Il connettore giusto è in grado di gestire sia le EMI irradiate sia quelle condotte

In molti progetti di sistemi, le interferenze elettromagnetiche (EMI) sono una realtà frustrante e spesso inevitabile. Sono pervasive e perniciose e i loro effetti peggiorano con l'aumentare delle frequenze operative. Possono essere irradiate attraverso l'aria o condotte tramite linee di segnale e di alimentazione che poi le immettono nel circuito o fungono da antenne per trasmetterle.

Se un prodotto conduce o irradia EMI ("aggressore"), può interferire con il funzionamento dei sistemi vicini, non superare i test di conformità normativa e non essere commercializzabile. Se invece si trova nel ruolo opposto di destinatario, intenzionale o meno, delle EMI ("vittima"), può soffrire di guasti, avarie e incongruenze inspiegabili e intermittenti.

Questi problemi possono essere potenzialmente catastrofici, come nel caso di aerei o ospedali, costosi, come nel caso di una linea di produzione, ma anche leggermente divertenti, come nel caso del tachimetro wireless della mia bicicletta. Il tachimetro opera nella banda dei 432 MHz e, per qualche strana ragione, registra sempre tra 65 e 85 miglia all'ora su un tratto di strada di 100 metri tra una casa isolata e i vicini binari Amtrak con linee elettriche aeree da 20 kV.

Come ridurre al minimo gli effetti delle EMI

Ridurre o eliminare la fonte delle EMI o il loro impatto può esse semplice ma anche impegnativo. I passaggi di base includono un'adeguata messa a terra, una schermatura completa, un corretto bypass e, ovviamente, l'uso di filtri. Oltre questi passaggi, spesso si ripete la solita storia "80/20": eliminare l'80% richiede il 20% dello sforzo; sbarazzarsi del restante 20% può risultare nell'80% del lavoro.

Qualsiasi apertura in un contenitore, come quella necessaria per la spina e la presa di un connettore, è un varco attraverso il quale l'energia delle EMI può passare in entrambe le direzioni. Tuttavia, se le EMI sono dovute esclusivamente all'energia irradiata, con un connettore schermato il problema è risolto.

Questo problema è stato affrontato decine di anni fa, a partire dall'applicazione del cavo coassiale e dei classici connettori femmina e maschio SO-239 e PL-259, oltre alla serie BNC. Ma questi connettori RF completamente schermati possono supportare un solo segnale per connettore e non sono adatti per l'alimentazione c.c. e i segnali non RF.

Una buona alternativa è quella di tornare "al futuro", a un tipo di connettore che un tempo era quello predominante per i collegamenti di comunicazione e altre interfacce: il D-subminiaturizzato (D-Sub) (Figura 1) di aziende come Molex. Prima che arrivassero le porte USB e quelle parallele, gli ingegneri e molti consumatori utilizzavano questo connettore nella sua versione a 9 pin (chiamata DB-9) come interconnessione per il protocollo seriale RS-232.

Figura 1: La diffusa serie di robusti connettori e adattatori D-Sub, è disponibile in un'ampia gamma di posizioni dei contatti, caratteristiche elettriche, larghezze di banda di filtraggio delle EMI e terminazioni fisiche; i filtri pi indirizzano le EMI condotte. (Immagine per gentile concessione di Molex)

USB ed Ethernet hanno in gran parte preso il posto di RS-232, per cui ora il protocollo lo si trova principalmente nei sistemi legacy e raramente nei nuovi progetti; tuttavia, il connettore D-Sub sopravvive. Ci sono molte ragioni per la sua longevità:

• Il design metallo su metallo senza spazi vuoti assicura una schermatura del 100% attorno ai fili.
• È meccanicamente robusto, il che consente di utilizzare pin e viti di serraggio per un bloccaggio positivo tra le coppie di interconnessione.
• È disponibile in versioni con 9, 15, 25, 37 e 50 contatti.
• Viene offerto con un'ampia gamma di terminazioni, tra cui scodellini a saldare e pin per circuiti stampati diritti o ad angolo retto.

Quando la schermatura da sola non basta

La schermatura del connettore D-Sub risolve il problema dell'energia delle EMI irradiate, ma non quello delle EMI condotte. È qui che la famiglia Molex di adattatori e connettori D-Sub pi con filtraggio delle EMI ad alte prestazioni (Figura 1, di nuovo) diventa una soluzione interessante.

Questi connettori incorporano filtri EMI nei loro contatti, pertanto sulla scheda non servono spazio o componenti aggiuntivi. Per risparmiare spazio sulla PCB, le linee di messa a terra e quelle isolate sono all'interno del connettore stesso. Sono disponibili in un'ampia gamma di configurazioni meccaniche e di terminazioni per varie opzioni di progettazione.

I filtri integrati impediscono alle EMI condotte di attraversare la coppia di connettori, attenuandole in situazioni critiche come i controlli del motore negli aerei, le radio aeree, le apparecchiature di imaging, le apparecchiature di elaborazione e molte altre applicazioni.

Quelle che seguono sono alcune delle caratteristiche principali dell'adattatore e del connettore:

• Costruzione: il guscio pressofuso in un unico pezzo e la struttura interna completamente saldata rafforzano le prestazioni meccaniche ed elettriche, prevenendo guasti in ambienti ad alte vibrazioni. I connettori sono compatibili con lo standard M24308 (MIL-DTL-24308). Il loro corpo in poliestere caricato a vetro soddisfa anche lo standard di infiammabilità UL 94 V-0.
• Robustezza elettrica: i connettori sono in grado di resistere a fulmini e transitori ambientali c.a. fino a DO-160 Livello IV per i test ambientali dell'hardware aviotrasportato.
• Filtraggio elettrico: utilizzando una configurazione pi a tre elementi (condensatore, induttore e condensatore), i filtri assorbono il rumore ad alta frequenza nelle linee di alimentazione e di segnale. La loro forte pendenza di attenuazione supporta la soppressione delle EMI a banda larga.
• Condensatori passanti: per evitare il trasferimento indesiderato del segnale nei punti di interconnessione, i condensatori passanti offrono un percorso a bassa impedenza verso terra. Riducono in modo efficace le emissioni condotte, soprattutto negli involucri schermati che i condensatori tradizionali non sono in grado di gestire.
• Elementi induttivi (ferriti, toroidi): questi elementi assorbono l'energia ad alta frequenza e la dissipano sotto forma di calore, riducendo al minimo l'accoppiamento involontario.

È l'utente a scegliere la frequenza di taglio del filtro delle EMI, poiché questi connettori sono offerti con un'ampia gamma di capacità e quindi di frequenze di taglio, insieme alle relative perdite di inserzione (Figura 2).

Figura 2: Gli utenti che utilizzano adattatori e connettori D-Sub pi ad alte prestazioni con filtro EMI possono scegliere tra diversi parametri per soddisfare i requisiti dell'applicazione. (Immagine per gentile concessione di Molex)

I contatti hanno una resistenza massima di 10 mΩ e possono gestire fino a 5 A (corrente RF di 0,3 A), con una tensione nominale di lavoro di 50 o 100 V, a seconda del modello.

Due esempi tra le numerose possibilità

Per soddisfare le esigenze dei progettisti per un numero specifico di posizioni dei contatti, frequenze di taglio e opzioni di montaggio, questa famiglia di Molex offre connettori e adattatori che vanno da 9 a 50 posizioni di contatto, con capacità multiple e vari tipi di terminazione.

Ad esempio, il modello 0732843041 (Figura 3, a sinistra) è un connettore femmina a 9 contatti con capacità da 100 a 4000 pF e terminazioni a saldare progettate per il collegamento diretto del filo. Un'altra opzione è il modello 0732840290 (Figura 3, a destra), un connettore maschio a 25 contatti con le stesse opzioni di capacità ma con due file di terminazioni di pin ad angolo retto per la saldatura diretta su una scheda CS.

Figura 3: Il connettore femmina a 9 contatti 0732843041 (a sinistra) è dotato di scodellini a saldare per il collegamento dei singoli fili; il modello 0732840290 (a destra) è un connettore maschio a 25 contatti con due file di terminazioni a pin ad angolo retto per la saldatura su una scheda a circuiti stampati. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Conclusione

Gli ingegneri esperti sanno che i connettori sono determinanti per il successo di un prodotto, come qualsiasi altro componente attivo o passivo. Gli adattatori e i connettori D-Sub pi di Molex, ad alte prestazioni e con filtraggio delle EMI, non si limitano a garantire la continuità. Possono assicurare un'attenuazione significativa sia delle EMI irradiate sia di quelle condotte. In questo modo, riducono le incertezze di progettazione e le sorprese di EMI indesiderate.

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