Las aplicaciones militares y aeroespaciales cubren aviónica, vehículos aéreos no tripulados (UAV), aeronaves, radares y satélites, y requieren conectores e interconectores mucho más estrictos que las aplicaciones industriales, médicas y de consumo. Este tipo de conector militar/de aviación debe resistir diversas tensiones eléctricas, mecánicas y ambientales, y siempre debe cumplir con los indicadores de rendimiento nominales, mientras que el rendimiento de los dispositivos convencionales se reducirá o incluso se dañará en las mismas condiciones.
Los dispositivos de interconexión altamente confiables para aplicaciones militares/de aviación no son de ninguna manera solo uno o un conjunto de contactos encapsulados en una carcasa resistente. Los cuerpos de los dispositivos de interconexión, los sellos, las fuerzas de contacto y los materiales de contacto deben funcionar como un sistema integrado para garantizar un rendimiento satisfactorio en condiciones específicas.
Este artículo analiza los desafíos que enfrentan los diseñadores al seleccionar y utilizar dispositivos de interconexión para aplicaciones militares/de aviación. Luego se toman los tres productos Molex como ejemplos para explicar por qué estos dispositivos ayudan a superar estos desafíos.
Requisitos para conectores resistentes
Los conectores resistentes cumplen constantemente las especificaciones bajo tensiones mecánicas, ambientales y térmicas extremas. Estas fuentes de estrés varían según el entorno operativo, pero también existe un gran grado de superposición. Por ejemplo:
Los conectores de los sistemas militares terrestres deben ser capaces de soportar vibraciones intensas, depósitos espesos (polvo, arena, arenilla) y calor y frío extremos.
Los conectores marinos y de aguas profundas deben ser capaces de soportar una exposición prolongada a entornos corrosivos de agua de mar y soportar altas presiones de aplastamiento.
El conector de aviación debe poder soportar repetidos despegues, aterrizajes y vibraciones del dispositivo de vuelo, con un rango de temperatura extremadamente amplio.
Los conectores espaciales experimentan fluctuaciones de temperatura más severas, exposición al vacío, ventilación y fuertes tensiones mecánicas durante el lanzamiento y el regreso a la atmósfera.
Para cumplir con las especificaciones de estos requisitos, es necesario comprender una variedad de factores físicos básicos, que incluyen:
Vibración: los conectores de vehículos militares o de caza han sido probados para soportar una aceleración de hasta 20 g.
Impacto: este tipo de fuerza de alto impacto generada durante una aceleración o desaceleración rápida es diferente de la vibración. Impacto de hasta 50 g para conectores estándar y impacto de hasta 100 g para diseños nano y micro; Incluso los estándares especializados para las condiciones de explosión cubren las vibraciones estructurales de alta magnitud, alta frecuencia y corto plazo causadas por las explosiones de dispositivos explosivos, que se observan comúnmente en la separación de etapas de cohetes o en la liberación de carga útil de misiles.
Temperaturas extremas: los sistemas terrestres pueden experimentar fluctuaciones de temperatura de -65 °C a 125 °C, mientras que los sistemas espaciales pueden experimentar temperaturas de hasta 200 °C. La alternancia de calor y frío hace que el material se expanda y contraiga, debilitándolo potencialmente y afectando la conductividad eléctrica. Además, las diferencias en el coeficiente de expansión térmica (CTE) entre diferentes materiales dentro de un conector pueden crear tensiones mecánicas en la interfaz del material, lo que puede provocar desalineación o fallas durante largos períodos de uso.
Exposición a contaminantes: para garantizar un funcionamiento confiable a largo plazo del conector, se deben tomar medidas como un anillo en forma de O, una junta de sellado y una funda protectora para cables para evitar la humedad, el polvo y otros contaminantes.
Corrosión: Este es un problema continuo causado por la niebla salina y la oxidación. Los materiales del conector deben seleccionarse y utilizarse adecuadamente para evitar que estas condiciones inevitables destruyan la integridad del conector.
¿Qué es la confiabilidad?
En términos simples, la confiabilidad a largo plazo se refiere a la capacidad de mantener un rendimiento estable bajo uso repetido, exposición ambiental y tensión mecánica. Este rendimiento depende no sólo de las condiciones en las que se utiliza el conector por primera vez, sino también de si puede soportar acoplamientos repetidos y funcionar correctamente. Muchos conectores, especialmente los conectores de E/S, experimentan cientos o incluso miles de operaciones de acoplamiento.
Un diseño robusto exitoso tiene dos aspectos inextricablemente vinculados: el contacto en sí y la carcasa (cuerpo) del contacto estacionario (Fig. 1).
El material de contacto, la geometría y el revestimiento son factores clave (haga clic para ampliar)
Figura 1. El material, la geometría y el revestimiento de los contactos son clave para el diseño robusto del conector. Fuente de la imagen: Molex)
El diseño de la superficie de contacto es fundamental para garantizar que el conector mantenga una fuerza de inserción baja y al mismo tiempo consiga una conexión fiable. El mecanizado de precisión de la geometría del contacto reduce el desgaste en la conexión y la capa chapada en oro (Au) en la superficie del contacto evita la oxidación. El baño de oro suele tener un espesor de 50 micropulgadas (μ pulg) y se aplica sobre un recubrimiento base de níquel (Ni), que se utiliza para mejorar la adhesión del recubrimiento y mejorar aún más la resistencia a la corrosión.
Estos recubrimientos cubren el material base de aleación de cobre (Cu) del contacto. La combinación de chapado en oro y níquel es esencial para la confiabilidad a largo plazo en aplicaciones aeroespaciales, de defensa y espaciales. El cobre berilio (BeCu) se utiliza ampliamente como material base debido a su excelente relación resistencia-peso y excelente resistencia a la fatiga. Esta aleación es particularmente adecuada para contactos de elementos de resorte donde la elasticidad y la resistencia después de un estrés prolongado son indispensables.
El bronce fosforado (CuSnP) es una alternativa adecuada a los contactos sin resorte, ya que proporciona un equilibrio entre resistencia y conductividad. Este material es resistente a la corrosión y tiene propiedades elásticas moderadas y se usa comúnmente en conectores compactos y de paso fino que requieren cierta flexibilidad pero no requieren flexión continua.
El diseño de un conector resistente requiere una cuidadosa consideración de muchos factores (Figura 2):
Mantener la fuerza normal es la clave para garantizar la confiabilidad. El material del resorte de alto rendimiento mantiene la presión de contacto y la durabilidad.
Una mejor fuerza de contacto reduce el espacio de aire, reduce la resistencia y mejora la integridad de la señal. La geometría optimizada distribuye la presión para garantizar una conductividad estable.
El compromiso de contacto es la superposición axial entre el pasador y el receptáculo, que combina fuerza, continuidad y estabilidad mecánica.
Mantener las fuerzas normales es fundamental para la confiabilidad
Figura 2: La fuerza normal continua es el factor clave para garantizar la confiabilidad (arriba), mientras que las fuerzas de contacto más grandes reducen el espacio de aire (abajo), lo que reduce la resistencia y mejora la integridad de la señal. Fuente de la imagen: Molex)
A nivel microscópico, el área de contacto coincidente no es simplemente un simple ajuste entre dos superficies planas y lisas. Por el contrario, cuando se forma o desconecta un contacto óhmico, la interfaz de contacto tiene una rugosidad microscópica, un pico superficial y una forma irregular. Las fuerzas de contacto más altas aplanan estas pequeñas protuberancias, lo que mejora la conductividad eléctrica, reduce la resistencia de contacto y garantiza un rendimiento constante, pero el aumento de las fuerzas de contacto también afecta las fuerzas de inserción y extracción, lo que aumenta el desgaste de la superficie de contacto.
El sistema de contacto bien diseñado equilibra la longitud de acoplamiento y la fuerza normal para evitar conexiones sueltas, desgaste excesivo y tensiones mecánicas. Si la fuerza de contacto es demasiado pequeña, la resistencia de contacto aumentará y la señal será inestable. Por el contrario, las fuerzas de contacto excesivas aceleran la abrasión del revestimiento y provocan una fatiga prematura de la estructura de contacto.
A diferencia de los conectores disponibles comercialmente con solo uno o dos contactos, los conectores resistentes emplean un sistema de contactos múltiples para distribuir las cargas mecánicas resultantes de vibraciones o golpes (Figura 3). Estos sistemas de contacto evitan la formación de arcos o la pérdida de señal debido al avance rápido y proporcionan rutas de contacto redundantes para sistemas críticos.
Diseño multicontacto para mejorar la estabilidad y la integridad de la señal.
Figura 3: Diseño multicontacto para mejorar la estabilidad y la integridad de la señal. Fuente de la imagen: Molex)
El sistema de contacto también puede incluir elementos de resorte para mantener una fuerza de contacto constante a lo largo del tiempo. Los contactos accionados por resorte compensan los pequeños cambios durante la alineación de los contactos y, al mismo tiempo, garantizan una conductividad confiable mediante conexiones y desconexión repetidas. Sin embargo, fuerzas excesivas pueden provocar un desgaste excesivo del revestimiento de contacto.
Más que contactos: carcasa de conector y carcasa protectora
El rendimiento principal de un conector resistente comienza con el contacto, pero la carcasa del conector sirve para mucho más que el contacto eléctrico que rodea el interior: resiste tensiones mecánicas, temperaturas extremas, medios agresivos y humedad mientras mantiene un equilibrio entre durabilidad y peso. El diseñador dispone de una amplia gama de materiales de cerramiento:
Los polímeros termoplásticos como la poliéter-éter cetona (PEEK), el sulfuro de polifenileno (PPS) y la polieterimida imida (PEI) proporcionan una excelente resistencia mecánica, resistencia al calor y estabilidad química. Estos materiales absorben eficazmente las vibraciones y los impactos de estructuras ligeras.
Los compuestos como los polímeros reforzados con fibra de vidrio y los compuestos de fibra de carbono tienen excelentes relaciones resistencia-peso. El diseño permite la optimización de propiedades específicas de dichos materiales, incluida la resistencia a la tracción, la resistencia al impacto o la estabilidad térmica.
Las aleaciones de acero inoxidable y aluminio son los materiales preferidos para las carcasas de conectores debido al alto impacto, la alta vibración y la fuerte interferencia electromagnética (EMI) en aplicaciones aeroespaciales y de defensa.
Las carcasas de conectores de acero inoxidable ofrecen una excelente resistencia a la corrosión y resistencia mecánica, lo que las hace ideales para aplicaciones marinas, industriales y aeroespaciales expuestas a humedad, productos químicos o niebla salina. Las aleaciones de aluminio no solo ofrecen un fuerte blindaje EMI, sino también un peso ligero y facilidad de procesamiento, lo que las convierte en el material preferido para carcasas de conectores en vehículos militares, aviónica y aplicaciones espaciales.
Algunos conectores resistentes emplean sistemas de cierre plano que proporcionan estabilidad y un acoplamiento seguro al tiempo que reducen las dimensiones generales. Por ejemplo, un bloqueo de resorte o un dispositivo de sujeción proporciona confiabilidad mecánica y facilidad de operación del conector en condiciones de campo de batalla.