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连接器 – 基础知识

作者:Nathan Raatz

投稿人:Digi-Key Electronics

连接器是几乎任何电子项目中的常见零件。了解可用的连接器和需要记住的规格注意事项,在设计过程中显得非常重要。您不希望在项目接近尾声时发现需要增加内容并调整项目以适应此改动,这样会导致时间和费用成本增加。

如果为项目选择连接器,您需要在指定连接器要求时考虑一些注意事项。一些常见问题包括:

  • 连接器需要多少触头?
  • 您希望或者需要各连接器如何安装?
  • 安装方式为何以及安装需要什么?
  • 您需要或者希望您的应用采用什么端接方法?
  • 采用的连接器是否需要侵入防护?
  • 您预计连接要承受多大电压和电流?

触头数

许多情况下,连接器需要的触头数已知。但是,有时候整体应用的其他需要和各连接器的可用性会最终影响所选连接器的规格。

此外,还需要进一步考虑连接器需处理的电源,因为这将对所选的连接器造成影响。随着连接器的功率容量不断提高,您会发现任何封装/外壳尺寸的触头总数将下降。这是由于更大的线规和/或更高的电压需要更多空间。一些制造商尝试通过在触头之间增加更多隔离以及加大电弧从一个触头到另一个触头的总“距离”,来提高额定电压。此外,有些连接器带有内置在其余触头中的接地触头。这些触头比连接器中的其他触头更长,用于降低/消除两个啮合/非啮合连接器之间的电弧。

此外,选择连接器的过程中需牢记并考虑以下要点:

  • 您需要或愿意使用多少连接器和触头用于将电源输入/输出外壳?
  • 连接器的一般触头组合类型
    • 仅电源触头
    • 仅信号触头
    • 电源和信号触头
    • 信号 + 接地触头
  • 对于仅可使用一个连接器的项目,可能需要使用稍大的连接器,以纳入所有触头。
  • 如果信号和功率触头是分开的,所需安装空间会增加。但是,这可能是应用的常规布局要求,或者应用的功能使得两个触头要分开。

安装类型

项目还需要考虑您想要如何安装各连接器。以下例举几种安装类型并提供示例链接。

安装方法

术语“安装”和“端接”常互换使用,但需要牢记并非始终可以互换,两者之间有所区别。安装指整个项目和连接器如何作为整体进行连接/固定/附着。端接指如何进行电气连接。通孔安装和表面贴装在多数情况下指可以特定方式安装和端接的连接器(详见下述“端接方法”)。以下为安装、啮合和端接组合的可能示例:

  • 连接器 1
    • 采用面板安装
    • 使用直角表面贴装触头端接到电路板
  • 啮合连接器 1 的连接器 2 为
    • 自由悬挂连接器
    • 采用螺纹端接

端接方法

各端或各连接需要什么端接方法?如果没有预先说明的特定类型要求,则端接方式可以视个人喜好而定。但是,有的应用可能需要特定类型的端接。

  • 焊接端接 - 对连接器而言,这种端接方法在众多应用中均适用。但是,如果是高温区域的应用,可能需要考虑更多机械端接方式。焊接可用于电线端接和电路板端接连接。因此,这种类型的端接包括多种连接器焊接方式。通孔焊接和如上所述的表面贴装,描述的是一种安装和端接类型。

典型连接器焊接端接的图片

图 1:典型连接器焊接端接。

  • 通孔焊接 - 在连接器端接侧留有引脚,用于穿过电路板上的预穿孔,并且通常在通孔连接器接入侧的电路板对侧铺有铜焊盘。放置到位后将焊接固定。

板对板/板对电缆通孔连接器图片

图 2:这种板对板/板对电缆连接器采用通孔焊接方式连接到 PCB。

  • 表面贴装端接 - 连接器引脚和贴装焊盘位于 PCB 相同侧。连接器可手动放置并焊接到位,或者采用回流焊和波峰焊焊接到位。注意,某些电路板/卡边缘连接器也采用表面贴装类型。

板对板/板对电缆表面贴装连接器图片

图 3:这种板对板/板对电缆连接器采用表面贴装焊接到 PCB。

  • 压接 - 这种类型的端接非常稳健可靠,可用于端接电线。但是,这取决于压接的质量和在触头外壳中的正确安装。为了实现优质的压接和整体连接,需要确保针对外壳使用正确的触头以及正确的压接工具。对于这些触头,工具选择是一个重要的步骤。如果最终质量不是重点考虑事项,则可采用已有其他工具或更低成本的器件。但是,如果要考虑最终质量,则需要使用制造商建议的工具、相关的电线制备步骤,以及制造商针对压接后检查提供的任何压接质量数据(注意:并非需要全部检查,只要取样验证即可)。如果未采用工具和正确的步骤,并且连接出错,大部分此类连接器的制造商都不会提供支持或担保。

压接到剥皮电线导线的触头图片

图 4:压接到剥皮电线导线的触头示例。

  • 压入式/插入式 -
    • 这种类型可以为永久端接或可松开的端接,同样具备相当好的可靠性和稳健性。但是,如果用于高振动环境,建议检查连接器的防振强度。
    • 此类端接通常只需要将电线去皮,然后将其压入连接器,或者启动锁定杆至未锁定状态,插入电线,将锁定杆移动到锁定状态。
    • 对于可以松开电线的类型,可在连接器中内置某种机构,或者需要诸如平口螺丝刀之类的工具压入到外壳的槽中。

端接剥皮电线的板安装连接器图片

图 5:这种板安装连接器端接有剥皮电线,电线被压入到下方开口中。这种情况下,可在需要时使用工具松开电线。

可端接剥皮电线的自由悬挂连接器图片

图 6:这种自由悬挂连接器可通过将电线压入/插入到其中一端来端接剥皮电线。对于这种特定类型的连接器,可通过扭动和拉动操作松开电线。

使用螺纹端接电线的连接器示例

图 7:这些是使用螺纹端接电线的连接器示例。

  • 绕接
    • 示例包括 CWN-370-50-0000。这种类型的连接器可用于绕接应用。
    • CWN-370-50-0000 设计为首先安装到 PCB,焊接到位后再进行绕接。
    • 这些连接器不一定用于将大规模投产的产品中。它们用于高频终端产品和低生产量的产品原型。
    • 以下链接显示关于绕接实践的信息

采用绕接方法的连接器图片

图 8:这些是使用绕接方法端接电线的连接器示例。

  • 压合 - 可以是无焊接端接类型。因此,这种方法能帮助降低项目的整体成本。注意,压合端接通常设计为不与焊接同时使用。但是,如果出于某些原因您需要焊接此类连接器,必须知悉这样做会对零件造成影响,并且制造商可能不会为出现的问题提供任何支持。建议在焊接这些连接器之前谨慎考虑并进行测试。此外,这种端接类型会配备可用工具,确保连接器平稳插入且完全放置到位。建议使用制造商列明的工具。如果制造商未列明工具,则可能需要直接联系制造商,他们可能需要与您讨论应用需求。Digi-Key 的压合技术简介是针对这种技术类型的极佳参考资料。

可端接到所安装电路板上预留孔的连接器示例图

图 9:这些是可端接到所安装电路板上预留孔的连接器示例,包括通孔和压合类型。

环境考虑因素

如果是比较普通的应用环境,预计不会出现任何极值,则几乎任何连接器都适用于指定的具体需求。但针对严苛应用环境设计项目时 - 例如所用连接器可能遇到振动、运动冲击、屏蔽、环境侵入、油、溶剂、或任何种类的化学品和腐蚀 - 则需要在选择过程中牢记这些特性。

  • 振动和动力冲击
    • 对于外壳内部的连接,可以选择具备安装凸台和其他更大焊盘/引脚等额外特性的连接器。OmronXH5 产品简介提供了一些正好包括这两种特性的选择。从第 3 页开始,文件提供连接器图示以及各连接器可使用的安装模式,以充分利用安装特性。
    • 对于需要进出外壳的连接,任何特定类型的连接器都有相当多的选择。
    • 应查阅当前考虑的连接器规格,以了解其是否经过相关测试并适合该项目预计可能遇到的冲击和振动水平。
  • 屏蔽
    • 当环境磁噪声是重点考虑事项或者会定期造成问题时,连接器应具备屏蔽功能。
    • 对于采用屏蔽功能的连接器,可能需要考虑是否仅特定零件需要屏蔽,或者(对于电缆的情况)是否需要对整条路径统一进行屏蔽。以以太网电缆为例。如果环境条件良好,则可使用一些基本的以太网线缆和 8 位模块化连接器。但是,随着环境磁噪声增加,则需要考虑/使用具有屏蔽功能的模块化连接器和以太网电缆。
    • Wurth Electronik 有效 EMI 屏蔽概念应用说明是参阅屏蔽问题相关信息的良好参考。
  • 对于油、溶剂或任何类型的化学品和腐蚀,可能无法找到既符合其他规格又具备适应此类环境的额定值选择。某些情况下,如果额定值达不到要求,可能需要与制造商就获得能用于此类环境的连接器变体而进行沟通。
  • 连接器是否需要侵入防护
    • 侵入防护级别表示连接器可防止固体/灰尘和潮气/水进入其受保护区域的程度。如果这是一个重点考虑事项,应在选择连接器的过程中进行考虑,这样可排除不符合侵入防护要求的所有其他选项。
    • 侵入防护等级格式 IPX1X2YZ
      • IP = 侵入防护
      • X1
        • 0 - 无特殊防护
        • 1 - 针对 50 mm 以上的固体提供防护,如人手意外接触
        • 2 - 针对 12 mm 以上的固体提供防护,如手指
        • 3 - 针对 2.5 mm 以上的固体提供防护(工具和电线)
        • 4 - 针对 1 mm 以上的固体提供防护(工具、电线和细电线)
        • 5 - 针对灰尘提供有限侵入防护(无有害沉积)
        • 6 - 完全防尘
      • X2
        • 0 - 无防护
        • 1 - 针对垂直下落水滴的防护,如冷凝水
        • 2 - 针对偏离垂直方向最多 15° 的直接喷洒水防护
        • 3 - 针对偏离垂直方向最多 60° 的直接喷洒水防护
        • 4 - 针对各方向的喷洒水防护 - 允许有限侵入
        • 5 - 针对各方向的低压喷射水柱防护 - 有限侵入
        • 6 - 临时淹水防护,如用于船甲板 - 允许有限侵入
        • 7 - 针对 15 cm 到 1 m 的浸泡作用防护
        • 8 - 长期加压浸泡防护
      • Y 和 Z
        • 不常用
        • 可用于表示多种规格。以下信息有助于定义 Y 和 Z
      • 这是我从 Switchcraft 的工程设计团队获得的资料 -“IP 编码在 IEC 60529 中定义。下面提供的快照包含了基本信息。”(图 10)

IEC 60529 中定义的 IP 代码的图片

图 10:IEC 60529 中定义的 IP 代码。(图片来源:Switchcraft)

    • 其他规格可在可选数字上进行扩展。DIN 40 050 针对公路车辆的电气设备加入“K”选项。例如,IP69K 表示针对高压/蒸汽喷射清洁 (9K) 防护的防尘 (6) 外壳。
    • 关于详细规格信息,请参考以下链接:

额定电流和电压

  • 需要多大额定电流?
    • 选择连接器时,应该要选能处理最大预期电流的连接器。
    • 建议尽可能选择能处理高于预期电流的连接器,为任何非预期过电流提供余量。
    • 有的连接器未在说明文档中列明电流。对于这种情况:
      • 如果是板安装连接器,尝试找到电缆安装的啮合处。连接器的线规可用于查找额定电流。
      • 请参考本链接,查看 AWG 额定电流转换。

http://www.powerstream.com/Wire_Size.htm

  • 需要处理什么额定电压?
    • 选择连接器时,应该要选能处理最大预期电压的连接器。
    • 建议尽可能选择能处理高于预期电压的连接器,为任何非预期过电压提供余量。
    • 如果您所寻找的具体连接器未列明电压
      • 有时,您可以查阅具有相同或非常类似的触头间距和物理结构的其他连接器,其中一些会指明能处理的电压。
      • 如果没有提供额定电压数据,则联系连接器制造商,了解是否能提供相关信息,或者联系 Digi-Key 的应用工程团队,看看能否帮助寻找相关信息。

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Digi-Key Electronics 总部设在美国明尼苏达州锡夫里弗福尔斯市,是一个同时针对原型开发/设计提供小批量供应、针对生产提供大批量供应的全球电子元件综合服务提供商,在 Digi-Key 上提供 750 多家优质制造商品牌、六百多万种产品。