Mouser: Connettori, componenti essenziali di ogni progetto elettronico

Una rimostranza che accomuna tutti i produttori è la scarsa considerazione mostrata dai clienti nei confronti dei connettori, che vengono scelti solo alla fine del processo di progettazione. Una volta terminata la maggior parte del progetto, si incomincia a pensare alla modalità da utilizzare per collegare il dispositivo.

Connettori – La scelta più complicata in un progetto elettronico?

Un tale approccio può causare problemi, per una ragione molto semplice: i connettori sono tra i componenti più complessi dell'elettronica nel suo complesso.

Un'affermazione, quest'ultima che potrebbe far sorridere. L'industria elettronica può annoverare alcune tra le più significative innovazioni create dal genere umano. Componenti quali semiconduttori, LED multifunzione e alimentatori assolvono compiti importanti e di vitale importanza e senza di essi la società moderna sarebbe sicuramente molto diversa. Si potrebbe pensare che, rispetto al grado di complessità che contraddistingue questi componenti, i connettori siano dispositivi molto semplici. Un ragionamento, questo, sostanzialmente corretto.

Individualmente, i connettori sono semplici perché semplice è il compito che sono chiamati ad assolvere. Un connettore permette di unire due parti di un circuito elettrico in modo tale da consentirne la connessione e la disconnessione quando richiesto. Il circuito potrebbe richiedere fili, piste di una scheda PCB o persino una fibra ottica, ma il ruolo effettivo del connettore non varia. Qualsiasi altra caratteristica, dalla schermatura elettrica alle viti di fissaggio, dal rivestimento impermeabile alla protezione del cavo, assume un'importanza secondaria rispetto al ruolo primario del connettore che, come dice il nome stesso, è quello di connettere.

Per conseguire tale obiettivo, gli stessi componenti possono essere estremamente semplici. Nel numero di giugno del 2021 di questa stessa rivista sono stati descritti i vantaggi dei pin header, che sono tra i connettori più semplici attualmente disponibili. Un pin header (connettore a pin) prevede solamente un terminale e un isolatore, ovvero la più semplice configurazione possibile per qualsiasi connettore.

Presi individualmente, i connettori sono dispositivi semplici. Tuttavia, osservando il mercato dei connettori nella sua globalità, non vi è nessun altro settore che possa competere in termini di scelta a disposizione del progettista. Dai sottilissimi connettori a pin utilizzati negli smartphone ai connettori di potenza di dimensioni tali da richiedere il ricorso a due mani per il loro utilizzo, il mercato dei connettori propone una gamma così vasta di opzioni da riuscire a stupire un progettista per la sua complessità. L'imbarazzo della scelta è amplificato dal numero di differenti metodi utilizzati per consentire al connettore di espletare la propria funzione.

Progetto dei contatti
Il nucleo centrale di qualsiasi connettore è il contatto che determina le prestazioni elettriche e meccaniche del connettore stesso. I contatti semplici vengono realizzati utilizzando una tecnica conosciuta come stampaggio e formatura. In questo processo la forma finale viene creata mediante stampaggio a partire da una lamina piatta di metallo. Il processo è di tipo progressivo e richiede l'uso di numerosi attrezzi per creare la forma completa che verrà utilizzata per il connettore. Nell'immagine sottostante viene illustrato questo processo “congelato” in alcune delle sue varie fasi.



Il processo di stampaggio

A partire da sinistra, semplici strisce di metallo entrano nelle presse e vengono sottoposte a una serie di operazioni (visibili a destra della stessa figura). I contatti completati, ancora attaccati alla striscia, sono riportati all'estrema destra della figura, pronti per la placcatura.

Questo processo è ideale per la produzione di massa in elevati volumi, in quanto si tratta di un processo continuo, in grado di funzionare per diverse ore, se non addirittura giorni. La maggior parte dei connettori di utilizzo quotidiano, compreso l'ormai onnipresente connettore USB, prevedono contatti realizzati mediante questo processo.

Non si tratta comunque di una soluzione universale. La maggior parte dei contatti realizzati mediante stampaggio e formatura sono cavi: ciò significa che possono risultare fragili e quindi inadatti a trasportare correnti di elevata intensità. Il trasporto della corrente ruota attorno alla diminuzione della resistenza elettrica, un risultato questo più facilmente conseguibile utilizzando un cilindro metallico solido invece di una struttura cava ottenuta mediante stampaggio e formatura.

Per questa ragione, molti connettori di potenza utilizzano contatti torniti al posto di quelli stampati e formati. Si tratta di contatti prodotti singolarmente su un tornio che, sebbene automatizzato e controllato tramite computer, impiega più tempo rispetto a quello richiesto per lo stampaggio di un contatto a partire da una striscia di metallo. La tornitura è quindi un processo più costoso. La scelta tra i due tipi di contatti – torniti o realizzati mediante stampaggio e formatura – è frutto di un compromesso tra costi e prestazioni.

I contatti torniti, inoltre, sono spesso scelti nelle applicazioni per le quali l'affidabilità assume una particolare rilevanza. Nel caso in cui un connettore debba essere inserito una sola volta nel corso della sua vita operativa, come nel caso di un computer posto sulla scrivania di un ufficio, l'affidabilità non riveste una particolare importanza. Il medesimo connettore potrebbe invece essere destinato all'utilizzo in un laboratorio di test e sottoposto giornalmente a decine di operazioni di connessione e disconnessione. In circostanze simili, l'affidabilità riveste un ruolo critico e la scelta più oculata sarebbe la scelta di un contatto tornito in grado di fornire le prestazioni richieste grazie al suo design più robusto.

Condizioni ambientali gravose
La complessità del progetto del contatto è un primo indicatore dei problemi che i progettisti devono affrontare nel processo di scelta di un connettore. Si tenga presente che non è stato ancora preso in considerazione l'ambiente esterno e la sua influenza sulle prestazioni del connettore.



Alcune applicazioni richiedono prestazioni e affidabilità

Parecchi connettori sono destinati all'uso in condizioni non particolarmente impegnative. La maggior parte dei dispositivi elettronici utilizzati nelle abitazioni o negli uffici non è quasi mai progettata per operare in condizioni ambientali difficili. Per contro, vi sono parecchie applicazioni, in ambito sia consumer sia professionale, dove l'elettronica deve operare in contesti gravosi.

É ovviamente possibile progettare un dispositivo completamente sigillato all'interno di un involucro per proteggere i sensibili circuiti elettronici da fenomeni atmosferici quali vento, pioggia e neve. Comunque, anche nell'era di Bluetooth e della ricarica wireless, sono veramente rari i dispositivi che non richiedono almeno un connettore per fornire un collegamento con il mondo esterno. Il connettore fissato al dispositivo deve garantire il medesimo grado di protezione offerto dal resto dell'involucro: in caso contrario si rischia di creare un “punto debole” che permette all'umidità di danneggiare l'elettronica interna del dispositivo.

Molti connettori sono progettati per fornire questo livello di protezione e spesso viene utilizzato il codice IP (IP rating) che fa riferimento alla capacità del dispositivo di resistere alla penetrazione di elementi estranei (liquidi e solidi).

La classificazione IP è stata trattata in un articolo di EIU nel novembre 2020 che aveva per tema i connettori usati in agricoltura, uno dei numerosi settori che fanno affidamento sui connettori per poter operare senza problemi in condizioni ambientali sicuramente difficili.

Progettare prodotti in grado di resistere in condizioni ambientali gravose significa prevedere l'inclusione di guarnizioni di gomma e di protezione dei cavi che contribuiscono ad aumentare l'ingombro di connettori, che altrimenti sarebbero caratterizzati da dimensioni ridotte.

Nel settore dell'elettronica, dove processori, batterie e altri componenti sono diventati sempre più piccoli ed efficienti, i grandi e ingombranti connettori richiesti per fornire l'accesso a un dispositivo possono rappresentare uno dei componenti di maggiori dimensioni dell'intero progetto. Nel caso un progettista non abbia preso in considerazione questo aspetto nella fase di sviluppo, potrebbe trovarsi nell'impossibilità di trovare spazio per alloggiare il connettore. Di conseguenza, bisognerà tener conto degli oneri di riprogettazione.



L'estrema complessità all’interno di un singolo connettore

Il connettore, un elemento critico di ogni progetto
In questo articolo non sono stati presi in considerazione altri aspetti legati al progetto di un connettore, come a esempio la schermatura contro le interferenze elettromagnetiche (EMI) oppure le problematiche relative alle più recenti applicazioni a elevata velocità. In ogni caso, è stato evidenziato quanto complesse possano diventare anche le decisioni più semplici nel momento in cui si deve procedere alla scelta del connettore.

I connettori, per loro natura, sono dispositivi semplici e lineari. La scelta del connettore, invece, non è facile, a causa della vasta gamma di opzioni disponibili. Essi costituiscono una parte importante di un progetto elettronico e non possono essere considerati come un'aggiunta da prendere in considerazione nella fase finale di un progetto o addirittura essere ignorata. Una delle realtà tra le meglio preparate per aiutare i clienti a fare questa scelta è senza dubbio Mouser, che può mettere a disposizione connettori realizzati da una pluralità di costruttori che possono essere confrontati in parallelo.

www.mouser.com

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