Циклы сопряжения: Долговечность инженерных соединителей
Если вы оглянетесь вокруг, то велика вероятность, что через несколько секунд ваш взгляд упадет на какой-нибудь электрический разъем. В наши дни это, скорее всего, не USB-разъем, учитывая их повсеместное распространение в качестве зарядного устройства для всего, от телефонов до фонариков. Но есть множество других разъемов, от сетевых розеток в стене до разъемов Ethernet, и если вы хоть в чем-то похожи на нас, то у вас есть полный набор разъемов DuPonts, разъемов типа «банан», разъемов BNC, разъемов SMA и всего остального алфавитного набора разъемов. Учитывая их склонность к поломкам и общую репутацию неизбежного зла в электротехнике, утверждение о том, что все соединители спроектированы на длительный срок службы, может показаться спорным. Но это правда, что они спроектированы так, чтобы прослужить долго, но только до тех пор, пока это необходимо. Некоторые из них рассчитаны всего на несколько циклов спаривания, в то время как другие рассчитаны на длительный срок. В любом случае, соединители — это отличный пример инженерного компромисса, который объединяет физику, химию и материаловедение в одном процессе.
История о двух разъемах
Несмотря на то, что сегодня доступно огромное количество разъемов, у большинства из них есть по крайней мере несколько общих черт. Как правило, соединители состоят из одного или нескольких электропроводящих элементов, удерживаемых на месте каким-либо изолирующим корпусом, который может механически присоединяться к другому корпусу, содержащему больше электропроводящих элементов. При подключении двух разъемов проводящие элементы вступают в физический контакт друг с другом, замыкая цепь и обеспечивая прохождение тока с низким сопротивлением. Корпуса также должны иметь возможность отделяться друг от друга, когда необходимо разорвать соединения.
Этот соединитель Molex рассчитан всего на несколько циклов сопряжения в течение срока его службы. Автор: Barcex – Самостоятельно опубликованная работа, CC BY-SA 2. 5.
Как бы просто это ни звучало, но для создания разъемов, подходящих для данной работы, требуется много инженерных усилий. Предполагаемое использование разъема во многом определяет его конструкцию, и с точки зрения долговечности разъема изучение крайних значений может быть поучительным. С одной стороны, у нас может быть что-то вроде разъема Molex на жгуте проводов в посудомоечной машине. В идеальных условиях такой разъем можно использовать только один раз, на заводе-изготовителе при сборке. Если будущему владельцу прибора не повезет, этот разъем может пройти еще один или два цикла сопряжения, если в какой-то момент потребуется техническое обслуживание машины. В любом случае, разъем будет подвергаться только небольшим циклам сопряжения, состоящим из одной цифры, и должен быть спроектирован соответствующим образом
С другой стороны, разъем USB-C рассчитан на 10 000 циклов сопряжения. Автор Tomato86 — собственная разработка, CC BY-SA 4. 0.
На другом конце спектра циклов сопряжения было бы что-то вроде разъема USB-C на мобильном телефоне. Если предположить, что пользователь будет заряжать телефон один раз в день, разъему, возможно, придется выдерживать многие тысячи циклов сопряжения в течение срока службы телефона. У такого разъема совершенно другие возможности использования, чем у разъема типа Molex, и совсем другие конструктивные ограничения. Но основная задача — привести два проводника в тесный контакт, чтобы замкнуть цепь с низким сопротивлением и обеспечить разрыв цепи только при определенных обстоятельствах — одинакова для обоих. Но что именно мы подразумеваем под «тесным контактом»? Может показаться очевидным, что провода в каждой половине разъема должны соприкасаться друг с другом. Но поддерживать контакт между этими проводниками — настоящая хитрость, особенно в сложных условиях, например, под капотом автомобиля или внутри станка с ЧПУ, где вибрация, пыль и попадание жидкости могут привести к разъединению контактов и разрыву цепи, пока она еще используется.
Эссеипочему это нормально?
Для поддержания контактов в рабочем состоянии инженеры используют один из самых простых механизмов — пружины. В большинстве разъемов контакты сами по себе являются пружинящими элементами, хотя есть разъемы, в которых усилие прикладывается к контактам с помощью отдельных пружин. В любом случае усилие, создаваемое пружиной, достаточно плотно прижимает контакты друг к другу, чтобы они оставались соединенными. Это нормальное усилие, называемое так потому, что при соединении соединителя оно прикладывается перпендикулярно плоскости контакта.
Традиционно при проектировании соединителей нормальное усилие выражается в граммах, что выглядит как оскорбление системы СИ, где усилие выражается в ньютонах. Но не бойтесь, «грамм» не относится к массе контакта, а скорее является сокращением от «грамм-сила», сила, приложенная одним граммом массы в гравитационном поле массой в один грамм. Таким образом, контакт весом «80 грамм» на самом деле оказывает нормальное усилие в 0,784 Н. Но это немного громоздко, особенно если учесть, что в большинстве соединителей нормальные усилия составляют доли Ньютона. В итоге проще обратиться к граммовой части уравнения и просто принять составляющую ускорения.
Величина нормального усилия, прилагаемого контактами, является критическим фактором при проектировании разъема и должна быть правильно рассчитана для данной работы. Если усилие слишком низкое, это может привести к увеличению сопротивления цепи или даже к прерывистому замыканию. Если усилие слишком велико, соединитель может быть трудно соединять и разъединять, или контакты могут изнашиваться из-за чрезмерного трения. Поскольку сами контакты обычно являются не только проводниками, но и пружинами, правильное определение нормального усилия, а также обеспечение высокой электропроводности контактов — это в значительной степени упражнение в материаловедении. Хотя чистая медь является отличным проводником, она недостаточно эластична, чтобы обеспечить надлежащее нормальное усилие. Поэтому в большинстве разъемов для изготовления контактов используется один из двух родственных медных сплавов: люминофорная бронза или бериллиевая медь. Оба они являются отличными электрическими и тепловыми проводниками, прочными и упругими, но между ними существуют существенные различия, которые делают их подходящими для различных типов разъемов. Как следует из названия, люминофорная бронза представляет собой сплав фосфора и бронзы, которая сама по себе является сплавом меди и олова. Для получения люминофорной бронзы в чистый расплавленный медный сплав добавляют около 0,03% фосфора. Любой кислород, растворенный в меди, вступает в реакцию с фосфором, образуя пятиокись фосфора (P2O5), которая может быть легко удалена в процессеочистка. Для получения конечного сплава, который легко отливается в листы или рулоны, добавляют около 2% олова, около 10% цинка и 2% железа.
Несмотря на то, что люминофорная бронза намного превосходит чистую медь или нефлюминофорную бронзу для использования в контактах, она, по крайней мере, лучший, компромиссный материал. Он достаточно хорош практически во всех категориях — прочность, эластичность, электропроводность, износостойкость — но не очень хорош ни в одной из них. Это «Мастер на все руки», не имеющий аналогов в мире электрических контактов, что в сочетании с простотой обработки и низкой стоимостью делает его предпочтительным металлом для изготовления контактов в обычных разъемах. Если производитель выпускает миллион экземпляров разъема, особенно достаточно дешевого, чтобы никто не плакал, если его придется заменить, велика вероятность, что он выберет люминофорную бронзу. Кроме того, этот сплав, скорее всего, будет использоваться для соединителей, предназначенных для применения с малым циклом сопряжения, таких как вышеупомянутая посудомоечная машина Molex.
Для более важных контактов обычно используется другой сплав: бериллиевая медь. Бериллиевая медь, также известная как пружинная медь, содержит примерно до 3% бериллия, но для использования в электротехнике обычно используется около 0,7% с небольшим добавлением кобальта и никеля. Бериллиевая медь — это то же самое, что и люминофорная бронза, и даже больше. Она прочнее и пружинистее, является гораздо лучшим электрическим проводником, а также обладает лучшей способностью противостоять ползучести под нагрузкой. Ползучесть под нагрузкой, также известная как ослабление напряжений, — это тенденция пружины со временем терять свою прочность, что снижает ее нормальное усилие. Люминофорная бронза обладает довольно хорошей устойчивостью к релаксации напряжений, но когда она нагревается выше 125° C, она начинает терять упругость, что не идеально для применения в системах с высокой мощностью. Бериллиевая медь легко выдерживает температуру 150°C и более, что делает ее лучшим выбором для разъемов питания. Бериллиевая медь также обладает более высоким модулем упругости, чем люминофорная бронза, что облегчает создание небольших контактов, которые все еще обладают достаточной нормальной силой для поддержания хорошего контакта. Чем меньше размер, тем лучше, когда речь заходит о современных соединителях высокой плотности, поэтому вы часто увидите, что в соединителях с тонким шагом используется бериллиевая медь. Он также обладает большей износостойкостью и, как правило, сохраняет нормальное усилие в течение повторяющихся циклов сопряжения, что делает его желательным для соединителей, срок службы которых исчисляется тысячами циклов. Но только потому, что это желательно, не означает, что бериллиевая медь по меньшей мере в три раза дороже люминофорной бронзы. Это означает, что он обычно используется для разъемов, которые могут оправдать дополнительные расходы.
Благородство — это всего лишь поверхностный слой
Независимо от того, из какого основного металла изготовлены контакты разъема, велика вероятность, что готовый контакт будет иметь какой-то вид с гальваническим покрытием. Нанесение покрытия важно, поскольку оно защищает основной металл от окисления, а также повышает износостойкость контактов и улучшает их электропроводность. Металлы с покрытием делятся на две большие категории: благородные (в основном золото, иногда для изготовления мощных разъемов используется серебро, а также палладий, но очень редко) и недрагоценные покрытия.
Отделка благородными металлами довольно часто используется в соединителях высокой плотности, радиочастотных устройствах и высокоскоростных цифровых схемах, а также в высоконадежных устройствах и соединителях, которые, как ожидается, будут иметь высокие циклы сопряжения. Но, рискуя констатировать очевидное, золото стоит дорого, поэтому его используют только в тех разъемах, где это действительно необходимо. И даже в этом случае очень редко весь контакт покрывается металлом. Хотя это было бы невероятно дорого — в настоящее время цена на золото достигает 4000 долларов за унцию — реальная причина в том, что золото не особенно поддается пайке. Поэтому, как правило, селективное покрытие используется для нанесения золота только на сопрягаемые поверхности контактов, при этом задняя часть контакта покрыта неблагородным металлом для улучшения паяемости.
Среди материалов, не содержащих благородных металлов, олово и оловянные сплавы являются предпочтительными. Помимо отличной паяемости, оловянные сплавы отлично защищают основной металл от коррозии. Однако само лужение начинает окисляться почти сразу же после его нанесения. Это может показаться проблемой, но ее легко решить, используя большее усилие пружины в контактах, чтобы прорвать оксидный слой и получить свежее олово. Для оловянных контактов обычно требуется усилие в 100 грамм и более, в то время как для контактов из благородных металлов можно использовать 30 грамм и менее. Кроме того, оловянные контакты требуют гораздо более толстого покрытия, чем контакты из благородных металлов. Tin обычно указывается для обычных соединителей, и везде, где количество циклов сопряжения, скорее всего, будет небольшим.
Не волнуйтесь
Хотя коррозии, очевидно, следует избегать, настоящим врагом, когда дело доходит до долговечности разъема, является контакт металла с металлом. Давление пружины между контактами неизбежно воздействует на покрытие, и хотя это действительно желательно для луженых контактов, слишком много хорошего — это плохо. Проникновение за пределы покрытия в основной металл означает конец пути для многих соединителей, поскольку относительно низкая электропроводность основного металла увеличивает сопротивление соединения, что потенциально может привести к перебоям в соединении и даже перегреву. Опять же, благородные металлы в этом отношении работают лучше, по крайней мере, в долгосрочной перспективе, поскольку их меньшее нормальное усилие уменьшает трение и приводит к более долговечному контакту.
Существует еще одно металлургическое явление, которое может нанести ущерб соединителям: фреттинг. Трение возникает из-за незначительных перемещений контактов друг относительно друга, порядка 10-7 метров, как правило, в ответ на вибрации с низкой нагрузкой, а также в результате теплового расширения и сжатия. Фреттинг-повреждение возникает, когда сила микродвижений между контактами превышает нормальную силу, действующую между ними. Это приводит к тому, что один контакт немного проскальзывает по другому, оставляя борозду в металле покрытия. В контактах с луженым покрытием при этом обнажается свежее олово, которое мгновенно окисляется, образуя изолирующую поверхность. При дальнейших микродвижениях обнажается еще свежее олово, что приводит к образованию большего количества оксидов. В конечном итоге соединение выходит из строя из-за высокого сопротивления. Трение коварно, потому что оно происходит даже без большого количества циклов сопряжения; все, что требуется, — это небольшая вибрация и некоторое время. И это враги всех соединителей.
Другие статьи: