Guía de selección y aplicación de conectores de alta fiabilidad para SWaP-C

Los diseñadores de sistemas para aplicaciones de defensa y aeroespaciales se enfrentan a requisitos cada vez más estrictos de optimización de tamaño, peso, potencia y costo (SWaP-C). A medida que sus diseños se hacen más complejos y compactos, deben equilibrar estos requisitos con un alto rendimiento y fiabilidad. Los conectores tradicionales suelen tener dificultades para satisfacer estas demandas contradictorias, lo que obliga a los diseñadores a buscar alternativas para cumplir los requisitos de diseño y rendimiento del sistema.

Este artículo explora cómo las tecnologías avanzadas de conectores diseñadas explícitamente para SWaP-C pueden dar respuesta a las necesidades específicas de las aplicaciones de defensa y aeroespaciales. A continuación, presenta las soluciones de alta fiabilidad de Harwin y muestra cómo se aplican en diversos escenarios de defensa y aeroespaciales para lograr un rendimiento SWaP-C fiable.

Los factores que impulsan la miniaturización de los conectores

Desde los sistemas de periscopio submarino hasta los vehículos aéreos no tripulados (UAV), que transportan conjuntos de sensores cada vez más numerosos, los requisitos de una electrónica sofisticada en espacios reducidos son cada vez más complejos. La reducción al mínimo del tamaño de los componentes permite agregar sensores y otras características para aumentar las capacidades del sistema y mejorar el rendimiento aerodinámico.

Los conectores, tradicionalmente uno de los componentes más voluminosos, son fundamentales para el éxito de la miniaturización. Para reducir el tamaño de los conectores, se debe reducir el paso de los contactos y el peso, al tiempo que se mantiene la durabilidad y se garantiza un rendimiento eléctrico constante en condiciones extremas.

Harwin ha respondido a estos desafíos con familias integrales de conectores diseñadas específicamente para la optimización SWaP-C. Su planteamiento se centra en tres principios clave de diseño:

1. Reducción del tamaño de paso a tan solo 1.25 milímetros (mm) manteniendo una alta capacidad de transporte de corriente
2. Utilización de contactos de cobre berilio multidedo para la integridad de la señal en condiciones extremas
3. Carcasas termoplásticas de alta temperatura con uso selectivo de metales ligeros para mayor durabilidad

Esta filosofía de diseño se extiende a todas sus familias de productos de alta fiabilidad, desde conectores de señal de alta densidad hasta soluciones de tecnología mixta y alta potencia.

El impacto de la reducción del peso de los conectores en la movilidad y la eficiencia

La reducción de peso es crucial en la optimización de SWaP-C, especialmente para aplicaciones aerotransportadas y móviles. Los componentes más ligeros pueden mejorar la duración del vuelo y la maniobrabilidad, al tiempo que permiten transportar más equipos.

Los modernos conectores microminiatura pueden reducir considerablemente el peso en comparación con los conectores industriales tradicionales gracias a la selección estratégica de materiales. Por ejemplo, pueden utilizarse termoplásticos de alta temperatura rellenos de vidrio para las carcasas primarias. Al mismo tiempo, los diseñadores pueden emplear aleaciones ligeras de aluminio de forma selectiva solo donde se requiera metal para la protección contra interferencias electromagnéticas (EMI) e interferencias de radiofrecuencia (RFI) y para la durabilidad mecánica.

Incluso en aplicaciones de alta corriente en las que los diseños tradicionales dependen en gran medida de los componentes metálicos, estas combinaciones de materiales pueden mantener un sólido rendimiento eléctrico y mecánico al tiempo que minimizan la masa del conector.

Gestión de los costos de los conectores sin sacrificar la fiabilidad

En los diseños SWaP-C, el equilibrio entre reducción de costos y alta fiabilidad representa un desafío permanente para los diseñadores de sistemas de misión crítica. Para los conectores, esto significa seleccionar diseños y materiales que garanticen la durabilidad a largo plazo con un costo mínimo.

Una estrategia clave para gestionar los costos es centrarse en el costo total de propiedad y no solo en el precio inicial de los componentes. Aunque los conectores de alta fiabilidad pueden tener un costo inicial más elevado, su mayor vida útil y la reducción de las necesidades de mantenimiento pueden suponer un importante ahorro a largo plazo. Esto es especialmente valioso en aplicaciones en las que los conectores deben soportar condiciones extremas, como altas vibraciones, fluctuaciones de temperatura y ciclos de acoplamiento repetidos.

Además, los diseños de conectores estandarizados y modulares pueden reducir los costos de producción y mantenimiento gracias a una integración y sustitución más sencillas. Los conectores que cumplen las normas comunes del sector permiten la intercambiabilidad y una gestión racionalizada del inventario, lo que reduce los gastos a lo largo del ciclo de vida del producto.

Equilibrio entre potencia y tamaño

Los conectores también desempeñan un papel crucial en la gestión de la energía. El desafío consiste en desarrollar conectores capaces de soportar grandes cargas de potencia manteniendo un factor de forma compacto y garantizando una pérdida de energía mínima. Los conectores de alta fiabilidad deben permitir una transferencia de potencia eficiente, minimizar la generación de calor y evitar la formación de arcos eléctricos, todo ello sin dejar de cumplir las limitaciones de espacio y peso del diseño de sistemas modernos.

Para lograr eficiencia y fiabilidad, se necesitan materiales y diseños de contacto que ofrezcan baja resistencia. Los conectores con chapado de contacto resistente, aislamiento avanzado y geometría de contacto optimizada pueden suministrar potencia estable incluso en condiciones de funcionamiento extremas.

Un aspecto clave es combinar las conexiones de señal y alimentación en un único conector compacto. Aunque la integración de las líneas de señal y alimentación reduce el tamaño total del conector y libera un valioso espacio, también plantea problemas a la hora de gestionar las posibles interferencias entre las vías de señal y alimentación.

Ejemplo de aplicación: cabinas de aviones de combate

El examen de casos de uso típicos ayuda a ilustrar cómo se aplican en la práctica estos principios de diseño. Por ejemplo, las unidades de control de iluminación (LCU) de los aviones de combate necesitan conectores fiables para gestionar la iluminación en distintas condiciones de vuelo y misiones. Estos sistemas controlan la iluminación de cabina, exterior, de visión nocturna y de emergencia, lo que exige componentes que puedan proporcionar intensidades de iluminación variables dentro de entornos con poco espacio. El espacio limitado de la LCU requiere componentes de bajo perfil que se integren eficazmente sin comprometer el rendimiento.

Con un paso de 1.25 mm, los conectores Gecko SL de Harwin ofrecen una solución compacta y ligera que puede ser un 75% más ligera y un 45% más pequeña que los conectores Micro-D. Esto las hace especialmente adecuadas para entornos densos como las LCU. Entre las principales características de la familia Gecko SL se incluyen:

• 2.8 amperes (A) por contacto aislado y 2.0 A en todos los contactos al mismo tiempo
• Diseño de contactos de cuatro dedos de cobre de berilio de alta confiabilidad
• Moldeados realizados con termoplásticos rellenos de vidrio UL94V-0 (sin halógeno ni fósforo rojo)

La variante G125-MC10605M1-0150L dispone de un conector de seis posiciones que termina en cables individuales (Figura 1). Hay disponible una amplia gama de otros estilos de montaje, junto con ligeras cubiertas de aluminio que ofrecen una continuidad eléctrica mejorada, protección de los cables y un eficaz blindaje EMI/RFI.

Figura 1: Los conectores Gecko SL son útiles para entornos con limitaciones de espacio, como las cabinas de los aviones a reacción. La variante G125-MC10605M1-0150L tiene un conector de seis posiciones que termina en cables individuales. (Fuente de la imagen: Harwin)

Además de su tamaño compacto, los conectores Gecko SL son excepcionalmente resistentes. Soportan choques de hasta 100 g durante 6 milisegundos (ms) y vibraciones de hasta 20 g durante 6 horas, lo que las hace ideales para entornos aeroespaciales. Con un índice de durabilidad de 1000 ciclos de acoplamiento, estos conectores garantizan la fiabilidad a través de conexiones y desconexiones repetidas, un requisito común en aplicaciones de mantenimiento intensivo.

Ejemplo de aplicación: conectores de señal mixta para UAV

Otro ejemplo son los vehículos aéreos no tripulados que operan en entornos de defensa que requieren conectores resistentes y compactos que mantengan su funcionalidad en condiciones adversas. Estos vehículos sufren importantes vibraciones y sacudidas, por lo que la integridad de la señal es crucial para sus sistemas integrados.

Los conectores Datamate Mix-Tek de Harwin abordan estos desafíos integrando las líneas de alimentación y de señal en un solo encapsulado compacto. Este diseño, que ahorra espacio, presenta un paso de 2 mm que deja un amplio espacio en la placa de circuito impreso (placa CI) para componentes adicionales, lo que en última instancia mejora las capacidades y el rendimiento del UAV. Estos conectores minimizan la pérdida de potencia y señal gracias a los bajos valores de resistencia de contacto de 6 miliohmios (mΩ) para los contactos de señal y 25 mΩ para los contactos de potencia. Con una capacidad nominal de 500 ciclos de acoplamiento, garantizan la durabilidad en aplicaciones que requieren mantenimiento y reconexiones frecuentes.

Un ejemplo es el M80-5T10805M1-02-331-00-000, que combina dos contactos de potencia de 20 A cada uno con ocho contactos de señal de 3 A cada uno (Figura 2). Esta configuración satisface los requisitos de potencia de los sistemas críticos y las necesidades de datos de control y comunicación en la mayoría de las aplicaciones UAV.

Figura 2: El conector M80-5T10805M1-02-331-00-000 combina dos contactos de alimentación y ocho de señal con un paso de 2 mm en una sola carcasa para aplicaciones con limitaciones de espacio, como los vehículos aéreos no tripulados. (Fuente de la imagen: Harwin)

Ejemplo de aplicación: baterías de alta potencia para UAV

Los vehículos aéreos no tripulados (UAV) destinados a la defensa suelen requerir una potencia considerable, ya que funcionan con sistemas de baterías que suministran de decenas a cientos de kilovatios. Los conectores que conectan estas baterías a componentes críticos, como los motores, deben manejar altas corrientes de forma fiable y minimizar la pérdida de potencia.

Los conectores de alta fiabilidad Kona de Harwin satisfacen estas exigencias al soportar 60 A y 3000 voltios por contacto. Su paso de 8.50 mm permite cargas de potencia significativas mientras mantiene la resistencia de grado de defensa. Una resistencia de contacto de 2 mΩ garantiza unas pérdidas de potencia mínimas.

Un buen ejemplo es el KA1-MV10205M1 (Figura 3), que cuenta con dos pines de contacto macho para una capacidad de corriente máxima combinada de 120 A. Este conector es muy adecuado para las conexiones de baterías de UAV que necesitan un suministro de energía resistente a la vez que cumplen los requisitos SWaP-C.

Figura 3: Los conectores KA1-MV10205M1 tienen una capacidad nominal de 60 A y 3000 voltios por contacto y utilizan un diseño de contacto de seis dedos para mayor estabilidad en condiciones de fuerte impacto. (Fuente de la imagen: Harwin)

Los conectores Kona utilizan contactos de berilio-cobre chapados en oro, cuentan con un diseño de contacto de seis dedos para conexiones estables en condiciones de fuerte impacto y tienen un paso de 8.5 mm. Las carcasas traseras de aleación de aluminio y los cierres de rosca de acero inoxidable proporcionan un diseño ligero y duradero.

Conclusión:

Seleccionar un conector adecuado es crucial para equilibrar los diversos requisitos de la optimización SWaP-C. Las avanzadas soluciones de conectores de Harwin demuestran que es posible combinar compacidad, diseño ligero, eficiencia energética y durabilidad, lo que permite a los diseñadores satisfacer las complejas exigencias de las aplicaciones aeroespaciales y de defensa.