Gebruik Direct Plug-in-isolatieverplaatsingsconnectors om de assemblage te stroomlijnen en de BOM te verlagen.

Ingenieurs kiezen vaak voor isolatieverplaatsingsconnectors (IDC's) en de bijbehorende lintkabels voor multipositionele verbindingen vanwege hun hoge contactdichtheid, enkelstaps massaverbinding en het ontbreken van de noodzaak tot het strippen van draden. Gebruikers van IDC's gaan er normaal gesproken van uit dat ze bestaan uit een tweedelige connectoropstelling met parende mannelijke pinnen en vrouwelijke houdershelften. Deze IDC's zijn beschikbaar in een breed scala van stijlen (zoals bordmontage of vrijhangende), aangeboden met maar liefst acht en maar liefst 50 posities (meestal), en worden gebruikt met multiconductor platte lintkabel.

Hoewel IDC's veel voordelen bieden, streven ontwerpers er altijd naar om de directe kosten van de onderdelen te verlagen, de materiaallijst (BOM) te verkleinen, de inkoop en aankoop te vereenvoudigen en het assemblageproces in een productieomgeving te stroomlijnen. Al deze doelstellingen kunnen in één stap worden bereikt door een enkele IDC-connector te gebruiken om de platte kabel af te sluiten en tegelijkertijd de noodzaak van een aanvullende paringsconnector te elimineren.

Deze innovatie, die in tegenspraak is met het "conventionele denken" over IDC-connectors, wordt gebruikt in de WR-WST REDFIT IDC SKEDD platte kabel IDC-connector van Würth Elektronik. Het gebruikt de pc-printplaat als paringscontact, waardoor de kosten worden verlaagd, de assemblage wordt vereenvoudigd en een lijnstuk uit de BOM wordt verwijderd, zonder dat dit ten koste gaat van de prestaties. Dit artikel bespreekt de drivers achter dergelijke IDC-connectorinnovaties voordat de WR-WST-connector wordt geïntroduceerd en hoe er gebruik van kan worden gemaakt.

Wat zijn IDC's en waarom zijn ze nodig?

IDC's lossen meerdere problemen op door een aantal signaal- en voedingsdraden snel en eenvoudig af te sluiten en de verbindingsweg snel en eenvoudig te verbreken (Afbeelding 1). IDC-gebaseerde kabelassemblages worden veel gebruikt in vele toepassingen, zoals tussen aangrenzende pc-boards of tussen een proces-pc-bord en een relatief afgelegen gebruikersdisplay/keypad-assemblage. In sommige ontwerpen wordt de platte kabel zelfs gebruikt als een flexibele "bus", die niet alleen de kabelaansluitingen ondersteunt, maar ook connectors die langs de flexibele kabel worden geplaatst, zodat andere printplaten kunnen worden aangesloten op een gemeenschappelijk pad.

Afbeelding 1: IDC-kabelassemblages maken gebruik van in massa beëindigde krimpbare mannelijke en vrouwelijke paringsconnectors, samen met meerdraads platte lintkabel zoals deze 16-draads assemblage; de lintkabel kan ook monochroom zijn, in tegenstelling tot dit regenboogvoorbeeld. (Bron afbeelding: eBay)

IDC-technologie is meer dan 50 jaar geleden ontwikkeld. Sinds de invoering heeft het een wijdverbreid gebruik gekend, een groei in de verscheidenheid aan beschikbare versies, een verhoogde contactdichtheid, meer contacten per connector, en andere verbeteringen. Zoals de naam al aangeeft, is de IDC-technologie gebaseerd op het principe om een deel van de isolatie rond de kabelgeleiders (draden) te verschuiven of opzij te schuiven en een directe elektrische verbinding met het koper te maken (Afbeelding 2). Het is niet nodig om de isolatie van de draad te strippen, omdat de scherpe metalen randen van de contacten de isolatie doorboren om een gasdichte verbinding te creëren.

Afbeelding 2 (boven)

Afbeelding 2 (bodem)

Afbeelding 2: Bij een IDC-connector wordt de bovenkant van de connector naar beneden gedrukt om de contacten tegelijkertijd te krimpen en de isolatie van alle draden in de kabel te doorboren (bovenkant). Als u de assemblage bekijkt met de bovenzijde van de connector verwijderd (onderzijde), ziet u de contacten die door de draadisolatie uitsteken. (Bron afbeelding: Jaycar Electronics Reference Data Sheet)

De ontwikkeling van isolatiemateriaal dat schoon en netjes klieft, maar zich niet buiten de doordringingszone splitst, was een van de vele vorderingen die het massale gebruik van IDC's in de praktijk mogelijk maakten. Aangezien de draad een van de vele is in een platte lintopstelling, kunnen veel van dergelijke afsluitingen tegelijkertijd worden gemaakt, dus IDC-kabels worden soms "massa-afsluiting" -connectors genoemd. De eerste IDC's waren beperkt tot massieve draad voor betrouwbare verbindingen, maar de technische vooruitgang breidde de IDC's al snel ook uit tot gestrande draad.

Er zijn vele standaard beschikbare versies van zowel de mannelijke als de vrouwelijke paring. Dit zijn zowel connectors die op een printplaat worden gesoldeerd als connectors die vrijhangend zijn en het uiteinde van een kabel afsluiten. Op deze manier kan een IDC-kabel worden aangesloten op een op de printplaat gemonteerde connector of op een andere IDC-kabel.

De Würth 61201023021 is bijvoorbeeld een dubbele rij, 10 posities, 2,54 millimeter (mm) pitch, rechthoekige IDC-connector (vrouwelijk) die op de kabel is gekrompen (Afbeelding 3). Als de kabel in plaats daarvan een mannelijke connector nodig heeft, is de aanvullende Würth 61201025821 IDC-hoofdconnector beschikbaar (Afbeelding 4). Voor zowel mannelijke als vrouwelijke connectors zijn er overeenkomstige connectors die op de printplaten worden gemonteerd om een kabel-naar-bordpad te vervolledigen. Merk op dat, hoewel dit 10 positiestekkers zijn, de Würth WR-BHD box header en IDC-connectorfamilie zich uitstrekt tot 60 positiestekkers.

Afbeelding 3: De IDC 61201023021 van Würth Elektronik is een dubbel rij, 10 positie rechthoekige stekker (vrouwelijk) met een pitch van 2,54 mm. Het is ontworpen om te worden gekrompen op een vrijhangende platte lintkabel. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

Afbeelding 4: De Würth 61201025821 IDC-headerconnector met mannelijke pinnen is de aanvulling op de Wurth 61201023021 IDC. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

IDC's en hun platte lintkabels zijn verkrijgbaar in een breed scala aan posities en opties. Deze omvatten pinafstand (pitch) van 0,050 inch (1,27 mm) of 0,10 inch (2,54 mm), evenals het aantal pennen. De maximale stroomcapaciteit is meestal 1 ampère (A) tot 3 A met beschikbare draadmaten van dunne 30 AWG tot zwaardere 22 AWG. Er zijn ook IDC's beschikbaar voor DB-xx-verbindingen voor de ooit veelgebruikte DB-25, DB-15 en DB-9 maten (gemeenschappelijk met RS-232-interfaces).

Sommige industriële segmenten hebben specifieke IDC-types vastgesteld, zodat aangesloten apparaten van verschillende fabrikanten kunnen worden uitgewisseld. Op het gebied van pc's zijn bijvoorbeeld de volgende gemeenschappelijke normen van toepassing:

• 3,5 inch IDE-desktopcomputer harde schijven: 2,54 mm pitch, 40 pinnen, 2 × 20 (2 rijen van 20 pinnen)
• 2,5 inch IDE-notebookcomputer harde schijven: 2,00 mm pitch, 44 pinnen, 2 × 22
• SCSI 8-bits: 2,54 mm pitch, 50 pinnen, 2 × 25
• SCSI 16-bits: 1,27 mm pitch, 68 pinnen, 2 × 34

Voor alle bovenstaande connectors bevestigt de computerfabrikant doorgaans een vrouwelijke IDC-connector aan één uiteinde van een lintkabel met een bijpassende mannelijke boxheader of pinheader op het moederbord van de computer. Er zijn ook enkele contactopstellingen die worden gebruikt met enkele draden in "punch down"-blokken van telefoonbedrading. Een technicus kan de verbinding in het veld maken met behulp van speciaal gereedschap om een geïsoleerde draad tussen de scherpe vorkklemmen van een enkele gewenste contactplaats te duwen.

Naar een IDC-paring uit één stuk gaan

Het lijkt misschien voor de hand liggend en zelfs onvermijdelijk dat een IDC-kabelassamblage met meerdere contacten een bijpassende connector nodig heeft, en dat is al lang het geval. Er is echter een nieuwere aanpak die de vrouwelijke (houder) paringshelft elimineert en in plaats daarvan de pc-printplaat gebruikt als die paringsconnector (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: De REDFIT IDC SKEDD-connector platte kabel IDC-familie van Würth Elektronik steekt direct in de juiste maat en plated vias in de printplaat, waardoor er geen bijpassende vrouwelijke IDC nodig is. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

Dat is het principe van de REDFIT IDC SKEDD-connector platte kabel IDC-familie van Würth Elektronik. Deze connector wordt bevestigd aan de platte lintkabel zoals bij elke IDC-kabel, maar steekt dan direct in de juiste maat en plated holes of vias (afgeleid van het acroniem voor "vertical interconnect access") in de printplaat. Het resultaat is een betrouwbare verbinding tegen lagere kosten met minder contactpunten en minder montagestappen.

Dit is een soldeerloze, met de hand insteekbare, omkeerbare connector, wat betekent dat hij kan worden losgekoppeld zonder speciaal gereedschap, in tegenstelling tot sommige druk- of klikconnectoren die niet kunnen worden losgekoppeld zonder speciaal gereedschap of verwrongenheid door de gebruiker (Afbeelding 6). Het is gebaseerd op een 1,27 mm pitch - vaak "halve pitch" genoemd - en is verkrijgbaar met vier tot 20 (even nummers) contacten per connector; de 10-positie Würth 490107671012-versie vertoont de representatieve specificaties.

Afbeelding 6: De REDFIT IDC SKEDD-connector is een soldeerloze, met de hand insteekbare, omkeerbare IDC, wat betekent dat hij zonder speciaal gereedschap kan worden aangesloten en losgekoppeld. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

De REDFIT IDC SKEDD-connector richt zich op toepassingen zoals consumentenelektronica, installaties voor zonne-energiesystemen, industriële elektronica en werktuigbouwkundige projecten met bedradingsbehoeften. De leverancier garandeert prestaties voor ten minste 10 paringscycli in het veld en 25 bij de prototypebank, waar de omgevingsomstandigheden gunstiger zijn.

Deze beoordeling is een goede match voor de vele producten die niet gedemonteerd zullen worden, behalve misschien voor een eenmalige reparatie of upgrade. De contactweerstand van het totale systeem is gespecificeerd als 10 milliohms (mΩ) met een maximale stroomcapaciteit en spanning van respectievelijk 1 A en 100 volt. De 28 AWG (1,27 mm)-kabels kunnen naar behoefte off-site of in de fabriek worden gemaakt.

Materiaalkunde laat het werken

Om de eerste en meerdere paringscycli te realiseren, moeten de contactpartners van de REDFIT IDC SKEDD zich zodanig aan elkaar aanpassen dat er geen plastische vervorming van het metaal optreedt, zoals bij sommige contactontwerpen wel het geval is. Het SKEDD-contact bestaat daarentegen uit twee armen, die aan de top met elkaar verbonden zijn; en de flexibele vork-achtige armen blijven in de elastische toestand, zelfs als ze worden ingebracht en verbindingen maken, waardoor een omkeerbare verbinding ontstaat (Afbeelding 7).

Figuur 7: De twee armen van het SKEDD-contact blijven tijdens en na het inbrengen in de elastische toestand, een belangrijke factor in hun vermogen om de contactkracht te behouden, en ook om te worden verwijderd en opnieuw in te brengen. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

Aan het einde van het insteekproces bereikt de veerstijfheid van het flexibele SKEDD-contact zijn hoogste waarde. In deze toestand is de normaalkracht van het contact hoog genoeg om ervoor te zorgen dat er geen signaalonderbreking van meer dan 1 microseconde (µs) optreedt als gevolg van mechanische spanning.

Het lijkt misschien dat de SKEDD-contacten en -technologie slechts een geavanceerd verlengstuk zijn van de lang gebruikte perspassing-technologie, maar dat is helemaal niet het geval. Bij de perspassing wordt een massieve pen in het doorlopende gat geperst. De hoge wrijvingskracht tussen pin en gat zorgt voor een homogene koudlas tussen de oppervlakken, waardoor de elektrische en mechanische integriteit wordt gewaarborgd. Het geplateerde doorgaande gat wordt echter ook vervormd tijdens dit inpersproces en het verwijderen van de massieve pen breekt deze verbinding af.

Bij gebruik van perspassing-technologie met flexibele in plaats van massieve pennen blijft het doorgestoken gat intact, maar wordt het penmateriaal zelf vervormd. Hoewel het mogelijk is om de flexibele pin te verwijderen omdat de mechanische verbinding niet zo sterk is als met een massieve pin, is de pin zelf beschadigd en kan deze niet een tweede keer worden gebruikt.

De elastische koppeling en de afwezigheid van plastische vervorming van zowel het contact als de doorvoer via de SKEDD-benadering zorgt er daarentegen voor dat het paringspaar opnieuw kan worden aangesloten zonder dat er sprake is van degradatie, terwijl het vierwegcontact de betrouwbaarheid verhoogt (Afbelding 8).

Afbeelding 8: In tegenstelling tot perspassing-technologie met massieve of flexibele pinnen die de doorvoer of de pin vervormen, vervormt het SKEDD-contact zichzelf of de doorvoer niet; dit is van cruciaal belang om ervoor te zorgen dat de connector en zijn contacten opnieuw kunnen worden ingebracht. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

Interconnectievoordelen en -mogelijkheden

In een typische toepassing van een conventionele IDC-kabel, een kabel met connectors aan beide uiteinden met overeenkomstige printplaatvormige connectors om de aangrenzende printplaten met elkaar te verbinden. Met behulp van de REDFIT IDC SKEDD-connector verkrijgen ontwerpers meerdere voordelen:

• De connector van het moederbord is niet meer nodig; dat zijn twee delen die worden opgeslagen als de REDFIT IDC SKEDD-connector aan beide uiteinden wordt gebruikt.
• Aangezien de REDFIT IDC SKEDD-connector in de boven- of onderkant van een printplaat kan worden geplaatst, is er meer flexibiliteit in de routing van de platte lintkabel en de relatieve afstand en oriëntatie van de printplaat, en is het mogelijk om directe, kortere verbindingen te maken (Afbeelding 9).
• Tot slot is er een kleine gewichts- en materiaalbesparing. Dit is misschien geen factor in sommige ontwerpen, maar het is een belangrijke factor in veel ontwerpen.

Figuur 9: Aangezien de REDFIT IDC SKEDD-connector aan beide zijden van de printplaat kan worden geplaatst, biedt deze meer mogelijkheden voor het geleiden van de kabel en het plaatsen van de aangesloten printplaatjes. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

De kunststof behuizing van de REDFIT IDC SKEDD-connector is een belangrijk onderdeel van de prestaties van de connector. De behuizing heeft twee geleidepennen met iets verschillende diameters op tegengestelde hoeken om de juiste paringsrichting te garanderen en om omgekeerde polariteitsfouten bij de montage te voorkomen (Afbeelding 10). Het behuizingsmateriaal is een kunststof die bestand is tegen hoge temperaturen (nominaal -25 ⁰C tot +105 ⁰C), voldoet aan de UL94 V-0-brandbaarheidsstandaard, heeft een superieure chemische weerstand en heeft een lage thermische uitzettingscoëfficiënt om storingen als gevolg van thermische cycli tot een minimum te beperken.

Afbeelding 10: De geleidepennen met licht afwijkende diameters op de tegenoverliggende hoeken van de connectorbehuizing voorkomen dat de connector in de omgekeerde positie wordt geplaatst. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

Om intermitterende contacten als gevolg van trillingen te voorkomen, zijn er naast de vier contactpunten op elke pen twee kleine wrijvingsvergrendelingen op elke kunststof bordgeleider die werken als een passief vergrendelingssysteem. Het resultaat is een gereedschapsloze afsluiter die bij het inbrengen zichzelf vergrendelt en een levensvatbare verbinding behoudt tot hij met de hand wordt losgekoppeld.

De fabricagespecificaties van de platen zijn volledig gedefinieerd en er wordt gemakkelijk aan voldaan

Voor een succesvol en effectief gebruik van de REDFIT IDC SKEDD-connector is een goede fabricage van de printplaat-vias noodzakelijk. Dit is echter geen probleem, aangezien de kritische eisen in overeenstemming zijn met de huidige standaard printplaatspecificaties. De via-fabricage vereist geen speciale stappen of extra printplaattolerantie boven wat normaal gesproken vereist is.

De maattekening roept de printplaatlay-out op voor de gehele connector en de afmetingen van het boorgat, evenals bijbehorende toleranties voor de voltooide via's in een productiebord (Afbeelding 11). Merk op dat voor het testen en debuggen van prototypes waarbij vaak meer insteek-/verwijderingscycli nodig zijn, een breder tolerantieboorpatroon wordt aangeboden.

Afbeelding 11: De gespecificeerde afmetingen en toleranties voor de lay-out en de afmetingen van het gat in de productieprintplaat om de REDFIT IDC SKEDD-connector te accepteren, evenals toleranties, zijn in overeenstemming met de moderne fabricagestandaarden voor borden (links); het gewijzigde boorpatroon voor debugtoepassingen heeft iets lossere toleranties en zorgt voor meer insteek-/verwijderingscycli (rechts). (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

Conclusie

De tweedelige IDC-kabelassemblage en -systeem wordt al vele jaren gebruikt en heeft zich bewezen als een waardevolle, veelgebruikte meerdraadsinterconnectie-aanpak. Nu biedt de REDFIT IDC SKEDD-connector uit één stuk van de IDC-familie van Würth Elektronik een alternatief dat de parende vrouwelijke IDC-connector overbodig maakt. In plaats daarvan wordt de handinsteekbare/verwijderbare mannelijke pinstekker direct in de printplaat gestoken. Hierdoor worden de kosten verlaagd, wordt de BOM getrimd, wordt een andere bron van potentiële intermitterende contactfouten geëlimineerd en worden extra opties voor kabelgeleiding en printplaatopstelling geboden.

Gerelateerde DigiKey video- en trainingsmodules

Würth Elektronik, REDFIT IDC SKEDD-connector oplossingen

Würth Elektronik, REDFIT IDC-SKEDD-connector van Würth Elektronik eiSos

Referenties

1. "Jaycar Electronics Reference Data Sheet" (Internet Archive Wayback Machine)
2. "Isolatieverplaatsingsconnector" (Wikipedia)