Seleccione los conectores adecuados para cumplir los estrictos requisitos eléctricos y mecánicos Mil/Aero

Los requisitos que se exigen a los conectores e interconexiones para aplicaciones militares y aeroespaciales (mil/aero), como aviónica, vehículos aéreos no tripulados (UAV), aviones, radares y satélites, son mucho más estrictos que los de las aplicaciones de consumo, médicas e industriales. Estos conectores mil/aero están sometidos a una amplia gama de factores de estrés eléctricos, mecánicos y medioambientales que degradarían o incluso dañarían los dispositivos convencionales, y aun así deben seguir cumpliendo sus especificaciones nominales de rendimiento.

Una interconexión de alta fiabilidad para aplicaciones mil/aero no es solo un contacto o un conjunto de contactos alojados en una caja resistente. El cuerpo, las juntas, las fuerzas de contacto y los materiales de contacto deben funcionar como un sistema integrado para garantizar el rendimiento en las condiciones especificadas.

Este artículo examina los desafíos a los que se enfrentan los diseñadores a la hora de seleccionar y utilizar interconexiones para aplicaciones mil/aero. A continuación, se presentan tres ejemplos de Molex y se muestra cómo se abordan estos retos.

Requisitos de los conectores resistentes

Un conector resistente es aquel que cumple sistemáticamente las especificaciones bajo condiciones mecánicas, ambientales y térmicas extremas. Estos factores de estrés difieren en función del entorno operativo, pero también se solapan considerablemente. Por ejemplo:

• Los conectores de los sistemas militares terrestres deben soportar fuertes vibraciones, gruesas acumulaciones de suciedad (polvo, arena, arenilla) y calor y frío extremos.
• Los conectores marítimos y de aguas profundas deben soportar una exposición prolongada al agua salada corrosiva y a la presión de aplastamiento.
• Los conectores aeroespaciales deben soportar repetidos despegues y aterrizajes, vibraciones en vuelo y amplios rangos de temperatura.
• Los conectores para el espacio experimentan oscilaciones de temperatura más extremas, exposición al vacío, desgasificación y un intenso estrés mecánico durante el lanzamiento y la reentrada.

El cumplimiento de estas especificaciones requeridas implica la comprensión de múltiples factores físicos fundamentales, entre ellos:

• Vibración: Los conectores de vehículos militares o aviones de combate se someten a pruebas para soportar hasta 20 g.
• Choque: Esta fuerza de alto impacto durante una aceleración o desaceleración rápida es distinta de la vibración. Puede llegar a 50 g para los conectores estándar y a 100 g para los diseños nano y micro; incluso existe una norma para los casos de piroshock (vibración estructural de alta magnitud, alta frecuencia y corta duración causada por la detonación de artefactos explosivos, como la separación de etapas en cohetes o el despliegue de la carga útil de misiles).
• Temperaturas extremas: Un sistema terrestre puede enfrentarse a temperaturas que oscilan entre -65 y 125 °C, mientras que los sistemas espaciales pueden alcanzar los 200 °C. Los ciclos térmicos hacen que los materiales se dilaten y contraigan, lo que puede debilitarlos y afectar a la conductividad. Además, las diferencias en el coeficiente de expansión térmica (CTE) entre los materiales de un conector pueden introducir tensiones mecánicas en las interfaces de los materiales, lo que puede provocar desalineaciones o fallos con el tiempo.
• Exposición a contaminantes: Para garantizar un funcionamiento fiable a largo plazo, los conectores deben protegerse de la humedad, el polvo y otros contaminantes con soluciones de sellado como juntas tóricas, juntas y arandelas.
• Corrosión: Se trata de un problema continuo causado por factores como la niebla salina y la oxidación. Los materiales de los conectores deben seleccionarse y aplicarse adecuadamente para evitar que estos fenómenos inevitables degraden la integridad del conector.

¿Qué es la fiabilidad?

En términos sencillos, la fiabilidad a largo plazo significa mantener un rendimiento constante a pesar del uso repetido, la exposición ambiental y el estrés mecánico. Este rendimiento viene determinado no solo por el uso del conector por primera vez, sino también por su capacidad para soportar ciclos de acoplamiento repetidos y funcionar correctamente. Muchos conectores, especialmente los de entrada/salida (E/S), se someten a cientos, o incluso miles, de ciclos de acoplamiento.

Hay dos aspectos entrelazados para que un diseño sólido tenga éxito: los propios contactos y la carcasa (cuerpo) que los mantiene en su sitio (figura 1).

Figura 1: Los materiales de contacto, la geometría y los chapados son factores esenciales en el diseño de conectores resistentes. (Fuente de la imagen: Molex)

El diseño de la superficie de contacto es crucial para garantizar que los conectores mantengan una baja fuerza de inserción a la vez que proporcionan conexiones fiables. El mecanizado de precisión de las geometrías de contacto reduce el desgaste en la conexión, mientras que el chapado en oro (Au) de la superficie de contacto evita la oxidación. El chapado en oro suele ser de 50 micropulgadas (µin) de espesor y se aplica sobre una capa inferior de níquel (Ni), que mejora la adherencia del chapado y aumenta aún más la resistencia a la corrosión. 

Estos chapados se aplican sobre el material base de aleación de cobre (Cu) del contacto. La combinación de chapado en oro y niquelado es esencial para la fiabilidad a largo plazo en aplicaciones aeroespaciales, de defensa y espaciales. El cobre de berilio (BeCu) se utiliza ampliamente como material base debido a su excelente relación resistencia-peso y a su excepcional resistencia a la fatiga. Es especialmente adecuado para los contactos de los miembros elásticos, donde la elasticidad y la resistencia a largo plazo bajo tensión son esenciales.

El bronce fosforado (CuSnP) es una alternativa adecuada para los contactos sin resorte, ya que ofrece un equilibrio entre resistencia y conductividad. Es resistente a la corrosión, tiene propiedades elásticas moderadas y se utiliza con frecuencia para conectores compactos y de paso fino que requieren cierta elasticidad, pero no están sometidos a una flexión continua.

El diseño de conectores resistentes requiere una cuidadosa consideración de múltiples factores (figura 2):

• Mantener la fuerza normal es fundamental para la fiabilidad. Un material de resorte de alto rendimiento mantiene la presión de contacto y la durabilidad.
• Una mayor fuerza de contacto reduce los entrehierros, disminuyendo la resistencia y mejorando la integridad de la señal. La geometría optimizada distribuye la presión para una conductividad estable.
• El enganche de contacto es el solapamiento axial entre el pasador y el casquillo, que equilibra la fuerza, la continuidad y la estabilidad mecánica.

Figura 2: Mantener la fuerza normal es fundamental para la fiabilidad (arriba), mientras que una mayor fuerza de contacto reduce los entrehierros (abajo), lo que disminuye la resistencia y mejora la integridad de la señal. (Fuente de la imagen: Molex)

A nivel microscópico, la zona de contacto de acoplamiento no es solo el encuentro de dos superficies lisas y planas. En cambio, la interfaz contiene rugosidades microscópicas, picos e irregularidades en los puntos donde se establece o se rompe el contacto óhmico. Aplicar más fuerza aplana estas asperezas, mejorando así la conducción, reduciendo la resistencia y garantizando un rendimiento constante. Sin embargo, el aumento de la fuerza también repercute en las fuerzas de acoplamiento y desacoplamiento, así como en el desgaste de la superficie de contacto.

Un sistema de contacto bien diseñado equilibra la longitud de enganche y la fuerza normal para evitar conexiones débiles, desgaste excesivo y tensión mecánica. Si la fuerza de contacto es demasiado baja, la resistencia eléctrica aumenta, provocando la inestabilidad de la señal. Por el contrario, demasiada fuerza acelera el desgaste del chapado y provoca una fatiga prematura en la estructura de contacto.

A diferencia de los conectores comerciales con uno o posiblemente dos puntos de contacto, los conectores reforzados incorporan sistemas de contacto multipunto para distribuir las cargas mecánicas de las vibraciones o los golpes (figura 3). Estos sistemas de contacto evitan la formación de arcos o la pérdida de señal causada por micromovimientos y proporcionan vías de contacto redundantes para sistemas críticos.

Figura 3: Los diseños de contacto multipunto mejoran la estabilidad y la integridad de la señal. (Fuente de la imagen: Molex)

El sistema de contacto también puede incluir elementos elásticos para mantener una fuerza de contacto constante a lo largo del tiempo. Estos contactos accionados por resorte compensan las ligeras variaciones en la alineación de los contactos, al tiempo que garantizan una conductividad fiable a lo largo de repetidos ciclos de acoplamiento. Sin embargo, una fuerza excesiva puede desgastar demasiado la chapa de contacto.

Más allá de los contactos: carcasas y cajas de conectores

Aunque el rendimiento de los conectores sólidos empieza por los contactos, las carcasas de los conectores hacen algo más que encerrar los contactos eléctricos internos: también los protegen de la tensión mecánica, las temperaturas extremas, los elementos corrosivos y la entrada de humedad, todo ello manteniendo un equilibrio entre durabilidad y peso. Los diseñadores pueden elegir entre varias opciones de materiales para las viviendas:

• Los polímeros termoplásticos como la poliéter éter cetona (PEEK), el polisulfuro de fenileno (PPS) y la polieterimida (PEI) proporcionan una excelente resistencia mecánica, resistencia térmica y estabilidad química. Estos materiales absorben eficazmente las vibraciones y los choques en estructuras ligeras.
• Los materiales compuestos, como los polímeros reforzados con fibra de vidrio y los compuestos de fibra de carbono, ofrecen una excelente relación resistencia-peso. Pueden diseñarse para optimizar propiedades específicas como la resistencia a la tracción, la resistencia al impacto o la estabilidad térmica.
• El acero inoxidable y las aleaciones de aluminio son los materiales preferidos para las carcasas de los conectores debido a los elevados niveles de choque, vibración e interferencias electromagnéticas (EMI) de las aplicaciones aeroespaciales y de defensa.

Las carcasas de los conectores de acero inoxidable ofrecen una resistencia a la corrosión y una solidez mecánica excepcionales, por lo que son idóneas para aplicaciones marinas, industriales y aeroespaciales expuestas a la humedad, los productos químicos o la niebla salina. Las aleaciones de aluminio ofrecen un buen equilibrio entre un fuerte blindaje contra la EMI, un peso ligero y facilidad de mecanizado, lo que las convierte en el material preferido para las carcasas de conectores en vehículos militares, aviónica y aplicaciones espaciales en las que es esencial reducir el peso.

Algunos conectores sólidos utilizan sistemas de enclavamiento de bajo perfil que proporcionan estabilidad y un acoplamiento seguro al tiempo que reducen el tamaño total. Los cierres con resorte o los mecanismos de empuje para bloquear, por ejemplo, hacen que los conectores sean mecánicamente fiables y fáciles de manejar en las condiciones del campo de batalla.

Calificación espacial: otra frontera

Los conectores utilizados en satélites, sondas de espacio profundo y sistemas aeroespaciales de gran altitud están expuestos constantemente a radiaciones ionizantes, que pueden degradar los materiales, mermar el rendimiento eléctrico y debilitar la integridad estructural. Estos conectores deben construirse para resistir la fragilización inducida por la radiación, la pérdida de conductividad y la erosión por oxígeno atómico, manteniendo al mismo tiempo la fiabilidad en entornos de vacío.

Para estas aplicaciones, los termoplásticos endurecidos por radiación (rad-duros), como el PEEK y el PPS, ofrecen una resistencia superior a la radiación al tiempo que mantienen una baja desgasificación. El blindaje metálico fabricado con aleaciones de aluminio de calidad aeroespacial con un acabado de níquel químico proporciona durabilidad estructural a la vez que protege contra la radiación y la exposición al oxígeno atómico. Por último, el chapado en oro forma una barrera protectora contra los daños por radiación, preservando la integridad eléctrica y la fiabilidad de los contactos durante misiones espaciales prolongadas.

Las familias de conectores ilustran una variedad de soluciones

No existe un único tipo de conector sólido que se adapte a todas las necesidades, por lo que empresas como Molex ofrecen una amplia variedad de opciones. Un vistazo a los conectores D-subminiatura (D-sub), de terminación RF y de placa RF destaca las capacidades frente a las aplicaciones, las clasificaciones y los mecanismos de bloqueo y retención, entre otras características.

Al estar bien establecido, el sub-D sigue siendo ampliamente utilizado por su gama de contactos (9, 15, 25, 37 y 50), capacidad de manejo de señales, enchavetado físico y diversas opciones de acoplamiento y retención. Un ejemplo es el 0732841811 de Molex (figura 4), un conector hembra de 9 pines a macho (clavija/toma) de 9 pines con filtro EMI y disposición "colgante libre". Entre otras aplicaciones, puede utilizarse para acoplar dos conectores de distinto género.

Figura 4: El 0732841811 es un adaptador D-sub de 9 pines macho/hembra. (Fuente de la imagen: Molex)

Sus patillas tienen una baja resistencia de contacto de 10 miliohmios (mΩ), mientras que los capacitores integrales de 1000 picofaradios (pF) proporcionan una frecuencia de corte de 3.2 megahercios (MHz) para el filtrado de EMI e interferencias de radiofrecuencia (RFI). El caparazón mide aproximadamente 0.304 in de ancho × 0.64 in de largo (7.72 × 16.26 mm) y está hecho de zinc niquelado, mientras que el aislante del cuerpo es de poliéster relleno de vidrio.

Para la terminación de cables de RF, el 0732870620 (figura 5) es un conector coaxial de 26.5 gigahercios (GHz) y 50 Ω (clavija macho) que se utiliza para tapar (terminar) un puerto de RF no utilizado. Si lo hace, evitará que la energía de la señal se refleje en el cable, lo que podría provocar distorsiones en la señal, interferencias e incluso daños en componentes electrónicos sensibles.

Figura 5: El 0732870620 es un terminador SMA de 26.5 GHz y 50 Ω que tapa un puerto de RF no utilizado para evitar reflexiones de señal. (Fuente de la imagen: Molex)

La 0732870620 presenta una relación de onda estacionaria de tensión (VSWR) casi unitaria de 1.05:1 en CC, que se eleva a solo 1.35:1 en su frecuencia máxima. El cuerpo es de acero inoxidable pasivado, mientras que el conductor es de BeCu chapado en Au. El dispositivo tiene una potencia nominal de 1 vatio (continuo) a 25 ˚C, con una potencia nominal máxima de 1 kilovatio (kW) con un impulso de 5 microsegundos (µs) y un ciclo de trabajo de 0.05%.

Las interconexiones de placas filtrantes de RF son menos conocidas que los conectores estándar, pero desempeñan un papel importante. Se trata de componentes especializados de alta densidad diseñados para suprimir la EMI a nivel de mamparo o de módulo. A diferencia de los filtros de paso de señal, las placas filtrantes bloquean o atenúan la EMI dentro de un rango de frecuencias específico, manteniendo así la integridad de la señal y reduciendo el ruido, al tiempo que evitan la diafonía y la distorsión en aplicaciones de alta frecuencia.

Una placa como la 0732860030 (figura 6, izquierda) presenta múltiples líneas de señal filtradas para reducir el trabajo de instalación y ahorrar espacio en las placas de circuitos. Presenta dos filas de seis clavijas rectas cada una dentro de sus 1.06 in (26.92 mm) de largo, y utiliza un filtro de capacitor de paso de 100 pF (estilo C) con una frecuencia de corte máxima de 3 dB de 50.3 MHz. Tiene una pérdida de inserción de 0 dB a unos 50 MHz, que aumenta a 50 dB (típico) a 10 GHz (figura 6, derecha).

Figura 6: La placa de filtro 0732860030 (izquierda) presenta dos filas de seis pines, utiliza un filtro tipo C de 100 pF con una frecuencia de corte de 3 dB a 50.3 MHz, y tiene una pérdida de inserción de 0 dB a unos 50 MHz, que aumenta a 50 dB (típica) a 10 GHz (derecha, línea B). (Fuente de la imagen: Molex)

La placa de latón de la base está estañada, mientras que las clavijas chapadas en Au pueden soportar señales de 100 voltios a 3 amperios (A).

Los requisitos de los conectores e interconexiones en aplicaciones sólidas, así como sus materiales, están definidos por normas de diversas organizaciones. Muchas de ellas se enumeran en las Normas pertinentes^.1

Conclusión

Los requisitos que deben cumplir los conectores e interconexiones reforzados que se utilizan en entornos militares, aeroespaciales, en el espacio cercano y profundo y en otros entornos difíciles son estrictos. Requieren una comprensión y una consideración cuidadosa de las compensaciones implicadas en los materiales, el diseño y la fabricación de contactos y carcasas para producir conectores adecuados para estas condiciones. Molex ofrece soluciones reforzadas, cada una con una amplia variedad de opciones, para que los diseñadores puedan elegir una solución optimizada y cumplir los objetivos de rendimiento críticos.

Normas pertinentes

• Norma MIL-STD-202 de métodos de prueba, piezas de componentes electrónicos y eléctricos
• Consideraciones de ingeniería medioambiental MIL-STD-810 y pruebas de laboratorio
• Métodos de ensayo MIL-STD-1344 para conectores eléctricos
• Pruebas de choque mecánico EIA 364-27 de conectores y tomas eléctricos
• Especificación general MIL-DTL-83513 para conectores, eléctricos, rectangulares, microminiatura, carcasa polarizada
• Norma de interfaz MIL-STD-348 del Departamento de Defensa: Interfaces de conectores de radiofrecuencia para aplicaciones militares
• Prueba de desgasificación estándar ASTM-E595 de la NASA
• Protección NASA-STD-6012 contra la corrosión para equipos de vuelo espacial
• Requisitos de control de fracturas NASA-STD-5019 para hardware de vuelos espaciales
• Criterios de prueba de piroshock NASA-STD-7003
• Grado de protección contra ingreso IP67
• Norma UL94V-0 de seguridad de inflamabilidad de materiales plásticos para piezas de dispositivos y aparatos

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