Электрический разъем - Electrical connector

Условные обозначения для штекерных и гнездовых разъемов (см. Род разъемов и креплений )

Эта задняя панель интегрированного усилителя оснащена различными электрическими разъемами.

Разъемы на задней панели компьютера 2018 года

Электрический соединитель представляет собой электромеханическое устройство , которое используется , чтобы присоединиться электрическими проводниками и создать электрическую цепь . Большинство электрических разъемов имеют пол,  то есть вилка , называемая вилкой , подключается к разъему или розетке . Соединение может быть съемным (как для переносного оборудования), для его сборки и снятия требуется инструмент, или оно может служить постоянным электрическим соединением между двумя точками. Для соединения разнородных разъемов можно использовать переходник .

Тысячи конфигураций разъемов производятся для приложений питания , передачи данных и аудиовизуальных приложений. Электрические соединители можно разделить на четыре основные категории, различающиеся по функциям:

• линейные или кабельные разъемы, постоянно прикрепленные к кабелю, поэтому его можно подключить к другому терминалу (стационарному инструменту или другому кабелю)
• Разъемы шасси или панели , постоянно прикрепленные к части оборудования, поэтому пользователи могут подключать кабель к стационарному устройству.
• Разъемы для монтажа на печатную плату припаяны к печатной плате , обеспечивая точку для крепления кабеля или провода . (например, разъемы контактов , винтовые клеммы , межплатные разъемы )
• Сращивания или стыковые соединители ( в первую очередь соединители смещения изоляции ) , которые постоянно присоединяются две длины провода или кабеля

В вычислениях электрические соединители считаются физическим интерфейсом и составляют часть физического уровня в модели сети OSI .

Физическая конструкция

Помимо упомянутых выше классов, разъемы характеризуются расположением выводов , способом подключения , материалами, размером, контактным сопротивлением , изоляцией , механической прочностью, защитой от проникновения , сроком службы (количество циклов) и простотой использования.

Обычно желательно, чтобы соединитель легко распознавался визуально, быстро собирался, был недорогим и требовал только простых инструментов. В некоторых случаях производитель оборудования может выбрать разъем именно потому , что она не совместима с теми из других источников, что позволяет контролировать то , что может быть связано. Ни один соединитель не обладает всеми идеальными свойствами для каждого приложения; Увеличение количества типов является результатом разнообразных, но специфических требований производителей.

Материалы

Электрические соединители в основном состоят из материалов двух классов: проводников и изоляторов. Важными свойствами материалов проводников являются контактное сопротивление, проводимость , механическая прочность , формуемость и упругость . Изоляторы должны иметь высокое электрическое сопротивление , выдерживать высокие температуры и быть простыми в изготовлении для точной подгонки.

Электроды в соединителях обычно изготавливаются из медных сплавов из-за их хорошей проводимости и пластичности . Альтернативы включают латунь , фосфорную бронзу и бериллиевую медь . Металл основного электрода часто покрывается другим инертным металлом, таким как золото , никель или олово . Использование материала покрытия с хорошей проводимостью, механической прочностью и коррозионной стойкостью помогает уменьшить влияние пассивирующих оксидных слоев и поверхностных адсорбатов, которые ограничивают участки контакта металла с металлом и способствуют сопротивлению контакта. Например, медные сплавы обладают подходящими механическими свойствами для электродов, но их трудно паять и они подвержены коррозии. Таким образом, медные контакты обычно покрываются золотом, чтобы устранить эти ловушки, особенно для аналоговых сигналов и приложений с высокой надежностью.

Контактные носители , которые держат части соединителя вместе, как правило , изготовлены из пластика, из - за его изоляционные свойства. Корпуса или кожухи могут быть изготовлены из литого пластика или металла.

Режимы отказа

Большинство отказов разъемов приводят к прерывистым соединениям или разомкнутым контактам:

Разъемы - это чисто пассивные компоненты, то есть они не улучшают функцию схемы, поэтому разъемы должны как можно меньше влиять на работу схемы. Небезопасная установка разъемов (в основном на шасси) может значительно увеличить риск отказа, особенно при сильных ударах или вибрации. Другими причинами выхода из строя являются разъемы, не соответствующие приложенному току и напряжению, разъемы с недостаточной защитой от проникновения и изношенные или поврежденные задние корпуса с резьбой .

Высокие температуры также могут вызывать выход из строя разъемов, что приводит к «лавинообразному» отказу - повышается температура окружающей среды, что приводит к снижению сопротивления изоляции и увеличению сопротивления проводника; это увеличение генерирует больше тепла, и цикл повторяется.

Фреттинг (так называемая динамическая коррозия ) - это распространенный вид отказа электрических разъемов, которые не были специально разработаны для его предотвращения, особенно в тех, которые часто стыкуются и отключаются. Поверхностная коррозия является риском для многих металлических деталей в соединителях и может привести к образованию тонкого поверхностного слоя контактов, который увеличивает сопротивление, тем самым способствуя накоплению тепла и прерывистым соединениям. Однако повторная установка или повторная установка разъема может решить проблему поверхностной коррозии, поскольку каждый цикл соскабливает микроскопический слой с поверхности контакта (-ов), обнажая свежую неокисленную поверхность.

Круглые соединители

Многие соединители, используемые для промышленных и высоконадежных приложений, имеют круглое поперечное сечение, цилиндрический корпус и круглую геометрию контактных поверхностей. Это контрастирует с прямоугольной конструкцией некоторых разъемов, например, USB или blade-разъемов . Они обычно используются для облегчения включения и выключения, обеспечения герметичности и надежных механических характеристик. Они широко используются в военном, аэрокосмическом, промышленном и железнодорожном оборудовании, где обычно указаны стандарты MIL-DTL-5015 и MIL-DTL-38999 . В таких областях, как звуковая инженерия и радиосвязь, также используются круглые разъемы, такие как XLR и BNC . Вилки питания переменного тока также обычно имеют круглую форму, например, вилки Schuko и IEC 60309 .

Кабельная разводка NMEA 2000 с использованием разъемов M12

Штекер M12 , указанный в МЭК 61076-2-101, является круговой электрическая вилка / розетка пара с 12 мм OD сопрягаемых нитей, используемых в NMEA 2000 , DeviceNet , IO-Link , некоторые виды Industrial Ethernet и т.д.

Недостатком круглой конструкции является неэффективное использование пространства панели при использовании в массивах по сравнению с прямоугольными соединителями.

В круглых соединителях обычно используются задние оболочки , которые обеспечивают физическую и электромагнитную защиту, а иногда также обеспечивают метод фиксации соединителя в розетке. В некоторых случаях этот кожух обеспечивает герметичное уплотнение или некоторую степень защиты от проникновения за счет использования втулок , уплотнительных колец или заливки .

Гибридные разъемы

Гибридные разъемы позволяют смешивать многие типы разъемов, обычно в виде корпуса со вставками. Эти кожухи могут также позволять смешивать электрические и неэлектрические интерфейсы, примерами последних являются соединители пневматической линии и соединители оптического волокна . Поскольку гибридные соединители 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 уменьшения количества отдельных сборок кабелей и разъемов.

Механические особенности

Последовательность контактов

Некоторые разъемы сконструированы таким образом, что определенные контакты входят в контакт раньше других, когда вставляются, и ломаются первыми при отсоединении. Это часто используется в силовых разъемах для защиты оборудования, например, для подключения защитного заземления в первую очередь. Он также используется для цифровых сигналов как метод правильной последовательности соединений при горячей замене .

Ключ

Примеры соединителей с ключом

Разъем XLR с выемкой для выравнивания

4-контактный кабель Mini-DIN S-Video с выемками и прямоугольным установочным штифтом.

Многие разъемы снабжены шпонками с помощью какого-либо механического компонента (иногда называемого шпоночным пазом ), который предотвращает неправильное сопряжение. Это можно использовать для предотвращения механического повреждения разъемов, от заклинивания под неправильным углом или в неправильный разъем, или для предотвращения несовместимых или опасных электрических соединений, таких как включение аудиокабеля в розетку. Ключи также предотвращают подключение симметричных разъемов в неправильной ориентации или неправильной полярности . Ключи особенно важны в ситуациях, когда имеется много похожих разъемов, например, в сигнальной электронике. Например, разъемы XLR имеют выемку для обеспечения правильной ориентации, в то время как штекеры Mini-DIN имеют пластиковый выступ, который входит в соответствующее отверстие в розетке (они также имеют металлическую юбку с выемками для обеспечения вторичного ключа).

Механизмы блокировки

Некоторые корпуса разъемов разработаны с фиксирующими механизмами для предотвращения непреднамеренного отсоединения или плохой герметизации. Конструкции запорного механизма включают запорные рычаги различных типов, винтовые домкраты , ввинчивающиеся гильзы, двухтактные соединители , а также коленчатые или байонетные системы. Некоторые разъемы, особенно с большим количеством контактов, требуют больших усилий для подключения и отключения. Стопорные рычаги, винтовые домкраты и ввинчивающиеся кожухи для таких соединителей часто служат как для удержания соединителя при подсоединении, так и для обеспечения усилия, необходимого для соединения и разъединения. В зависимости от требований к применению, корпуса с запорными механизмами могут быть испытаны в различных условиях моделирования, включая физические удары и вибрацию, водяные брызги, пыль и т. Д., Чтобы гарантировать целостность электрического соединения и уплотнений корпуса.

Корпуса

Задние оболочки - распространенный аксессуар для промышленных и высоконадежных разъемов, особенно для круглых разъемов . Корпуса обычно защищают разъем и / или кабель от воздействия окружающей среды или механических воздействий или экранируют его от электромагнитных помех . Доступны многие типы кожухов для различных целей, включая различные размеры, формы, материалы и уровни защиты. Задние оболочки обычно фиксируются на кабеле с помощью зажима или формованного чехла и могут иметь резьбу для присоединения к ответной розетке. Корпуса для военного и аэрокосмического использования регулируются SAE AS85049 в США.

Гиперболоидные контакты

Для обеспечения гарантированной стабильности сигнала в экстремальных условиях традиционная конструкция контактов и разъемов может оказаться неадекватной. Гиперболоидные контакты разработаны, чтобы противостоять более экстремальным физическим нагрузкам, таким как вибрация и удары. Они также требуют около 40% меньше усилия вставки - как низко как 0,3 ньютона (1 унции _F ) на один контакт, - который расширяет продолжительность жизни, а в некоторых случаях являются альтернатива нулевого усилия соединителей.

В соединителе с гиперболоидными контактами каждый гнездовой контакт имеет несколько равноудаленных продольных проводов, скрученных в гиперболоидную форму. Эти проволоки очень устойчивы к деформации, но все же в некоторой степени эластичны, поэтому они по существу функционируют как линейные пружины. Когда штыревой штифт вставлен, осевые провода в половине гнезда отклоняются, оборачиваясь вокруг штифта, обеспечивая несколько точек контакта. Внутренние провода, образующие гиперболоидную структуру, обычно закрепляются на каждом конце путем загибания наконечника в канавку или выемку в корпусе.

Хотя в некоторых случаях гиперболоидные контакты могут быть единственным вариантом для надежного соединения, они имеют недостаток, заключающийся в том, что они занимают больший объем в разъеме, что может вызвать проблемы для разъемов с высокой плотностью. Они также значительно дороже традиционных штыревых и гнездовых контактов, что ограничило их распространение с момента их изобретения в 1920-х годах Вильгельмом Гарольдом Фредериком. В 1950-х годах Франсуа Боном популяризировал гиперболоидные контакты с помощью своего разъема «Hypertac», который позже был приобретен Smiths Group . В течение следующих десятилетий соединители неуклонно набирали популярность и до сих пор используются в медицине, промышленности, военном, аэрокосмическом и железнодорожном секторах (особенно в поездах в Европе).

Булавки Pogo

Разъемы pogo pin

Pogo pin или подпружиненные соединители обычно используются в потребительских и промышленных товарах, где механическая устойчивость и простота использования являются приоритетами. Соединитель состоит из цилиндра, пружины и плунжера. Они используются для обеспечения безопасности в таких приложениях, как разъем MagSafe , и могут быть менее опасными, чем традиционная конструкция контактов и разъемов, что приводит к их использованию при внутрисхемных испытаниях .

Соединители с коронной пружиной

Типичная вилка коронной пружины и ее гнездовое гнездо

Пружинные соединители с короной обычно используются для более высоких токов и промышленных приложений. Они имеют большое количество точек контакта, что обеспечивает более надежное электрическое соединение, чем традиционные штыревые разъемы.

Способы подключения

Штекерные разъемы

Мужской MIL-DTL-5015 штекер

Женский разъем VGA

Штекерный разъем последовательного порта

Сопрягаемые поверхности гермафродитного соединителя

Хотя электрические разъемы технически неточны, их можно рассматривать как тип адаптера для преобразования между двумя способами подключения, которые постоянно подключены на одном конце и (обычно) съемными на другом конце. По определению, каждый конец этого «адаптера» имеет свой метод подключения - например, паяные язычки на штекерном телефонном разъеме и сам штекерный телефонный разъем. В этом примере выводы под пайку, соединенные с кабелем, представляют собой постоянное соединение, в то время как часть штыревого соединителя взаимодействует с гнездом гнезда, образуя съемное соединение.

Есть много способов прикрепить разъем к кабелю или устройству. Некоторые из этих методов можно реализовать без специальных инструментов. Другие методы, требующие специального инструмента, позволяют собирать разъемы намного быстрее и надежнее, а также упрощают ремонт.

Количество раз, когда соединитель может подключаться и отключаться от своего аналога при соблюдении всех его спецификаций, называется циклами сопряжения и является косвенным показателем срока службы разъема. Материал, используемый для контакта разъема, тип покрытия и толщина являются основным фактором, определяющим циклы сопряжения.

Штекерные разъемы

Штепсельные и розеточные соединители обычно состоят из вилки (обычно штыревые контакты) и розетки (обычно контакты розетки). Часто, но не всегда, розетки постоянно прикрепляются к устройству, как в разъеме на шасси (см. Выше) , а вилки прикрепляются к кабелю.

Вилки обычно имеют один или несколько штифтов или штырей, которые вставляются в отверстия в ответном гнезде. Соединение между сопрягаемыми металлическими частями должно быть достаточно плотным, чтобы обеспечить хорошее электрическое соединение и замыкание цепи. Альтернативный тип подключения вилки и розетки использует гиперболоидные контакты , что обеспечивает более надежное электрическое соединение. При работе с многополюсными разъемами полезно иметь схему выводов , чтобы идентифицировать провод или узел цепи, подключенный к каждому контакту.

Некоторые типы разъемов могут сочетать типы разъемов и контактов в одном устройстве, называемом гермафродитным разъемом . Эти соединители включают в себя сопряжение как с охватываемым, так и с охватывающим контактом, с использованием дополнительных парных идентичных частей, каждая из которых содержит как выступы, так и углубления. Эти сопрягаемые поверхности устанавливаются в идентичные фитинги, которые легко стыкуются с любыми другими, независимо от пола (при условии, что размер и тип совпадают).

Иногда на обоих концах кабеля используются разъемы того же типа, как во многих соединительных кабелях Ethernet . В других случаях два конца имеют разные оконечные устройства: либо вилкой, либо розеткой одного и того же разъема (как в удлинительном шнуре ), либо несовместимыми разъемами, которые иногда называют переходным кабелем .

Вилки и розетка широко используются в различных системах разъемов , включая разъемы отвала, макеты , XLR разъемы , автомобиль розетки питания , банановые разъемы и телефонные разъемы .

Разъемы и вилки

Мужской джек

Гнездо представляет собой разъем , который устанавливается на поверхности переборки или шкаф, и сопрягается с ее обратным, в вилке . Согласно Американскому обществу инженеров-механиков , стационарный (более фиксированный) разъем пары классифицируется как разъем (обозначается J), обычно присоединяемый к части оборудования, например, к разъему для монтажа на шасси или на панели. Подвижный (менее фиксированный) разъем классифицируется как вилка (обозначается P), предназначенная для присоединения к проводу, кабелю или съемному электрическому узлу. Это соглашение в настоящее время определено в ASME Y14.44-2008, который заменяет IEEE 200-1975 , который, в свою очередь, является производным от давно отмененного MIL-STD-16 (с 1950-х годов), подчеркивая наследие этого соглашения об именах разъемов. IEEE 315-1975 работает вместе с ASME Y14.44-2008 для определения разъемов и вилок.

Термин « домкрат» встречается в нескольких связанных терминах:

• Зарегистрированный разъем или модульный разъем в RJ11, RJ45 и другие аналогичные разъемы используются для телекоммуникационных и компьютерных сетей
• Телефонный разъем ручных телефонных коммутаторов , который является гнездо установки оригинального 1 / 4 дюйма (6,35 мм) телефонный разъем
• 1 / 4 дюйма (6,35 мм) джек общей для многих электронных применений в различных конфигурациях, иногда называют гнездом для наушников
• RCA разъем , также известный как гнездо звукоснимателя , общая для потребителей аудиовизуальной электроники
• Разъем EIAJ для бытовой техники , требующего питание менее 18,0 вольт

Обжимные соединители

Обжимаем провод и разъем вместе с помощью обжимного инструмента.

Обжимные соединители - это тип соединения без пайки, в котором используется механическое трение и равномерная деформация для закрепления соединителя на предварительно зачищенном проводе (обычно многожильном). Обжим используется в соединителях сращивания , гофрированных многополюсных вилках и розетках, а также в гофрированных коаксиальных соединителях. Для обжима обычно требуется специальный инструмент для обжима, но соединители быстро и легко устанавливаются и являются распространенной альтернативой паяным соединениям или соединителям смещения 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 упругому элементу в гофрированных соединениях они обладают высокой устойчивостью к вибрации и тепловым ударам .

Обжимные контакты постоянны (т. Е. Разъемы и концы проводов не подлежат повторному использованию).

Обжимные штекерные разъемы можно разделить на задний или передний . Это относится к стороне разъема, на которой закреплены штыри:

• Передние размыкающие контакты освобождаются от передней (контактной стороны) разъема и снимаются с задней. Инструмент для снятия сцепляется с передней частью контакта и проталкивает его к задней части разъема.
• Задние размыкающие контакты освобождаются и удаляются с задней части (со стороны проводов) разъема. Инструмент для снятия освобождает контакты сзади и вытягивает контакт из держателя.

Паяные разъемы

Многие вилки и розетки прикрепляются к проводу или кабелю путем пайки проводников к электродам на задней стороне разъема. Паяные соединения в соединителях являются прочными и надежными, если они выполнены правильно, но, как правило, они выполняются медленнее, чем соединения с обжимом. Когда провода должны быть припаяны к задней части разъема, часто используется обратная оболочка для защиты соединения и снятия напряжения. Предусмотрены металлические емкости для припоя или чашки для припоя , которые состоят из цилиндрической полости, которую установщик заполняет припоем перед вставкой провода.

При создании паяных соединений возможно расплавление диэлектрика между контактами или проводами. Это может вызвать проблемы, потому что теплопроводность металлов вызывает быстрое распространение тепла по кабелю и соединителю, а когда это тепло расплавляет пластиковый диэлектрик, это может вызвать короткое замыкание или «расширяющуюся» (коническую) изоляцию. Паяные соединения также более подвержены механическим повреждениям, чем гофрированные соединения, когда они подвергаются вибрации и сжатию.

Соединители смещения изоляции

Поскольку снятие изоляции с проводов занимает много времени, во многих разъемах, предназначенных для быстрой сборки, используются разъемы со смещением изоляции, которые разрезают изоляцию при вставке провода. Обычно они имеют форму вилкообразного отверстия в выводе, в которое вдавливается изолированный провод, который прорезает изоляцию и контактирует с проводником. Чтобы эти соединения надежно выполнялись на производственной линии, специальные инструменты точно контролируют силы, прилагаемые во время сборки. В небольших масштабах эти инструменты, как правило, стоят больше, чем инструменты для обжимных соединений.

Соединители смещения изоляции обычно используются с небольшими проводниками в сигнальных целях и при низком напряжении. Силовые проводники с током более нескольких ампер более надежно оконцовываются другими средствами, хотя напрессованные соединители с «горячей точкой» находят некоторое применение в автомобильной промышленности в качестве дополнения к существующей проводке.

Типичным примером является многожильный плоский ленточный кабель, используемый в дисководах компьютеров; подключение каждого из множества (примерно 40) проводов по отдельности будет медленным и подверженным ошибкам, но соединитель смещения изоляции может заделать все провода одним действием. Еще одно очень распространенное применение - это так называемые punch-down блоки, используемые для оконечной нагрузки неэкранированной витой пары .

Крепежные штыри на двухканальном громкоговорителе

Обязательные сообщения

Контактные штыри представляют собой однопроводный метод подключения, при котором зачищенный провод прикручивается или зажимается к металлическому электроду. Такие разъемы часто используются в электронном тестовом оборудовании и аудио. Многие столбики для привязки также подходят для банановых пробок .

Винтовые клеммы

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 проводе. Их можно использовать для соединения нескольких проводников, для подключения проводов к печатной плате или для подключения кабеля к вилке или розетке. Зажимной винт может действовать по продольной оси (параллельно проволоке) или поперечной оси (перпендикулярно проволоке), или по обоим направлениям. Некоторые недостатки заключаются в том, что подключать провода сложнее, чем просто вставить кабель, а винтовые клеммы обычно не очень хорошо защищены от контакта с людьми или посторонними проводящими материалами.

Клеммные колодки различных типов

Клеммные колодки (также называемые концевые плиты или полосы ) обеспечивают удобные средства подключения отдельных электрических проводов без сращивания или физически соединения концов. Поскольку клеммные колодки доступны для широкого диапазона размеров проводов и количества клемм, они являются одним из наиболее гибких типов электрических разъемов. К клеммным колодкам одного типа можно подключать провода, подготовленные только путем снятия изоляции с конца на небольшом участке. Другой тип, часто называемый барьерными полосами , предназначен для проводов с кольцевыми или плоскими наконечниками, обжатыми на проводах.

Печатная плата (ПП) установлены винтовые клеммы позволить отдельные провода подключения к печатной плате с помощью проводов припаяны к плате.

Кольцевые и лопаточные соединители

Кольцевые соединители для обжима концов проводов

Разъемы в верхнем ряду изображения известны как кольцевые клеммы и плоские клеммы (иногда называемые вилочными или разъемными кольцевыми клеммами). Электрический контакт обеспечивается плоской поверхностью кольца или лопаты, а механически они крепятся, пропуская через них винт или болт. Форм-фактор плоской клеммы облегчает выполнение соединений, поскольку винт или болт можно оставить частично завинченным при снятии или установке плоской клеммы. Их размеры можно определить по толщине токопроводящего провода, а также по внутреннему и внешнему диаметрам.

Разъемы для лезвий

Разъемы лезвия (нижняя половина фото). Кольцевые и лопаточные клеммы (верхняя половина). Пулевые клеммы, папа и мама (справа по центру, с синими проводами)

Разъем лезвия представляет собой тип одиночного провода, соединительное устройство подключи и гнездо , используя плоское проводящее лезвие (разъем) , который вставлен в приемник. Провода обычно присоединяются к клеммам разъема типа « папа» или « мама» путем обжима или пайки . Доступны изолированные и неизолированные разновидности. В некоторых случаях лезвие является неотъемлемой частью компонента (например, переключателя или динамика), и вывод ответного разъема вставляется в вывод разъема устройства.

Другие способы подключения

• Зажимы типа « крокодил» (крокодил) - токопроводящие зажимы, используемые для временных соединений, например, соединительные кабели.
• Межплатные разъемы - например, разъемы на краю карты или мезонинные разъемы FPGA.
• Накручивающиеся соединители для проводов (например, гайки) - используются в низковольтных силовых цепях для проводов сечением примерно до 10 AWG.
• Обмотка проводов - используется в старых печатных платах

Смотрите также

Разъемы

использованная литература

Общий

• Форман, Крис, «Дизайн звуковой системы», Руководство для звукорежиссеров , третье издание, Глен М. Баллоу, изд., Elsevier Inc., 2002, стр. 1171–72.

внешние ссылки

СМИ, связанные с электрическими разъемами, на Викискладе?