Utiliser des connecteurs autodénudants de type plug-in direct pour rationaliser l'assemblage et réduire la nomenclature

Pour réaliser des interconnexions à plusieurs positions, les ingénieurs choisissent souvent des connecteurs autodénudants (IDC) et les câbles plats associés en raison de leur haute densité de contacts, de leur terminaison de masse en une seule étape et de l'absence de nécessité de dénuder les fils. Les utilisateurs de connecteurs autodénudants supposent normalement qu'ils présentent un agencement de connecteur en deux parties, avec des broches mâles de raccordement et leurs moitiés de prises femelles. Ces connecteurs autodénudants sont disponibles dans un large éventail de styles (par exemple, pour un montage sur carte ou en suspension libre), avec 8 à 50 positions (typiquement), et sont utilisés avec un câble plat multiconducteur.

Même si les connecteurs autodénudants offrent de nombreux avantages, les concepteurs cherchent toujours à réduire le coût direct des composants, à réduire la nomenclature, à simplifier les achats et l'approvisionnement, et à faciliter le processus d'assemblage dans un environnement de production. Il est possible d'atteindre tous ces objectifs en une seule étape en utilisant un seul connecteur autodénudant pour terminer le câble plat tout en éliminant la nécessité d'utiliser un connecteur de raccordement complémentaire.

Cette innovation, qui va à l'encontre de « l'esprit traditionnel » des connecteurs autodénudants, est utilisée dans le connecteur autodénudant de câble plat WR-WST REDFIT IDC SKEDD de Würth Elektronik. Il utilise la carte à circuit imprimé comme contact de raccordement, ce qui permet de réduire les coûts, de simplifier les efforts d'assemblage et de supprimer un article de la nomenclature, et ce sans compromettre les performances. Cet article décrit ce qui a motivé ces innovations liées aux connecteurs autodénudants avant de présenter le connecteur WR-WST et la manière d'en tirer parti.

Que sont les connecteurs autodénudants et pourquoi sont-ils nécessaires ?

Les connecteurs autodénudants résolvent de nombreux problèmes en permettant la terminaison simple et rapide d'un certain nombre de fils de signal et d'alimentation, ainsi que l'ouverture et la fermeture simples et rapides du trajet de connexion (Figure 1). Les assemblages de câbles basés sur des connecteurs autodénudants (câbles IDC) sont largement utilisés dans de nombreuses applications, par exemple entre des cartes à circuit imprimé adjacentes ou entre un circuit imprimé de processus et un ensemble écran/clavier utilisateur relativement distant. Dans certaines conceptions, le câble plat est même utilisé comme un « bus » flexible prenant en charge non seulement les connexions d'extrémité de câble, mais aussi les connecteurs placés le long du câble flexible afin de pouvoir connecter d'autres cartes à circuit imprimé sur un trajet commun.

Figure 1 : Les assemblages de câbles IDC utilisent des connecteurs de raccordement mâles et femelles à sertir à terminaison de masse avec un câble plat à plusieurs fils, comme cet assemblage à 16 fils. Le câble plat peut également être monochrome, contrairement à cet exemple arc-en-ciel. (Source de l'image : eBay)

La technologie IDC a été développée il y a plus de 50 ans. Depuis son adoption, elle a connu une utilisation généralisée, une augmentation de la variété des versions disponibles, une augmentation de la densité de contact, une augmentation du nombre de contacts par connecteur et d'autres améliorations. Comme son nom l'indique, la technologie IDC est basée sur le principe du déplacement ou de la mise à l'écart d'une partie de l'isolant autour des conducteurs du câble (fils) pour établir une connexion électrique directe avec le cuivre (Figure 2). Il n'est pas nécessaire de dénuder l'isolant du fil, car les bords métalliques tranchants des contacts percent l'isolant pour créer une connexion étanche aux gaz.

Figure 2 (haut)

Figure 2 (bas)

Figure 2 : Dans un connecteur autodénudant, la partie supérieure du connecteur est poussée vers le bas pour sertir les contacts simultanément et percer l'isolant de tous les fils du câble (en haut). La vue du connecteur avec la partie supérieure retirée (en bas) montre les contacts qui sortent de l'isolant des fils. (Source de l'image : fiche technique de référence de Jaycar Electronics)

Le développement d'un matériau isolant qui se fend de manière nette et précise sans aller au-delà de la zone de perçage a été l'une des nombreuses avancées qui ont rendu possible l'utilisation massive des connecteurs autodénudants. Étant donné qu'un câble plat comporte de nombreux fils et que de nombreuses terminaisons peuvent être effectuées simultanément, les câbles IDC sont parfois appelés connecteurs à « terminaison de masse ». Les premiers connecteurs autodénudants étaient limités aux fils pleins pour garantir des connexions fiables, mais les progrès techniques les ont rapidement étendus aux fils divisés également.

Il existe de nombreuses versions standard disponibles de la paire mâle-femelle raccordée. Il s'agit notamment de connecteurs à souder sur une carte à circuit imprimé ou de ceux à suspension libre qui terminent l'extrémité d'un câble. Un assemblage de câbles IDC peut ainsi être relié à un connecteur monté sur carte ou à un autre câble IDC.

Par exemple, le 61201023021 de Würth est un connecteur autodénudant à prise (femelle) rectangulaire à double rangée, 10 positions et pas de 2,54 mm, à sertir sur le câble (Figure 3). Si le câble nécessite plutôt un connecteur à broche mâle, il existe le connecteur autodénudant à embase 61201025821 complémentaire de Würth (Figure 4). Que ce soit pour les connecteurs mâles ou femelles, il existe des connecteurs correspondants à monter sur des cartes à circuit imprimé pour compléter un trajet câble-à-carte. Notez que même s'il s'agit de connecteurs à 10 positions, la gamme de connecteurs à embase et de connecteurs autodénudants WR-BHD de Würth s'étend à 60 positions.

Figure 3 : Le connecteur autodénudant 61201023021 de Würth Elektronik est un connecteur à prise (femelle) rectangulaire à double rangée, 10 positions et pas de 2,54 mm. Il est conçu pour être serti sur un câble plat à suspension libre. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Figure 4 : Le connecteur autodénudant à embase 61201025821 de Würth équipé de broches mâles complète le connecteur autodénudant 61201023021 de Würth. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Les connecteurs autodénudants et leurs câbles plats sont disponibles dans une large gamme de positions et d'options. Ces options incluent un espacement des broches (pas) de 1,27 mm ou de 2,54 mm, ainsi que le nombre de broches. La tenue en courant maximum est généralement de 1 ampère (A) à 3 A, avec des calibres de fil disponibles de 30 AWG fins à 22 AWG plus épais. Il existe également des connecteurs autodénudants pour les connexions DB-xx pour les tailles DB-25, DB-15 et DB-9 autrefois largement utilisées (souvent avec les interfaces RS-232).

Certains segments de l'industrie ont défini des types IDC spécifiques afin de pouvoir interchanger des dispositifs connectés provenant de fabricants différents. Par exemple, dans le domaine des ordinateurs personnels, les normes suivantes sont courantes :

• Disques durs pour ordinateur de bureau IDE 3,5 pouces : pas de 2,54 mm, 40 broches, 2 × 20 (2 rangées de 20 broches)
• Disques durs pour ordinateur portable IDE 2,5 pouces : pas de 2,00 mm, 44 broches, 2 × 22
• Interface SCSI 8 bits : pas de 2,54 mm, 50 broches, 2 × 25
• Interface SCSI 16 bits : pas de 1,27 mm, 68 broches, 2 × 34

Pour tous les connecteurs ci-dessus, le fabricant de l'ordinateur fixe généralement un connecteur autodénudant femelle à une extrémité d'un câble plat avec une embase mâle (boîtier ou broches) correspondante sur la carte mère de l'ordinateur. Il existe également des configurations de contact simple utilisées avec des fils simples dans des blocs coupe-fils pour le câblage téléphonique. Un technicien peut effectuer la connexion sur le terrain à l'aide d'un outil spécial pour enfoncer un fil isolé entre les bornes à fourche tranchantes d'un seul emplacement de contact souhaité.

Transition vers un raccordement IDC monobloc

Il peut sembler évident et même inévitable qu'un assemblage de câbles IDC multi-contacts nécessite un connecteur de raccordement, et cela a été le cas pendant longtemps. Cependant, une nouvelle approche élimine la moitié de raccordement femelle (prise) et utilise à la place la carte à circuit imprimé comme connecteur de raccordement (Figure 5).

Figure 5 : La gamme REDFIT IDC SKEDD de connecteurs autodénudants de câble plat de Würth Elektronik se branche directement dans des trous plaqués de dimensions appropriées sur la carte à circuit imprimé, éliminant ainsi le recours à un connecteur autodénudant femelle correspondant. (Source de l'image : Würth Elektronik)

C'est le principe de la gamme REDFIT IDC SKEDD de connecteurs autodénudants de câble plat de Würth Elektronik. Ce connecteur se fixe au câble plat comme avec n'importe quel câble IDC, mais se branche ensuite directement dans des trous plaqués, ou traversées, de dimensions appropriées sur la carte à circuit imprimé. Cela permet d'établir une connexion fiable à moindre coût avec moins de points de contact et moins d'étapes d'assemblage.

Il s'agit d'un connecteur réversible sans soudure et enfichable à la main, ce qui signifie qu'il peut être déconnecté sans outils spéciaux, contrairement à certains connecteurs à pression ou encliquetables qui ne peuvent pas être déconnectés sans outil spécial ou sans contorsions de la part de l'utilisateur (Figure 6). Il est basé sur un pas de 1,27 mm (souvent appelé « demi-pas ») et est disponible avec 4 à 20 contacts (nombres pairs) par connecteur. La version à 10  positions 490107671012 de Würth présente les spécifications représentatives.

Figure 6 : Le connecteur REDFIT IDC SKEDD est un connecteur autodénudant réversible sans soudure et enfichable à la main, ce qui signifie qu'il peut être connecté et déconnecté sans outils spéciaux. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Le connecteur REDFIT IDC SKEDD cible des applications telles que l'électronique grand public, les installations de systèmes à énergie solaire, l'électronique industrielle et les projets d'ingénierie mécanique qui nécessitent du câblage. Le fournisseur garantit des performances pour au moins 10 cycles de raccordement sur le terrain et 25 au banc de prototypage, où les conditions environnementales sont moins rudes.

Cette caractéristique convient bien aux nombreux produits qui ne seront pas démontés, ou seulement pour une réparation ou une mise à niveau ponctuelle. La résistance de contact du système global est spécifiée à 10 milliohms (mΩ) avec une tenue en courant maximum de 1 A et une tension nominale de 100 V. Les câbles d'un calibre de 28 AWG (1,27 mm) peuvent être fabriqués hors site ou en usine, selon les besoins.

La science des matériaux au service du bon fonctionnement

Pour réaliser les cycles de raccordement initiaux et multiples, les « partenaires » de contact du REDFIT IDC SKEDD doivent s'adapter les uns aux autres de sorte qu'aucune déformation plastique du métal ne se produise, comme c'est le cas dans certaines conceptions de contact. Contrairement à ces conceptions, le contact SKEDD se compose de deux bras, connectés à leur extrémité. Les bras flexibles de type fourche restent à l'état élastique même lorsqu'ils sont insérés et utilisés pour établir des connexions, ce qui assure une connexion réversible (Figure 7).

Figure 7 : Les deux bras du contact SKEDD restent à l'état élastique pendant et après l'insertion, un facteur clé dans leur capacité à maintenir la force de contact, qui permet également de les retirer et de les réinsérer. (Source de l'image : Würth Elektronik)

À la fin du processus d'insertion, la rigidité du ressort du contact flexible SKEDD atteint sa valeur la plus élevée. Dans cet état, la force normale du contact est suffisamment élevée pour garantir qu'aucune interruption du signal de plus de 1 microseconde (µs) ne se produise à cause d'une contrainte mécanique.

On pourrait penser que les contacts et la technologie SKEDD ne sont qu'une extension sophistiquée de la technologie d'insertion en force utilisée depuis longtemps, mais ce n'est pas du tout le cas. Dans l'approche à insertion en force, une broche rigide est enfoncée dans le trou traversant plaqué. La force de friction élevée entre la broche et le trou crée une soudure froide homogène entre les surfaces, ce qui garantit une intégrité électrique et mécanique. Cependant, le trou traversant plaqué se déforme lors de ce processus d'insertion en force, et le retrait de la broche rigide rompt cette connexion.

Lors de l'utilisation de la technologie d'insertion en force avec des broches flexibles plutôt que rigides, le trou traversant plaqué reste intact, mais le matériau de la broche en lui-même se déforme. Même s'il est possible de retirer la broche flexible étant donné que la connexion mécanique n'est pas aussi solide qu'avec une broche rigide, la broche en elle-même est endommagée et ne peut pas être réutilisée.

En revanche, le raccordement élastique et l'absence de déformation plastique du contact et du trou traversant plaqué dans l'approche SKEDD garantissent la possibilité de reconnecter la paire de raccordement sans dégradation, tandis que le contact à quatre voies améliore la fiabilité (Figure 8).

Figure 8 : Contrairement à la technologie d'insertion en force avec des broches rigides ou flexibles qui entraîne respectivement la déformation du trou ou de la broche lors de l'insertion, le contact SKEDD ne se déforme pas et ne déforme pas le trou. Il s'agit là d'un critère essentiel pour assurer une réinsertion viable du connecteur et de ses contacts. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Avantages et opportunités d'interconnexion

Dans l'application typique d'un câble IDC, un câble avec un connecteur à chaque extrémité se raccorde à des connecteurs correspondants montés sur carte pour relier des cartes à circuit imprimé adjacentes. Le connecteur REDFIT IDC SKEDD offre aux concepteurs de nombreux avantages :

• Il élimine le recours à un connecteur de raccordement. Cela équivaut à deux composants en moins si le connecteur REDFIT IDC SKEDD est utilisé aux deux extrémités.
• Étant donné que le connecteur REDFIT IDC SKEDD peut être inséré sur le dessus ou le dessous d'une carte, il y a plus de flexibilité quant au routage du câble plat et à l'espacement et à l'orientation des cartes. Cela permet des connexions directes plus courtes (Figure 9).
• Enfin, ce connecteur permet de réduire le poids et les matériaux. Ce n'est peut-être pas important dans certaines conceptions, mais c'est bel et bien un facteur déterminant dans nombre d'entre elles.

Figure 9 : Étant donné que le connecteur REDFIT IDC SKEDD peut être inséré de chaque côté de la carte à circuit imprimé, il offre plus d'options pour le routage du câble et le placement des cartes connectées. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Le logement en plastique du connecteur REDFIT IDC SKEDD joue un rôle important dans les performances du connecteur. Il comporte deux broches de guidage de diamètres légèrement différents à l'opposé l'une de l'autre pour assurer une bonne orientation de raccordement et pour éviter les erreurs de polarité inverse dans l'assemblage (Figure 10). Le matériau du logement est un plastique résistant aux hautes températures (-25°C à +105°C), conforme à la norme d'inflammabilité UL94 V-0. Il offre une résistance chimique supérieure et un faible coefficient d'expansion thermique, ce qui permet de réduire les pannes dues aux cycles thermiques.

Figure 10 : Les broches de guidage de diamètres légèrement différents à l'opposé l'une de l'autre dans le logement du connecteur empêchent l'insertion du connecteur à l'envers. (Source de l'image : Würth Elektronik)

Pour éviter les contacts intermittents dus aux vibrations, en plus des quatre points de contact à chaque broche, il y a deux petits systèmes de verrouillage par friction sur chaque guide de carte en plastique qui fonctionnent comme un système de verrouillage passif. Cela donne une terminaison sans outil qui se verrouille automatiquement lors de l'insertion et assure une connexion viable jusqu'à la déconnexion manuelle.

Les spécifications de fabrication des cartes sont entièrement définies et facilement respectées

Une fabrication adéquate des traversées sur la carte à circuit imprimé est nécessaire pour une utilisation réussie et efficace du connecteur REDFIT IDC SKEDD. Ce n'est toutefois pas un problème, car les exigences critiques correspondent aux spécifications des cartes à circuit imprimé standard actuelles. La fabrication des traversées ne nécessite pas d'étapes spéciales ni de précision de tolérance supplémentaire des circuits imprimés au-delà de ce qui est normalement requis.

Le dessin dimensionnel indique la configuration de la carte à circuit imprimé pour l'ensemble des dimensions du connecteur et des trous à percer, ainsi que les tolérances associées pour les traversées finies dans une carte de production (Figure 11). Notez que pour les tests de prototype et le débogage où davantage de cycles d'insertion/de retrait sont souvent nécessaires, il existe un schéma de perçage offrant une tolérance plus large.

Figure 11 : Les dimensions et les tolérances spécifiées pour la configuration et les dimensions des trous de la carte à circuit imprimé de production pour accueillir le connecteur REDFIT IDC SKEDD correspondent aux normes de fabrication des cartes modernes (à gauche). Le schéma de perçage modifié pour les applications de débogage présente des tolérances légèrement plus étendues et permet davantage de cycles d'insertion/de retrait (à droite). (Source de l'image : Würth Elektronik)

Conclusion

L'assemblage de câbles IDC en deux parties est utilisé depuis de nombreuses années et constitue une approche d'interconnexion à plusieurs fils éprouvée, de valeur et largement utilisée. Désormais, la gamme REDFIT IDC SKEDD de connecteurs autodénudants de câble plat monoblocs de Würth Elektronik offre une alternative qui élimine le recours à un connecteur autodénudant femelle de raccordement. Le connecteur à broches mâles insérable/retirable manuellement se branche directement sur la carte à circuit imprimé. Cela permet ainsi d'alléger les coûts, de réduire la nomenclature et d'éliminer une autre source d'erreur potentielle de contact intermittent, tout en offrant des options supplémentaires pour le routage des câbles et la disposition des cartes.

Vidéos et modules de formation Digi-Key associés

Würth Elektronik, Solutions de connecteurs REDFIT IDC SKEDD

Würth Elektronik, Connecteur REDFIT IDC–SKEDD de Würth Elektronik eiSos

Références

1. "Jaycar Electronics Reference Data Sheet" (Internet Archive Wayback Machine)
2. "Insulation-displacement connector" (Wikipedia)