I fattori chiave per la scelta del connettore di potenza in DC

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La scelta del connettore di potenza in continua (DC) è un aspetto che molto spesso i progettisti tendono a sottovalutare. Sebbene si tratti di un componente semplice ed elementare, per selezionare il connettore adatto è necessario possedere alcune conoscenze di base. L’obiettivo di questo blog è semplificare il processo di selezione, fornendo una panoramica dei connettori di potenza in DC, una spiegazione delle caratteristiche principali e della nomenclatura generalmente accettata, oltre a un’analisi dei connettori audio e USB utilizzati nelle applicazioni di potenza.

Connettori di potenza in DC: una panoramica

Noti anche come connettori cilindrici, i connettori di potenza in DC sono caratterizzati da valori di corrente e tensione nominali specificati dal produttore per assicurare l’affidabilità in fase di erogazione della potenza. La presa e la spina di un connettore di potenza in DC standard prevedono solitamente due conduttori. Uno di questi è esposto mentre l’altro è incassato, in modo da prevenire il verificarsi di un corto circuito accidentale tra i due conduttori. Poichè i connettori cilindrici sono quasi sempre utilizzati per fornire potenza all’applicazione finale, virtualmente non esistono rischi di danneggiare altri componenti innestando un connettore di potenza in DC in una porta sbagliata.

Connettori di potenza in DC: la nomenclatura corrente

Per quanto concerne i connettori di potenza in DC, nell’industria elettronica le configurazione comunemente previste sono essenzialmente tre: presa (jack), spina (plug) e presa volante (receptacle). Una presa di potenza in DC riceve la potenza ed è usualmente montata su una scheda PCB o sullo chassis di un dispositivo elettronico. Anche le prese volanti assolvono la medesima funzione ma sono situate all’estremità di un cavo di alimentazione. Le spine di potenza in DC, infine, forniscono la potenza erogata da un alimentatore mediante la connessione con l’opportuna presa. Le tre tipiche configurazioni sono riportate in figura 1.

Fig. 1 – Le tre tipiche configurazioni di un connettore di potenza in DC

Connettori di potenza in DC: definizioni di genere

Mentre le definizioni relative alla varie configurazioni dei connettori appena sopra esposte sono ben standardizzate a livello industriale, quelle relative al genere non lo sono altrettanto. I progettisti, molto semplicemente, seguono le convenzioni di genere adottate nel settore dei connettori RF, che definiscono il genere di un connettore cilindrico in base alla configurazione del pin centrale. Di conseguenza, i connettori di potenza in DC con un pin centrale sono solitamente definiti connettori maschi, mentre i relativi connettori di accoppiamento sono definiti connettori femmina. Una definizione di questo tipo può a volte creare confusione nel momento in cui si deve affrontare il problema della differenza tra spine e prese maschi e femmine, ma la figura 2 può contribuire a dissipare i dubbi.

Fig. 2 – Esempi di spine e prese maschi e femmina

Dimensioni del connettore cilindrico

Nel momento in cui si deve effettuare la scelta circa il connettore cilindrico più adatto, due parametri chiave da tenere in considerazione sono i diametri del pin esterno e della manica esterna. Nella tabella 1 sono riportati i più comuni diametri relativi a questi due elementi.

Fig. 3 – Alcuni dei più comuni diametri del pin interno e della manica esterna

Sebbene il valore del gioco (clearance) non sia stato ancora standardizzato, il diametro della manica interna, che si interfaccia quindi con il pin interno, dovrebbe essere leggermente più largo rispetto a quello del pin di accoppiamento. Relativamente invece alla manica esterna e al connettore di accoppiamento, il gioco non riveste un aspetto critico per il corretto funzionamento del connettore perchè la connessione di accoppiamento con la manica esterna viene effettuata per mezzo di una molla piatta a scatto.

Oltre ai diametri della manica esterna e del pin interno, un altro parametro da tenere in considerazione è la profondità di inserzione. Spesso un progettista noterà che la profondità di inserzione della presa è inferiore rispetto alla lunghezza della spina del connettore. Ciò accade perchè in determinate installazioni è importante tener conto della profondità della parete dello chassis. Nel caso non si tenga conto di questa lunghezza addizionale, la lunghezza della spina potrebbe non essere sufficiente per garantire il corretto accoppiamento con la presa nell’installazione stessa.  In altre circostanze, in cui la spina non deve essere completamente racchiusa una volta inserita nella presa, una spina più lunga rispetto alla profondità di inserzione è una soluzione accettabile.

Conduttori dei connettori di potenza in DC

Una spina o una presa di potenza in DC prevede due conduttori: il pin centrale è solitamente riservato alla potenza e la manica esterna è riservata al collegamento a massa. L’inversione di questa configurazione è generalmente considerata accettabile. In certi modelli di prese di potenza è previsto un terzo conduttore che dà origine a un commutatore con il conduttore della manica esterna. Questo commutatore può essere utilizzato per rilevare o indicare l’inserimento della spina o per effettuare la selezionare tra le fonti di potenza sulla base del fatto che la spia sia o meno inserita.

Fig. 4 – Configurazioni dei conduttori presenti in un connettore cilindrico

Opzioni di montaggio

Come accade per un gran numero di componenti, esistono varie opzioni per il montaggio di una presa di potenza in DC nell’applicazione finale. Le prese per montaggio a pannello hanno il vantaggio di poter essere montate dovunque sullo chassis del prodotto, a fronte comunque dell’onere di dover utilizzare opportuni conduttori per il collegamento con il circuito elettronico. Per quanto riguarda le prese destinate alle schede PCB, le più comuni opzioni sono il montaggio a fori passanti e in superficie (SMT) con orientamento sia orizzontale sia verticale. Un certo numero di prese di potenza in DC con collegamento di segnali SMT mette comunque a disposizione pin a fori passanti o linguette per garantire un fissaggio più sicuro sulla scheda PCB. Queste linguette possono o meno essere connesse elettricamente alla presa ma sono saldate in modalità through hole (a fori passanti). Solitamente i pin utilizzati per il fissaggio sono di tipo non conduttivo e vengono inseriti mediante accoppiamento forzato nei fori della scheda PCB. Un’altra opzione è rappresentata dal montaggio “mid-mount” (di tipo SMT) dove la presa si innesta in una rientranza ricavata nella scheda PCB. Si tratta di una soluzione che permette di ottenere un profilo molto ridotto, ideale quindi in tutte quelle applicazioni dove lo spazio rappresenta un fattore critico.

Connettori audio usati per l’erogazione della potenza

Sebbene in grado di trasferire corrente e tensione, i connettori audio standard non sono consigliati per alimentare un’applicazione elettronica. Ciò è dovuto al fatto che non tutti i produttori specificano il connettore audio per i valori di corrente e tensioni necessari per un’applicazione di questo tipo. In secondo luogo nel caso una spina audio venga collegata a un alimentatore, i suoi conduttori esposti potrebbero facilmente provocare un corto circuito tra due o più conduttori. Non va infine dimenticato il fatto che se una spina audio fornisse energia, potrebbe essere facilmente inserita in altre prese audio non predisposte per la ricezione della potenza, con il rischio di danneggiate componenti interni.

Connettori USB utilizzati per l’erogazione delal potenza

Ben noti per la loro capacità di fornire potenza e trasferire dati, i connettori USB non sono in grado di erogare elevati valori di potenza, almeno fino all’introduzione dello standard USB Type C.

Il connettore USB Type C con i suoi quattro contatti di massa ed altrettanti di potenza può vantare valori di corrente e di tensioni nominali pari rispettivamente a 5 A e 20 V, per una potenza nominale massima di 100 W. La sua capacità di erogazione della potenza rende questo connettore una soluzione interessante per applicazioni di potenza in quanto la sua grande diffusione semplifica il processo di integrazione. In ogni caso, nelle applicazioni dove sono previste solo funzioni di ricarica o di erogazione di potenza, i pin per il trasferimento dei dati ad alta velocità possono rappresentare un costo aggiuntivo non necessario. Per questo motivo hanno iniziato a diffondersi i connettori USB Type C per la sola potenza  privi quindi dei pin per il trasferimento dati che si propongono come un’opzione interessante ed economica in tutte le applicazioni che coinvolgono solamente la potenza.

Considerazioni conclusive

Grazie alle informazioni di base contenute in questo blog, la scelta del connettore di potenza in DC non dovrebbe più rappresentare un problema. L’importante è tenere in considerazione i diametri del pin interno e della manica esterna, oltre alla profondità di inserzione, per assicurare il corretto accoppiamento tra prese e spine. CUI Devices semplifica ulteriormente questo compito mettendo a disposizione un’ampia gamma di prese, spine e prese volanti di potenza in DC  disponibili in diverse opzioni di montaggio e di configurazione, mentre le guide per l’accoppiamento disponibili sulla pagina di ciascun prodotto elimina virtualmente qualsiasi problema legato al reperimento di spine e prese compatibili.

Ryan Smoot (CUI Devices)

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