White paper: Robustez dos conectores
Seja na indústria aaeroespacial, na automação industrial, nos transportes ou na área da saúde: os conector têm de garantir sempre uma transmissão de sinal fiável e não podem, em circunstância alguma, falhar. Ao mesmo tempo, estão sujeitos a uma série de solicitações decorrentes do seu ambiente: Efeitos mecânicos, como choques, vibrações e oscilações, comprometem a estabilidade da transmissão de dados, tal como as influências ambientais térmicas e químicas decorrentes de temperaturas extremas, fortes oscilações de temperatura, gases nocivos, humidade e sujidade. Os fabricantes de conector de alta qualidade recorrem, por isso, a todo um leque de soluções para proteger os seus conectores contra estas solicitações.
Robustez apesar da miniaturização
A engenharia elétrica moderna está, mais do que nunca, sujeita a uma tendência: a miniaturização. Os conjuntos e os seus componentes têm de se tornar não só cada vez mais potentes, mas também cada vez mais pequenos. No entanto, são frequentemente utilizados em condições reais adversas. Por isso, os componentes, assim como os conector, tornam-se cada vez mais delicados, mantendo a mesma carga. No entanto, um conector de qualidade resiste a esta tensão não só tão bem como o seu antecessor maior, mas até melhor. A razão para tal reside nos avanços na composição dos materiais, bem como no design do produto, por exemplo, na geometria do corpo isolante (Fig. 1).
Fator de influência: superfície
Uma série de fatores influencia a robustez de um conector. Um deles é a superfície de contacto (superfície de contacto). Esta determina de forma decisiva a vida útil do conector, que é normalmente medida em ciclos de encaixe (ciclos de acoplamento). Durante a utilização no terreno, o conector (conector) está sujeito a certos micromovimentos. Estes provocam atrito na superfície e, consequentemente, a formação de óxido (Fig. 2).
A consequência é um aumento da resistência de resistência de contacto, o que se traduz numa pior qualidade na transmissão do sinal. Por isso, é importante reduzir ao mínimo o desgaste da superfície durante o processo de encaixe e durante o funcionamento, recorrendo a um revestimento de revestimento do contacto de alta qualidade e duradouro. Para tal, tanto os contactos de lâmina como os de contacto fêmea devem apresentar uma superfície devidamente lisa. Apesar do aumento dos preços, o ouro continua a ser amplamente utilizado hoje em dia para revestimentos de superfície, devido à sua resistência à corrosão e à sua excelente condutividade. Como o ouro puro é macio, é ligado com uma proporção de 0,2 a 0,3 por cento de cobalto ou níquel, obtendo-se assim o «ouro duro» (ouro duro). No entanto, quem procura uma alternativa com preços mais estáveis a esta estrutura de revestimento pode, por exemplo, recorrer a uma liga de níquel-fósforo com «flash de ouro». Quando combinados em proporções muito específicas, estes dois materiais apresentam as propriedades positivas que também o ouro proporciona: elevada resistência à corrosão, resistência acentuada ao desgaste e excelente condutividade. Para impedir a difusão entre o material de contacto e o revestimento superficial, recorre-se frequentemente a uma chamada camada de barreira de níquel. Com a ajuda desta barreira, é possível evitar a corrosão.
Fator de influência: o design dos contactos
Os contactos de um conector são submetidos à estampagem ou à torção. No entanto, no processo de estampagem, forma-se na parte inferior da banda estampada uma superfície não homogénea e de arestas vivas, visível ao microscópio. Os sistemas convencionais estabelecem contacto nesta «aresta de corte», o que implica um maior desgaste da superfície e, consequentemente, uma maior «resistência de contacto». Isto pode ser contornado se a «Federtulpe» for dobrada 90 graus no chamado processo de «Stanzbiege», de modo a que entre em contacto com o «contacto macho» através da superfície lisa e laminada (Fig. 3).
No entanto, não é apenas o design da «conector fêmea», mas também o da «conector macho» que são determinantes para a longevidade do conector. Pois também estas últimas têm de ser submetidas à estampagem e a processos de processamento precisos, para evitar geometrias danificadas e afiadas.
No entanto, não é apenas o design da «conector fêmea», mas também o da «conector macho» que são determinantes para a longevidade do conector. Pois também estas últimas têm de ser submetidas à estampagem e a processos de processamento precisos, para evitar geometrias danificadas e afiadas.
Fator de influência: sistema de contacto
Os « conector » clássicos de duas peças dispõem de um «Messer» e de um « contacto fêmea ». No entanto, em caso de forte impacto, a « conector macho » pode separar-se da « conector fêmea ». Para evitar que tal « microcorte » ocorra, é possível garantir redundância e, consequentemente, a segurança do contacto através de uma « conector fêmea » de dupla face, uma vez que, graças à segunda mola, a transmissão do sinal é assegurada em qualquer momento através de, pelo menos, um ponto de contacto (Fig. 4).
Por outro lado, os conectores (conector) com o chamado sistema de contactos hermafrodita são ainda mais robustos. A particularidade reside nas geometrias de contacto idênticas das partes de conector, o Plug e o Socket. Ambos dispõem, portanto, tanto de uma mola como de uma lâmina. Assim, cada pino é contactado por duas molas, estando o Plug e o Socket entrelaçados e não podendo separar-se um do outro. Enquanto uma «conector fêmea» de dupla face garante sempre, sob carga mecânica, pelo menos um ponto de contacto, as geometrias entrelaçadas nos sistemas de contacto de género neutro asseguram que a transmissão do sinal ocorra sempre através de dois pontos de contacto. Esta elevada redundância permite, assim, a máxima segurança de contacto (Fig. 5).
No que diz respeito às suas características de robustez, o sistema de contactos hermafrodita só é superado pelos conectores de uma peça. Estes dispensam totalmente o princípio clássico de contacto em duas peças, composto por «Messer- und conector fêmea». Devido à eliminação da área de contacto vulnerável, os conector de peça única não só possuem a maior resistência a choques, vibrações, humidade, poeira e condições atmosféricas, como também são adequados para o encapsulamento e outros processos de proteção de componentes. Em combinação com a tecnologia press-fit, representam a ligação mecânica e elétrica mais segura entre duas placas de circuito impresso (Fig. 6).
Fator de influência: tecnologia de ligação
Existem várias formas de fixar os conector nas placas de circuito impresso. Uma delas é a já mencionada «tecnologia press-fit» (técnica de encaixe por pressão). O seu objetivo é obter as forças de retenção mais elevadas possíveis entre o conector e a placa de circuito impresso, com a menor força de inserção possível. As forças de retenção determinam a ligação mecânica, que, por sua vez, tem de resistir a choques e vibrações. Esta «tecnologia de ligação» (técnica de ligação) é um processo comprovado milhares de milhões de vezes, no qual um «pino press-fit» (pino de encaixe) é pressionado num «furo metalizado» (orifício com contato passante) na placa de circuito impresso (Fig. 7).
Neste contexto, o « pino press-fit » (pino de encaixe) possui uma diagonal maior do que o diâmetro do orifício da placa de circuito impresso. O pino do conector é flexível na « zona press-fit » (cabeça do pino), para que a placa de circuito impresso não se deforme devido às forças físicas exercidas durante o processo de encaixe. A deformação limita-se, portanto, à « zona press-fit » (Fig. 8). Forma-se uma soldadura a frio entre « pino » e o orifício metalizado da placa de circuito impresso: uma ligação mecânica estanque aos gases, resistente à corrosão, de baixa resistência e com boa condutividade elétrica, que também é adequada para o « encapsulamento ». Além disso, está especificada na norma DIN EN 60352-5 e mantém o contacto seguro mesmo sob cargas mecânicas e térmicas muito elevadas, tais como vibração, flexão e fortes variações de temperatura, resistindo até a choques de até 200 g.
Devido às suas excelentes características de robustez e à resistência de contato dez vezes superior ( taxa de avarias ) (taxa FIT) em comparação com as conexões soldadas automaticamente ( conector), a tecnologia press-fit é frequentemente utilizada em aplicações de alta segurança, nas quais a transmissão de sinais não pode, em circunstância alguma, ser interrompida, por exemplo, em sistemas de airbag ou módulos ABS e ESP.
Devido às suas excelentes características de robustez e à resistência de contato dez vezes superior ( taxa de avarias ) (taxa FIT) em comparação com as conexões soldadas automaticamente ( conector), a tecnologia press-fit é frequentemente utilizada em aplicações de alta segurança, nas quais a transmissão de sinais não pode, em circunstância alguma, ser interrompida, por exemplo, em sistemas de airbag ou módulos ABS e ESP.
No entanto, a técnica de encaixe por pressão (tecnologia press-fit) nem sempre é adequada, por exemplo, quando as placas de circuito impresso devem ser montadas em ambos os lados ou quando não é possível respeitar a distância mínima em relação aos componentes na direção da força. Nesse caso, outra possibilidade para estabelecer uma ligação fiável e duradoura entre o conector (conector) e a placa de circuito impresso é a tecnologia de montagem em superfície (SMT). Através de uma pasta de solda (pasta de soldar), os conectores (conector) são soldados em áreas de soldadura definidas da placa de circuito impresso, os pads de soldadura. Só num forno denominado «forno de refusão» é que o material de solda é derretido e, posteriormente, endurecido. Através da SMT, é possível realizar ligações estáveis entre o conector e a placa de circuito impresso. Para tal, no entanto, é necessário que sejam cumpridos alguns critérios: em primeiro lugar, para um ponto de junta soldada em conformidade com a norma IPC-A-610, deve ser respeitada a proporção correta entre o terminal SMT, o pad de soldadura e a pasta de soldar. Só assim se estabelece uma ligação de alta qualidade que permite uma ligação de acordo com a classe 3 da IPC, sendo, portanto, adequada para utilização em eletrónica de alto desempenho. Nesta classe, as falhas na transmissão de sinais devem ser excluídas em qualquer circunstância. Uma «ligação soldada» ideal reconhece-se pela formação uniforme do menisco. O contacto deve estar totalmente envolvido pelo menisco de solda, para se obterem as melhores forças de retenção na placa de circuito impresso. (Fig. 9).
A coplanaridade dos pés de contacto é, neste contexto, um pré-requisito para uma ligação excelente. Se todos estes pré-requisitos forem cumpridos, está comprovado que os conectores SMT suportam cargas mecânicas até 400 N.
Fator de influência: design do corpo isolante
Além disso, a geometria do corpo isolante de um conector ajuda a proteger os contactos contra danos durante o funcionamento ou a instalação. Deve ser concebida de forma a que os contactos vulneráveis fiquem protegidos no interior do conector.
Os chanfros de inserção permitem, além disso, evitar danos durante a montagem. Ajudam a compensar um desalinhamento das placas de circuito impresso em qualquer direção durante a inserção. Com a ajuda de uma área de retenção adicional, as duas metades do conector podem ser encaixadas sem danos, mesmo em caso de desvio central ou angular (Fig. 10).
Os chanfros de inserção permitem, além disso, evitar danos durante a montagem. Ajudam a compensar um desalinhamento das placas de circuito impresso em qualquer direção durante a inserção. Com a ajuda de uma área de retenção adicional, as duas metades do conector podem ser encaixadas sem danos, mesmo em caso de desvio central ou angular (Fig. 10).
Alguns conector, além disso, dispõem de «boardlocks». Trata-se de braços metálicos fixados ao corpo isolante, que também são soldados à placa de circuito impresso (Fig. 11). Desta forma, proporcionam estabilidade adicional – mesmo em condições adversas, como vibração e choque.
Fator de influência Intervalo de tolerância
A faixa de tolerância de um conector desempenha um papel decisivo na avaliação da sua robustez. Se o conector não conseguir compensar as tolerâncias estabelecidas, os movimentos mecânicos conduzem ao desgaste ou mesmo a danos na ligação. Durante a instalação, os chanfros de entrada oferecem um apoio para permitir a ligação sem danos das fichas de pinos (Messer-conector fêmea). No entanto, mesmo quando encaixado, é necessário compensar micromovimentos. Isto é conseguido através da geometria dos contactos e dos corpos isolantes. Se um conector (conector) dispuser de uma flutuante-função, pode compensar até ±0,4 mm mesmo durante o funcionamento. Esta função está a ganhar cada vez mais relevância, uma vez que desempenha um papel decisivo na montagem de uma placa de circuito impresso com vários conectores. No entanto, em condições reais de funcionamento, as cargas não surgem apenas nas direções x e y, mas também na direção z (Fig. 12).
Aqui coloca-se a questão da «comprimento de acoplamento útil» (segurança contra encaixe incorreto) de um conector. Esta descreve a área de sobreposição entre a «Messer-leiste» e a «conector fêmea» e permite, assim, não só diferentes distâncias entre placas de circuito impresso, mas também — dependendo do tamanho desta área — faixas de tolerância (Fig. 13).
Por outro lado, as compensações de tolerâncias máximas são conseguidas através de ligações por cabo. Neste caso, é o comprimento do cabo que determina a margem de tolerância do conector.
Por outro lado, as compensações de tolerâncias máximas são conseguidas através de ligações por cabo. Neste caso, é o comprimento do cabo que determina a margem de tolerância do conector.
Métodos de ensaio
Para testar exaustivamente as propriedades de robustez dos conector, existem vários métodos de ensaio. Nesse contexto, variáveis como a tensão suportável e a resistência de contacto são analisadas antes e depois de um teste de carga, e o estado dos contactos é inspecionado visualmente. Assim, é possível, por exemplo, verificar os efeitos de 500 ciclos de acoplamento na tensão suportável ou, no ensaio climático, determinar se várias horas a uma temperatura inicialmente de -55 °C e, posteriormente, de 125 °C têm um impacto negativo na resistência de contacto do conector. No ensaio de choque térmico, o conector tem de suportar a alternância rápida entre estas temperaturas extremas 100 vezes, durante 30 minutos em cada ciclo. Além disso, o desvio central e o desdesalinhamento angular angular durante a ligação, bem como a margem de tolerância no estado ligado, não devem ser verificados apenas teoricamente no modelo CAD, mas sim testados exaustivamente na prática, devendo a resistência ser confirmada empiricamente. É igualmente importante que os diversos ensaios críticos para a superfície de contacto de contacto sejam realizados em combinação, a fim de simular condições reais. Assim, por exemplo, os ensaios de ciclos de acoplamento- e de corrosão por gases mistos poderiam ser realizados em conjunto, para garantir que o desempenho do conector em termos de resistência de contacto e tensão suportável não se deteriorou e que os contactos não sofreram danos (Fig. 14).
O seu design - a sua escolha
Dependendo dos requisitos da aplicação, surgem diferentes critérios de robustez que um conector (conector) deve cumprir. Por exemplo, terá de compensar tolerâncias elevadas? Está exposto a grandes choques ou vibrações? É utilizado sob a influência de fortes fontes de calor ou frio? Ou a solução de ligação tem de estar protegida contra humidade, gases nocivos ou sujidade? Se um utilizador se orientar por estas questões na escolha da sua solução de ligação, pode ter a certeza de que o seu conector está perfeitamente preparado para a utilização no terreno.