Använd IDC-kontaktdon för att effektivisera montering och förkorta materiallistan

Många ingenjörer väljer att använda IDC-kontaktdon (insulation displacement connector) och tillhörande flatkablar för att utföra anslutning till flera positioner. Sådana kontaktdon erbjuder hög kontaktdensitet och massterminering i ett enda steg, samtidigt som man slipper kabelskalning. Användare av IDC-kontakter antar nog vanligen att de är tvådelade enheter, där den ena delen är ett hankontaktdon som sticks in i den andra delen. Sådana IDC:er finns i en rad olika utföranden och varianter (exempelvis kortmonterade eller frihängande) med allt från 8 till 50 platser (normalt), och de används med flatkablar av multiledartyp.

IDC:er erbjuder många fördelar, men utvecklarna strävar alltid efter att sänka komponentkostnaderna, förenkla designen, förenkla inköpen och effektivisera monteringsprocessen i produktionsmiljön. Samtliga av dessa mål kan uppnås i ett enda steg, med hjälp av en integrerad IDC-kontakt som terminerar flatkabeln och samtidigt eliminerar behovet av en motsvarande anslutningsdel.

Denna innovation, som till viss del strider mot ”konventionellt tänkande” kring IDC-kontaktdon, används i IDC-kontakten WR-WST REDFIT IDC SKEDD från Würth Elektronik. Den använder mönsterkortet som motstående anslutningsdel, vilket minskar kostnaderna, förenklar monteringsprocessen och eliminerar en artikel från inköpslistan – allt utan att kompromissa med funktion eller prestanda. I den här artikeln beskriver vi drivkrafterna för att utveckla den här typen av IDC-innovationer, och vi introducerar WR-WST-kontakten och förklarar hur man drar fördel av den.

Vad är IDC:er och varför behövs de?

IDC:er löser många problem genom att erbjuda snabb och enkel terminering av flera signal- och strömledare, kombinerat med snabb och enkel tillslutning och brytning av anslutningsvägen (figur 1). IDC-baserade kabelenheter används i många tillämpningar, exempelvis mellan intilliggande mönsterkort eller mellan ett processmönsterkort och en mer avlägset placerad användardisplay eller knappsats. I vissa system används flatkabeln som en sorts flexibel ”buss” som stöder anslutning av kabeländar men även av kontaktdon som är placerade längs den flexibla kabeln, så att andra mönsterkort kan anslutas till en gemensam ledningsbana.

Figur 1: IDC-kabelenheter består av krimpade han- och honkontaktdon tillsammans med en flatkabel med flera ledare, så som i den här kabeln med 16 ledare. Ibland har kabeln endast en eller ett fåtal färger, till skillnad från den färgglada varianten på bilden. (Bildkälla: eBay)

IDC-tekniken utvecklades för mer än 50 år sedan. Sedan dess är den vanligt förekommande och har utvecklats till många olika versioner med ökad kontaktdensitet, fler anslutningar per kontaktdon och andra förbättringar. Som namnet antyder, baseras IDC-tekniken (där D står för ”displacement”, som betyder ”förflytta”) på principen om att förflytta – skjuta åt sidan – en del av isoleringen runt kabelledarna för att skapa en direkt elektrisk anslutning till kopparn (figur 2). Man behöver inte skala bort isolering från ledaren, eftersom de vassa metallkanterna tränger igenom isoleringen och skapar en gastät anslutning.

Figur 2 (överst)

Figur 2 (undre)

Figur 2: I en IDC-kontakt trycks den övre kontaktdelen ned, för att på en och samma gång krimpa kontakterna och tränga igenom isoleringen runt alla ledare i kabeln (överst). Tittar man närmare på kontaktdonet med borttagen överdel (bilden längst ned) ser man att kontakterna sticker ut genom isoleringen. (Bildkälla: Jaycar Electronics, referensdatablad)

Utvecklingen av ett isoleringsmaterial som kan trängas igenom på ett ändamålsenligt sätt var ett av många framsteg som ledde till massanvändning av IDC:er. Eftersom flatkabeln innehåller flera ledare kan många termineringar göras samtidigt. Därför förekommer termen ”massterminering” ofta i samband med IDC-kablar. De första IDC:erna var begränsade till solida enkelledare för tillförlitliga anslutningar, men tack vare tekniska framsteg kunde man snart börja använda även ledare med kardeler.

Det finns många standardversioner av både han- och honkontaktdon. Exempel är fastlödda kontakter på mönsterkort eller frihängande kontakter som terminerar en kabelände. Det här innebär att en IDC-kabelenhet kan anslutas till en kortmonterad kontakt eller en annan IDC-kabel.

Ett exempel är Würths 61201023021, ett rektangulärt honkontaktdon med dubbla rader, 10 positioner och 2,54 mm stiftavstånd. Kontaktdonet krimpas på kabeln (figur 3). För en kabel som kräver ett hankontaktdon i stället, finns Würths 61201025821, en motstående IDC-kontakt (figur 4). För både han- och honkontaktdonen finns det motstående kontaktdon som kan monteras på mönsterkort och ge en fullständig väg från kabel till kort. Här visar vi Würth-kontakter med 10 positioner, men Würths sortiment av WR-BHD-lister och IDC-kontakter innehåller kontaktdon med upp till 60 positioner.

Figur 3: 61201023021 från Würth Elektronik är ett rektangulärt IDC-honkontaktdon med dubbla rader, 10 positioner och 2,54 mm stiftavstånd. Den är avsedd att krimpas på en frihängande flatkabel. (Bildkälla: Würth Elektronik)

Figur 4: 61201025821 från Würth, ett IDC-hankontaktdon är komplementet till IDC-kontaktdonet 61201023021. (Bildkälla: Würth Elektronik)

IDC:er och tillhörande flatkablar finns i många olika varianter, till exempel med stiftavstånd på 1,27 mm eller 2,54 mm och med olika antal stift. Maximal strömkapacitet är vanligen 1–3 A, med ledningsdimensioner från 30 AWG till 22 AWG. Det finns också IDC-kontakter för DB-xx-anslutningar, för de en gång så vanliga formaten DB-25, DB-15 och DB-9 (vanliga för RS-232-gränssnitt).

Vissa branschsegment har etablerat specifika IDC-standarder, så att enheter från olika tillverkare är kompatibla med varandra. Inom exempelvis persondatorer är följande varianter standard:

• 3,5-tums IDE-hårddisk för stationär dator: 2,54 mm stiftavstånd, 40 stift, 2 × 20 (2 rader med 20 stift)
• 2,5-tums IDE-hårddisk för bärbar dator: 2,00 mm stiftavstånd, 44 stift, 2 × 22
• SCSI 8-bit: 2,54 mm stiftavstånd, 50 stift, 2 × 25
• SCSI 16-bit: 1,27 mm stiftavstånd, 68 stift, 2 × 34

För samtliga av ovanstående kontaktdon brukar datortillverkaren montera en IDC-hona i flatkabelns ena ände och en motsvarande hane (stiftdosa eller stiftlist) på datorns moderkort. Det finns även utföranden med enkla ledare i ”nedtryckbara” block av telefonledningar. Tekniker ute i fält kan utföra anslutningen genom att använda ett specialverktyg för att trycka in en isolerad ledning mellan de vassa gaffelterminalerna vid en önskad kontaktplats.

Övergång till IDC-anslutning med en enda del

Kanske verkar det fullständigt oundvikligt att en IDC-kabelenhet måste ha en motstående kontaktdel, och länge var detta en självklarhet. Men det finns en ny metod där uttagsdelen (honan) har eliminerats. I stället används mönsterkortet som motstående kontaktdon (figur 5).

Figur 5: Würth Elektroniks REDFIT IDC SKEDD-kontakt för flatkabel ansluts direkt till pläterade genomgående hål i mönsterkortet, vilket eliminerar behovet av en motstående IDC-hona. (Bildkälla: Würth Elektronik)

Det är principen bakom REDFIT IDC SKEDD-kontakterna från Würth Elektronik. Precis som vanliga IDC-kontaktdon är SKEDD-kontakten monterad på flatkabeln, men pluggas sedan direkt in i pläterade genomgående hål i mönsterkortet. Resultatet är en tillförlitlig anslutning till lägre kostnad och med färre kontaktpunkter och färre monteringssteg.

SKEDD-kontakten kan pluggas in manuellt och är reversibel. Det innebär att den kan pluggas in utan att använda specialverktyg, till skillnad från när vissa andra kontakter ska kopplas in, då det krävs både specialverktyg och en hel del ansträngning från användaren (figur 6). Kontakten baseras på stiftavståndet 1,27 mm och finns med 4–20 (jämna värden) kontakter per kontaktdon. Representativa specifikationer återfinns hos Würth-kontaktdonet 490107671012 med tio positioner.

Figur 6: REDFIT IDC SKEDD är ett lödningsfritt reversibelt IDC-kontaktdon som kan pluggas in och dras ur manuellt, utan specialverktyg. (Bildkälla: Würth Elektronik)

”Målgruppen” för REDFIT IDC SKEDD-kontaktdon är tillämpningar inom konsumentelektronik, solenergisystem, industriell elektronik och mekanikprojekt med anslutningsbehov. Återförsäljaren garanterar en livslängd på minst 10 anslutnings- och frånkopplingscykler i reella tillämpningar och 25 cykler på provbänken, där miljön är gynnsammare.

Det här är bra värden för alla produkter som plockas isär eller demonteras endast vid enstaka reparationer eller uppgraderingar. Kontaktresistansen för hela systemet är 10 mOhm, med en maximal strömkapacitet och en nominell spänning på 1 A respektive 100 V. Kablar med dimensionen 28 AWG (1,27 mm) kan monteras på plats eller i fabriken, beroende på behov.

Materialvetenskap får det att fungera

För att kunna erbjuda en första, och därefter upprepade anslutningscykler, får ingen av de två metalldelarna i ”armparet” hos REDFIT IDC SKEDD genomgå plastisk deformation, vilket kan inträffa i andra typer av kontakter. SKEDD-kontakten består av två armar som sitter ihop med varandra högst upp. Den flexibla gaffelformen gör att armarna förblir elastiska, både när kontakten sticks in och när den är på plats (figur 7).

Figur 7: SKEDD-kontaktens två armar förblir elastiska både när kontakten sticks in och efteråt, vilket är en avgörande egenskap för bibehållen kontaktförmåga, liksom för möjligheten att ta ur och sedan åter sätta i kontakten. (Bildkälla: Würth Elektronik)

I slutet av insticksåtgärden nås maximal fjäderstyvhet hos den flexibla SKEDD-kontakten. I det läget är kontaktens normalkraft så pass hög att mekanisk påkänning inte kan orsaka några signalavbrott överstigande 1 µs.

SKEDD-tekniken kanske i stort bara verkar vara en avancerad variant av den sedan länge etablerade presspassningstekniken, men det stämmer inte. I ett presspassningssystem trycks ett styvt stift in i det pläterade genomgående hålet. Den höga friktionen mellan stiftet och hålet skapar en homogen kallsvets mellan ytorna, vilket säkerställer elektrisk och mekanisk integritet. Men under insticksprocessen deformeras det pläterade hålet, vilket innebär att anslutningen bryts om man försöker ta bort det styva stiftet.

Används presspassningstekniken med flexibla stift (i stället för styva), deformeras själva stiftmaterialet medan hålet förblir intakt. Det går att ta bort det flexibla stiftet eftersom den mekaniska anslutningen inte är lika stark (som med ett styvt stift), men då går stiftet sönder och kan inte användas igen.

Detta kan jämföras med SKEDD-tekniken, där hopkoppling sker utan plastisk deformation av vare sig stiften eller hålet, vilket säkerställer att de två delarna kan tas isär och återanslutas utan försämrat resultat och med säkerställd, bibehållen kontaktförmåga vid varje yta (figur 8).

Figur 8: Vid presspassning med styva eller flexibla stift deformeras antingen hålet eller stiftet vid insättningen. Med SKEDD-kontakten deformeras varken stiftet eller det genomgående hålet. Detta är avgörande för möjligheten att kunna ta ur kontakten och sedan ansluta den på nytt. (Bildkälla: Würth Elektronik)

Fördelar och möjligheter

I en typisk tillämpning där intilliggande mönsterkort ska anslutas med en konventionell IDC-kabel, har kabeln ett kontaktdon i varje ände, och båda kontaktdonen ansluts till motsvarande anslutningar på korten. REDFIT IDC SKEDD-kontaktdonet ger flera fördelar:

• Det eliminerar behovet av ett motsvarande anslutningsdon på det andra kortet, dvs. att två delar sparas in om REDFIT IDC SKEDD-kontaktdon används i båda ändarna.
• Eftersom REDFIT IDC SKEDD-kontaktdon kan anslutas på vilken som helst av de båda kortsidorna, får man större flexibilitet gällande flatkabelns dragning och placering. Anslutningsvägen kan göras kortare och mer direkt (figur 9).
• Slutligen kan vissa vikt- och materialbesparingar göras. Det kanske är mindre viktigt i vissa konstruktioner, men kan vara avgörande i andra.

Figur 9: Eftersom REDFIT IDC SKEDD-kontaktdon kan anslutas till båda sidorna av mönsterkortet, erbjuds fler möjligheter att dra kabeln och placera de anslutna korten. (Bildkälla: Würth Elektronik)

REDFIT IDC SKEDD-kontaktdonets plasthölje spelar en viktig roll för funktionen. Höljet har två styrstift med något olika diametrar, placerade i motsatta hörn. Detta säkerställer korrekt hopsättning och förhindrar fel på grund av omvänd polaritet (figur 10). Höljet är av plast som klarar höga temperaturer (-25 ⁰C till 105 ⁰C), uppfyller kraven för brandklassificering UL94 V-0, har utmärkt kemikaliebeständighet och låg värmeutvidgningskoefficient, vilket minimerar risken för fel på grund av temperaturvariationer.

Figur 10: Höljet har två diagonalt placerade styrstift med olika diametrar, för att förhindra att kontakten sätts i felvänd. (Bildkälla: Würth Elektronik)

God kontaktförmåga säkerställs av att varje stift har fyra kontaktytor. Men intermittent kontakt förhindras också av två små friktionslås på varje plastkortskena, vilket ger ett passivt låssystem. Resultatet är en verktygsfri, självlåsande och tillförlitlig anslutning, med en kontakt som kan dras ut manuellt.

Tydliga och enkla specifikationer för korttillverkning

Mönsterkortets genomgående anslutningshål måste ha rätt utförande om REDFIT IDC SKEDD-kontaktdon ska fungera som avsett. Det här är dock inget problem eftersom specifikationerna sammanfaller med dem för moderna mönsterkort av standardtyp. För tillverkning av de genomgående anslutningshålen krävs inga extrasteg eller högre tolerans än vanligt.

Måttritningen visar mönsterkortslayouten för kontaktdonet och borrhålet, liksom tillhörande toleranser för de klara genomgående hålen i ett produktionskort (figur 11). För prototyptestning och felsökning – där man oftast behöver fler insättnings- och borttagningscykler – erbjuds ett bredare toleransområde för borrningen.

Figur 11: De angivna måtten och toleranserna för produktionsmönsterkortets hållayout och storlek – för kompatibilitet med REDFIT IDC SKEDD-kontaktdon – är i enlighet med tillverkningsstandarderna för moderna kort (vänster). Det modifierade borrmönstret för felsökningstillämpningar har något generösare toleranser, för möjlighet till fler insättnings-/borttagningscykler (höger). (Bildkälla: Würth Elektronik)

Slutsats

IDC-systemet av kablar och tvådelade kontakter har använts i många år och är en bra, mångsidig teknik för inkoppling av många ledare. Nu finns REDFIT IDC SKEDD-kontaktdonet från Würth Elektronik. Det består av en enda del i stället för två, och eliminerar behovet av ett motstående IDC-honkontaktdon. I stället kan man, med handkraft, plugga in handonet direkt i och även ta bort det från mönsterkortet. Det här innebär lägre kostnader, kortare materiallistor, mindre risk för intermittent kontakt samt tillgång till fler alternativ för kabeldragning och kortplacering.

Relaterade video- och utbildningsmoduler från Digi-Key

Würth Elektronik, Lösningar med REDFIT IDC SKEDD-kontaktdon

Würth Elektronik, REDFIT IDC–SKEDD-kontaktdon från Würth Elektronik eiSos

Referenser

1. ”Jaycar Electronics referensdatablad” (Internet Archive Wayback Machine)
2. ”Insulation-displacement connector” (Wikipedia)