Tutto quello che c’è sa sapere sui connettori modulari

Pubblicato il 18 ottobre 2021

di Ryan Smoot

 

In questo articolo…

  • 1. Connettori modulari: principi di funzionamento
  • 2. Applicazioni e utilizzi standard
  • 3. Connettori modulari: funzionalità e vantaggi
  • 4. Tipi di connettori modulari
  • 5. Caratteristiche dei connettori modulari
  • 6. Progetti con connettori modulari: alcune considerazioni chiave
  • 7. Connettori modulari: applicazioni e mercati
  • 8. Sommario

 

Il motto “la necessità aguzza l’ingegno” è più che mai appropriato per descrivere lo sviluppo dei connettori elettronici modulari. La loro invenzione, le migliorie che si sono succedute nel tempo e il loro massiccio impiego hanno contribuito ad accelerare in modo esponenziale la diffusione delle comunicazioni voce e dati su scala mondiale. Come al solito, un breve “excursus” storico potrà servire a inquadrare meglio questa evoluzione.

Nell’arco di tempo compreso tra gli anni ’30 e gli anni ’60 il settore della telefonia è stato dominato dalla Compagnie telefoniche che possedevano tutte le apparecchiature e non consentivano l’utilizzo di prodotti di terze parti, persino nelle abitazioni private. Il collegamento degli edifici e dei singoli apparecchi telefonici alla rete veniva effettuato sfruttando connettori datati e ingombranti che risalivano agli anni ’30 e attraverso fili singoli che dovevano essere installati e manutenuti da un tecnico, il che comportava solitamente costosi interventi a domicilio. Mentre l’hardware di interconnessione era affidabile e robusto (per quei tempi), il sistema complessivamente risultava complesso e inefficiente.

Complice la crescita del sistema telefonico in ambito sia privato sia aziendale, AT&T incominciò a valutare la possibilità di diminuire i costi del servizio e di fornire un sistema di connessione più semplice. All’inizio degli anni ’60 l’azienda assegnò a Western Electric l’incarico di sviluppare una soluzione. Ciò portò alla realizzazione di un sistema “modulare” formato da componenti di connessione standard che erano più piccoli, più economici da produrre e più semplici da installare rispetto alla versione precedente. Questo sistema fu introdotto per la prima volta nel 1965 nel popolare telefono Trimline e i singoli cavi e connettori divennero accessibili al pubblico agli inizi degli anni ’70.

Sempre negli anni ’70 una disposizione della FCC (Federal Communications Commission) statunitense stabiliva uno standard per l’interconnessione tra le apparecchiature delle Compagnie telefoniche e quelle degli utilizzatori. Ciò ha permesso di standardizzare l’interfaccia e ha stabilito la separazione della proprietà tra il cablaggio domestico (o aziendale) e quello del fornitore del servizio. Queste connessioni utilizzavano connettori modulari di nuova concezione. Nel 1976 FCC ha imposto un sistema di registrazione per questi connettori, che da allora sono noti con la sigla RJ (Registered Jack).

Le specifiche dell’interfaccia RJ includono la costruzione fisica del connettore, lo schema di cablaggio (wiring pattern) e le specifiche del segnale. Alla sigla RJ vengono aggiunti dei numeri che indicano il tipo e altre variazioni di lieve entità. Connettori modulari e connettori RJ sono nomi comuni per gli stessi dispositivi. Nonostante siano stati standardizzati oltre quarant’anni fa, l’utilizzo dei connettori modulari continua ad aumentare in parecchie applicazioni grazie alla loro adozione su vasta scala, alla disponibilità e alla semplicità d’uso.

 

Connettori modulari: principi di funzionamento

I connettori modulari prevedono un semplice alloggiamento in plastica stampata che racchiude i contatti metallici stampati separati da canali di isolamento. Il metallo stampato nella spina si accoppia con un simile materiale nella presa (jack). Una parte dell’alloggiamento in plastica blocca il cavo o il cordone nella spina, consentendo un serraggio sicuro. L’alloggiamento prevede una linguetta per agganciare saldamente il connettore all’handset (microtelefono), al telefono, alla presa a muro o ad altri dispositivi semplificando le operazioni di connessione/disconnessione (fig. 1).

Fig. 1 – Schema della modalità utilizzata da una spina con alloggiamento plastico per bloccare un cavo e accoppiarsi con un jack RJ

L’aggiunta di un connettore modulare o jack a un cavo può essere eseguita con un tool di crimpatura, semplificando in tal modo l’assistenza sul campo. I singoli connettori hanno un numero pari di posizioni (ubicazione dei contatti) compreso tra due e dieci in funzione del tipo di utilizzo. Per questo motivo le dimensioni del corpo del connettore possono variare in modo significativo. Non tutte le posizioni, comunque, possono avere avere contatti installati in esse.

I connettori telefonici (RJ11) solitamente hanno un numero di connessioni compreso tra quattro e sei mentre I connettori Ethernet (RJ45) utilizzano tipicamente otto connessioni. La nomenclatura descrive la modalità con la quale il connettore è cablato. Per esempio un connettore 6P2C ha sei posizioni e due contatti. Un connettore a quattro posizioni e quattro contatti, ovvero 4P4C, è il connettore standard solitamente impiegato all’estremità dei cavi del microtelefono. Questa nomenclatura, in ogni caso, non definisce i compiti che i fili devono espletare. I connettori modulari (o RJ) sono anche classificati come maschi (spine o intestazioni) e femmine (prese o zoccoli). Alcuni connettori modulari possono venire utilizzati per fornire potenza in ac o ca a bassa tensione a un dispositivo, come a esempio un telefono o altri prodotti elettronici di piccole dimensioni.

Applicazioni e utilizzi standard

Prestazioni collaudate, disponibilità a stock, semplicità d’uso e di progettazione hanno senza dubbio favorito l’uso dei connettori modulari in una molteplicità di applicazioni. L’utilizzo più comune è nei sistemi telefonici, nelle reti dati e nelle connessioni seriali a bassa velocità. Le caratteristiche di efficienza e di economicità hanno spinto i progettisti a utilizzare questi connettori in sostituzione di connettori più ingombranti e costosi in svariati prodotti. L’utilizzo su larga scala a livello mondiale fa dei connettori modulari dispositivi critici per le comunicazioni voce e dati.

Connettori modulari: funzionalità e vantaggi

Oltre al loro utilizzo come componenti standard nelle applicazioni di trasmissione voce e dati, i connettori modulari vengono ampiamente adottati sia per la realizzazione di prodotti (dagli OEM) sia per l’installazione e la riparazione sul campo (dal personale addetti alle operazioni di MRO). Per quanto riguarda gli OEM, tra i vantaggi legati all’uso di connettori modulari si possono annoverare i seguenti:

  • Basso costo
  • Ampia disponibilità a stock
  • Assemblaggio senza saldature di connettore e cavo
  • Personalizzazione semplice dei cavi
  • Le prese possono essere di tipo SMT (per montaggio in superficie) e saldate a riflusso per l’utilizzo sulle schede
  • Disponibilità di versioni “rugged” per applicazioni industriali

Nelle applicazioni MRO si possono sfruttare alcuni dei vantaggi appena sopra elencati, come a esempio il basso costo e la pronta disponibilità dei prodotti. In ogni caso, nelle applicazioni di manutenzione riparazione e assistenza, spesso sono richieste la sostituzione di parti datate, la garanzia di continuità delle produzione (evitando quindi i tempi di fermo macchina) e l’incremento dell’affidabilità del sistema. Nel caso delle applicazioni MRO, gli ulteriori vantaggi derivati dall’uso di connettori modulari si possono così sintetizzare:

  • Semplicità di aggiornamento o sostituzione di connessioni datate
  • Facilità di assemblaggio sul campo con utensili semplici
  • Possibilità di personalizzare gli assemblaggi dei cavi sul campo
  • Molteplicità di opzioni per quel che concerne connettore e cablaggio
  • Semplicità nella formazione del personale che opera in campo

In entrambe le aree applicative, OEM e MRO, i connettori modulari si propongono come soluzioni economiche che sfruttano la natura intrinseca dei connettori stessi, che possono essere collegati e scollegati con estrema semplicità, permettono di ridurre il numero degli interventi dei tecnici sul campo in quanto l’utente può operare il più delle volte in autonomia e possono essere personalizzate in modo molto semplice.

Tipi di connettori modulari

La varietà di connettori specifici per le particolari applicazioni considerate è aumentata in modo significativo, di pari passo con l’incremento del loro impiego. Di seguito un sintetico riassunto delle tipologie di connettori più comuni, delle loro caratteristiche principali e delle principali aree di utilizzo:

RJ10– Semplice dispositivo di forma rettangolare a 4 posizioni e 4 contatti utilizzato per collegare il microtelefono a un ricevitore.

RJ11– Dispositivo quadrato a 6 posizioni e 2 o 4 contatti usato per collegare linee telefoniche e modem.

RJ12– Di dimensioni identiche a quelle dei connettori RJ11, hanno 6 posizioni e 6 contatti e sono utilizzati in sistemi telefonici più grandi.

DEC MMP/MMJ- Versione modificata (in un fattore di forma ridotto) dei connettori RJ11/12. I dispositivi MMP (Modified Modular Plug) e MMJ (Modified Modular Jack) erano impiegati nelle apparecchiature di Digital Equipment Corporation (DEC).

RJ13– dispositivo a 6 posizioni e 4 contatti, è simile a RJ12, ma con un circuito dietro la linea.

RJ14- dispositivo a 6 posizioni e 4 contatti con due linee utilizzate per collegare 2 telefoni o modem.

RJ21- Connettore modulare con un massimo di 50 conduttori, impiegato per connettere fino a 25 circuiti, come nel caso di sistemi telefonici di grandi dimensioni.

RJ22- Di forma simile a RJ11, ma a 4 posizioni e 4 contatti, tipicamente utilizzati per il collegamento di handset.

RJ25- Dispositivi a 6 posizioni e 6 contatti simili a RJ11 ma in grado di connettere fino a 3 dispositivi.

RJ45– Dispositivo a 8 posizioni e 8 o 10 contatti impiegato per le connessioni di reti LAN (Local Area Network) basate su Ethernet.

RJ48- Dispositivo a 8 posizioni e 8 contatti simile a RJ45 ma impiegato per il collegamento con cavi schermati usati nelle linee dati T1 che si estendono su lunghe distanze e possono essere esposti all’azione di agenti ambientali.

Nella figura 2 sono riportati alcuni dei più diffusi tipi di connettori modulari

Fig. 2 – Alcuni dei più diffusi tipi di connettori modulari

Caratteristiche dei connettori modulari

I numerosi tipi di connettori modulari oggigiorno disponibili differiscono in base a particolari caratteristiche che vengono aggiunte per soddisfare le esigenze di applicazioni specifiche. Di seguito alcune delle opzioni più comuni:

Schermatura

Per cavi più lunghi o per applicazioni all’interno di uno stabilimento dove possono essere presenti interferenze EMI (elettromagnetiche) o RFI (a radiofrequenza), spesso si ricorre a un cablaggio schermato. I cavi schermati integrano la terra (ground) per cancellare gli effetti delle interferenze EMI/RFI, ma anche i connettori e le prese usati nell’assemblaggio devono essere schermati al fine di assorbire le interferenze e incanalarle verso terra. I connettori schermati RJ45 e RJ48 sono ampiamente disponibili.

Inchiavettatura

I veri connettori RJ45 sono inchiavettati con un linguetta attaccata che assicura l’inserzione in uno zoccolo con il corretto orientamento per evitare cablaggi impropri. I connettori 8P8C invece non prevedono questa funzionalità di sicurezza. E’ anche prevista la possibilità di utilizzare un’inchiavettatura e una codifica a colori per un accesso limitato ai punti di connessione della rete.

Montaggio

I connettori modulari per applicazioni OEM supportano la maggior parte dei metodi di montaggio dei componenti standard, tra cui montaggio a pannello, su scheda, a fori passanti e a montaggio superficiale. Le prese modulari (o zoccoli) possono prevedere un orientamento verticale oppure orizzontale.

Funzioni di indicazioni e visualizzazione

I connettori modulari possono anche integrare LED di differenti colori per indicare lo stato della connessione

Prodotti ad alta affidabilità (Hi-Rel)

I connettori modulari sono utilizzati in misura sempre maggiore nei sistemi che richiedono elevate prestazioni e un alto grado di affidabilità, come quelli destinati ai settori militare, aerospaziale e della difesa. Essi sono anche diffusi negli stabilimenti, nel settore dell’automazione e nei sistemi di visione artificiale. Per soddisfare le esigenze di questi sistemi, vengono utilizzati connettori modulari robusti che possono integrare schermature contro interferenze EMI/RFI, chiavi speciali, guaine protettive oppure essere realizzati con materiali in grado di assicurare un maggior numero di cicli di inserzione/rimozione.

Componenti magnetici integrati

In qualsiasi applicazione di interconnessione basata su Ethernet, è necessario prevedere la presenza di componenti magnetici in quanto contemplati nelle specifiche Ethernet per reti xBASE-T. L’integrazione di dispositivi magnetici in una presa RJ45 assicura una migliore schermatura contro le interferenze EMI e connessioni più affidabili.

I connettori modulari RJ45 con dispositivi magnetici integrati sono disponibili da tempo. I dispositivi magnetici sono componenti avvolti nella presa (Fig. 3) che proteggono contro guasti e fenomeni transitori e forniscono l’isolamento elettrico, oltre ad assicurare il bilanciamento dei segnali e l’adattamento di impedenza.

Fig. 3 – I connettori modulari con componenti magnetici integrati garantiscono una migliore schermatura contro le interferenze EMI e una connessione più affidabile

Progetto con connettori modulari: alcune considerazioni chiave

Nel momento in cui si devono integrare connettori modulari in un sistema, ci sono diversi elementi e specifiche prestazionali da prendere in considerazione nel processo decisionale. Tra queste si possono annoverare:

  • Pinout- L’assegnazione di ciascuno dei diversi contatti all’interno del connettore, in funzione dell’applicazione e degli utilizzi futuri.
  • Corrente nominale- Il massimo valore del flusso di corrente consigliato (espresso in Ampere) che un dispositivo è in grado di supportare.
  • Tensione nominale – La massima tensione operativa che un dispositivo è in grado di gestire. I valori della corrente e della tensione nominali sono standardizzati e le variazioni tra i prodotti dei diversi costruttori sono rare.
  • Dimensioni del contatto – Questo parametro, noto anche come dimensione della terminazione, è il massimo diametro del filo (AWG) che un connettore può ospitare. Più elevato è l’AWG, più sottile è il filo.
  • Numero di contatti – Il numero di connessioni disponibili all’interno di un dispositivo. Nei connettori modulari il numero è sempre pari.
  • Tipo di montaggio – Indica la modalità secondo la quale lo zoccolo è integrato nel prodotto finale. Le opzioni sono svariate: a pannello in superficie, a fori passanti e molte altre ancora.

Connettori modulari: applicazioni e mercati

Come già menzionato in precedenza, i connettori modulari sono ampiamente utilizzati nei dispositivi di comunicazione voce e dati come sistemi telefonici e computer. Grazie a caratteristiche quali semplicità di integrazione, flessibilità e disponibilità, trovano sempre più spazio nei moderni prodotti e sistemi elettronici. L’avvento di PoE (Power over Ethernet) ha contribuito ad ampliare ulteriormente il loro campo di applicazione. La tecnologia PoE permette il trasferimento di potenza attraverso cavi e connettori modulari ai dispositivi connessi, fatto questo che contribuisce a incrementare la portabilità e a diminuire gli oneri infrastrutturali per molti dispositivi di piccole dimensioni, oltre ad aumentare il numero di potenziali applicazioni.

Tra i numerosi mercati e applicazioni che fanno uso di connettori modulari si possono annoverare i seguenti:

  • Apparecchi di networking e router
  • Macchine per ufficio
  • Controlli industriali
  • Servoazionamenti
  • Elettronica medicale
  • Controllo del movimento
  • Apparati di test
  • Sistemi di sicurezza
  • Illuminazione “intelligente”
  • Apparecchiature commerciali e per la vendita al dettaglio
  • Telecamere IP
  • Sistemi VOIP
  • Set Top Box e apparecchi per slot machine
  • Schede di sviluppo
  • Dispositivi Hi-Rel

Sommario

I sistemi di connettori modulari sono stati ingegnerizzati per dare una risposta al passo coi tempi alle connessioni telefoniche, oramai superate e molto onerose in termini di installazione e di assistenza. Il successo è stato superiore alle aspettative in quanto la soluzione di interconnessione sviluppata è risultata molto semplice e adatta all’impiego in numerose altre applicazioni e mercati. Le caratteristiche intrinseche di questa soluzione – facilità di integrazione, installazione semplice e rapida, disponibilità di una vasta gamma di prodotti e accessibilità senza problemi da parte dell’utilizzatore – ne hanno favorito l’adozione su scala globale. I progettisti devono operare in sinergia con i fornitori del prodotto per comprendere la nomenclatura RJ e per specificare i prodotti di interconnessione in grado di soddisfare sia le esigenze attuali sia quelle future.

L’utilizzo dei connettori modulari per ammodernare e aggiornare prodotti esistenti o per integrarli in nuovi sistemi e reti permette di ottenere risultati estremamente positivi.



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