Vi è capitato ultimamente di pensare ai cicli di accoppiamento dei connettori?

No, questo non è uno scherzo che vuole far credere che, se lasciati soli di notte, i connettori si riprodurranno come per magia dando vita a nuove mini-versioni di se stessi o che, miracolosamente, spunteranno nuove posizioni di contatto. È un discorso serio su un problema serio spesso trascurato e ignorato finché, durante il debug, la valutazione a lungo termine o anche sul campo, il progettista non si trova di fronte a delle conseguenze frustranti.

I connettori sono fatti per essere inseriti (accoppiati) e disinseriti (disaccoppiati): questo è il loro ruolo. Ma quanti cicli di accoppiamento può tollerare una coppia di connettori prima che le prestazioni si deteriorino e i contatti risultino intermittenti o oppongano un'elevata resistenza, causando problemi di sistema difficili da individuare? I progettisti potrebbero inizialmente non darsi troppo pensiero per il limite dei cicli di accoppiamento di un connettore, che può variare da una decina ad alcune migliaia, a seconda del prodotto, degli utenti e dell'applicazione. Però dovrebbero, specie per le applicazioni consumer e quando utilizzano un connettore durante il ciclo di prototipazione e di sviluppo.

Il numero di cicli è indicato dal fornitore dei connettori nelle relative specifiche. Queste specifiche dipendono dalla progettazione generale del connettore e dei contatti, dal materiale e dalla placcatura e sono relative a determinati valori di tensione e corrente. Eppure, nella concitazione del debug e della valutazione del progetto, è facile superare il numero di cicli. Le conseguenze possono essere gestibili, come nel caso di un aumento della forza d'inserimento, oppure frustranti, come le connessioni intermittenti.

Connettori: troppo spesso dati per scontati

Il contatto fisico sembra abbastanza semplice ma non lo è. Le prestazioni dei connettori includono i parametri di base della resistenza di contatto e della forza di accoppiamento/disaccoppiamento. Dovrebbero essere entrambi bassi e rimanere tali (a meno che, ovviamente, non si tratti di una coppia di connettori a bloccaggio). Nella maggior parte dei casi, il contatto è una struttura metallica precisa, a forma di lamella. Eccezionalmente, si utilizza il bordo della scheda stampata in funzione di connettore maschio. Per i design dei contatti di segnale che non riguardano la gestione della potenza, il contatto è quasi sempre placcato con alcuni micrometri di oro o stagno (meno costoso) per ridurre la resistenza elettrica, limitare al massimo la corrosione e l'usura sulle superfici di accoppiamento. A un contatto fisicamente piccolo, con un'area di contatto ancora più piccola, questo significa chiedere molto.

Quanti cicli di accoppiamento servono in un connettore? La risposta dipende dall'applicazione. In alcuni casi, potrebbe trattarsi di una decina, ma potrebbero anche essere centinaia o migliaia (pensate al connettore USB del vostro telefono). Un connettore progettato per funzionare correttamente a un'estremità dell'intervallo del numero di cicli è diverso in termini di progettazione di base, costruzione, materiale e placcatura rispetto a uno all'altra estremità. Non si tratta tanto della qualità del connettore, quanto del suo essere adeguato per i requisiti richiesti.

Gli esempi mostrano diverse possibili soluzioni di connessione

Un breve sguardo ad alcuni connettori rappresentativi mostra l'intervallo dei cicli e le resistenze di contatto che offrono:

• SM3ZS067U410AMR1000 di JAE Electronics è un connettore bordo scheda femmina a 67 posizioni, compatibile con la specifica PCI-SIG M.2, con un passo dei contatti di 0,50 mm (Figura 1). Ha una capacità nominale di 60 cicli di accoppiamento con 55 mΩ di resistenza massima di contatto.

Figura 1: Il connettore bordo scheda SM3ZS067U410AMR1000 di JAE Electronics ha i contatti con un passo di 0,50 mm, soddisfa la specifica PCI-SIG M.2 e ha una capacità nominale di 60 cicli di accoppiamento. (Immagine per gentile concessione di JAE Electronics)

• UX60A-MB-5ST di Hirose Electric Co Ltd, invece, è un connettore femmina (5 posizioni) USB 2.0 mini-B ad angolo retto e a montaggio superficiale, specificato per 5000 cicli e per una resistenza massima di 70 mΩ (Figura 2).

Figura 2: Il connettore femmina USB UX60A-MB-5ST di Hirose, specifico per applicazioni consumer, ha una capacità nominale di 5000 cicli e una resistenza di contatto massima di 70 mΩ. (Immagine per gentile concessione di Hirose Electric)

• Come connettori per cavi a nastro piatto (chiamati anche connettori a perforazione di isolante, o IDC), i membri della famiglia SKEDD 490107671012 di Würth Elektronik in genere sono usati dentro l'involucro del prodotto e non richiedono tanti cicli di accoppiamento come un connettore accessibile da parte dell'utente (Figura 3). Questo connettore a 10 posizioni è unico, in quanto si inserisce direttamente nei fori placcati della scheda senza che sia necessario usare una parte di accoppiamento complementare. Con il modello di foro della scheda, il diametro e la placcatura specificati dal fornitore, ha una capacità nominale di 10 cicli con 20 mΩ per i cicli di produzione. Per la prototipazione, Würth ha anche una serie di prodotti rinforzati con numeri leggermente diversi che portano la capacità nominale a 25 cicli.

Figura 3: Il connettore a perforazione di isolante 490107671012 di Würth Elektronik ha una capacità nominale di 10 cicli e due maschere di foratura diretta sulla scheda: uno per i prototipi e l'altro per i prodotti finali. (Immagine per gentile concessione di Würth Elektronik)

• Infine, il connettore con posizione di terra 09332062648 di Harting a sei contatti, per fili con diametro da 0,14 a 2,5 mm² (26 ~ 14 AWG), è in grado di gestire fino a 500 V a 16 A (Figura 4). Supponendo dei cicli di connessione/disconnessione frequenti, è progettato per gestire oltre 10.000 cicli con una resistenza di contatto massima di soli 3 mΩ.

Figura 4: Il connettore assemblato di alimentazione 09332062648 di Harting è specificato per mantenere la resistenza di contatto sotto i 3 mΩ fino ad almeno 10.000 cicli di accoppiamento. (Immagine per gentile concessione di Harting)

Questa serie di connettori mostra come i fornitori adattino le capacità nominali dei cicli di accoppiamento e della resistenza massima in funzione dell'applicazione finale. Occorre tenere presente che questi numeri potrebbero non risultare evidenti unicamente dalle dimensioni fisiche o dall'aspetto.

Basetta sperimentale, prototipo e debug: la vita diversa di un connettore

Nella fase di progettazione, lo scenario operativo di un connettore è molto diverso da quello che affronterà nell'applicazione finale. Molti anni fa, sono stato coinvolto in un progetto che utilizzava una scheda con un fattore di forma standard da inserire in un contenitore. Durante la fase di debug, si sono presentati diversi problemi strani e, alla fine, abbiamo scoperto che erano dovuti al gran numero di cicli di inserimento/disinserimento a cui la scheda era stata sottoposta al banco.

Una scheda di espansione avrebbe ridotto i cicli di accoppiamento perché ci avrebbe permesso di accedere alla scheda dinamicamente, ma l'integrità del segnale ne sarebbe stata compromessa. La nostra soluzione, poco raffinata ma efficace, è stata di prendere il contenitore, tagliare il suo lato superiore e inserire la nostra scheda nella scanalatura superiore per potervi accedere anche se posizionata all'interno del contenitore. Siamo così riusciti a sondare, calibrare e regolare i canali analogici mentre era nel suo ambiente di lavoro. È stata una soluzione improvvisata che nel nostro caso ha funzionato, ma per la maggior parte dei progetti non è applicabile.

La giusta strategia di selezione può ridurre al minimo i problemi dei connettori

Cosa si può fare quando si sceglie un connettore, specie quando sarà soggetto a molti cicli di accoppiamento nella fase di test?

1. Prima di tutto, fate il vostro dovere: studiate con particolare attenzione le schede tecniche per sapere come e in che condizioni il fornitore specifica il numero di cicli di accoppiamento (non esiste uno standard del settore): viene specificato l'aumento della resistenza di contatto? E la forza di inserimento? C'è altro?

2. Usare una scheda di espansione, se possibile (spesso non lo è, ma potrebbe essere fattibile).

3. Se si usa il bordo scheda con contatti lamellari come metà della coppia di connettori, collaborare con il produttore della scheda per stabilire che tipo di placcatura extra o speciale serva (il rame non placcato da una o due once della scheda potrebbe non funzionare bene nel lungo termine).

4. Prendere in considerazione l'uso di un connettore rinforzato in due pezzi piuttosto che i contatti lamellari sul bordo scheda, se possibile.

5. Controllare se il fornitore del connettore offre una placcatura dei contatti più spessa come opzione standard o personalizzata. Molti lo fanno (valutare inoltre se ne valga la pena per la distinta base finale).

6. Per i cavi, controllare se, per ridurre l'usura del connettore primario, è possibile usarne, come "trucco", uno corto che può essere facilmente sostituito (Figura 5).

7. Infine, identificare i potenziali problemi e cercare di ridurre al minimo i cicli di accoppiamento (ovviamente, è più facile a dirsi che a farsi).

Figura 5: Per ridurre al minimo i cicli di accoppiamento del connettore fisso sul prodotto, potrebbe essere fattibile usare un cavo di prolunga corto. (Immagine per gentile concessione di Bill Schweber)

Conclusione

I connettori sono in genere affidabili quando vengono usati senza superare le specifiche definite. È però facile trascurare i loro limiti e superare le capacità nominali per i cicli di accoppiamento e altri parametri, specie nelle fasi di debug e di valutazione. Questo può portare a frustranti problemi intermittenti e a un comportamento erratico del circuito difficile da spiegare. Occorre pensare bene a come il connettore verrà usato durante questa fase e sviluppare una serie di tattiche per evitare che sorgano poi dei problemi.

Ulteriori letture

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

https://www.digikey.com/en/articles/use-direct-plug-in-insulation-displacement-connectors

"Semplificate la distribuzione delle apparecchiature industriali con i connettori modulari configurabili"

https://www.digikey.com/en/articles/simplify-industrial-equipment-deployment-using-configurable-modular-connectors