การเข้าใจว่าการติดต่อที่มีคุณภาพสูงจะเพิ่มผลงานของเครื่องเชื่อมหลายปินอย่างไร

ตัวเชื่อมต่อเป็นอุปกรณ์เชื่อมต่อทางกลและไฟฟ้าที่สำคัญระหว่างส่วนต่างๆ ของระบบหรือระหว่างระบบกับโลกภายนอก การเลือกประเภทตัวเชื่อมต่อขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ รวมถึงข้อกำหนดทางไฟฟ้าและเครื่องกล มาตรฐานอุตสาหกรรม การใช้งานและการผลิต จำนวนและประเภทของหน้าสัมผัส สถานการณ์การผสมพันธุ์และแบบไม่ผสมพันธุ์ เป้าหมายความน่าเชื่อถือ และข้อกำหนดด้านกฎระเบียบ อย่างไรก็ตาม ตัวตัวเชื่อมต่อ D-Sub (ชนิด D ขนาดเล็กพิเศษ) แบบคลาสสิกมีการใช้งานมานานหลายทศวรรษ และยังคงเป็นตัวเชื่อมต่อที่ต้องการสำหรับการใช้งานจำนวนมาก

แม้ว่ารูปแบบตัวถังและการจัดเรียงหน้าสัมผัสของขั้วต่อดึงดูดความสนใจได้มาก แต่หน้าสัมผัสเองก็มีผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพทางไฟฟ้าและทางกลของขั้วต่อ เนื่องจากการออกแบบมีความซับซ้อนมากขึ้นและข้อกำหนดการใช้งานก็สูงขึ้น นักออกแบบจำเป็นต้องเข้าใจนวัตกรรมล่าสุดในเทคโนโลยีการสัมผัสเพื่อให้เป็นไปตามมาตรฐานและข้อกำหนดที่สอดคล้องกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแง่ของความทนทาน แรงแทรกและแรงยึด ความต้านทานต่อการสัมผัส และความทนทานต่ออุณหภูมิ

บทความนี้ให้ภาพรวมโดยย่อเกี่ยวกับแนวโน้มการพัฒนาตัวเชื่อมต่อ โดยเน้นที่เหตุผลในการใช้ตัวเชื่อมต่อ D-sub อย่างต่อเนื่อง จากนั้น ได้มีการแนะนำหน้าสัมผัสขั้นสูงของ Amphenol Positronic และสาธิตวิธีการใช้งานเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของตัวเชื่อมต่อ

USB、 ความสำคัญของตัวเชื่อมต่อ Ethernet และ D-sub
แม้ว่าการใช้อินเทอร์เฟซ RS-232 แบบดั้งเดิมจะลดลง และมีขั้วต่อ USB และอีเทอร์เน็ตเวอร์ชันต่างๆ เกิดขึ้น แต่ขั้วต่อ D-sub 9 พินแบบคลาสสิก (หรือที่รู้จักกันทั่วไปในชื่อ DB-9) และขั้วต่ออื่นๆ ในซีรีส์ขั้วต่อ D-sub ที่กว้างขึ้น ยังคงมีบทบาทสำคัญในการสื่อสารระบบอิเล็กทรอนิกส์ มีเหตุผลหลายประการสำหรับการใช้งานอย่างต่อเนื่อง แม้ว่า USB และอีเทอร์เน็ตจะสามารถตอบสนองความต้องการในการเชื่อมต่อระหว่างกันได้มากมาย แต่ประเภทตัวเชื่อมต่อที่ใช้กันอย่างแพร่หลายทั้งสองชนิดนี้เป็นอินเทอร์เฟซแบบอนุกรมมากกว่าอินเทอร์เฟซแบบหลายสาย สามารถส่งข้อมูลและกำลังไฟไปพร้อมๆ กัน แต่มีข้อจำกัดที่เข้มงวดเกี่ยวกับประเภทสัญญาณ ค่าแรงดันและกระแสสูงสุด และกำลังพิกัด

ในแง่ของการออกแบบ USB และอีเธอร์เน็ตไม่สามารถจัดการกับสัญญาณที่ไม่เกี่ยวข้องหลายสัญญาณหรือรูปแบบที่แตกต่างกัน เช่น อินเทอร์เฟซที่มีเส้นทางการติดต่อแบบขนานหลายเส้นทางได้อย่างมีประสิทธิภาพ ข้อควรพิจารณาที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือ การออกแบบการเชื่อมต่อ USB และอีเทอร์เน็ตมาตรฐานไม่ตรงตามระดับความสมบูรณ์ทางกลและไฟฟ้าและความทนทานที่ต้องการในหลายกรณี

ด้วยเหตุผลเหล่านี้และเหตุผลเหล่านั้น ตัวเชื่อมต่อ D-sub จึงยังคงใช้กันอย่างแพร่หลาย การออกแบบภายนอกประเภทนี้เกิดขึ้นในช่วงต้นทศวรรษ 1950 และมีข้อดีหลายประการ มีฟังก์ชันป้องกันการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และการรบกวนด้วยคลื่นความถี่วิทยุ (RFI) อย่างสมบูรณ์ ทำให้มีตัวเครื่องที่ปิดสนิทหรือเกือบจะปิดสนิท พร้อมด้วยโครงสร้างทางกลที่แข็งแกร่ง และชิ้นส่วนเชื่อมต่อทั้งสองชิ้นสามารถล็อคเข้าด้วยกันได้โดยใช้ลวดด้านบนขนาดเล็ก ตัวตัวเชื่อมต่อ D-sub หรือตัวเรือนมีขนาดมาตรฐานอย่างน้อยหกขนาด ซึ่งให้ตัวเลือกที่ยืดหยุ่นสำหรับตำแหน่งและประเภทของพินหน้าสัมผัสทางไฟฟ้า นอกเหนือจากการจัดเตรียมตัวเรือนตัวเชื่อมต่อที่มีหน้าสัมผัสประเภทเดียวกันที่ตำแหน่งพินทั้งหมดแล้ว D-sub "Combo-D" ยังรองรับการผสมสัญญาณอิสระและหน้าสัมผัสกำลังไฟภายในตัวเรือนตัวเชื่อมต่อเดียว (รูปที่ 1 ด้านบน)

รูปภาพสไตล์ตัวเชื่อมต่อขนาดเล็กพิเศษ Combo-D (คลิกเพื่อดูภาพขยาย)
รูปที่ 1: ตัวเชื่อมต่อขนาดเล็กพิเศษ Combo-D รองรับการรวมสัญญาณและพาธพลังงานหลายแบบ (ดังแสดงในรูป) ขั้วต่อ D-sub ใช้ขนาดตัวเรือนมาตรฐานและการจัดเรียงหน้าสัมผัส (ดังแสดงในรูปด้านล่าง) (แหล่งรูปภาพ: Amphenol Positronic)

D-sub ตัวเดียวสามารถรองรับการจัดเตรียมมิกซ์แอนด์แมตช์มาตรฐานได้หลากหลาย (รูปที่ 1 ด้านล่าง) นำเสนอเวอร์ชันความหนาแน่นมาตรฐานแบบสองแถวและแบบสามแถวความหนาแน่นสูง พร้อมด้วยตัวเลือกสัญญาณ กำลังไฟ ระบบป้องกัน ไฟฟ้าแรงสูง เทอร์โมคัปเปิล และหน้าสัมผัสไฟเบอร์ออปติก

นวัตกรรมด้านเทคโนโลยีการติดต่อ
ข้อดีของปลอก D-sub คือโครงเรื่องสำคัญในเรื่องของตัวเชื่อมต่อ และหน้าสัมผัสทางไฟฟ้าและคุณสมบัติของตัวเชื่อมต่อยังเป็นกุญแจสำคัญในการประกอบตัวเชื่อมต่อให้ประสบความสำเร็จอีกด้วย ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา เทคโนโลยีการสัมผัสได้ทำการปรับปรุงหลายอย่างในด้านวัสดุ การออกแบบ คุณสมบัติทางไฟฟ้าและทางกล

ซึ่งรวมถึงเทคโนโลยีการสัมผัส PosiBand ที่ได้รับสิทธิบัตรของ Amphenol Positronic (สิทธิบัตรสหรัฐอเมริกา เลขที่ 7115002) PosiBand ใช้การออกแบบหน้าสัมผัสที่เป็นนวัตกรรมใหม่ ซึ่งแตกต่างจากการออกแบบแบบดั้งเดิม และให้ประสิทธิภาพที่สูงกว่าในพารามิเตอร์หลักหลายตัว

องค์ประกอบแรงดันภายนอก PosiBand ได้รับการออกแบบมาเพื่อแยกการทำงานทางกลและทางไฟฟ้าของการเชื่อมต่อออกจากกันอย่างสมบูรณ์ (รูปที่ 2) องค์ประกอบแรงดันใช้แรงกดหมุดตัวผู้ไปทางช่องภายใน ทำให้เกิดเส้นหน้าสัมผัสไฟฟ้าโดยตรงยาว จึงเป็นการดำเนินการทางกลอย่างสมบูรณ์ ความยาวของสายหน้าสัมผัสสามารถเปลี่ยนแปลงได้ ช่วยให้นักออกแบบสามารถปรับความต้านทานอินเทอร์เฟซของการเชื่อมต่อได้อย่างเหมาะสม โครงสร้างทรงกลมที่แข็งแรงและไม่เสียหายที่ทางเข้าสามารถเสริมความทนทานทางกลของหน้าสัมผัสได้

Amphenol Positronic PosiBand ใช้ภาพการออกแบบที่ได้รับการจดสิทธิบัตร (คลิกเพื่อดูภาพขยาย)
รูปที่ 2: PosiBand ใช้การออกแบบที่ได้รับการจดสิทธิบัตรซึ่งแยกการทำงานทางกลและทางไฟฟ้าของการเชื่อมต่อ (แหล่งรูปภาพ: Amphenol Positronic)

คลิปสปริงภายใน PosiBand (รูปที่ 3 ซ้าย) เป็นส่วนประกอบที่มีขนาดเล็กแต่มีความสำคัญในการประกอบ และเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงาน แผ่นโลหะผสมทองแดงเบริลเลียมที่ยืดหยุ่นนี้สามารถสร้างแรงตามปกติบนหน้าสัมผัสตัวผู้ จึงทำให้การยึดเกาะหน้าสัมผัสแน่นหนาและเชื่อถือได้ (รูปที่ 3 ขวา) ในขณะเดียวกัน แม้จะตอบสนองหรือเกินข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพ แต่ก็สามารถลดแรงแทรกโดยเฉลี่ยได้เช่นกัน

คลิปสปริง Amphenol Positronic PosiBand (ซ้าย) แสดงภาพแรงปกติในพื้นที่สัมผัส (ขวา)
รูปที่ 3: คลิปสปริง PosiBand (ซ้าย) ให้แรงตั้งฉากในพื้นที่สัมผัส (ขวา) เพื่อเพิ่มพื้นที่สัมผัสของพื้นผิวการจับคู่ทางไฟฟ้าให้สูงสุด (แหล่งรูปภาพ: Amphenol Positronic)

หน้าสัมผัสฐาน PosiBand ทำจากทองเหลือง และมีประสิทธิภาพดีเยี่ยมในการย้ำสายไฟเข้ากับหน้าสัมผัส นอกจากนี้ยังขจัดความจำเป็นในการอบอ่อนวัสดุ ซึ่งไม่เพียงเพิ่มต้นทุน แต่ยังอาจทำให้เกิดปัญหาระยะยาวหากไม่ได้รับการจัดการอย่างเหมาะสมในระหว่างกระบวนการผลิต

เมื่อเปรียบเทียบกับการออกแบบหน้าสัมผัสแบบเดิม ระบบ PosiBand ยังเพิ่มพื้นที่หน้าสัมผัสระหว่างหน้าสัมผัสตัวผู้และตัวเมีย จึงทำให้มีความสมบูรณ์ทางไฟฟ้าที่เชื่อถือได้มากขึ้น ในระดับจุลภาค มีทางเดินไฟฟ้าผ่านส่วนติดต่อแบบสัมผัสมากขึ้น การเพิ่มพื้นที่สัมผัสจะช่วยลดโอกาสที่จะไม่ต่อเนื่องระหว่างการสั่นสะเทือน

ตรงกันข้ามกับสัญชาตญาณ ระบบ PosiBand ให้พื้นที่สัมผัสที่ใหญ่ขึ้นโดยไม่เพิ่มแรงในการแทรก ในทางตรงกันข้าม การออกแบบ PosiBand ให้แรงการแทรกที่สม่ำเสมอมากกว่า จึงช่วยลดแรงการแทรกโดยเฉลี่ย

ผลิตภัณฑ์ Positronic ได้เข้าสู่ Qualified Product List (QPL) ของ United States Department of Defense Logistics Agency (DLA) ซึ่งหมายความว่าผลิตภัณฑ์เหล่านี้มีคุณสมบัติตรงตามข้อกำหนด รวมถึงการระบุผลิตภัณฑ์ คุณสมบัติ และการทดสอบการตรวจสอบตามระยะเวลาที่เกี่ยวข้อง PosiBand เป็นไปตามข้อกำหนดเฉพาะ SAE AS3902 และ MIL-DTL-24308 และยังตรงตามข้อกำหนดการทดสอบการแยกหน้าสัมผัส 40 กรัมที่สูงกว่าของ GSFC S-311-P4/08 และ GSFC S-311-P4/10

ขนาดสัมผัสและความต้านทาน
หน้าสัมผัส PosiBand ใช้ขนาดมาตรฐาน 20 และ 22 แบบแรกใช้ได้กับสาย American Wire Gauge (AWG) 20, 22 และ 24 ในขณะที่แบบหลังใช้ได้กับสาย AWG 22, 24, 26, 28 และ 30

ความต้านทานสูงสุดของหน้าสัมผัส 22 คือ 0.005 โอห์ม (Ω) ในขณะที่ความต้านทานหน้าสัมผัส 20 ที่สอดคล้องกันคือ 0.004 โอห์ม เนื่องจากความต้านทานการสัมผัสต่ำ การสูญเสีย I2R จึงมีน้อย ส่งผลให้มีความร้อนในตัวเองต่ำ ซึ่งทำให้นักออกแบบมีโอกาสใช้หน้าสัมผัส 22 และ 20 สำหรับแหล่งจ่ายไฟ

วิศวกรบางคนไม่เข้าใจคุณลักษณะทางความร้อนของหน้าสัมผัส หรือพิจารณาเฉพาะปัจจัยนี้ในขั้นตอนหลังของการออกแบบและเลือกตัวเชื่อมต่อเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ความร้อนยังคงเป็นปัจจัยสำคัญในการประเมินตัวเชื่อมต่อและประสิทธิภาพของระบบ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นและความสัมพันธ์ปัจจุบันของหน้าสัมผัส PosiBand 20 (รูปที่ 4 ด้านบน) และ 22 (รูปที่ 4 ด้านล่าง) มีความสอดคล้องกันอย่างสมบูรณ์ภายใต้การกำหนดค่าหน้าสัมผัสที่แตกต่างกัน