Comprendre comment des contacts supérieurs améliorent les performances des connecteurs multipositions

Les connecteurs constituent le lien mécanique et électrique essentiel entre les sous-sections d'un système ou entre un système et le monde extérieur. Plusieurs facteurs déterminent le choix du type de connecteur, notamment les exigences électriques et mécaniques, les normes de l'industrie, la facilité d'utilisation et de fabrication, le nombre et le type de contacts, les scénarios de connexion et de déconnexion, les objectifs de fiabilité et les exigences réglementaires. Cependant, le corps du connecteur D-subminiature (D-sub) classique est utilisé depuis des décennies et reste le connecteur de choix pour de nombreuses applications.

Si le style du corps du connecteur et l'arrangement des contacts font l'objet d'une attention particulière, les contacts ont un impact significatif sur les performances électriques et mécaniques d'un connecteur. Face à la complexité grandissante des conceptions et aux exigences croissantes des applications, les concepteurs doivent être au fait des dernières innovations en matière de technologies de contacts pour répondre aux normes et exigences appropriées, notamment en termes de robustesse, de force d'insertion et de rétention, de résistance de contact et de tolérance à la température.

Cet article fournit un bref aperçu des tendances en matière de connecteurs, avec l'accent sur le rôle continu des connecteurs D-sub. Il présente ensuite les contacts avancés d'Amphenol Positronic et montre comment ils peuvent être utilisés pour améliorer les performances des connecteurs.

USB, Ethernet et importance des connecteurs D-sub

Malgré la diminution de l'utilisation de l'interface RS-232 classique et l'essor de diverses versions de connecteurs USB et Ethernet, le connecteur D-sub à 9 broches classique (souvent appelé DB-9) et le reste de la gamme plus étendue de connecteurs D-sub continuent de jouer un rôle important dans la communication des systèmes électroniques. Les raisons de cette utilisation continue sont multiples. Bien qu'USB et Ethernet puissent répondre à de nombreuses exigences d'interconnexion, ces deux types de connecteurs largement utilisés sont des interfaces série et non multilignes. Ils peuvent transmettre alimentation et données simultanément, mais uniquement avec des restrictions strictes concernant le type de signal, les valeurs maximum de tension et de courant et les puissances nominales.

De par leur conception, les interfaces USB et Ethernet ne peuvent pas gérer plusieurs signaux indépendants ou des formats divers aussi efficacement qu'une interface avec plusieurs chemins de contact parallèles. Un autre point crucial est que les connexions USB et Ethernet standard n'ont pas été conçues pour le niveau de robustesse et d'intégrité mécanique et électrique requis dans de nombreuses situations.

Pour ces raisons et d'autres encore, le connecteur D-sub reste largement utilisé. Le facteur de forme existe depuis les années 1950 et offre de nombreux avantages. Il est entièrement blindé contre les interférences électromagnétiques (EMI) et les perturbations radioélectriques (RFI), fournit un boîtier étanche ou quasi étanche et est mécaniquement robuste, et ses deux moitiés peuvent être fixées ensemble à l'aide de petites vis d'accouplement. Le corps du connecteur D-sub, ou capot, est proposé dans au moins six tailles standard et offre une grande flexibilité quant à la position et au type de contact électrique. En plus d'offrir des capots de connecteur avec le même type de contact à toutes les positions, les connecteurs D-sub « Combo-D » prennent en charge un mélange de contacts de signaux et d'alimentation indépendants dans un seul capot de connecteur (Figure 1, en haut).

Figure 1 : Le connecteur subminiature Combo-D prend en charge de nombreuses combinaisons de chemins pour les signaux et l'alimentation (en haut). Les connecteurs D-sub sont disponibles dans des tailles de capot et des arrangements de contacts standard (en bas). (Source de l'image : Amphenol Positronic)

Un seul connecteur D-sub peut prendre en charge un grand nombre de combinaisons standard (Figure 1, en bas). Ils sont disponibles en versions à deux rangées pour une densité standard et en versions à trois rangées pour une haute densité, avec des contacts pour les signaux, l'alimentation, les blindages, la haute tension, les thermocouples et la fibre optique.

Technologies de contact innovantes

Les qualités du capot D-sub jouent un rôle important dans l'histoire des connecteurs, mais les contacts électriques et leurs attributs sont également essentiels à un assemblage de connecteur réussi. Au fil des ans, la technologie de contact a connu de nombreuses améliorations au niveau des matériaux, de la conception et des performances électriques et mécaniques.

C'est notamment le cas de la technologie de contact PosiBand brevetée d'Amphenol Positronic (brevet américain 7,115,002). PosiBand adopte une approche innovante des contacts qui se distingue des conceptions classiques et offre des performances améliorées pour de nombreux paramètres clés.

La conception de l'élément de pression externe PosiBand sépare complètement l'action mécanique de l'action électrique de la connexion (Figure 2). L'élément de pression effectue l'action mécanique en appliquant une force qui pousse la broche mâle contre la cavité femelle interne pour former une longue ligne de contact électrique direct. La longueur de la ligne d'interface peut être modifiée, permettant aux concepteurs d'optimiser la résistance d'interface de la connexion. Un anneau continu solide au point d'entrée augmente la robustesse mécanique du contact.

Figure 2 : La technologie PosiBand utilise une conception brevetée pour séparer l'action mécanique et électrique de la connexion. (Source de l'image : Amphenol Positronic)

Le clip à ressort (Figure 3, à gauche) du système PosiBand est une pièce petite mais essentielle de l'assemblage et un contributeur clé à ses performances. Cet alliage cuprobéryllium revenu à l'état ressort fournit une force normale sur le contact mâle, contribuant à un couplage robuste et fiable (Figure 3, à droite). En même temps, il offre une force d'insertion moyenne inférieure tout en satisfaisant ou en dépassant les exigences de performances.

Figure 3 : Le clip à ressort PosiBand (à gauche) exerce une force normale sur la zone de contact (à droite) pour maximiser la zone de contact électrique de la surface de raccordement. (Source de l'image : Amphenol Positronic)

Le contact de base PosiBand est en laiton, un matériau offrant d'excellentes propriétés pour le sertissage des fils sur les contacts. Cela élimine également la nécessité de recuire le matériau, ce qui non seulement augmente les coûts, mais constitue également une étape qui peut être mal exécutée lors de la fabrication, entraînant des problèmes à long terme.

Le système PosiBand augmente également la zone d'interface entre les contacts mâles et femelles, par rapport aux conceptions de contacts traditionnelles, pour une intégrité électrique plus fiable. À un micro-niveau, il existe un plus grand nombre de chemins électriques à travers l'interface de contact. L'augmentation de la surface de contact réduit la probabilité de discontinuité en conditions de vibrations.

Paradoxalement, la plus grande surface de contact offerte par le système PosiBand n'augmente pas la force d'insertion. Au contraire, la conception PosiBand fournit une valeur de force d'insertion plus cohérente, ce qui se traduit par une force d'insertion moyenne plus faible.

Les produits Positronic font partie de la liste des composants qualifiés (QPL) de l'Agence DLA (Defense Logistics Agency) aux États-Unis, ce qui signifie qu'ils ont satisfait aux exigences notamment en matière d'identification appropriée du produit, de qualification et de tests de vérification périodiques. Le système PosiBand est qualifié selon les spécifications SAE AS3902 et MIL-DTL-24308, et il est également qualifié selon les exigences plus strictes de test de séparation des contacts de 40 grammes des normes GSFC S-311-P4/08 et GSFC S-311-P4/10.

Taille et résistance des contacts

Les contacts PosiBand sont disponibles en tailles standard de 20 et 22. La première version est conçue pour les fils de 20, 22 et 24 AWG, tandis que la seconde est conçue pour les fils de 22, 24, 26, 28 et 30 AWG.

La résistance maximum des contacts de taille 22 est de 0,005 Ω, tandis que celle des contacts de taille 20 est de 0,004 Ω. Cette faible résistance de contact, et par conséquent le faible auto-échauffement dû aux pertes I²R minimales qui en résultent, offrent aux concepteurs la possibilité d'utiliser des contacts de tailles 22 et 20 pour l'alimentation.

Les caractéristiques thermiques des contacts sont un facteur que certains ingénieurs ignorent ou ne prennent en compte que tardivement dans le processus de conception et de sélection des connecteurs. Néanmoins, les caractéristiques thermiques constituent un facteur critique lors de l'évaluation des performances des connecteurs et des systèmes. Les contacts PosiBand de taille 20 (Figure 4, en haut) et de taille 22 (Figure 4, en bas) sont entièrement caractérisés en termes d'augmentation de température par rapport au courant pour diverses configurations de contact.

Figure 4 : Augmentation de la température en fonction du courant nominal pour les contacts PosiBand de taille 20 (en haut) et de taille 22 (en bas) dans différentes configurations. (Source de l'image : Amphenol Positronic)

Le courant maximum autorisé est limité par la température maximum que la connexion et le contact peuvent tolérer.

Produits PosiBand pour applications pratiques

Pour les concepteurs qui assemblent leurs propres câbles et connecteurs, les contacts PosiBand sont disponibles en tant qu'articles individuels. Par exemple, le FC6020D2-14 (Figure 5) est un contact femelle usiné en alliage de cuivre de taille 20, qui est serti à la terminaison du fil.

Figure 5 : Le FC6020D2-14 est un contact femelle usiné en alliage de cuivre de taille 20, serti à la terminaison du fil. (Source de l'image : Amphenol Positronic)

Ce contact en cuivre nickelé est recouvert d'une couche de 1,27 µm d'or pour garantir une faible résistance et une continuité fiable. Pour ces connexions serties (non soudées), Amphenol Positronic propose un outil de sertissage spécifique pour garantir que les connexions répondent à des spécifications précises de régularité et de fiabilité.

Pour les concepteurs à la recherche de solutions prêtes à l'emploi, des connecteurs entièrement assemblés, tels que ceux de la série MACH-D MCD15M51R700K/AA-15 (Figure 6, à gauche) et CBC7W2S110000 (Figure 6, à droite), sont disponibles en tant qu'articles standard pour certaines des configurations les plus courantes. Le MCD15M51R700K/AA-15 est un connecteur mâle D-sub en acier inoxydable à 15 positions (broches mâles) avec des contacts de taille 20 identiques répertoriés à 17 A. Il est destiné au soudage des circuits imprimés à angle droit. En plus des terminaisons à angle droit pour montage sur carte, il est proposé avec des options de terminaison à sertir, à borne en coupelle et à insertion en force.

Figure 6 : Le MCD15M51R700K/AA-15 (à gauche) est un connecteur mâle D-sub à 15 positions avec contacts de taille 20 ; le CBC7W2S110000 (à droite) est un connecteur femelle combiné à 7 positions avec contacts femelles, offrant cinq contacts de signaux PosiBand de taille 20 et deux contacts d'alimentation MC/FC 4012D. (Source de l'image : Amphenol Positronic)

Le CBC7W2S110000, quant à lui, est un connecteur femelle combiné D-sub à 7 positions avec prises femelles. Ce connecteur comprend cinq contacts de signaux PosiBand de taille 20 et deux connecteurs d'alimentation de 100 A MC/FC 4012D (des contacts pour câbles coaxiaux sont également disponibles). Son capot est en acier zingué avec un joint en chromate pour garantir l'intégrité électrique et environnementale.

Conclusion

Les connecteurs parallèles multipositions classiques de la gamme D-sub sont privilégiés dans de nombreuses applications. Ils offrent aux concepteurs de multiples options de taille physique et une grande flexibilité en termes de nombre et d'arrangement des contacts. Les contacts de signaux PosiBand innovants d'Amphenol Positronic, combinés aux capots de connecteurs D-sub, offrent une fiabilité et des performances accrues.