Una scelta ad alta affidabilità per la connessione industriale

Harwin - Gecko

Finora, il settore dei connettori industriali è stato definito più sulla base di ciò che non è che sulla base di ciò che è. Ma questo sta cambiando, per un paio di motivi: anzitutto, con l’arrivo della Smart Factory certe aree, come la robotica e l’automazione industriale, stanno diventano sempre più importanti, e in secondo luogo, in alcuni segmenti, come petrolifero e gas, veicoli industriali, anche medico, l’uso sempre più diffuso di sistemi elettronici è stato un fattore trainante nello sviluppo dei connettori. Spesso si fa riferimento alle applicazioni industriali con il termine Hi-Rel, abbreviazione di High Reliability, ossia alta affidabilità, indicando con ciò qualsiasi operazione in cui il connettore non può guastarsi, e normalmente si tratta di applicazioni in ambienti caratterizzati da condizioni di funzionamento difficili, in genere risultanti da urti, vibrazioni e variazioni notevoli di temperatura. I segmenti industriali in cui si richiedono connettori dalle prestazioni elevatissime sono la robotica, l’automazione industriale e nella fabbrica, i veicoli industriali, il petrolio e il gas, il navale, le apparecchiature scientifiche, il test e le misure. In tutti questi segmenti la crescita è notevole e ciò è dovuto a vari fattori, tra cui l’uso sempre maggiore di sistemi elettronici per scopi di monitoraggio e controllo, nonché l’introduzione di complessi robot e sistemi per misure di energia. In sintesi, i sistemi elettronici sono presenti dovunque e dal loro funzionamento dipende quasi ogni apparecchiatura oggi in uso, il che a sua volta significa che i componenti impiegati devono essere robusti e affidabili.


Fattori d’influenza
Molti dei fattori trainanti dello sviluppo dei connettori impiegati nei settori industriali sono simili a quelli di altri settori - le dimensioni, il peso, il costo sono sempre importanti - ma le applicazioni industriali tendono inoltre a sollecitare in misura maggiore tutti i tipi di componenti elettronici utilizzati, e ciò vale in particolare per i connettori; ciò perché questi ultimi, oltre a svolgere una funzione elettrica (trasporto della potenza o del segnale), spesso realizzano una connessione fisica e deve pure essere possibile accoppiarli e disaccoppiarli ripetutamente. Questo è il motivo per cui, per molto tempo, alcuni utenti industriali si sono rifiutati di specificare connettori a montaggio superficiale. Anche oggi, Harwin, produttore di connettori ad alta affidabilità, offre varianti a montaggio superficiale e a fori passanti delle famiglie di connettori Hi-Rel Datamate, Gecko e M300, e inoltre include diversi meccanismi di bloccaggio per sicurezza aggiuntiva.

Dimensioni, peso e densità del segnale
Esaminando con più attenzione i requisiti in evoluzione dei connettori è possibile identificare tre fattori in comune: dimensioni, peso e densità del segnale; in tutti i segmenti li si vuole più compatti e più leggeri. I produttori hanno risposto a questa richiesta e il passo dei connettori è stato ridotto a 2 mm e anche a 1,25 mm; ne è un buon esempio la famiglia Gecko di Harwin, che presenta un passo di 1,25 mm. Un altro modo per massimizzare l’utilizzo dello spazio consiste nel combinare le funzionalità dei connettori, ad esempio combinando il segnale e la potenza, e a volte installando connettori coassiali e anche ottici nello stesso contenitore. Mix-Tek Datamate di Harwin è un esempio di una famiglia di connettori che può offrire un mix di contatti: per il segnale (fino a 3 A), la corrente di alimentazione (fino a 40 A) e coassiali (fino a 6 GHz), in un’ampia gamma di configurazioni tutte in un corpo modulare che riduce l’ingombro e leggero. Naturalmente, parallelamente alla riduzione delle dimensioni e all’aumento delle densità, nasce il problema dell’interferenza elettromagnetica e della diafonia; si tratta di un problema a livello di sistema, per cui il progetto del connettore comporta difficoltà notevoli.

Costo
Finora, le applicazioni industriali, specialmente in fabbrica, spesso dipendevano da connettori sviluppati per il settore militare e della difesa, dove il costo era un problema secondario (a volte quasi irrilevante). Per gli utenti industriali, mentre proliferano gli usi dei connettori per soddisfare i requisiti sempre più vari relativi a sistemi di monitoraggio e rilevazione circoscritti ma assai diffusi richiesti da programmi di automazione della fabbrica come Smart Factory o Industry 4.0, il costo diventa un problema significativo (e anche i programmi militari sono ormai soggetti a rigorose analisi dei costi a causa dei tagli ai budget). È stato necessario quindi individuare soluzioni alternative. La gamma di prodotti ad alta affidabilità Harwin – consistente principalmente delle famiglie Datamate, Gecko e M300 – offre prestazioni elevate, tolleranza a urti, vibrazioni e temperature estreme, e a un costo notevolmente inferiore rispetto ai prodotti per impieghi militari. Per applicazioni industriali a costo inferiore che ancora richiedono alta qualità e dimensioni ridotte, la gamma Archer M50/M52 di connettori con passo pari a 1,27 mm sviluppata da Harwin è di numerosi punti percentuali più economica rispetto ai prodotti di altre marche.

Prestazioni elevate
Il sistema di interconnessione prescelto deve essere adatto all’applicazione. Quindi, sebbene la prospettiva di un dispositivo poco costoso, ultra-piccolo, sviluppato forse per l’uso in prodotti per il settore consumer potrebbe essere allettante, tali dispositivi non sono adatti per la maggior parte delle applicazioni industriali poiché non sono sufficientemente robusti per tollerare urti, vibrazioni e temperature estreme; né sono progettati per cicli ripetuti di accoppiamento e disaccoppiamento. Prima di specificare un connettore, occorre considerare con molta attenzione le condizioni di funzionamento.
Quando si combinano tutti questi fattori, risulta che i connettori industriali ideali devono essere compatti, leggeri, economici e dalle prestazioni elevate. Per rispondere a un elenco di requisiti così complesso, è stata sviluppata una tecnologia di contatti speciali, che è al cuore di qualsiasi connettore ad alta affidabilità. Harwin usa speciali contatti a morsetto in lega di rame-berillio che assicurano l’integrità del segnale anche in ambienti difficili. Anche il materiale con cui è costruito il corpo è importante: le parti plastiche utilizzate devono essere molto robuste ma è possibile anche che debbano essere ignifughe, non presentare degassamento e naturalmente essere a norma Rohs, realizzate con materiali ecocompatibili e l’ideale sarebbe pure eliminare sostanze chimiche pericolose ancora prima che siano aggiunte agli elenchi di sostanze vietate, per garantire l’idoneità futura del sistema. Un esempio recente che illustra questa combinazione di fattori è offerto dai connettori di alimentazione ad alta densità M300 di Harwin, che possono gestire correnti sino a 10 A. Basati su un passo di 3 mm, i connettori M300 sono pensati per ambienti difficili e tollerano un numero di operazioni doppio rispetto ai prodotti della generazione più vecchia. Sono dotati di contatti femmina in lega di rame-berillio a 4 finger che offrono prestazioni elettriche e meccaniche eccellenti. Sono adatti per cavi di diametro da 18 a 22 Awg (1,02 – 0,644 mm), impiegabili a temperature comprese tra -65 e +175 °C e hanno durata nominale di 1.000 operazioni. Hanno superato le prove di urto (EIA-364-27: 100 g per 6 ms, assenza di discontinuità per >1 µs e vibrazioni (EIA-364-28 10 g, assenza di discontinuità per >1 µs). Sono disponibili viti prigioniere per sicurezza aggiuntiva.

Flessibilità di progettazione
Gli ingegneri progettisti sono persone molto creative, probabilmente perché viene loro richiesto continuamente di fornire più funzionalità, al tempo stesso - come si è accennato prima - riducendo dimensioni e costi. È quindi importante che i produttori di connettori rispondano con soluzioni flessibili. Un esempio da Harwin è l’introduzione di un’esecuzione per montaggio orizzontale nella famiglia di prodotti Gecko Hi-Rel con passo di 1,25 mm. I connettori serie G125 offrono prestazioni elevate in un contenitore miniaturizzato. La spaziatura dei pin pari a 1,25 mm comporta una riduzione dell’ingombro del 35% rispetto ad altri connettori a prestazioni elevate come i Micro-D. I connettori possono gestire 2 A per contatto e funzionano in un ampio intervallo di temperature (da -65 a +150 °C) e quando sottoposti a vibrazioni estreme (100 g, 6 m/s lungo l’asse Z). Altre caratteristiche comuni a tutti i connettori della famiglia Gecko: i punti di polarizzazione che prevengono accoppiamenti sbagliati, agevole identificazione della posizione n° 1 ai fini di una veloce ispezione visiva e dispositivi di bloccaggio opzionali che consentono uno sbloccaggio semplice e veloce. A richiesta sono disponibili attrezzi speciali per l’uso in applicazioni con spazio limitato. I connettori a esecuzione per montaggio orizzontale presentano un nuovo sistema di fissaggio meccanico ai fini di un’ulteriore sicurezza della connessione. Le nuove versioni orizzontali riducono l’altezza di impilamento delle schede di circuiti stampati ad appena 5,6 mm. Disponibile nelle otto posizioni standard - 6, 10, 12, 16, 20, 26, 34 e 50 - la nuova esecuzione facilita anche le configurazioni della scheda madre e delle schede di espansione. Soprattutto, al momento di determinare il sistema di interconnessione da impiegare, occorre sempre considerare sia l’applicazione che i requisiti ai quali dovranno rispondere i connettori in base all’ambiente e allo schema di utilizzo. Sovraspecificare un connettore potrebbe causare problemi finanziari, ma sottospecificarlo quasi certamente li causerà!

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