为电缆组件或线束选择合适的组件

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任何电子或电气系统的关键部件都是电缆组件/电缆线束,但电缆组件/电缆线束通常是最后才处理的部件之一。在设计系统时,应在设计阶段尽早解决电缆组件问题,以便为当前应用指定最佳设计。组件设计中会涉及许多组件,每个组件都会对成品电缆组件或线束的性能产生影响。如果使用设计过度或设计不足的组件,都会对成品系统的性能产生负面影响。

需要预先回答的一些问题与组件的使用环境有关。例如,如果电缆组件将用于动态安装,即会受到一定程度的挠曲,那么组件的部件就需要能够承受预期的挠曲。如果组件要在恶劣环境中使用,如果组件要在无尘室环境中使用,或者如果组件要在暴露于阳光或潮湿的环境中使用,也需要考虑同样的选择。

在本文中,我们将讨论在设计电缆组件或线束时需要考虑的各种选项。这些选项包括:满足组件安装要求的最佳材料、适合组件传输信号类型的端接方法,以及组件需要符合的环境安全认证。

导体或电路

组件中包含的电路或导体的数量和类型取决于组件的应用。使用的导电材料类型、构建导体的绞合方式以及导电材料的电镀方式都有多种选择。

铜是用途最广、使用最广泛的导体材料。铜可与多种涂层兼容,以防止腐蚀并有助于端接过程。如果需要提高导体的断裂强度,可以选择铜包钢和铜合金。这些材料仍然使用铜,但添加了钢或合金(如镉、铬和锆),以提高挠曲寿命和断裂强度。在某些有限的应用中,不锈钢可用作导体,但与铜相比,不锈钢本身是一种导电性较差的材料,可能需要通过电镀来提高其导电性。

裸铜暴露在大气中容易腐蚀,因此大多数导体都会镀上各种涂层,以防止腐蚀,并使铜能够用于更严格的安装中。最常用的镀层之一是锡,它用于延缓裸铜的腐蚀,是成本最低的镀层,并有助于端接过程。如果电缆组件要在温度较高的环境中使用,则可以使用银或镍等涂层,这样导体就能分别在 200°C 和 260°C 的温度下可靠地使用。

组件中使用的导体可以仅由一根实心的导电材料股构成,也可以由许多较小的导体构成。绞合导体是为了克服实心导线的刚度而开发的,有许多不同的结构,组件的应用将决定使用哪种结构。对于任何给定尺寸的导体,股数越多、直径越小,导体就越柔软。

电缆组件的每个导体都应根据其预期的具体用途进行设计。例如,如果导体是用来供电的,那么在确定导体的尺寸之前,就需要考虑它将承载的电流大小。如果导体需要传输信号,则需要考虑信号的速度和组件的长度,以确定导体的正确结构。

主绝缘层/护套

绝缘体有热固性和热塑性两种成分,与导体结构一样,主导体绝缘体的材料、厚度和类型取决于电缆组件的应用。现有材料可满足各种应用和环境的需要。需要解决的一些关键问题包括:组件将暴露的工作温度、组件将承受的电压类型和水平、组件将安装在多么恶劣的环境中,以及组件将承受哪些类型的化学品/流体,这些都是需要考虑的因素。

现有的材料可使组件在 -65°C 至 +200°C 或更高的极端温度下工作。在考虑温度问题时,需要考虑的一个因素是组件是处于动态状态还是静态状态,即组件是否会移动,如果会移动,在什么温度下移动。在极端温度下处于动态状态的组件需要更坚固的化合物才能正常工作。

电缆组件需要承载的电流或电压大小也将决定使用的绝缘类型。有些绝缘材料无法长时间承受大电流。

如果需要传输更高速度的信号,一些绝缘材料将通过化学发泡工艺或气体喷射发泡工艺进行 “发泡”。这种发泡工艺会在绝缘层中产生气泡,从而改变绝缘层,使高速信号的传输不受阻碍。

在有多个导体的电缆中,可以对主绝缘层进行着色和标记,以便识别。着色可通过在初级挤出阶段使用与化合物混合的着色剂来完成。另一种识别方法是在绝缘层上印上编号,或使用条纹,条纹可以是纵向的、螺旋形的或环带形的。

导体的扭转/布线

电线缠绕由亚历山大-格雷厄姆-贝尔(Alexander Graham Bell)于 1881 年发明,目的是消除来自外部的 EMI(电磁干扰)。最常见的噪声问题是用于电信的电缆,在这种情况下,同一电缆中的线对长时间相邻。由于距离很近,一对电缆可能会对相邻的一对电缆产生串扰,这种噪声在电缆长度上是相加的。将电缆线对扭转可以消除这种影响,因为线对只在半扭转时才相互靠近。如果组件将用于通信或数据信号传输,则应考虑采用双绞线对,以消除任何影响组件性能的噪声或 EMI 风险。

导体或双绞线还需要布线。布线是将导体或双绞线螺旋缠绕在一起或 “布线 “在一起的生产操作。布线有几个目的,一是使组装更加灵活,二是产生一个圆形结构,使终端组装更加美观。

屏蔽

为了进一步控制电磁干扰/射频干扰,导体/线对布线后可以使用整体屏蔽。整体屏蔽有多种选择,各有利弊。最常用的屏蔽之一是粘在聚酯衬底上的金属化箔片,即箔片屏蔽。铝箔屏蔽的应用成本最低,具有相当好的柔韧性,但弯曲寿命不长,在较高频率下效果较好,但在低频下效果较差。

整体屏蔽的另一种选择是编织屏蔽。这种屏蔽由许多直径较小的导线组成,这些导线使用被称为编织机的专用设备 “编织 “到电缆芯上。这种屏蔽的成本比金属箔屏蔽高,端接也比金属箔屏蔽困难,但在低频时屏蔽效果更好,弯曲寿命也更长。

另一种屏蔽是螺旋屏蔽,即在电缆芯线上缠绕小直径导线。这种屏蔽具有出色的柔韧性和较长的弯曲寿命,但对高频的保护能力较差,而且难以端接。

箔屏蔽和编织屏蔽的组合可提供最佳的 EMI/RFI 保护。这种组合在所有频率下都能提供出色的保护,易于端接,但通常是最昂贵的选择。

外护套

电缆芯线制作完成后,要进行外护套或外套的安装。外护套是一种保护层,要求具有阻燃性,以满足 UL 和/或 CSA 的要求。外护套还要求具有一定的物理强度,以保护电缆免受恶劣环境的影响;具有一定的柔韧性,以便在安装过程中以及在所安装设备的生命周期内允许组件移动;具有一定的耐化学性;在某些应用中还要求具有半导电性。

护套可由多种不同材料制成,所用材料的类型取决于组件的安装环境。聚氯乙烯(PVC)是目前使用最广泛、成本效益最高的化合物。其他可使用的材料包括:用于严酷工况的聚氨酯产品、在许多应用中可替代橡胶的弹性体产品、具有极佳耐火性和物理韧性的碳氟化合物、具有上述几种不同材料特性的合金材料,以及在火灾中具有低烟、低毒和低酸生成特性的无卤材料。

连接器/应力消除

电缆组件设计人员在组件上使用连接器时有很多选择。传输信号的类型和速度将决定连接器的选择。例如,如果要通过组件传输电源,则可选择压接式连接器;如果要传输高速信号,则应使用焊接或焊接式连接。根据组件将用于的设备,连接器的选择可能会受到限制。在组件需要连接的设备上,可能已经选择并安装了连接器。如果是这种情况,那么连接器的选择将非常有限。

电缆组件设计人员需要做出的另一个选择是是否需要应力消除。应力消除提供了一个从电缆到终端区域的过渡点,防止施加在电缆上的负载转移到终端导致终端故障。应力消除有多种选择,如实心设计或分段设计。分段式设计可提供最大的抗弯强度,但在无菌环境中使用时较难保持清洁。

安全认证

在设计电缆组件或线束时,主要关注点之一是位置。关键因素是组件最终使用的地区、特定地区视为法律的安全认证以及组件需要满足的环境标准。

许多国家都有自己的监管和安全标准机构,负责执行电气设备的检查和测试。例如,在北美,UL 和 CSA 是制定安装准则的监管和安全标准机构。

除北美以外,大多数国家都有自己的机构来制定本国的安装标准,其中大多数国家使用 IEC(国际电工委员会)、CEE(国际电气设备审批规则委员会)或 CENELEC(欧洲电气标准化委员会)作为指导原则的基础。

还有一些环境标准限制或约束产品中有害物质的使用。REACH 和 RoHS 指令就是限制使用有害物质的两个此类标准。除 REACH 和 RoHS 指令外,还有 WEEE 指令。WEEE 指令规定了电子和电气产品在使用寿命结束后的处置和回收。

除安全和环境标准外,组件可能还需要满足基于特定性能标准的行业标准。根据应用的不同,电缆组件可能需要满足 HDMI、SFP+、QSFP、TIA/EIA 568-C.2 等标准,或者组件可能需要通过 ETL 等独立测试服务的验证。

结论
总之,在为您的应用设计电缆组件或线束时,有许多因素需要确定。在开始制造之前,需要预先解决设计中的每一个规格问题。忽略其中一些重要因素可能会影响最终产品的性能,如果设计过度或不足,还会影响价格。如果您正在设计一种需要电缆组件的产品,最好的做法是与制造商讨论有关整个应用的所有细节,以帮助确定最适合您最终产品需要的电缆组件。

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