Información sobre cómo los contactos superiores mejoran el rendimiento de los conectores multiposición

Los conectores son el vínculo mecánico y eléctrico fundamental entre las subsecciones de un sistema o entre un sistema y el mundo exterior. Varios factores determinan la elección del tipo de conector, como los requisitos eléctricos y mecánicos, las normas del sector, la facilidad de uso y fabricación, el número y tipo de contactos, los escenarios de acoplamiento y desacoplamiento, los objetivos de fiabilidad y los mandatos normativos. Aún así, el clásico cuerpo del conector D-subminiatura (D-sub) se ha utilizado durante décadas y sigue siendo el conector preferido para muchas aplicaciones.

Aunque el estilo del cuerpo del conector y la disposición de los contactos reciben mucha atención, los contactos influyen significativamente en el rendimiento eléctrico y mecánico de un conector. A medida que los diseños se hacen más complejos y las aplicaciones más exigentes, los diseñadores deben estar al tanto de las últimas innovaciones en tecnología de contactos para cumplir las normas y requisitos adecuados, sobre todo en cuanto a resistencia, fuerza de inserción y retención, resistencia de los contactos y tolerancia a la temperatura.

Este artículo ofrece una breve visión general de las tendencias en materia de conectores, haciendo hincapié en el papel que siguen desempeñando los conectores D-sub. A continuación, presenta los contactos avanzados de Amphenol Positronic y muestra cómo pueden utilizarse para mejorar el rendimiento de los conectores.

USB, Ethernet y la importancia de los conectores D-sub

A pesar del menor uso de la clásica interfaz RS-232 y del auge de diversas versiones de conectores USB y Ethernet, el clásico conector D-sub de 9 patillas (a menudo denominado DB-9) y el resto de la amplia familia de conectores D-sub siguen desempeñando un papel importante en la comunicación de sistemas electrónicos. Hay muchas razones para este uso continuado. Aunque USB y Ethernet pueden satisfacer muchos requisitos de interconexión, estos dos tipos de conectores ampliamente utilizados son interfaces serie y no multilínea. Pueden transportar datos y energía simultáneamente, pero solo con severas restricciones en cuanto al tipo de señal, los máximos de tensión e intensidad y la potencia nominal.

Por su diseño, USB y Ethernet no pueden gestionar múltiples señales no relacionadas o formatos variables con la misma eficacia que una interfaz con múltiples vías de contacto paralelas. Una consideración adicional, aunque crítica, es que las conexiones USB y Ethernet estándar no se diseñaron para el nivel de integridad y robustez mecánica y eléctrica necesario en muchas situaciones.

Por estas y otras razones, el conector D-sub sigue siendo muy utilizado. Este formato existe desde los años 50 y ofrece muchas ventajas. Está totalmente blindado contra interferencias electromagnéticas (EMI) e interferencias de radiofrecuencia (RFI), ofrece una carcasa sellada o casi sellada, es mecánicamente robusto y sus mitades de acoplamiento se pueden bloquear entre sí con pequeños tornillos de fijación. El cuerpo del conector D-sub, o carcasa, se ofrece en al menos seis tamaños estándar y ofrece flexibilidad en sus posiciones y tipos de contacto eléctrico. Además de ofrecer conectores con el mismo tipo de contacto en todas las posiciones, los D-sub "Combo-D" admiten una combinación de contactos de señal y alimentación independientes dentro de un mismo conector (Figura 1, arriba).

Figura 1: El estilo de conector subminiatura Combo-D admite muchas combinaciones de rutas para señales y alimentación (arriba); los conectores D-sub están disponibles en tamaños de carcasa y disposiciones de contactos estándar (abajo). (Fuente de la imagen: Amphenol Positronic)

Un solo conector D-sub admite diversas combinaciones estándar (Figura 1, abajo). Están disponibles en versiones de dos filas para densidad estándar y de tres filas para alta densidad. Hay contactos para señales, alimentación, apantallamientos, alta tensión, termopares y fibra óptica.

Innovaciones en tecnología de contacto

Las virtudes de la carcasa del conector D-sub son una parte importante de la historia del conector, pero los contactos eléctricos y sus atributos también son fundamentales para el éxito del montaje del conector. A lo largo de los años, se han producido muchas mejoras en la tecnología de los contactos en lo que respecta a materiales, diseño y rendimiento eléctrico y mecánico.

Entre ellas se encuentra la tecnología de contacto PosiBand patentada por Amphenol Positronic (patente estadounidense 7,115,002). PosiBand adopta un enfoque innovador de los contactos que difiere de los diseños clásicos para ofrecer un rendimiento mejorado en muchos parámetros clave.

El diseño del elemento de presión externa PosiBand separa totalmente la acción mecánica de la acción eléctrica de la conexión (figura 2). El elemento de presión realiza la acción mecánica aplicando una fuerza que presiona el pasador macho contra la cavidad hembra interior para formar una línea larga de contacto eléctrico directo. La longitud de la línea de interfaz puede variar, lo que permite a los diseñadores optimizar la resistencia de interfaz de la conexión. Un anillo sólido e ininterrumpido en el punto de entrada aumenta la resistencia mecánica del contacto.

Figura 2: PosiBand utiliza un diseño patentado para separar la acción mecánica y eléctrica de la conexión. (Fuente de la imagen: Amphenol Positronic)

La abrazadera de resorte (figura 3, izquierda) dentro del PosiBand es una pieza pequeña pero fundamental del conjunto y un factor clave para su rendimiento. Esta aleación de berilio-cobre templada por resorte proporciona una fuerza normal en el contacto macho, contribuyendo a un emparejamiento de contactos resistente y fiable (Figura 3, derecha). Al mismo tiempo, ofrece una fuerza de inserción media inferior, al tiempo que cumple o supera los requisitos de rendimiento.

Figura 3: La abrazadera de resorte PosiBand (izquierda) proporciona una fuerza normal a través del área de contacto (derecha) para maximizar el área de contacto eléctrico de la superficie de contacto. (Fuente de la imagen: Amphenol Positronic)

El contacto base PosiBand está hecho de latón, que tiene excelentes propiedades para prensar alambre en los contactos. También elimina la necesidad de recocido del material, que no sólo aumenta el costo, sino que también es un paso que puede hacerse incorrectamente en la fabricación, causando problemas a largo plazo.

El sistema PosiBand también aumenta el área de interfaz entre los contactos macho y hembra, en comparación con los diseños de contacto tradicionales, para una integridad eléctrica más fiable. A nivel micro, hay un mayor número de caminos eléctricos a través de la interfaz de contacto. La mayor superficie de contacto reduce la probabilidad de discontinuidad durante la vibración.

Contraintuitivamente, la mayor superficie de contacto que ofrece el sistema PosiBand no aumenta las fuerzas de inserción; al contrario, el diseño PosiBand proporciona un valor de fuerza de inserción más consistente, lo que se traduce en una fuerza de inserción media más baja.

Los productos Positronic forman parte de la Lista de Productos Cualificados (QPL) de la Agencia Logística de Defensa de EE. UU. (DLA), lo que significa que han cumplido los requisitos que incluyen la identificación adecuada del producto, la cualificación y las pruebas de verificación periódicas. PosiBand cumple las especificaciones SAE AS3902 y MIL-DTL-24308, así como los requisitos de la prueba de separación por contacto de 40 gramos (g) de GSFC S-311-P4/08 y GSFC S-311-P4/10.

Tamaño y resistencia de los contactos

Los contactos PosiBand están disponibles en los tamaños estándar 20 y 22. El primero está diseñado para alambres de calibre americano (AWG) 20, 22 y 24, mientras que el segundo está diseñado para alambres AWG 22, 24, 26, 28 y 30.

La resistencia máxima de los contactos de tamaño 22 es de 0.005 ohmios (Ω), mientras que la cifra correspondiente a los contactos de tamaño 20 es de 0.004 Ω. Esta baja resistencia de contacto, y el consiguiente bajo autocalentamiento debido a las mínimas pérdidas^I2Rresultantes, ofrece a los diseñadores la oportunidad de utilizar contactos de tamaño 22 y 20 para la alimentación.

Las características térmicas de los contactos son un factor que algunos ingenieros desconocen o solo tienen en cuenta al final del proceso de diseño y selección de conectores. No obstante, las térmicas son un factor crítico a la hora de evaluar el rendimiento del conector y del sistema. Los contactos PosiBand de tamaño 20 (Figura 4, arriba) y de tamaño 22 (Figura 4, abajo) están completamente caracterizados para el aumento de temperatura en función de la corriente para varias configuraciones de contacto.

Figura 4: Se muestra el aumento de temperatura frente a la corriente nominal para los contactos PosiBand de tamaño 20 (arriba) y 22 (abajo) en varias configuraciones. (Fuente de la imagen: Amphenol Positronic)

La corriente máxima permitida está limitada por la temperatura máxima que pueden tolerar la conexión y el contacto.

Productos PosiBand para aplicaciones reales

Para los diseñadores que ensamblan su propio cableado y conectores, los contactos PosiBand están disponibles como artículos individuales. Por ejemplo, el FC6020D2-14 (Figura 5) es un contacto hembra mecanizado de aleación de cobre de tamaño 20 que se engarza en la terminación del cable.

Figura 5: El FC6020D2-14 es un contacto hembra mecanizado de aleación de cobre de tamaño 20 que se engarza en la terminación del cable. (Fuente de la imagen: Amphenol Positronic)

Este contacto de cobre niquelado está recubierto con 1.27 micrómetros (µm) de oro para garantizar una baja resistencia y una continuidad fiable. Para estas conexiones engarzadas (no soldadas), Amphenol Positronic ofrece una herramienta de engarce específica para garantizar que las conexiones cumplen las especificaciones precisas de consistencia y fiabilidad.

Para los diseñadores que buscan soluciones estándar, existen conectores totalmente ensamblados, como los de las series MACH-D MCD15M51R700K/AA-15 (Figura 6, izquierda) y CBC7W2S110000 (Figura 6, derecha), disponibles como elementos estándar para algunas de las configuraciones más habituales. El MCD15M51R700K/AA-15 es un conector D-sub de 15 posiciones, de acero inoxidable (clavijas macho) con contactos idénticos de tamaño 20 con una capacidad nominal de 17 amperios (A). Está diseñado para soldar placas de circuitos en ángulo recto. Además de las terminaciones en ángulo recto para montaje en placa, se ofrece con opciones de terminación crimpada, en vaso de soldadura y a presión.

Figura 6: El MCD15M51R700K/AA-15 (izquierda) es un conector D-sub de 15 posiciones (pines macho) con contactos de tamaño 20; el CBC7W2S110000 (derecha) es un conector combinado de 7 posiciones con contactos hembra, que incluye cinco contactos de señal PosiBand de tamaño 20 y dos contactos de alimentación MC/FC 4012D. (Fuente de la imagen: Amphenol Positronic)

En cambio, el CBC7W2S110000 es un conector D-sub combo de 7 posiciones con tomas hembra. Este conector cuenta con cinco contactos de señal PosiBand de tamaño 20 y dos conectores de alimentación MC/FC 4012D 100 A (también hay disponibles contactos para cable coaxial). Su carcasa es de acero galvanizado con junta de cromato para garantizar la integridad eléctrica y medioambiental.

Conclusión

Los clásicos conectores paralelos multiposición de la familia D-sub son los preferidos para muchas aplicaciones. Ofrecen a los diseñadores múltiples opciones de tamaño físico y flexibilidad en el número y la disposición de los contactos. Los innovadores contactos de señal PosiBand de Amphenol Positronic, combinados con las carcasas de sus conectores D-sub, permiten mejorar la fiabilidad y el rendimiento.