Usar conectores de desplazamiento de aislamiento enchufables directos para agilizar el montaje y bajar la lista de materiales.

Los ingenieros suelen elegir conectores de desplazamiento de aislamiento (IDC) y sus cables planos asociados para interconexiones de múltiples posiciones debido a su alta densidad de contactos, terminación de masa de un solo paso y la falta de necesidad de pelar los cables. Los usuarios de los CDI normalmente asumen que comprenden una disposición de conectores de dos partes con pines macho de acoplamiento y mitades de receptáculo hembra. Estos IDC están disponibles en una amplia gama de estilos (como el montaje en tablero o el colgado libre), se ofrecen con tan solo ocho y hasta 50 posiciones (típicamente), y se utilizan con cable de cinta plana multiconductor.

Aunque los IDC ofrecen muchos beneficios, los diseñadores siempre buscan reducir el costo directo de las piezas, recortar la lista de materiales (BOM), simplificar las compras y adquisiciones y agilizar el proceso de montaje en un entorno de producción. Todos estos objetivos pueden alcanzarse en un solo paso utilizando un único conector IDC para terminar el cable plano y, al mismo tiempo, eliminando la necesidad de un conector de acoplamiento complementario.

Esta innovación, que contradice el "pensamiento convencional" sobre los conectores IDC, se utiliza en el conector IDC de cable plano WR-WST REDFIT IDC SKEDD de Würth Elektronik. Utiliza el tablero de la PC como contacto de acoplamiento, reduciendo así el costo, simplificando el esfuerzo de montaje y eliminando un elemento de la lista de materiales, todo ello sin comprometer el rendimiento. Este artículo discute los impulsores de tales innovaciones de conectores IDC antes de introducir el conector WR-WST y cómo aprovecharlo.

¿Qué son los IDC y por qué se necesitan?

Los IDC resuelven múltiples problemas al permitir la terminación rápida y fácil de una serie de cables de señal y de energía junto con la rápida y fácil realización y ruptura de la ruta de conexión (Figura 1). Los ensamblajes de cables basados en IDC se utilizan ampliamente en muchas aplicaciones, como entre placas de PC adyacentes o entre una placa de PC de proceso y un ensamblaje de pantalla/teclado de usuario relativamente remoto. En algunos diseños, el cable plano se utiliza incluso como un "bus" flexible que soporta no solo las conexiones de los extremos del cable, sino también los conectores colocados a lo largo del cable flexible para que otras placas de ordenadores puedan conectarse a una puerta de enlace común.

Figura 1: Los ensamblajes de cable IDC utilizan conectores de acoplamiento macho y hembra con terminación en masa junto con cable plano de cinta multihilo como este ensamblaje de 16 hilos; el cable de cinta también puede ser monocromático a diferencia de este ejemplo de arco iris. (Fuente de la imagen: eBay)

La tecnología IDC fue desarrollada hace más de 50 años. Desde su adopción, ha sido objeto de un uso generalizado, un aumento de la variedad de versiones disponibles, una mayor densidad de contactos, más contactos por conector y otras mejoras. Como su nombre indica, la tecnología IDC se basa en el principio de desplazar, o hacer a un lado, parte del aislamiento alrededor de los conductores del cable (cables) y hacer una conexión eléctrica directa al cobre (Figura 2). No es necesario quitar el aislamiento del cable, ya que los afilados bordes metálicos de los contactos perforan el aislamiento para crear una conexión hermética al gas.

Figura 2 (arriba)

Figura 2 (abajo)

Figura 2: En un conector IDC, la parte superior del conector se empuja hacia abajo para crimpar los contactos simultáneamente y perforar el aislamiento de todos los cables del cable (parte superior). Al ver el conjunto con el conector de la parte superior retirado (abajo), se ven los contactos que sobresalen a través del aislamiento del cable. (Fuente de la imagen: hoja de datos de referencia de Jaycar Electronics)

El desarrollo de material aislante que se corta limpia y prolijamente, pero no se separa más allá de la zona de perforación fue uno de los muchos avances que hicieron práctico el uso masivo de los IDC. Dado que el cable es uno de los muchos en una disposición de cinta plana, muchas de esas terminaciones pueden hacerse al mismo tiempo, por lo que los cables IDC se denominan a veces conectores de "terminación en masa". Los primeros IDC se limitaron a cable sólido para conexiones fiables, pero los avances técnicos pronto extendieron los IDC a cable trenzado también.

Hay muchas versiones estándar disponibles de la par macho y hembra. Estos incluyen los conectores que se sueldan en una placa de PC, así como los que son de libre colgado y terminan el extremo de un cable. De esta manera, un conjunto de cables IDC puede conectarse a un conector montado en una placa o a otro cable IDC.

Por ejemplo, el 61201023021 de Würth es un conector de doble fila, de 10 posiciones, con un paso de 2.54 milímetros (mm) y un receptáculo IDC rectangular (hembra) que está crimpado en el cable (Figura 3). Si el cable necesita en cambio un conector de clavija macho, está disponible el conector de cabezal IDC complementario 61201025821 de Würth (Figura 4). Tanto para los conectores machos como para las hembras, hay conectores correspondientes que se montan en placas de PC para completar un trayecto de cable a placa. Tenga en cuenta que, aunque se trata de conectores de 10 posiciones, la familia de cabezales de cajas WR-BHD de Würth y conectores IDC se extiende a los conectores de 60 posiciones.

Figura 3: El IDC 61201023021 de Würth Elektronik es un conector de receptáculo rectangular de 10 posiciones (hembra) de doble fila con un paso de 2.54 mm. Está diseñado para ser engarzado en un cable plano de cinta libre. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Figura 4: El conector de cabecera IDC 61201025821 de Würth con pines macho es el complemento del IDC 61201023021 de Wurth. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Los IDC y sus cables de cinta plana están disponibles en una amplia gama de posiciones y opciones. Estos incluyen un espaciado entre pines (paso) de 1.27 mm (0.050 pulgadas) o 2.54 mm (0.10 pulgadas), así como el número de pines. La capacidad máxima de corriente suele ser de 1 amperio (A) a 3 A con calibres de cable disponibles desde el delgado de 30 AWG hasta el más pesado de 22 AWG. También hay disponibles IDC para conexiones DB-xx para los antes ampliamente utilizados tamaños DB-25, DB-15 y DB-9 (comunes con las interfaces RS-232).

Algunos segmentos de la industria han establecido tipos específicos de IDC para que los dispositivos conectados de diferentes fabricantes puedan intercambiarse. Por ejemplo, en el área de las computadoras personales, las siguientes son normas comunes:

• Discos duros de computadora de escritorio IDE de 3.5 pulgadas: paso de 2.54 mm, 40 pines, 2 × 20 (2 filas de 20 pines)
• Discos duros de computadora portátil IDE de 2.5 pulgadas: paso de 2.00 mm, 44 pines, 2 × 22
• SCSI 8 bits: paso de 2.54 mm, 50 pines, 2 × 25
• SCSI 16-bit: paso de 1.27 mm, 68 pines, 2 × 34

Para todos los conectores anteriores, el fabricante de la computadora suele conectar un conector IDC hembra en un extremo del cable de cinta con un cabezal de caja macho o un cabezal de clavija correspondiente en la placa madre de la computadora. También se utilizan arreglos de contacto único con cables individuales en bloques de cableado telefónico "perforados". Un técnico puede hacer la conexión sobre el terreno utilizando una herramienta especial para empujar un cable aislado entre los terminales de horquilla afilados de un único lugar de contacto deseado.

Ir a un acoplamiento de una pieza de IDC

Puede parecer obvio e incluso inevitable que un ensamblaje de cable IDC de multi-contacto necesita un conector de acoplamiento, y ese ha sido el caso durante mucho tiempo. Sin embargo, hay un nuevo enfoque que elimina la mitad de la hembra (receptáculo) de acoplamiento, y en su lugar utiliza la placa de PC como ese conector de acoplamiento (Figura 5).

Figura 5: La familia de conectores IDC de cable plano REDFIT IDC SKEDD de Würth Elektronik se conecta directamente a las vías de tamaño y revestimiento adecuados en la placa de la PC, eliminando la necesidad de un IDC hembra acorde. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Ese es el principio de la familia de IDC de cables planes para conectores SKEDD REDFIT de Würth Elektronik. Este conector se conecta al cable de cinta plana como cualquier cable IDC, pero luego se enchufa directamente en los orificios o vías de tamaño adecuado y revestidos (derivado de las siglas de "acceso de interconexión vertical") en la placa de la PC. El resultado es una conexión fiable a menor costo con menos puntos de contacto y menos pasos de montaje.

Se trata de un conector reversible, sin soldadura y de conexión manual, lo que significa que puede ser desconectado sin herramientas especiales, a diferencia de algunos conectores de presión o de encaje que no pueden ser desconectados sin una herramienta especial o contorsiones de usuario (Figura 6). Se basa en un paso de 1.27 mm, a menudo llamado "medio paso", y está disponible con cuatro a 20 (números pares) contactos por conector; la versión 490107671012 de 10 posiciones de Würth exhibe las especificaciones representativas.

Figura 6: El conector REDFIT IDC SKEDD es un IDC reversible, sin soldadura y enchufable a mano, lo que significa que puede ser enchufado y desenchufado sin herramientas especiales. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

El conector REDFIT IDC SKEDD se dirige a aplicaciones como la electrónica de consumo, instalaciones de sistemas de energía solar, electrónica industrial y proyectos de ingeniería mecánica con necesidades de cableado. El proveedor garantiza el rendimiento durante al menos 10 ciclos de apareamiento en el campo y 25 en el banco de prototipos, donde las condiciones ambientales son más benignas.

Esta clasificación es una buena combinación para los muchos productos que no se desmontarán, excepto tal vez para una reparación o actualización de una sola vez. La resistencia de contacto de todo el sistema se especifica como 10 miliohms (mΩ) con una capacidad máxima de corriente y voltaje de 1 A y 100 voltios, respectivamente. Los cables de 28 AWG (1,27 mm) pueden fabricarse fuera o en la fábrica, según sea necesario.

La ciencia de los materiales hace que funcione

Para realizar los ciclos de apareamiento inicial y múltiple, los "socios" de contacto del REDFIT IDC SKEDD tienen que adaptarse entre sí de tal manera que no se produzca una deformación plástica del metal, como ocurre en algunos diseños de contacto. Por el contrario, el contacto del SKEDD consiste en dos brazos, conectados en su ápice; y los brazos flexibles tipo horquilla permanecen en estado elástico incluso cuando se insertan y hacen conexiones, asegurando una conexión reversible (Figura 7).

Figura 7: Los dos brazos del contacto del SKEDD permanecen en estado elástico durante y después de la inserción, un factor clave en su capacidad para mantener la fuerza de contacto, y también para ser retirados y reinsertados. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Al final del proceso de inserción, la rigidez del resorte del contacto flexible del SKEDD alcanza su valor más alto. En este estado, la fuerza normal del contacto es lo suficientemente alta como para asegurar que no se produzca una interrupción de la señal de más de 1 microsegundo (µs) debido a la tensión mecánica.

Puede parecer que los contactos y la tecnología del SKEDD son sólo una extensión sofisticada de la tecnología de ajuste a presión usada durante mucho tiempo, pero no es así en absoluto. En el enfoque de ajuste a presión, un pasador sólido se presiona en el agujero de paso chapado. La alta fuerza de fricción entre el pasador y el agujero crea una soldadura fría homogénea entre las superficies, asegurando la integridad eléctrica y mecánica. Sin embargo, el agujero pasante chapado también se deforma durante este proceso de prensado, y al quitar el pasador sólido se rompe esta conexión.

Cuando se utiliza la tecnología de encaje a presión con pasadores flexibles en lugar de sólidos, el orificio de paso chapado permanece intacto pero el material del pasador en sí se deforma. Aunque es posible quitar el pasador flexible, ya que la conexión mecánica no es tan fuerte como con un pasador sólido, el pasador en sí está dañado y no puede ser usado por segunda vez.

Por el contrario, el acoplamiento elástico y la ausencia de deformación plástica tanto del contacto como de la vía de paso del SKEDD asegura que el par de acoplamiento pueda ser reconectado sin degradación, mientras que su contacto de cuatro vías mejora la fiabilidad (Figura 8).

Figura 8: A diferencia de la tecnología de encaje a presión con clavijas sólidas o flexibles que deforman la vía o la clavija, respectivamente, cuando se insertan, el contacto del SKEDD no se deforma ni a sí mismo ni a la vía; esto es crítico para asegurar la reinserción viable del conector y sus contactos. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Ventajas y oportunidades de interconexión

En una aplicación típica de un cable IDC convencional, un cable con conectores en ambos extremos se acopla con los correspondientes conectores montados en la placa para unir placas de ordenadores adyacentes. Usando el conector IDC SKEDD de REDFIT, los diseñadores obtienen múltiples ventajas:

• Elimina la necesidad del conector de la placa de acoplamiento; son dos partes que se ahorran si se usa el conector REDFIT IDC SKEDD en ambos extremos.
• Dado que el conector REDFIT IDC SKEDD se puede insertar en la parte superior o inferior de una placa, hay más flexibilidad en el enrutamiento del cable de cinta plana y en el relativo espaciado y orientación de la placa, y permite conexiones directas y más cortas (Figura 9).
• Finalmente, hay un pequeño ahorro de peso y materiales. Puede que no sea un factor en algunos diseños, pero es significativo en muchos.

Figura 9: Como el conector REDFIT IDC SKEDD se puede insertar a ambos lados de la placa de circuito impreso, ofrece más opciones para el enrutamiento del cable y la colocación de las placas conectadas. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

La carcasa de plástico del conector REDFIT IDC SKEDD es una parte importante del rendimiento del conector. La carcasa tiene dos pines guía de diámetros ligeramente diferentes en esquinas opuestas para asegurar la correcta orientación del apareamiento y para evitar errores de polaridad inversa en el montaje (Figura 10). El material de la carcasa es un plástico resistente a altas temperaturas (clasificado -25 ⁰C a +105 ⁰C), cumple con la norma de inflamabilidad UL94 V-0, tiene una resistencia química superior, y tiene un bajo coeficiente de expansión térmica para minimizar los fallos debidos a los ciclos térmicos.

Figura 10: Las clavijas de guía con diámetros ligeramente diferentes en las esquinas opuestas de la carcasa del conector impiden la inserción del conector en la posición inversa. (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Para evitar los contactos intermitentes debidos a la vibración, además de los cuatro puntos de contacto de cada pasador, hay dos pequeños cierres de fricción en cada guía de placa plástica que funcionan como un sistema de cierre pasivo. El resultado es una terminación sin herramientas que se bloquea automáticamente al insertarse y mantendrá una conexión viable hasta que se desconecte a mano.

Las especificaciones de fabricación de la placa están completamente definidas, se cumplen fácilmente.

La fabricación adecuada de las vías de la placa de la PC es necesaria para el uso exitoso y efectivo del conector REDFIT IDC SKEDD. Sin embargo, esto no es un problema, ya que los requisitos críticos son acordes con las especificaciones estándar de las placas de PC personales de la actualidad. La fabricación de la vía no requiere de pasos especiales o de una precisión adicional de la tolerancia de la placa de circuito impreso más allá de lo que normalmente se requiere.

El dibujo dimensional indica la disposición de la placa de circuito impreso para toda la dimensión del conector y del taladro, así como las tolerancias asociadas para las vías terminadas en una placa de producción (Figura 11). Obsérvese que para la prueba y depuración de prototipos, en los que a menudo se requieren más ciclos de inserción/extracción, se ofrece un patrón de perforación de mayor tolerancia.

Figura 11: Las dimensiones y tolerancias especificadas para la disposición y el dimensionamiento de los orificios de la placa de producción de pc para aceptar el conector REDFIT IDC SKEDD, así como las tolerancias, están en consonancia con las normas modernas de fabricación de placas (izquierda); el patrón de perforación modificado para aplicaciones de depuración tiene tolerancias ligeramente más débiles y permite más ciclos de inserción/extracción (derecha). (Fuente de la imagen: Würth Elektronik)

Conclusión

El ensamblaje y el sistema de cable IDC de dos piezas se ha utilizado durante muchos años, y ha demostrado ser un enfoque de interconexión multihilo valioso y ampliamente utilizado. Ahora, la familia de cables planos de cable IDC REDFIT IDC SKEDD de una pieza de Würth Elektronik ofrece una alternativa que elimina la necesidad del receptáculo IDC femenino de acoplamiento. En cambio, su conector macho insertable/extraíble a mano se conecta directamente en la placa de la PC. De esta manera, reduce el costo, recorta la lista de materiales, elimina otra fuente de posibles errores de contacto intermitente y ofrece opciones adicionales para el enrutamiento de los cables y la disposición de los tableros.

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Würth Elektronik, soluciones de conectores REDFIT IDC SKEDD

Würth Elektronik, Conector REDFIT IDC-SKEDD de Würth Elektronik eiSos

Referencias

1. "Hoja de datos de referencia Jaycar Electronics" (Internet Archive Wayback Machine)
2. "Conector de desplazamiento de aislamiento" (Wikipedia)