I connettori sono importanti dispositivi di connessione meccanica ed elettrica tra varie parti di un sistema o tra il sistema e il mondo esterno. La scelta del tipo di connettore dipende da molteplici fattori, tra cui requisiti elettrici e meccanici, standard di settore, usabilità e produzione, numero e tipo di contatti, situazioni di accoppiamento e non accoppiamento, obiettivi di affidabilità e requisiti normativi. Tuttavia, il classico corpo del connettore D-Sub (tipo D ultra piccolo) è in uso da decenni ed è ancora il connettore preferito per molte applicazioni.
Sebbene lo stile del corpo e la disposizione dei contatti dei connettori abbiano attirato molta attenzione, i contatti stessi hanno un impatto significativo sulle prestazioni elettriche e meccaniche dei connettori. Poiché i progetti diventano sempre più complessi e i requisiti applicativi diventano più elevati, i progettisti devono comprendere le ultime innovazioni nella tecnologia dei contatti per soddisfare gli standard e i requisiti corrispondenti, soprattutto in termini di robustezza, forza di inserimento e forza di ritenzione, resistenza di contatto e tolleranza alla temperatura.
Questo articolo fornisce una breve panoramica del trend di sviluppo dei connettori, con particolare attenzione alle ragioni per l'uso continuato dei connettori D-Sub. Successivamente sono stati introdotti i contatti avanzati di Amphenol Positronic ed è stato dimostrato come utilizzarli per migliorare le prestazioni del connettore.
USB、 L'importanza dei connettori Ethernet e D-sub
Sebbene l'uso delle tradizionali interfacce RS-232 sia diminuito e stiano emergendo varie versioni di connettori USB ed Ethernet, il classico connettore D-sub a 9 pin (comunemente noto come DB-9) e altri connettori della più ampia serie di connettori D-sub svolgono ancora un ruolo cruciale nella comunicazione del sistema elettronico. Ci sono molte ragioni per un uso continuo. Sebbene USB ed Ethernet possano soddisfare molti requisiti di interconnessione, questi due tipi di connettori ampiamente utilizzati sono interfacce seriali anziché interfacce multifilo. Possono trasmettere contemporaneamente dati e potenza, ma presentano rigide limitazioni sui tipi di segnale, sui valori massimi di tensione e corrente e sulla potenza nominale.
In termini di progettazione, USB ed Ethernet non possono gestire in modo efficace più segnali non correlati o formati diversi come interfacce con più percorsi di contatto paralleli. Un'altra considerazione importante è che in molti casi la progettazione delle connessioni USB ed Ethernet standard non soddisfa il livello richiesto di integrità e robustezza meccanica ed elettrica.
Per questi e quei motivi, i connettori D-sub sono ancora ampiamente utilizzati. Questo tipo di design esterno è apparso già negli anni '50 e presenta molti vantaggi. Ha la funzione di schermare completamente le interferenze elettromagnetiche (EMI) e le interferenze in radiofrequenza (RFI), fornendo un alloggiamento sigillato o quasi sigillato, con una struttura meccanica robusta e le sue due parti di aggancio possono essere bloccate tra loro tramite un piccolo filo superiore. Il corpo o l'alloggiamento del connettore D-sub ha almeno sei dimensioni standard, offrendo opzioni flessibili per posizioni e tipi di pin dei contatti elettrici. Oltre a fornire alloggiamenti dei connettori con lo stesso tipo di contatto in tutte le posizioni dei pin, il D-sub "Combo-D" supporta anche la combinazione di contatti di segnale e alimentazione indipendenti all'interno di un unico alloggiamento del connettore (Figura 1, in alto).
Immagine in stile connettore ultra piccolo Combo-D (fare clic per ingrandire)
Figura 1: Il connettore ultra piccolo Combo-D supporta più combinazioni di segnali e percorsi di alimentazione (come mostrato nella figura); Il connettore D-sub adotta dimensioni dell'alloggiamento e disposizione dei contatti standard (come mostrato nella figura seguente). (Fonte immagine: Amphenol Positronic)
Un singolo D-sub può supportare vari arrangiamenti di mix and match standard (Figura 1, in basso). Offrono versioni a due file a densità standard e a tre file ad alta densità, con opzioni di contatto di segnale, alimentazione, schermatura, alta tensione, termocoppia e fibra ottica.
Innovazione nella tecnologia di contatto
Il vantaggio dell'involucro D-Sub è un aspetto importante nella storia del connettore, e anche i contatti elettrici e le loro proprietà sono la chiave per il successo dell'assemblaggio del connettore. Nel corso degli anni, la tecnologia dei contatti ha apportato numerosi miglioramenti ai materiali, al design, alle proprietà elettriche e meccaniche.
Ciò include la tecnologia di contatto brevettata PosiBand di Amphenol Positronic (brevetto USA n. 7115002). PosiBand adotta un design innovativo dei contatti, diverso dal design tradizionale e raggiunge prestazioni più elevate in molti parametri chiave.
L'elemento di pressione esterno PosiBand è progettato per separare completamente le azioni meccaniche ed elettriche della connessione (Figura 2). L'elemento pressore esercita una forza tale da premere il perno maschio verso la cavità interna, formando una lunga linea di contatto elettrico diretto, completando così l'azione meccanica. La lunghezza del filo di contatto può essere modificata, consentendo ai progettisti di ottimizzare la resistenza dell'interfaccia della connessione. La struttura circolare robusta e non danneggiata all'ingresso può aumentare la robustezza meccanica dei contatti.
Amphenol Positronic PosiBand adotta immagini di design brevettate (clicca per ingrandire)
Figura 2: PosiBand adotta un design brevettato che separa le azioni meccaniche ed elettriche della connessione. (Fonte immagine: Amphenol Positronic)
La clip a molla all'interno di PosiBand (Figura 3, a sinistra) è un componente piccolo ma fondamentale nell'assieme e un fattore chiave che ne influenza le prestazioni. Questo foglio resiliente in lega di rame-berillio può generare una forza normale sul contatto maschio, ottenendo così un collegamento del contatto solido e affidabile (Figura 3, a destra). Allo stesso tempo, pur soddisfacendo o superando i requisiti prestazionali, può anche ridurre la forza di inserimento media.
La clip a molla Amphenol Positronic PosiBand (a sinistra) fornisce un'immagine di forza normale nell'area di contatto (a destra)
Figura 3: La clip a molla PosiBand (a sinistra) fornisce una forza normale nell'area di contatto (a destra) per massimizzare l'area di contatto della superficie di accoppiamento elettrico. (Fonte immagine: Amphenol Positronic)
I contatti base PosiBand sono realizzati in ottone e hanno prestazioni eccellenti nella crimpatura dei fili sui contatti. Elimina inoltre la necessità di ricottura del materiale, il che non solo aumenta i costi ma può anche causare problemi a lungo termine se non gestito correttamente durante il processo di produzione.
Rispetto ai design dei contatti tradizionali, il sistema PosiBand aumenta anche l'area di contatto tra i contatti maschio e femmina, ottenendo così un'integrità elettrica più affidabile. A livello micro, ci sono più percorsi elettrici che passano attraverso l'interfaccia di contatto. Aumentando l'area di contatto si riduce la possibilità di discontinuità durante la vibrazione.
Contrariamente all'intuizione, il sistema PosiBand fornisce un'area di contatto più ampia senza aumentare la forza di inserimento; Al contrario, il design PosiBand fornisce una forza di inserimento più costante, riducendo così la forza di inserimento media.
I prodotti Positronic sono entrati nell'elenco dei prodotti qualificati (QPL) dell'Agenzia logistica del Dipartimento della difesa degli Stati Uniti (DLA), il che significa che hanno soddisfatto i requisiti tra cui l'identificazione del prodotto corrispondente, la qualificazione e i test periodici di convalida. PosiBand è conforme alle specifiche SAE AS3902 e MIL-DTL-24308 e soddisfa anche i requisiti più elevati del test di separazione dei contatti da 40 g di GSFC S-311-P4/08 e GSFC S-311-P4/10.
Dimensioni e resistenza dei contatti
I contatti PosiBand utilizzano le dimensioni standard 20 e 22. Il primo è applicabile ai cavi AWG (American Wire Gauge) 20, 22 e 24, mentre il secondo è applicabile ai cavi AWG 22, 24, 26, 28 e 30.
La resistenza massima del contatto 22 è 0,005 ohm (Ω), mentre la corrispondente resistenza del contatto 20 è 0,004 ohm. A causa della bassa resistenza di contatto, la perdita I2R è piccola, con conseguente basso autoriscaldamento, che offre ai progettisti l'opportunità di utilizzare i contatti 22 e 20 per l'alimentazione.
Alcuni ingegneri non comprendono le caratteristiche termiche dei contatti o considerano questo fattore solo nelle fasi successive della progettazione e della selezione dei connettori. Tuttavia, il calore rimane un fattore chiave nella valutazione delle prestazioni del connettore e del sistema. L'aumento della temperatura e la relazione di corrente dei contatti PosiBand 20 (Figura 4, in alto) e 22 (Figura 4, in basso) sono completamente coerenti con diverse configurazioni di contatto.