Podstawy złączy wtykowych typu „pogo”

Ciekawostką jest to, że oryginalny kij pogo do zabawy został opracowany przez Maxa Pohliga i Ernsta Gottschalla, a jego nazwa wzięła się z połączenia dwóch pierwszych liter ich nazwisk. Jednak podobieństwa funkcjonalne i konstrukcyjne kijów pogo i wtyków typu „pogo” nie kończą się na ruchu i nazwie. W niniejszym artykule opisano bardziej szczegółowo wtyki typu „pogo”, ich zalety, popularne style i dotyczące ich zagadnienia projektowe.

Podstawy wtyków typu „pogo”

Wtyki typu „pogo”, po raz pierwszy opracowane w firmie Bell Labs na początku lat 70., zostały pierwotnie zaprojektowane z myślą o urządzeniach do testowania półprzewodników ze względu na ich przydatność do wysoce precyzyjnych, zminiaturyzowanych i powtarzalnych połączeń elektrycznych. Od tego czasu ich rola w branży znacznie się zwiększyła dzięki postępowi w zakresie stabilności mechanicznej, wytrzymałości prądowej i kompaktowej konstrukcji. Udoskonalenia te sprawiły, że wtyki typu „pogo” stały się wystarczająco uniwersalne, aby można je było stosować w elektronice użytkowej, systemach przemysłowych i urządzeniach medycznych.

Każdy wtyk typu „pogo” składa się z trzech podstawowych części: cylindra, trzpienia i wewnętrznej sprężyny śrubowej. Typowe materiały to mosiądz lub stopy miedzi, z powłoką niklową zapewniającą trwałość i odporność na korozję. W zastosowaniach wymagających niższej rezystancji zestykowej często stosuje się pozłacanie lub platerowanie innymi metalami szlachetnymi. W oprawach o wysokiej gęstości wtyki „pogo” są rozmieszczone blisko siebie, aby utworzyć wiele punktów styku na płytce drukowanej lub w złączu, które jest często łączone i odłączane. Taka gęstość konfiguracji zapewnia sprawne, niezawodne połączenia przy wielokrotnych cyklach podłączania i odłączania, co ma kluczowe znaczenie w wielu nowoczesnych zastosowaniach elektronicznych.

Ilustracja 1: podstawowe komponenty typowego wtyku „pogo”. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Oprócz zalet kosztowych, wtyki typu „pogo” oferują wiele korzyści inżynieryjnych, które poprawiają parametry działania i żywotność urządzenia:

• Efektywne wykorzystanie przestrzeni i wysokości: wtyki typu „pogo” oszczędzają cenne miejsce na płytce i zmniejszają wysokość zespołu, dzięki czemu idealnie sprawdzają się w kompaktowych konstrukcjach.
• Trwałość i odporność na wstrząsy: zostały one zaprojektowane z myślą o trwałości w wielu cyklach łączenia oraz są odporne na wstrząsy mechaniczne i drgania.
• Wydłużony skok styku: dzięki dużemu skokowi styku, wtyki typu „pogo” zapewniają kompensację rozszerzalności i kurczenia termicznego, zapewniając stabilność połączeń.
• Precyzyjny montaż: montaż maszynowy umożliwia precyzyjne umieszczanie, zapewniając powtarzalność i niezawodność połączeń.
• Automatyczne wyrównywanie: wtyki typu „pogo” w naturalny sposób wyrównują się ze współpracującymi gniazdami, co upraszcza proces montażu i zwiększa niezawodność.
• Stała siła docisku: mechanizm sprężynowy utrzymuje stały nacisk, zapobiegając utracie połączenia w zmiennych warunkach.
• Elastyczna konstrukcja: wtyki typu „pogo” można dostosować do różnych konfiguracji płytki, co pozwala spełnić różnorodne wymagania produkcyjne.

Dostępne warianty wtyków typu „pogo” obejmują szeroki zakres specyfikacji, w tym różne długości, średnice, siły robocze, prądy znamionowe, układy okładzin i style trzpieni oraz są wykonane z różnych materiałów. Dzięki elastyczności mogą być używane w szerokiej gamie zastosowań, od trudnych środowisk przemysłowych po elektronikę codziennego użytku.

Typy i style montażu wtyków typu „pogo”

Jak już wspomniano, istnieje wiele rodzajów rozwiązań połączeń w postaci wtyków typu „pogo” dopasowanych do wymagań konkretnych zastosowań, wymagań dotyczących cyklu życia i opcji niestandardowych. Oto niektóre z częściej używanych cech wtyków typu „pogo”, które pozwalają inżynierom na optymalizację projektów w oparciu o wymagania elektryczne, mechaniczne i środowiskowe:

• Wysoki prąd: zaprojektowane do obsługi prądów o natężeniu od 2 do 8A, jak również dostępne są wyższe wartości znamionowe na potrzeby wymagających zastosowań
• Wysoka częstotliwość: odpowiednie do zastosowań o wysokiej szybkości przesyłu danych dochodzących do 10Gbps
• Wodoszczelność: zintegrowane mechanizmy uszczelniające chroniące przed wnikaniem wody i wilgoci, dzięki którym idealnie sprawdzają się w rozwiązaniach zewnętrznych i wzmocnionych
• Magnetyzm: wykorzystanie siły magnetycznej do ustanowienia i utrzymania bezpiecznego, spolaryzowanego połączenia
• Niska siła sprężyny: konstrukcja charakteryzująca się zmniejszonym napięciem sprężyny w celu przykładania minimalnej siły do punktów styku, odpowiednia do delikatnych połączeń
• Styk kulkowy: na końcu zapewniającym kontakt posiadają kulę utrzymującą ciągłość sygnału, nawet podczas ruchu między stykami
• Wkręt gwintowany: trzpień lub tuleja gwintowana umożliwia bezpieczne mocowanie do płytek lub urządzeń
• Kielich lutowniczy: z tyłu wtyku znajduje się niewielki kielich lutowniczy, umożliwiający łatwe mocowanie kabla
• Dwustronność: posiadają styki sprężynowe po obu stronach, co ułatwia wykonywanie połączeń z jednej i drugiej strony
• Pionowe lub płaskodenne: wysuwają się pionowo z płytki drukowanej, co umożliwia wykonywanie połączeń międzypłytkowych
• Kąt prosty (płaszczyzna pozioma): konfiguracja pod kątem 90° do płytki drukowanej, umożliwiająca poziomy montaż urządzenia
• Swoboda ruchu: na jednym końcu znajdują się standardowe styki sprężynowe, a na drugim styki zakrzywione, co zapobiega nadmiernemu ściskaniu i pozwala na wykorzystanie obu stron do połączeń

Ilustracja 2: przykłady dwustronnych wtyków typu „pogo” oraz wtyków typu „pogo” o kącie prostym (źródło ilustracji: Same Sky)

Wtyki typu „pogo” są zwykle dostarczane jako pojedyncze komponenty, dzięki czemu można je dostosować do konkretnych płytek lub opraw. Ich elastyczność sprawia, że są one integralną częścią niestandardowych rozwiązań połączeniowych, zaprojektowanych z myślą o spełnieniu precyzyjnych wymagań dotyczących połączeń. Jednak w niektórych przypadkach dostępne są gotowe układy złączy zawierające wtyki typu „pogo” w zaizolowanej obudowie, często wraz z elementami mocującymi, które mogą usprawnić proces montażu, jeśli są zgodne z wymogami projektowymi.

Na potrzeby niestandardowych zespołów płytek lub opraw dostępne są różne opcje wstawiania i mocowania, odpowiednie do różnych zastosowań:

• Typy wprowadzania: wtyki typu „pogo” można wprowadzać na kilka sposobów, w tym przez wciskanie, kształtowanie, zagniatanie, lutowanie. Każda z opcji oferuje unikalne korzyści w zależności od wymagań mechanicznych i elektrycznych danego zastosowania.
• Technologie montażu: dostępne typy montażu zapewniają wachlarz opcji na potrzeby różnych konstrukcji płytek i konfiguracji połączeń, na przykład: montaż powierzchniowy, przewlekany, montaż przewodowy oraz montaż ze swobodnym zwisem.

Ilustracja 3: typowe opcje wtyków typu „pogo” (źródło ilustracji: Same Sky)

Gniazda lub elementy docelowe

Podstawową funkcją złącza elektrycznego jest łączenie co najmniej dwóch komponentów. W przypadku złączy tradycyjnych zwykle wymaga to kompatybilnej oprawy po obydwu stronach. Jednak wtyki typu „pogo” oferują większą wszechstronność, ponieważ mogą tworzyć połączenia nie tylko poprzez dopasowanie do gniazda, ale także poprzez kontakt z określonymi punktami docelowymi bezpośrednio na płytce drukowanej.

Mogą to być specjalnie do tego przeznaczone komponenty, platerowane powierzchnie styków na płytce lub niestandardowe gniazda mikroelektroniczne zaprojektowane specjalnie do badania układów scalonych. Rolą elementu docelowego jest zapewnienie niezawodnego punktu połączenia elektrycznego, z którym wtyki typu „pogo” mogą się stykać i które pozostają stabilne do momentu celowego rozłączenia połączenia.

Końcowe rozważania dotyczące projektowania

Aby określić specyfikacje idealnego wtyku typu „pogo”, należy pamiętać o kilku ostatnich kluczowych kwestiach:

• Rozmiar i format: w oparciu o ograniczenia przestrzenne i konstrukcję mechaniczną, należy określić rozmiar odprowadzenia, średnicę wtyku oraz format (np. okrągły, kwadratowy lub prostokątny).
• Materiał styku: dobór materiału, np. mosiądz, miedź, nikiel lub brąz, należy przeprowadzić bazując na przewodności, trwałości i kompatybilności z innymi materiałami w projekcie.
• Powłoka styku: mając na uwadze pożądaną rezystancję zestykową, odporność na korozję i trwałość, należy wybrać materiał powłoki, na przykład złoto, srebro, nikiel, pallad, cynk, cynę lub ołów.
• Parametry elektryczne: rezystancję zestykową i prąd znamionowy należy tak oszacować, aby upewnić się, że wybrany wtyk typu „pogo” jest w stanie wytrzymać wymagane obciążenie elektryczne bez nadmiernych strat i nagrzewania.
• Ruch: należy określić rozmiar trzpienia, wysokość roboczą (dla optymalnego skoku trzpienia) i tolerancje wymiarowe, aby zapewnić niezawodny kontakt i ścisk w danym zastosowaniu.
• Wskaźniki fizyczne: uwzględniając początkową siłę roboczą potrzebną do uzyskania kontaktu i późniejszą siłę ściskającą, która pozwoli go utrzymać, należy upewnić się, że siła wtyku jest dostosowana do wymagań mechanicznych i wytrzymałościowych konstrukcji.
• Czynniki środowiskowe: należy uwzględnić potencjalne narażenie na ekstremalne temperatury, wstrząsy, drgania, atmosfery korozyjne i wilgoć. Wybór wtyków typu „pogo” zaprojektowanych do pracy w trudnych warunkach środowiskowych zapewni trwałość i parametry działania w niesprzyjających warunkach.

Ilustracja 4: maksymalne i minimalne ściśnięcie, a także zalecana wysokość robocza to parametry zwykle podawane na schemacie wtyku typu „pogo” (źródło ilustracji: Same Sky)

Podsumowanie

Wtyki typu „pogo” zapewniają niezawodne i powtarzalne połączenia elektryczne w różnych urządzeniach dzięki prostej, ale wytrzymałej konstrukcji. Ta prostota sprawia, że wtyki typu „pogo” mogą wytrzymać tysiące cykli łączenia i rozłączania, dzięki czemu cechują się wyjątkową trwałością w zastosowaniach intensywnego użytku. Ich sprężynowy mechanizm kompensuje również niewielkie niedopasowania podczas łączenia, zapewniając powtarzalność parametrów działania nawet przy niewielkich przesunięciach pozycji. Ponadto wtyki typu „pogo” są zarówno ekonomiczne, jak i niewielkie, co czyni je preferowanym rozwiązaniem połączeniowym w wielu nowoczesnych zastosowaniach elektronicznych, gdzie niezbędne są kompaktowość, niezawodność i niski koszt. Poznaj asortyment firmy Same Sky z kategorii złączy wtykowych typu „pogo” dostępny w firmie DigiKey już teraz.

Źródło: Podstawy złączy wtykowych typu „pogo”

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 6 marca 2025. Zapisz się tutaj!