Aprenda a utilizar elastómeros conductores para la conexión eléctrica en conectores Mil-Aero

Las juntas conductoras de electricidad mejoran el blindaje contra interferencias electromagnéticas (EMI) de las carcasas metálicas y metalizadas, a la vez que optimizan la conexión eléctrica y, en algunos casos, la conexión a tierra estructural. 

Estas conexiones son principalmente enlaces de RF y no conexiones de seguridad eléctrica, diseñadas para transportar altas corrientes en caso de cortocircuito o mal funcionamiento. También pueden proporcionar parte de la protección contra impactos de relámpagos (LS/EMP) de una aeronave, aunque ésta es una función secundaria menor, ya que otras estructuras transportarán la mayor parte de la corriente. Esta resistencia puede ser tan baja como 2,5 mΩ y no es difícil de conseguir si dispone de correas de conexión metálicas que unan las dos partes de la estructura. Sin embargo, en algunos casos, como en el conector Mil-C-38999 típico, las correas no son posibles ni prácticas. En cambio, los tornillos junto a una junta tórica o plana conductora facilitan la conexión del conector a la carcasa. 

Desafortunadamente, a veces se produce un fenómeno con conexiones de este tipo: la resistencia eléctrica en general comenzará en un valor de R mΩ, antes de aumentar de a poco durante un periodo de días o semanas hasta tres o cuatro veces el valor inicial sin motivo aparente, mientras se encuentra en un entorno totalmente benigno.

Se suele considerar a menudo que la causa de este problema es la inestabilidad de la junta y, en el caso de las juntas planas, esto a veces puede ser cierto debido al exceso de compresión. Las juntas planas conductoras generalmente tienen una deflexión máxima de alrededor del 15% de su espesor inicial. Evitar daños por un apriete excesivo de los tornillos no es sencillo debido a las variaciones de espesor, que suelen oscilar entre el ±10 % y el ±20 %. Este fenómeno también es evidente cuando se utilizan contratuercas o juntas tóricas; aunque haya contacto metal con metal, la resistencia sigue aumentando con el tiempo. 

Los mecanismos

Para comprender este fenómeno, necesitamos observar el modelo físico y eléctrico de la junta, identificar las vías de conducción y cuantificar su contribución a la resistencia global de la junta. También necesitamos identificar los mecanismos que probablemente resulten en un aumento de la resistencia.

La Fig. 1 muestra un ejemplo de un accesorio de prueba de conector con la junta en azul y las placas superior e inferior que representan la cubierta y la carcasa del conector respectivamente, unidas con cuatro sujeciones M3. En el esquema eléctrico adyacente: 

• Rb representa la resistencia del perno
• Rc representa la resistencia del recubrimiento del conector
• Rg representa la resistencia de la junta 
• Rh representa la resistencia del recubrimiento de la carcasa

Podemos ignorar la resistencia del metal de la carcasa y los conectores, ya que es mucho menor que estas otras resistencias. 

En este escenario, existen dos vías de conducción posibles: 

• A través de la junta
• A través del contacto entre la cabeza del tornillo y la cubierta del conector y hacia adelante a través del cuerpo del tornillo y las roscas de la carcasa  
   

Rb está en paralelo con las otras resistencias y, en caso de existir contacto  
metal-metal a través de las roscas, esto puede resultar inicialmente en una baja resistencia de contacto. Sin embargo, a medida que el contacto se oxida o la presión sobre las roscas, se reduce debido a que la junta adquiere gradualmente cierta deformación permanente después de la compresión, esta trayectoria puede desaparecer por completo o mostrar un aumento de resistencia significativo.

Ahora, supongamos lo siguiente:

• La carcasa y el conector están hechos de aleación de aluminio 
• Ambos se tratan con un recubrimiento de conversión MIL-DTL-5541, tipo II, clase 3 
• Una resistencia específica de no más de 2,5 mΩ/in² es evidente en cada superficie; un total de 5 mΩ/in² a través del espécimen según la especificación  
   

La siguiente tabla resume las propiedades de la junta y de la superficie y la contribución de cada una a la resistencia de la junta (sin considerar cualquier contribución de los elementos de fijación). 

Tabla 1: propiedades de la junta

Tabla 2: resistencias de las juntas

El área de la junta es la de una carcasa de junta de conector Mil-C-38999, tamaño 19 (alrededor de 4,8 cm2 o 0,75 in²). Es posible calcular la resistencia de paso de esta junta mediante la fórmula R = ρL/A, donde: 

• ρ es la resistividad del volumen en Ω cm
• L es el espesor en cm
• A es el área en cm² 

Figura 2: dimensiones de la junta

Evite la compresión excesiva

El hecho importante a tener en cuenta aquí es que si una junta EMI conductora plana permanece intacta, su contribución global a la resistencia de la junta es muy pequeña, ya que la mayor parte procede del recubrimiento de cromato ‘conductor’.

Ahora bien, como se mencionó anteriormente, algunos montajes logran alcanzar resistencias de contacto de <10 mΩ (aunque con conectores muy pequeños), que aumentan gradualmente con el tiempo. Con juntas planas, esto normalmente es el resultado de la conexión eléctrica a través de los pernos, que raspan cualquier cromado de las roscas para proporcionar una pequeña área de contacto íntimo con el metal al apretar. 

Tabla 3: propiedades de contacto de la rosca

Tabla 4: contacto de la rosca en combinación con la junta

La resistividad de volumen del aluminio limpio es de unos 2,65 E-6-ohm cm, es decir, algo más de 3000 veces menor que la de una junta de 0,008 mΩ cm. Como resultado, para lograr la misma resistencia de paso de 10 mΩ con solo contacto de metal a través de un espesor de contacto de 0,81 mm, se requiere un área de 0,01 mm². Un área de este tamaño se consigue fácilmente al apretar los tornillos del conector si los tornillos tienen un acabado conductivo y la acción raspa el recubrimiento de cromato. Un par de roscas en un tornillo con esa zona de contacto darán una resistencia de 2,15 mΩ en paralelo con los 7,49 mΩ de la junta (436 mm²).

Como esta resistencia es en paralelo a las resistencias de la tabla 2, se obtiene un resultado de 1,67 mΩ al utilizar la fórmula para las resistencias en paralelo.

Un punto clave aquí es que estos contactos de fijación no son estables, especialmente si es evidente una compresión excesiva. De ser así, la junta se moverá despacio con el tiempo, normalmente en las esquinas y así reduce las cargas sobre los pernos. El resultado es la pérdida de contacto en las roscas, pérdida de presión en la junta y, luego, un aumento de la resistencia. Incluso si la junta no resulta dañada por un apriete excesivo de los tornillos, es probable que presente cierta deformación permanente después de la compresión, lo que provocará una menor carga de compresión sobre la junta y el consiguiente aumento de la resistencia al paso. 

Selección de juntas 

Las deficiencias de una junta EMI conductora plana troquelada a partir de material en lámina se pueden superar de dos formas:

Utilizar una junta tórica o una junta en D en una ranura. 

Utilizar una junta 'plana' moldeada con características junto con topes de compresión, ya sea en la carcasa o en el conector o dentro de la propia junta.

Con respecto a las juntas tóricas, hay dos factores a considerar (al igual que con las juntas planas):

El área de contacto proporcionada por la junta tórica.

El área de contacto de la superficie de metal con metal (sin incluir las roscas de los tornillos). 

Si volvemos a considerar un conector del tamaño de la carcasa 19, una junta tórica adecuada puede tener un diámetro interior de unos 40 mm y una sección transversal de 1,78 mm. Si se diseña correctamente, podemos estimar que la zona de contacto ocupará toda lo ancho de la ranura. Esto proporciona una zona de contacto para la junta de unos 257 mm² y un grosor de aprox. 1,45 mm, por lo que la resistencia de la junta junto con las superficies cromadas será de 17 mΩ. Como resultado, debemos calcular una zona de contacto metal-metal paralela para conseguir una resistencia inferior a 10 mΩ. Si utilizamos la fórmula para resistencias en paralelo, encontramos que la resistencia de contacto metal-metal tiene que ser de unos 20 mΩ. Si es mediante un contacto perfecto con la superficie cromada a 5 mΩ/in², necesitaremos 0,25 in² (1,6 cm2) de contacto, que resulta posible pero poco probable. Con esta idea en mente, la junta o necesita un contacto metal-metal descubierto (si se asume que es necesario dañar la superficie cromada) o utiliza algo como una correa de conexión que se sujete firmemente contra la superficie metálica descubierta.

La segunda opción, donde sustituimos de forma eficaz una junta plana por una moldeada (posiblemente con topes de compresión), ofrece una opción más útil y fiable pero más cara. 

Tamaño y adaptación

En resumen, las juntas planas conductoras de electricidad para la conexión eléctrica en conectores aeroespaciales con especificaciones militares funcionan siempre que sean lo suficientemente grandes y no se dañen con la carga aplicada por los tornillos. Las juntas tóricas también funcionan y ofrecen protección contra la compresión excesiva, pero tienen un área de contacto reducida en comparación con una junta plana. 

Con su potencial de adaptación, una junta moldeada ofrece la solución óptima para aplicaciones de conectores aeroespaciales. Aunque su precio de compra será ligeramente superior al de una junta plana o una junta tórica, una junta moldeada ofrece numerosas ventajas de diseño y rentabilidad. Por ejemplo, normalmente se necesita menos material de sellado en comparación con las juntas troqueladas, lo que reduce los gastos en muchas aplicaciones, mientras que también es posible cumplir los requisitos de compresión o deflexión con menos elementos de fijación, lo que se traduce en una mayor facilidad de mantenimiento. Además, los ingenieros de diseño pueden colocar los elementos de fijación dentro o fuera de la junta con mayor facilidad, lo que reduce tanto las interferencias electromagnéticas como las fugas de humedad en la caja a través de los orificios de los elementos de fijación. También permite ahorrar en producción, ya que la junta, la tapa y los topes de compresión se convierten en una sola pieza, lo que reduce el número de artículos adquiridos, el inventario y la documentación. Por último, el uso de juntas moldeadas permite eliminar operaciones de conexión incoherentes y costosas. 

Resistencia del recubrimiento

Un recubrimiento MIL-DTL-5541 tipo II clase 3 siempre será una parte importante de la resistencia de cualquier unión conductora, porque el recubrimiento de conversión tiene una resistividad de volumen de alrededor de 45 Ωcm y tiene un espesor de entre 0,25 y 0,5 µm (10-20 micropulgadas). En comparación, una junta tiene una resistividad de volumen de entre unos pocos miliohmios cm y unos pocos ohmios cm. 

En caso de que consiga alcanzar resistencias de miliohmios bajas en juntas de conectores muy pequeñas, es probable que haya dañado el recubrimiento de conversión de cromato en la superficie de la carcasa o del conector o en las roscas de los pernos, por lo que es poco probable que esta baja resistencia de conexión sea estable. 

Por otro lado, si el conector es lo suficientemente grande o si tiene, por ejemplo, cuatro conectores con áreas de junta de aproximadamente 3,2 cm2 (0,5 in²) o más, debería poder cumplir con un requisito de conexión bajo en miliohmios. Si no dispone de suficiente superficie, quizá deba considerar algo como un acabado chapado en lugar de un recubrimiento de conversión. 

Gerard Young

Applications Engineer

Parker Hannifin Chomerics Division Europe

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Este artículo aparece publicado en el nº 545 de Automática e Instrumentación págs. 70 a 73.