Afortunadamente, existe una manera comprobada y casi infalible de pronosticar la fiabilidad de un conector: el esfuerzo de contacto de Hertz (Hertz stress). Los diseñadores de sistemas electrónicos pueden consultar este indicador, que tiene en cuenta los principales factores que generan flujo de corriente y resistencia, para garantizar que los conectores que elijan no les fallen, ni a ellos ni a sus usuarios finales.
La fiabilidad de un conector no se puede dejar al azar y no hay razón alguna para hacerlo. Hace quince años, un análisis de IBM demostró que un solo indicador, el alto esfuerzo de contacto de Hertz, prácticamente garantiza el buen rendimiento del conector.
Resulta sorprendente que esto sea algo nuevo para muchos diseñadores de sistemas electrónicos y fabricantes de productos cuyo funcionamiento dependen de los conectores. Los conectores se consideran componentes intercambiables; es decir, que todos son igual de buenos. Esta falsa creencia da lugar a fallos y acciones correctoras que resultan costosas, molestas y se pueden evitar simplemente usando conectores diseñados para resistir un elevado esfuerzo de contacto de Hertz.
El fallo del conector no se detecta hasta que se utiliza
Si bien el sector de los conectores sigue presentando muchas innovaciones e importantes avances, los clientes siguen teniendo demasiados problemas ocasionados por fallos en estos componentes. En muchos casos, estos problemas se manifiestan cuando los productos terminados se utilizan sobre el terreno. En cualquier aplicación, desde dispositivos médicos hasta radios militares, si los usuarios finales descubren problemas y errores, estos pueden ocasionar graves consecuencias a los fabricantes y proveedores de los sistemas electrónicos defectuosos que incorporan estos conectores.
Las empresas que compran conectores para sus equipos no quieren usar a sus clientes como probadores de productos, pero tienen la sensación de que no pueden hacer otra cosa porque no conocen ninguna prueba de tipo proactiva y predictiva capaz de garantizar que un conector funcione de manera fiable bajo todas las condiciones. En resumen, no son conscientes de que el uso del esfuerzo de contacto de Hertz como parámetro de especificación para los conectores puede evitar la mayoría de los fallos y el desperdicio de una gran cantidad de dinero en acciones correctoras.
ITT universal contact. La zona de acoplamiento en cómola del contacto universal ITT. Fuente: ITT CAnnon
El esfuerzo de contacto de Hertz como indicador de rendimiento predictivo
Hay un método infalible de pronosticar la fiabilidad de un conector: el esfuerzo de contacto de Hertz. Este parámetro, también denominado fuerza de Hertz, es el cálculo de la cantidad del esfuerzo creado cuando dos superficies curvas entran en contacto y se deforman ligeramente bajo las cargas impuestas. En este caso es positivo que exista un mayor nivel de esfuerzo porque significa que hay más material de contacto, el cual es la base para un contacto fuerte y fiable, así como para el rendimiento del conector. Esto quedó demostrado de forma definitiva hacer varias décadas por los ingenieros de IBM que analizaron diferentes diseños de contacto para averiguar si había un denominador común que permitiera pronosticar el fallo o el éxito de un conector.
El análisis reveló que “los diseños de contactos de conectores fallidos se caracterizaban siempre un bajo esfuerzo de contacto de Hertz, mientras que los exitosos se basaban en diseños con un esfuerzo de contacto de Hertz más elevado en un orden de magnitud”. Este hallazgo se ha visto confirmado a lo largo de los años y se ha convertido en un indicador cada vez más importante a medida que ha evolucionado el diseño de los conectores para incorporar conectores más pequeños y ligeros, contactos de menor perfil y modelos que pueden resistir entornos adversos, como vibraciones y choques. El indicador del esfuerzo de contacto de Hertz es la mejor manera que tienen los diseñadores de sistemas electrónicos de garantizar que incluyen conectores con un buen rendimiento en sus productos.
Los fundamentos físicos
Para comprender por qué un alto esfuerzo de contacto de Hertz casi garantiza un buen rendimiento es importante conocer los fundamentos físicos en los que se basa el funcionamiento de los conectores. Todas las conexiones eléctricas metálicas se obtienen al unir estructuras metálicas deformables que crean puntos de contacto entre metales de tipo microscópico o asperezas (llamados “puntos A”) por los que circulará la corriente. El número y la ubicación de estos puntos A vienen determinados por el acabado de la superficie, la geometría de contacto, la solidez de la metalurgia y la fuerza aplicada al juntar las dos piezas.
Una vez formados estos puentes metálicos, el objetivo es reducir y/o estabilizar los factores que disminuirán el flujo de la corriente entre los puntos A. La resistencia de contacto total es la suma de tres tipos de resistencia:
Rt = Rb + Rc + Rf
donde
Rt = resistencia de contacto total
Rb = resistencia en bruto (provocada por las metalurgias de los elementos de contacto)
Rc = resistencia de contracción (provocada por el tamaño, la cantidad y la distribución de los puntos A)
Rf = resistencia pelicular (provocada por la formación de óxidos, vapor de agua y otras barreras peliculares)
Figura 1: Diagrama de resistencia de contacto. Fuente: ITT Cannon
La película es la variable resistiva más relevante. Todos los metales tienen películas, que pueden ser desde “finas” o “normales” en metales como cobre, aluminio, hierro y níquel, hasta “gruesas” en metales envejecidos. Cuanto más gruesa es la película, mayor es la resistencia de la corriente y más bajos e inestables son los niveles del esfuerzo de contacto de Hertz. La solución no consiste simplemente en incrementar la fuerza que une ambas piezas de metal, que puede provocar la fatiga del material y el fallo del conector, sino en el diseño del contacto. Para conseguir los niveles óptimos y estables de esfuerzo de contacto de Hertz y un buen rendimiento del conector, el conector ideal está diseñado no con superficies planas sino con superficies convexas. El diagrama inferior muestra la diferencia típica entre dos diseños de contactos. Cuando la “fuerza normal”, es decir, la fuerza que presiona las dos piezas metálicas en sentidos opuestos, se aplica a estos dos conectores, el esfuerzo de contacto de Hertz es mayor en el conector de la derecha. Este diagrama muestra que la práctica aceptada de dependencia de la fuerza normal para estimar el rendimiento del contacto es errónea. El conector convexo de la derecha ofrecerá una mayor fiabilidad porque las fuerzas normales se canalizan a través de una superficie más pequeña. Esto significa que hay más fuerza por unidad de superficie disponible para penetrar en el obstáculo que se presenta frente a una resistencia de contacto estable: las películas de contacto.
Sin embargo, si la película es demasiado gruesa, como ocurre en los metales envejecidos, ninguna fuerza aplicada sobre dos piezas metálicas estáticas permitirá que se formen puntos A y que circule corriente. En estos casos, la solución es un “deslizamiento” del contacto que aporte movimiento a la ecuación.
Este “deslizamiento” se define como la acción de un contacto móvil respecto a uno estático para retirar las películas y los residuos hasta obtener una resistencia de contacto estable. Esto no resulta fácil. Si el movimiento o la fuerza no son suficientes, será imposible atravesar la película. Por otro lado, si el movimiento del contacto que arrastra la película es excesivo, crea nuevos residuos que aumentan la resistencia de contacto.
Figura 2: La práctica comunmente aceptada de basarse en la fuerza normal como indicador del rendimiento de contacto es errónea. Fuente: ITT Cannon
El estudio de IBM señala: “Las geometrías que crean el máximo esfuerzo de contacto son también los que proporcionan la superficie de solución más pequeña. Si la fuerza por unidad de superficie es lo suficientemente grande como para cortar la película y retirar los residuos, el contacto no se subirá a la película y se mantendrá la resistencia de contacto. La clave es de nuevo el esfuerzo de contacto de Hertz, para la formación de asperezas al final del recorrido y la capacidad del contacto de mantener el propio contacto mientras se mueve”.
El estudio de IBM que demuestra la enorme relevancia del esfuerzo de contacto de Hertz fue efectuado junto con ingenieros de ITT especializados en conectores. A partir de los hallazgos, los ingenieros de ITT rediseñaron muchas líneas de conectores para alcanzar altos niveles de esfuerzo de contacto de Hertz, y la gama actual de productos de ITT incluye conectores de la marca ITT Cannon que han demostrado ser capaces de proporcionar un elevado esfuerzo de contacto de Hertz en un gran número de aplicaciones. La mayor parte de estos conectores de ITT Cannon se encuentran disponibles a través de Powell Electronics en Europa. Estos conectores se basan en el ITT Cannon Universal Contact, que se caracteriza por una superficie de unión que cumple las especificaciones ideales de diseño para lograr un alto esfuerzo de contacto de Hertz. El diseño convexo aporta otras muchas ventajas, como 0,3N de fuerza con solo 0,1 mm de desviación y movimiento X-Y-Z que permiten obtener una conexión robusta entre el contacto y el componente.
Los clientes de muchos mercados diferentes, como dispositivos médicos portátiles, smartphones, detectores de humo, sistemas de alarma de seguridad, radios militares, tarjetas de memoria y dispositivos GPS entre otros muchos, recurren al ITT Cannon Universal Contact para cubrir sus necesidades funcionales con la confianza de que el elevado esfuerzo de contacto de Hertz garantiza un rendimiento fiable.
ITT tiene otros conectores diseñados para proporcionar un elevado esfuerzo de contacto de Hertz, como la línea QLC (quad lock connect) de ITT Cannon, que cubre diversas necesidades en aplicaciones médicas, industriales y de instrumentación, como en máquinas portátiles de ultrasonidos, sistemas de monitorización de pacientes, endoscopios y equipos de prueba, e incluso equipos de fabricación de semiconductores.
El conector QLC, de forma similar a los conectores DL Series, es muy fiable y se caracteriza por su gran número de patillas: hasta 260 contactos para montaje sobre una placa de circuito impreso. Gracias a los avances tecnológicos aplicados a pequeños equipos portátiles de tratamiento de imágenes, ITT redujo el espaciado del DL estándar a 0,8mm, reduciendo así el tamaño total en más del 60 por ciento con el mismo número de contacto.
El elevado número de patillas permite al ingeniero utilizar varios tipos de conexiones a tierra para mantener la integridad de la señal. La interfaz del conector QLC utiliza resortes de EMI y un mecanismo de fijación del blindaje para asegurar una presión de la unión uniforme alrededor del perímetro del conector, creando así un blindaje frente a EMI/RFI. El elevado esfuerzo de contacto de Hertz es consigue mediante el sistema superior de la leva que adapta el sistema de contacto a su posición acoplada. Al aprovechar el esfuerzo de contacto de Hertz como parámetro de diseño fundamental, los desarrolladores e ingenieros de productos de ITT aseguran que la fiabilidad del conector esté a la altura de la funcionalidad del conector. Los conectores de ITT están diseñados para desempeñar su función de la mejor manera posible para los clientes, garantizando así que no fallarán.
El esfuerzo de contacto de Hertz es el mejor indicador del futuro rendimiento del conector. Las empresas que utilizan, desarrollan o venden dispositivos que se basan en conectores deberían evaluar estos componentes por su capacidad de proporcionar un esfuerzo de contacto de Hertz que sea óptimo y consistente.
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Autor: David Camison Tornavacas es el representante de Powell Electronics en España - https://powell-europe.com/
