Jak zmieniała się technika przyłączy do PCB

Kable, druciki, przewody... Przyłącza do nich od zawsze towarzyszyły tworzonym urządzeniom elektronicznym. W końcu układ trzeba jakoś zasilić, doprowadzić lub wyprowadzić z niego sygnały elektryczne, czasami spiąć z innymi we wspólną sieć. Czy zastanawialiście się kiedyś jaką drogę przeszły terminale przyłączeniowe, zanim otrzymaliśmy niezawodne, bezpieczne i intuicyjne w obsłudze elementy? Kto ma ochotę wsiąść w mały wehikuł czasu i przenieść się wstecz, aby zobaczyć rozwój rozwiązań prozaicznie prostej czynności jak podłączenie kabla do płytki laminowanej z układami elektronicznymi? Zapinajcie pasy - ruszamy!

Na początku była dziura. Prosty otwór w laminacie, przez który przewlekało się przewód i lutowało wprost do ścieżki. Sposób banalny, ale po pierwsze – czasochłonny, wymagający dodatkowego osprzętu (lutownica) a przede wszystkim trudny w rozłączeniu.

Chwycono się więc kolejnej metody – końcówkę kabla zawijano w oczko, pokrywano cyną w celu utrwalenia kształtu, a następnie za pomocą śrubki z podkładką i nakrętką przykręcano przez otwór do laminatu, który miał przygotowany odpowiednio większy fragment odsłoniętej ścieżki miedzianej. To jednak zabierało sporo miejsca na płytce, stosowano je więc głównie do przyłączy zasilania.

Następnie pojawiły się kostki, które miały zintegrowany gwint, śrubkę oraz podkładkę. Taki element można było w końcu wstępnie wlutować wprost w PCB, wsunąć końcówkę przewodu pod podkładkę i dokręcić wkrętakiem. Tak wyglądał protoplasta współczesnych terminali, choć nadal był niedoskonały. Bezpieczeństwo praktycznie zerowe – elementy pod napięciem dostępne wręcz na wyciągnięcie palca, spore ryzyko przypadkowego zwarcia sąsiadujących przyłączy, docisk przewodnika podkładką także sprawiał czasami kłopoty, żeby nie wspomnieć o sporych gabarytach całości.

Dla połączeń niskoprądowych, obszywanych dość gęsto żyłami o małym przekroju, stosowane były proste kołki o przekroju kwadratu, wlutowane prostopadle w laminat. Do przyłączenia stosowało się specjalny, choć dość banalny w konstrukcji przyrząd, za pomocą którego owijało się odizolowaną końcówkę drutu kilkoma zwojami, koniecznie z minimum jednym zwojem zawiniętym wraz z izolacją. Naprężenie na krawędziach kołka utrzymywało przewód na tyle silnie, że do dziś w niektórych małoseryjnych  aplikacjach wymagających gazoszczelnego styku takie rozwiązanie nadal jest stosowane. Dodatkowo tak obszyty układ zapewniał sporą łatwość ewentualnych modyfikacji. Sprawdzało się to doskonale np. w telekomunikacji czy profesjonalnej aparaturze pomiarowej wymagającej minimalnych rezystancji styku.

Telekomunikacja lubiła także przyłącza nożowe (tzw łączówki LSA), gdzie stosowano przyrząd w postaci narzędzia uderzeniowego. Wciskało ono izolowaną żyłę kabla pomiędzy dwa styki nożowe nacinające płaszcz i wcinające się w przewodnik, a nadmiar przewodu był jednocześnie odcinany. Kto dziś ma do czynienia z sieciami teleinformatycznymi, ten doskonale zna to nadal stosowane rozwiązanie. Oczywiście nie tylko w tej branży stosuje się takie rozwiązanie. Nożowe terminale również przeszły drogę ewolucji i dziś można kupić miniaturowe elementy (np. do przekroju 0,34mm²) do których po wsunięciu pary izolowanych przewodów wystarczy docisnąć palcem górę złącza.

Poruszając dobrze znane dziś śrubowe terminale przyłączeniowe, należałoby zacząć od nadal prymitywnych elementów, które w izolowanej obudowie z tworzywa zawierały bloki z wywierconym otworem na przewód, oraz prostopadle do niego wkręcaną śrubką. Blok posiadał pin, który wlutowany był w laminat, co było pierwszym dość wrażliwym punktem – kilkukrotne przyłączanie mogło spowodować, że element metalowy mógł zostać ukręcony od sztywno wlutowanego w płytkę kołka. Kolejnym słabym miejscem był okrągły otwór na przewód – nie pozwalał na solidne przykręcenie mniejszych przekrojów, a większe potrafił przycinać, zmniejszając znacząco obciążalność takiego połączenia. Przycinanie niektórzy producenci próbowali eliminować stosując odpowiednio wygiętą blaszkę będącą ochronnikiem przewodu, jednak i ten element potrafił sprawić kłopoty. Po zdeformowaniu go śrubką i próbie wypięcia przewodu, często był uszkadzany. Niestety na rynku i dziś można spotkać najtańsze „kostki” w takiej konstrukcji. Lepiej się ich wystrzegać. Poprawę wprowadziła komora z otworem nie okrągłym a prostokątnym – tu płaskie dno wraz z ochronnikiem przewodu eliminowało jego szybkie uszkadzanie, ale miało to wpływ na cenę, gdyż było bardziej pracochłonne w produkcji (frezowanie vs wiercenie). Pozostała nadal kwestia sztywnego pinu, który łatwo dawał się ukręcić.

I tu wkraczają terminale z klatką windową. Wśród przyłączy śrubowych jest to chyba najdoskonalsze rozwiązanie, gdyż moment obrotowy wkrętaka przykładanego do łba śruby jest równo rozkładany na całą obudowę z tworzywa, zamiast na pojedynczy pin. Śruba podciąga klatkę do góry, dociskając przewód do belki prądowej, która znajduje się na górze komory. Dodatkowo mając odpowiednio zaprojektowany otwór gwintowany z poprzecznym nacięciem, dzięki reakcji siły dynamicznej, po dokręceniu śrubki jednocześnie ścianki otworu w klatce zaciskają się na niej stanowiąc zabezpieczenie przed wibracjami. Płaskie dno klatki pozwala na bardzo szeroki zakres przyłączanych przekrojów. Sam przeprowadzałem drobny eksperyment, gdzie do przyłącza zaprojektowanego pod przekrój 4 mm² można było zamocować ludzki włos. Dobór materiałów także jest kluczowy. Na klatki i styki stosuje się mosiądz/brąz, więc dobre złącze śrubkę także powinno mieć wykonaną z podobnego materiału. Zwłaszcza w środowiskach narażonych choć na odrobinę wilgoci, stalowa śrubka potrafi łatwo się zemścić. Dwa tak różne metale plus wilgoć równa się ogniwo elektryczne, będące źródłem szybkiej korozji. Zardzewiałe połączenie oprócz degradacji własnych parametrów często staje się niemożliwe do poluzowania bez uszkodzenia. A wtedy koszt naprawy rośnie niewspółmiernie. Tak naprawdę można by na tym skończyć, skoro mamy przyłącze idealne, nie mniej jednak wiemy, że postęp wymaga innowacji. I tak w kolejnym kroku pojawiły się przyłącza sprężynowe.

Jako pierwsze, zastosowanie znalazły sprężyny klatkowe. Zapewniały one dość dobry docisk przewodnika do belki prądowej, były stosunkowo odporne na wyrywanie kabli, ale intuicyjność obsługi zwłaszcza dla osób stykających się z tą technologią po raz pierwszy była wątpliwa. Wymóg ugięcia sprężyny wkrętakiem wsuniętym w odpowiedni otwór powodował, że często próbowano wcisnąć go w niewłaściwy otwór, co prowadziło do trwałego uszkodzenia złącza.

Kolejnym krokiem milowym były sprężyny typu Push-in. Tutaj konstrukcja komory złącza i samej sprężyny pozwalała na beznarzędziowe przyłączanie żył – te w postaci drutu lub z zaciśniętą końcówką kablową wystarczyło wcisnąć w otwór. Parcie uginało sprężynę, po której przewodnik ześlizgiwał się na dno komory, dociskając go do belki prądowej. Drugi otwór służył zwalnianiu połączenia po wsunięciu w niego wkrętaka, a ewentualna pomyłka nie powodowała uszkodzenia terminalu. Rozwinięciem tych elementów były warianty z wbudowanym przyciskiem w innym kolorze, które już w ogóle pozbawiały jakichkolwiek wątpliwości co do obsługi. Przyciski używać można było zarówno do zwalniania jak i do podłączania przewodu w postaci linki bez tulejki kablowej – ich wciśnięcie uginało sprężynę umożliwiając wsunięcie wielodrutowej linki bez powodowania efektu „miotełki” na jej końcu.

Aktualnie rynek zdobywają rozwiązania z dźwigienkami. Tu każdy widząc takową wie, że aby coś zrobić, to „należy przełożyć wajchę”. Nie mniej jednak bardzo praktyczne są rozwiązania, gdzie przyłączanie nadal może odbywać się na zasadzie push-in (i złącza z dźwigienką od Phoenix Contact posiadają równocześnie taką funkcjonalność). Kto o tym wie, jest w stanie szybko oprzewodować urządzenie, a osoby widzące je po raz pierwszy, mając przed oczami dźwignię, od razu wiedzą co mają zrobić. Jest to rozwiązanie zdecydowanie  szybsze od doskonale znanych terminali śrubowych, równie intuicyjne jak one, a po zaznajomieniu się z dodatkową funkcjonalnością, okazują się wręcz bezkonkurencyjne.

Na koniec odpowiem na jeszcze jedno pytanie: dlaczego w ogóle poruszam ten temat akurat teraz? Z prostego powodu – dokładnie 50 lat temu, firma Phoenix Contact wprowadziła do swojej oferty złącza do PCB. Zaczęło się od terminalu śrubowego serii KDS, lutowanego do PCB, którego uniwersalny kształt stał się jedną z najbardziej rozpoznawalnych „zielonych kostek” (przez co często kopiowanych przez innych) na płytkach z elektroniką. Niektóre jego warianty, mimo upływu czasu nadal są stosowane przez klientów na świecie, ale przeważająca większość podąża za nowymi trendami, które Phoenix Contact zgodnie z maksymą „Leading, not following!” regularnie opracowuje i wprowadza do portfolio. Ostatecznie śruba, sprężyna push-in, przyłącze samonacinające izolację czy złącze z dźwigienką od Phoenix Contact od lat pozostaje synonimem elementów o wysokiej jakości i niezawodności, tak pożądanej zwłaszcza

w odpowiedzialnych aplikacjach przemysłowych. Pół wieku doświadczeń i zaufania najważniejszych firm z branży pozwala nam móc stale oferować klientom najlepsze rozwiązania dopasowane do ich potrzeb. 

Autor: Piotr Andrzejewski

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy © Phoenix Contact