连接器通常由插针、插孔本体、触指、绝缘体、屏蔽壳和锁定装置构成。
连接器产品重要机械参数:
•插拔力
•插拔次数
连接器产品重要电气参数:
•接触阻抗
•负载电流
•电流密度
•温升
这些参数之间相互影响,插拔力大,插拔次数少,接触阻抗低,温升低,负载电流大。当插针插入带有触指的插孔,触指在插针和插孔间形成电接触,电源加在二端,就有电流通过。
连接器应用的关键技术
插拔力和插拔次数
插针插入插孔时,触指受到插针径向压力而发生弹性形变产生正压力f, 插针和触指之间摩擦接触,摩擦系数为?,插拔力为F,
F = ? f
较好的正压力f 能获得较小的接触面阻抗RT, 同时增大了插拔力F和触指的应力,随着插拔次数的增加而导致触指屈服疲劳,正压力减小,表面摩损,接触阻抗将急剧上升,温升增加,电能会以热能的形式消散功率,导体因过热而被熔化或发生燃烧,使绝缘材料遭到损坏。
接触阻抗
如图1当电流通过时,电路二端产生电压降?U,这是整个连接器的接触阻抗R造成的,接触阻抗R=RT + RC
RT:插针、触指、插孔导体本身的电阻,
由材料决定,大电流连接器通常选用导电率高的铜材;
RC:触指和插针、插孔接触面的电阻,
由触指和插针、插孔之间的正压力决定,正压力是当插针插
入插孔时,触指受到插针径向压力而发生弹性形变产生。
负载电流
指连接器连接的设备正常运行(即带负荷时)的情况下,负载所吸收的电流,负载电流由电源供应通过连接器连接相匹配的电缆或其他导体来传送。
电流密度
电路中某点电流强弱和流动方向的物理量,其大小等于单
位时间内通过某一单位面积的电量。电流密度过高会产生不理想后果,大多数电导体的电阻是有限的正值,会以热能的形式消散功率。为了要避免电导体因过热而被熔化或发生燃烧,并且防止绝缘材料遭到损坏,电流密度必须维持在过高值以下。假若电流密度过高,材料与材料之间的互连部分会开始移动,这现象称为电迁徙。
J=I/S
J:电流密度, I: 电流,S: 电流横切面积
结构示意图2显示电流在插针、触指、插孔本体构成的连接器中的流通,电流由横切面积为SP的插针,通过横切面积为SF的触指,传递到横切面积为SR的插孔,三处的电流密度分别为:
JP=I/SP; JF=I/SF; JR=I/SR
假如该连接器连接了相匹配的电缆或其他导体来传输,电缆或其他导体的横切面积为SC,电缆的电流密度为:
JC=I/SC
温升
连接器连接的设备正常运行时,负载电流通过连接器传送,由于接触阻抗R的存在,连接器将发热。
Q = I2Rt
Q: 发热量, R: 接触阻抗, t: 通电时间
发热导致连接器温度Tc的上升,环境温度TE,随着通电时间的增加,连接器和环境构成的热传导系统将达到热平衡状态,温升?T。
?T = TC –TE
通常来讲,接通负载电流半小时左右连接器和相连接的电缆或其他导体会达到热平衡状态
3 连接器的最佳工作状态
综合连接器的关键技术参数,大电流连接器需要保证良好的插入和拔出的手感、低温升。
插拔力良好
插拔力F(?f)取决于触指和插针的正压力f,触指和插针接触表面的摩擦系数?;在插孔狭小的空间内,触指正压力f 过大使触指材料内应力过大,将造成触指疲劳失效,减少插拔次数;触指和插针的表面电镀高耐磨高电率的银,降低摩擦系数?。合适的正压力f 和低的摩擦系数?以保证良好的插拔力,
温升,接触阻抗,电流密度
连接器通过电流,由于连接器本身的接触阻抗,电能会以热能的形式消散功率。
接触阻抗:R=RT + RC
发热量:Q = I2 Rt
插针、触指、插孔导体本身材料的电阻RT一定;合适的插拔力必然使得触指和插针、插孔接触面存在电阻RC, 当电流过大时,热量Q将以 I2 产生,当产生的热量和热传导的热量失去热平衡,连接器将产生局部高温,电导体因过热而被熔化或发生燃烧,绝缘材料遭到损坏。
连接器连接的设备负载所吸收的电流 I 是一定的,电流 I 通过连接器触指从插针传送至插孔,在插孔狭小的空间内,触指的横切面积极低,为避免触指电流密度过大,连接器设计通常采用多通道传递电流,即连接器领域称为“多触点接触”,以增大触指的横切面积,降低触指的电流密度,已达到插针、触指和插孔的电流密度接近于电缆或连接器连接的其他导体。
JP≈JF≈ JR≈ JC
接触阻抗准确计算是很困难的,通常采用经验公式估算: RC =KC/(0.102F)m , 连接器设计为n个触点接触,m=0.5;插拔力F一定,则每一触点的正压力为Fn=F/n, 每点传递的电流为 I n = I/n, 现定义连接器为n1个接触点和n2个接触点。接触阻抗发热量为:
Q= (I /n)2 RC t
Qn1 / Qn2 = (n2/n1)0.5
假设现连接器触指设计为n1=4个点接触和n2=160个点接触, Qn4 / Qn160 =(160/4) 0.5 = 6.35, 也就是说明接触点越多,在插拔力相同的情况下,接触点少的发热量将是接触点多的发热量的几倍,多通道传递电流能有效的降低触指电流密度、连接器发热及减少插拔力,提高连接器的插拔次数。
要提升连接器的插拔次数,同时保证连接器的低发热量,需要触指提供足够多的接触点。以保证电缆、插针、触指和插孔的电流密度接近。
JP ≈ JF ≈ JR ≈ JC
双向螺旋弹簧触指是指高电率弹性铜丝沿斜形椭圆轨迹螺旋环绕为单位环;所述单位环沿轴线双向螺旋绕制为双向螺旋弹簧触指。簧触指可提供多个列式形变接触点结合单位环斜形椭圆上的接触点,而大大增加了插头和所述弹簧触指的接触点数量,极为有效地降低接触温升,提高整个连接器系统的使用寿命,低温升降地能量的损耗(图4)。
双向螺旋弹簧触指装置于插孔内,每一环触指接受插针径向压力而产生应力发生弹性形变,从而每一环触指获得正压力f,双向螺旋弹簧触指有n环触指,则插拔力为F
F = n ? f
设定连接器额定电流为为 I, 双向螺旋触指有 n 环,每一环相当于2根铜线,铜线1和铜线2,都能传递电流 I2n,整个弹簧触指相当于2n根电缆铜芯,每根弹簧丝通过的电流为 (图5):
I n = I / 2n
以Φ6.00mm的插针,25mm2的电缆传递120A的电流为例,弹簧丝为Φ0.28mm, 共计220环;插孔外径Φ10.8mm。
插针电流密度:JP = 120 /(3.14*32)= 4.25 A / mm2
触指电流密度:
JF = 120/(3.14*0.142*220*2)= 4.43 A / mm2
插孔电流密度:
JR = 120/(3.14*5.42-3.14*4.52)= 4.28 A / mm2
电缆电流密度:JC = 120/25= 4.80 A / mm2
从上计算可以看出,双向螺旋弹簧能有效的提升触指的横切面积,从而保证电缆、插针、触指和插孔的电流密度基本相等。
双向螺旋弹簧和插针需经常插拔,表面镀有耐耐磨的银,同时调整触指和插针的配合尺寸,以保证每一环弹簧在插针插入后有合适的正压力,以获得较少的接触面阻抗RC和良好的插拔力。
综上所计算,双向螺旋弹簧触指能够提供极大的多触点接触(可达240个)及良好的插拔力,能够实现大电流连接器的低温升,数万次的插拔次数。