можно использовать адаптер .
Производятся тысячи конфигураций разъемов для питания , передачи данных и аудиовизуальных приложений. [3] Электрические разъемы можно разделить на четыре основные категории, различающиеся по их функциям: [4]
В вычислительной технике электрические разъемы считаются физическим интерфейсом и составляют часть физического уровня сетевой модели OSI .
Помимо упомянутых выше классов, разъемы характеризуются распиновкой , способом подключения, материалами, размерами, контактным сопротивлением , изоляцией , механической прочностью, пылевлагозащитой , сроком службы (количеством циклов), удобством использования.
Обычно желательно, чтобы разъем можно было легко идентифицировать визуально, чтобы его можно было быстро собрать, чтобы он был недорогим и требовал только простых инструментов. В некоторых случаях производитель оборудования может выбрать разъем специально потому, что он несовместим с разъемами из других источников, что позволяет контролировать то, что может быть подключено. Ни один разъем не обладает всеми идеальными свойствами для любого применения; Увеличение количества типов является результатом разнообразных, но специфических требований производителей. [7] : 6
Электрические соединители по существу состоят из двух классов материалов: проводников и изоляторов. Свойствами, важными для проводниковых материалов, являются 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 ковкости . [7] : 15 Альтернативы включают латунь , фосфористую бронзу и бериллиевую медь . Основной металл электрода часто покрыт 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 плохо поддаются пайке и склонны к коррозии. Таким образом, медные контакты обычно покрывают золотом, чтобы избежать этих ошибок, особенно для аналоговых сигналов и приложений с высокой надежностью. [9] [10]
Держатели контактов , которые скрепляют части разъема, обычно изготавливаются из пластика из-за его изолирующих свойств. Корпуса или задние корпуса могут быть изготовлены из формованного пластика и металла. [7] : 15 Корпуса разъемов для использования при высоких температурах, например термопары или для больших ламп накаливания , могут быть изготовлены из обожженного керамического материала.
Большинство неисправностей разъемов приводят к прерывистому соединению или размыканию контактов: [11] [12]
Разъемы являются чисто пассивными компонентами, то есть они не улучшают работу схемы, поэтому разъемы должны как можно меньше влиять на работу схемы. Ненадежное крепление разъемов (в основном на шасси) может значительно повысить риск отказа, особенно при сильных ударах или вибрации. [11] Другими причинами неисправностей являются разъемы, не рассчитанные на приложенный ток и напряжение, разъемы с недостаточной защитой от проникновения, а также изношенные или поврежденные резьбовые корпуса.
Высокие температуры также могут стать причиной выхода из строя разъемов, в результате чего возникает «лавина» отказов – повышается температура окружающей среды, что приводит к уменьшению сопротивления изоляции и увеличению сопротивления проводника; это увеличение генерирует больше тепла, и цикл повторяется. [11]
Фреттинг (так называемая динамическая коррозия ) — распространенный вид отказа электрических разъемов, 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 образованию на контактах тонкого поверхностного слоя, который увеличивает сопротивление, что способствует перегреву и прерывистому соединению. [14] Однако повторное соединение или повторная установка разъема может облегчить проблему поверхностной коррозии, поскольку каждый цикл соскребает микроскопический слой с поверхности контакта(ов), обнажая свежую, неокисленную поверхность.
Многие разъемы, используемые в промышленных и высоконадежных приложениях, имеют круглое поперечное сечение, цилиндрический корпус и круглую геометрию контактного интерфейса. Это контрастирует с прямоугольной конструкцией некоторых разъемов, например USB или блейд-разъемов. Они обычно используются для более легкого включения и выключения, плотного уплотнения от окружающей среды и надежных механических характеристик. [15] Они широко используются в военной, аэрокосмической, промышленной технике и железнодорожном транспорте, где обычно указываются MIL-DTL-5015 и MIL-DTL-38999. В таких областях, как звукорежиссура 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 сопрягаемой 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.
В круглых разъемах обычно используются корпуса, которые обеспечивают физическую и электромагнитную защиту, а иногда также обеспечивают способ фиксации разъема в розетке. [18] В некоторых случаях задняя оболочка обеспечивает герметичность или некоторую степень защиты от проникновения за счет использования втулок , уплотнительных колец или герметизации . [15]
Гибридные разъемы позволяют комбинировать разъемы многих типов, обычно с помощью корпуса со вставками. [19] Эти корпуса также могут обеспечивать возможность смешивания электрических и неэлектрических интерфейсов, примерами последних являются разъемы пневматических линий и разъемы оптоволокна . Поскольку гибридные разъемы имеют модульную природу, они, как правило, упрощают сборку, ремонт и будущие модификации. Они также позволяют создавать составные кабельные сборки, что позволяет сократить время установки оборудования за счет уменьшения количества отдельных кабелей и сборок разъемов.
Некоторые разъемы устроены таким образом, что при вставке одни контакты вступают в контакт раньше других, а при отсоединении ломаются первыми. [1] Часто используется в силовых разъемах для защиты оборудования, например, сначала подключается защитное заземление . Он также используется для цифровых сигналов как метод правильной последовательности соединений при горячей замене .
Многие разъемы снабжены шпонкой с помощью какого-либо механического компонента (иногда называемого шпоночным пазом ), который предотвращает соединение в неправильной ориентации. [20] Это можно использовать для предотвращения механического повреждения разъемов, в результате заклинивания под неправильным углом или в неправильный разъем, а также для предотвращения несовместимых или опасных электрических соединений, таких как включение аудиокабеля в розетку. [1] Кодировка также предотвращает подключение симметричных разъемов в неправильной ориентации или полярности . Кодирование особенно важно в ситуациях, когда имеется много одинаковых разъемов, например, в сигнальной электронике. [7] : 26 Например, разъемы XLR имеют выемку для обеспечения правильной ориентации, а вилки Mini-DIN имеют пластиковый выступ, который вставляется в соответствующее отверстие в розетке (у них также есть металлическая юбка с насечками для обеспечения вторичной фиксации). [21]
Некоторые корпуса разъемов оснащены механизмами блокировки, предотвращающими случайное отсоединение или плохую герметизацию от воздействия окружающей среды. [1] Конструкции запорных механизмов включают в себя различные виды запорных рычагов, винтовые домкраты , ввинчивающиеся корпуса, двухтактные соединители , а также тумблерные или байонетные системы. Некоторые разъемы, особенно с большим количеством контактов, требуют больших усилий для соединения и разъединения. Стопорные рычаги, винтовые домкраты и ввинчивающиеся втулки для таких разъемов часто служат как для удержания разъема при подключении, так и для обеспечения усилия, необходимого для соединения и отсоединения. В зависимости от требований применения корпуса с запирающими механизмами могут быть испытаны в различных условиях окружающей среды, включая физические удары и вибрацию, водяные брызги, пыль и т. д., чтобы убедиться в целостности электрических соединений и уплотнений корпуса.
Заглушки являются обычным аксессуаром для промышленных и высоконадежных разъемов, особенно круглых разъемов. [18] Заглушки обычно защищают разъем и/или кабель от воздействия окружающей среды или механических воздействий или защищают его от электромагнитных помех . [22] Доступно множество типов кожухов для разных целей, включая различные размеры, формы, материалы и уровни защиты. Задние корпуса обычно фиксируются на кабеле с помощью зажима или формованного чехла и могут иметь резьбу для крепления к ответной розетке. [23] Задние корпуса для военного и аэрокосмического использования регулируются стандартом SAE AS85049 на территории США. [24]
Для обеспечения гарантированной стабильности сигнала в экстремальных условиях традиционная конструкция контактов и гнезд может оказаться недостаточной. Гиперболоидные контакты рассчитаны на более экстремальные физические нагрузки, такие как вибрация и удары. [20] Они также требуют примерно на 40 % меньше силы вставки [25] – всего 0,3 ньютона (1 унция f ) на контакт, [26] – что продлевает срок службы и в некоторых случаях предлагает альтернативу разъемам с нулевым усилием вставки. . [27] [25]
В разъеме с гиперболоидными контактами каждый гнездовой контакт имеет несколько равноотстоящих друг от друга продольных проводов, скрученных в гиперболическую форму. Эти проволоки очень устойчивы к растяжению, но при этом в некоторой степени эластичны, поэтому по существу функционируют как линейные пружины. [28] [29] При вставке штыря осевые провода в половине гнезда отклоняются, оборачиваясь вокруг штифта, образуя несколько точек контакта. Внутренние провода, образующие гиперболоидную структуру, обычно закрепляются на каждом конце путем сгибания кончика в паз или выемку в корпусе. [30]
Хотя в некоторых случаях гиперболоидные контакты могут быть единственным вариантом обеспечения надежного соединения, 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 ограничивало их распространение с момента их изобретения Вильгельмом Гарольдом Фредериком в 1920-х годах. [31] В 1950-х годах Франсуа Боном популяризировал гиперболоидные контакты с помощью своего разъема «Hypertac», который позже был приобретен компанией Smiths Group . В течение следующих десятилетий разъемы неуклонно набирали популярность и до сих пор используются в медицине, промышленности, военной, аэрокосмической и железнодорожной сферах (особенно в поездах в Европе). [28]
Pogo-штыревые или подпружиненные разъемы обычно используются в потребительских и промышленных товарах, где механическая устойчивость и простота использования являются приоритетами. [32] Соединитель состоит из цилиндра, пружины и плунжера. Они используются в таких приложениях, как разъем MagSafe , где в целях безопасности требуется быстрое отсоединение. Поскольку они полагаются на давление пружины, а не на трение, они могут быть более долговечными и менее повреждающими, чем традиционные штыревые конструкции, что приводит к их использованию при внутрисхемных испытаниях . [33]
Соединители с пружиной Crown обычно используются для более высоких токов и в промышленности. Они имеют большое количество контактных точек, что обеспечивает более электрически надежное соединение, чем традиционные штыревые разъемы. [34]
Хотя это технически неточно, электрические разъемы можно рассматривать как тип адаптера для переключения между двумя способами подключения, которые постоянно соединены на одном конце и (обычно) отсоединены на другом конце. [7] : 40 По определению, каждый конец этого «адаптера» имеет свой метод подключения – например, припаиваемые выступы на телефонном разъеме «папа » и сам телефонный разъем «папа». [3] В этом примере выводы для пайки, подключенные к кабелю, представляют собой постоянное соединение, в то время как вилка разъема соединяется с гнездом гнезда, образуя разъемное соединение.
Существует множество способов подключения разъема к кабелю или устройству. Некоторые из этих методов можно выполнить без специальных инструментов. Другие методы, хотя и требуют специального инструмента, позволяют собрать разъемы гораздо быстрее и надежнее, а также облегчить ремонт.
Количество раз, когда разъем может подключаться и отключаться от своего аналога при соблюдении всех своих характеристик, называется циклами сопряжения и является косвенным показателем срока службы разъема. Материал, используемый для контакта разъема, тип и толщина покрытия является основным фактором, определяющим циклы соединения. [35]
Разъемы вилки и розетки обычно состоят из вилки ( обычно штыревые контакты) и гнездовой розетки (обычно контакты розетки). Часто, но не всегда, розетки постоянно крепятся к устройству, например, в разъеме шасси , а вилки присоединяются к кабелю.
Вилки обычно имеют один или несколько штырей или штырей, которые вставляются в отверстия ответной розетки. Соединение между сопрягаемыми металлическими частями должно быть достаточно плотным, чтобы обеспечить хорошее электрическое соединение и замкнуть цепь. Альтернативный тип вилочного соединения использует гиперболоидные контакты, что обеспечивает более надежное электрическое соединение. При работе с многоконтактными разъемами полезно иметь схему распиновки , чтобы идентифицировать провод или узел цепи, подключенный к каждому контакту.
Некоторые стили разъемов могут сочетать в себе типы штыревых и гнездовых соединений в одном блоке, называемом гермафродитным разъемом . [6] : 56 Эти разъемы включают в себя соединение как с охватывающей, так и с охватывающей частью, включающее дополняющие друг друга парные идентичные части, 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 соответствия типоразмера и типа).
Иногда оба конца кабеля заканчиваются разъемом одного и того же типа, как во многих патч-кабелях Ethernet . В других приложениях два конца заделываются по-разному: либо с помощью вилки и розетки одного и того же разъема (как в удлинителе ) , либо с помощью несовместимых разъемов, которые иногда называют переходным кабелем .
Вилки и розетки широко используются в различных системах разъемов, включая ножевые разъемы, макетные платы , разъемы XLR , автомобильные розетки , разъемы типа «банан » и телефонные разъемы .
Гнездо — это разъем, который устанавливается на поверхность перегородки или корпуса и соединяется с ответной частью — вилкой . [36] По данным Американского общества инженеров-механиков , [37] стационарный (более фиксированный) разъем пары классифицируется как гнездо (обозначается J), обычно прикрепляемое к элементу оборудования, например, при креплении на шасси или на панели. -крепление разъема. Подвижный (менее фиксированный) разъем классифицируется как вилка (обозначается P) [37] , предназначенная для прикрепления к проводу, кабелю или съемному электрическому блоку. [38] В настоящее время это соглашение определено в стандарте ASME Y14.44-2008, который заменяет стандарт IEEE 200-1975 , который, в свою очередь, основан на давно упраздненном стандарте MIL-STD-16 (1950-х годов), что подчеркивает наследие этого наименования разъема. соглашение. [36] IEEE 315-1975 работает вместе с ASME Y14.44-2008 для определения разъемов и вилок.
Термин «джек» встречается в нескольких связанных терминах:
Обжимные разъемы — это тип соединения без пайки, в котором используется механическое трение и равномерная деформация для крепления разъема к предварительно зачищенному проводу (обычно многожильному). [1] Обжим используется в сращиваемых разъемах, обжатых многоконтактных вилках и розетках, а также обжатых коаксиальных разъемах. Для обжатия обычно требуется специальный обжимной инструмент, 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 противостоят друг другу, создавая высокую степень статического трения . Благодаря упругому элементу в обжимных соединениях они обладают высокой устойчивостью к вибрации и тепловым ударам . [39]
Обжатые контакты являются постоянными (т.е. разъемы и концы проводов не могут быть использованы повторно). [40]
Обжимные штепсельные разъемы можно разделить на задние и передние . Это относится к той стороне разъема, на которой закреплены контакты: [20]
Многие штепсельные разъемы прикрепляются 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 выполняются медленнее, чем обжимные соединения. [1] Когда провода необходимо припаять к задней части разъема, часто используется задняя оболочка для защиты соединения и дополнительной защиты от натяжения. Предусмотрены металлические емкости для припоя или чашки для припоя , которые представляют собой цилиндрическую полость, которую установщик заполняет припоем перед вставкой провода. [41]
При создании паяных соединений возможно расплавление диэлектрика между выводами или проводами. Это может вызвать проблемы, поскольку теплопроводность металлов приводит к быстрому распространению тепла по кабелю и разъему, а когда это тепло плавит пластиковый диэлектрик, это может вызвать короткое замыкание или «расширяющуюся» (коническую) изоляцию. [40] Паяные соединения также более склонны к механическим повреждениям, чем обжимные соединения, когда они подвергаются вибрации и сжатию. [42]
Поскольку снятие изоляции с проводов требует много времени, во многих разъемах, предназначенных для быстрой сборки, используются 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 и контактирует с проводником. Чтобы надежно выполнить эти соединения на производственной линии, специальные инструменты точно контролируют усилия, прикладываемые при сборке. В небольших масштабах эти инструменты, как правило, стоят дороже, чем инструменты для обжимных соединений.
Разъемы со сдвигом изоляции обычно используются с небольшими проводниками для передачи сигналов и при низком напряжении. Силовые проводники с током более нескольких ампер более надежно заделываются другими способами, хотя запрессовываемые разъемы «горячей врезки» находят некоторое применение в автомобильной промышленности в качестве дополнения к существующей проводке.
Типичным примером является многожильный плоский ленточный кабель, используемый в компьютерных дисководах; заделка каждого из множества (около 40) проводов по отдельности была бы медленной и подверженной ошибкам, но разъем со смещением изоляции может заделывать все провода одним действием. Еще одним очень распространенным применением являются так называемые врезные блоки, используемые для заделки неэкранированной витой пары.
Обвязочные штифты представляют собой однопроводной метод соединения, при котором зачищенный провод привинчивается или зажимается к металлическому электроду. Такие разъемы часто используются в электронном испытательном оборудовании и аудиосистеме. Многие переплеты также допускают 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 закреплении кончика болта 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 проволоке), поперечной оси (перпендикулярно проволоке) или по обеим. Некоторые недостатки заключаются в том, что соединить провода сложнее, чем просто подключить кабель, а 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 удобные средства 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 наиболее гибких типов доступных электрических разъемов. Один тип клеммной колодки предназначен для проводов, подготовленных только путем снятия изоляции с конца на небольшой участок. Другой тип, часто называемый барьерными полосами , подходит для проводов с кольцевыми или лепестковыми наконечниками , обжатыми на проводах.
Винтовые клеммы , установленные на печатной плате (PCB) , позволяют отдельным проводам подключаться к печатной плате через выводы, припаянные к плате.
Разъемы в верхнем ряду изображения известны как кольцевые клеммы и лепестковые клеммы (иногда называемые вилочными или разъемными кольцевыми клеммами). Электрический контакт осуществляется плоской поверхностью кольца или лопатки, а механически они крепятся путем пропускания через них винта или болта. Форм-фактор лепестковой клеммы облегчает соединения, поскольку винт или болт можно оставить частично ввернутыми, когда лепестковую клемму снимают или прикрепляют. Их размеры могут определяться сечением проводящего провода, а также внутренним и внешним диаметрами.
У изолированных обжимных соединителей область обжима находится под изолирующей втулкой, через которую действует прижимное усилие. Во время обжатия удлиненный конец этой изоляционной втулки одновременно прижимается к изолируемому участку кабеля, создавая разгрузку от натяжения. Изолирующая втулка изолированных разъемов имеет цвет, обозначающий площадь поперечного сечения провода . Цвета стандартизированы согласно DIN 46245:
Плоский разъем — это тип однопроводного штепсельного соединительного устройства с плоским проводящим контактом (вилкой), который вставляется в розетку. Провода обычно прикрепляются к клеммам плоского разъема «папа» или «мама» путем обжима или пайки . Доступны изолированные и неизолированные варианты. В некоторых случаях лезвие является неотъемлемой частью компонента (например, переключателя или динамика), а ответная клемма разъема насаживается на клемму разъема устройства.
Золото обычно используется в качестве контактного покрытия для применений с низким напряжением и током низкого уровня, а также там, где высокая надежность является основным фактором.
Его конструкция предотвращает традиционный вид отказа луженых соединений - фреттинг-коррозию..
неподвижный (более фиксированный) разъем сопрягаемой пары должен обозначаться J или X... Подвижный (менее фиксированный) разъем сопрягаемой пары должен обозначаться P
СМИ, связанные с электрическими разъемами, на Викискладе?