Đầu nối là thiết bị kết nối cơ và điện quan trọng giữa các bộ phận khác nhau của hệ thống hoặc giữa hệ thống và thế giới bên ngoài. Việc lựa chọn loại đầu nối phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm các yêu cầu về điện và cơ khí, tiêu chuẩn ngành, khả năng sử dụng và sản xuất, số lượng và loại liên hệ, tình huống kết nối và không kết nối, mục tiêu về độ tin cậy và các yêu cầu pháp lý. Tuy nhiên, thân đầu nối D-Sub (loại D siêu nhỏ) cổ điển đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ và vẫn là đầu nối được ưa thích cho nhiều ứng dụng.
Mặc dù kiểu dáng thân và cách sắp xếp tiếp điểm của đầu nối đã thu hút nhiều sự chú ý nhưng bản thân các tiếp điểm có tác động đáng kể đến hiệu suất điện và cơ của đầu nối. Khi các thiết kế ngày càng phức tạp và yêu cầu ứng dụng ngày càng cao, các nhà thiết kế cần hiểu những cải tiến mới nhất trong công nghệ tiếp xúc để đáp ứng các tiêu chuẩn và yêu cầu tương ứng, đặc biệt là về độ bền, lực chèn và lực giữ, điện trở tiếp xúc và khả năng chịu nhiệt độ.
Bài viết này cung cấp một cái nhìn tổng quan ngắn gọn về xu hướng phát triển của đầu nối, tập trung vào lý do tiếp tục sử dụng đầu nối D-sub. Sau đó, các tiếp điểm nâng cao của Amphenol Positronic đã được giới thiệu và trình bày cách sử dụng chúng để cải thiện hiệu suất của đầu nối.
USB, Tầm quan trọng của đầu nối Ethernet và D-sub
Mặc dù việc sử dụng giao diện RS-232 truyền thống đã giảm và các phiên bản khác nhau của đầu nối USB và Ethernet đang xuất hiện, đầu nối D-sub 9 chân cổ điển (thường được gọi là DB-9) và các đầu nối khác trong loạt đầu nối D-sub rộng hơn vẫn đóng một vai trò quan trọng trong giao tiếp hệ thống điện tử. Có nhiều lý do để sử dụng liên tục. Mặc dù USB và Ethernet có thể đáp ứng nhiều yêu cầu kết nối nhưng hai loại đầu nối được sử dụng rộng rãi này là giao diện nối tiếp chứ không phải giao diện nhiều dây. Chúng có thể truyền dữ liệu và năng lượng đồng thời, nhưng có những hạn chế nghiêm ngặt về loại tín hiệu, giá trị dòng điện và điện áp tối đa cũng như công suất định mức.
Về mặt thiết kế, USB và Ethernet không thể xử lý hiệu quả nhiều tín hiệu không liên quan hoặc các định dạng khác nhau như giao diện có nhiều đường tiếp xúc song song. Một điều quan trọng cần cân nhắc nữa là thiết kế của các kết nối USB và Ethernet tiêu chuẩn không đáp ứng được mức độ yêu cầu về tính toàn vẹn về cơ và điện cũng như độ chắc chắn trong nhiều trường hợp.
Vì những lý do này, đầu nối D-sub vẫn được sử dụng rộng rãi. Kiểu thiết kế ngoại thất này xuất hiện sớm nhất từ những năm 1950 và có nhiều ưu điểm. Nó có chức năng che chắn hoàn toàn nhiễu điện từ (EMI) và nhiễu tần số vô tuyến (RFI), cung cấp vỏ kín hoặc gần kín, có kết cấu cơ khí chắc chắn và hai bộ phận lắp ghép của nó có thể được khóa với nhau thông qua một dây nhỏ phía trên. Thân hoặc vỏ đầu nối D-sub có ít nhất sáu kích thước tiêu chuẩn, cung cấp các tùy chọn linh hoạt cho các vị trí và loại chân tiếp xúc điện. Ngoài việc cung cấp vỏ đầu nối có cùng loại tiếp điểm ở tất cả các vị trí chân cắm, D-sub "Combo-D" còn hỗ trợ trộn các tiếp điểm tín hiệu và nguồn độc lập trong một vỏ đầu nối duy nhất (Hình 1, trên cùng).
Hình ảnh kiểu đầu nối siêu nhỏ Combo-D (bấm vào để phóng to)
Hình 1: Đầu nối siêu nhỏ Combo-D hỗ trợ nhiều kết hợp đường dẫn tín hiệu và nguồn (như trong hình); Đầu nối D-sub sử dụng kích thước vỏ và cách bố trí tiếp điểm tiêu chuẩn (như minh họa trong hình bên dưới). (Nguồn ảnh: Amphenol Positronic)
Một D-sub duy nhất có thể hỗ trợ nhiều cách sắp xếp kết hợp và kết hợp tiêu chuẩn khác nhau (Hình 1, phía dưới). Họ cung cấp các phiên bản mật độ tiêu chuẩn hai hàng và ba hàng mật độ cao, với các tùy chọn tiếp xúc tín hiệu, nguồn, che chắn, điện áp cao, cặp nhiệt điện và cáp quang.
Đổi mới trong công nghệ liên lạc
Ưu điểm của vỏ D-sub là một điểm quan trọng trong câu chuyện đầu nối, các tiếp điểm điện và đặc tính của chúng cũng là chìa khóa để lắp ráp thành công đầu nối. Trong những năm qua, công nghệ tiếp xúc đã có nhiều cải tiến về vật liệu, thiết kế, tính chất điện và cơ.
Điều này bao gồm công nghệ tiếp xúc PosiBand được cấp bằng sáng chế của Amphenol Positronic (Bằng sáng chế Hoa Kỳ số 7115002). PosiBand áp dụng thiết kế tiếp điểm cải tiến, khác với thiết kế truyền thống và đạt được hiệu suất cao hơn ở nhiều thông số chính.
Phần tử áp suất bên ngoài PosiBand được thiết kế để tách biệt hoàn toàn các hoạt động cơ và điện của kết nối (Hình 2). Phần tử áp suất tác dụng một lực để ấn chốt đực về phía khoang bên trong, tạo thành một đường tiếp xúc điện trực tiếp dài, do đó hoàn thành hoạt động cơ học. Độ dài của dây tiếp xúc có thể thay đổi, cho phép các nhà thiết kế tối ưu hóa điện trở giao diện của kết nối. Cấu trúc hình tròn chắc chắn và không bị hư hại ở lối vào có thể nâng cao độ bền cơ học của các điểm tiếp xúc.
Amphenol Positronic PosiBand sử dụng hình ảnh thiết kế đã được cấp bằng sáng chế (bấm vào để phóng to)
Hình 2: PosiBand áp dụng một thiết kế đã được cấp bằng sáng chế để tách biệt các hoạt động cơ và điện của kết nối. (Nguồn ảnh: Amphenol Positronic)
Kẹp lò xo bên trong PosiBand (Hình 3, bên trái) là một bộ phận nhỏ nhưng quan trọng trong bộ phận lắp ráp và là yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất của nó. Tấm hợp kim đồng berili đàn hồi này có thể tạo ra lực pháp tuyến lên điểm tiếp xúc, từ đó đạt được liên kết tiếp xúc chắc chắn và đáng tin cậy (Hình 3, bên phải). Đồng thời, trong khi đáp ứng hoặc vượt quá yêu cầu về hiệu suất, nó cũng có thể làm giảm lực chèn trung bình.
Kẹp lò xo PosiBand Amphenol Positronic (trái) cung cấp hình ảnh lực pháp tuyến tại vùng tiếp xúc (phải)
Hình 3: Kẹp lò xo PosiBand (trái) cung cấp lực pháp tuyến trong vùng tiếp xúc (phải) để tối đa hóa diện tích tiếp xúc của bề mặt tiếp xúc điện. (Nguồn ảnh: Amphenol Positronic)
Các điểm tiếp xúc trên đế PosiBand được làm bằng đồng thau và có hiệu suất tuyệt vời trong việc uốn dây vào các điểm tiếp xúc. Nó cũng loại bỏ nhu cầu ủ vật liệu, điều này không chỉ làm tăng chi phí mà còn có thể gây ra các vấn đề lâu dài nếu không được xử lý đúng cách trong quá trình sản xuất.
So với các thiết kế tiếp điểm truyền thống, hệ thống PosiBand cũng tăng diện tích tiếp xúc giữa các điểm tiếp xúc nam và nữ, từ đó đạt được tính toàn vẹn về điện đáng tin cậy hơn. Ở cấp độ vi mô, có nhiều đường dẫn điện đi qua giao diện tiếp xúc hơn. Tăng diện tích tiếp xúc làm giảm khả năng gián đoạn trong quá trình rung.
Trái ngược với trực giác, hệ thống PosiBand cung cấp diện tích tiếp xúc lớn hơn mà không làm tăng lực chèn; Ngược lại, thiết kế PosiBand mang lại lực chèn ổn định hơn, từ đó giảm lực chèn trung bình.
Các sản phẩm Positronic đã lọt vào Danh sách Sản phẩm Đủ tiêu chuẩn (QPL) của Cơ quan Hậu cần Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ (DLA), có nghĩa là chúng đã đáp ứng các yêu cầu bao gồm nhận dạng sản phẩm tương ứng, trình độ chuyên môn và kiểm tra xác nhận định kỳ. PosiBand tuân thủ các thông số kỹ thuật SAE AS3902 và MIL-DTL-24308, đồng thời cũng đáp ứng các yêu cầu kiểm tra khả năng tách tiếp xúc 40g cao hơn của GSFC S-311-P4/08 và GSFC S-311-P4/10.
Kích thước tiếp xúc và điện trở
Các điểm tiếp xúc PosiBand sử dụng kích thước tiêu chuẩn 20 và 22. Loại trước áp dụng cho dây 20, 22 và 24 của Máy đo dây Mỹ (AWG), trong khi loại sau áp dụng cho dây AWG 22, 24, 26, 28 và 30.
Điện trở tối đa của tiếp điểm 22 là 0,005 ohms (Ω), trong khi điện trở tương ứng của tiếp điểm 20 là 0,004 ohms. Do điện trở tiếp xúc thấp nên tổn hao I2R nhỏ, dẫn đến khả năng tự phát nhiệt thấp, giúp các nhà thiết kế có cơ hội sử dụng tiếp điểm 22 và 20 để cấp nguồn.
Một số kỹ sư không hiểu rõ đặc tính nhiệt của các tiếp điểm hoặc chỉ xem xét yếu tố này trong giai đoạn thiết kế và lựa chọn đầu nối sau này. Tuy nhiên, nhiệt vẫn là yếu tố chính trong việc đánh giá hiệu suất của đầu nối và hệ thống. Mức tăng nhiệt độ và mối quan hệ hiện tại của các tiếp điểm PosiBand 20 (Hình 4, trên cùng) và 22 (Hình 4, dưới cùng) hoàn toàn nhất quán trong các cấu hình tiếp điểm khác nhau.