Что за элементы впаяны перед разъемом дисплея

Обновлено: 04.07.2024

Для того чтобы починить ЖК монитор своими руками, необходимо в первую очередь понимать, из каких основных электронных узлов и блоков состоит данное устройство и за что отвечает каждый элемент электронной схемы. Начинающие радиомеханики в начале своей практики считают, что успех в ремонте любого прибора заключается в наличии принципиальной схемы конкретного аппарата. Но на самом деле, это ошибочное мнение и принципиальная схема нужна не всегда.

Итак, вскроем крышку первого попавшегося под руку ЖК монитора и на практике разберёмся в его устройстве.

ЖК монитор. Основные функциональные блоки.

Жидкокристаллический монитор состоит из нескольких функциональных блоков, а именно:

Жидкокристаллическая панель представляет собой завершённое устройство. Сборкой ЖК-панели, как правило, занимается конкретный производитель, который кроме самой жидкокристаллической матрицы встраивает в ЖК-панель люминесцентные лампы подсветки, матовое стекло, поляризационные цветовые фильтры и электронную плату дешифраторов, формирующих из цифровых сигналов RGB напряжения для управления затворами тонкоплёночных транзисторов (TFT).

Рассмотрим состав ЖК-панели компьютерного монитора ACER AL1716. ЖК-панель является завершённым функциональным устройством и, как правило, при ремонте разбирать её не надо, за исключением замены вышедших из строя ламп подсветки.

Маркировка ЖК-панели: CHUNGHWA CLAA170EA

На тыльной стороне ЖК-панели расположена довольно большая печатная плата, к которой от основной платы управления подключен многоконтактный шлейф. Сама печатная плата скрыта под металлической планкой.

ЖК-панель компьютерного монитора Acer AL1716

На печатной плате установлена многовыводная микросхема NT7168F-00010. Данная микросхема подключается к TFT матрице и участвует в формировании изображения на дисплее. От микросхемы NT7168F-00010 отходит множество выводов, которые сформированы в десять шлейфов под обозначением S1-S10. Эти шлейфы довольно тонкие и на вид как бы приклеены к печатной плате, на которой находиться микросхема NT7168F.

Печатная плата ЖК-панели и её элементы

Микропроцессор SM5964 выполняет довольно небольшое число функций. К нему подключена кнопочная панель и индикатор работы монитора. Этот процессор управляет включением/выключением монитора, запуском инвертора ламп подсветки. Для сохранения пользовательских настроек к микроконтроллеру по шине I2C подключена микросхема памяти. Обычно, это восьмивыводные микросхемы энергонезависимой памяти серии 24LCxx.

Основная плата (Main board) ЖК-монитора.

Вторым микропроцессором на плате управления является так называемый мониторный скалер (контроллер ЖКИ) TSU16AK. Задач у данной микросхемы много. Она выполняет большинство функций, связанных с преобразованием и обработкой аналогового видеосигнала и подготовке его к подаче на панель ЖКИ.

В отношении жидкокристаллического монитора нужно понимать, что это по своей сути цифровое устройство, в котором всё управление пикселями ЖК-дисплея происходит в цифровом виде. Сигнал, приходящий с видеокарты компьютера является аналоговым и для его корректного отображения на ЖК матрице необходимо произвести множество преобразований. Для этого и предназначен графический контроллер, а по-другому мониторный скалер или контроллер ЖКИ.

Мониторный скалер TSU16AK взаимодействует с управляющим микроконтроллером SM5964 по цифровой шине. Для работы ЖК-панели графический контроллер формирует сигналы синхронизации, тактовой частоты и сигналы инициализации матрицы.

Микроконтроллер TSU16AK через шлейф связан с микросхемой NT7168F-00010 на плате ЖК-панели.

При неисправностях графического контроллера у монитора, как правило появляются дефекты, связанные с правильным отображением картинки на дисплее (на экране могут появляться полосы и т.п). В некоторых случаях дефект можно устранить пропайкой выводов скалера. Особенно это актуально для мониторов, которые работают круглосуточно в жёстких условиях.

При длительной работе происходит нагрев, что плохо сказывается на качестве пайки. Это может привести к неисправностям. Дефекты, связанные с качеством пайки нередки и встречаются и у других аппаратов, например, DVD плееров. Причиной неисправности служит деградация либо некачественная пайка многовыводных планарных микросхем.

Блок питания и инвертор ламп подсветки.

Наиболее интересным в плане изучения является блок питания монитора, так как назначение элементов и схемотехника легче в понимании. Кроме того, по статистике неисправности блоков питания, особенно импульсных, занимают лидирующие позиции среди всех остальных. Поэтому практические знания устройства, элементной базы и схемотехники блоков питания непременно будут полезны в практике ремонта радиоаппаратуры.

Блок питания ЖК монитора состоит из двух. Первый – это AC/DC адаптер или по-другому сетевой импульсный блок питания (импульсник). Второй – DC/AC инвертор. По сути это два преобразователя. AC/DC адаптер служит для преобразования переменного напряжения сети 220 В в постоянное напряжение небольшой величины. Обычно на выходе импульсного блока питания формируются напряжения от 3,3 до 12 вольт.

Инвертор DC/AC наоборот преобразует постоянное напряжение (DC) в переменное (AC) величиной около 600 — 700 В и частотой около 50 кГц. Переменное напряжение подаётся на электроды люминесцентных ламп, встроенных в ЖК-панель.

Вначале рассмотрим AC/DC адаптер. Большинство импульсных блоков питания строится на базе специализированных микросхем контроллеров (за исключением дешёвых зарядников для мобильного, например).

Так в блоке питания ЖК монитора Acer AL1716 применена микросхема TOP245Y. Документацию (datasheet) по данной микросхеме легко найти из открытых источников.

В документации на микросхему TOP245Y можно найти типовые примеры принципиальных схем блоков питания. Это можно использовать при ремонте блоков питания ЖК мониторов, так как схемы во многом соответствуют типовым, которые указаны в описании микросхемы.

Вот несколько примеров принципиальных схем блоков питания на базе микросхем серии TOP242-249.

Рис 1 .Пример принципиальной схемы блока питания

В следующей схеме применены сдвоенные диоды с барьером Шоттки (MBR20100). Аналогичные диодные сборки (SRF5-04) применены в рассматриваемом нами блоке монитора Acer AL1716.

Рис 2. Принципиальная схема блока питания на базе микросхемы из серии TOP242-249

Заметим, что приведённые принципиальные схемы являются примерами. Реальные схемы импульсных блоков могут несколько отличаться.

Микросхема TOP245Y представляет собой законченный функциональный прибор, в корпусе которого имеется ШИМ – контроллер и мощный полевой транзистор, который переключается с огромной частотой от десятков до сотен килогерц. Отсюда и название — импульсный блок питания.

Блок питания ЖК монитора (AC/DC адаптер)

Схема работы импульсного блока питания сводится к следующему:

Выпрямление переменного сетевого напряжения 220В.

Эту операцию выполняет диодный мост и фильтрующий конденсатор. После выпрямления на конденсаторе напряжение чуть больше чем сетевое. На фото показан диодный мост, а рядом фильтрующий электролитический конденсатор (82 мкФ 450 В) – синий бочонок.

Преобразование напряжения и его понижение с помощью трансформатора.

Коммутация с частотой в несколько десятков – сотен килогерц постоянного напряжения (>220 B) через обмотку высокочастотного импульсного трансформатора. Эту операцию выполняет микросхема TOP245Y. Импульсный трансформатор выполняет ту же роль, что и трансформатор в обычных сетевых адаптерах, за одним исключением. Работает он на более высоких частотах, во много раз больше, чем 50 герц.

Поэтому для изготовления его обмоток требуется меньшее число витков, а, следовательно, и меди. Но необходим сердечник из феррита, а не из трансформаторной стали как у трансформаторов на 50 герц. Те, кто не знает, что такое трансформатор и зачем он применяется, сперва ознакомьтесь со статьёй про трансформатор.

В результате трансформатор получается очень компактным. Также стоит отметить, что импульсные блоки питания очень экономичны, у них высокий КПД.

Выпрямление пониженного трансформатором переменного напряжения.

Эту функцию выполняют мощные выпрямительные диоды. В данном случае применены диодные сборки с маркировкой SRF5-04.

Для выпрямления токов высокой частоты используют диоды Шоттки и обычные силовые диоды с p-n переходом. Обычные низкочастотные диоды для выпрямления токов высокой частоты менее предпочтительны, но используются для выпрямления больших напряжений (20 – 50 вольт). Это нужно учитывать при замене дефектных диодов.

У диодов Шоттки есть некоторые особенности, которые нужно знать. Во-первых, эти диоды имеют малую ёмкость перехода и способны быстро переключаться – переходить из открытого состояния в закрытое. Это свойство и используется для работы на высоких частотах. Диоды Шоттки имеют малое падения напряжения около 0,2-0,4 вольт, против 0,6 – 0,7 вольт у обычных диодов. Это свойство повышает их КПД.

Есть у диодов с барьером Шоттки и нежелательные свойства, которые затрудняют их более широкое использование в электронике. Они очень чувствительны к превышению обратного напряжения. При превышении обратного напряжения диод Шоттки необратимо выходит из строя.

Обычный же диод переходит в режим обратимого пробоя и может восстановиться после превышения допустимого значения обратного напряжения. Именно это обстоятельство и является ахиллесовой пятой, которое служит причиной выгорания диодов Шоттки в выпрямительных цепях всевозможных импульсных блоках питания. Это стоит учитывать в проведении диагностики и ремонте.

Для устранения опасных для диодов Шоттки всплесков напряжения, образующихся в обмотках трансформатора на фронтах импульсов, применяются так называемые демпфирующие цепи. На схеме обозначена как R15C14 (см.рис.1).

При анализе схемотехники блока питания ЖК монитора Acer AL1716 на печатной плате также обнаружены демпфирующие цепи, состоящие из smd резистора номиналом 10 Ом (R802, R806) и конденсатора (C802, C811). Они защищают диоды Шоттки (D803, D805).

Демпфирующие цепи на плате блока питания

Также стоит отметить, что диоды Шоттки используются в низковольтных цепях с обратным напряжением, ограниченным единицами – несколькими десятками вольт. Поэтому, если требуется получение напряжения в несколько десятков вольт (20-50), то применяются диоды на основе p-n перехода. Это можно заметить, если просмотреть datasheet на микросхему TOP245, где приводятся несколько типовых схем блоков питания с разными выходными напряжениями (3,3 B; 5 В; 12 В; 19 В; 48 В).

Диоды Шоттки чувствительны к перегреву. В связи с этим их, как правило, устанавливают на алюминиевый радиатор для отвода тепла.

Отличить диод на основе p-n перехода от диода на барьере Шоттки можно по условному графическому обозначению на схеме.

Условное обозначение диода с барьером Шоттки.

Условное обозначение диода на основе p-n перехода.

После выпрямительных диодов ставятся электролитические конденсаторы, служащие для сглаживания пульсаций напряжения. Далее с помощью полученных напряжений 12 В; 5 В; 3,3 В запитываются все блоки LCD монитора.

По своему назначению инвертор схож с электронными пуско-регулирующими аппаратами (ЭПРА), которые нашли широкое применение в осветительной технике для питания бытовых осветительных люминесцентных ламп. Но, между ЭПРА и инвертором ЖК монитора есть существенные различия.

Инвертор ЖК монитора, как правило, построен на специализированной микросхеме, что расширяет набор функций и повышает надёжность. Так, например, инвертор ламп подсветки ЖК монитора Acer AL1716 построен на базе ШИМ контроллера OZ9910G. Микросхема контроллера смонтирована на печатной плате планарным монтажом.

Микросхема контроллера OZ9910G

Инвертор преобразует постоянное напряжение, значение которого составляет 12 вольт (зависит от схемотехники) в переменное 600-700 вольт и частотой 50 кГц.

Контроллер инвертора способен изменять яркость люминесцентных ламп. Сигналы для изменения яркости ламп поступают от контроллера ЖКИ. К микросхеме-контроллеру подключены полевые транзисторы или их сборки. В данном случае к контроллеру OZ9910G подключены две сборки комплементарных полевых транзисторов AP4501SD (На корпусе микросхемы указано только 4501S).

Сборка полевых транзисторов AP4501SD и её цоколёвка

Также на плате блока питания установлено два высокочастотных трансформатора, служащих для повышения переменного напряжения и подачи его на электроды люминесцентных ламп. Кроме основных элементов, на плате установлены всевозможные радиоэлементы, служащие для защиты от короткого замыкания и неисправности ламп.

Плата инвертора и её элементы

Информацию по ремонту ЖК мониторов можно найти в специализированных журналах по ремонту. Так, например, в журнале “Ремонт и сервис электронной техники” №1 2005 года (стр.35 – 40), подробно рассмотрено устройство и принципиальная схема LCD-монитора “Rover Scan Optima 153”.

Среди неисправностей мониторов довольно часто встречаются такие, которые легко устранить своими руками за несколько минут. Например, уже упомянутый ЖК монитор Acer AL1716 пришёл на стол ремонта по причине нарушения контакта вывода розетки для подключения сетевого шнура. В результате монитор самопроизвольно выключался.

После разборки ЖК монитора было обнаружено, что на месте плохого контакта образовывалась мощная искра, следы которой легко обнаружить на печатной плате блока питания. Мощная искра образовывалась ещё и потому, что в момент контакта заряжается электролитический конденсатор в фильтре выпрямителя. Причина неисправности — деградация пайки.

Деградация пайки, вызвавщая неисправность монитора

Также стоит заметить, что порой причиной неисправности может служить пробой диодов выпрямительного диодного моста.

У меня ранее уже была статья на похожую тему «Ручной монтаж сложных плат на компонентах 0402, 0603, QFN, LQFP и THT». Я кратко показал, как можно запаивать довольно сложные платы, с большим количеством компонентов, с помощью пинцета и фена. До недавнего времени, я ни разу не разрабатывал платы с пассивом 0201, но все когда-то бывает в первый раз.

Типоразмеры

Для начала, давайте определимся с типоразмерами пассивных компонентов. Будем говорить только о резисторах и конденсаторах, так как их обычно больше всего на платах и их сложнее всего устанавливать вручную.

В своих проектах я все чаще стал переходить на 0402, так как это позволяет делать более плотную компоновку и оставлять место на верхних слоях для полигонов и проводников.

Рис.1. Резисторы 0603, 0402 и 0201.

Я сфотографировал три ленты (Рис.1.) с различными типоразмерами резисторов, чтобы можно было визуально их сравнить.

Метрические размеры резисторов Yageo:

0603 – 1,6х0,8мм;
0402 – 1,0х0,5мм;
0201 – 0,6х0,3мм.

Инструменты

За более чем десять лет разработки плат и пайки своих макетов я стал больше внимания уделять инструментам. Их не обязательно должно быть много, но они должны быть «подходящими». Я не стал размещать фотографии, кому интересно, можете погуглить. Информация дана не ради рекламы, а для понимания какой инструмент можно использовать.

Пинцет. Первые три года я использовал пинцет «ProsKit 1pk-101t». Тогда я ставил компоненты 1206, 0805 и 0603. После этого, в течение пяти лет я использовал «VETUS ESD-10», устанавливая им еще и 0402 компоненты. Он немного мягче первого и такой же по размерам. Последние несколько лет у меня два одинаковых «goothelp gt-11ESD». Это узкий, удлиненный, мягкий экземпляр и разводится всего на 8мм (он на титульном фото к статье). Только им я смог нормально захватить 0201. Помимо этого набора пинцетов (они сохранились у меня все), я использую «goot TS-13», широкий, для захвата больших компонентов (микросхемы, индуктивности и т.д.). Были различные промежуточные, но они не достойны внимания.

Паяльная станция у меня одна уже на протяжении семи лет, даже не помню какая была до этого. «Lukey 852D+».

Паяльная паста «SolderPlus 7020199 62NCLR-A». Флюс «FluxPlus 7019074 6-412-A». Их я смешиваю примерно 1:1 и наношу получившуюся смесь на контактные площадки компонентов с помощью шприца.

Расстановка компонентов на плату

С инструментом разобрались. Теперь немного об Altium и как он нам поможет в расстановке. Я использую свою библиотеку компонентов и частично рассказывал о необходимых полях в другой своей статье «Разработка модуля на iMX8. Особенности переноса трассировки.». Итак, если все необходимые поля у компонентов присутствуют, то задача упрощается. Нажимаем ПКМ на компоненте и выбираем пункт меню Find Similar Objects.

Рис.2. Поиск компонентов на плате

В появившемся окне ставим фильтры по слою, номиналу и посадочному месту. Нажимаем кнопку ОК и видим, что все необходимые компоненты выделены. Теперь мы знаем их расположение на плате. Важно перейти на слой шелкографии (кнопки + и – на клавиатуре), чтобы увидеть подписи к компонентам, так будет еще проще.

Рис.3. Выделенные компоненты

После этого можно начинать расставлять компоненты. Я обычно ставлю сначала ту сторону (если плата с двухсторонним монтажом), на которой есть большие разъемы. После того, как я запаяю всю сторону, можно переворачивать плату и не бояться, что компоненты сдвинутся при запаивании второй стороны (можно использовать захваты для плат). Сначала я ставил пассив 0201 и 0402, затем 0603 и индуктивности. После этого можно ставить QFN и все остальное.

Рис.4. Запаивание компонентов (а)

Рис.5. Запаивание компонентов (б)

После того как все компоненты расставлены, я их пропаиваю феном за один раз, параллельно выравнивая.

BGA устанавливаю после того, как все остальное уже запаяно и плата отмыта от флюса. Мою в ультразвуковой ванне либо спиртом, либо отмывочной жидкостью.

Рис.6. Установленные 0603, 0402 и 0201

По плате видно, что плотность монтажа невысокая. Если постараться, можно было бы уместить 0402 вместо 0201, но в некоторых местах на плате это было бы сложно и, скорее всего, в ущерб трассировке. Это, так сказать, проба пера, чтобы понимать насколько это трудоемко и стоит ли в будущем использовать такие типоразмеры в проектах.

Заключение

Не буду утверждать, что данный способ является самым простым. Ручная пайка актуальна только на макетных образцах, когда речь не идет о серийности изделий. Несколько раз мы паяли макеты на производстве и один раз столкнулись с тем, что были запаяны не те номиналы резисторов 0402 (они не имеют маркировки). Проблему искали несколько дней, так как на плате было более 2000 компонентов и сбои в работе изделия были не регулярны. В этом случае, сначала начинаешь искать проблему в схемотехнике и трассировке и не подозреваешь что проблема совершенно в другом. Вероятность ошибки при ручной пайке (именно этим способом) минимальна, так как ставится сразу группа компонентов и даже если я ошибусь с установкой одного номинала, ошибка будет найдена, когда я буду ставить другой. Скажу больше, ни разу не было ошибок в расстановке при ручной пайке. Отлаженное производство на заводе, конечно, не даст ошибок, но при пайке макетного образца очень важно знать, что все компоненты на своих местах, иначе можно потратить куда больше времени на поиск несуществующей проблемы.

По статистике сервисных центров, разбитый экран на смартфоне – одна из частых причин обращений владельцев телефонов. В некоторых случаях стоимость ремонта обходится в минимальную сумму, иногда может составлять до 50% от цены на телефон.

Почему так выходит? Причина в том, что мастер называет сумму, в которую входит покупка и замена всего дисплейного модуля, независимо от поврежденного элемента: разбитого сенсорного стекла, нечувствительного тачскрина или экрана с некачественным изображением.

Экран представляет собой сложную конструкцию и такие понятия как «дисплей», «дисплейный модуль», «сенсор» и «матрица» - абсолютно разные элементы, от повреждения которых и зависит цена ремонта.

Что такое «дисплейный модуль»?

Конструктивно дисплейный модуль любой модели смартфона состоит из двух основных элементов:

Жидкокристаллической матрицы, формирующей изображение;
Стекла, к которому подводится сенсорная панель.

Если разбираться детальнее, то к каждому из этих элементов подключены еще вспомогательные панели, отвечающие за слаженную работу всего устройства. В ранних моделях смартфонов (к примеру, iPhone до 4 серии) между матрицей и дисплеем (лицевым стеклом) была воздушная прослойка. И, если в телефоне повреждалась стеклянная поверхность (появлялись трещины, сколы или царапины), или снижалось качество/пропадало изображение, то достаточно было поменять только один из элементов.

Последние же модели смартфонов (к примеру, после iPhone 4) изготавливаются по новой технологии, с созданием пассивного слоя - матрицу и дисплей склеивают между собой прозрачной клеевой основой OCA Adhesive. Поэтому и получается, что при повреждении одного из элементов приходится менять весь «дисплейный модуль».

Что такое сенсор в смартфоне?

Самым верхним слоем, подключенным к лицевой поверхности, является тачскрин (touchscreen) или сенсор. Различают три вида сенсорных панелей:

Емкостные
Волновые
Резистивные (упругие).

Панель сенсора представляет собой прозрачную сетку из оксида индия-олова, которой покрывается вся стеклянная поверхность, с микросхемами по углам экрана. Во время прикосновения к стеклу в определенной точке мембраны высвобождается часть электрического заряда и подробные сведения о характере касания мгновенно передаются в драйвер сенсорной панели. Далее сигнал поступает в материнскую плату и выполняются заданные процессы – нажимаются кнопки, открываются приложения и программы и т.д.

Самый популярный вид тачскринов на сегодняшний день – емкостный, потому как он позволяет отобразить до 90% изначальной яркости матрицы. Резистивные сенсоры остались в первых моделях смартфонов. Также есть модели, в которых тачскрин отделяется от стекла воздушным пространством, а есть склеенные – по типу OGS (one glass solution – «решение с одним стеклом»). OGS-дисплей обеспечивает лучшее качество изображения за счет сниженного количества отражающих поверхностей.

При появлении сбоев в работе тачскрина, когда телефон не реагирует на касания, необходимо тестировать гаджет. Если это программный сбой, то осуществляется обновление компонентов, а если это механическая поломка, то придется менять в зависимости от модели: либо стекло или дисплейный модуль. Замену только сенсора не выполняют, потому что при размещении новой панели важно добиться синхронизации между тачскрином и дисплеем, а достичь этого не в заводских условиях практически невозможно.

Что такое экран в телефоне?

Основные элементы экрана – это жидкокристаллическая матрица и подсветка. Часто ее дополняют пленками-фильтрами для более равномерной и насыщенной цветопередачи. В дисплейном модуле самым дорогим компонентом является как раз матрица, которая непосредственно создает изображение. С матрицами тоже много путаницы и заблуждений, основанных на незнании физических особенностей каждого вида. Попробуем разобраться с техническими характеристиками.

Все матрицы в смартфонах классифицируются по следующим типам:

на жидких кристаллах (LCD) – TN+film и IPS;
на органических светодиодах (OLED) – AMOLED.

Иногда матрицу классифицируют как TFT-матрицу, но это неверно, потому как технология TFT (thin-film transistor) используется во всех без исключения экранах. Это тонкопленочные транзисторы, которые управляют субпикселями. Стандартно за материальную основу для TFT-матриц брался аморфный кремний. Однако в самых последних моделях смартфонов можно найти экраны с характеристиками LTPS-TFT: это матрицы на поликристаллическом кремнии, имеющие более высокий коэффициент плотности пикселей (PPI) и сниженное энергопотребление.

Качество матрицы – это показатели угла обзора, контрастность и точность цветопередачи.

Все про жидкокристаллические экраны

В самых дешевых смартфонах устанавливают экран TN+film. Но самая популярная – это матрица IPS (In Plane Switching) с углом обзора до 180 градусов и качественной реалистичной цветопередачей. В данной группе различают две модификации:

AH-IPS (Advanced High Performance IPS) – разработка LG;
PLS (Plane to Line Switching ) – разработка Samsung

Даже не разбираясь в особенностях матриц, можно легко определить, какой тип экрана в смартфоне. Если при наклоне девайса изображение тускнеет или исчезает, а цвета неестественно яркие или, наоборот, очень тусклые, то в нем установлена TN-матрица.

Все про экраны на органических кристаллах

Матрицы OLED (organic light-emitting diode) основаны на органических светоизлучающих полупроводниках. Если к жидкокристаллическим матрицам подсоединяется панель LED-подсветки, то по технологии OLED светятся все элементы поверхности. При этом электроэнергии затрачивается меньше, а контрастность, цветопередача и угол обзора выше.

Дисплейные модули с OLED-матрицами компактнее, тоньше и легче, но стоят они дороже, чем IPS.

Разновидности технологии OLED:

AMOLED (Active Matrix Organic Light-Emitting Diode)
Super AMOLED (Super Active Matrix Organic Light-Emitting Diode)
QLED (quantum dot Light-Emitting Diode) (пока еще на уровне экспериментальной технологии для TV).

Зачем нужна хорошая матрица?

Матрица отвечает не только за качество сформированного изображения, но и за здоровье наших глаз. Чем выше стоимость матрицы, тем более высокий коэффициент PPI она имеет. PPI – это pixels-per-inch, соотношение размера и разрешения экрана. Чем больше пикселей, тем плотнее они располагаются друг к другу, создавая более четкое изображение. Если разрешение низкое, то глаза вынуждены сами настраивать резкость, что приводит к спазму и перенапряжению мышц, а в длительной перспективе – к близорукости. При одинаковом разрешении 720х1280 смартфон с диагональю 4,3 дюйма будет безопаснее для глаз, нежели 4,7, потому что плотность пикселей в первом случае будет выше.

Что касается подсветки, то экраны OLED безопаснее, чем экраны LCD. Жидкие кристаллы подсвечиваются постоянно, подвергая глаз длительному воздействию яркого света, а органические светодиоды подсвечиваются выборочно. По сути, OLED-матрица находится в «выключенном» состоянии, а светодиоды загораются только в местах отображения информации, что гораздо безвреднее для глаз.

В данной статье пойдет речь о разъемах для прямых межплатных соединений одного из мировых лидеров производства электромеханических изделий — компании TE Connectivity. Даны пояснения, как в этих изделиях достигается высокий уровень технических характеристик. Статья первоначально опубликована в журнале «Компоненты и технологии» и перепечатывется с разрешения редакции этого журнала.

Современные электронные системы отличаются высокой структурной сложностью. Растущие требования к уменьшению габаритов, повышению функциональности и скорости обработки данных приводят к большому числу внутренних соединений, плотность которых становится все больше. А как известно, чем сложнее система, тем труднее обеспечить ее надежность. Именно поэтому одним из важнейших факторов обеспечения конкурентоспособности и высокого качества электронной аппаратуры становится правильный выбор надежных разъемов. Ведь отказ электрического соединения может свести на нет все преимущества самых передовых и дорогих схемотехнических решений.

Разъем — это изделие электромеханическое, а значит, по своей природе он сочетает в себе целый ряд факторов, влияющих на надежное функционирование: от обеспечения физического контакта в условиях механических воздействий и возможности многократных циклов сочленения до вопросов чисто электрического характера, таких как перекрестные помехи, электрическое сопротивление контакта, емкостные и индуктивные характеристики и прочее.

Кроме того, современные технологии сборки электронных устройств накладывают дополнительные требования на технологичность. Так, например, в определенных задачах, когда плата собирается по технологии поверхностного монтажа, бывает важно обеспечить монтаж разъемов в рамках того же сборочного процесса, поскольку последующий монтаж разъемов в отверстия может оказаться «узким местом», требующим дополнительных временных затрат и ручного труда.

При выборе разъемов следует учитывать все факторы, и в современных условиях принятию правильного решения может оказать существенную помощь компетенция передовых производителей разъемов, учитывающих в своих разработках требования мировой электронной промышленности.

Конструкции разъемных межплатных соединений

Разнообразие конструкторских решений электронных изделий приводит к большому числу вариантов обеспечения коммутации между платами.

Прежде всего, соединения могут быть разъемными и неразъемными. Плата может монтироваться на другую плату с помощью пайки как модуль. Также в современных изделиях все большую популярность приобретают решения на основе гибких и гибко-жестких плат, которые обеспечивают высокую надежность и технологичность на этапе сборки. Однако гибкие платы накладывают ряд ограничений на монтаж, а гибко-жесткие решения остаются достаточно дорогими.

Разъемные соединения между платами можно разделить на непосредственные (прямые) и соединения с помощью «посредника» — провода, жгута или кабеля.

Если конструкция позволяет, предпочтительным является первый вариант, поскольку чем меньше в изделии разъемных контактов, тем оно надежнее. Однако это не всегда возможно, например, если платы находятся на некотором расстоянии друг от друга, или их взаимное расположение меняется (при открывании дверцы, на которой закреплена плата индикации лицевой панели, и т.д.).

В качестве «посредника» могут применяться различные решения, и их соединение с разъемом тоже может быть различным. Например, могут применяться паяемые или обжимаемые дискретные провода; провода или плоские шлейфы, монтируемые путем прокалывания изоляции (например, метод IDC — Insulation Displacement Connector, разъем с «вытеснением» изоляции), плоские печатные кабели, микроминиатюрные коаксиальные кабели.

Прямые соединения, о которых пойдет речь далее, классифицируют по взаимному расположению соединяемых плат:

Копланарное соединение — платы располагаются в одной или в параллельных плоскостях, и сочленение производится также в параллельной плоскости.
Соединение под прямым углом — платы располагаются в перпендикулярных плоскостях. Такие соединения чаще всего требуются при установке карт (или ячеек) в материнскую плату (или коммутационную панель). Их подразделяют на соединения с задней панелью (backplane) и с панелью с двусторонним расположением плат (midplane, средняя панель).
Мезонинное соединение — платы располагаются параллельно друг другу, но, в отличие от первого варианта, сочленение производится в направлении, перпендикулярном плоскости платы. Иными словами, одна плата устанавливается на другую сверху. Возможен вариант с установкой нескольких плат одна над другой.

Разъем для межплатного соединения может состоять из двух частей, каждая из которых устанавливается на одну из соединяемых плат, либо только из одной части, если роль второй части разъема играют краевые контакты, выполняемые непосредственно на плате.

В зависимости от конструкции соединений используются различные конфигурации разъемов. Сами разъемы могут быть прямыми или угловыми (иметь прямой угол). Обе части мезонинных разъемов всегда прямые. При компланарном соединении, как правило, используются два угловых разъема, но встречаются решения с прямыми разъемами, устанавливаемыми на край платы. При соединении под прямым углом обычно на панель (материнскую плату) устанавливается прямой разъем, а на карту — угловой, либо используется краевой разъем.

В некоторых изделиях с критичными габаритами (например, в ноутбуках) применяются наклонные разъемы с углом, отличным от прямого.

Монтаж разъема на плату также может выполняться различными способами: пайкой в отверстия, запрессовкой, методом поверхностного монтажа, методом прижима и др.

Пайка в отверстия — традиционный метод, обеспечивающий высокую надежность, однако обладающий сравнительно низкой технологичностью. Поверхностный монтаж — высокотехнологичный метод, одновременно обеспечивающий миниатюризацию. Для автоматизации монтажа, учитывая сложную геометрическую форму разъемов, часто применяется специальный съемный элемент, установленный на разъем изготовителем, который обеспечивает плоскость для захвата разъема монтажной головкой и снимается после монтажа.

Требования к разъемам

В данной статье мы рассмотрим два типа межплатных разъемов, которые относятся, соответственно, к сигнальным разъемам и разъемам общего назначения.

Сигнальные разъемы в современных устройствах должны, в первую очередь, обеспечивать высокий уровень целостности сигнала. Это значит, что основные электрические требования, предъявляемые к ним, включают малое сопротивление контакта и малые перекрестные помехи, что часто достигается особым распределением сигналов по контактам и применением экранов в конструкции разъемов. Кроме того, современные сигнальные разъемы вычислительной и телекоммуникационной техники должны иметь малые размеры и высокую плотность контактов.

Остальные требования, такие как диэлектрическая прочность, рабочее напряжение, допустимый ток, число циклов сочленения и др., для сигнальных разъемов не так важны. Однако следует учитывать, что иногда сигнальные контакты используются для низковольтного питания, причем в современных изделиях токовая нагрузка может быть значительной, поэтому допустимый ток на контакт в этом случае становится важным параметром.

Разъемы общего применения в основном используются в неответственных узлах для передачи сигналов небольшой скорости и для низковольтного питания. У таких разъемов трудно выделить основные характеристики, скорее их параметры должны быть хорошо сбалансированы. При выборе таких разъемов может оказаться критичным и выдерживаемое диэлектриком напряжение, и ток на контакт, и число циклов сочленения, и контактное сопротивление. Размеры разъема также должны находиться в балансе с его стоимостью, технологичностью его монтажа и надежностью.

В условиях расширяющегося применения бессвинцовых процессов пайки, в том числе – в отечественном производстве, одним из важнейших параметров становится способность корпуса выдерживать высокие температуры пайки с применением бессвинцовых припоев.

Мезонинные разъемы Free Height

Сигнальные разъемы Free Height (FH) производства компании TE Connectivity предназначены для мезонинного соединения между платами. Особенностью этого типа разъемов является то, что сочетание двух частей разъема (вилки и розетки) различной высоты обеспечивает выбор расстояний между платами из целого ряда значений. Таким образом, для конкретного изделия может быть подобрано подходящее минимальное расстояние, позволяющее достичь малых габаритов конечного изделия. Например, для семейства с шагом выводов 0,8 мм шаг высот составляет 1 мм, и это семейство включает четыре исполнения вилок с шагом высот 1 мм и четыре исполнения розеток с шагом высот 4 мм, как показано в таблице 1.

Таблица 1. Комбинации розеток и вилок для получения ряда межплатных расстояний

Контакты разъемов выполняются из сплавов меди с никелевым подслоем и с золотым покрытием 8 мкм, 30 мкм или Gold Flash в области контакта. Область пайки имеет оловянное покрытие.

Данные разъемы предназначены для поверхностного монтажа и могут поставляться со съемными элементами для вакуумного захвата монтажной головкой. Поскольку при поверхностном монтаже разъем может несколько смещаться относительно платы, для обеспечения точного позиционирования у большинства разъемов имеются выступы на нижней стороне, которые должны входить в базовые отверстия в плате. Однако существуют исполнения и без выступов, поэтому при заказе необходимо обращать на это внимание.

Малый шаг выводов разъемов позволяет сэкономить место на плате и уменьшить размеры конечного изделия. Разъемы FH представлены четырьмя семействами с различным шагом выводов: 0,5; 0,6; 0,8 или 1 мм. Семейства разъемов имеют различную конструкцию и разные ряды расстояний между платами, но конструкции разъемов одного семейства одинаковые, что позволяет подбирать отдельные части в зависимости от требований проекта.

Разъемы одного семейства отличаются количеством контактов, а также имеют исполнения с различной толщиной покрытия выводов, допустимой температурой пайки, с выступами для позиционирования или без них. Они также поставляются в различной упаковке (в лентах, пеналах или на матричных поддонах для автоматизированного монтажа) с элементом для захвата или без него. Код для заказа полностью и однозначно определяет семейство, исполнение и упаковку компонента.

Далее рассмотрим подробнее три семейства разъемов FH: с шагом 0.5; 0.8 и 1 мм.

Рис. 1. Разъемы семейства FH с шагом 0.5 мм

Семейство разъемов FH с шагом 0.5 мм (рисунок 1) принято консорциумом PICMG в качестве стандарта для коммутации встроенных модулей с платой-носителем COM Express. Это семейство позволяет выбирать межплатное расстояние из ряда: 4, 5, 6, 7, 8, 9, 11, 12, 15 и 16 мм. В семействе присутствуют одиночные и сдвоенные (двухрядные) разъемы с числом контактов, соответственно, 120, 160, 200, 220, 240 и 240, 320, 440. Разъемы данного семейства имеют исполнения с заземленным экраном для обеспечения высокоскоростной передачи данных.

Основные характеристики семейства:

В таблицах 2 и 3 приведены характеристики некоторых разъемов семейства.

Таблица 2. Вилки семейства FH с шагом 0.5 мм

Таблица 3. Розетки семейства FH с шагом 0.5 мм

Рис. 2. Разъемы семейства FH с шагом 8 мм

Контакты разъемов выполнены из латуни (вилка) или бериллиевой бронзы (розетка) с никелевым подслоем и с золотым покрытием 8 или 30 мкм в области контакта и оловянным покрытием в области пайки. Пружинные контакты розетки особой формы снижают износ и обеспечивают надежный контакт.

Основные характеристики семейства:

Подобрать точный код для заказа разъема по его характеристикам можно на сайте TE Connectivity или компании КОМПЭЛ. В таблицах 4 и 5 в качестве примера приведены коды для заказа некоторых исполнений вилок и розеток с различным числом контактов для разных межплатных расстояний.

Таблица 4. Вилки семейства FH с шагом 0.8 мм

Таблица 5. Розетки семейства FH с шагом 0.8 мм

Некоторые исполнения могут отсутствовать для определенных сочетаний межплатных расстояний и числа контактов, что необходимо принимать во внимание. Например, вилки для межплатного расстояния 5, 9, 13 и 17 мм, упакованные в ленту, выпускаются только для числа выводов до 160.

Рис. 3. Разъемы семейства FH с шагом 1 мм

Семейство разъемов FH с шагом 1 мм (рисунок 3) предназначено для мезонинных соединений стандарта IEEE 1386. Это семейство соответствует стандарту EIA-700 AAAB, но при этом имеет некоторые конструктивные особенности, позволяющие упростить монтаж разъема и повысить надежность изделия. Выступы для позиционирования разъема при поверхностном монтаже имеют не круглую, как обычно, а ромбовидную форму, что упрощает установку разъема на плату. Кроме того, зазор между пластиковыми корпусами вилки и розетки – большего размера, чем это делается обычно, что снижает механическую нагрузку на паяные соединения при сочленении.

Основные характеристики семейства:

ток на контакт – 1 А;
начальное контактное сопротивление (max) — 30 мОм;
количество циклов сочленения — 100;
температура пайки оплавлением (если применимо) – 245 или 260°C;
температура пайки волной (если применимо) – 240°C.

В таблицах 6 и 7 в качестве примера приведены коды для заказа некоторых исполнений вилок и розеток для разных межплатных расстояний.

Таблица 6. Вилки семейства FH с шагом 1 мм

Таблица 7. Розетки семейства FH с шагом 1 мм

Семейство разъемов Micro-Match

Миниатюрная система соединителей Micro-Match была разработана компанией TE Connectivity для изделий общего назначения, к которым в современной ситуации также предъявляются высокие требования по надежности и уменьшению габаритных размеров. Эта система состоит из разъемов различного типа: прямых и угловых для установки на плату, монтируемых в отверстия и для поверхностного монтажа, для установки на плоский кабель и для дискретного проводного монтажа. Все эти разъемы совместимы, что позволяет выполнять на базе данной системы различные соединения типа «плата-плата» и «плата-кабель».

Можно сказать, что Micro-Match — это следующее поколение разъемов общего назначения типа PLD, или, как их часто называют, «гребенок» или «иголок». Но возможности семейства Micro-Match гораздо шире: благодаря своей конструкции, они автоматически обеспечивают правильную ориентацию, повышают надежность соединения и упрощают монтаж.

Рис. 4. Контакты разъемов Micro-Match

Одним из важнейших преимуществ данной серии является запатентованная форма контакта розетки (рисунок 4): контакт, обжимающий штырь вилки, соединен с основной частью разъема элементом, выполняющим роль пружины. Эта пружина компенсирует вибрацию и тепловое расширение при эксплуатации, уменьшая истирание контактов и предотвращая тем самым фрикционную коррозию — основную проблему разъемов с оловянным покрытием.

Кроме того, разъемы для монтажа в отверстия имеют формовку выводов, удерживающую разъем при установке на плату толщиной 1.6 мм, а разъемы для поверхностного монтажа снабжены дополнительными пружинными элементами в контактах для компенсации различия ТКР платы и корпуса разъема.

Контакты разъемов расположены в шахматном порядке с расстоянием между центрами 1.27 мм, что позволяет экономить место на плате по сравнению с традиционными разъемами.

Все вилки семейства Micro-Match имеют ключ для правильной ориентации при сочленении. Ответная часть ключа имеется либо в корпусе розетки, либо выполняется на плате в виде дополнительного отверстия (для прямых розеток, монтируемых в отверстия). Розетки могут иметь защелки для повышения надежности сочленения.

Для выполнения межплатных соединений могут применяться разъемы Micro-Match для монтажа в отверстия или для поверхностного монтажа (рисунок 5), при этом, если используются две прямые части, возможно выполнение мезонинного соединения с межплатным расстоянием 6.2 или 7.1 мм (в зависимости от того, применяется ли розетка для монтажа в отверстия или для поверхностного монтажа). Для соединения под прямым углом применяются угловая розетка и прямая вилка.

Рис. 5. Разъемы Micro-Match для монтажа на плату

Разъемы выпускаются с числом контактов 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, а также, в некоторых исполнениях – 24. В таблице 8 приведены варианты межплатных соединений на основе системы Micro-Match и примеры кодов заказа для исполнений с 10 контактами.

Таблица 8. Варианты межплатных соединений на разъемах Micro-Match

Основные характеристики разъемов Micro-Match:

Заключение

Разъемы компании TE Connectivity уже много лет устанавливают стандарты в области качества, надежности и гибкости конструирования современных электронных изделий.

В статье рассмотрены мезонинные разъемы серии Free Height, обеспечивающие высокую степень микроминиатюризации высокопроизводительных устройств, а также межплатные соединения на основе системы общего назначения Micro-Match, позволяющей уменьшить габариты и существенно повысить надежность изделий.

Помимо особенностей конструкций, отвечающих самым современным требованиям электронной промышленности, изделия компании TE Connectivity всегда отличало высокое качество изготовления, что обеспечивается применением только высококачественных материалов, надежных техпроцессов и современных систем управления качеством вне зависимости от фактического места изготовления изделия. Именно поэтому продукцию этой компании выбирают для своих изделий крупнейшие мировые производители компьютерной, телекоммуникационной, потребительской, автомобильной электроники и аппаратуры промышленного, военного и других видов применения.

Читайте также: