커넥터 - 기본 사항

커넥터는 거의 모든 전자 프로젝트에 보편적으로 사용됩니다. 이용 가능한 커넥터와 염두에 두어야 할 사양 요구 사항을 이해하는 것은 설계 프로세스 전반에서 중요합니다. 프로젝트가 거의 완료될 무렵에야 커넥터를 추가해야 한다는 사실을 깨닫고 이를 수용하기 위해 프로젝트를 조정하게 되면 시간 및 비용 측면에서 큰 손해를 유발할 수 있으며 이러한 상황은 누구도 원치 않습니다.

프로젝트에 알맞은 커넥터를 선택하면서 커넥터의 요구 사항을 지정할 때 검토해야 할 몇 가지 고려 사항이 있습니다. 특히 일반적인 몇 가지 문제는 다음과 같습니다.

• 커넥터에 필요한 접점은 몇 개인가?
• 각 커넥터에 사용할 혹은 필요한 실장 방식은 무엇인가?
• 어떤 방법으로 어디에 실장해야 하는가?
• 응용 제품에 대해 필요하거나 원하는 종단 방식은 무엇인가?
• 사용되는 커넥터가 침투 보호를 제공해야 하는가?
• 연결부에 기대하는 전압 및 전류는 어느 정도인가?

접점 수

많은 경우 커넥터에 필요한 접점 수를 파악하는 방법은 알려져 있습니다. 하지만 전체 응용 제품과 항목의 가용성에 대한 기타 요구 사항이 결과적으로 선택되는 항목의 사양에 영향을 미칠 수 있습니다.

또한 선택되는 옵션에 영향을 미치므로 커넥터가 부담해야 할 전력에 대해서도 추가적으로 고려해야 합니다. 커넥터의 전력 부담 능력은 지속적으로 증가하고 있으므로 패키지/쉘 크기에 대한 접점 수는 낮아질 것입니다. 이는 전선 게이지가 커지거나 전압이 높아질수록 더 넓은 공간이 필요하기 때문입니다. 일부 제조업체에서는 전기 아크가 한 접점에서 다음 접점으로 이동해야 하는 총 “거리”와 접점 사이에 더 많은 절연을 높여 전압 정격을 높여왔습니다. 또한 일부 커넥터의 경우 나머지 접점에 접지 접점이 내장되어 있습니다. 이러한 접점은 커넥터의 다른 접점보다 길며 2개의 연결/연결 해제 커넥터 사이의 아크를 줄이거나 제거하는 데 사용됩니다.

또한 다음은 선택 프로세스 중에 염두에 두고 고려해야 할 몇 가지 요점 사항입니다.

• 인클로저로 전력을 공급하거나 중단하기 위해 필요하거나 보유하고자 하는 커넥터와 접점의 수는 몇 개인가?
• 커넥터가 보유할 수 있는 일반적인 접점 조합 유형
  • 전원 접점만
  • 신호 접점만
  • 전원 및 신호 접점
  • 신호 + 접지 접점
• 프로젝트에 단 하나의 커넥터만 사용할 수 있다면 모든 접점을 통합할 수 있도록 약간 큰 커넥터를 사용해야 할 수 있습니다.
• 신호와 전원 접점이 분리되어 있는 경우 차지하는 공간이 늘어납니다. 하지만 일반적인 응용 제품 레이아웃으로 인해 분리해야 하거나 응용 제품 기능으로 인해 분리해야 할 수 있습니다.

실장 유형

프로젝트에 대한 또 다른 고려 사항은 각 커넥터에 대해 필요하거나 선호하는 실장 방식입니다. 실장 유형에는 다음과 같은 방식이 있으며 예시 링크도 제공되어 있습니다.

• PCB 핀 스루홀 - 커넥터의 종단 리드가 기판에 있는 구멍을 통해 항목을 회로 보드에 실장/고정하는 데 사용되는 방식입니다.
  • 원형 커넥터
  • D 서브 커넥터
  • 직사각형 커넥터 - 헤더, 핀(수)
  • 직사각형 커넥터 - 헤더, 소켓(암)
• PCB 표면 실장 - 커넥터의 종단 리드가 기판 표면의 접촉 패드 위에 놓인 회로 보드에 항목을 실장/고정하는 데 사용되는 방식입니다.
  • 원형 커넥터
  • D 서브 커넥터
  • 직사각형 커넥터 - 헤더, 핀(수)
  • 직사각형 커넥터 - 헤더, 소켓(암)
• 패널 실장 - 표면이나 패널에 구멍이 있고 커넥터가 구멍을 통과하거나 구멍 가까이에 배치되는 방식입니다. 패스닝은 스레드와 너트를 사용하는 방식부터 커넥터를 패널 뒤의 기판에 실장하여 제자리에 고정하는 방식 등 다양할 수 있습니다.
  • 직사각형 커넥터 - 자유 장착, 패널 실장
  • 원형 커넥터
  • 원형 커넥터 - 하우징
• 자유 장착/케이블 실장 - 커넥터는 종단되는 케이블에 실장/설치됩니다.
  • 원형 커넥터
  • 원형 커넥터 - 하우징
  • 직사각형 커넥터 - 하우징
• 기판/카드 에지/컷아웃 실장 - 카드 에지의 경우 종단이 기판 에지에 가까우며 커넥터가 에지에 위치하도록 하기 위해 커넥터를 수정하는 경우가 많습니다. 기판 컷아웃의 경우 커넥터가 기판의 에지에 가깝다는 점에서 유사합니다. 하지만 커넥터가 더 낮은 프로파일을 가질 수 있도록 기판의 일부분이 컷아웃되어 있습니다. 두 경우 모두 결과적으로 전체 기판 프로파일이 낮아져 이 점이 활용됩니다. 또한 기판에 이용 가능한 다른 공간이 없거나 다른 설계 요구 사항으로 인해 이 방식이 이용될 수도 있습니다.
  • USB, DVI, HDMI 커넥터
  • 동축 커넥터(RF)
• 스루보드 - 컷아웃 실장과 유사합니다. 하지만 이 방식은 기판 에지 근처에서 흔히 사용되지는 않습니다. 또한 기판의 구멍을 통해 실장되므로 패널 실장 커넥터와도 유사합니다. 일부 커넥터는 기판의 구멍을 통해 종단 처리되고 커넥터가 결합되는 면과 같은 면에 납땜되는 반면, 일부 커넥터는 커넥터 실장이 시작되는 쪽(커넥터가 결합되는 면과 반대쪽)의 기판에 표면 실장됩니다. 다음은 이러한 항목 유형의 예입니다.
  • 단자 - 전선 기판 간 커넥터
  • 무접점 조명 커넥터
  • 직사각형 커넥터 - 기판 내, 기판에 직접 배선

실장 방법

실장과 종단이라는 용어는 상호 교환해서 사용할 수 있는 것으로 알려져 있지만, 항상 그런 것은 아니며 차이가 있을 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 실장은 전체 프로젝트와 커넥터가 어떻게 하나로 인터페이스/고정/부착되는지 그 방식을 나타냅니다. 종단은 전기 연결이 이루어진 방식을 나타냅니다. 스루홀 실장 및 표면 실장은 대부분의 경우 특정한 방식으로 실장 및 종단되는 항목을 나타냅니다(자세한 내용은 아래의 종단 방법 참조). 가능한 실장, 결합, 종단 조합의 예는 다음과 같습니다.

• 커넥터 1:
  • 패널 실장됨
  • 직각 표면 실장 접점을 사용하는 기판으로 종단됨
• 커넥터 1에 연결되는 커넥터 2:
  • 자유 장착 커넥터임
  • 나사 종단

종단 방법

끝이나 연결부에는 어떤 종단 방법이 필요할까요? 사용해야 하는 특정 유형이 정해져 있지 않다면 원하는 대로 선택할 수 있습니다. 하지만 일부 응용 제품에는 특정한 유형의 종단이 필요할 수 있습니다.

• 납땜 종단 - 커넥터의 경우 이 종단 방법은 광범위한 응용 제품에서 문제 없이 사용될 수 있습니다. 하지만 응용 제품이 고온 영역에 배치될 경우 좀 더 기계적인 종단 방법을 고려해야 할 수 있습니다. 납땜은 전선 종단은 물론 기판 종단 연결부에도 사용할 수 있습니다. 따라서 이 유형의 종단에는 다양한 항목 납땜 방식이 있을 수 있습니다. 위에서 소개된 바와 같이 스루홀 납땜과 표면 실장에 따라 실장 및 종단 유형이 결정됩니다.

그림 1: 일반적인 커넥터 납땜 종단

• 스루홀 납땜 - 커넥터의 종단면에는 준비된 기판의 구멍을 통과하도록 설계된 리드가 있으며 스루홀 커넥터 기판의 다른 쪽 표면에는 구리 패드가 있는 것이 보통입니다. 배치되면 납땜으로 제자리에 고정됩니다.

그림 2: 이 기판 간/기판 케이블 간 커넥터는 PCB에 납땜된 스루홀입니다.

• 표면 실장 종단 - 항목 및 실장 패드의 리드가 PCB의 동일한 면에 있습니다. 항목은 손으로 배치되어 제 자리에 납땜으로 고정되거나 리플로(re-flow) 또는 웨이브 납땜 방법을 통해 제자리에 납땜됩니다. 일부 기판/카드 에지 커넥터 유형도 표면 실장 유형임에 유의하십시오.

그림 3: 이 기판 간/기판 케이블 간 커넥터는 PCB에 납땜된 표면 실장입니다.

• 크림핑 - 이 유형의 종단은 상당히 견고하고 신뢰성이 높은 것으로 알려져 있으며 전선 종단에 사용될 수 있습니다. 하지만 이는 크림프 자체의 우수한 품질과 접점 하우징에 대한 정확한 설치가 전제된 경우에 한합니다. 고품질의 크림프와 전체적인 연결을 달성하기 위해서는 하우징에 적합한 접점을 사용해야 하는 것은 물론, 올바른 크림핑 공구도 사용해야 합니다. 이러한 접점을 위해서는 공구 가공이 중요한 단계입니다. 최종 품질이 중요하지 않다면 이미 보유하고 있는 다른 공구를 사용하거나 저가의 옵션을 활용할 수도 있습니다. 하지만 최종 품질이 중요하거나 그럴 가능성이 있다면 제조업체가 권장한 공구를 사용해야 할 뿐만 아니라 사후 크림프 검사(참고: 모두 점검하지는 않으며 확인을 위해 샘플만 검사)를 위해 제조업체가 제공하는 크림프 품질 데이터와 전선에 적합한 준비 단계를 활용해야 합니다. 공구 가공과 올바른 절차를 사용하지 않고 연결에 오류가 발생한다면 대부분의 경우 커넥터 제조업체에서 지원이나 보증을 제공하지 않습니다.

그림 4: 피복이 벗겨진 전선 리드에 크림핑된 예시 접점

• 푸시인/포크인 -
• 이 유형은 영구 종단이나 분리될 수 있는 종단일 수 있습니다. 또한 이 유형은 상당히 우수한 신뢰성과 견고성을 지닌 것으로도 알려져 있습니다. 하지만 진동이 심한 환경에서 사용되는 경우라면 항목의 진동 등급을 검토하는 것이 권장됩니다.
• 일반적으로 이러한 유형의 종단 처리를 위해서는 전선의 피복을 벗겨 커넥터에 밀어 넣기만 하면 되지만, 레버를 잠금 해제 상태에 두고 전선을 삽입하고 레버를 잠금 상태로 전환해야 할 수도 있습니다.
• 전선 분리가 허용되는 변형된 방식의 경우 내장된 메커니즘을 갖추고 있거나 일자 드라이버와 같은 도구를 하우징의 슬롯에 눌러 넣어야 합니다.

그림 5: 이 기판 실장 커넥터에서는 피복을 벗긴 전선을 하단 개구부에 밀어 넣어 종단 처리했습니다. 이러한 경우 필요하다면 공구를 사용해 전선을 분리할 수 있습니다.

그림 6: 이 자유 장착 항목에서는 피복을 벗긴 전선을 한쪽 끝에 밀어 넣어 종단 처리했습니다. 이 특정 항목의 경우 비틀었다가 당기는 동작을 통해 전선을 분리할 수 있습니다.

• 나사 단자 - 이는 다양한 커넥터 유형에 사용되며 여러 다른 방식으로 사용될 수 있습니다. 다음 항목은 다양한 유형의 나사 종단 단자 예시입니다.
• 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

그림 7: 이는 전선 종단 처리에 나사를 사용하는 커넥터의 일부 예시입니다.

• 전선 랩
• 예에는 CWN-370-50-0000이 포함됩니다. 이 유형의 커넥터는 전선 랩 응용 분야에 사용할 수 있습니다.
• CWN-370-50-0000은 우선 PCB에 실장하여 제자리에 납땜한 다음 전선을 랩핑하도록 설계되었습니다.
• 이러한 커넥터가 반드시 대량 생산될 제품에 사용되는 것은 아닙니다. 이러한 항목은 고주파 최종 제품 및 소량 생산 프로토타입에 사용됩니다.
• 다음 링크에서는 전선 랩핑 방식에 관한 정보를 확인할 수 있습니다.

그림 8: 이는 전선 종단 처리를 위해 전선 랩핑 방식을 이용하는 항목의 예입니다.

• 압입식 조립 - 무납땜 종단 유형일 수 있습니다. 결과적으로 전체적인 프로젝트 비용을 절감하는 데 도움이 될 수 있습니다. 대부분의 경우 납땜과 함께 사용되지 않도록 설계되었다는 사실에 유의하세요. 하지만 일부 이유로 인해 이러한 항목을 납땜해야 하는 경우 그로 인해 부품이 영향을 받을 수 있으며 제조업체에서 발생하는 어떤 문제도 지원하지 못할 수 있습니다. 이러한 항목을 납땜하기로 결정할 때는 고객 재량에 따라 테스트를 거치는 것이 좋습니다. 또한 이 종단 유형의 경우 항목의 균일한 삽입과 완전한 배치를 보장하기 위해 공구를 사용할 수 있습니다. 제조업체가 권장하는 공구를 사용하는 것이 좋습니다. 제조업체에서 권장 공구를 공개하지 않은 경우 고객의 응용 분야 요구 사항과 관련해 알려야 할 사항이 있을 수 있으므로 직접 연락해 보는 것도 좋습니다. DigiKey의 압입식 조립 기술 개요는 이 기술 유형에 대한 유용한 참고 자료입니다.

그림 9: 이는 해당 커넥터가 실장되는 기판의 구멍에 스루홀 및 압입식 조립 스타일로 종단 처리되는 항목의 예입니다.

환경적 고려 사항

응용 제품이 복잡하지 않은 환경에 있고 극단적인 요소가 예상되지 않는 경우에는 거의 모든 커넥터가 정의된 특정 요구 사항에 무난하게 사용될 수 있습니다. 하지만 진동, 운동 충격, 차폐, 환경적 침투, 오일, 용제 또는 다양한 화학 물질 및 부식성 물질 등의 혹독한 환경에 노출될 수 있는 프로젝트를 진행한다면 선정 프로세스에서 이를 염두에 두어야 합니다.

• 진동 및 운동 충격
• 인클로저 내부에 있는 연결부의 경우 실장 보스 및 대형 납땜 패드/핀 등의 추가 기능이 있는 항목을 선택할 수 있습니다. Omron의 XH5 제품 개요에서는 이러한 두 유형을 모두 포함하는 몇 가지 옵션을 소개합니다. 3페이지부터 실장 기능을 활용하기 위해 각 항목에 사용될 수 있는 실장 패턴과 항목의 도면이 나와 있습니다.
• 인클로저로 들어오고 나가는 연결의 경우 특정 유형의 커넥터에 대해 상당히 많은 수의 옵션 중에서 선택할 수 있습니다.
• 고려 중인 커넥터 사양을 검토하여 프로젝트에서 경험하게 될 것으로 예상되는 수준의 충격 및 진동에 대해 테스트를 거치고 적합한 등급을 받았는지 여부를 확인하세요.
• 차폐
• 차폐는 주변의 자기 잡음이 문제가 되거나 주기적으로 문제를 유발할 수 있을 경우에 사용됩니다.
• 차폐가 사용되는 커넥터의 경우 특정 부분에만 차폐를 적용할 것인지 전체 경로(케이블의 경우)에 통합된 차폐를 적용해야 하는지에 대해 고려해야 합니다. 이더넷 케이블을 예로 들어 보겠습니다. 정돈된 환경인 경우에는 일부 기본 이더넷 케이블과 8가지 위치의 모듈식 커넥터를 사용할 수 있습니다. 하지만 주변의 자기 잡음이 증가하면 차폐 모듈식 커넥터 및 이더넷 케이블의 사용을 고려하거나 구현해야 합니다.
• Wurth Electronik의 Effective EMI 차폐 개념 응용 예제는 차폐 문제에 대한 정보를 참조할 수 있는 훌륭한 참고 자료입니다.
• 오일, 용제 또는 다양한 화학 물질과 부식 물질의 경우 다른 사양에 부합하면서 주변 환경에 적합한 등급도 갖춘 옵션은 찾지 못할 수 있습니다. 이미 해당 등급을 받은 항목이 아니라면 그러한 환경을 감당할 수 있도록 항목을 변형하는 것에 대해 제조업체와 상의를 하는 것이 좋을 수도 있습니다.
• 다음은 그러한 환경 유해 요소에 관한 몇 가지 정보입니다.
• Amphenol의 열악한 환경에서의 커넥터 소재 선정 안내
• Samtec의 전기적(전해) 부식
• 커넥터에 침투 보호가 필요한가?
• 침투 보호 등급은 보호되는 영역으로 고체/먼지 및 습기/물이 유입되는 것을 항목이 얼마나 잘 방지할 수 있는가를 나타냅니다. 침투 보호가 문제가 된다면 커넥터 선정 프로세스 전반에 걸쳐 고려해야 합니다. 침투 요구 사항에 부합하지 않는 다른 모든 옵션을 배제하는 데 사용될 수도 있습니다.
• 침투 보호 형식 IPX¹X²YZ
• IP = 침투 보호
• X¹
• 0 - 특별한 보호 없음
• 1 - 50mm 이상의 고체 물체에 대한 보호(예: 사람의 손으로 실수로 건드림)
• 2 - 12mm 이상의 고체 물체에 대한 보호(예: 사람의 손가락)
• 3 - 2.5mm 이상의 고체 물체에 대한 보호(예: 공구 및 전선)
• 4 - 1mm 이상의 고체 물체에 대한 보호(예: 공구, 전선, 가는 전선)
• 5 - 먼지에 대한 보호, 제한적 침투(유해한 물질의 축적 방지)
• 6 - 먼지에 대한 완벽한 보호
• X²
• 0 - 보호 없음
• 1 - 수직으로 떨어지는 물방울에 대한 보호(예: 응결)
• 2 - 수직에서 최대 15° 각도에서 직접적으로 분사되는 물에 대한 보호
• 3 - 수직에서 최대 60° 각도에서 직접적으로 분사되는 물에 대한 보호
• 4 - 모든 방향에서 분사되는 물에 대한 보호 - 제한적인 침투 허용
• 5 - 모든 방향에서의 저압 물줄기에 대한 보호 - 제한적 침투
• 6 - 일시적인 물 범람에 대한 보호(예: 선박의 갑판에서 사용 가능 - 제한적인 침투 허용)
• 7 - 15cm ~ 1m 범위의 침수 영향으로부터의 보호
• 8 - 장기간의 침수와 가압 상태에 대한 보호
• Y 및 Z
• 항상 사용되지는 않음
• 다양한 사양을 요구하는 데 사용될 수 있음. 아래 정보는 Y 및 Z를 정의하는 데 도움이 될 수 있음
• 다음은 Switchcraft의 엔지니어링 팀으로부터 받은 메시지임 - “IP 코드는 IEC 60529에 정의되어 있습니다. 기본 정보에 대한 스냅샷을 아래에 첨부하였습니다.” (그림 10)

그림 10: IEC 60529에 정의되어 있는 IP 코드 (이미지 출처: Switchcraft)

• 기타 사양의 경우 옵션 코드 자릿수가 확장될 수 있습니다. DIN 40 050은 도로 차량의 전기 장비를 위해 “K” 옵션을 추가합니다. 예를 들어 IP69K는 고압/스팀 제트 세척(9K)에 대한 방진(6) 인클로저 보호를 나타냅니다.
• 사양에 대한 자세한 내용은 아래 링크를 참조하세요.
• Omron의 침투 보호(IP) 등급
• Wikipedia의 IP 코드
• Engineering Toolbox의 IP 침투 보호 등급

전류 및 전압 정격

• 어떤 전류 정격이 필요한가?
• 커넥터를 선택할 때는 최종적으로 커넥터에 적용할 수 있는 최대 예상 전류를 감당할 수 있는 옵션을 선택해야 합니다.
• 가능하다면 필요한 것보다 높은 전류를 감당할 수 있는 옵션을 선택하여 예상치 못한 과전류 발생 시 대처할 수 있는 여유를 확보하는 것이 좋습니다.
• 일부 커넥터의 경우 설명서에 전류가 나와 있지 않습니다. 그런 경우 다음과 같이 해보세요.
• 기판 실장 항목의 경우 케이블 실장 연결을 찾아 보세요. 해당 항목의 전선 게이지를 사용하여 전류 정격을 찾을 수 있습니다.
• AWGcurrent 정격 변환에 대해 알아보려면 다음 링크를 참조하세요.

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

• 어떤 전압 정격을 감당해야 하는가?
  • 커넥터를 선택할 때는 최종적으로 커넥터에 적용할 수 있는 최대 예상 전압을 감당할 수 있는 옵션을 선택해야 합니다.
  • 가능하다면 더 높은 전압을 감당할 수 있는 옵션을 선택해 예상치 못한 과전압 발생 시 대처할 수 있는 여유를 확보하는 것이 좋습니다.
  • 검토 중인 특정 항목에 대한 전압이 공개되지 않은 경우 -
    • 동일하거나 매우 유사한 접점 피치 및 물리적 빌드로 제작된 다른 항목을 검토해 볼 수 있습니다. 이중 일부 제품에서 처리 가능한 전압을 안내하는 경우도 있습니다.
    • 전압 정격에 대한 데이터가 전혀 없는 경우에는 해당 항목의 제조업체에 연락해 해당 정보를 제공해 줄 수 있는지 확인하거나 DigiKey의 응용 제품 엔지니어링 팀에 연락해 해당 정보를 찾도록 도와줄 수 있는지 알아보세요.