Come sfruttare i vantaggi dei connettori cavo-scheda in prodotti finali ultracompatti

I collegamenti cablati con fili inseriti nell'alloggiamento di una presa a sua volta inserita in una basetta montata su scheda sono molto diffusi. Sono una soluzione semplice, robusta e a basso costo per condurre l'alimentazione e le comunicazioni tra le singole schede in prodotti per applicazioni automotive, industriali, di illuminazione e di telecomunicazione.

Tuttavia queste connessioni cavo-scheda hanno degli inconvenienti. Ad esempio, i connettori convenzionali sono ingombranti e il loro profilo rialzato li rende poco pratici per progetti compatti. Inoltre, l'assemblaggio del connettore e del cavo può essere complesso e rallentare quindi i processi di produzione di serie.

Questo problema viene risolto con l'introduzione di connettori ultracompatti con profili di soli 1,4 mm, progettati per essere compatibili con il montaggio superficiale automatizzato e la costruzione semplificata dei cavi. Pur essendo molto piccoli, questi connettori soddisfano le esigenze di integrità meccanica ed elettrica di un collegamento cablato affidabile, con caratteristiche quali contatti placcati in oro, capacità di scarico della trazione e meccanismi di bloccaggio che, all'occorrenza, consentono comunque una disconnessione senza difficoltà.

Questo articolo illustra brevemente i vantaggi delle connessioni cablate prima di mostrare come una nuova generazione di connettori compatti renda più facile sfruttare questi vantaggi nei prodotti elettronici. Si occupa poi dell'anatomia di questi connettori utilizzando esempi di Molex per mostrare come, anche se miniaturizzati, assicurino un collegamento dei segnali ad alta integrità e come le caratteristiche dei connettori e dei relativi cavi si prestino a un assemblaggio in grande serie.

Riduzione delle connessioni cablate

I connettori e i cavi promettono una soluzione semplice, affidabile ed economica per il passaggio di alimentazione e segnali tra più schede a circuiti stampati (PCB) alloggiate all'interno di un singolo prodotto. Ma, per mantenere questa promessa, tali connessioni devono essere abbastanza robuste da garantire elevate prestazioni di integrità del segnale anche quando sono soggette a vibrazioni, sporcizia e calore. Una soluzione consolidata viene dal produttore di connettori Molex, che ha sviluppato un sistema comprensivo di terminali femmina, relativi alloggiamenti e basette (Figura 1).

Figura 1: Un sistema cavo-scheda offre una soluzione di connettività semplice, robusta e ad alta integrità. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Una rappresentazione semplificata del sistema cavo-scheda di Molex è illustrata nella Figura 2.

Figura 2: Il sistema cavo-scheda di Molex che include il filo con relativo terminale femmina da inserire nell'alloggiamento apposito e una basetta assemblata che si accoppia con l'alloggiamento. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Sistemi convenzionali di questo tipo - come il cavo-scheda Mini-Lock di Molex - usano un passo di 2,5 mm per la spaziatura dei pin del connettore. Anche se questi sistemi funzionano bene, il passo relativamente ampio tende a rendere le dimensioni complessive della presa e delle basette piuttosto grandi. Ad esempio, la basetta a 6 posizioni 0534260610 montata su scheda misura 17,4 x 11,5 x 6,7 mm (per un volume di 1340 mm³). L'alloggiamento della presa di accoppiamento (0511020600) misura 15,5 x 9,5 mm x 5,8 mm (per un volume di 850 mm³).

Di recente, Molex ha introdotto sistemi cavo-scheda con passi più stretti. Fanno parte di questi prodotti i sistemi Pico-Lock con capacità di corrente di 2 A, di 1,5 mm (5040500691) e 1,0 mm (5037630691) e il sistema Pico-EZMate di 1,2 mm (0781715006). L'impatto dei pin con passo più stretto riduce notevolmente le dimensioni complessive del connettore (Tabella 1).

Tabella 1: Dimensioni delle basette a sei posizioni serie Mini-Lock (0534260610), Pico-Lock (5040500691 e 5037630691) e Pico-EZMate (0781715006). (Tabella per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Dato che i sistemi di connettori occupano poca superficie della scheda e hanno un profilo molto basso (Figura 3), i tecnici possono sfruttare la connettività cavo-scheda affidabile ed economica in prodotti che in precedenza erano troppo piccoli per accettare questa tecnologia.

Figura 3: La basetta Pico-Lock a montaggio superficiale ha un profilo di 1,5 mm che ne consente l'uso in prodotti finali compatti. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Elementi chiave dei connettori cavo-scheda

Un elemento chiave della semplicità del sistema di connettori Molex è il terminale. È il componente che viene prima crimpato all'estremità del filo e poi inserito nell'alloggiamento della presa. Molex offre vari terminali, compresi quelli placcati oro (5040520098) per l'uso con fili 24-28 AWG e i suoi connettori Pico-Lock e 0781720411 per l'uso con fili 28-30 AWG e il sistema Pico-EZMate. Le connessioni crimpate sono realizzate con utensili manuali come la crimpatrice 0638275700 o sistemi di crimpatura automatica.

Una connessione formata con un terminale crimpato (Figura 4) comprende diversi componenti chiave, come elencato di seguito:

• Raccordo conico: si tratta della svasatura formata sul bordo del terminale - in cui crimpare il conduttore - che funge da imbuto per i trefoli. È importante perché riduce le probabilità che uno spigolo vivo tagli o scalfisca i fili del trefolo.
• Crimpatura del conduttore: questo è il fattore più importante della connessione ed è realizzato tramite compressione meccanica del terminale attorno al conduttore del filo. In tal modo si crea un percorso elettrico comune con bassa resistenza e capacità di trasporto di corrente elevata senza la necessità di un'ulteriore operazione di saldatura.
• Spazzola del conduttore: si riferisce ai trefoli che si estendono oltre la crimpatura sul lato di contatto del terminale (senza però invadere l'area di accoppiamento della connessione crimpata). Questa estensione è importante perché assicura che la compressione meccanica esercitata durante il processo di crimpatura venga applicata sulla massima area dei conduttori del filo.
• Crimpatura dell'isolante: questa è la parte del terminale che fornisce il supporto del filo per l'inserimento nell'alloggiamento e lo scarico della trazione. Deve trattenere il filo il più saldamente possibile senza tagliare i conduttori.

Figura 4: Parti di una connessione crimpata formata con gli attrezzi e i terminali femmina Molex (Immagine per gentile concessione di Molex)

Una connessione crimpata ben fatta ha le seguenti caratteristiche (Figura 5):

• Una crimpatura che comprime l'isolamento senza forarlo
• Una spazzola del conduttore che sporge dalla parte anteriore della sua sezione di crimpatura per almeno il diametro del conduttore stesso
• Isolante e conduttore visibili nell'area tra l'isolante e la sezione di crimpatura del conduttore
• Sezione di crimpatura di un conduttore a forma conica nelle estremità di testa e di coda
• Sezioni di transizione e di accoppiamento che non vengono disturbate dal processo di crimpatura

Figura 5: Fra le caratteristiche di una connessione crimpata ben formata vi sono una crimpatura che comprime l'isolante senza perforarlo e una bocca conica visibile. (Immagine per gentile concessione di Molex)

La misurazione dell'altezza della crimpatura è un modo rapido e non distruttivo per verificarne la compressione meccanica intorno al conduttore del filo. L'altezza della crimpatura è la distanza misurata dalla superficie superiore della crimpatura effettuata alla superficie radiale inferiore. Un'ulteriore indicazione visiva della qualità della crimpatura è data dalle estrusioni (o piccole svasature) che si formano sul fondo della crimpatura del conduttore in seguito al gioco tra il punzone e l'incudine. Un'incudine consumata o un terminale sovra-crimpato comportano un'estrusione eccessiva. Se il punzone e l'incudine sono disallineati o se la regolazione dell'avanzamento non è corretta potrebbe derivarne un'estrusione non uniforme.

È anche importante che il terminale femmina crimpato sia allineato meccanicamente dopo il montaggio. Il disallineamento per torsione o piegatura della sezione crimpata e di quella di accoppiamento renderà impossibile inserire il connettore nella basetta.

Una volta formati correttamente, i terminali crimpati vengono inseriti nell'alloggiamento della presa. Se il terminale è allineato meccanicamente, la cosa non dovrebbe essere difficile, ma è importante assicurarsi che poi si innesti correttamente con la basetta. Gli alloggiamenti includono in genere meccanismi di bloccaggio per evitare che i terminali si scolleghino una volta agganciati in posizione nel caso in cui i relativi fili siano messi sotto sforzo. Ad esempio, l'alloggiamento a 6 posizioni 5037640601 di Molex per i terminali serie Pico-Lock ha un dentino che si innesta con il dentino metallico sul terminale femmina, impedendo che quest'ultimo esca dall'alloggiamento (Figura 6).

Figura 6: Nella serie Pico-Lock di Molex, un dentino sul terminale si innesta con il dentino metallico sull'alloggiamento della presa per bloccarlo in posizione. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Una volta che i terminali sono stati inseriti nell'alloggiamento, il cavo assemblato completo può essere inserito nella basetta montata su scheda. Anche in questo caso, il disegno del sistema di connettori rende l'operazione relativamente semplice, a condizione che alloggiamento e basetta siano meccanicamente allineati (il che richiede attenzione perché i connettori sono molto piccoli). Così come i terminali femmina sono bloccati nell'alloggiamento per evitare che si allentino, anche l'alloggiamento e le basette includono dei meccanismi per assicurare che, una volta inserita, la basetta non possa essere facilmente scollegata. Ad esempio, gli alloggiamenti a 6 posizioni per la serie Pico-Lock includono un blocco per attrito e due blocchi positivi che si innestano una volta che l'alloggiamento è inserito nella basetta (Figura 7).

Figura 7: Basette Pico-Lock di Molex che includono un blocco per attrito e due blocchi positivi per assicurare un innesto affidabile. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Realizzati per l'assemblaggio automatizzato

I sistemi cavo-scheda possono rivelarsi una sfida per i fabbricanti di prodotti in grande serie, perché le basette convenzionali sono caratterizzate da profili scomodi e in genere usano connessioni a foro passante per il montaggio sulla scheda. (Il sistema Mini-Lock 0534260610 di Molex, ad esempio, è dotato della tecnologia a foro passante.) Tali caratteristiche rendono poco pratico utilizzare apparecchiature di posizionamento automatico per assemblare il connettore sulla scheda, costringendo i produttori ad aggiungere alla linea un processo manuale che rallenta la produzione.

Per superare questo inconveniente, le basette Pico-EZMate e Pico-Lock (montate su scheda) di Molex sono state progettate per il montaggio superficiale. I dispositivi sono dotati di piazzole di saldatura al posto delle connessioni a foro passante e sono stati progettati per il confezionamento direttamente in bobine utilizzate dalle macchine di posizionamento automatico. Inoltre, le basette sono dotate di superfici piatte per facilitare il prelievo con le ventose della macchina di posizionamento (Figure 8, 9 e 10).

Figura 8: I connettori Pico-Lock e Pico-EZMate di Molex sono progettati per il montaggio superficiale. Qui viene illustrato il modello di piazzola di saldatura per una basetta Pico-Lock. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Figura 9: I connettori Pico-Lock e Pico-EZMate di Molex possono essere forniti in bobine idonee per le macchine di posizionamento automatico. Qui viene illustrato il confezionamento in bobina per la basetta Pico-Lock. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Figura 10: I connettori Pico-Lock e Pico-EZMate di Molex presentano grandi superfici piatte per le attrezzature di prelievo a vuoto delle macchine di posizionamento automatico. Qui viene illustrata la superficie di prelievo della basetta Pico-Lock. La dimensione "A" misura 9,8 mm per la basetta a 6 posizioni. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Conclusione

I sistema di connettori cavo-scheda offrono un metodo consolidato e poco costoso per condurre alimentazione e segnali tra le schede in prodotti automotive, industriali, di illuminazione e telecomunicazione. Tuttavia, le dimensioni relativamente ingombranti dei design convenzionali ne hanno impedito l'impiego in prodotti finali più compatti.

Ora, una nuova generazione di sistemi compatti cavo-scheda consente di estendere i vantaggi di questi prodotti a unità molto più piccole. Se i prodotti sono assemblati secondo le specifiche del produttore, questi sistemi di connettori sono in grado di garantire un servizio affidabile a lungo termine e possono trasportare correnti fino a 2 A anche per i connettori con passi dei pin molto stretti.

Meglio ancora, le basette montate su scheda che fanno parte di questi sistemi sono state progettate per essere utilizzate con le macchine di posizionamento automatico comunemente presenti negli ambienti di assemblaggio in grandi serie.