Специальные коннекторы для проводов и кабелей


Когда необходимо выполнить соединения между модулями или отдельными элементами радиосхем, на ум приходит десяток стандартных коннекторов. Но не всегда они справляются с делом, особенно со специальными или военными задачами. На самом деле предложение коннекторов — очень разнообразная и динамично развивающаяся область рынка электронных компонентов. Привыкнув к определенному набору известных и наиболее часто используемых типов разъемов проектировщики часто забывают, что под рукой имеются другие крайне интересные, хотя и менее популярные решения, избавляющие от ряда различных технических проблем. Так давайте рассмотрим продукты из группы гибко конфигурируемых модульных разъемов и микроразъемов, предназначенных для схем с высокими требованиями к миниатюризации.

Цель статьи — показать, что хотя многие производители предлагают услуги по проектированию и производству нетиповых разъемов в соответствии с потребностями клиентов, даже в особо сложных случаях можно обойтись без таких дорогостоящих деталей, используя предложение компонентов, доступных в обычной продаже.

Гибридные разъемы

Гибридные соединители — это все решения, объединяющие элементы, предназначенные для передачи различных типов электрических и оптических сигналов с различными параметрами (а также среды), и которые, согласно стандартному подходу к проектированию, потребовали бы использования двух или более обычных разъемов. Чтобы лучше понять идею разработчиков гибридных соединительных систем, давайте попробуем перечислить некоторые из наиболее важных типов устройств, с которыми имеем дело в повседневной практике.

  • Мощность – в большинстве случаев по линиям электропередач требуется передача тока во много раз большего, чем по другим сигнальным и управляющим соединениям, а напряжения также выше. В случае многоконтурных разъемов смонтированных на печатной плате (например, FCC ZIF), для увеличения силы тока часто используется прием, заключающийся в использовании нескольких контактов питания и заземления, но в случае круглых или прямоугольных разъемов такое решение оказывается гораздо менее полезным – было бы трудно изящно и надежно соединить толстый провод с группой из нескольких тонких штырьков. Гораздо лучшим решением является использование одиночных контактов большего сечения и соответствующих кабелей для них.
  • Заземление – к заземляющим (зануляющим) линиям предъявляются дополнительные требования – во многих случаях крайне желательно чтобы при вставке вилки в розетку это соединение производилось до контакта между остальными проводами, а при отключении обоих элементов – должно отстегиваться в последнюю очередь. Самый простой, и в то же время эффективный и надежный способ выполнить это требование — удлинить заземляющий контакт и поставить его перед лицевой стороной других штырей — такое решение используется во многих промышленных соединителях, в USB-разъемах – хотя в последнем случае и заземление, и питание (VBUS) обеспечивает правильную инициализацию и завершение передачи данных.
  • Сигнальные линии – для передачи множества цифровых или аналоговых сигналов одновременно, они более тонкие, но с достаточно многочисленными контактами. Поэтому в случае с гибридными разъемами неудивительны блоки с несколькими десятками маленьких штырьков, расположенных в двумерной матрице.
  • Высокоскоростные РЧ линии – для передачи высокоскоростных цифровых и радио (РЧ) сигналов необходимо использовать линии со строго контролируемым сопротивлением. Для этой цели чаще всего используются коаксиальные разъемы, хотя в случае дифференциальных пар лучшим решением может быть использование специального двухштырькового твинаксиального разъема, также имеющий хорошо выраженную характеристику.
  • Оптические сигналы – помимо передачи сигналов в электрической форме оптические системы также нашли широкое применение в электронике. Передача информации по оптоволокну обеспечивает очень высокую пропускную способность и полную невосприимчивость к электромагнитным помехам — недостижимую в обычных кабелях даже при использовании многоуровневого экранирования. Простейшим примером применения являются оптические аудиолинии (TOSLINK), да и оптоволоконные линии охотно используются везде, где прокладка электрического провода по каким-либо причинам была бы очень дорогой, сложной или даже невозможной.
  • Жидкие и газообразные среды – многие военные, промышленные, научные или медицинские устройства требуют передачи – помимо электрических сигналов – также жидких сред (жидкостей), сжатых газов или вакуума. В некоторых устройствах требуется полное разделение обоих путей (электрического и пневматического), хотя бы из-за требований стерилизации (в случае медицинских устройств или схем, предназначенных для фармацевтики). Данная среда (например, сжатый воздух) не требует таких сложных процедур и может быть успешно передана через соединение с электрикой – но возникает проблема, как это сделать?

Гибридные разъемы пригодятся и тут, позволяя использовать одну пару разъем-штекер, которая будет обрабатывать все типы сигналов или носителей, требуемых проектом. А компоненты, принадлежащие к этой категории, можно разделить еще на 3 подгруппы.

Готовые коннекторные решения

Если количество необходимых пинов и их тип позволяют, хорошим выходом может стать использование готового гибридного разъема. Каталоги производителей содержат сотни таких решений, охватывающих различные конфигурации определенных повторяющихся секций – ниже приведены некоторые типичные примеры.

Специальные коннекторы для проводов и кабелей
Гибридный сигнально-коаксиальный разъем Signal-Origin в корпусе типа D-SUB (тип XHY-05-2220)

Смешанные разъемы D-Sub – при просмотре предложений производителей разъемов складывается правильное впечатление, что стандарт D-Sub особенно охотно используется не только для построения типовых, популярных компонентов, предназначенных для промышленных, IT, военных или медицинских систем, но также и как база для создания причудливых гибридных вариаций. Некоторые компании внедряют обширные системы смешанных разъемов с размерами и формой корпуса, полученными из обычных компонентов D-Sub, но с изолирующими вставками с прямыми штыревыми секциями «аналогово-цифровые», коаксиальными разъемами и даже сильноточными контактами.

Специальные коннекторы для проводов и кабелей
Гибридный разъем сигнал-питание в корпусе типа D-SUB (тип XHY-05-2401)

Мультикоаксиальные разъемы позволят сократить конструкцию и упростить эксплуатацию схем, использующих большое количество стандартных (одиночных) коаксиальных разъемов. Хорошим примером здесь служат различные системы, предназначенные для научных целей (быстрый сбор данных по многим каналам) или телекоммуникации — ведь насколько обременительным и подверженным ошибкам оператора будет осмотр или обслуживание системы, в которой несколько десятков обычных разъемов будут использоваться коаксиально (например, BNC или SMA).

Использование соединителей, содержащих множество секций в общем корпусе и подключаемых/отключаемых за одну операцию, является большим подспорьем для проектировщиков и пользователей таких систем. Отличным примером компонентов из обсуждаемой группы являются – опять же расположенные в корпусе D-SUB – разъемы семейств MDCX и MDHC марки Smiths Interconnect – в зависимости от выбранного исполнения эти элементы могут работать с сигналами с полосе до 40 ГГц и при напряжении до 125 В (на частоте 5 МГц).

Специальные коннекторы для проводов и кабелей
Многосекционные миниатюрные коаксиальные разъемы в корпусах D-SUB от Smiths Interconnect

Характеристическое сопротивление одной секции составляет стандартные 50 Ом. Разъемы доступны в версиях с 2, 4, 6, 8 или 10 независимыми сигнальными путями, а расстояние, измеренное между центрами соседних секций, составляет 176 мил. Этот же производитель также разработал аналогичные 100- и 150-омные разъемы с твинаксиальными секциями.

Специальные коннекторы для проводов и кабелей
Многосекционные твинаксиальные разъемы Smiths Interconnect

Разъемы Fibre Channel предназначены для использования в сверхбыстрых компьютерных сетях, в основном используемых в коммерческих центрах обработки данных и серверных, где требуется особо высокая пропускная способность. Разъемы Smiths Interconnect содержат 2, 4, 6 или 8 секций и могут передавать данные со скоростью до 6 Гбит/с; выдерживают даже 1000 циклов переключения, а их волновое сопротивление до 150 Ом.

Специальные коннекторы для проводов и кабелей
Двойные коннекторы Quadrax, предназначенные для сетей Fibre Channel

Частично настраиваемые коннекторы

Другая группа компонентов — это разъёмы которые занимают промежуточное положение между полностью гибкими конфигурируемыми решениями и готовыми коннекторами. Интересное предложение в этой области рынка представила компания Harwin, представив серию соединителей М80 с унифицированными изолирующими корпусами и сменными контактными вставками. Например, разъем М80-4С10842Ф2-02-307-00-000 содержит 2 коаксиальные дорожки и 8 стандартных сигнальных контактов в более плотном растре, при использовании того же корпуса – М80-4С10842Ф2-02-326-00 модель -000 «преобразовывает» ВЧ-секции в мощные контакты, поддерживая одножильные кабели сечением до 14AWG (2 мм2).

Еще одним примером разъемов относящихся к этой категории являются компоненты серии SGH от Valentini. Эти прочные круглые разъемы с байонетным креплением включают в себя не только набор твинаксиальных пар (для соединений Ethernet), но и дополнительную центральную вставку, содержащую 3/5 контактов питания или 12 сигнальных контактов для передачи DMX/AES (хотя возможно подключение отверстие вставки без контактов). Серия в основном предназначена для сценического применения.

Специальные коннекторы для проводов и кабелей
Коннектор из серии SGH от Valentini

Полностью настраиваемые разъемы

Гибридные коннекторы с полностью настраиваемой структурой — безусловно самая гибкая и разнообразная группа. Правда и в этом случае имеем дело с некой системой готовых, унифицированных корпусов и всех предназначенных для них комплектующих (прокладок, сальников, механических элементов и других), но самая важная часть соединения – изолирующая вставка с контактами и возможными пневматическими или гидравлическими разъемами – собирается пользователем из блоков. Такая конструкция дает значительную свободу в выборе количества и типа соединений, благодаря чему одна пара вилка-розетка может одновременно обрабатывать все типы сигналов.

Полезное:  Распиновка монтажных блоков автомобилей ВАЗ
Специальные коннекторы для проводов и кабелей
Конструкция пары коннекторов из системы Han-Modular

Флагманским примером конфигурируемых модульных соединителей является серия Harting Han-Modular. Типовая пара соединителей состоит из вилки с герметиком, размещенной в металлическом корпусе со съемной рамкой для монтажа контактных модулей, и розетки с корпусом, привинченным к панели (также в варианте с кабельными вводами или с подключением от внутренней части корпуса) и с помощью аналогичной системы крепления.

Специальные коннекторы для проводов и кабелей
Пример конфигурации разъема Han-Modular с 3 сигнальными секциями, одной секцией с выводами большего сечения и соединениями Ethernet и USB

Ассортимент доступных в настоящее время соединительных модулей поистине внушителен и включает как мощные контакты на 200 А / 1000 В, так и крепления для патчкордов и кабелей FireWire, разъемы USB, круглые разъемы Quintax и коаксиальные разъемы с частотой до 500 МГц и сопротивлением 50 или 75 Ом, а также обычные вставки D-Sub, высоковольтные модули с изоляцией до 5000 В и многоконтактные сигнальные модули с количеством контактов до 42. Интересно, что существовали и «интеллектуальные» модули ID CAN, обеспечивающие встроенную память емкостью до 10 МБ и пропускную способность CAN-шины 1 Мбит/с. Кроме того, доступны многомагистральные пневматические муфты с усилием до 10 бар. На фото далее показаны два примера соединителей Han-Modular диаметрально разных конфигураций.

Специальные коннекторы для проводов и кабелей
Han-Modular: несколько силовых секций, растровая сигнальная, D-SUB 9 и пневматическая двойная (синий корпус)

Стоит отметить что компания Harting также разработала модульную серию Han-Eco, совместимую по размерам версию флагманской модульной серии, но с использованием пластиковых корпусов разъемов.

Специальные коннекторы для проводов и кабелей
Пара модульных разъемов в пластиковых корпусах — Han-Eco® Modular от Harting

Схожие решения внедряют и другие производители. Компания Staubli разработала две собственные серии модульных соединителей: CombiTac uniq и CombiTac direqt. Первый из них — наиболее технологичный — одновременно поддерживает силовые соединения, передачу цифровых/аналоговых сигналов, передачу данных и радиосигналов (РЧ) по коаксиальным участкам, а также — что интересно и достаточно уникально — оптоволоконные соединения. Более того, некоторые модули позволяют подключать термопары (через специальные пары компенсирующих контактов), а другие поддерживают транспортировку сжатых газов и жидкостей.

Есть даже 5-киловольтовые высоковольтные контакты, 300-амперные сильноточные соединения и твинаксиальные модули, рассчитанные на передачу данных на скоростях до 10 Гбит. Специальные контакты, расположенные по бокам корпуса, позволяют контролировать состояние соединения розетки с вилкой и, в отличие от ранее описанных заземляющих контактов, соединяются друг с другом в последнюю очередь, а разъединяются – в первую. Это решение позволяет конструкторам получить полный контроль над процессом соединения двух частей устройства, что позволяет значительно повысить надежность всей системы.

Специальные коннекторы для проводов и кабелей
Коннектор из серии Staubil CombiTac uniq™ с описанием образцов модулей

Пример разъема с описанием отдельных секций показан выше, он позволяет значительно повысить надежность всей системы.

Субминиатюрные разъемы

В точных, маленьких разъемах с плотным шагом, сегодня нет ничего удивительного – портативные и носимые устройства, компьютеры или фотоаппараты и видеокамеры широко используют небольшие сигнальные разъемы для межплатных соединений и внутренней проводки с печатной платой. Но стоит помнить, что в некоторых устройствах необходимо использовать миниатюрные варианты этих штекеров и гнезд, которые в обычных условиях используются скорее для внешних подключений.

Коаксиальные микроразъемы

В повседневной практике встречаются популярные миниатюрные коаксиальные разъемы u.FL. Например, трудно было бы найти современные, маленькие радиомодули – ISM, Bluetooth, Wi-Fi или GPS – которые работали бы с внешней антенной через разъем, отличный от u.FL. Но иногда может оказаться что этих компактных компонентов с размерами основания 3 х 3 мм и высотой (после подключения кабеля) 2,5 мм недостаточно — либо по механическим причинам (устойчивость к вибрациям), либо частота (верхний предел полосы пропускания) или окружающая среда (герметичность). На помощь приходят производители, специализирующиеся на выпуске сверхминиатюрных ВЧ-разъемов.

Специальные коннекторы для проводов и кабелей
Миниатюрный коаксиальный разъем для панельного монтажа из серии 0,9 мм SuperMini производства Southwest Microwave

Компания Southwest Microwave представила серию разъемов SuperMini диаметром 0,9 мм с диапазоном частот до 67 ГГц. доступны в версиях для монтажа на панель корпуса и пайки непосредственно на печатной плате (вертикально и встык). Диаметр резьбы М2,5 и габаритные размеры основания для «пластинчатого» варианта, показанного на фото ниже, составляют 5 х 5 мм.

Микро-разъемы Micro-D и Nano-D

При описании гибридных разъемов заметна популярность стандарта D-Sub в современной электронике. Интересной разновидностью D-Sub типичных размеров являются их миниатюрные версии, именуемые Micro-D и Nano-D. В разъемах Micro-D расстояние между контактами уменьшено до 50 мил/1,27 мм (по сравнению с 100 мил/2,54 мм для стандартных разъемов D-Sub).

Специальные коннекторы для проводов и кабелей
Сравнение размеров стандартного разъема D-Sub с соответствующим разъемом в версии Micro-D

Из-за преимущественно военного и космического диапазона применения эти компоненты обычно изготавливаются в соответствии со строгими отраслевыми стандартами, что во многом объясняет их часто более чем в 100 раз высокую стоимость по сравнению с типичными полноразмерными разъемами D-Sub. Иногда можно встретить варианты коннекторов с предварительно распаянными проводами.

Специальные коннекторы для проводов и кабелей
Разъем Glenair Micro-D с заводским жгутом проводов

Некоторые производители делают разъемы Micro-D в гибридном исполнении, например, с дополнительными коаксиальными секциями или толстыми силовыми контактами.

Специальные коннекторы для проводов и кабелей
Гибридные разъемы Micro-D производства Ulti-Mate Connector

Интересны также версии Nano-D — как несложно догадаться, в данном случае имеем дело с растром в 2 раза меньше прежнего (25 мил/0,635 мм). Такие миниатюрные разъемы идеально подходят для самых сложных устройств, например спутников – существенные ограничения занимаемой площади, требования надежности и необходимость далеко идущего снижения взлетной массы спутников обуславливают интерес инженеров космической отрасли к этому типу соединителей. Более того, благодаря очень малому весу именно наноразъемы лучше всего справляются с сильными вибрациями, которым подвергается космическая электроника при выводе на орбиту.

Круглые микро и нано-разъемы

Хотя они существенно не отличаются по конструкции от обычных промышленных круглых соединителей, их размеры превосходят все конструкции, обычно используемые в повседневной жизни. В данном случае сложно говорить о строго определенной классификации – отнесение к микро- или наногруппе является скорее обязанностью маркетинговых отделов отдельных производителей, хотя в случае с маркой Omnetics растры совпадают со значениями приведены выше для разъемов Micro-D и Nano-D.

Герметичные витые разъемы Micro 360 производства Omnetics выпускаются в версиях с количеством контактов равным 5, 7, 12, 16, 27 и 39, а класс герметичности достигает IP67. Компоненты могут работать в широком диапазоне температур окружающей среды (от -55°С до 125°С) и выдавать силу тока до 3 А. За счет плотного расположения контактной матрицы самый крупный разъем (39-контактный) имеет наружный диаметр менее 28 мм.

Специальные коннекторы для проводов и кабелей
Размеры разъемов панели Omnetics Micro 360

Разъемы Nano 360 того же производителя, благодаря еще большей плотности контактов, достигают действительно впечатляюще малых размеров — 39-контактный круглый разъем имеет фланец с наружным диаметром всего 18,7 мм, что составляет почти на 10 мм меньше по сравнению с версией Micro 360. Круглые микро- и нано-коннекторы предназначены не только для военной и космической промышленности, но и для медицинского сектора.

Специальные коннекторы для проводов и кабелей
Некоторые микро- и нано-коннекторы также идеально подходят для чрезвычайно требовательной медицинской промышленности

Не отстают от конкурентов и другие производители на рынке миниатюрных коннекторов специального назначения. Стоит упомянуть предложение бренда TE Connectivity, выпустившего серию коннекторов Nanonics.

Специальные коннекторы для проводов и кабелей
Коннекторы серии Nanonics от TE Connectivity

Правда в предложении всего 3 размера разъемов (7, 19 и 44 контакта), но внимания заслуживают технические параметры компонентов — герметичность IP68, диапазон рабочих температур от -55°С до +200°С и устойчивость к случайным вибрациям до более 46 г (в диапазоне 50…2000 Гц) в сочетании с большой силой тока (1 А) для столь компактных разъемов и твердой изоляцией (500V AC) делают разъемы Nanonics одними из самых передовых миниатюрных систем подключения на рынке.

Растровые сверхминиатюрные коннекторы

Говоря о миниатюрных коннекторах, также стоит упомянуть о компактных растровых соединителях. Компания Omnetics разработала серию PZN — чрезвычайно маленькие поляризованные разъемы с расстоянием между контактами 25 мил / 0,635 мм и предназначенные для соединений «провод-плата».

Специальные коннекторы для проводов и кабелей
Гермафродитные растровые микроконнекторы серии PZN фирмы Omnetics

Поляризация реализована гермафродитным способом, то есть с использованием двух рядов штыревых и гнездовых контактов в каждом компоненте (и вилке, и розетке). Эта серия включает вилки с предварительно смонтированными проводами, а также прямые (SMT и THT) и угловые (только SMT) розетки.


НАЖМИТЕ ТУТ И ОТКРОЙТЕ КОММЕНТАРИИ