Connettori – I principi base

I connettori sono una parte prevalente di quasi tutti i progetti di elettronica. Avere cognizione dei connettori disponibili e delle specifiche è importante durante tutto il processo di progettazione. Non è piacevole arrivare alla fine del progetto e scoprire che è necessario aggiungerne uno e modificare il progetto, operazione costosa in termini di tempo e denaro.

Al momento di selezionare un connettore per il proprio progetto, ci sono alcune considerazioni che dovrebbero essere fatte quando si specificano i requisiti pertinenti. Alcune delle domande più comuni dovrebbero essere:

• Qual è il numero di contatti richiesti per il connettore?
• Che tipo di montaggio è richiesto o necessario per il connettore?
• Come e dove va montato?
• Quale metodo di terminazione è richiesto o auspicabile per l'applicazione?
• I connettori utilizzati devono fornire una protezione dall'ingresso di corpi estranei?
• Che livelli di tensione e corrente sono previsti?

Numero di contatti

In molti casi, il numero di contatti richiesti dal connettore è noto. A volte tuttavia, altre esigenze per l'applicazione complessiva e la disponibilità dei componenti possono finire per influire sulle specifiche dell'elemento selezionato.

Sarà inoltre necessario tenere presente la potenza che il connettore dovrà gestire in quanto ciò influenzerà l'opzione selezionata. Poiché la capacità di gestione della potenza di un connettore continua ad aumentare, è possibile che il numero totale di contatti per qualsiasi dimensione di guscio/contenitore diminuisca. Ciò è causato dalla necessità di più spazio per un diametro del conduttore più grande e/o tensioni più elevate. Alcuni produttori sono riusciti ad aumentare i valori di tensione aggiungendo più isolamento tra i contatti e aumentando la "distanza" totale che l'arco elettrico dovrebbe percorrere da un contatto a quello successivo. Inoltre, ci sono alcuni connettori che hanno un contatto di messa a terra incorporato nel resto dei contatti. Sono più lunghi degli altri e sono utilizzati per ridurre/eliminare l'arco tra i due connettori in fase di accoppiamento/disaccoppiamento.

Di seguito sono riportati alcuni punti che dovrebbero essere tenuti presenti durante il processo di selezione:

• Quanti connettori e contatti sono richiesti/desiderati per portare o far uscire l'alimentazione da un alloggiamento?
• Tipi di combinazione generici che un connettore potrebbe avere per i contatti
  • Solo contatti di potenza
  • Solo contatti di segnale
  • Contatti di potenza e di segnale
  • Segnale + contatto di messa a terra
• Se per il progetto può essere utilizzato un solo connettore, potrebbe essere necessario sceglierne uno leggermente più grande per incorporare tutti i contatti.
• Se i segnali e la potenza sono separati, la quantità di spazio che occupano aumenterebbe. Tuttavia, questo potrebbe essere richiesto per il layout generale dell'applicazione o se la sua funzione ne determina la separazione.

Tipo di montaggio

Un'altra considerazione per il progetto è il tipo di montaggio richiesto o auspicato. I tipi di montaggio possono includere i sottostanti, per citarne alcuni (sono riportati anche dei collegamenti per gli esempi).

• Foro passante per pin su PCB - Sistema per montare/fissare il connettore al circuito stampato attraverso i fori sulla scheda, tramite i conduttori di terminazione.
  • Connettori circolari
  • Connettori D-Sub
  • Connettori rettangolari - Basette, pin maschi
  • Connettori rettangolari - Basette, prese femmina
• A montaggio superficiale su PCB - Sistema per montare/fissare il connettore al circuito stampato tramite i conduttori di terminazione sulle piazzole sulla superficie della scheda.
  • Connettori circolari
  • Connettori D-Sub
  • Connettori rettangolari - Basette, pin maschi
  • Connettori rettangolari - Basette, prese femmina
• Montaggio a pannello - Sistema in cui è stato praticato un foro su una superficie o un pannello e il connettore è posizionato attraverso o a battuta su di esso. Il fissaggio può variare dalla filettatura con dado al connettore tenuto in posizione conseguentemente al suo montaggio su una scheda dietro il pannello.
  • Connettori rettangolari - Volanti, montaggio su pannello
  • Connettori circolari
  • Connettori circolari - Alloggiamenti
• Montaggio volante/cavo - Il connettore si monta/è installato sul cavo di cui costituisce la terminazione.
  • Connettori circolari
  • Connettori circolari - Alloggiamenti
  • Connettori rettangolari - Alloggiamenti
• Montaggio a bordo scheda/intaglio - Per il bordo scheda, le terminazioni sono vicine al bordo di una scheda; in molti casi il connettore è modificato per trarre vantaggio dalla sua posizione. Per l'intaglio della scheda, la situazione è simile in quanto si trovano vicino al bordo della scheda. Tuttavia, una parte della scheda è stata ritagliata in modo che il connettore abbia un profilo più basso. In entrambi i casi, il vantaggio è costituito dal profilo risultante della scheda completa più contenuto. Inoltre, può essere preferibile perché nessun altro spazio è disponibile sulla scheda o per altre esigenze di progettazione.
  • Connettori USB, DVI, HDMI
  • Connettori coassiali (RF)
• Attraverso la scheda - Simile al montaggio su intaglio. Tuttavia, questi non sono in genere vicino al bordo della scheda. Sono anche simili ai connettori per montaggio a pannello dato che vengono montati attraverso un foro praticato nella scheda. Alcuni terminano attraverso fori nella scheda e saldati sullo stesso lato dell'accoppiamento dei connettori mentre altri si montano in superficie sul lato della scheda da cui i connettori vengono montati (dal lato opposto al lato di accoppiamento). I seguenti sono esempi di questo tipo di connettori:
  • Terminali - Connettori cavo-scheda
  • Connettori per illuminazione a stato solido
  • Connettori rettangolari - Su scheda, cavo-scheda diretto

Metodo di montaggio

I termini montaggio e terminazione sono spesso usati in modo intercambiabile, tuttavia è necessario tenere presente che non è sempre corretto e che può esserci una distinzione. Il montaggio indica come il progetto complessivo e il connettore si interfacciano / vengono fissati / bloccati. La terminazione indica come vengono effettuati i collegamenti elettrici. Nella maggior parte dei casi, il montaggio a foro passante e il montaggio superficiale indicano componenti che potrebbero essere montati e terminati in un modo particolare (per ulteriori dettagli, vedere di seguito Metodo di terminazione). Vediamo un esempio di combinazione di montaggio, accoppiamento e terminazione:

• Il connettore 1 è
  • montato a pannello
  • terminato sulla scheda utilizzando contatti montati sulla superficie ad angolo retto
• Il connettore 2 accoppiato al connettore 1 è
  • un connettore volante
  • con terminazioni a vite

Metodo di terminazione

Quale metodo di terminazione è necessario ad entrambe le estremità o sulla connessione? Può essere liberamente scelto se non vi è alcuna necessità predefinita di avere un tipo specifico. Tuttavia, alcune applicazioni potrebbero richiedere un particolare tipo di terminazione.

• Terminazione a saldare/saldata - Per i connettori, questo metodo di terminazione dovrebbe funzionare correttamente per un'ampia gamma di applicazioni. Tuttavia, se l'applicazione verrà implementata in zone ad alta temperatura, potrebbe essere necessario prendere in considerazione sistemi più meccanici. La saldatura può essere impiegata sia per la terminazione dei fili che per le connessioni terminate su scheda. Questo tipo di terminazione include una varietà di metodi in cui un oggetto può essere saldato. La saldatura a foro passante e il montaggio superficiale, come indicato sopra, descrivono un tipo di montaggio e terminazione.

Figura 1: Tipiche terminazioni a saldare del connettore.

• Saldatura a foro passante - Sul lato di terminazione del connettore ci sono dei conduttori progettati per passare attraverso dei fori su una scheda già preparata e di solito hanno piazzole in rame sull'altra superficie della scheda rispetto al connettore a foro passante. Una volta posizionati vengono saldati sul posto.

Figura 2: Questo connettore scheda-scheda/scheda-cavo è concepito per essere saldato su una PCB attraverso dei fori.

• Terminazione a montaggio superficiale - I conduttori del connettore e le piazzole di montaggio si trovano sullo stesso lato della PCB. Il connettore viene posizionato a mano e saldato sul posto oppure vengono utilizzati metodi a riflusso o di saldatura a onda per saldarlo in posizione. Va notato che alcuni tipi di connettori a bordo scheda/su scheda esistono anche a montaggio superficiale.

Figura 3: Questo connettore scheda-scheda/scheda-cavo è concepito per essere saldato su una PCB a montaggio superficiale.

• Crimpatura - Questo tipo di terminazione è noto per essere piuttosto robusto e affidabile e può essere usato per terminare i fili. Per garantire tali caratteristiche sono importanti la qualità della crimpatura stessa e la corretta installazione nell'alloggiamento del contatto. Per ottenere una crimpatura di qualità e una connessione completa, è necessario assicurarsi che siano utilizzati i contatti corretti per l'alloggiamento e gli strumenti di crimpatura corretti. Per questi contatti, la scelta degli attrezzi è un fattore importante. Se la qualità finale non è un problema, allora si potrebbero utilizzare altri attrezzi di cui si dispone già o opzioni dal costo più contenuto. Tuttavia, anche se tale ipotesi potrebbe essere reale, è necessario utilizzare gli attrezzi raccomandati dal produttore e le fasi di preparazione appropriate per il filo e qualsiasi tipo di dati di crimpatura che il produttore fornisce per l'ispezione (nota: non è necessario un controllo sul 100%, è sufficiente un campione). Se non vengono utilizzati gli attrezzi e le procedure corrette e si verifica un guasto nella connessione, la maggior parte se non tutti i produttori di tali connettori non forniranno supporto o garanzia.

Figura 4: Un esempio di un contatto crimpato sui fili spellati.

• Push-in/poke-in -
• Questo tipo di connessione può essere una terminazione permanente o una che può essere disaccoppiata. È anche riconosciuta per avere discreta affidabilità e robustezza. Tuttavia, se viene utilizzata in un ambiente con vibrazioni elevate, è consigliabile consultare i dati sulle caratteristiche di resistenza nominali alle vibrazioni.
• La terminazione di questo tipo richiede in genere solo la spellatura del filo che verrà semplicemente spinto nel connettore o l'azionamento di una levetta da uno stato sbloccato allo stato bloccato dopo aver inserito il filo.
• Per le varianti che consentirebbero il rilascio del filo, dovrebbe essere presente un meccanismo incorporato o un sistema di sgancio tramite ad esempio un cacciavite a lama piatta inserito e premuto in un'asola dell'alloggiamento.

Figura 5: Connettore per montaggio su scheda con fili spellati e terminati inserendoli nell'apertura inferiore. In questo caso è possibile utilizzare un attrezzo per rilasciare il filo, se necessario.

Figura 6: Questo connettore volante accoglie e termina fili spellati inseriti nelle estremità. Per questo particolare connettore il filo può essere sganciato con un'azione di torsione e trazione.

• Terminali a vite - Questi sono usati in un gran numero di tipi di connettori e possono essere impiegati in diversi modi. Di seguito alcuni esempi dei diversi tipi di terminali con terminazione a vite:
• 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

Figura 7: Alcuni esempi di connettori che utilizzano viti per terminare i fili.

• A filo avvolto
• Tra gli esempi il CWN-370-50-0000. Questo tipo di connettore può essere utilizzato in un'applicazione a filo avvolto.
• Il CWN-370-50-0000 è stato progettato per essere prima montato su una PCB, quindi saldato sul posto e poi avvolto.
• Questi connettori non sono necessariamente utilizzati in un prodotto destinato ad entrare in una produzione di serie. Sono utilizzati nei prodotti finali ad alta frequenza e nei prototipi a bassa tiratura.
• Il seguente collegamento mostra informazioni riguardanti le pratiche di avvolgimento del filo.

Figura 8: Alcuni esempi di connettori che utilizzano il metodo del filo avvolto per la terminazione dei fili su di essi.

• Press fit - Sono terminazioni con innesto a pressione che non richiedono necessariamente la saldatura. Di conseguenza, questa tipologia può aiutare a ridurre il costo complessivo di un progetto. In genere sono progettati per non richiedere la saldatura. Tuttavia, se per qualche motivo si desidera saldarli, è bene sapere che così facendo si potrebbero avere ripercussioni sulla parte e il produttore potrebbe non supportare eventuali problemi derivanti. Prudenza e prove di collaudo sono consigliati quando si sceglie di saldare questi componenti. Inoltre, per questo tipo di terminazione ci sono attrezzi che potrebbero essere utilizzati per assicurare un inserimento uniforme e un posizionamento/inserimento completo. Si consiglia di utilizzare gli attrezzi suggeriti dai produttori. Se non sono consigliati particolari attrezzi, potrebbe essere necessario contattare i produttori direttamente per avere eventuali suggerimenti in merito alle esigenze della specifica applicazione. Il documento sintetico di DigiKey, La tecnologia Press-Fit, è un ottimo strumento di riferimento.

Figura 9: Alcuni esempi di connettori che termineranno nei fori sulla scheda su cui sono montati, sia a foro passante che con innesto a pressione.

Considerazioni ambientali

Se l'applicazione si trova in un ambiente abbastanza tranquillo e non ci si aspetta nessun evento estremo, allora quasi tutti i connettori dovrebbero svolgere il loro compito per le esigenze specifiche definite. Tuttavia, quando si realizzano progetti per ambienti più difficili - ad esempio presenza di vibrazioni, sollecitazioni cinetiche, schermatura, ingresso di corpi estranei nell'ambiente, oli, solventi o qualsiasi altro tipo di sostanze chimiche e corrosive a cui potrebbe essere esposto il connettore - durante il processo di selezione è necessario tener presente quanto segue.

• Vibrazioni e sollecitazioni cinetiche
• Per le connessioni che si trovano all'interno di un involucro, è possibile selezionare componenti con caratteristiche supplementari come sporgenze di montaggio e pin/piazzole di saldatura più grandi. Omron mette a disposizione il documento sintetico sull'XH5 che illustra alcune opzioni che includono entrambi questi tipi. A partire da pagina 3 ci sono disegni del componente e lo schema di montaggio che dovrebbe essere utilizzato per ciascun connettore al fine di sfruttarne le caratteristiche di montaggio.
• Per le connessioni che entrano/escono dall'involucro, le scelte possibili sono varie e possono essere selezionate per qualsiasi tipo di connettore.
• Esaminare le specifiche dei connettori che sono stati presi in considerazione per vedere se sono stati testati e classificati per il livello di sollecitazione cinetica e vibrazioni che si prevedono per il progetto.
• Schermatura
• La schermatura viene utilizzata quando è presente rumore elettromagnetico ambientale che può causare problemi saltuari.
• Per i connettori in cui è impiegata la schermatura, è necessario capire se solo una parte specifica deve essere schermata o se il percorso completo (nel caso dei cavi) richiede una schermatura unica. Prendiamo ad esempio i cavi Ethernet. Se l'ambiente è abbastanza "tranquillo", è possibile utilizzare cavi Ethernet di base e connettori modulari a 8 posizioni. Tuttavia, con l'aumentare del rumore elettromagnetico ambientale, si dovrebbe prendere in considerazione l'uso di connettori modulari e cavo Ethernet schermati.
• Wurth Electronik offre una Nota applicativa sui concetti di schermatura EMI efficace che costituisce un riferimento interessante relativo a queste problematiche.
• Per oli, solventi o qualsiasi altro tipo di sostanze chimiche e corrosive potrebbe non essere possibile trovare opzioni idonee anche per le altre specifiche e quindi anche i valori nominali per gli ambienti pertinenti. In alcuni casi, potrebbe essere necessario contattare il produttore per ottenere una variante di un articolo in grado di gestire tale ambiente.
• Di seguito sono riportate alcune informazioni relative a questi rischi ambientali:
• Guida alla sezione del materiale del connettore per ambienti difficili di Amphenol
• Corrosione galvanica (elettrolitica) di Samtec
• Il connettore deve avere una protezione contro l'ingresso di materiale estraneo?
• Le classificazioni di protezione dall'ingresso indicano fino a che punto può impedire a solidi/polvere e umidità/acqua di entrare in un'area protetta. Se questo rischio è reale, dovrebbe essere tenuto a mente durante tutto il processo di selezione di un connettore. Questo tipo di rischio potrebbe essere usato come filtro per escludere tutti i prodotti non idonei.
• Grado di protezione (tenuta) IPX¹X²YZ
• IP = Ingress Protection (protezione contro l'intrusione)
• X¹
• 0 - Nessuna protezione speciale
• 1 - Protetto contro oggetti solidi di dimensioni superiori a 50 mm, ad es. contatto accidentale da parte delle mani di persone
• 2 - Protetto contro oggetti solidi di dimensioni superiori a 12 mm, ad es. dita delle persone
• 3 - Protetto da oggetti solidi di dimensioni superiori a 2,5 mm (utensili e fili)
• 4 - Protetto da oggetti solidi di dimensioni superiori a 1 mm (strumenti, fili e fili di piccole dimensioni)
• 5 - Protetto contro la polvere, ingresso limitato (nessun deposito dannoso)
• 6 - Totalmente protetto dalla polvere
• X²
• 0 - Nessuna protezione
• 1 - Protetto contro gocce d'acqua che cadono verticalmente, ad es. condensazione
• 2 - Protetto contro spruzzi diretti di acqua fino a 15° dalla verticale
• 3 - Protetto contro spruzzi diretti di acqua fino a 60° dalla verticale
• 4 - Protetto contro l'acqua spruzzata da tutte le direzioni - ingresso limitato consentito
• 5 - Protetto contro i getti d'acqua a bassa pressione da tutte le direzioni - ingresso limitato
• 6 - Protetto contro l'allagamento temporaneo di acqua, ad es. per l'uso su ponti di navi - ingresso limitato consentito
• 7 - Protetto contro l'effetto di immersione temporanea tra 15 cm e 1 m
• 8 - Protetto da lunghi periodi di immersione sotto pressione
• Y e Z
• Non sempre utilizzati
• Possono essere usati per richiamare più specifiche. Le seguenti informazioni possono aiutare a definire Y e Z
• Questo è quanto ricevuto dal Switchcraft Engineering Team - "Il codice IP viene definito nello standard IEC 60529. Di seguito una pagina delle informazioni di base." (Figura 10)

Figura 10: Codici IP come definiti nella IEC 60529. (Immagine per gentile concessione di Switchcraft)

• Ci sono altre specifiche che possono essere indicate dalle cifre opzionali. La norma DIN 40 050 aggiunge un'opzione "K" per le apparecchiature elettriche nei veicoli stradali. Ad esempio, IP69K rappresenta un involucro resistente alla polvere (6) protetto contro la pulizia ad alta pressione/getto di vapore (9K).
• Fare riferimento ai collegamenti sottostanti per ulteriori informazioni riguardanti le specifiche:
• Omron: Classe di protezione dalle infiltrazioni (IP)
• Wikipedia: International Protection
• The Engineering Toolbox: IP – Grado di protezione

Valori di corrente e tensione

• Che livelli di corrente sono richiesti?
• Quando si seleziona un connettore, è necessario scegliere un'opzione che sia in grado di gestire la corrente massima prevista che potrebbe essere applicata al connettore.
• Si consiglia di scegliere un componente che possa gestire più corrente di quanto richiesto, se possibile, in modo da poter sostenere eventuali sovracorrenti.
• Alcuni connettori non riportano i valori di corrente nella documentazione. In questo caso:
• Per i componenti montati su scheda, provare a trovare varianti montate su cavo. Il diametro del conduttore di questi ultimi può essere utilizzato per trovare la capacità di corrente.
• Fare riferimento a questo collegamento per i rapporti AW/corrente:

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

• Che tensione nominale deve essere gestita?
  • Quando si seleziona un connettore, è necessario scegliere un'opzione che sia in grado di gestire la tensione massima prevista che potrebbe essere applicata al connettore.
  • Si consiglia di selezionare un componente che possa gestire più tensione di quanto richiesto, se possibile, in modo da poter sostenere eventuali sovratensioni.
  • Se il componente specifico in esame non riporta la tensione -
    • A volte è possibile confrontarlo con altri componenti con passo dei contatti e costruzione fisica identici o molto simili. Qualcuno di questi potrebbe riportare i valori di tensione.
    • Se non sono disponibili dati per i valori nominali di tensione, contattare il produttore del componente per verificare se è in grado di fornire tali informazioni o il team di ingegneri delle applicazioni di DigiKey per verificare se possono fornire assistenza nell'individuazione di questi dati.