Los conectores Nano-D de alta resistencia ofrecen conectividad Gigabit de importancia crítica en entornos difíciles

Los conectores nanominiatura proporcionan una vía sólida para las señales electromagnéticas en aplicaciones en las que la fiabilidad en entornos hostiles resulta esencial y en las que las restricciones de espacio y peso son muy estrictas. Son fundamentales para la robótica industrial, los sistemas autónomos y los vehículos aéreos no tripulados (UAV), la aviónica, los sistemas aeroespaciales, el equipamiento militar y de defensa, los satélites y los vehículos espaciales de largo alcance.

Los ingenieros que diseñan equipos para estas aplicaciones deben conocer los conectores nanominiatura, o nano-D, para aprovechar al máximo su alta fiabilidad y su conectividad de gran ancho de banda. En este artículo se analiza el diseño de los conectores nano-D, su rendimiento eléctrico y las opciones de implementación disponibles para satisfacer los requisitos de las aplicaciones, desde entornos hostiles hasta limitaciones de espacio, pasando por un ancho de banda de importancia crítica para la misión.

Estructura del conector

Teniendo en cuenta las exigentes condiciones de uso de los conectores aeroespaciales, militares e industriales, así como la necesidad de una alta fiabilidad, no es de extrañar que los conectores nano-D destinados a estos sectores deban cumplir con la especificación militar estadounidense MIL-DTL-32139. La especificación normaliza diversos aspectos de estos conectores, que cuentan con mitades macho y hembra en forma de D, cada una de las cuales se conecta a una placa de circuito impreso (placa CI) o a un conjunto de cables.

La norma MIL-DTL-32139 establece que la separación entre contactos de los conectores nano-D es de 0.025 in (0.64 mm) de centro a centro. Asimismo, define una geometría estándar para los conectores hembra que no cuenta con el resorte de alineación habitual en los conectores de mayor tamaño con forma de D. En su lugar, los fabricantes incorporan elementos elásticos en el pasador de acoplamiento para compensar la desalineación y añadir tolerancia frente a las vibraciones.

Los conectores nano-D BiLobe de alta velocidad (Figura 1) de Omnetics Connector Corporation son ejemplos de diseños que cumplen con la norma MIL-DTL-32139.

Figura 1: Los conectores nano-D BiLobe de alta velocidad tienen un ancho de entre 0.450 y 0.650 in y una altura de entre 0.125 y 0.165 in, y cumplen con la norma MIL-DTL-32139. (Fuente de la imagen: Omnetics Connector Corporation)

Estos conectores utilizan un diseño de Pin flexible compuesto por dos largas varillas elásticas o púas estampadas en cobre-berilio. Las púas presentan dos radios que conforman una geometría de viga compuesta. Esto les permite comprimirse suavemente una contra otra cuando se insertan en un zócalo con una fuerza de acoplamiento típica de 2.5 oz (0.71 g) por contacto, muy por debajo del máximo de 5.0 oz permitido por la norma MIL.

La fuerza elástica resultante mantiene el contacto entre los bordes acuñados y chapados en oro de las puntas y la superficie interior chapada en oro del zócalo, lo que permite una conexión eléctrica de baja resistencia. Cuando se comprimen al insertarlas, los extremos de las púas se tocan. El apoyo mutuo contribuye a que la unión resista las vibraciones y los golpes.

Durante la inserción, los bordes estampados de las púas también producen un movimiento de limpieza a lo largo de la superficie interna del zócalo, eliminando los contaminantes y óxidos para garantizar una baja resistencia de contacto de 71 mΩ, tal y como lo demuestra una caída de tensión máxima de 71 mV con una corriente de prueba de 1 A (Figura 2).

Figura 2: Los conectores BiLobe cuentan con pines flexibles provistos de dos resortes compuestos de cobre-berilio que mantienen el contacto con la pared del zócalo. (Fuente de la imagen: Omnetics Connector Corporation)

Aumentar el ancho de banda

Esta baja resistencia de contacto permite que los conectores nano-D BiLobe de alta velocidad transmitan de forma segura hasta 1 A por contacto y admitan anchos de banda de hasta 20 Gbps por par diferencial. Los conectores tienen una impedancia controlada de 100 Ω ±5 Ω que facilita el uso de protocolos de datos como USB 3.0, Ethernet de 10 Gb, el protocolo de comunicación en serie Camera Link y Peripheral Component Interconnect Express (PCIe), con un mínimo de reflexión, pérdida o ruido de señal.

Para mejorar aún más la adaptación de impedancia y optimizar el rendimiento, los conectores BiLobe están disponibles en variantes de alta densidad (HS2) y de alto rendimiento (HS3), que separan los pines positivo, negativo y de drenaje entre los contactos disponibles (Figura 3).

Figura 3: Los conectores BiLobe están disponibles en variantes de configuración de pines (a) de alta densidad (HS2) y (b) de alto rendimiento (HS3). (Fuente de la imagen: Omnetics Connector Corporation)

Un cable de 30 AWG optimizado para una impedancia de 100 Ω tiene conductores aislados con diámetros de aproximadamente 0.035 pulgadas, demasiado grandes para permitir el cableado de todos los contactos cuando la distancia entre ellos es de tan solo 0.025 in por separado. Las disposiciones compactas del HS2 permiten albergar el máximo número de pares diferenciales, dejando solo un contacto vacío entre ellos.

La estrecha separación entre los conductores en las variantes HS2 de los conectores BiLobe da lugar a un rango de impedancia aproximado de entre 70 y 105 Ω. La pérdida de inserción puede alcanzar los -6 dB a 5 GHz y frecuencias superiores. Los conectores de la variante HS2 tienen anchos de banda que oscilan entre los 10 y 15 Gbps, dependiendo del tipo de montaje en la placa de circuito impreso y de la longitud del puente, aunque se pueden alcanzar los 20 Gbps con una unidad de montaje en superficie orientada verticalmente conectada mediante un puente de 6 pulgadas.

Al aumentar la distancia entre los conductores en las variantes HS3 de los conectores, se reduce el número de pares diferenciales disponibles; con la disposición de pines HS3, solo caben dos tercios de los pares en el mismo conector. No obstante, esta separación permite que las variantes del HS3 alcancen una impedancia de 100 Ω ±5 Ω y minimiza la pérdida de inserción. El ancho de banda resultante oscila entre 16 y 20 Gbps.

Configuración de conexiones fiables

Si bien las opciones de configuración de los conectores, como la longitud del cable o la orientación de la placa de circuito impreso, tienen un efecto leve sobre el rendimiento, los ingenieros necesitan opciones que sean adecuadas para aplicaciones con espacio limitado, en las que el diseño de la placa y el trazado de los cables están sujetos a restricciones estrictas. Los conectores nano-D BiLobe de alta velocidad ofrecen varias opciones de configuración.

Los conectores BiLobe macho se suministran en cables de puente de entre 6 y 108 in de largo que cumplen con la normativa RoHS (2015/863/UE). Cada conductor es un alambre de cobre plateado de 30 AWG, formado por el trenzado de siete hilos de 38 AWG. Recubiertos de un aislamiento de fluoropolímero blanco y azul, cada par diferencial está envuelto en un blindaje de poliimida y aluminio y en una funda de fluoropolímero.

Los conectores hembra se montan en placas de circuito impreso con aislantes de polímero de cristal líquido (LCP) o de polieteretercetona (PEEK) y un encapsulante epoxi. Por lo general, se fijan a la placa de circuito impreso mediante tecnología de montaje superficial.

Los conectores hembra montados horizontalmente presentan un movimiento de acoplamiento paralelo al plano de la placa y se denominan AA en el sistema de numeración de piezas de Omnetics. El conector AA hembra cuenta con dos filas de zócalos en un lado y las correspondientes terminaciones recubiertas de soldadura que se extienden horizontalmente desde el otro lado, girando 90° hacia el plano de la placa de circuito impreso. Estos terminales están espaciados de tal forma que se puedan conectar a las almohadillas de soldadura de la placa de circuito impreso mediante procesos automatizados de montaje en superficie. Los conectores montados horizontalmente permiten obtener conjuntos más compactos, pero la proximidad de los contactos a otros conductores y a las uniones soldadas puede dificultar la adaptación de impedancia y aumentar la pérdida de inserción.

Para aplicaciones con requisitos de rendimiento muy exigentes, se recomienda una configuración vertical, denominada VV en la nomenclatura de Omnetics. La configuración VV también cuenta con terminaciones recubiertas de soldadura que se extienden en dirección opuesta a las tomas del conector, pero estas sobresalen en ángulo recto con respecto a la carcasa del conector, en paralelo al plano de la placa de circuito impreso cuando la carcasa se coloca en posición vertical.

Además de las configuraciones AA y VV, los conectores nano-D BiLobe de alta velocidad están disponibles con carcasas con cierre y para montaje en panel. Todas las configuraciones ofrecen la opción de una carcasa de acero inoxidable de la serie 300 pasivada o una carcasa de aluminio 6061 con un recubrimiento de níquel químico de al menos 500 µin de espesor.

Estas carcasas resistentes proporcionan a los conectores BiLobe la durabilidad necesaria para superar los 2000 ciclos de acoplamiento y desacoplamiento a temperaturas comprendidas entre -55 °C y +125 °C, con una capacidad de hasta +260 °C disponible bajo pedido. Tienen una tensión dieléctrica de resistencia (DWV) de 250 VCA RMS al nivel del mar y una resistencia de aislamiento de 5000 MΩ a 100 VCC. Además, cumplen los requisitos de la NASA en materia de desgasificación para equipos espaciales, con una pérdida de masa total (TML) inferior al 1.0% y un contenido de material volátil condensable (VCM) del 0.1%.

Además, los conectores resisten golpes mecánicos de hasta 100 veces la fuerza de la gravedad (g) y vibraciones de hasta 20 g, al tiempo que mantienen la integridad de la señal. En aplicaciones balísticas especializadas, se han soportado impactos de 10.000 g. En estas condiciones extremas, los conectores experimentan una interrupción de la señal de menos de 10 segundos.

Conclusión

Los conectores nano-D BiLobe de alta velocidad combinan un diseño miniaturizado y reforzado, que es capaz de soportar golpes y vibraciones, tolerar un amplio rango de temperaturas y resistir miles de ciclos de acoplamiento, con una impedancia cuidadosamente controlada para garantizar una transmisión digital fiable y de gran ancho de banda. Estos conectores aportan una conectividad a velocidad de gigabit a las misiones espaciales, la aviónica, los vehículos aéreos no tripulados (UAV) y otras aplicaciones en las que tanto la fiabilidad como el rendimiento son fundamentales para el éxito de la misión.