I contatti PosiBand migliorano le prestazioni dei connettori multi-posizione

I connettori sono il collegamento meccanico ed elettrico critico tra le sottosezioni di un sistema o tra un sistema e il mondo esterno. Diversi fattori determinano la scelta del tipo di connettore, tra cui i requisiti elettrici e meccanici, gli standard del settore, la facilità d'uso e di produzione, il numero e il tipo di contatti, gli scenari di accoppiamento e disaccoppiamento, gli obiettivi di affidabilità e i mandati normativi. Tuttavia, il classico corpo del connettore D subminiaturizzato (D-Sub) è stato utilizzato per decenni e rimane il connettore preferito per molte applicazioni.

Sebbene lo stile del corpo del connettore e la disposizione dei contatti ricevano molta attenzione, i contatti hanno un impatto significativo sulle prestazioni elettriche e meccaniche di un connettore. Poiché i progetti diventano sempre più complessi e le applicazioni più esigenti, i progettisti devono conoscere le ultime innovazioni nella tecnologia dei contatti per soddisfare gli standard e i requisiti appropriati, in particolare in termini di robustezza, forza di inserimento e ritenzione, resistenza dei contatti e tolleranza termica.

Questo articolo fornisce una breve panoramica delle tendenze in fatto di connettori, con particolare attenzione al ruolo costante dei connettori D-Sub. Presenta poi i contatti avanzati di Amphenol Positronic e mostra come possono essere utilizzati per migliorare le prestazioni dei connettori.

USB, Ethernet e l'importanza dei connettori D-Sub

Nonostante la riduzione dell'uso della classica interfaccia RS-232 e l'affermarsi di varie versioni di connettori USB ed Ethernet, il classico connettore D-Sub a 9 pin (spesso chiamato DB-9) e il resto della più ampia famiglia di connettori D-Sub continuano a svolgere un ruolo importante nella comunicazione dei sistemi elettronici. Le ragioni di questo continuo utilizzo sono molteplici. Sebbene USB ed Ethernet possano soddisfare molti requisiti di interconnessione, questi due tipi di connettori ampiamente utilizzati sono interfacce seriali e non multi-linea. Possono trasportare dati e corrente contemporaneamente, ma solo con severe restrizioni sul tipo di segnale, sui valori massimi di tensione e corrente e sulla potenza nominale.

Per loro natura, USB ed Ethernet non sono in grado di gestire più segnali non correlati o formati diversi con la stessa efficacia di un'interfaccia dotata di più percorsi di contatto paralleli. Un'altra considerazione critica è che le connessioni USB ed Ethernet standard non sono state progettate per il livello di integrità meccanica ed elettrica e di robustezza necessario in molte situazioni.

Per questi e altri motivi, il connettore D-Sub è ancora ampiamente utilizzato. Questo fattore di forma esiste dagli anni '50 e offre molti vantaggi. È completamente schermato contro le interferenze elettromagnetiche (EMI) e le interferenze in radiofrequenza (RFI), offre un involucro sigillato o quasi, è meccanicamente robusto e le due metà di accoppiamento possono essere bloccate tra loro mediante piccole viti di arresto. Il corpo del connettore D-Sub, o guscio, è disponibile in almeno sei dimensioni standard e offre flessibilità nelle posizioni e nei tipi di contatti elettrici. Oltre a offrire gusci di connettore con lo stesso tipo di contatto in tutte le posizioni, i D-Sub "Combo-D" supportano una combinazione di contatti di segnale e di alimentazione indipendenti all'interno di un singolo guscio di connettore (Figura 1, in alto).

Figura 1: Lo stile del connettore subminiaturizzato Combo-D supporta molte combinazioni di percorsi per i segnali e l'alimentazione (in alto); i connettori D-Sub sono disponibili con dimensioni di guscio e disposizioni dei contatti standard (in basso). (Immagine per gentile concessione di Amphenol Positronic)

Un singolo D-Sub può supportare una varietà di combinazioni standard (Figura 1, in basso). Sono disponibili versioni a due file per una densità standard e versioni a tre file ad alta densità, contatti per segnali, alimentazione, schermature, alta tensione, termocoppie e fibre ottiche.

Innovazioni nella tecnologia di contatto

Le virtù del guscio D-Sub sono una parte importante della storia del connettore, ma anche i contatti elettrici e i loro attributi sono fondamentali per il successo dell'assemblaggio del connettore. Nel corso degli anni, la tecnologia dei contatti ha subito numerosi miglioramenti per quanto riguarda i materiali, il design e le prestazioni elettriche e meccaniche.

Tra queste, la tecnologia di contatto PosiBand brevettata da Amphenol Positronic (brevetto USA 7.115.002). PosiBand adotta un approccio innovativo per i contatti che si differenzia dai design classici per fornire prestazioni migliori in molti parametri chiave.

Il design dell'elemento di pressione esterno PosiBand separa completamente l'azione meccanica dall'azione elettrica della connessione (Figura 2). L'elemento di pressione esegue l'azione meccanica applicando una forza che preme il perno maschio contro la cavità interna della femmina per formare una lunga linea di contatto elettrico diretto. La lunghezza della linea di interfaccia può variare e ciò consente ai progettisti di ottimizzare la resistenza di interfaccia della connessione. Un anello solido e ininterrotto nel punto di ingresso aumenta la robustezza meccanica del contatto.

Figura 2: PosiBand utilizza un design brevettato per separare l'azione meccanica ed elettrica della connessione. (Immagine per gentile concessione di Amphenol Positronic)

La clip a molla (Figura 3, a sinistra) all'interno del contatto PosiBand è un elemento piccolo ma cruciale del gruppo e contribuisce in modo determinante alle sue prestazioni. La molla in lega di berillio-rame temperata fornisce una forza normale sul contatto maschio, contribuendo a un accoppiamento robusto e affidabile (Figura 3, a destra). Allo stesso tempo, offre una forza di inserimento media inferiore, pur soddisfacendo o superando i requisiti prestazionali.

Figura 3: La clip a molla PosiBand (a sinistra) fornisce una forza normale attraverso l'area di contatto (a destra) per massimizzare l'area di contatto elettrico della superficie di accoppiamento. (Immagine per gentile concessione di Amphenol Positronic)

Il contatto di base PosiBand è realizzato in ottone e presenta eccellenti proprietà per la crimpatura dei fili sui contatti. Inoltre, elimina la necessità di ricottura del materiale, che non solo aumenta i costi, ma è anche una fase che può essere eseguita in modo improprio nella produzione, causando problemi a lungo termine.

Il sistema PosiBand aumenta anche l'area di interfaccia tra i contatti maschio e femmina rispetto ai design tradizionali, per un'integrità elettrica più affidabile. A livello micro, il numero di percorsi elettrici attraverso l'interfaccia di contatto è maggiore. Questa maggiore area di contatto riduce la probabilità di discontinuità durante le vibrazioni.

Controintuitivamente, la maggiore area di contatto offerta dal sistema PosiBand non aumenta la forza di inserimento; al contrario, il design PosiBand fornisce una forza di inserimento più costante, che si traduce in una forza di inserimento media inferiore.

I prodotti Positronic fanno parte dell'elenco dei prodotti qualificati (QPL) della U.S. Defense Logistics Agency (DLA), il che significa che hanno soddisfatto i requisiti che comprendono l'identificazione del prodotto, la qualificazione e i test di verifica periodica. PosiBand è qualificato in base alle specifiche SAE AS3902 e MIL-DTL-24308 ed è anche qualificato in base al requisito più elevato di 40 grammi di test di separazione del contatto di GSFC S-311-P4/08 e GSFC S-311-P4/10.

Dimensione e resistenza dei contatti

I contatti PosiBand sono disponibili nelle dimensioni standard 20 e 22. La prima versione è progettata per fili da 20, 22 e 24 AWG, mentre la seconda per fili da 22, 24, 26, 28 e 30 AWG.

La resistenza massima dei contatti 22 è di 0,005 Ω, mentre per i contatti 20 è di 0,004 Ω. Questa bassa resistenza di contatto, e il conseguente basso autoriscaldamento dovuto alle perdite I²R minime, offre ai progettisti la possibilità di utilizzare contatti 22 e 20 per l'alimentazione.

Le caratteristiche termiche dei contatti sono un fattore che alcuni ingegneri non conoscono o che prendono in considerazione solo in una fase avanzata della progettazione e selezione dei connettori. Tuttavia, sono un fattore critico nella valutazione delle prestazioni del connettore e del sistema. I contatti PosiBand 20 (Figura 4, in alto) e 22 (Figura 4, in basso) sono stati completamente caratterizzati per l'aumento della temperatura in funzione della corrente per varie configurazione dei contatti.

Figura 4: L'aumento della temperatura in funzione della corrente nominale per i contatti PosiBand 20 (in alto) e 22 (in basso) in varie configurazioni. (Immagine per gentile concessione di Amphenol Positronic)

La corrente massima consentita è limitata dalla temperatura massima tollerabile dal collegamento e dal contatto.

Prodotti PosiBand per applicazioni reali

Per i progettisti che assemblano cablaggi e connettori, i contatti PosiBand sono disponibili come articoli singoli. Ad esempio, FC6020D2-14 (Figura 5) è un contatto femmina lavorato a macchina in lega di rame, dimensione 20, che viene crimpato alla terminazione del filo.

Figura 5: FC6020D2-14 è un contatto femmina lavorato a macchina in lega di rame, dimensione 20, che viene crimpato alla terminazione del filo. (Immagine per gentile concessione di Amphenol Positronic)

Questo contatto in rame nichelato è rivestito con 1,27 µm di oro per garantire una bassa resistenza e una continuità affidabile. Per queste connessioni crimpate (non saldate), Amphenol Positronic offre un utensile di crimpatura specifico per garantire che le connessioni soddisfino specifiche precise di costanza e affidabilità.

Per i progettisti alla ricerca di soluzioni di serie, sono disponibili connettori completamente assemblati, come la serie MACH-D MCD15M51R700K/AA-15 (Figura 6, a sinistra) e CBC7W2S110000 (Figura 6, a destra), come articoli standard per alcune delle configurazioni più comuni. MCD15M51R700K/AA-15 è un connettore maschio D-Sub in acciaio inox a 15 posizioni con contatti identici di dimensione 20, con una potenza nominale di 17 A, destinato alla saldatura di circuiti stampati ad angolo retto. Oltre alle terminazioni per montaggio su scheda ad angolo retto, è disponibile con opzioni di terminazione a crimpare, con scodellino a saldare e per inserimento a pressione.

Figura 6: MCD15M51R700K/AA-15 (a sinistra) è un connettore maschio D-Sub a 15 posizioni con contatti di dimensione 20; CBC7W2S110000 (a destra) è un connettore femmina combinato a 7 posizioni con contatti femmina, con cinque contatti di segnale PosiBand di dimensione 20 e due contatti di alimentazione MC/FC 4012D. (Immagine per gentile concessione di Amphenol Positronic)

Il modello CBC7W2S110000, invece, è un connettore femmina D-Sub combinato a 7 posizioni con prese femmina. Questo connettore presenta cinque contatti di segnale PosiBand di dimensione 20 e due connettori di alimentazione MC/FC 4012D da 100 A (sono disponibili anche contatti per cavi coassiali). Il guscio è in acciaio zincato con tenuta cromata per garantire l'integrità elettrica e ambientale.

Conclusione

I classici connettori paralleli multi-posizione della famiglia D-Sub sono i preferiti per molte applicazioni. Offrono ai progettisti molteplici opzioni di dimensioni fisiche e flessibilità nel numero e nella disposizione dei contatti. Gli innovativi contatti di segnale PosiBand di Amphenol Positronic, abbinati ai gusci dei connettori D-Sub, garantiscono affidabilità e prestazioni migliori.