Un conector eléctrico es un dispositivo electromecánico utilizado para unir terminaciones eléctricas y crear un circuito eléctrico . [1] La mayoría de los conectores eléctricos tienen un género , es decir, el componente macho, llamado enchufe , se conecta al componente hembra o al enchufe . La conexión puede ser removible (como para equipos portátiles), requerir una herramienta para ensamblar y remover, o servir como una unión eléctrica permanente entre dos puntos. [2] Se puede usar un adaptador para unir conectores diferentes.
Se fabrican miles de configuraciones de conectores para aplicaciones de potencia , datos y audiovisuales . [3] Los conectores eléctricos se pueden dividir en cuatro categorías básicas, diferenciadas por su función: [4]
- conectores en línea o de cable conectados permanentemente a un cable, lo que permite enchufarlo a otro terminal (ya sea un instrumento estacionario u otro cable) [5]
- conectores de chasis o panel que están conectados permanentemente a un equipo, lo que permite a los usuarios conectar un cable a un dispositivo estacionario
- Montaje de PCB conectores soldados a una placa de circuito impreso , proporcionando un punto de a un cable o alambre que se adjunta [6] : 56 (por ejemplo, cabezales de pin , terminales de tornillo , conectores de placa a placa )
- empalmes o conectores a tope (principalmente conectores de desplazamiento de aislamiento ) que unen permanentemente dos tramos de alambre o cable
En informática, los conectores eléctricos se consideran una interfaz física y constituyen parte de la capa física en el modelo de red OSI .
Construcción física [ editar ]
Además de las clases mencionadas anteriormente, los conectores se caracterizan por su patillaje , método de conexión , materiales, tamaño, resistencia de contacto , aislamiento , durabilidad mecánica, protección de ingreso , vida útil (número de ciclos) y facilidad de uso.
Por lo general, es deseable que un conector sea fácil de identificar visualmente, rápido de ensamblar, económico y que solo requiera herramientas simples. En algunos casos, un fabricante de equipos podría elegir un conector específicamente porque es no compatible con las de otras fuentes, que permite el control de lo que puede ser conectado. Ningún conector tiene todas las propiedades ideales para cada aplicación; La proliferación de tipos es el resultado de los requisitos diversos pero específicos de los fabricantes. [7] : 6
Materiales [ editar ]
Los conectores eléctricos consisten esencialmente en dos clases de materiales: conductores y aislantes. Las propiedades importantes para los materiales conductores son la conductividad , la resistencia mecánica , la formabilidad y la resistencia . [8] Los aisladores deben tener una alta resistencia eléctrica , soportar altas temperaturas y ser fáciles de fabricar para un ajuste preciso.
Los electrodos en los conectores generalmente están hechos de aleaciones de cobre , debido a su buena conductividad y maleabilidad . [7] : 15 Las alternativas incluyen latón , bronce fosforoso y cobre berilio . El electrodo de metal base a menudo está recubierto con otro metal inerte como oro , níquel o estaño . [8]Esto aumenta la conductividad eléctrica y la durabilidad. Por ejemplo, las aleaciones de cobre tienen propiedades mecánicas favorables para los electrodos, pero son difíciles de soldar y propensas a la corrosión. Por lo tanto, los pines de cobre generalmente están recubiertos con oro para aliviar estas dificultades, especialmente para señales analógicas y aplicaciones de alta confiabilidad. [9] [10]
Contacto portadores que sujetan las partes de un conector juntos se hacen generalmente de plástico, debido a sus propiedades aislantes, y carcasas o carcasas traseras pueden estar hechos de plástico o de metal moldeado. [7] : 15
Modos de falla [ editar ]
La mayoría de las fallas del conector resultan en conexiones intermitentes o contactos abiertos: [11] [12]
| Modo de fallo | Probabilidad relativa |
|---|---|
| Circuito abierto | 61% |
| Contacto pobre | 23% |
| Cortocircuito | dieciséis% |
Los conectores son componentes puramente pasivos , es decir, no mejoran la función de un circuito, por lo que los conectores deberían afectar la función de un circuito lo menos posible. El montaje inseguro de los conectores (principalmente montados en el chasis) puede contribuir significativamente al riesgo de falla, especialmente cuando se somete a golpes o vibraciones extremas. [11] Otras causas de falla son los conectores con clasificación inadecuada para la corriente y el voltaje aplicados, los conectores con protección de ingreso inadecuada y las carcasas roscadas que están desgastadas o dañadas.
Las altas temperaturas también pueden causar fallas en los conectores, lo que resulta en una "avalancha" de fallas: la temperatura ambiente aumenta, lo que lleva a una disminución en la resistencia de aislamiento y un aumento en la resistencia del conductor; Este aumento genera más calor y el ciclo se repite. [11]
El traste (llamado corrosión dinámica ) es un modo de falla común en los conectores eléctricos que no han sido diseñados específicamente para prevenirlo, especialmente en aquellos que con frecuencia se acoplan y desacoplan. [13] La corrosión de la superficie es un riesgo para muchas partes metálicas en los conectores, y puede causar que los contactos formen una capa superficial delgada que aumenta su resistencia, contribuyendo así a la acumulación de calor y conexiones intermitentes. [14] Sin embargo, volver a colocar o volver a colocar un conector puede aliviar el problema de la corrosión de la superficie, ya que cada ciclo raspa una capa microscópica de la superficie de los contactos, exponiendo una superficie fresca y no oxidada.
Conectores circulares [ editar ]
Muchos conectores utilizados para aplicaciones industriales y de alta confiabilidad son circulares en sección transversal, con una carcasa cilíndrica y geometrías de interfaz de contacto circular. Esto está en contraste con el diseño rectangular de algunos conectores, por ejemplo, conectores USB o blade . Se usan comúnmente para facilitar la conexión y desconexión, el sellado ambiental estricto y el rendimiento mecánico resistente. [15] Son ampliamente utilizados en maquinaria militar, aeroespacial, industrial y ferroviaria, donde MIL-DTL-5015 y MIL-DTL-38999 se especifican comúnmente. Los campos como la ingeniería de sonido y la comunicación por radio también usan conectores circulares, como XLRy BNC . Los enchufes de alimentación de CA también son comúnmente circulares, por ejemplo, enchufes Schuko e IEC 60309 .
El conector M12 , especificado en IEC 61076-2-101, es un par de enchufe / receptáculo eléctrico circular con roscas de acoplamiento de 12 mm de OD, utilizado en NMEA 2000 , DeviceNet , IO-Link , algunos tipos de Industrial Ethernet , etc. [16] [ 17]
Una desventaja del diseño circular es su uso ineficiente del espacio del panel cuando se usa en matrices, en comparación con los conectores rectangulares.
Los conectores circulares comúnmente usan carcasas traseras , que proporcionan protección física y electromagnética, mientras que a veces también proporcionan un método para bloquear el conector en un receptáculo. [18] En algunos casos, esta cubierta trasera proporciona un sello hermético , o algún grado de protección de ingreso , mediante el uso de ojales , juntas tóricas o encapsulamiento . [15]
Conectores híbridos [ editar ]
Los conectores híbridos permiten la mezcla de muchos tipos de conectores, generalmente a través de una carcasa con insertos. [19] Estas carcasas también pueden permitir la mezcla de interfaces eléctricas y no eléctricas, ejemplos de estos últimos son conectores de línea neumática y conectores de fibra óptica . Debido a que los conectores híbridos son de naturaleza modular, tienden a simplificar el montaje, la reparación y las modificaciones futuras. También permiten la creación de conjuntos de cables compuestos que pueden reducir el tiempo de instalación del equipo al reducir la cantidad de conjuntos de cables y conectores individuales.
Características mecánicas [ editar ]
Secuencia de pin [ editar ]
Algunos conectores están diseñados de tal manera que ciertos pines hacen contacto antes que otros cuando se insertan, y se rompen primero al desconectarse. [1] Esto se usa a menudo en conectores de alimentación para proteger equipos, por ejemplo, conectar primero la tierra de seguridad . También se emplea para señales digitales, como un método para secuenciar las conexiones correctamente en el intercambio en caliente .
Keying [ editar ]
Muchos conectores están codificados con algún componente mecánico (a veces llamado chavetero ) que evita el acoplamiento excepto con un conector coincidente orientado correctamente. [20] Esto se puede utilizar para evitar daños mecánicos en los conectores, que se atasquen en el ángulo incorrecto o en el conector incorrecto, o para evitar conexiones eléctricas incompatibles o peligrosas, como enchufar un cable de audio a una toma de corriente. [1] La codificación también evita que los conectores simétricos se conecten en la orientación o polaridad incorrecta . La codificación es particularmente importante para situaciones en las que hay muchos conectores similares, como en la electrónica de señal. [7] : 26Por ejemplo, los conectores XLR tienen una muesca para garantizar una orientación adecuada, mientras que los enchufes Mini-DIN tienen una proyección de plástico que encaja en un orificio correspondiente en el zócalo (también tienen una falda de metal con muescas para proporcionar una incrustación secundaria). [21]
Mecanismos de bloqueo [ editar ]
Algunas carcasas de conectores están diseñadas con mecanismos de bloqueo para evitar una desconexión accidental o un sellado ambiental deficiente. [1] Los diseños de mecanismos de bloqueo incluyen palancas de bloqueo de varios tipos, bloqueo de tornillo y sistemas de palanca o bayoneta . Dependiendo de los requisitos de la aplicación, las carcasas con mecanismos de bloqueo se pueden probar bajo varias simulaciones ambientales que incluyen golpes y vibraciones físicas, rociado de agua, polvo, etc. para garantizar la integridad de la conexión eléctrica y los sellos de la carcasa.
Backshells [ editar ]
Las bases son un accesorio común para conectores industriales y de alta confiabilidad, especialmente conectores circulares . [18] Las placas de protección suelen proteger el conector y / o el cable del estrés ambiental o mecánico, o lo protegen de interferencias electromagnéticas . [22] Muchos tipos de carcasas están disponibles para diferentes propósitos, incluidos varios tamaños, formas, materiales y niveles de protección. Las carcasas suelen bloquearse en el cable con una abrazadera o funda moldeada, y pueden enroscarse para unirlas a un receptáculo de acoplamiento. [23] Las bases para uso militar y aeroespacial están reguladas por SAE AS85049. [24]
Contactos hiperboloides [ editar ]
Para ofrecer una estabilidad de señal garantizada en entornos extremos, el diseño tradicional de clavija y zócalo puede volverse inadecuado. Los contactos hiperboloides están diseñados para soportar demandas físicas más extremas, como vibraciones y golpes. [20] También requieren alrededor de un 40% menos de fuerza de inserción [25] , tan bajo como 0.3 newtons (1 oz f ) por contacto [26] , lo que extiende la vida útil y, en algunos casos, ofrece una alternativa a los conectores de fuerza de inserción cero . [27] [25]
En un conector con contactos hiperboloides, cada contacto hembra tiene varios cables longitudinales igualmente espaciados torcidos en una forma hiperbólica. Estos alambres son altamente resistentes a la tensión, pero aún así son algo elásticos, por lo tanto, esencialmente funcionan como resortes lineales. [28] [29] A medida que se inserta el pasador macho, los cables axiales en la mitad del receptáculo se desvían y se envuelven alrededor del pasador para proporcionar una serie de puntos de contacto. Los alambres internos que forman la estructura hiperboloide generalmente se anclan en cada extremo doblando la punta en una ranura o muesca en la carcasa. [30]
Si bien los contactos hiperboloides pueden ser la única opción para hacer una conexión confiable en algunas circunstancias, tienen la desventaja de ocupar un mayor volumen en un conector que puede causar problemas para los conectores de alta densidad. [25] También son significativamente más caros que los contactos tradicionales de clavija y enchufe, lo que ha limitado su aceptación desde su invención en la década de 1920 por Wilhelm Harold Frederick. [31] En la década de 1950, Francois Bonhomme popularizó los contactos hiperboloides con su conector "Hypertac", que luego fue adquirido por Smiths Group . Durante las siguientes décadas, los conectores ganaron popularidad constantemente y todavía se usan para aplicaciones médicas, industriales, militares, aeroespaciales y ferroviarias (particularmente trenes en Europa). [28]
Pernos Pogo [ editar ]
Los conectores Pogo o de resorte se usan comúnmente en productos de consumo e industriales, donde la resistencia mecánica y la facilidad de uso son prioridades. [32] El conector consta de un barril, un resorte y un émbolo. Se utilizan por seguridad en aplicaciones como el conector MagSafe , y pueden ser menos dañinos que el diseño tradicional de clavija y enchufe, lo que lleva a su uso en pruebas en circuito . [33]
Conectores de resorte de corona [ editar ]
Los conectores de resorte de corona se usan comúnmente para flujos de corriente más altos y aplicaciones industriales. Tienen una gran cantidad de puntos de contacto, lo que da como resultado una conexión más confiable eléctricamente que los conectores de clavija y enchufe tradicionales. [34]
Métodos de conexión [ editar ]
Aunque técnicamente es inexacto, los conectores eléctricos se pueden ver como un tipo de adaptador para convertir entre dos métodos de conexión, que están conectados permanentemente en un extremo y (generalmente) desmontables en el otro extremo. [7] : 40 Por definición, cada extremo de este "adaptador" tiene un método de conexión diferente, por ejemplo, las pestañas de soldadura en un conector de teléfono macho y el conector de teléfono macho en sí. [3] En este ejemplo, las pestañas de soldadura conectadas al cable representan la conexión permanente, mientras que la porción del conector macho se interconecta con un enchufe hembra que forma una conexión desmontable.
Hay muchas formas de aplicar un conector a un cable o dispositivo. Algunos de estos métodos se pueden lograr sin herramientas especializadas. Otros métodos, si bien requieren una herramienta especial, pueden ensamblar conectores mucho más rápido y de manera más confiable, y facilitar las reparaciones.
Conectores de enchufe y zócalo [ editar ]
Los conectores de enchufe y enchufe generalmente están formados por un enchufe macho (típicamente contactos de clavija) y un enchufe hembra (típicamente contactos de receptáculo). A menudo, pero no siempre, los enchufes se fijan permanentemente a un dispositivo como en un conector de chasis , y los enchufes se conectan a un cable.
Los enchufes generalmente tienen uno o más pasadores o puntas que se insertan en las aberturas en el receptáculo de acoplamiento. La conexión entre las partes metálicas de acoplamiento debe ser lo suficientemente apretada para hacer una buena conexión eléctrica y completar el circuito. Un tipo alternativo de conexión de enchufe y enchufe utiliza contactos hiperboloides , lo que hace una conexión eléctrica más confiable. Cuando se trabaja con conectores de múltiples pines, es útil tener un diagrama de pines para identificar el cable o nodo de circuito conectado a cada pin.
Algunos estilos de conector pueden combinar tipos de conexión de clavija y enchufe en una sola unidad, denominada conector hermafrodita . [6] : 56 Estos conectores incluyen el apareamiento con aspectos masculinos y femeninos, que implican partes idénticas complementarias emparejadas, cada una de las cuales contiene protuberancias y muescas. Estas superficies de acoplamiento se montan en accesorios idénticos que pueden acoplarse libremente con cualquier otro, sin tener en cuenta el género (siempre que el tamaño y el tipo ya coincidan).
A veces, ambos extremos de un cable están terminados con el mismo género de conector, como en muchos cables de conexión Ethernet . En otras aplicaciones, los dos extremos están terminados de manera diferente, ya sea con el macho y la hembra del mismo conector (como en un cable de extensión ) o con conectores incompatibles, que a veces se denomina cable adaptador .
Los enchufes y tomas de corriente se usan ampliamente en varios sistemas de conectores, incluidos conectores de clavija, placas de pruebas , conectores XLR , tomas de corriente para automóviles , conectores tipo banana y conectores de teléfono .
Tomas y enchufes [ editar ]
Un conector es un conector diseñado para fijarse en la superficie de un mamparo o recinto, y se conecta con su enchufe recíproco . [35] Según la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos , [36] el conector estacionario (más fijo) de un par se clasifica como un conector (denotado J), generalmente conectado a un equipo como en un chasis o panel conector de montaje. El conector móvil (menos fijo) se clasifica como un enchufe (denominado P), [36] diseñado para conectarse a un cable, cable o conjunto eléctrico extraíble. [37] Esta convención se define actualmente en ASME Y14.44-2008 que reemplazaIEEE 200-1975 , que a su vez se derivó del antiguo MIL-STD-16 (de la década de 1950), destacando la herencia de esta convención de nomenclatura de conectores. [35] IEEE 315-1975 trabaja junto con ASME Y14.44-2008 para definir conectores y enchufes.
El término jack aparece en varios términos relacionados:
- El conector registrado o conector modular en RJ11, RJ45 y otros conectores similares utilizados para telecomunicaciones y redes de computadoras
- El conector telefónico de las centrales telefónicas manuales , que es el enchufe que se ajusta al enchufe telefónico original de 1 ⁄ 4 pulgadas (6,35 mm)
- El 1 / 4 de pulgada (6,35 mm) toma de teléfono común a muchas aplicaciones electrónicas en varias configuraciones, a veces referido como un conector de auriculares
- El conector RCA , también conocido como conector fonográfico , común a la electrónica audiovisual de consumo
- El conector EIAJ para electrodomésticos que requieren una fuente de alimentación de menos de 18.0 voltios
Conectores engarzados [ editar ]
Los conectores engarzados son un tipo de conexión sin soldadura, que utilizan fricción mecánica y deformación uniforme para asegurar un conector a un cable pelado previamente (generalmente trenzado). [1] El engarzado se utiliza en conectores de empalme , enchufes y enchufes multipin engarzados y conectores coaxiales engarzados. El engarzado generalmente requiere una herramienta de engaste especializada, pero los conectores son rápidos y fáciles de instalar y son una alternativa común a las conexiones de soldadura o los conectores de desplazamiento de aislamiento. Las conexiones de engarzado efectivas deforman el metal del conector más allá de su límite elástico, de modo que el cable comprimido provoca tensión en el conector circundante y estas fuerzas se contrarrestan entre sí para crear un alto grado de fricción estática.. Debido al elemento elástico en las conexiones engarzadas, son altamente resistentes a la vibración y al choque térmico . [38]
Los contactos engarzados son permanentes (es decir, los conectores y los extremos del cable no pueden reutilizarse). [39]
Los conectores de enchufe y enchufe prensados pueden clasificarse como de liberación trasera o de liberación frontal . Esto se relaciona con el lado del conector donde están anclados los pines: [20]
- Los contactos de liberación frontal se liberan desde la parte frontal (lado de contacto) del conector y se retiran desde la parte posterior. La herramienta de extracción se acopla con la parte frontal del contacto y la empuja hacia la parte posterior del conector.
- Los contactos de liberación posterior se liberan y se retiran de la parte posterior (lado del cable) del conector. La herramienta de extracción libera los contactos desde la parte posterior y extrae el contacto del retenedor.
Conectores soldados [ editar ]
Muchos conectores de enchufe y enchufe están unidos a un cable o cable mediante la soldadura de conductores a electrodos en la parte posterior del conector. Las uniones soldadas en los conectores son robustas y confiables si se ejecutan correctamente, pero generalmente son más lentas que las conexiones engarzadas. [1] Cuando los cables deben soldarse a la parte posterior de un conector, a menudo se usa una cubierta posterior para proteger la conexión y agregar alivio de tensión. Se proporcionan cubos de soldadura de metal o copas de soldadura , que consisten en una cavidad cilíndrica que un instalador llena con soldadura antes de insertar el cable. [40]
Al crear conexiones soldadas, es posible derretir el dieléctrico entre pines o cables. Esto puede causar problemas porque la conductividad térmica de los metales hace que el calor se distribuya rápidamente a través del cable y el conector, y cuando este calor derrite el dieléctrico plástico, puede causar cortocircuitos o aislamiento "cónico". [39] Las juntas de soldadura también son más propensas a fallas mecánicas que las juntas rizadas cuando se someten a vibraciones y compresión. [41]
Conectores de desplazamiento de aislamiento [ editar ]
Dado que quitar el aislamiento de los cables requiere mucho tiempo, muchos conectores destinados a un montaje rápido usan conectores de desplazamiento de aislamiento para que el aislamiento se corte a medida que se inserta el cable. [1] Por lo general, toman la forma de una abertura en forma de horquilla en el terminal, en la que se presiona el cable aislado y que corta el aislamiento para contactar con el conductor interno. Para hacer estas conexiones de manera confiable en una línea de producción, se utilizan herramientas especiales que controlan con precisión las fuerzas aplicadas durante el ensamblaje. En escalas pequeñas, estas herramientas tienden a costar más que las herramientas para conexiones engarzadas.
Los conectores de desplazamiento de aislamiento generalmente se usan con conductores pequeños para fines de señal y a bajo voltaje. Los conductores de energía que transportan más de unos pocos amperios se terminan de manera más confiable con otros medios, aunque los conectores de presión "hot tap" encuentran algún uso en aplicaciones automotrices para adiciones al cableado existente.
Un ejemplo común es el cable plano plano multiconductor utilizado en unidades de disco de computadora; terminar cada uno de los muchos (aproximadamente 40) cables individualmente sería lento y propenso a errores, pero un conector de desplazamiento de aislamiento puede terminar todos los cables en una sola acción. Otro uso muy común son los llamados bloques de perforación utilizados para terminar el cableado de par trenzado sin blindaje .
Publicaciones vinculantes [ editar ]
Los postes de unión son un método de conexión de un solo cable, donde el cable pelado se atornilla o sujeta a un electrodo de metal. Dichos conectores se utilizan con frecuencia en equipos de prueba electrónicos y audio. Muchas publicaciones vinculantes también aceptarán un enchufe tipo banana .
Terminales de tornillo [ editar ]
Las conexiones de tornillo se utilizan con frecuencia para el cableado semipermanente y las conexiones dentro de los dispositivos, debido a su construcción simple pero confiable. El principio básico de todos los terminales de tornillo involucra la punta de un perno que se sujeta a un conductor pelado. Se pueden usar para unir múltiples conductores, [42] para conectar cables a una placa de circuito impreso , o para terminar un cable en un enchufe o enchufe. [7] : 50El tornillo de sujeción puede actuar en el eje longitudinal (paralelo al cable) o en el eje transversal (perpendicular al cable), o en ambos. Algunas desventajas son que la conexión de cables es más difícil que simplemente enchufar un cable, y los terminales de tornillo generalmente no están muy bien protegidos del contacto con personas o materiales conductores extraños.
Los bloques de terminales (también llamados tableros de terminales o tiras ) proporcionan un medio conveniente para conectar cables eléctricos individuales sin un empalme o unir físicamente los extremos. Dado que los bloques de terminales están disponibles para una amplia gama de tamaños de cables y cantidad de terminales, son uno de los tipos de conectores eléctricos más flexibles disponibles. Un tipo de bloque de terminales acepta cables que se preparan solo pelando una corta longitud de aislamiento desde el extremo. Otro tipo, a menudo llamado tiras de barrera , acepta alambres que tengan anillo o terminal de horquilla orejetas engarzado sobre los cables.
Los terminales de tornillo montados en la placa de circuito impreso (PCB) permiten conectar cables individuales a una PCB a través de cables soldados a la placa.
Conectores de anillo y pala [ editar ]
Los conectores en la fila superior de la imagen se conocen como terminales de anillo y terminales de pala (a veces llamados terminales de horquilla o anillo dividido). El contacto eléctrico se realiza por la superficie plana del anillo o la pala, mientras que mecánicamente se unen al pasar un tornillo o perno a través de ellos. El factor de forma del terminal de pala facilita las conexiones, ya que el tornillo o perno se puede dejar atornillado parcialmente cuando se retira o se conecta el terminal de pala. Sus tamaños pueden determinarse por el calibre del cable conductor y los diámetros interior y exterior.
Conectores de cuchilla [ editar ]
Un conector de cuchilla es un tipo de conexión de enchufe y enchufe de un solo cable que utiliza una cuchilla conductora plana que se inserta en un receptáculo. Los cables se pueden unir a conectores de cuchilla macho o hembra mediante engarzado o soldadura . Las variedades aisladas y no aisladas están disponibles. En algunos casos, la cuchilla es una parte integral fabricada de un componente (como un interruptor o una unidad de altavoz), y el conector recíproco se empuja sobre el conector del dispositivo.
Los tipos comunes de conectores de cuchilla son los conectores Faston y los conectores Lucar . Si bien Faston es una marca comercial de TE Connectivity (anteriormente Tyco Electronics), ha tenido un uso común. Los conectores Faston vienen en tipos macho y hembra. Se han usado comúnmente desde la década de 1970.
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