Cómo aprovechar los beneficios de los conectores de cable a placa en diseños ultracompactos

Son populares las conexiones cableadas compuestas por cables insertados en una carcasa de receptáculo que se conectan a una cabecera montada en una placa. Ofrecen una solución simple, resistente y de bajo costo para el enrutamiento de la energía y las comunicaciones entre las placas de PC individuales en productos utilizados para aplicaciones automotrices, industriales, de iluminación y de telecomunicaciones.

Sin embargo, estas conexiones de cable a placa tienen algunos inconvenientes. Por ejemplo, los conectores convencionales son voluminosos y tienen un perfil alto, lo que los hace poco prácticos para los diseños compactos. Además, el ensamblaje del conector y el cable puede ser complicado, retrasando los procesos de producción en masa.

La introducción de conectores ultracompactos con perfiles de tan sólo 1.4 milímetros (mm), diseñados para ser compatibles con el montaje automatizado de superficie y la construcción simplificada de cables, aborda ahora este problema. Aunque estos conectores son diminutos, cumplen con las exigencias de integridad mecánica y eléctrica de un enlace alámbrico fiable, con características como contactos chapados en oro, capacidades de alivio de tensión y mecanismos de bloqueo que permiten una simple desconexión cuando es necesario.

En este artículo se exploran brevemente las ventajas de las conexiones por cable antes de mostrar cómo una nueva generación de conectores compactos facilita el aprovechamiento de esas ventajas en los productos electrónicos. El artículo explora entonces la anatomía de estos conectores utilizando ejemplos de Molex para mostrar cómo los conectores, aunque diminutos, ofrecen un enlace de señal de alta integridad, y cómo las características de los conectores y los cables asociados se prestan a un ensamblaje de gran volumen.

La reducción de las conexiones de los cables

Los conectores y cables prometen una solución simple, fiable y económica para la transferencia de energía y de señales entre múltiples placas de circuito impreso (PCB) alojadas dentro de un mismo producto. Pero para cumplir esta promesa, estas conexiones deben ser lo suficientemente resistentes como para asegurar un alto rendimiento de integridad de la señal incluso cuando están sujetas a vibración, suciedad y calor. Una solución probada proviene del fabricante de conectores Molex, que ha desarrollado un sistema que comprende terminales de receptáculo, carcasas de receptáculo y cabeceras (Figura 1).

Figura 1: Un sistema de cable a placa proporciona una solución de conectividad simple, resistente y de alta integridad. (Fuente de la imagen: Molex)

En la figura 2 se muestra una ilustración del sistema de cable a placa Molex.

Figura 2: El sistema de cable a placa de Molex incluye un cable, un terminal de receptáculo que se enchufa en la carcasa del receptáculo y un conjunto de cabecera que se acopla a la carcasa. (Fuente de la imagen: Molex)

Los sistemas convencionales de este tipo, como el sistema Cable a placa Mini-Lock de Molex, utilizan un paso de 2.5 mm para el espaciado de los pines del conector. Aunque estos sistemas funcionan bien, el paso relativamente amplio tiende a hacer que las dimensiones generales del receptáculo y los cabezales sean bastante grandes. Por ejemplo, la placa montada en el cabezal 0534260610 de 6 posiciones mide 17.4 mm de ancho x 11.5 mm de profundidad x 6.7 mm de altura (para un volumen de 1340 mm³). La carcasa del receptáculo de acoplamiento (0511020600) mide 15.5 mm de ancho x 9.5 mm de profundidad x 5.8 mm de alto (para un volumen de 850 mm³).

Recientemente, Molex ha lanzado sistemas de cable a placa con pasos más estrechos. Tales productos incluyen la capacidad de corriente de 2 amperios (A), los sistemas Pico-Lock de 1.5 mm (5040500691) y 1.0 mm (5037630691), y el sistema Pico-EZmate de 1.2 mm (0781715006). El impacto de las clavijas de paso más estrecho reduce notablemente las dimensiones totales del conector (Tabla 1).

Tabla 1: Las dimensiones de los cabezales de seis posiciones en las series Mini-Lock (0534260610), Pico-Lock (5040500691 y 5037630691), y Pico-EZmate (0781715006). (Fuente de la tabla: Digi-Key Electronics)

Debido a que los sistemas de conectores ocupan poca área de la placa y presentan un perfil muy bajo, (Figura 3), los ingenieros pueden aprovechar la conectividad fiable y barata de cable a placa en productos que antes eran demasiado pequeños para acomodar la tecnología.

Figura 3: El cabezal Pico-Lock montado en superficie presenta un perfil de 1.5 mm que permite su uso en productos finales compactos. (Fuente de la imagen: Molex)

Elementos clave de los conectores de cable a placa

Un elemento clave de la simplicidad del sistema de conexión del Molex es el terminal de recepción. Este es el componente que primero se engarza en el extremo del cable y luego se inserta en la carcasa del receptáculo. Molex ofrece varios terminales receptáculos, incluyendo el chapado en oro (5040520098) para su uso con cables de 24 - 28 AWG y sus conectores Pico-Lock y el 0781720411 para su uso con cables de 28 - 30 AWG y el sistema Pico-EZmate. Las conexiones engarzadas se hacen con herramientas manuales como la engarzadora 0638275700 o sistemas de engarce automatizados.

Una conexión formada con un terminal de receptáculo engarzado (figura 4) comprende varias partes clave, como se indica a continuación:

• Boca de campana: Es la llamarada formada en el borde del engarce del conductor que actúa como embudo para los hilos de alambre. Es importante porque reduce la probabilidad de que un borde afilado en el terminal del receptáculo corte o mella una hebra de cable.
• Rizo del conductor: Es el elemento más importante de la conexión y se forma por la compresión mecánica del terminal alrededor del conductor del cable, lo que crea un camino eléctrico común con baja resistencia y alta capacidad de conducción de corriente sin necesidad de una operación de soldadura adicional.
• Cepillo de conductor: Se refiere a los hilos de alambre que se extienden más allá del engarce en el lado de contacto del terminal (pero que no invaden la zona de acoplamiento de la conexión engarzada). Esta extensión es importante porque asegura que la compresión mecánica ejercida durante el proceso de engarce se aplique a través de la zona máxima de los conductores del alambre.
• Rizo de aislamiento: Es la parte del terminal que proporciona el soporte del cable para la inserción en la carcasa y el alivio de tensión. Necesita sujetar el cable tan firmemente como sea posible sin cortar los conductores.

Figura 4: Partes de una conexión engarzada formada con terminales y herramientas del receptáculo Molex. (Fuente de la imagen: Molex)

Una conexión bien hecha y engarzada tiene las siguientes características (Figura 5):

• Un engarce de aislamiento que comprime el aislamiento sin perforar
• Un cepillo conductor que sobresale por el frente de la sección de engarce del conductor por lo menos el diámetro del conductor del cable
• Aislamiento y conductor que son visibles en el área entre el aislamiento y la sección de engarce del conductor
• Una sección de engarce del conductor que muestra una forma de boca de campana en los extremos anterior y posterior.
• Secciones de transición y apareamiento que no se ven perturbadas por el proceso de engarce

Figura 5: Las características de una conexión engarzada bien formada incluyen un engarce de aislamiento que comprime el aislamiento sin perforarlo y una boca de campana visible. (Fuente de la imagen: Molex)

La medición de la altura del engarce es una forma rápida y no destructiva de verificar la compresión mecánica del engarce alrededor del conductor del cable. La altura del rizo se define como la distancia medida desde la superficie superior del rizo formado hasta la superficie radial inferior. Otra indicación visual de la calidad del engarce son las extrusiones (o pequeñas llamaradas) que se forman en la parte inferior del engarce del conductor como resultado del espacio entre el punzón y el yunque. Si el yunque está desgastado o si la terminal está sobrecargada, se produce una extrusión excesiva. La extrusión desigual también puede ocurrir si el punzón y el yunque están desalineados o si el ajuste de la alimentación es incorrecto.

También es importante que el terminal del receptáculo engarzado se alinee mecánicamente después del montaje; la desalineación de la sección engarzada y la sección de acoplamiento por torsión o doblado imposibilitará la inserción del conector hembra en el cabezal del conector.

Una vez formados con éxito, los terminales del receptáculo engarzados se insertan en la carcasa del receptáculo. Siempre que el terminal del receptáculo engarzado esté alineado mecánicamente, esto no debería ser difícil, pero es importante asegurarse de que el terminal se enganche correctamente con el cabezal. Las carcasas suelen incluir mecanismos de bloqueo para evitar que los terminales se desconecten una vez enganchados en su lugar en caso de que los cables asociados se pongan bajo tensión. Por ejemplo, la carcasa de receptáculo de 6 posiciones 5037640601 de Molex para los terminales de la serie Pico-Lock presenta una lanza de molde en la carcasa que se engancha con una lanza de metal en el terminal de receptáculo y evita que el receptáculo se saque de la carcasa (Figura 6).

Figura 6: En la serie Pico-Lock de Molex, una lanza en el terminal del receptáculo se acopla con una lanza de molde en la carcasa del receptáculo para asegurar el receptáculo en su lugar. (Fuente de la imagen: Molex)

Una vez que los terminales del receptáculo se han insertado en la carcasa del receptáculo, el ensamblaje de cable completo se puede insertar en el cabezal montado en la placa. Una vez más, el diseño del sistema de conectores hace que esto sea relativamente sencillo, siempre que la carcasa y el cabezal estén alineados mecánicamente (lo que requiere cuidado porque los conectores son muy pequeños). De la misma manera que los terminales del receptáculo están bloqueados en la carcasa del receptáculo para evitar que se suelten, la carcasa y los cabezales también incluyen mecanismos para garantizar que una vez que el cabezal se inserte, no pueda desconectarse fácilmente. Por ejemplo, las carcasas de los receptáculos de 6 posiciones para la serie Pico-Lock incluyen un cierre de fricción y dos cierres positivos que se activan una vez que la carcasa se conecta al cabezal (Figura 7).

Figura 7: Los cabezales Pico-Lock incluyen un cierre de fricción y dos cierres positivos para asegurar un acoplamiento resistente. (Fuente de la imagen: Molex)

Construido para el ensamblaje automatizado

Los sistemas de cable a bordo pueden resultar un desafío para los fabricantes de productos de gran volumen porque los cabezales convencionales presentan perfiles incómodos y suelen emplear conexiones de paso para montarlos en la placa de la computadora. (El Mini-Lock 0534260610 de Molex, por ejemplo, tiene tecnología de orificios pasantes). Estas características hacen que sea poco práctico utilizar equipos de colocación automática para ensamblar el conector en la placa, lo que obliga a los fabricantes a añadir un proceso manual a la línea, ralentizando la producción.

Para superar esto, los cabezales Pico-EZMate y Pico-Lock (montados en la placa) de Molex han sido diseñados para montaje en superficie. Los dispositivos cuentan con almohadillas de soldadura en lugar de conexiones con agujeros pasantes y han sido diseñados para empaquetar directamente en las bobinas utilizadas por las máquinas de colocación automática. Además, los cabezales presentan superficies planas para ayudar a recoger de la máquina de colocación las boquillas de vacío (Figuras 8, 9 y 10).

Figura 8: Los conectores Pico-Lock y Pico-EZmate de Molex están diseñados para montaje en superficie. Aquí se muestra el patrón de la almohadilla de soldadura para un cabezal Pico-Lock. (Fuente de la imagen: Molex)

Figura 9: Los conectores Pico-Lock y Pico-EZmate de Molex pueden suministrarse en bobinas adecuadas para máquinas de colocación automática. Aquí se muestra el embalaje del carrete para el cabezal Pico-Lock. (Fuente de la imagen: Molex)

Figura 10: Los conectores Pico-Lock y Pico-EZmate de Molex presentan grandes superficies planas para la colocación automática de las herramientas de toma de vacío de la máquina. Aquí se muestra la superficie de recogida del cabezal Pico-Lock. La dimensión 'A' mide 9.8 mm para el cabezal de 6 posiciones. (Fuente de la imagen: Molex)

Conclusión

Los sistemas de conectores de cable a placa ofrecen un método probado y económico para el enrutamiento de la energía y las señales entre placas de PC en productos de automoción, industriales, de iluminación y de telecomunicaciones. Sin embargo, las dimensiones relativamente voluminosas de los diseños convencionales han impedido su uso en productos finales más compactos.

Una nueva generación de sistemas compactos de cable a placa permite ahora a los ingenieros extender los beneficios de estos productos a unidades mucho más pequeñas. Siempre que los productos se ensamblen según las especificaciones del fabricante, estos sistemas de conectores son capaces de un servicio fiable a largo plazo y pueden transportar corrientes de hasta 2 A incluso para los conectores con los más finos pasos de clavijas.

Mejor aún, los cabezales montados en la placa que forman parte de estos sistemas han sido diseñados para ser utilizados con las máquinas de colocación automática comunes en los entornos de ensamblaje de gran volumen.