Zaloguj
Nie jest tajemnicą, że najbardziej zaawansowane systemy elektroniczne zazwyczaj korzystają z nietypowych podzespołów, nierzadko opracowanych z myślą o konkretnej serii produktów lub przynajmniej bardzo wąskiej ich grupie. W niniejszym artykule zaprezentujemy wybór szczególnie interesujących rozwiązań w zakresie złączy oraz – co ważne – skupimy się wyłącznie na produktach katalogowych. Naszym celem jest pokazanie, że choć wielu producentów oferuje usługi projektowania i wytwarzania nietypowych złączy wg potrzeb klienta, to nawet w szczególnie wymagających przypadkach można często obejść się bez tak kosztownej inwestycji, wykorzystując ofertę komponentów dostępnych w regularnej sprzedaży.
Złącza hybrydowe
Mianem złączy hybrydowych nazywamy wszystkie rozwiązania łączące w sobie elementy przeznaczone do przesyłu różnego rodzaju sygnałów elektrycznych i optycznych o zróżnicowanych parametrach (a także mediów, np. sprężonego powietrza), a które według standardowego podejścia do projektowania systemów wymagałyby zastosowania dwóch lub więcej konwencjonalnych złączy. Aby lepiej zrozumieć ideę przyświecającą projektantom systemów złączy hybrydowych spróbujmy zatem wypisać kilka najważniejszych typów zastosowań, z którymi mamy do czynienia w codziennej praktyce.
- Zasilanie – w większości przypadków linie zasilania wymagają przesyłu prądu o natężeniu wielokrotnie większym, niż pozostałe połączenia sygnałowe i sterujące, a często wyższe są także ratingi napięciowe. W przypadku wielotorowych złączy montowanych na PCB (np. FCC ZIF) często wykorzystywaną techniką pozwalającą na zwiększenie amperażu jest wykorzystanie zwielokrotnionych pinów zasilania i masy, jednak już w przypadku złączy okrągłych lub prostokątnych takie rozwiązanie okazuje się znacznie mniej użyteczne – trudno byłoby bowiem w „elegancki” i niezawodny sposób podłączyć gruby przewód do grupy kilku cienkich pinów. Zdecydowanie lepszym rozwiązaniem jest użycie pojedynczych styków o większym przekroju oraz odpowiedniego dla nich okablowania. Znacznie łatwiej jest też uzyskać odpowiedni rating napięciowy w przypadku kilku pinów zasilających w solidnej izolacji, niż znacznie gęściej ułożonych linii sygnałowych.
- Uziemienie/masa – dodatkowe wymagania stawiane są liniom masy (lub uziemienia) – w wielu przypadkach wysoce pożądane jest, aby podczas wkładania wtyku do gniazda połączenie to zostało wykonane na krótko przed uzyskaniem kontaktu pomiędzy pozostałymi pinami, a przy rozłączaniu obu elementów – zostało rozpięte jako ostatnie. Najprostszym, a jednocześnie skutecznym i niezawodnym sposobem na spełnienie tego wymogu jest wydłużenie styku uziemienia i wysunięcie go przed płaszczyznę czołową pozostałych pinów – takie rozwiązanie jest stosowane w wielu złączach przemysłowych, a także np. we wtykach USB – choć w tym ostatnim przypadku wydłużone są zarówno piny masy, jak i zasilania (VBUS), co umożliwia prawidłowe zainicjalizowanie oraz zakończenie transmisji danych.
- Linie sygnałowe – do przesyłu wielu sygnałów cyfrowych i/lub analogowych jednocześnie wystarczą w zupełności cienkie i delikatne, ale – często – liczne styki. Niczym zaskakującym nie są zatem w przypadku złączy hybrydowych bloki posiadające kilkadziesiąt drobnych pinów ułożonych w dwuwymiarowej macierzy.
- Linie high-speed/RF – do przesyłu szybkich sygnałów cyfrowych oraz radiowych (RF) konieczne jest wykorzystanie linii o ściśle kontrolowanej impedancji. W tym celu najczęściej używane są złącza koncentryczne, choć w przypadku par różnicowych lepszym rozwiązaniem może być zastosowanie specjalnego, dwustykowego złącza typu twinax (więcej informacji na ten temat dostępnych jest w artykule Złącza i kable, EP 5/2022), także posiadającego dobrze określoną impedancję falową.
- Sygnały optyczne – oprócz transmisji sygnałów w postaci elektrycznej, szerokie zastosowania w elektronice znalazły też systemy optyczne. Przesył informacji za pośrednictwem światłowodu umożliwia uzyskanie bardzo wysokiej przepustowości oraz całkowitej odporności na zakłócenia elektromagnetyczne – nieosiągalnej w zwykłych przewodach nawet przy zastosowaniu wielopoziomowego ekranowania. Najprostszym przykładem aplikacji znanym z życia codziennego są oczywiście optyczne łącza audio (TOSLINK), jednak tory światłowodowe są chętnie stosowane także wszędzie tam, gdzie poprowadzenie przewodu elektrycznego z jakichś względów byłoby bardzo kosztowne, trudne, lub wręcz niemożliwe – chociażby w przypadku systemów naukowo-badawczych, korzystających z silnych pól (elektro)magnetycznych.
- Media płynne i gazowe – wiele urządzeń przemysłowych, naukowych czy też medycznych wymaga przesyłu – oprócz sygnałów elektrycznych – także mediów płynnych (cieczy), sprężonych gazów lub próżni. Niektóre aplikacje wymagają całkowitego rozdzielenia obu torów (elektrycznego i np. pneumatycznego), choćby ze względu na wymogi sterylizacji (w przypadku urządzeń medycznych czy też systemów przeznaczonych do produkcji farmaceutyków). Nierzadko jednak zdarza się, że dane medium (np. sprężone powietrze) nie wymaga aż tak zaawansowanych procedur i może z powodzeniem być przesyłane przez wspólne z „elektryką” złącze – pojawia się jednak problem, jak to zrobić?
Z pomocą w wymienionych zastosowaniach przychodzą złącza hybrydowe, umożliwiające użycie pojedynczej pary gniazdo-wtyk, która obsłuży wszystkie wymagane przez projekt typy sygnałów i/lub mediów. Komponenty należące do tej kategorii możemy jednak podzielić dalej na trzy podgrupy.
Gotowe rozwiązania
Jeżeli liczba wymaganych torów (pinów) oraz ich rodzaj na to pozwalają, dobrym wyjściem może okazać się zastosowanie gotowego złącza hybrydowego. Katalogi producentów zawierają setki tego typu rozwiązań, obejmujących różne konfiguracje pewnych powtarzalnych sekcji – poniżej prezentujemy kilka reprezentatywnych przykładów.
- Złącza mieszane typu D-Sub – przeglądając oferty producentów złączy można odnieść słuszne wrażenie, że standard D-Sub jest szczególnie chętnie wykorzystywany nie tylko do konstrukcji typowych, popularnych komponentów przeznaczonych do systemów przemysłowych, informatycznych, wojskowych czy medycznych (dość wspomnieć tu chociażby o najbardziej klasycznych wtykach i gniazdach określanych mianem DB9, stosowanych m.in. do obsługi łączy RS-232C), ale także jako „baza wypadowa” do konstruowania wymyślnych wariacji hybrydowych. Niektóre firmy wdrażają rozbudowane systemy złączy mieszanych o wymiarach i kształcie obudowy zaczerpniętych z konwencjonalnych elementów D-Sub, ale wyposażonych we wkładki izolacyjne z umieszczonymi w nich sekcjami prostych pinów „analogowo-cyfrowych”, złączami koncentrycznymi, a nawet stykami wysokoprądowymi. Bardzo ciekawa jest tutaj oferta chińskiej firmy Signal Origin, obejmująca interesujące kombinacje zawierające np. 10 styków standardowych i trzy sekcje koncentryczne (50 Ω/3 GHz) – fotografia 1 – czy też 7 pinów typowych oraz sześć dziesięcio-, a nawet czterdziestoamperowych styków zasilania (fotografia 2).
- Złącza multi-coax umożliwiają zmniejszenie konstrukcji i uproszczenie obsługi systemów korzystających z dużej liczby standardowych (pojedynczych) złączy koncentrycznych. Dobrym przykładem mogą być tutaj rozmaite systemy przeznaczone do celów naukowych (szybka akwizycja danych w wielu kanałach) lub telekomunikacyjnych – nietrudno domyślić się, jak uciążliwy i narażony na błędy operatora byłby przegląd lub serwis systemu, w którym wykorzystywanych byłoby kilkanaście, a nawet kilkadziesiąt konwencjonalnych złączy koncentrycznych (np. BNC lub SMA). Zastosowanie złączy zawierających wiele sekcji we wspólnej obudowie i pod-/odłączanych w ramach pojedynczej operacji stanowi niebywałe ułatwienie dla konstruktorów, serwisantów oraz użytkowników takich systemów. Doskonałym przykładem komponentów z omawianej grupy mogą być – umieszczone znów w obudowie typu D-SUB – złącza z rodzin MDCX i MDHC marki Smiths Interconnect (fotografia 3) – w zależności od wybranej wersji, elementy te mogą pracować z sygnałami o paśmie do 10, 30, a nawet 40 GHz (!) i napięciem do 125 Vrms (przy częstotliwości 5 MHz). Impedancja charakterystyczna pojedynczej sekcji to standardowe 50 Ω. Złącza występują w wersjach o 2, 4, 6, 8, lub 10 niezależnych torach sygnałowych, a „raster” (tj. rozstaw mierzony pomiędzy środkami sąsiadujących sekcji) wynosi 176 mils. Ten sam producent opracował zresztą także analogiczne, 100- i 150-omowe złącza z sekcjami typu twinax (fotografia 4).
- Złącza Fibre Channel przeznaczone są do użycia w superszybkich sieciach komputerowych, stosowanych głównie w komercyjnych centrach danych i serwerowniach wymagających szczególnie dużej przepustowości. Pokazane na fotografii 5 złącza marki Smiths Interconnect zawierają po dwie, cztery, sześć lub osiem sekcji typu quadrax i mogą przesyłać dane z prędkością aż 6,25 Gbps; wytrzymują nawet 1000 cykli łączeniowych, a ich impedancja charakterystyczna do 150 Ω.
Złącza częściowo konfigurowalne
Kolejną grupę komponentów katalogowych stanowią złącza plasujące się pomiędzy w pełni elastycznymi rozwiązaniami konfigurowalnymi, a omówionymi wcześniej złączami gotowymi. Interesującą ofertę w tym obszarze rynku zaprezentowała firma Harwin, wprowadzając serię złączy M80 o zunifikowanych korpusach izolacyjnych oraz… wymiennych wkładach stykowych. Przykładowo, złącze M80-4C10842F2-02-307-00-000 zawiera dwa tory koncentryczne oraz 8 standardowych styków sygnałowych w gęstszym rastrze (fotografia 6), podczas gdy – korzystając z tego samego korpusu – model M80-4C10842F2-02-326-00-000 „zamienia” sekcje RF na styki dużej mocy, obsługujące przewody jednożyłowe o przekroju do 14AWG (2 mm2) – fotografia 7. Rzecz jasna, uzyskanie takiego efektu wymagało od inżynierów firmy Harwin rozwiązania problemu odpowiedniego mocowania poszczególnych komponentów stykowych w korpusie – do tego celu służą specjalne zatrzaski, widoczne na fotografii 8.
Innym przykładem złączy należących do omawianej kategorii są komponenty z serii SGH włoskiej marki Valentini (fotografia 9). Te solidne, okrągłe złącza z mocowaniem bagnetowym zawierają nie tylko zestaw par typu twinax (do obsługi połączeń ethernetowych), ale także dodatkowy, środkowy wkład, zawierający 3/5 pinów zasilających bądź dwanaście styków sygnałowych dla transmisji DMX/AES (choć istnieje możliwość zaślepienia otworu wkładką pozbawioną styków). Seria jest przeznaczona głównie do zastosowań scenicznych.
W pełni konfigurowalne złącza modułowe
Zdecydowanie najbardziej elastyczną i różnorodną grupą produktów są złącza hybrydowe o w pełni konfigurowalnej konstrukcji. Co prawda także w tym przypadku mamy do czynienia z pewnym systemem gotowych, znormalizowanych korpusów oraz wszelkich przeznaczonych do nich akcesoriów (uszczelek, dławnic, elementów mechanicznych, itd.), jednak najważniejsza część złącza – wkład izolacyjny ze stykami oraz ewentualnymi złączkami pneumatycznymi bądź hydraulicznymi – jest składana przez użytkownika niczym z „klocków”. Taka konstrukcja zapewnia znaczącą dozę dowolności w wyborze liczby i rodzaju połączeń, dzięki czemu pojedyncza para wtyk-gniazdo może jednocześnie obsługiwać wszystkie wymienione na początku artykułu rodzaje sygnałów oraz mediów.
Sztandarowym przykładem konfigurowalnych złączy modułowych jest seria Han-Modular firmy Harting. Typowa para złączy składa się z wtyku z dławnicą hermetyczną, umieszczonego w metalowej obudowie z wyjmowaną ramką do mocowania modułów stykowych oraz gniazda z obudową przykręcaną na panel (także w wersji z dławnicami bądź z podłączeniem od strony wnętrza obudowy) i korzystającą z analogicznego systemu mocowania (rysunek 1).
Dostępne obecnie portfolio modułów połączeniowych jest doprawdy imponujące i obejmuje zarówno potężne styki o ratingu 200 A/1000 V, mocowania dla kabli typu patchcord oraz FireWire, złącza USB, okrągłe złącza typu Quintax oraz koncentryczne o częstotliwości do 500 MHz i impedancji 50 lub 75 Ω, jak również konwencjonalne wkładki D-Sub, moduły wysokonapięciowe o izolacji do 5000 V i – oczywiście – wielostykowe moduły sygnałowe o nawet 42 pinach. Co ciekawe, nie zabrakło także „inteligentnych” modułów ID CAN, zapewniających wbudowaną pamięć o pojemności aż 10 MB i przepustowości szyny CAN na poziomie 1 Mbit/s. Dostępne są ponadto wielotorowe złącza pneumatyczne o wytrzymałości do 10 bar. Dwa przykłady złączy Han-Modular o diametralnie różnych konfiguracjach zostały pokazane na fotografiach 10 i 11.
Warto dodać, że firma Harting opracowała także serię Han-Eco Modular, kompatybilną wymiarowo edycję flagowej serii Modular, ale – dla odmiany – korzystającą z tworzywowych obudów złączy (fotografia 12).
Podobne rozwiązania wdrażają także inni producenci. Firma Staubli opracowała dwie własne serie złączy modułowych: CombiTac uniq™ oraz CombiTac direqt™. Pierwsza z nich – najbardziej zaawansowana technologicznie – obsługuje jednocześnie połączenia zasilania, przekaz sygnałów cyfrowych/analogowych, transmisję danych oraz sygnałów radiowych (RF) z wykorzystaniem sekcji koncentrycznych, a także – co ciekawe i dość unikalne – połączenia światłowodowe. Co więcej, niektóre moduły pozwalają na podłączenie termopar (poprzez specjalne pary styków kompensacyjnych), inne zaś obsługują transport sprężonych gazów oraz… cieczy (i to aż do 15 bar). Nie zabrakło nawet 5-kilowoltowych styków wysokonapięciowych, 300-amperowych (!) łączy wysokoprądowych oraz modułów typu twinax, przeznaczonych do transmisji danych z prędkością nawet 10 Gb. Specjalne piny umieszczone po bokach obudowy umożliwiają monitorowanie statusu połączenia gniazda z wtykiem i – w przeciwieństwie do opisanych wcześniej styków uziemiających – łączą się ze sobą jako ostatnie, zaś rozłączają – jako pierwsze. Rozwiązanie takie umożliwia konstruktorom uzyskanie całkowitej kontroli nad procesem łączenia dwóch części urządzenia, co może znacząco zwiększyć niezawodność całego systemu. Przykładowe złącze wraz z opisem poszczególnych sekcji pokazano na fotografii 13.
Złącza subminiaturowe
Precyzyjne, niewielkie złącza o gęstym rastrze nie są dziś niczym zaskakującym – urządzenia przenośne i ubieralne, komputery (w tym zwłaszcza SBC) czy też kamery i aparaty cyfrowe intensywnie korzystają z małych złączy sygnałowych, służących do wykonywania połączeń typu płytka-płytka oraz okablowania wewnętrznego z PCB. Warto jednak pamiętać, że w niektórych aplikacjach konieczne okazuje się użycie zminiaturyzowanych wersji tych gniazd i wtyków, które w normalnych warunkach wykorzystywane są raczej do połączeń zewnętrznych.
Mikrozłącza koncentryczne
W codziennej praktyce przywykliśmy do niezwykle popularnych, miniaturowych złączy koncentrycznych typu u.FL. Trudno byłoby na przykład znaleźć nowoczesne, niewielkie moduły radiowe – ISM, Bluetooth, Wi-Fi czy GPS – które współpracowałyby z zewnętrzną anteną poprzez złącze inne, niż właśnie u.FL. W nielicznych aplikacjach może jednak okazać się, że te kompaktowe elementy o wymiarach podstawy 3,0×3,1 mm i wysokości (po podłączeniu przewodu) na poziomie 2,5 mm są niewystarczające – czy to ze względów mechanicznych (odporność na drgania), czy też częstotliwościowych (górne ograniczenie pasma przenoszenia) bądź środowiskowych (szczelność). Z pomocą przychodzą producenci wyspecjalizowani w produkcji subminiaturowych złączy RF. Firma Southwest Microwave wprowadziła na rynek serię złączy 0,9 mm SuperMini o paśmie aż 67 GHz, dostępnych w wersjach do montażu na panelu obudowy (z dwoma lub czterema otworami mocującymi – fotografia 14) oraz lutowania bezpośrednio PCB (pionowo oraz krawędziowo). Średnica gwintu to M2,5, a całkowite wymiary podstawy w przypadku wersji „płytkowej” pokazanej na fotografii 15 wynoszą 5,08×5,08 mm. Warto dodać, że wersje panelowe można zakupić wraz z dedykowaną uszczelką.
Małe jest piękne, czyli złącza Micro-D i Nano-D
Opisując złącza hybrydowe zwróciliśmy uwagę na popularność standardu D-Sub we współczesnej elektronice, wskazaliśmy też reprezentatywne przykłady rozmaitych złączy o tym kształcie agregujących jednocześnie liczne piny sygnałowe, sekcje koncentryczne oraz styki wysokoprądowe w ramach pojedynczego korpusu izolacyjnego. Ciekawą odmianą złączy D-Sub o typowych rozmiarach są ich zminiaturyzowane odmiany, określane jako Micro-D i Nano-D.
Złącza Micro-D charakteryzują się rozstawem styków zmniejszonym do 50 mils/1,27 mm (w porównaniu do 100 mils/2,54 mm w przypadku standardowych złączy D-Sub – fotografia 16).
Z uwagi na głównie militarny i kosmiczny zakres zastosowań, komponenty te są zwykle wykonywane zgodnie z wyśrubowanymi standardami branżowymi, co w dużej mierze tłumaczy ich nierzadko ponad 100-krotnie (!) wyższe ceny w porównaniu do typowych, pełnowymiarowych złączy D-Sub. Często można spotkać wersje gniazd/wtyków z fabrycznie zarobionymi przewodami (fotografia 17).
Niektórzy producenci wykonują złącza Micro-D w wersji hybrydowej, np. z dodatkowymi sekcjami koncentrycznymi lub grubymi pinami zasilania (fotografia 18).
Niebywale ciekawe są także wykonania typu Nano-D (fotografia 19) – jak łatwo się domyślić, w tym przypadku mamy znów do czynienia z rastrem dwukrotnie mniejszym, niż poprzednio (25 mils/0,635 mm). Tak zminiaturyzowane złącza świetnie sprawdzają się w najbardziej zaawansowanych aplikacjach, m.in. w budowie nanosatelitów typu cubesat – istotne ograniczenia dostępnego miejsca, wymogi niezawodności oraz konieczność daleko idącej redukcji masy startowej satelitów kierują zainteresowanie inżynierów z branży space właśnie w stronę tego typu złączy. Co więcej, dzięki bardzo małej masie (nawet w porównaniu do gniazd i wtyków Micro-D) to właśnie nanozłącza najlepiej radzą sobie z silnymi wibracjami, na które narażona jest elektronika kosmiczna w czasie wynoszenia na orbitę.
Mikro- i nanozłącza okrągłe
Kolejna część naszej prezentacji wybranych pozycji z rynku złączy specjalnego przeznaczenia obejmuje mikro- i nanozłącza okrągłe. Choć od strony konstrukcyjnej nie różnią się one zasadniczo od konwencjonalnych, przemysłowych złączy okrągłych, to ich wymiary pozostawiają w tyle wszystkie spotykane na co dzień konstrukcje. W tym przypadku trudno rzecz jasna mówić o ściśle określonej klasyfikacji – kwalifikacja do grupy mikro lub nano leży raczej w gestii działów marketingu poszczególnych producentów, choć w przypadku marki Omnetics rastry zgadzają się z podanymi wcześniej wartościami dla złączy Micro-D i Nano-D.
Szczelne złącza skręcane Micro 360 marki Omnetics występują w wersjach o liczbie pinów równej 5, 7, 12, 16, 27 oraz 39, a klasa szczelności dochodzi nawet do IP67. Komponenty mogą pracować w szerokim zakresie temperatur otoczenia (od –55°C do 125°C) i oferują amperaż do 3 A. Dzięki gęstemu ułożeniu macierzy styków największe złącze (39 pin) ma zewnętrzną średnicę (w przypadku modelu z kołnierzem do mocowania na panelu) poniżej 28 mm (rysunek 2).
Złącza Nano 360 tego samego producenta, dzięki jeszcze większemu zagęszczeniu pinów, osiągają naprawdę imponująco małe rozmiary – dla porównania, 39-torowe złącze okrągłe ma kołnierz o średnicy zewnętrznej zaledwie 18,67 mm, czyli o prawie 10 mm mniejszej w porównaniu do wersji Micro 360. Mikro- i nanozłącza okrągłe są przeznaczone nie tylko dla branż wojskowej i kosmicznej, ale także – między innymi – medycznej, gdzie niezawodność i doskonałe parametry elektryczne (niska rezystancja styków, szczelność, wytrzymałość mechaniczna blokady, itd.) również grają kluczową rolę w kwestii bezpieczeństwa pacjenta oraz operatora (fotografia 20).
Inni producenci nie pozostają w tyle za omówioną konkurencją na rynku miniaturowych złączy specjalnego przeznaczenia. Warto wspomnieć o ofercie marki TE Connectivity, która wprowadziła do sprzedaży serię złączy Nanonics (fotografia 21). Co prawda w ofercie znalazły się zaledwie trzy „rozmiary” złączy (7, 19 oraz 44 piny), jednak na uwagę zasługują parametry techniczne komponentów – szczelność na poziomie IP68, zakres temperatur pracy od –55°C do aż +200°C czy też odporność na losowe wibracje do ponad 46 g (w paśmie 50...2000 Hz), w połączeniu ze sporym jak na tak kompaktowe złącza amperażem (1 A) oraz solidną izolacją (500 VAC) sprawiają, że złącza Nanonics pozostają jednymi z najbardziej zaawansowanych systemów połączeniowych „małej skali” na rynku.
Subminiaturowe złącza rastrowe
Omawiając miniaturowe złącza należące mniej popularnych serii produktów warto wspomnieć także o kompaktowych złączach rastrowych. I tutaj znów musimy powrócić do oferty firmy Omnetics, która opracowała serię PZN – niezwykle małych, spolaryzowanych złączy o rozstawie styków równym 25 mils/0,635 mm i przeznaczonych do wykonywania połączeń typu przewód-płytka. Polaryzacja została zrealizowana w sposób hermafrodytyczny, tj. poprzez zastosowanie dwóch rzędów styków męskich oraz żeńskich w każdym komponencie (zarówno wtyku, jak i gnieździe – fotografia 22). Seria obejmuje wtyki z wykonanym fabrycznie okablowaniem oraz gniazda proste (SMT i THT) i kątowe (tylko SMT).
Podsumowanie
W artykule zaprezentowaliśmy ekspresowy przekrój rynku złączy hybrydowych różnego typu oraz mikro- i nanozłączy, przeznaczonych do najbardziej wymagających (zarówno pod względem wymiarów, jak i niezawodności) systemów elektronicznych. Druga część naszej prezentacji będzie natomiast poświęcona interesującym komponentom przeznaczonym do ściśle określonych zastosowań – opiszemy m.in. wybrane złącza opracowane dla medycyny, aplikacji wysokonapięciowych czy też… podwodnych.
inż. Przemysław Musz, EP
