TEHNOLOGII DE CABLARE CU FIRE.

CABLAJE CU FIRE

În realizarea echipamentelor electronice, un loc important în volumul de muncă şi preţul de cost revine lucrărilor de montare şi asamblare a componentelor şi blocurilor funcţionale. Aceste operaţii includ dispunerea şi fixarea pieselor pe suporturi şi realizarea interconexiunilor între terminale în conformitate cu schema electrică. Astfel, realizarea circuitelor presupune în primul rând realizarea contactelor electrice între terminale sau între terminale şi conductoarele de conexiune.

Prin realizarea unui contact electric se înţelege alăturarea sau îmbinarea a două conductoare astfel încât să se asigure circulaţia curentului electric. Uneori, pentru realizarea con-tactului electric se folosesc piese distincte de conductoare – acestea sunt numite tot contacte.

Acelaşi termen desemnează şi elementele, piesele, care asigură trecerea curentului electric.

După frecvenţa conectărilor, se deosebesc:

1. Contacte permanente, care pot fi:

• contacte inamovibile, care pot fi desfăcute numai prin distrugerea elementelor; exemple tipice sunt contactele realizate prin sudare, strivire, sertizare;

• contacte amovibile în anumite condiţiuni, care pot fi desfăcute fără distrugerea elementelor dar cu ajutorul unor scule speciale; aşa sunt contactele prin lipire, răsucire, cu cleme.

2. Contacte prin fişe, capabile să reziste la cel puţin 1000 de acţionări (închideri/deschideri) dar numai în lipsa curentului prin contact; exemple sunt: mufe, conectori.

3. Contactele întrerupătoare, care suportă cel puţin 106 acţionări în prezenţa curentului prin contacte; aşa sunt întrerupătoarele şi comutatoarele de variate tipuri.

In electronică, contactele au diverse utilizări:

• Contactele inamovibile se folosesc frecvent în fabricarea componentelor, pentru fixarea terminalelor, a conductoarelor de legătură la teminalele circuitelor integrate etc.

• Contactele amovibile în anumite condiţii sunt utilizate mai des la fabricarea montajelor, la asamblerea circuitelor pe cablaje imprimate, uneori şi la fabricarea componentelor.

• Contactele prin fişe sunt utilizate de regulă pentru interconectarea subansamblelor.

• Contactele întrerupătore sunt folosite pe alimentări, pentru comutarea căilor de curent, a funcţiilor şi operaţiilor.

Pentru realizarea contactelor între terminalele fişelor se utilizează conductoare, filare sau imprimate. Totalitatea conductoarelor de interconexiune dintr-un montaj, circuit, aparat electronic, formează cablajul sistemului respectiv.

Conductoarele electrice pentru inteconexiuni pot fi: filare (cabluri) sau imprimate.

In prezent, aproape toate conductoarele de interconexiune se realizează din cupru electrotehnic, cu mare puritate (peste 99,5%). De regulă, după tragerea în fire se procedează la o recoacere care face metalul ductil (moale) şi îi reduce rezistivitatea (ρ ≈ 0,0172·10-6 Ωm). Pentru unele utilizări (de ex. pentru wrapping) se foloseşte cupru tras la rece (fără recoacere), mai elastic, cu rezistivitate ceva mai mare (ρ ≈ 0,0178·10-6 Ωm).

Conductoare din alte metale (Au, Ag, ...) se folosesc în circuite integrate şi foarte rar în alte aplicaţii. In schimb, adesea conductoarele din cupru sunt metalizate, prin acoperire cu o peliculă subţire din metal greu oxidabil (Ag, Au, ...) sau cu oxid cu ρ mică (Sn) şi care favorizează lipirea (Ag, Sn).

Cablaje cu fire

Conductoarele filare • Cablurile masive, izolate sau nu, metalizate (stanate, argintate) sau

nu, sunt din cupru recopt (moale, rezistivitate mică) sau tras la rece (mai elastic, cu rezistivitate ceva mai mare). Conductoarele masive au flexibilitate redusă şi nu suportă îndoiri sau răsuciri repetate.

• Cablurile liţate, sunt formate din mai multe fire (3 ...15 fire, Φ 0,1 ... 0,5mm) strânse în mănunchi şi uşor torsadate. De regulă sunt izolate (în prezent numai în plastic) şi pot fi cu un mănunchi sau mai multe, metalizate sau nu. Aceste conductoare au flexibilitate mai bună şi sunt folosite pentru conectarea pieselor mobile.

• Cablurile bifilare, trifilare sau multifilare, constau din mai multe conductoare, de regulă liţate, puse în paralel şi izolate în ansamblu sau cu izolaţiile lipite, formând cabluri rotunde sau tip panglică.

Tipuri de cabluri de interconexiune

Izolaţia cablurilor filare

Izolaţia cablurilor filare se realizează cu: peliculă de email, cu email şi ţesătură impregnată sau nu, sau cu masă plastică.

Cablurile izolate cu email (pelicule de 8 – 50μm) se folosesc pentru bobinajele transformatoarelor şi maşinilor electrice, a bobinelor releelor etc.

Cablurile izolate cu masă plastică sunt, de departe, cele mai folosite pentru conexiuni. De regulă izolaţia este colorată sau cu benzi colorate, pentru identificarea traseelor. Cele mai folosite mase plastice sunt: PVC (policlorura de vinil) - cea mai utilizată, PVF (polifluorura de vinil, Kynar) şi PTFE (politetrafluoretilena, Teflon); alte materiale se folosesc rar. Izolaţia din plastic are două funcţii: izolează electric căile de curent şi asigură rezisten-ţa mecanică a conductorului.

Izolaţia de lucru asigură funcţionarea unui cablu ca şi cale de curent separată de altele şi se dimensionează în funcţie de tensiunea maximă admisă (de exemplu, izolaţia din PVC de 0,5mm grosime suportă cel puţin 500V). Cablurile care au numai izolaţie de lucru se montează în locuri inaccesibile oamenilor (de exemplu în interiorul aparatelor).

Izolaţia de protecţie se montează peste izolaţia de lucru, prin îngroşarea acesteia sau ca izolaţie separată, cu funcţia de a rezista la atingeri şi acţiuni accidentale mecanice (tăiere, abraziune), pentru realizarea electrosecurităţii. Astfel de cabluri se folosesc în locuri accesibile oamenilor (de exemplu pentru alimentarea aparaturii electrocasnice).

Arbori de cablu A doua funcţie a izolaţiei constă în asigurarea rezistenţei la solicitări

mecanice, deoarece cuprul este foarte puţin rezistent la aceste solicitări; îndoirile şi torsadările repetate, vibraţiile, provoacă ruperea firelor din cupru cu diametre sub ≈2mm şi chiar mai mari. Se impune ca mijloacele de fixare mecanică a cablurilor să fie astfel încât toate solicitările mecanice să fie preluate de izolaţie.

In principal pentru creşterea rezistenţei mecanice, dar şi pentru a avea un control al traseelor, adesea se folosesc arbori de cablu. In cazul unor trasee simple, este suficientă înmănunchierea firelor şi legarea cu sfoară (matisare) sau inele. In cazul unor trasee complicate, cu dimensiuni mari, firele se strâng în mănunchi, se leagă cu sfoară (matisare) şi se impregnează cu lac pentru rigidizare. Aceşti arbori se construiesc pe machete (matriţe) din lemn sau plastic cu ştifturi sau cuie pentru ghidare, care reproduc la scara 1:1 traseul urmat de arbore în echipament; capetele firelor se lasă libere pentru a fi conectate. După rigidizare, arborii se scot de pe matriţe se montează în echipament şi se fixează cu cleme sau inele. Frecvent, firele sunt diferit colorate iar capetele se marchează.

Arbore de cablu

Curentul maxim admis Conductoarele filare sunt caracterizate în principal prin

curentul maxim admis şi prin tensiunea maximă suportată de izolaţie. Aceste caracteristici sunt esenţiale pentru curenţi şi tensiuni mari (peste 0,1A, peste ≈24V).

In cazul curenţilor slabi, cablurile se aleg după alte criterii, precum rezistenţa mecanică, traseul spaţial, preţ de cost etc.

Curentul maxim admis depinde de diametrul conductorului şi condiţiile de răcire.

Intr-un conductor cu lungime l şi diametru d, prin efect Joule, se produce o putere sub formă de căldură: Pp=RI2, unde rezistenţa este:

22

4

4dl

dl

slR

Curentul în funcţie de densitatea de curent j (A/m2), este :

In final: 4

2djjsI

22

4jldP

p

Datorită Pp conductorul se încălzeşte la Tc mai mare decât temperatura ambiantă Ta. La echilibru termic, puterea produsă este egală cu puterea disipată (evacuată prin răcire) Pd. Puterea disipată se evacuează prin suprafaţa exterioară a conductorului şi, în condiţii de răcire date, este proporţională cu suprafaţa exterioară şi cu diferenţa de temperatură Tc – Ta:

Pp=α(Tc-Ta)πdl

Tensiunea maximă admisă depinde de natura şi grosimea izolaţiei şi este indicată în cataloage. De exemplu, izolaţia din PVC de 0,8mm admite Umax ≈750Vef iar izolaţia din Kynar de 0,12mm (cabluri pentru wrapping) admite Umax ≈150Vef.

Cablurile ecranate formează o categorie aparte. Acestea sunt formate din:

• un conductor central, masiv sau liţat;

• izolaţia din jurul conductorului central;

• un conductor cilindric exterior realizat din împletitură din sârmă de cupru (tresă), din bandă (folie) din cupru (rar din aluminiu) sau din fire de cupru paralele înfăşurate pe izolaţia din jurul conductorului central;

• izolaţia exterioară de protecţie.

Conductorul central este masiv – la cablurile de RF sau liţat – la cablurile de AF. De regulă, este din cupru. In cazul particular al cablurilor coaxiale pentru sondele de osciloscop cu intrare pe 1MΩ, conductorul este foarte subţire (0,1 – 0,2mm), din material rezistiv (manganină), asigurând o rezistenţă de 20 – 200Ω, pentru reducerea efectelor reflexiilor; conductorul este instalat “ondulat” în tubul izolator, pentru asigurarea flexibilităţii.

Izolaţia interioară se execută din:

• aer, cu rondele distanţiere, care asigură pierderi foarte mici dar diametrele sunt mari şi flexibilitatea redusă;

• din masă plastică extrudată, folie sau extrudată cu bule de aer, din PVC (pentru AF), polistiren sau teflon (pentru RF).

Ecranul, conductorul cilindric exterior, este realizat de obicei din împletitură din fire de cupru (tresă). Cu cât ochiurile sunt mai mici, cu atât radiaţia electromagnetică (radiată sau pătrunsă) este mai redusă, efectul de ecranare mai pronunţat. Pentru frecvenţe foarte mari, se folosesc cabluri dublu ecranate cu tresă sau cu folie.

Cablurile coaxiale se caracterizează prin impedanţa caracteristică Z0 şi constanta de atenuare α, dată de obicei în unităţi logaritmice (dB/m, dB/10m, dB/100m dB/km). Uneori se specifică şi parametrii liniei C0 (pF/m) şi L0 (nH/m), constanta de propagare (întârziere) γ (ns/m, μs/km).

Există o mare varietate de cabluri coaxiale, cu Z0 = 50 ... 100Ω (rar mai mici, foarte rar mai mari). Cablurile pentru JF au tresa mai rară şi C0 = 100 ... 300pF/m iar cele pentru RF au tresa cu ochiuri mici şi C0 = 50 ... 100pF/m. Uneori, pentru JF se realizează cabluri coaxiale duble sau triple: două – trei cabluri coaxiale în acelaşi înveliş de plastic protector sau, rar, două – trei caburi în acelaşi ecran.

Pentru aplicaţii speciale se realizează cabluri cu secţiune dreptrunghiulară, cu raportul latura mare/latura mică = 2 ... 10; acestea au L0 mică şi în consecinţă Z0 mică (4...20Ω)

Tehnologii de cablare cu fire In cel mai vechi procedeu de cablare,

componentele se fixau pe un suport (şasiu), izolant sau metalic, cu cleme, şuruburi, piuliţe etc. Legăturile între terminale se executau cu fire izolate sau nu. Unele componente se montau direct între terminalele unor piese. Datorită dezavantajelor evident, acest procedeu nu mai este folosit în producţia industrială.

Un progres s-a înregistrat prin folosirea plăcilor şi regletelor din materiale izolante (textolit, pertinax, ceramică) pe care se montează prin încastrare sau capsare, capse, cose sau cleme metalice folosite pentru contacte electrice. Piesele se montează prin lipirea terminalelor pe contacte iar conexiunile se realizează direct între terminale sau cu fire.

Montajele astfel realizate, sunt ordonate, au răcirea bună, bună rezistenţă mecanică şi fiabilitate. Din aceste motive, procedeul este şi azi folosit în circuite care lucrează la tensiuni mari şi/sau necesită răcire bună.

Reglete izolante cu cose, capse şi cleme de contact şi un montaj pe reglete cu cleme

Procedeul wire-wrap Un procedeu de cablare cu fire inventat prin 1965 şi destul de utilizat în prezent, este cel numit wire-wrap (wrapping). In acest procedeu se folosesc pini pentru wrapping încastraţi în suport izolant, pe care se înfăşoară strâns conductorul de conexiune. Pinii sunt din metal elastic (bronz fosforos, alamă, oţel, ...) acoperiţi cu aur, argint sau staniu, cu secţiune pătrată (de regulă) sau triunghiulară cu muchii tăioase. Conductorul care se înfăşoară pe pini este din cupru tras la rece (pentru elasticitate) argintat sau stanat (mai puţin recomandabil). Izolaţia este din teflon, Kynar, PVC sau Nylon, cu grosime mică (0,15 – 0,3mm). Conductorul este înfăşurat foarte strâns pe pin, cu o sculă specială. Ca urmare, muchiile crestează puţin conductorul iar pinul este puţin torsadat. Ca urmare, apar forţe elestice care asigură un contact foarte bun şi fiabil (mult mai fiabil decât contactul prin lipire). Pentru a nu se rupe cuprul la vibraţii, se execută şi 0,5 ... 1,5 ture cu conductor izolat. Pe un pin se pot conecta mai multe fire, în funcţie de lungimea acestuia şi grosimea firului.

Procedeul de cablare wire-wrap

Pinii au latura de 0,5 ... 1mm, lungimea 15 ... 25mm şi sunt plasaţi în ochiurile inei reţele cu pasul 2,54 ... 5,08mm (0,1 ... 0,2inches) – o densitate foarte bună de contacte pe cm2.

Infăşurarea se execută cu scule speciale, manuale, electrice sau pneumatice. Testele au arătat că o înfăşurare poate fi desfăcută şi refăcută de circa 50 de ori.

Procedeul wire-wrap se foloseşte pentru interconectarea subansamblelor, când sunt necesare multe conexiuni între puncte îndepărtate spaţial, când conductoarele urmează trasee complicate; un exemplu este la interconectarea registrelor din centralele telefonice.

Avantajele procedeului sunt: asigură o mare densitate de contacte pe unitatea de suprafaţă, permite automatizarea execuţiei, asigură contacte bune şi foarte fiabile iar depanarea este uşoară.

Dintre dezavantaje, mai importante sunt: necesită pini şi conductoare anume fabricate, impune atenţie din partea lucrătorilor când pinii sunt foarte apropiaţi (apare oboseala, sunt posibile erori). Procedeul este aplicabil în joasă frecvenţă şi în sisteme digitale cu viteză mică şi medie.

Alte tehnici de interconectare cu fire

Alte procedee de interconectare cu fire frecvent utilizate în electronică sunt: • cu contact cu şurub;

• cu elemente de contact (papuci, cose, cleme) fixate (sertizate, lipite) pe conductor.

Contactele cu şurub se pot face prin înfăşurarea firului în jurul şurubului sau prin introducerea firului în gaura din piesa de contact. In primul caz este obligatorie folosirea a cel puţin o şaibă; în ambele cazuri se recomandă şi şaibe antideşurubare (grower). De asemenea, se recomandă imobilizarea firului cu bride sau cleme, montate pe porţiunea izolată.

Contactele cu elemente de contact fixate pe conductor folosesc papuci, cose, cleme, cu variate forme şi dimensiuni. Fixarea conductorului se face de obicei prin strivire cu cleşti speciali, fără lipire (de obicei) sau prin strivire şi lipire, rareori numai prin lipire. Este obligatorie imobilizarea mecanică pe porţiunea izolată a conductorului, strivind parţial izolaţia.