接线端子和各类连接器的基础知识

引言

接线端子用于将分开的电路连接到一起。通常这些连接器用于常需要切换和断开的场合,如连接电源,连接外围电路,或者需要更换的扩展部分。

该教程涵盖内容

在本教程中,我们将介绍下面主题

  • 关于接线端子的常见术语
  • 将接线端子进行区别分类
  • 介绍上述分类之间的区别
  • 介绍如何使用极性防反的接线端子
  • 介绍如何使用极性防反的接线端子

建议先阅读

在您开始阅读本文之前,请确保您已经知道或者学习了以下教程中所罗列的内容:

接线端子术语

在我们开始讨论一些常用的连接器之前,让我们来探讨用于描述接线端子的术语。

公母端子Gender – 接线端子的公母性说明了它是用来插入还是被插入的。(哈哈,如果你还是单纯的孩子,更详细的解释估计你得去问问你父母)遗憾的是,有些被称为公头的端子,实际上是按照母头的端子来使用的。在接下来的示例中,我们将将说明这些缘由。

Male and female 2.0mm PH series JST connectors

左边公右边母的 2.0mm PH系列的JSP接线端子

极性-大多数接线端子有约定的极性方向。这种特性使得接线端子可以防止接反。

North America wall plug

有极性的美规墙上插头。 通过为插头叶片两种不同的宽度,插头只能单向进入插座

触点-触点是接线端子真正起作用的功能部分。 它们是彼此接触的金属部件,形成电气导通的连接。 这里也往往是导致连接不良的地方:触点可能变脏或氧化、或者金属弹片的弹性随时间蠕化变小而将导致触点松脱或连接不可靠。

ADH8066 mating connector

该连接器上的触点清晰可见。

间距 – 许多连接器由重复排列的一组触点组成。 连接器的间距是从一个触点的中心到下一个触点的中心的距离。这一点很重要,因为有许多接线端子外观和触点看起来非常相似,但间距可能不同,所以往往一个型号系列的端子仅仅因为这个参数不同而不同,因此在不知道此参数情况下,很容易在购买了不能配对连接端子。 

 

.1" pin header connector examples

标准Arduino上标题的引脚间距为0.1英寸。

插拔次数 – 接线端子的使用寿命都是有限的,每次接上和断开接线端子都会导致部分磨损。 数据表通常以插拔次数这一指标来表示其使用寿命,使用不同技术的接线端子插拔次数差别很大。 USB连接器可能具有数千或数万次插拔的寿命,而设计用于消费电子产品内部的板对板连接器可能会被限制为数十次插拔的寿命。 选择适合应用场景寿命的接线端子非常重要。

Connector for GS406 GPS module

GS406 GPS模块的匹配连接器。 该连接器的数据表显示该零件的插拔次数是50次。

安装方法 – 这个可能会让人有些困惑。 术语“安装”指以下几种情况:连接器如何在使用中安装(安装在面板上,自由悬挂着,电路板安装),连接器相对于其附件的角度(直角或直角),它如何机械连接(焊片焊接,表面贴片焊接,通孔焊接)。 我们将用示例对接线端子中的安装方法进一步讨论。Comparison of different mounting methods for barrel-type connectors

比较三种相同管连接器的不同安装方法:(从左到右)电路板板安装,内联电缆安装和板面安装。

抗弯折延伸部分(用于减缓应变) – 当连接器安装在电路板或电缆上时,线材拐弯处的连接往往有点脆弱。 通常提供某种类型的抗弯折延伸部分用于减缓应变,以将作用于该连接器的任何应变传递到更多更合理的结构上。 后面还有这类型的例子。

1/8" Headphone jack showing strain relief

这个1/8英寸耳机插孔带有一个应力消除”靴子“,滑过电缆以防止电缆上的力量直接传输到电气接头。

USB连接器

USB连接器有两种类型:主机和从机。 在USB标准中,两者有所不同,电缆和设备上的连接器反映了这一点。 但是,所有USB连接器都有一些共同之处

  • 极化 – USB连接器只能按正确一面插入。 从不对的方向无法插入,强行插入连接器不会工作,并可能导致其损坏。
  • 四个触点 – 所有USB连接器至少有四个触点(尽管有些可能有五个,而USB 3.0连接器有更多)。
  • 这些用于电源,接地和两条数据线(D +和D-)。 USB连接器是设计用于传输5V,高达500mA电流的连接器。
  • 屏蔽 – USB连接器是自带屏蔽的,外部包围了不属于电路的金属外壳。 这对于在具有大量电流“噪音”的环境中保持信号完好无损很重要。
  • 强大的电源连接 – 电源引脚在数据线之前先完成连接这点非常重要,以避免试图通过数据线供电。 所有USB连接器的设计都考虑到了这一点。
  • 减缓应变 – 所有USB电缆都在连接器上进行塑料包覆成型,以防止电缆上出现可能损坏电气连接的应变。

Labeled image of USB extension cable

USB延长线,标有USB连接器的一些常见功能。

USB-A接口

USB-A母头是标准的“主机”连接器类型。 这可以在计算机,集线器或任何打算将外围设备上找到。 也可以在另一端找到带有A型连接器和A型连接器的延长电缆。

USB-A ports on a laptop computer.

笔记本电脑侧面的女性USB-A端口。 蓝色连接器符合USB 3.0标准。

USB-A公头是标准的连接外围扩展设备的连接器。 大多数USB电缆的一端将以USB-A公头连接器终结,而许多设备(例如键盘和鼠标)将具有内置电缆端接有USB-A公头连接器。 也可以找到可安装在板上的USB-A公头连接器,适用于U盘等设备。

USB-A male connector examples

两种类型的USB-A公头接口,SparkFun Cerberus电缆和AVR Stick开发板。

USB-B接口

USB-B母头是外围设备的标准。 它体积稍大,但坚固耐用,所以在不限制尺寸的应用场景中,它是为USB连接提供可移动连接器的首选方法。 它通常是通孔板安装的连接器,以获得最大的可靠性,但也有板面安装的方式。

USB-B connector on an Arduino Uno

由于其低成本和耐用性,包括Uno在内的Arduino主板早已使用了USB-B母头连接器。

USB-B公头多数位于电缆的末端。 USB-B电缆无处不在,价格低廉,这也有助于USB-B连接的普及。

Male USB-B connector

SparkFun Cerberus电缆末端的USB-B公头连接器

USB-mini接口

USB-Mini连接是第一个用于较小设备的USB接口尺寸标准的尝试。 通常在较小的外围设备(MP3播放器,旧手机,小型外置硬盘驱动器)上可以找到USB-Mini母头,通常是表面贴装连接器,具有较大的尺寸稳定性。 USB-Mini逐渐被逐渐淘汰,转而使用USB-Micro连接器。

USB-Mini female connector

Protosnap Pro Mini上的USB-Mini母头接口。

USB-Mini公头是另一种仅有线缆的连接器。 与USB-B一样,它非常常见,几乎可以在任何地方以便宜的价格找到此连接线。

USB-Mini male connector

SparkFun Cerberus电缆末端的USB-Mini公头接口。

USB微型连接器

USB-Micro是USB连接器系列的新增产品。与USB-Mini一样,主要关注是缩小尺寸的问题,但USB-Micro为低速信号增加了第五个引脚,使其可用于USB-OTG(On-the-go)应用,其设备视情况而定,作为主机或外设运行。

USB-Micro母接口可以在许多新型外设上找到,例如数码相机和MP3播放器。 USB-micro作为所有新手机和平板电脑的标准充电接口,意味着充电器和数据线越来越普遍,而USB-Micro已经取代USB-Mini作为小尺寸USB连接器的选择。

USB-Micro female connector

LilyPad Arduino USB板上的USB-Micro母接口。

USB-Micro公头也是一个只有线缆的连接器。 通常有两种类型的带USB-Micro公端的电缆:一种用于连接具有USB-Micro端口的设备作为USB主设备的外设,另一种用于将USB-Micro母端口连接至USB-A母端口 ,用于支持USB-OTG的设备。

USB-Micro male connector

SparkFun Cerberus电缆上的USB-Micro公头连接器。

USB-A female to USB-Micro adapter

适配器尾纤,用于使用仅具有带标准USB外设的USB-Micro端口的USB-OTG设备。 请注意,并非所有支持USB-OTG的设备都可以使用此尾纤。

译者注:现在随着USB3.0普及和无容错设计思路的要求,更多的手机和外置设备从USB-Micro接口转向使用USB-type C接口,包括最新的苹果Macbook。但苹果手机和平板目前仍在使用苹果独家专利的lighting连接线。

维基百科上,关于各类型USB接口样式的示意图

维基百科上,关于各类型USB-Type-C接口的样式示意图

最新使用了USB-Type-C接口的苹果笔记本电脑Macbook

音频连接器

另一个熟悉的连接器是那些用于视听应用的组合–RCA俗称梅花头、莲花头和唱机。 虽然这些不能真正被认为是同一个家族,由于其结构、连接方式和原理雷同,我们将它们归为一类在此介绍。

“电话”类型连接器

您可能会立即将此连接器的1/8“版本识别为耳机末端的插头,这些连接器实际上有三种常见尺寸:6.3英寸(6.35毫米),1/8英寸(3.5英寸 毫米)和2.5毫米¼英寸尺寸连接器在专业音频和音乐界有很多用途 – 大多数电吉他和放大器上都有1/4英寸尖端套(TS)插孔,1/8英寸tip-ring- sleeve(TRS)结构的输出信号的连接器作为MP3播放器或电脑上的耳机或音响非常普遍。 一些手机将提供一个2.5毫米tip-ring-ring-sleeve(TRRS)插孔,用于连接耳机,该耳机还包括用于免提通话的麦克风。

这些连接器和电缆的普遍可用性使其成为通用连接应用的良好选择 – 例如,早在USB之前,德州仪器的图形计算器就使用2.5mm TRS连接器作为串行编程连接器。 应该记住的是,tip-sleeve(端头 – 套筒)连接器类型不可用于传输电源; 在插入过程中,尖端和套筒可能会短时间短接在一起,这可能会损坏电源。 屏蔽不足使得它们不适用于高速数据,但低速串行数据可以使用这些连接器。

1/8" TRS phone plug

耳机型TRS电话插头,1/8“。通常,尖端tip和环ring将承载立体声音频信号,而套sleeve将接地。

1/8" TS phone plug

1/8英寸手机插头,请注意此连接器上没有环ring触点。

1/8" board mount headphone jack

1/8“板载耳机插孔,带有相应引脚连接的插针标记。当未插入插孔时,内部开关将尖端和环形引脚连接到相邻的未标记引脚,从而允许插入检测。

RCA连接器

RCA俗称梅花头、莲花头,是数十年来首选的家用立体声连接器,于1940年由RCA引入家用留声机中。 它在视听领域正逐渐被HDMI等连接所取代,但无处不在的连接器和电缆使其成为家用系统的理想选择。 它已经服役了很长的时间。

母端RCA连接器通常可在设备上找到,但可以找到带有母插孔的分机电缆或转接电缆。 大多数RCA连接器都连接到四种信号类型之一:分量视频(PAL或NTSC,取决于设备的销售地),复合视频,立体声音频或S / PDIF音频。Female RCA plug, for video signals.

RCA母头连接器,用于视频信号。 通常,NTSC或PAL视频信号连接器将呈黄色。

RCA公头连接器通常在早起的影碟机和电视连接的电缆上找得到。Male RCA plugs

RCA公头。 红色和白色通常用于音频应用,红色表示右声道的音频。

电源连接器

虽然许多连接器除数据外还承载电源,但某些连接器专门用于为设备提供电源连接。 这些因应用和尺寸而异,但我们只关注一些最常见的部分。

DC直流电源插头插座

DC直流电源插头插座通常用于低成本消费类电子产品,可通过大型AC电源适配器插入墙上电源。 壁式适配器广泛适用于各种额定功率和电压,使DC直流电源插头插座成为将电源连接到小型项目的常用手段。

DC直流电源插座或插孔可以以多种类型购买:PCB安装(表面贴片焊接或通孔焊接),电缆安装或板面安装。 这些连接器中的一些将具有额外的接触点,以允许应用程序检测电源是否插入到筒状插孔中,从而允许设备在外部电源上运行时绕过电池并节省电池寿命。

Female barrel connector

DC直流电源插座。 当没有插入插头时,“插入检测”引脚将短接到“套筒”引脚。

虽然有多种方法将插头连接到电线的末端,但是通常只能在电线端子中找到公插筒连接器或“插头”。 也有可能获得预先连接到电缆的插头。

Male barrel plug

独立的DC直流电源插头,用于连接任何电源。 请注意,套筒连接设计为压接在导线上以额外消除应力。

桶式连接器仅提供两个连接,通常称为“销”或“尖端”和“套筒”。 订货时,筒体连接有三个不同的特点 – 内径(插座内插针的直径),外径(插头外侧套筒的直径)和极性(套筒电压是否为 高于或低于尖端电压)。

套筒直径通常是5.5mm或3.5mm。

销直径取决于套筒直径; 一个5.5毫米的套筒将有一个2.5毫米或2.1毫米的引脚。 不幸的是,这意味着为2.5mm引脚设计的插头将安装在2.1mm插孔中,但连接最多只能是间歇性的。 3.5毫米套筒插头通常与1.3毫米插针插孔配合。

极性是最后要考虑的方面; 通常,套管将被视为0V,并且尖端将相对于套管成为正电压。 许多设备将有一个小图标表明设备所期望的极性; 应注意遵守这一点,因为不正确的电源极性可能会损坏设备。

两个套管尺寸的长度通常为9.5毫米,但是更长和更短的套管确实存在。大部分产品均使用正极性5.5毫米套筒和2.1毫米引脚; 我们建议尽可能坚持标准,因为它更容易维修和更换。Barrel connector polarity label

AC适配器与套筒的公共极性图。 正极性(尖端正极,套管0V)是最常见的。 图表由维基百科用户提供。

“Molex”端子

大多数计算机硬盘驱动器,光盘驱动器和其他内部外围设备通过通常称为“Molex”端子供电。 为了更加准确,它是一个Molex系列8981连接器 – Molex实际上是最初在1950年代设计这种连接器的公司的名称。

Molex连接器设计用于承载大量电流:每个引脚最多11A。 对于可能需要大功率的项目(例如CNC机器或3D打印机),为项目提供动力的常用方法是使用台式PC电源并通过Molex连接器连接各种系统电路。

Molex端子就是术语公母头中有点反常的例子。 母头端子通常位于电缆的末端,并且在包围公头端子内的插针的塑料外壳内滑动。 通常情况下,连接器只能压入,非常非常紧 – 为保证连接牢固可靠,它们通常只能连接和断开数十次,因此对连断频繁的系统来说,这不是一个好的选择。

Male Molex connector

Molex端子。 连接器的引脚的公母是指整个连接器而非金属部分。

Female Molex connector

在项目电源上的公Molex端子。

IEC连接器

与Molex连接器一样,这是一种通用组件名称与单个特定项目同义的情况。 IEC连接器通常是指台式PC电源上常见的电源插口。 严格来说,这是IEC 60320-1 C13(母)和C14(公)连接器。

IEC 60320-1 C14 male connector

C14公头IEC电源插座,位于DC项目电源上。 请注意,与Molex连接器一样,连接器的公母由盖内的引脚定义。

C13 female IEC power connector

C13母IEC电源连接器,使用相当标准的交流电源电缆。 这一端的电缆可以在世界各地找到,通常在另一端使用主要的本地交流电连接器。

IEC连接器几乎专门用于交流电源输入。 在项目中使用它的好处在于,IEC对市电电缆非常普遍,并且可用于大多数国际地区的本地化市电插头!

JST连接器

我们的Arduino项目中,经常提到“2.0mm JST连接器”。 这是特定产品的又一次推广–JST是一家生产高品质连接器的日本公司,2.0mm JST连接器是PH系列双位置极性连接器。

很多单节锂聚合物离子电池均标配这种JST连接器,并且许多电路板都包含此连接器(或其引脚的焊盘孔)作为电源输入。 它具有结构紧凑,耐用并且防反的优点。 另一个可能是优点或缺点的特性,取决于你如何看待它,是因为JST连接器在插入后很难断开连接(虽然小心应用斜口钳可以帮助!)。 虽然这使得在使用过程中不可能出现故障,但这也意味着断开电池充电容易损坏电池连接器。

2-Pin JST male connector on a LilyPad Arduino USB board

LilyPad Arduino USB板上的2引脚JST公头连接器。 再次,与Molex一样,胶壳内的引脚决定了连接器的公母。

Male and female 2-pin JST connectors

公母型2针JST连接器。Male and female 2-pin JST connectors.

PH系列连接器有两个以上的接线位。 但是,我们最常用的应用是用于2位电池连接。

排母连接器

排母连接器包含几种不同的连接方式。 一般来说,一面是焊接到PCB上的一系列引脚,它们可以与PCB表面成直角(通常称为“直线”)或平行于电路板表面(易混淆地称为“右边” – “角”)。 这种连接器以各种间距(如2.54mm和2mm)出现,并且可以具有任意数量的单独的排针。

Right angle female header pin connector

FTDI基础板上的直角母头引脚连接。

最常见的针脚头是0.1英寸单排或双排连接器,它们有排针或排母,并且是用于连接Arduino板和屏蔽板的连接器。其他的间距并不少见,例如XBee无线模块使用 相同连接器的2.0mm间距的系列。

.1" pin header connector examples

Arduino Uno电路板上的0.1英寸排母连接

这部分的常见变种是圆孔排针的版本。 虽然正常版本是由冲压和折叠金属板制成的,但是圆孔排针是通过将金属加工成所需的形状而形成的。 其结果是一个更坚固的连接,具有更好的接头和更长的使用寿命,但其成本也更高。

Female machine pin headers

圆孔排针,请注意,这些连接器被设计成可以分割成较小的部分,而标准的0.1英寸母头连接器不是。还需要注意的是,并非所有非机器针头连接器都将与机器针脚配合使用。

连接到这些引脚接头的电缆通常为以下两种类型之一:带有压接连接器的单根电线或带绝缘位移连接器的带状电缆。 这些可以简单地夹在排缆杜邦线的末端,从而形成与带状电缆中每个导体的连接。 通常情况下,杜邦线只能作为母头使用,并期望公头排针与之配对。

Crimp connected header cable

六位杜邦线排缆。 每条导线都被单独剥去,连接器压接在上面,然后将连接器插入塑料胶壳中。

2x5 insulation displacement connectors on a ribbon cable

带状电缆上的2×5绝缘位移连接器(IDC)。 这种电缆可以快速组装,因为它不需要剥离单个连接器。 它的两端还有偏移头,以防止插入配对板侧连接器时接反。

临时连接器

螺丝接线端子

在某些情况下,可能需要将裸露的导线连接到电路。 螺丝端子为此提供了一个好的解决方案。 它们也适用于连接应该能够支持多种不同连接设备的情况。

螺丝端子的缺点是它们可以很容易地解开,在电路中留下一根裸露的导线。 一小撮热胶可以解决这个问题,而不会以后太难去除。

螺丝端子通常设计用于窄范围规格的电线,电线太小与太大都不行。 常见有两种类型的螺钉接线端子0.1英寸和3.5mm版本。大多数螺钉端子都是高度模块化的,只需将两个或多个较小的部分连接在一起即可轻松地以相同的间距进行扩展。

3.5mm screw terminals– > 3.5毫米间距的螺钉端子,显示要连接的导线的插入点,固定导线的螺钉以及单个单元侧面的模块化连接器,可以将多个部件组合在一起。

香蕉连接器

大多数电源测试设备(万用表,电源)都有一个非常简单的连接器,称为“香蕉插座”。 这些配对“香蕉插头”,卷曲,弹簧金属插头,意味着做一个单一的电源连接。 它们经常以可堆叠配置提供,并且可以轻松连接到任何类型的电线。 它们能够承载几安培的电流并且价格低廉。

Banana plug

可堆叠的香蕉插头。 请注意,有两种不同的方法可以插入额外的香蕉插头。

Variable power supply with banana plugs

Extech可调台式电源,前部带有香蕉插孔。

鳄鱼夹

命名原因显而易见,鳄鱼夹适用于接线柱或裸线的测试连接。 它们往往体积庞大,容易对附近的裸金属造成短路,并且具有相当差的抓地力,易于损害某些连接部位。 它们主要用于调试期间的低成本连接。

Alligator clips

“第三只手”的工具使用鳄鱼夹夹住工件,用鳄鱼夹夹住电线进行电气测试。 请注意鳄鱼夹周围的塑料套,以防止其他连接短路。

IC夹(或IC钩)

对于更精细的探测操作,市场上有各种IC夹。 这些尺寸允许用户将其夹在IC的引脚上而不接触相邻的引脚; 其中一些非常细腻,甚至可以夹在细间距的SMD元件支脚上。 这些较小的剪辑可以在逻辑分析仪和测试导线上找到,这对原型设计或故障排除电路来说非常有用。

Large IC clip

电线末端的大型IC夹。 该夹子仍然足够小,可以连接到通孔芯片上的单个支脚,而不会对邻近的引脚造成问题。

其他连接器

RJ型模块连接器

认证插孔连接器是电信设备进入本地交换机的标准配置。 通常听到的与之相关的名称(RJ45,RJ12等)不一定是正确的,中文俗称水晶头,因为RJ标志是基于位置数量,实际存在的导线数量和布线图案的组合。 例如,虽然标准以太网电缆的末端通常被称为“RJ45”,但RJ45实际上不仅意味着8位,8导体模块插孔,还意味着它与以太网连接。

这些模块化连接器可以非常有用,因为它们结合了可用性,多导体,适度的灵活性,低成本和适中的电流承载能力。 尽管这些电缆本来不是要提供大量的电源,但可用于将数据和几百毫安的数据从一个设备传输到另一个设备。 应注意确保为此类应用提供的插孔不会连接到传统的以太网端口,否则会导致损坏。

8p8c "RJ45" style modular jack

标准8p8c(8位,8芯)“RJ45”模块化插孔。 请注意,如果您打算使用此类插孔传输直流信号和电源,则必须避免使用带内置信号变压器的连接器。

D-sub型连接器

以其外壳的形状命名,D超小型连接器是计算世界的经典标准。 这种连接器有四种非常常见的品种:DA-15,DB-25,DE-15和DE-9。 管脚编号表示提供的连接数,字母组合表示管壳的大小。 因此,DE-15和DE-9具有相同的外壳尺寸,但具有不同数量的连接。

Female board-mount DE9 connector

DE-9母头板载连接器。 公母由与每个信号相关联的引脚或插座来定义,而不是整个连接器,使得该连接器尽管有效地插入到配合连接器的外壳中,仍然是母端。

DB-25和DE-9对硬件黑客最有用; 许多台式计算机仍然至少包含一个DE-9串行端口,并且通常还包含一个DB-25并行端口。 用DE-9和DB-25连接器端接的电缆也广泛使用。 与上述模块化连接器一样,这些可用于在两个设备之间提供电源和点对点通信。 同样,由于这些电缆的常用用途不包括电力传输,因此任何重新调整电缆的操作都要谨慎,这是非常重要的,因为插入标准端口的非标准设备很容易造成损坏。

更多可供深入学习的资料

现在您应该清楚哪些连接器最适合某些应用,哪些连接器将在您的下一个项目中对您有用。 请查看其他链接以更多地了解连接器。

  • Giant database 很全面的连接器和接口数据库 – 您场景的几乎任何连接器的简单介绍,如下图电脑背面的所有接口。 这是一个关于连接器基本信息的好网站,但对接口结束细节的描述不足。

  • Wikipedia article on registered jack connectors维基百科关于认证插孔连接器的文章 – 更多关于认证插孔(RJ)连接器的辨识,常被误解和误用的一些问题。
  • Wikipedia article on D-subminiature connectors维基百科有关D超小型连接器的文章 – 与认证插孔连接器一样,D型超小型标准的信息也很多。 维基百科有一篇很棒的关于它的文章。
  • Mouser电子产品目录 – 浏览电子产品供应商的目录通常是查找未识别连接器名称的好地方; Mouser增强型在线目录与打印版本一样好,而且不用浪费纸!

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