連接器 – 基礎知識

連接器可說是所有電子專案中的必備零件。在整個設計過程當中，瞭解市面上現有的連接器和應留意的規格考量都十分重要。您不會希望在專案即將結束時，才發現需要增加連接器並予以調整，因為這可能導致時間和金錢方面代價高昂。

為專案選擇連接器時，在列出連接器特定需求之時，需要考量一些事項。一些常見的相關問題如下：

• 您需要連接器具備多少觸點數？
• 您想要或需要如何安裝每個連接器？
• 如何安裝及需要安裝至何處？
• 針對您的應用，需要或想要以什麼方式端接？
• 所用的連接器是否需要有侵入防護？
• 連接器預期承載的電壓和電流是多少？

觸點數

在多數狀況下，連接器所需的觸點數量為已知。但有時整體應用的其他需求和零件的可用性，最後可能會影響所選零件的規格。

而且也需要深入考量連接器所需處理的功率，因為這會影響所選的零件。隨著連接器的功率容量提升，我們會發現任何封裝／外殼尺寸的觸點總數將會減少。這是因為需要更多的空間以容納更大的線規和／或更高的電壓。某些製造商會透過增加觸點之間的隔離以及電弧在觸點之間移動所需的總「距離」，來嘗試增加額定電壓。此外，還有一些連接器在觸點當中設有接地觸點。這些觸點比連接器中的其他觸點還長，用於減少／消除配接或未配接連接器之間的電弧。

此外，在選擇過程中應謹記並考慮以下幾點：

• 為了將電源輸入和輸出外殼，您需要／願意使用多少個連接器和觸點？
• 連接器可能具備的常見觸點組合
  • 只有電源觸點
  • 只有訊號觸點
  • 電源和訊號觸點
  • 訊號 + 接地觸點
• 如果專案只能使用一個連接器，則可能需要用稍大的連接器才能將所有觸點包含進來。
• 如果訊號和電源是分開的，則將會增加佔用空間。但這可能是因為該應用的一般佈局所要求，或因應應用的功能，必須使其分開。

安裝類型

專案需考量的另一因素，是您所偏好或所需要的各個連接器安裝方式。安裝類型包含如下所列的幾個例子，並提供連接範例。

• PCB 引腳通孔 - 連接器的端接導線可透過電路板上的孔洞，將連接器安裝／固定到電路板上。
  • 圓形連接器
  • D-Sub 連接器
  • 矩形連接器 - 排針座，公引腳
  • 矩形連接器 - 排針座，母座
• PCB 表面黏著 - 連接器的端接導線可透過電路板表面上的觸點墊片，將連接器安裝／固定到電路板上。
  • 圓形連接器
  • D-Sub 連接器
  • 矩形連接器 - 排針座，公引腳
  • 矩形連接器 - 排針座，母座
• 面板安裝 - 安裝的表面或面板上設有孔洞，可將連接器穿過孔洞或靠著孔洞放置。由於連接器安裝於面板後方的板上，因此固定方式可以是螺紋和螺帽組合或者直接固定到位。
  • 矩形連接器 - 自由懸掛式，面板安裝
  • 圓形連接器
  • 圓形連接器 - 外罩
• 自由懸掛式／電纜安裝 - 連接器安裝在端接的纜線上。
  • 圓形連接器
  • 圓形連接器 - 外罩
  • 矩形連接器 - 外罩
• 板／卡緣／開孔安裝 - 以卡緣方式連接，端子會接近板邊緣，在許多情況下，會修改連接器以便用於板緣。電路板開孔也類似，因其接近電路板的邊緣。但板的一部分留有開孔，讓連接器能有更薄外形。這兩種安裝類型皆是為了讓電路板達到更薄的整體外形。此外，電路板上沒有其他可用空間或者出於其他設計需要，也可採用這兩種安裝類型。
  • USB、DVI、HDMI 連接器
  • 同軸連接器 (RF)
• 通板安裝 - 與開孔安裝相似。不過這類元件通常不會使用在電路板的邊緣。這類元件也是安裝在電路板的開孔中，因此與面板安裝連接器很相似。有些透過電路板上的開孔端接並焊接到與連接器配接的同一側；有些則表面黏著至連接器所在的電路板側 (連接器配接側的對側)。以下為此連接器類型的範例：
  • 端接 - 線對板連接器
  • 固態照明連接器
  • 矩形連接器 - 板接入，電線直接連至板

安裝方法

「安裝」和「端接」這兩個術語常可互換使用，但需謹記並非總是如此，有時可能會有區別。「安裝」說明整體專案和連接器作為整體介接／固定／連接的方式。「端接」說明如何進行電氣連接。在大多數情況下，通孔安裝和表面黏著表示零件會以特定方式安裝和端接 (請參閱下述的端接方法以獲得更多資訊)。安裝、配接和端接組合的可能範例如下：

• 連接器 1 為
  • 面板安裝
  • 使用直角表面黏著觸點端接到電路板
• 配接到連接器 1 的連接器 2 為
  • 自由懸掛式連接器
  • 螺絲端子

端接方法

端點或連接要以什麼方式端接？如果沒有預先設定的特定類型需求，則可能會視偏好而定。但某些應用可能需要特定類型的端接。

• 焊接端接 - 對於連接器而言，此端接方法可適用於多種應用。但如果應用處於高溫區域，則需要考慮其他的機械端接方法。焊接可用於電線端接以及電路板端接連接。因此這種類型的端接包含多種連接器焊接方式。如上所述，通孔式焊接和表面黏著式即是描述安裝和端接的類型。

圖 1：典型連接器焊接端接。

• 通孔式焊接 - 在連接器的端接側，有引線設計可穿過電路板預先準備好的通孔，並且通常在通孔式連接器電路板的另一面上有銅墊片。放好之後以焊接固定。

圖 2：此款板對板／板對線連接器設計為焊接至 PCB 上的通孔式。

• 表面黏著式端接 - 零件的引線和安裝墊片位於 PCB 的同一側。該零件須以手工放置並焊接定位，或者採用回流焊接或波峰焊接方法將其焊接至定位。請注意，某些板／卡緣連接器也屬於表面黏著式類型。

圖 3：此款板對板／板對線連接器設計為焊接至 PCB 上的表面黏著式。

• 壓接 - 這種類型的端接非常牢固可靠，可用於端接電線。然而這取決於壓接本身的品質以及是否正確安裝至觸點外罩而定。為達成高品質的壓接和整體連接，需確保使用正確的外罩觸點以及正確的壓接工具。對這些觸點來說，工具的使用是很重要的步驟。如最終品質不是問題，則可考慮使用既有的其他工具或更低成本的選擇。不過，如果嚴格追求最終品質，則需要使用由製造商所推薦的工具，並採取適當的配線準備步驟，以及製造商針對壓接後檢查所提供的任何品質數據 (注意 - 無需進行全盤檢查，僅需取樣驗證即可)。如果未使用工具和正確的程序，則連接出現故障時，大多數 (非所有) 此類連接器的製造商將不提供支援或保固。

圖 4：觸點壓接在剝皮導線上的範例。

• 直插式／插入式
• 此類型可為永久或可釋放的端接，並且已知具有相當好的可靠性和堅固性。但若用於高振動環境中，則建議檢查連接器的振動等級。
• 此類端接通常僅需剝除電線，再將電線推入連接器，或者將推桿移到解鎖狀態並插入電線，再將推桿移動到鎖定狀態即可。
• 對於可以鬆開電線的類型，則需要內建的機制，或需要一字起子等工具壓入外罩的槽中。

圖 5：此板式安裝連接器藉由將電線推進連接器下方的開口，與剝皮電線端接。在這種情況下，需要時可使用工具來鬆開電線。

圖 6：這種自由懸掛式的連接器可透過將電線推入／插入其中一端來端接剝皮電線。針對此特定類型的連接器，可透過扭轉和拉動將線材鬆開。

• 螺絲端子 - 可用於各種連接器類型，有幾種不同的使用方式。以下零件為不同類型的螺絲端子範例：
• 281-2879-ND | 609-4193-ND | 732-2759-ND | 281-3218-ND | 609-3832-ND | WM7477-ND | 732-10091-ND | ED2947-ND | 1776293-3-ND | WM5751-ND | WM5761-ND

圖 7：利用螺絲來端接電線的連接器範例。

• 絕緣包覆
• CWN-370-50-0000 為其中一例。這類的連接器可用於絕緣包覆應用中
• CWN-370-50-0000 設計為先安裝在 PCB 板上，焊接到位後進行絕緣包覆
• 這些連接器不一定用於將進行大規模生產的產品中。它們用於高頻終端產品和低產量產品原型中
• 以下連結顯示 關於絕緣包覆實務的資訊

圖 8：這些是使用絕緣包覆方法來端接電線的連接器範例。

• 壓合 - 可以是免焊式端接類型，因此能有助於降低專案的總成本。請注意，壓合端接通常設計為不使用焊接。但若因某些因素而需要焊接此類連接器，請瞭解這樣做會影響零件，且製造商可能無法支援由此產生的任何問題。選擇焊接這些連接器時，建議進行謹慎的評估和測試。此外，這類端接配有工具，可用來確保連接器均勻插入且完全就位。建議使用製造商所列出的工具。若製造商沒有列出工具，則需直接與他們聯繫，因為他們可能需要與您討論應用需求。DigiKey 的壓合技術簡介是這類技術的重要參考資料。

圖 9：這些是端接到板上安裝孔的連接器範例，包括通孔式或壓合式。

環境考量

如果應用處於相當穩定的環境，且預計不會有任何極端情況，則幾乎所有連接器皆可以滿足所定義的特定需求。但若在較為惡劣的環境中執行專案時，例如連接器可能暴露在振動、撞擊、遮蔽、環境侵入物、油、溶劑或各項化學品和腐蝕中，在選擇過程中請考慮到這些情況。

• 振動和動能撞擊
• 針對外殼內的連接，可以選擇具有額外功能的連接器，如安裝凸台和更大的額外焊盤／引腳。Omron 的 XH5 產品簡介中說明哪些選項可包含這兩種類型。為充分利用安裝特性，可參考從第 3 頁起的各連接器圖樣和安裝樣式。
• 針對進出外殼的連接，則有種類相當豐富的選擇可供任何特定類型的連接器使用。
• 檢閱考慮使用的連接器規格，確定是否經過測試，並根據您預期專案可能面臨的衝擊和振動程度進行評級。
• 屏蔽
• 當環境磁噪是重點考慮事項或者會定期造成問題時，可採用屏蔽。
• 對於採用屏蔽的連接器，需要考慮是只有特定零件要屏蔽，或者是整個路徑需要進行統一的屏蔽 (對電纜而言)。以乙太網路電纜為例。若環境相當平順，則可使用一些基本的乙太網路電纜和 8 定位模組化連接器。然而隨著環境磁噪增加，則需要考慮／實作屏蔽式模組化連接器和乙太網路電纜。
• Wurth Electronik 的有效 EMI 屏蔽概念應用說明是屏蔽議題的良好參考資料。
• 針對油、溶劑或任何種類的化學品和腐蝕，您可能找不到既符合其他規格又具備適應此類環境等級的選項。在某些情況下，如果等級達不到要求，則可能需要與製造商溝通，以取得能夠應付這類環境的連接器類型。
• 以下是一些有關此類環境危險的資訊：
• Amphenol 的嚴苛環境連接器選材指南
• Samtec 的電流 (電解) 腐蝕
• 連接器是否需要具備侵入防護？
• 侵入防護等級指出連接器可避免固體／灰塵，以及濕氣／水進入受保護區域的程度。在選擇連接器的過程中，這是個應考慮的重點，可用來篩掉所有其他不符合侵入防護要求的選項。
• 侵入防護等級格式 IPX¹X²YZ
• IP = 侵入防護
• X¹
• 0 - 無特殊防護
• 1 - 可防護 50 mm 以上的固體物品，例如人手的意外碰觸
• 2 - 可防護 12 mm 以上的固體物品，例如人類手指
• 3 - 可防護 2.5 mm 以上的固體物品 (工具和電線)
• 4 - 可防護 1 mm 以上的固體物品 (工具、電線和細小電線)
• 5 - 可防護灰塵、有限的侵入 (無害沉積物)
• 6 - 可完全防護灰塵
• X²
• 0 - 無防護
• 1 - 可防護垂直墜下的水滴，例如凝結水
• 2 - 可防護偏離垂直方向最多 15° 直接噴灑的水
• 3 - 可防護偏離垂直方向最多 60° 直接噴灑的水
• 4 - 可防護從任何方向噴灑來的水 - 允許有限的侵入
• 5 - 可防護從任何方向噴來的低壓噴射水柱 - 有限的侵入
• 6 - 可防護短暫的淹水，例如用於船甲板上 - 允許有限的侵入
• 7 - 可防護浸在高度 15 cm 至 1 m 之間液體的情況
• 8 - 可防護長時間浸在液體中且承受壓力的情況
• Y 與 Z
• 並未總是採用
• 可用來表示多重規格。下列資訊可用來協助定義 Y 與 Z
• 這是筆者從 Switchcraft 的工程團隊取得的說明 -「IP 代碼在 IEC 60529 的定義， 基本資訊示於以下截圖。」(圖 10)

圖 10：IP 代碼在 IEC 60529 的定義。(圖片來源：Switchcraft)

• 其他規格可能會在可選位數上加以延伸。DIN 40 050 添增了「K」選項，代表道路車輛的電子設備。舉個例子，IP69K 代表防塵 (6) 外殼，可防護高壓／蒸氣噴射清潔 (9K)。
• 請參考下列連結，取得有關規格的更多資訊：
• Omron 的侵入防護 (IP) 等級
• Wikipedia 的 IP 代碼
• Engineering Toolbox 的 IP – 侵入防護等級

電流與電壓額定值

• 需要什麼樣的電流額定值？
• 選擇連接器的時候，您需要挑選一個最後應用在連接器上面時，可以承受預期最大電流的選項。
• 如果可行的話，建議選擇一個能承受高於所需電流的選項，以便對可能發生之任何意外過電流提供緩衝空間。
• 有些連接器不會在文件中列出電流。若情況如此：
• 如為板式安裝連接器，試著找到安裝纜線的配接處。此處的線規可用來找出電流額定值。
• 請參考此連結，查看 AWG 的電流額定值轉換：

http://www.powerstream.com/Wire_Size.htm。

• 需要承受多少的電壓額定值呢？
  • 選擇連接器的時候，您需要挑選一個最後應用在連接器上面時，可以承受預期最大電壓的選項。
  • 如果可行的話，建議選擇一個能承受高於所需電壓的選項，以便對可能發生之任何意外過電壓提供緩衝空間。
  • 如果您查看的特定連接器沒有列出電壓 -
    • 您有時候可以檢閱擁有相同或非常相似之觸點間距和實體構造的其他連接器，有些可能會指明可承受的電壓。
    • 如果沒有電壓額定值的資料，則請聯絡連接器的製造商，瞭解對方是否能提供該資訊，或是聯絡 DigiKey 的應用工程團隊，瞭解該團隊能不能協助找出該資訊。