Quasi tutti i sistemi che cerchiamo di progettare utilizzano dei connettori di qualche tipo. Questi connettori possono essere solo interni, possono collegare una scheda a un'altra, aggiungere antenne per la comunicazione o fornirci ingressi e uscite esterni per alimentazione e segnale. Un elemento che è associato a ogni connettore è una resistenza aggiuntiva nella nostra catena del segnale. Tale resistenza, a seconda del connettore, può essere qualcosa di positivo o negativo per quello che stiamo cercando di ottenere.
In una catena del segnale ci sono diverse fonti di resistenza. Le tracce sulla scheda, indipendentemente dalle dimensioni o dal materiale, aggiungono una resistenza misurabile al circuito (a meno che non si riesca a posizionare dei superconduttori sui PCB, nel qual caso mi piacerebbe sapere come ciò sia possibile). Anche se ci piace pensare agli elementi di un circuito come "ideali", la verità è che contribuiscono anch'essi alla resistenza, a volte di proposito, per contribuire alla creazione di filtri o per adattare le impedenze per le antenne. I fili tra gli elementi sono molto simili alle tracce e aggiungono un'altra fonte di resistenza. Infine, abbiamo il connettore, che per noi potrebbe essere semplicemente un dispositivo attraverso cui passano alimentazione o dati, ma dobbiamo tenerne conto quando pensiamo alle resistenze che influiscono sui nostri circuiti.
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Effetti della resistenza elettrica
Quindi cosa succede quando la resistenza si manifesta nei nostri punti di connessione? La prima cosa che noteremo sarà probabilmente una caduta di tensione. Come con qualsiasi resistore in un sistema, si ha un differenziale di tensione quando la corrente lo attraversa, in alcuni casi, con correnti elevate, possono esserci cadute fino a 2/10 di volt, che nel complesso, non è una quantità elevata. Se si lavora su sistemi a bassa tensione come FPGA e microprocessori che utilizzano correnti molto elevate e funzionano a 3,3 V o meno, 2/10 di volt è qualcosa a cui si deve davvero prestare attenzione. Nei connettori ad alta tensione, diciamo 600 V, i 2/10 di volt probabilmente andranno persi nell'ondulazione residua.
Perdita di potenza dovuta alla resistenza
L'elemento successivo che viene notato è il calore o la perdita di potenza, poiché se si spinge la corrente attraverso un elemento resistivo ci sarà una perdita di potenza in calore e più l'elemento è resistivo più potenza andrà bruciata. Uno svantaggio di questo fatto è che l'efficienza del sistema diminuisce. Nel caso peggiore che ho visto, 1/10 della percentuale di perdita di potenza al connettore e quando si lavora su un sistema che cerca la massima efficienza possibile, un decimo della percentuale è una quantità ragguardevole. Un'altra conseguenza di questa perdita di potenza in calore è che il connettore stesso si surriscalda e i connettori tendono a depotenziarsi con l'aumento della temperatura, il che significa che la stabilità del sistema potrebbe essere compromessa da un connettore surriscaldato.
Resistenza elettrica: effetti positivi
Ho indicato svariati elementi negativi legati alla resistenza dei connettori, ma ci sono alcuni casi in cui una resistenza controllata del connettore è un fattore desiderabile. I primi che mi vengono in mente sono l'adattamento dell'antenna e l'uscita audio. Nei connettori RF si desidera che l'impedenza di output del trasmettitore sia il più adatta possibile all'impedenza dell'antenna, consentendo la massima potenza in uscita. Spesso i sistemi RF si basano su una specifica di 50 ohm. Nell'uscita audio, la situazione ideale prevede che l'impedenza dell'amplificatore sia inferiore all'impedenza dell'altoparlante, quindi i connettori devono essere a bassa resistenza per non influenzare questo rapporto.
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Un esperimento di resistenza elettrica
Ora che abbiamo esaminato alcune delle conseguenze della resistenza nei connettori, possiamo metterne insieme un paio e vedere cosa succede. Ho raccolto i dati di alcuni connettori Molex, appartenenti soprattutto alla gamma di connettori di alimentazione, come le serie EXTreme, Sabre e Mini-Fit. Questi connettori hanno resistenze che vanno da un bassissimo 0,15 milliohm, come la serie Zpower, a 20 milliohm, nei contatti di segnale PowerPlus, e supportano tensioni e correnti rispettivamente fino a 600 V e 50 A. Mi aspettavo di vedere un semplice schema di aumento della potenza e diminuzione della resistenza, ma non è stato così. Molex è andata oltre la semplice riduzione della resistenza, esaminando in modo più olistico le applicazioni a cui sono destinati i connettori e ottimizzandoli per soddisfare esigenze specifiche.
A seconda delle applicazioni, la sola resistenza del connettore non è il fattore decisivo, ma è necessario considerare anche la durata, il numero di cicli, i materiali, il caso d'uso e i costi. Nel complesso, all'aumentare dei livelli di potenza, la resistenza diminuisce, ma nei connettori di alimentazione c'è uno sforzo concertato per mantenere basse le resistenze, c'è più varianza nella resistenza nelle linee di segnale. La resistenza ha delle conseguenze sulla progettazione di un circuito e sull'adattamento dell'impedenza e dovrebbe essere tenuta ben presente quando si prendono decisioni sui componenti.