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一种高可靠光电混装微矩形连接器的设计
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一种高可靠光电混装微矩形连接器的设计

2023-06-07 11:37:36 来源:厦门鼎芯科技有限公司 作者:冯浩 点击:4459

【哔哥哔特导读】随着科学技术的提升及武器装备的发展,各类电器终端和特种装备、设备均向着小型化、集成化方向发展,相应的对相配套的连接器也提出了小型化、集成化、高可靠等要求。本文介绍了一款光电混装微矩形连接器,阐述了连接器的功能及结构,并通过试验验证了产品的性能满足相关要求。

引言

连接器做为一种基础元器件,在航空、航天、电子、船舶、兵器、雷达、野战通讯等各军事装备的电子设备中广泛使用。其使用的数量大、品种多,是电气设备和电气系统间实现电气连接的最主要元器件之一。相对于电连接器,光纤连接器耐环境性能较弱,但光纤通信以其大带宽、高速率、抗电磁干扰等诸多优点,已经被各军事通信设备大量应用。武器装备的使用环境往往较为恶劣,包括高空、深海、沙漠等等诸多极端情况,所以,军用领域对相关配套产品都有相应的耐环境及可靠性要求。随着科学技术的提升,各类电器终端及特种装备、设备均向着小型化、集成化方向发展。国内航天、航空、电子、船舶以及各类型武器装备系统对高密度、结构轻小化和性能高可靠的要求日益增多,对所需配套的连接器产品也提出了小型化、集成化、高可靠等要求。

现阶段微矩形连接器,多为电接触体集成,无法实现光电信号的集成传输;同时,微矩形连接器多用于设备内部,通常不具备防淋雨功能,应某设备的使用需求,我公司设计开发了该种具备防淋雨功能的高可靠光电混装连接器。 设计后的产品能够实现光信号、电信号的集成传输,具备高密度、轻小化和高可靠的特点,能够极大节省装备的空间,同时减轻装备的重量。

2 主要性能指标

通过对设备使用指标要求及使用环境等相关要求的确认,确定了该连接器的主要技术指标如下:

额定电流:3A;

使用温度:-55℃~125℃;

接触电阻:≤10mΩ;

绝缘电阻:≥5000MΩ;

耐电压:500V;

光纤插入损耗:≤1.0dB@1300nm;

防淋雨:IP67;

振动:10~2000Hz,加速度196m/s2;

冲击:735m/s2,11ms;

机械寿命:500次。

3 总体设计

连接器是一种为电线、电缆(包括光缆)及印制板的端头提供快速连接和断开的装置,方便安装维护,能够实现设备之间可拆卸的级联。由于设备的特殊使用要求,该连接器外形尺寸要小,同时要能够实现光电信号的集成传输,并且要具备防淋雨功能。考虑到设备安装空间狭小,故该连接器采用矩形接口设计,选用麻花针接触件做为电信号对接传输的载体,同时选用直径为1.0的陶瓷插芯做为光信号对接传输的载体。

考虑到防淋雨以及机械寿命的要求,连接器端口处的密封结构采用随型匹配设计,以便同时满足防淋雨要求及机械寿命要求。

该类连接器由插头和插座组成,配套使用。考虑到插头、插座技术原理基本相同,故本文仅以插座为例,对产品的设计进行阐述。

3.1 结构设计

该系列插座产品由1壳体、2绝缘体、3光纤接触体组件、4电接触体组件、5密封垫组成,尾部用粘接剂进行灌封处理。连接器绝缘体采用优质工程塑料,以实现良好的电气绝缘功能;电接触体孔位间距采用1.27mm间隔,以实现高密度集成;光纤接触体采用居中设计,避免因接触体分布不均而造成光纤接触体性能下降的情况;连接器端口选择梯形设计,以实现壳体定位防错插功能,整体结构如下图1所示。

连接器 连接器

图1 一种高可靠光电混装微矩形连接器图示

3.2 密封设计

现阶段,圆形连接器多采用O型密封圈结构实现接口处的密封功能,但该连接器为矩形接口,如果采用O型密封圈,多次插拔后密封性将大打折扣。故该类产品选择随型匹配设计,以满足连接器的寿命和密封要求。

密封垫随对接端做成阶梯状,在对接时,密封垫凸起的侧面与对接插头贴合,密封垫的平面与插头对接端端面贴合,实现双层防护。在插座对接端随梯形接口设置随型匹配凹槽,密封垫可以下沉到凹槽内,与产品更好贴合。

连接器尾端采用具有防水功能的胶粘剂进行灌封处理,一方面实现了光、电接触体组件的轴向定位功能,另一方面实现了连接器尾端的防水功能。

连接器 连接器

图2 密封垫及插座壳体图示

3.3 耐电压设计

产品要求正常条件下,耐电压500V,该产品的绝缘体选用优质工程塑料PPS(聚苯硫醚),其性能见表1。为了保证设计可靠,故对该产品的介质耐电压进行计算验证,计算过程如下:

图表

介质耐电压计算公式:L=Ue/E

式中,L-介质厚度;

Ue-耐电压;

E-绝缘介质介电强度。

其中,Ue=(根号5)×500≈707V

故L=Ue/E=707/(17×103)=0.0415mm

产品绝缘体最小Lmin为0.47mm。

Lmin=0.47mm>>L=0.0415mm,完全满足产品介质耐电压要求。

3.4 电接触体设计

接触件是连接器的关键件、核心件,连接器主要通过它来实现信号、能量的传输功能,接触件的性能直接影响着连接器的接触性能。一般情况下,比较常用的接触件,插孔多是弹性体,插针多是刚性体。但当弹性插孔尺寸减小到一定程度时,可靠性将急剧下降,导致其很难进一步微型化,这成为了电连接器向高密度、微型化发展的瓶颈。绞线插针接触件(俗称麻花针)突破了这一技术难题,麻花针是将自身作为弹性接触体,与刚性体的插孔过盈配合接触实现连接,这使得连接器的微型化的想法变为现实,让连接器的超微型化成为可能。麻花针独特的结构特点使其具有良好的柔性和弹性,接触可靠性高,耐振动、抗冲击能力强。

该产品所用绞线插针的结构由两层铜合金丝反向呈螺旋线绞合而成,内层三根,外层九根,两端熔焊成一体,整体外形呈带手柄鼓形状。靠近针头的鼓包中空,在插针插入刚性插孔后受到正压力从而产生弹性形变,使得鼓包处沿径向往轴心压缩,同时沿着螺旋线方向往轴向伸长,与刚性插孔形成多点接触,每个插合的针孔上接触点多达到九个。其特点主要如下:

1)插入力和分离力较小,插拔柔和。经过500次插拔后,其接触电阻及分离力变化较小;

2)接触点多,接触可靠性高,耐冲击、振动能力强;

3)可以实现小型化、微型化。

插针 插针

图3 绞线插针图示

3.5 光纤接触体设计

电接触体与导线的端接多为压接或者焊接,接触体之间只要有接触就能实现电流的传输。光纤接触体是专门为传送光信号而设计的,与电接触体不同,光纤接触体与光纤导线的端接多采用双组份环氧胶粘接固化的方式。光导纤维和光纤接触体端接好以后,需对光纤接触体端面进行研磨抛光。接触体表面应足够光滑,精密的物理接触才能实现光信号的优良传输。

光纤接触体对精度要求较高,常规多模光纤的纤芯直径只有62.5μm,而常规单模光纤的纤芯直径只有9μm。对接时,几个微米的偏差都会造成很大的插入损耗。造成光纤连接器插入损耗的主要因素是横向错位损耗和倾斜损耗,即相互对接的两个接触体的轴线不在同一轴线上,如下图4、图5所示。

接触体

图4 横向错位损耗图示

接触体

图5 倾斜损耗图示

因该连接器预期传输的光波长为1300nm,故选用常规多模光纤。为了保证该连接器插入损耗能够达到预期要求,故本产品在设计时选用高精度陶瓷插芯与高精度弹性陶瓷套筒配合使用,以保证光纤接触体的精密对接。同时,对装配后的光纤接触体端面进行UPC研磨,以保证光纤端面足够光滑,尽量减小插入损耗。

接触体

图6 光纤接触体对接图示

4 试验验证

对设计后的产品进行试制,并取试制样品按GJB1217A-2009 《电连接器试验方法》相关要求进行试验验证,试验结果合格,各项指标均满足预期要求,试验结果详见下表。

图表

5 结论

设计后的光电混装微矩形连接器,可以直接与相同接口的连接器互换对接,具备优良的光信号、电信号集成传输性能;同时,该产品具备防淋雨功能,拥有较好的抗振动、冲击能力,可适用于对耐环境要求较高的特种设备。经过试验验证,该类产品各项性能指标合格,满足预期要求。该类产品的集成度较高,体积小、质量轻,可以为小型化、集成化、智能化的电器终端及特种装备提供优良的解决方案。

参考文献:

Joseph,C.,Palais,光纤通信(第五版)电子工业出版社,2015-6;

杨奋为,军用电连接器接触件的技术集成创新,机电元件,2014-4。

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