Usare i connettori a perforazione di isolante (IDC) a innesto diretto per razionalizzare l'assemblaggio e ridurre la distinta base

Per le interconnessioni multiposizione, i tecnici spesso scelgono connettori a perforazione di isolante (IDC) e i relativi cavi a nastro perché hanno un'elevata densità di contatti, una terminazione di massa in un'unica operazione e non richiedono la spelatura dei fili. Chi utilizza gli IDC presuppone in genere che abbiano una disposizione dei connettori con pin maschi di accoppiamento da una parte e prese femmina dall'altra. Questi IDC sono disponibili in un'ampia gamma di stili (es. per montaggio su scheda o volante), con un minimo di otto e un massimo di 50 posizioni (offerta tipica) e sono utilizzati con cavo a nastro piatto multiconduttore.

Nonostante gli IDC offrano molti vantaggi, i progettisti cercano sempre e comunque di ridurre il costo dei componenti diretti e la distinta base, semplificare gli acquisti e l'approvvigionamento e razionalizzare il processo di assemblaggio nell'ambiente di produzione. Possono ottenere tutti questi risultati utilizzando un singolo connettore IDC per terminare il cavo piatto, eliminando allo stesso tempo la necessità di un connettore di accoppiamento complementare.

Questa innovazione, che contraddice il "pensiero convenzionale" sui connettori IDC, viene utilizzata nel connettore a cavo piatto WR-WST REDFIT IDC SKEDD di Würth Elektronik. Si serve della scheda come contatto di accoppiamento, riducendo così i costi, semplificando il lavoro richiesto per l'assemblaggio ed eliminando un elemento di linea dalla distinta base, il tutto senza compromettere le prestazioni. In questo articolo viene spiegato ciò che ha promosso le innovazioni dei connettori IDC, inoltre viene presentato il connettore WR-WST e come sfruttarlo.

Cosa sono gli IDC e perché sono necessari?

Gli IDC risolvono molti problemi consentendo di terminare in modo rapido e semplice un certo numero di conduttori di alimentazione e di segnali, nonché di chiudere e aprire il percorso di connessione in modo altrettanto rapido e semplice (Figura 1). I cavi assemblati basati su IDC sono ampiamente utilizzati in molte applicazioni, ad esempio tra schede adiacenti o tra una scheda di processo e un display/una tastiera utente relativamente lontani. In alcuni progetti, il cavo piatto viene utilizzato addirittura come "bus" flessibile, ovvero oltre alla connessione tra le due estremità del cavo, la presenza di connettori lungo il cavo stesso consente di collegare altre schede su un singolo percorso comune.

Figura 1: Cavi assemblati IDC che utilizzano connettori a crimpare maschio e femmina con messa a terra, oltre a un cavo a nastro piatto multifilo come questo che ne ha 16. Diversamente da questo esempio colorato, il cavo a nastro può anche essere monocromatico. (Immagine per gentile concessione di eBay)

La tecnologia IDC è stata sviluppata oltre 50 anni fa. Da quando è stata adottata, si è andata sempre più diffondendo e ha conosciuto una crescita delle varie versioni disponibili, una maggiore densità di contatti, un numero maggiore di contatti per connettore e altri miglioramenti. Come indica il suo nome, la tecnologia IDC funziona spostando (o mettendo a lato) una parte dell'isolamento intorno ai conduttori del cavo (fili) e determinando un collegamento elettrico diretto col rame (Figura 2). Non è necessario spellare l'isolamento del filo, poiché i bordi metallici taglienti dei contatti lo perforano per creare una connessione ermetica.

Figura 2 (alto)

Figura 2 (basso)

Figura 2: In un connettore IDC, la sua parte superiore viene spinta verso il basso per crimpare i contatti contemporaneamente e perforare l'isolamento di tutti i fili del cavo (in alto). L'immagine dell'assemblaggio con la parte superiore del connettore rimossa (in basso) mostra i contatti che sporgono attraverso l'isolamento del conduttore. (Immagine per gentile concessione di Jaycar Electronics, scheda tecnica di riferimento)

Lo sviluppo di materiale isolante che può essere perforato in modo pulito e netto senza però spaccarsi oltre la zona di perforazione è uno dei tanti progressi che hanno favorito la diffusione degli IDC. Poiché il filo è uno dei tanti che compongono un nastro piatto, si possono realizzare contemporaneamente molte terminazioni con questo metodo, per cui gli IDC sono talvolta detti connettori per "terminazione di massa". I primi IDC erano limitati al filo pieno per connessioni affidabili, ma i progressi tecnici li hanno presto estesi anche al filo a trefoli.

Sono disponibili molte versioni standard per l'accoppiamento sia con maschi che con femmine. Ad esempio, vi sono connettori che si saldano su una scheda e altri di tipo volante che terminano l'estremità di un cavo. In questo modo, un cavo assemblato IDC può essere collegato a un connettore montato su scheda o a un altro cavo IDC.

Ad esempio, 61201023021 di Würth è un connettore femmina IDC rettangolare a doppia fila, a 10 posizioni, con passo di 2,54 mm che viene crimpato sul cavo (Figura 3). Se il cavo richiede invece un connettore con pin maschi, è disponibile il connettore con basetta IDC complementare 61201025821 di Würth (Figura 4). Per entrambi i connettori maschio e femmina, vi sono connettori corrispondenti che si montano sulle schede per completare un percorso cavo-scheda. Tenere presente che, nonostante siano connettori a 10 posizioni, la famiglia di connettori IDC e basette WR-BHD di Würth comprende anche connettori fino a 60 posizioni.

Figura 3: L'IDC 61201023021 di Würth Elektronik è un connettore femmina a doppia fila e a 10 posizioni con passo di 2,54 mm. È progettato per essere crimpato su un cavo a nastro piatto volante. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Figura 4: Il connettore con basetta IDC e pin maschi 61201025821 di Würth è complementare all'IDC 61201023021, sempre di Würth. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

IDC e i relativi cavi a nastro piatto sono disponibili in un'ampia varietà di posizioni e opzioni. Le opzioni riguardano anche la spaziatura dei pin (passo) di 1,27 mm o di 2,54 mm e il numero dei pin. La capacità nominale di corrente massima va di solito da 1 a 3 A, con sezioni del conduttore da 30 AWG (sottile) a 22 AWG (più spessa). Sono disponibili anche IDC per le connessioni DB-xx per le dimensioni DB-25, DB-15 e DB-9, un tempo molto diffuse (comuni con le interfacce RS-232).

Alcuni segmenti industriali hanno stabilito tipi di IDC specifici, così da permettere l'interscambio di dispositivi collegati di diversi produttori. Ad esempio, nell'area dei personal computer, gli standard comuni sono i seguenti:

• Dischi rigidi per computer desktop IDE da 3,5 pollici: passo di 2,54 mm, 40 pin, 2 × 20 (2 file da 20 pin)
• Dischi rigidi per computer notebook IDE da 2,5 pollici: passo di 2,00 mm, 44 pin, 2 × 22
• SCSI a 8 bit: passo di 2,54 mm, 50 pin, 2 × 25
• SCSI a 16 bit: passo di 1,27 mm, 68 pin, 2 × 34

Per tutti i connettori di cui sopra, il produttore del computer in genere collega un connettore IDC femmina a un'estremità di un cavo a nastro con una basetta maschio o una basetta pin corrispondente sulla scheda madre del computer. Esistono anche disposizioni dei contatti singoli utilizzate con fili singoli in connettori rapidi ad incisione dell'isolante per il cablaggio telefonico. Un tecnico può effettuare il collegamento sul campo utilizzando un attrezzo apposito per spingere un filo isolato tra i terminali a forcella affilati di un singolo punto di contatto desiderato.

Accoppiamenti IDC monoblocco

Può sembrare ovvio e persino inevitabile che un gruppo di cavi IDC multi-contatto abbia bisogno di un connettore di accoppiamento, e così è stato per molto tempo. Ma c'è un approccio più recente che elimina la metà di accoppiamento femmina e al suo posto utilizza la scheda come connettore di accoppiamento (Figura 5).

Figura 5: La famiglia IDC di cavi piatti con connettore REDFIT IDC SKEDD di Würth Elektronik si innesta direttamente in fori di via praticati nella scheda, correttamente dimensionati e placcati, eliminando la necessità di un IDC femmina di accoppiamento. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Questo è il principio della famiglia IDC di cavi piatti con connettore REDFIT IDC SKEDD di Würth Elektronik. Questo connettore è collegato al cavo a nastro piatto come qualsiasi cavo IDC, ma si inserisce direttamente nei fori di via (accesso di interconnessione verticale) correttamente dimensionati e placcati, praticati nella scheda CS. Il risultato è un collegamento affidabile a costi inferiori con meno punti di contatto e meno fasi di montaggio.

Si tratta di un connettore senza saldature, inseribile a mano e reversibile, il che significa che, a differenza di alcuni connettori a pressione o a innesto, l'utente può scollegarlo senza attrezzi speciali o particolari difficoltà (Figura 6). Si basa su un passo di 1,27 mm - spesso chiamato "semipasso" - ed è disponibile con un numero di contatti da quattro a 20 (numeri pari) per connettore; la versione a 10 posizioni 490107671012 di Würth mostra le specifiche tipiche.

Figura 6: Il connettore REDFIT IDC SKEDD è un IDC senza saldature, inseribile a mano e reversibile, il che significa che può essere inserito e disinserito senza attrezzi speciali. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Il connettore REDFIT IDC SKEDD è pensato per applicazioni come l'elettronica di consumo, installazioni di impianti di energia solare, elettronica industriale e progetti di ingegneria meccanica con esigenze di cablaggio. Il fornitore garantisce prestazioni per almeno 10 cicli di accoppiamento sul campo e 25 sul banco prototipi, dove le condizioni ambientali sono più favorevoli.

Questa capacità è idonea per molti prodotti che non saranno smontati, salvo per riparazioni o aggiornamenti una tantum. La resistenza di contatto dell'intero sistema è specificata come 10 mΩ con una capacità massima di corrente e una tensione nominale rispettivamente di 1 A e 100 V. I cavi da 28 AWG (1,27 mm) possono essere realizzati fuori sede o in fabbrica, a seconda delle necessità.

La scienza dei materiali lo rende possibile

Per realizzare cicli di accoppiamento iniziali e multipli, le coppie di contatto del REDFIT IDC SKEDD devono adattarsi l'uno all'altro in modo da evitare deformazioni plastiche del metallo, come avviene in alcuni design dei contatti. Il contatto SKEDD è costituito invece da due bracci, collegati al loro vertice; e i bracci flessibili a forcella rimangono nello stato elastico anche quando vengono inseriti e vengono effettuati i collegamenti, garantendo una connessione reversibile (Figura 7).

Figura 7: I due bracci del contatto SKEDD rimangono nello stato elastico durante e dopo l'inserimento - un fattore chiave della loro capacità di mantenere la forza di contatto e anche di essere rimossi e reinseriti. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Alla fine del processo di inserimento, la rigidità della molla del contatto flessibile SKEDD raggiunge il suo valore massimo. In questo stato, la forza normale del contatto è abbastanza elevata da impedire un'interruzione del segnale superiore a 1 µs a causa di sollecitazioni meccaniche.

Potrebbe sembrare che i contatti e la tecnologia SKEDD siano solo una sofisticata estensione della tecnologia di inserimento a pressione utilizzata da tempo, ma non è affatto così. Nell'approccio di inserimento a pressione, un pin pieno viene premuto nel foro passante placcato. L'elevata forza di attrito tra pin e foro crea una saldatura a freddo omogenea tra le superfici, garantendo la continuità elettrica e l'integrità meccanica. Tuttavia, durante questo processo il foro passante placcato si deforma e la rimozione del pin pieno interrompe questa connessione.

Quando si utilizza la tecnologia di inserimento a pressione con pin flessibili al posto di quelli pieni, il foro passante placcato rimane intatto ma il materiale del pin si deforma. Anche se è possibile rimuovere il pin flessibile, dato che la connessione meccanica non è forte come nel caso di un pin pieno, il pin viene danneggiato e non può essere utilizzato una seconda volta.

Al contrario, l'accoppiamento elastico e l'assenza di deformazione plastica sia del contatto che del foro di via passante placcato dell'approccio SKEDD assicura che la coppia possa essere ricollegata senza deterioramento, mentre il suo contatto a quattro vie aumenta l'affidabilità (Figura 8).

Figura 8: A differenza della tecnologia di inserimento a pressione con pin pieni o flessibili che deformano rispettivamente il foro di via o il pin, quando viene inserito, il contatto SKEDD non si deforma né deforma il foro, il che è fondamentale per garantire la possibilità di reinserimento del connettore e dei suoi contatti. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Vantaggi e opportunità di interconnessione

In una tipica applicazione di un cavo IDC convenzionale, un cavo con connettori a entrambe le estremità si accoppia con i connettori corrispondenti montati su scheda per unire le schede adiacenti. Il connettore REDFIT IDC SKEDD offre ai progettisti numerosi vantaggi:

• Elimina la necessità del connettore della scheda di accoppiamento; se il connettore REDFIT IDC SKEDD viene utilizzato a entrambe le estremità, si risparmiano due componenti.
• Poiché il connettore REDFIT IDC SKEDD può essere inserito nella parte superiore o inferiore di una scheda, vi è una maggiore flessibilità nell'instradamento del cavo a nastro e nella relativa spaziatura della scheda e nell'orientamento e si possono ottenere connessioni dirette e più brevi (Figura 9).
• Infine, si riduce un po' il peso e si risparmia sui materiali. Questo può non essere importante in alcuni progetti, ma è lo è in molti altri.

Figura 9: Poiché il connettore REDFIT IDC SKEDD può essere inserito su entrambi i lati della scheda, offre più opzioni per la posa del cavo e il posizionamento delle schede collegate. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

L'alloggiamento in plastica del connettore REDFIT IDC SKEDD è una parte importante delle prestazioni del connettore. Ha due pin guida di diametro leggermente diverso agli angoli opposti per garantire il corretto orientamento dell'accoppiamento ed evitare errori di polarità inversa nel montaggio (Figura 10). La plastica con cui è realizzato l'alloggiamento è resistente alle alte temperature (capacità nominale da -25 °C a +105 °C), soddisfa lo standard di infiammabilità UL94 V-0, ha una resistenza chimica superiore e un basso coefficiente di espansione termica per ridurre al minimo i guasti dovuti al ciclaggio termico.

Figura 10: I pin guida con diametri leggermente diversi agli angoli opposti dell'alloggiamento del connettore impediscono l'inserimento del connettore in posizione invertita. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Per evitare contatti intermittenti dovuti alle vibrazioni, oltre ai quattro punti di contatto in corrispondenza di ogni pin, su ogni guida della scheda in plastica vi sono due piccoli blocchi per attrito che fungono da sistema di bloccaggio passivo. Il risultato è una terminazione senza attrezzi che si blocca automaticamente all'inserimento e che mantiene la connessione finché non viene scollegata a mano.

Le specifiche per la fabbricazione delle schede sono definite in modo completo e facili da seguire

Perché il connettore REDFIT IDC SKEDD sia pienamente funzionale, è necessario che i fori di via della scheda siano praticati in modo corretto. La cosa non presenta problemi, tuttavia, in quanto i requisiti critici sono commisurati alle attuali specifiche standard delle schede. La realizzazione dei fori di via non richiede procedure speciali o una precisione della tolleranza della scheda superiore alla norma.

Il disegno dimensionale richiama il layout della scheda per l'intera dimensione del connettore e del foro, nonché le tolleranze associate per i fori di via finiti in una scheda di produzione (Figura 11). Tenere presente che per il test dei prototipi e il debug, che spesso richiedono più cicli di inserimento/rimozione, viene offerto un modello di foratura con tolleranza più ampia.

Figura 11: Le dimensioni e le tolleranze specificate per il layout dei fori della scheda di produzione e il dimensionamento per accettare il connettore REDFIT IDC SKEDD, così come le tolleranze, sono commisurate ai moderni standard di fabbricazione delle schede (a sinistra). Il modello di foratura modificato per le applicazioni di debug ha tolleranze leggermente più ampie e consente un maggior numero di cicli di inserimento/rimozione (a destra). (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

Conclusione

Il cavo assemblato IDC in due pezzi è utilizzato da molti anni e si è dimostrato un approccio di interconnessione multifilo valido e molto diffuso. Ora, la famiglia IDC a cavo piatto di connettori REDFIT IDC SKEDD di Würth Elektronik offre un'alternativa che elimina la necessità della presa IDC femmina di accoppiamento. Il suo connettore a pin maschio inseribile e rimovibile a mano si inserisce direttamente nella scheda. In questo modo si riducono i costi, si abbatte la distinta base, si elimina un'altra fonte di potenziali errori di contatto intermittenti e si offrono opzioni aggiuntive per la posa dei cavi e la disposizione delle schede.

Video e moduli di formazione correlati di Digi-Key

Würth Elektronik, Soluzioni con connettore REDFIT IDC SKEDD

Würth Elektronik, Connettore REDFIT IDC-SKEDD di Würth Elektronik eiSos

Riferimenti

1. “Jaycar Electronics Reference Data Sheet” (Internet Archive Wayback Machine)
2. "Connettore IDC" (Wikipedia)