Las aplicaciones de automatización industrial de alta intensidad se conectan de forma fiable mediante contactos modulares de resorte

Los dispositivos de interconexión de resorte proporcionan una conexión fiable y repetible entre un dispositivo electrónico y una fuente de alimentación u otro dispositivo. Los contactos de resorte modulares, como los desarrollados por Bourns, se llevan utilizando desde hace muchos años para recargar teléfonos móviles y otros dispositivos electrónicos portátiles. El carácter modular y repetible de estas interconexiones las hace idóneas para conexiones entre placa y batería, entre placas y entre placa y dispositivo.

La aparición de contactos de resorte modulares capaces de soportar corrientes más elevadas ha ampliado su ámbito de aplicación a sectores como la automatización industrial, la instrumentación de precisión y otros. En este artículo se analizarán los detalles de los contactos modulares de resorte, incluyendo cómo las versiones con mayor capacidad de conducción de corriente amplían la utilidad de estas interconexiones a nuevas aplicaciones.

Argumentos a favor de los contactos de resorte

Un contacto de resorte establece una conexión eléctrica entre dos dispositivos al poner en contacto un metal conductor —a menudo cobre recubierto de oro— de uno de ellos con un metal conductor similar del otro (Figura 1). El elemento elástico del contacto proporciona una fuerza mecánica que mantiene el contacto, incluso en caso de vibraciones o desalineación. El uso de contactos emparejados, uno macho y otro hembra, diseñados para encajar entre sí, garantiza una conexión segura.

Figura 1: Los contactos modulares de resorte para aplicaciones masculinas y femeninas de Bourns presentan una amplia variedad de tamaños, distancias entre contactos y número de contactos, así como de características eléctricas. (Fuente de la imagen: Bourns)

La conexión entre un teléfono móvil y su base de carga es un ejemplo habitual de contacto por resorte. Dado que el objetivo principal de esta conexión es recargar la batería de la radio, se suele denominar "conexión entre la placa y la batería", en referencia a la conexión entre la placa de circuito impreso (placa CI) de la base de carga —que contiene los circuitos de carga— y la batería recargable de la radio. Las bases de carga para tabletas, teléfonos móviles y mandos de videojuegos también podrían incluirse en la categoría de placa a batería.

Las conexiones entre la placa y el dispositivo también pueden transmitir datos y energía eléctrica a través de contactos de resorte modulares. Por ejemplo, una estación de acoplamiento para computadora portátil puede conectarla a una pantalla secundaria u otro periférico. En entornos comerciales e industriales, aplicaciones como los terminales móviles de transferencia electrónica de fondos en el punto de venta (EFT-POS), los lectores de códigos de barras inalámbricos, los dispositivos con pantallas extraíbles y los sensores de posición también requieren conexiones entre la placa y el dispositivo. Estos dispositivos cuentan con interfaces de hardware y sistemas integrados que utilizan protocolos de comunicación de baja velocidad, tales como las señales de entrada/salida de propósito general (GPIO), receptor/transmisor asíncrono universal (UART), interfaz entre circuitos integrados (I²C), interfaz periférica en serie (SPI) y red de área de controlador (CAN).

Los contactos de resorte también pueden servir para establecer conexiones entre placas dentro de un mismo producto. En aplicaciones en las que el espacio y el peso son factores determinantes, los contactos de resorte eliminan la necesidad de cableado y de conectores de acoplamiento. Además, toleran las vibraciones y las desalineaciones. Las conexiones con resortes de placa a placa pueden servir para conectar una placa de control principal a un módulo que gestiona señales de radiofrecuencia (RF) o datos de sensores, entre otras aplicaciones.

Modularidad y mecánica

Los contactos de resorte de Bourns están diseñados para ser modulares y reversibles. Su diseño modular permite apilarlas una tras otra, manteniendo una distancia entre ejes uniforme en todas las unidades. Dado que la distancia entre contactos es constante dentro de una serie de contactos de resorte de Bourns, los ingenieros pueden combinar diferentes referencias de la misma serie para conseguir el número deseado de contactos.

Por ejemplo, los contactos modulares de resorte de la serie 75AB (figura 2) tienen un paso de 1.27 mm y están disponibles con dos, tres o cuatro contactos. Un diseño que utilice seis contactos macho de montaje en superficie (SMT) podría emplear tres 75ABJ-2-M0E, cada uno con dos contactos; dos 75ABJ-3-M0E, cada uno con tres contactos; o un 75ABJ-2-M0E y un 75ABJ-4-M0E con cuatro contactos.

Figura 2: Los contactos de resorte 75ABJ-4-M0E (izquierda) y 75ABJ-4-F0E (derecha) tienen un paso de contacto de 1.27 mm, que se mantiene en todas las unidades apiladas una tras otra. (Fuente de la imagen: Bourns)

La reversibilidad de los contactos de resorte también ofrece flexibilidad en el diseño y simplifica la fabricación. Los puntos de conexión de una unidad de contacto con resorte siguen coincidiendo con sus homólogos en una placa de circuito impreso fija tras una rotación de 180°. La compatibilidad con los sistemas de "tomar y colocar" agiliza aún más el montaje.

La reversibilidad permite a los ingenieros ajustar los contactos de resorte en el ángulo óptimo para acoplarse al dispositivo correspondiente. Los contactos individuales, que son resortes de hoja anchos e inclinados, están diseñados para establecer una conexión eléctrica en sentido vertical u horizontal. Los contactos verticales suelen denominarse "contactos por compresión", mientras que el contacto horizontal se consigue deslizando una pieza dentro de la otra.

Los resortes de las versiones macho de los contactos modulares de Bourns están diseñados para soportar un mínimo de 50,000 ciclos de acoplamiento. Al final de cada muelle hay una lengüeta que se encaja en la pared interior de la carcasa de la pieza. Estos extremos de resorte fijados evitan los daños accidentales provocados por los extremos de contacto sueltos que pueden engancharse en objetos del entorno.

Excelentes propiedades eléctricas

Las prestaciones mecánicas de los contactos de resorte modulares los convierten en componentes fiables y resistentes; sin embargo, los ingenieros suelen optar por los contactos de resorte principalmente por sus propiedades eléctricas, tales como la corriente y la tensión que son capaces de soportar, la resistencia de contacto y la seguridad. Las consideraciones relacionadas con la fabricación —como la forma en que los contactos de resorte se conectan a una placa de circuito impreso o los cables a los que se unen, y cómo se canalizan las señales eléctricas— también son una de las principales preocupaciones de los ingenieros de diseño.

Los contactos modulares de resorte de Bourns tienen una resistencia igual o inferior a 30 mΩ. Al presentar una resistencia eléctrica reducida, los contactos establecen una conexión eléctrica eficaz que protege la integridad de los datos y genera poco calor. La seguridad se ve reforzada aún más gracias a la tensión dieléctrica de 500 V_CA de la carcasa termoplástica negra, reforzada con fibra de vidrio y homologada según la norma UL 94 V-0. Las carcasas de los contactos de resorte modulares tienen una resistencia de aislamiento de al menos 500 MΩ, y de más de 1000 MΩ en algunos modelos.

Con estas medidas de seguridad en vigor, los contactos modulares de resorte pueden soportar de forma segura hasta 60 V y entre 3 y 8 A de corriente continua por contacto. Aunque 3 A es el valor estándar para muchas aplicaciones de consumo, como las radios portátiles, algunas aplicaciones industriales requieren corrientes más elevadas.

Compatibilidad con corrientes elevadas

Las aplicaciones de automatización industrial pueden utilizar microcontroladores o procesamiento en el borde para recopilar e interpretar los datos de los sensores y enviar las órdenes adecuadas a equipos de gran potencia. Por ello, estas aplicaciones requieren interconexiones capaces de soportar una corriente más elevada. Del mismo modo, los instrumentos de precisión, los equipos de ensayo, los dispositivos industriales portátiles y los sistemas de acoplamiento para computadoras y tabletas con procesadores avanzados requieren una mayor potencia por contacto de resorte. Los ingenieros que trabajan con este tipo de aplicaciones recurren a las series 75AB, 76AA y 78AD de contactos modulares de resorte de Bourns.

Por ejemplo, la serie 75AB admite 5 A por contacto de hasta 60 V_CC en una configuración de dos, tres o cuatro contactos. Los componentes macho tienen unas dimensiones de 1.98 a 4.52 mm de ancho × 5.00 mm de profundidad × 3.33 mm de grosor cuando no están comprimidos, mientras que los contactos hembra correspondientes miden de 1.27 a 3.81 mm de ancho × 5.08 mm de profundidad × 0.94 mm de grosor.

La serie 75AB cuenta con terminaciones en línea, también conocidas como "contactos activos dobles". Esta configuración proporciona a cada contacto dos terminaciones simétricas en la carcasa del conector; los diseñadores pueden conectar los circuitos de la placa de circuito impreso a cualquiera de las dos terminaciones o a ambas. Los contactos dobles calientes ofrecen una mayor flexibilidad a la hora de trazar las rutas de los conductores, lo que permite establecer conexiones en paralelo, garantizar la redundancia o mejorar la eficiencia en los cruces de vías, evitando así cortocircuitos o interferencias en la señal, un aspecto importante a tener en cuenta a medida que aumentan los niveles de corriente.

La serie 76AA también ofrece contactos dobles de alta intensidad (Figura 3), capaces de soportar 6 A por contacto en un paquete SMT con entre dos y seis contactos con un paso de 2.54 mm.

Figura 3: Los contactos de resorte de la serie 76AA (izquierda: macho; derecha: hembra) pueden soportar 6 A por contacto hasta 60 V_CC. Cuentan con entre dos y seis contactos activos dobles con un paso de 2.54 mm. (Fuente de la imagen: Bourns)

Los componentes macho de la serie 76AA miden entre 5.00 mm y 15.16 mm de ancho x 8.48 mm de profundidad x 3.81 mm de grosor cuando no están comprimidos. Sus homólogas femeninas miden entre 4.98 mm y 15.14 mm de ancho, 10 mm de profundidad y 1.27 mm de grosor.

Para una capacidad de conducción de corriente de hasta 8 A por contacto a 30 V_CC, los diseñadores recurren a la serie 78AD de contactos modulares de resorte (Figura 4).

Figura 4: Los contactos de resorte de la serie 78AD (izquierda: macho; derecha: hembra) tienen una capacidad nominal de 8 A por contacto y 30 V_CC. Cuentan con entre dos y seis contactos con un paso de 4 mm. (Fuente de la imagen: Bourns)

Al igual que la serie 76AA, los contactos de resorte 78AD cuentan con entre dos y seis contactos espaciados con un paso de 4 mm. Las unidades macho miden entre 7.82 y 23.83 mm de ancho x 11.00 mm de profundidad x 5.55 mm de grosor cuando no están comprimidas. Las unidades hembra tienen unas dimensiones de 9.0 a 25.0 mm de ancho x 11.00 mm de profundidad x 2.3 mm de grosor. Los conectores de la serie 78AD utilizan una terminación de aleación de estaño conforme a la norma MIL-STD-202, método 208, en lugar de contar con dos contactos activos.

Conclusión

Los contactos modulares de resorte son elementos de interconexión que proporcionan conexiones fiables entre placas y entre placas y dispositivos, incluso en condiciones adversas, como ciclos frecuentes de acoplamiento y desacoplamiento, vibraciones y desalineaciones. La mayor capacidad de corriente, el diseño de perfil bajo y las opciones de cableado que ofrecen los contactos de resorte modulares, como los de las series 75AB, 76AA y 78AD de Bourns, convierten a estas interconexiones en una opción fiable para los diseñadores de aplicaciones de automatización industrial, instrumentación de precisión, equipos industriales portátiles y mucho más.