Электрический соединитель (разъемы)

Электри́ческий соедини́тель ( разъем ) — электротехническое устройство, предназначенное для механического соединения и разъединения электрических цепей^[1].

Разъем обычно состоит из двух или более частей — вилки (той части соединителя, из которой выступают штыри, или штыревые контакты) и соответствующей ей розетки (той части соединителя, в которой находятся углубления для штырей, или гнездовые контакты). ГОСТ IEC 60050-151-2014, введенный в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 октября 2015 года приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 24 ноября 2014 г. № 1561-ст, дает другое определение розетке и вилке.

Штепсельная розетка — соединитель, присоединенный к аппарату, конструктивному элементу и т. п. Примечание — контактные элементы штепсельной розетки могут быть гнездовыми контактами, штыревыми контактами или и теми и другими. Назван розеткой по аналогии с круглым элементом декора, крепящемся на стене или потолке. Сам же декор получил название от слова «роза». В дальнейшем розеткой стали называть любые аналогичные устройства, не обязательно электрические.

Штепсельная вилка — соединитель, присоединенный к кабелю. Гнездо — источник электропитания; вилка — потребитель: в разомкнутом состоянии на вилке соединения не должно быть напряжения.

В профессиональной деятельности и в быту часто говорят «разъем», «штекер» (от нем. Stecker «вилка»). Иногда вилку и розетку называют соответственно словами «папа» и «мама» (англ. «male» и «female» соответственно), особенно если обе части соединителя не закреплены на монтажной поверхности. Эти названия не являются официально признанными терминами (то есть такое словоупотребление ненормативно), однако часто используются электронщиками.

Электрическое соединение совершается путем создания электрического контакта между проводниками. Число контактов определяется назначением разъема и может составлять от одного до нескольких тысяч. Конструктивно электрический соединитель состоит, как правило, из двух частей: вилочной (вилки) и розеточной (розетки). Каждая из частей в свою очередь обычно состоит из корпуса и изолятора с контакт-деталями.

Корпус соединителя бывает разборным и неразборным; изготавливаются корпуса из пластика, резины, керамики, металла и других материалов. Изолятор — деталь вилки или розетки, расположенная внутри корпуса и предназначенная для механического крепления контакт-деталей и электрической изоляции их друг от друга. Изготавливается из пластика или керамики. В неразборных корпусных частях соединителя изолятор обычно отсутствует.

Контакт-деталь — деталь, соприкасающаяся с другой при сочленении частей электрического соединителя для образования электрического контакта. Изготавливается из металла с хорошей электропроводностью (сплавов алюминия или меди) и часто покрывается благородными металлами (серебро, золото, платина) для предотвращения окисления. Часть контакт-детали, к которой присоединяются металлические жилы провода или кабеля, называется хвостовиком электрического соединителя. По способу соединения с жилами провода различают хвостовики для пайки, сварки, обжимки и накрутки. Для закрепления экрана кабеля к кожуху или корпусу электрического соединителя служит деталь под названием экранный зажим.

Кабельный зажим — деталь на монтажной стороне части соединителя, обеспечивающая защиту хвостовиков электрического соединителя от механических усилий. В соединителях, использующихся на неподвижных устройствах и агрегатах, кабель в корпус соединителя может вводиться через круглое отверстие. Кабель соединителя, установленного на подвижных частях устройств и агрегатов, может подвергаться изгибам и натяжениям, что может привести к повреждению жил кабеля в месте присоединения к контакт-деталям или повреждению самих хвостовиков. Чтобы этого не произошло, соединители оснащают специальным кабельным зажимом, либо устройством защиты от натяжения и скручивания, либо и тем и другим одновременно. Соединитель, предназначенный для работы в пыльной и влажной среде дополнительно оснащается уплотнителем (прокладкой) и заглушкой — деталью, предназначенной для защиты контакт-деталей и изолятора от механических и климатических воздействий.

Для исключения возможности ошибочного соединения большинство разъемов выполняют с ориентирующими элементами, на профессиональном жаргоне часто называемыми «ключами».

Ориентирующий элемент — это направляющие в форме разных выступов и пазов, обеспечивающие при сочленении взаимную ориентацию частей электрического соединителя. Ориентирующие элементы предназначены, как правило, для того, чтобы каждый контакт одной части соединителя соединился с предназначенным ему ответным контактом другой при сочленении.

Соединитель представляет собой, как правило, парное устройство: часть «папа» (англ. male plug; по ГОСТ — вилочная часть) содержит штыревые контакты (штыри); «мама» (англ. female plug; по ГОСТ — розеточная часть) содержит гнездовые контакты^[1]. Штыревые и гнездовые контакты, соприкасающиеся при образовании электрического контакта, совместно именуются контакт-деталями^[2]. Штыревая контакт-деталь предназначена для ввода в гнездовую и электрического контактирования с ней по своей внешней рабочей поверхности, а гнездовая — со штыревой по своей внутренней рабочей поверхности. Гнездовая контакт-деталь обычно представляет собой одну или две пружинящие пластины. При сочленении соединителя штырь касается пластин, которые, изгибаясь, охватывают его, обеспечивая постоянный электрический контакт.

Существуют и соединители, содержащие в одной части как штыревые, так и гнездовые контакты. В русскоязычной технической и справочной литературе такие соединители называются гибридами электрического соединителя. В англоязычной литературе такие разъемы называют гермафроди́тными (англ. hermaphroditic) или беспо́лыми (англ. genderless, sexless).

Значительное распространение имеют разъемы, в которых отсутствуют контактные штыри и, соответственно, обхватывающие их контакты. Вместо штырей используются контактные площадки, которые выглядят равнозначно с обеих сторон разъема (например, у разъема USB или у процессоров фирмы «Intel» семейства Core).

В советской технической литературе была однозначно принята классификация по признаку «розетка-гнездо-штекер» с возможным дополнительным уточнением типа и самих контактов «папа» или «мама» ^[ .

Таким образом, учитывая обе эти классификации, получается четыре группы разъемов:

• часть, располагаемая на основной (неподвижной) части устройства:
  • гнездо «мама»;
  • гнездо «папа»;
• часть, располагаемая на подвижной части (кабеле):
  • штекер «мама»;
  • штекер «папа».

Классификация видов раъемов

В зависимости от области использования и типа оборудования разъемы классифицируются по:

• назначению (сигнальные, питающие, аудио-, видео-, компьютерные и прочие);
• напряжению (низковольтные, высоковольтные);
• силе тока (слаботочные, сильноточные);
• диапазону частот проходящего через них тока (на переменный ток (англ. AC), на постоянный ток (англ. DC); низкочастотные, высокочастотные);
• методу монтажа (на панель, на провод, на шасси);
• способу подключения провода к контакту (винтовая клемма, обжим, пайка);
• защищенности от внешней среды (для оценки которой чаще всего используется система IP. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Самая высокая степень защиты — IP68).

Общие характеристики:

• число контактов;
• допустимое напряжение и ток;
• контактное давление;
• контактное сопротивление;
• электрическая прочность;
• сопротивление межконтактной изоляции;
• диапазон рабочих частот;
• габариты;
• допустимые климатические и механические условия эксплуатации;
• гарантированное количество циклов коммутации.

Существуют по классификации и материалам, применяемым в розетках, латунные и бронзовые. Самые распространенные — латунные по внутреннему составу^[3]. Розетки существуют в исполнениях для скрытой установки (встраиваемые) и для открытой (накладные).

С точки зрения механики контактов электрические разъемы классифицируют по способу соединения, конструкции контактных элементов и механизму фиксации.

1. Виды контактных соединений по конструкции

1. Штырь — гнездо (Pin & Socket)

Один контакт имеет форму штыря, другой — пружинящего гнезда. Контакт обеспечивается силой упругости гнезда.

2. Ножевой контакт (Blade & Receptacle)

Плоская металлическая пластина входит в упругую контактную клемму. Распространен в автомобильной электрике.

3. Подпружиненный контакт (Pogo Pin)

Подвижный штырь прижимается пружиной. Используется в зарядных станциях, тестерах и контактных площадках.

4. Пластинчатый пружинный контакт

Контакт выполнен в виде упругой металлической пластины, которая прижимается к ответной поверхности.

5. Вилочный контакт

Контакт имеет раздвоенную форму и охватывает ответную контактную часть.

6. Корончатый контакт (Crown Contact)

Внутри гнезда расположены упругие контактные лепестки, обеспечивающие несколько точек соприкосновения.

2. Классификация по механизму фиксации

Push-Pull

Фиксация нажатием, разъединение вытягиванием.

Байонетный

Фиксация поворотом на небольшой угол.

Резьбовой

Фиксация посредством резьбовой гайки.

Защелкивающийся

Фиксация упругим замком или защелкой.

3. Классификация по характеру контакта

4. Важные механические параметры контактов

• Contact Force — сила контактного прижатия.

• Insertion Force — усилие введения контакта.

• Withdrawal Force — усилие извлечения.

• Normal Force — нормальная сила прижатия.

• Wiping Action — эффект протирания поверхности при соединении.

• Contact Resistance — переходное электрическое сопротивление.

• Mechanical Durability — ресурс циклов соединения и разъединения.

Важный момент: один и тот же разъем может сочетать несколько принципов. Например, иметь штырь-гнездо, корончатую пружину внутри гнезда и байонетный механизм фиксации корпуса.

Могу также подробно разобрать именно конструктивные типы контактных элементов: ламельные, лепестковые, корончатые, пружинные, цанговые, точечные и многоточечные с чертежами и принципом работы.

ZIF (Zero Insertion Force) следует классифицировать как разъем с механизмом механической разгрузки контактного соединения при сопряжении.

То есть ZIF — это не отдельный тип геометрии контакта (как штырь-гнездо или ножевой контакт), а конструктивный принцип соединения, при котором контакты размыкаются или освобождаются специальным механизмом на время установки ответной части.

1. Место ZIF в классификации разъемов

Разъемы по механике сопряжения

По усилию сопряжения

• ZIF — нулевое усилие вставки

• LIF — низкое усилие вставки

• FIF — обычное усилие вставки (условное обозначение)

По механизму создания контактного давления

• Пружинное самоподжатие

• Рычажное прижатие

• Кулачковое прижатие

• Винтовое прижатие

2. Классификация ZIF по конструкции механизма

ZIF vs. Non-ZIF FPC Connectors: Complete Engineering Guide

Flip-lock ZIF

Откидной рычажный механизм. Контактное давление создается при закрытии крышки.

Slider ZIF

Подвижная планка перемещается параллельно корпусу и фиксирует шлейф.

Lever-actuated ZIF

Рычаг через кулачковый механизм изменяет положение контактных элементов.

Cam-actuated ZIF

Кулачковый привод одновременно перемещает группу контактов.

Такие варианты механизмов описываются, например, в техническом каталоге IRISO.

3. Как работает механика ZIF

1. Открытое состояние: контакты отведены от зоны ввода либо не создают существенного прижимного усилия.

2. Ввод: ответная часть (шлейф, плата или микросхема) устанавливается практически без усилия.

3. Активация: рычаг, крышка или ползунок приводит механизм в рабочее положение.

4. Замыкание: контактные элементы создают необходимое контактное давление.

5. Фиксация: механизм удерживает соединение в рабочем положении.

Важно: нулевое усилие относится к процессу установки ответной части, а не к отсутствию контактного давления в рабочем состоянии.

4. классификация ZIF

Уровень классификации	Тип
По способу сопряжения	ZIF
По усилию установки	Нулевое
По созданию контактного давления	Механически активируемое
По приводу	Рычажный / кулачковый / ползунковый
По фиксации	Механическая блокировка
По контактному элементу	Пружинный / лепестковый / иной

Мой вывод: ZIF лучше выделить в самостоятельную категорию «Разъемы с управляемым контактным усилием» (Actuated Contact Connectors).

Это позволит логично классифицировать рядом:

• ZIF — Zero Insertion Force;

• LIF — Low Insertion Force;

• Clamping — зажимные соединения;

• Compression — компрессионные соединения;

• Spring-loaded — подпружиненные соединения.

При этом эти термины не являются полностью взаимоисключающими: например, ZIF может одновременно использовать пружинные контакты.

Высокочастотные соединители

Коаксиа́льный электри́ческий соедини́тель (коаксиальный соединитель, RF-соединитель (от англ. radio frequency connector); англ. coaxial RF connector) — электрический соединитель, предназначенный для соединения коаксиального кабеля с оборудованием и для соединения (сочленения) двух коаксиальных кабелей друг с другом.

Присоединительные элементы представляют собой сборки из двух-трех вилка или розетки и называются адаптерами.