Cómo diseñar para entornos difíciles usando conectores sellados

Los diseñadores están exprimiendo cada vez más la electrónica en espacios cada vez más incómodos o reducidos, especialmente en el transporte, los sistemas industriales y los electrodomésticos inteligentes como las lavadoras. En esas aplicaciones, el enrutamiento de la interconexión puede dar lugar a muchos problemas de fiabilidad y seguridad debido al polvo, la entrada de humedad, las temperaturas extremas y las tensiones mecánicas.

Incluso dentro de un mismo sistema, los requisitos de las conexiones individuales pueden variar enormemente. Los cables que transportan señales digitales de bajo voltaje tienen diferentes problemas de interconexión en comparación con los cables más gruesos que transportan altos voltajes para los motores y la distribución de energía. La elección incorrecta del conector puede resultar en fallos de la señal total o intermitente, costosos tiempos de inactividad y problemas de mantenimiento.

Este artículo tratará los desafíos que implica la selección de soluciones de interconexión de cables adecuadamente resistentes que sean lo suficientemente robustas para la aplicación. Explicará cómo el uso apropiado de un sistema de conectores de cable con clasificación IP67 y USCAR-2 Sealing Class 2 puede asegurar interconexiones fiables que también reducen el coste de mantenimiento y reparación. A continuación, presentará una variedad de soluciones de interconexión de cables con clasificación IP67 y USCAR-2 Sealing Class 2 de Molex y mostrará cómo se pueden utilizar para abordar una serie de requisitos de aplicación.

Consideraciones sobre el diseño de la interconexión industrial

Los diseñadores de equipos para entornos industriales deben tener en cuenta las partículas contaminantes, los líquidos y las temperaturas extremas. Además, los sistemas industriales deben estar preparados para hacer frente a condiciones imprevisibles debidas a cambios en el medio ambiente o en el equipo.

Las instalaciones industriales, como fábricas y almacenes, utilizan una variedad de soluciones de interconexión, muchas de ellas de alta resistencia. Los coches y camiones también se consideran entornos industriales en movimiento. Hay directrices generales que deben considerarse para estas situaciones de interconexión. La más básica es la resistencia a cualquier tipo de partículas, desde limaduras de hierro y fragmentos de metal hasta polvo y polvos finos. Cuanto más finas sean las partículas, mayor será la probabilidad de que sean transportadas por el aire. Por ejemplo, el polvo común, el hollín y otras partículas finas de equipos pesados pueden mantenerse en el aire mediante ventiladores y sistemas de ventilación y aterrizar a muchos metros de su fuente. Estas partículas pueden entrar en cualquier abertura no sellada, incluyendo conectores acoplados, contaminando las superficies interiores. Esto puede causar problemas de apareamiento que van desde fallos intermitentes debido a la resistencia de la conexión hasta la pérdida total de contacto. Además, si la materia particulada es abrasiva o corrosiva, puede causar una falla permanente del conector que requiere un reemplazo costoso y que lleva mucho tiempo.

También se pueden encontrar varios fluidos en entornos industriales. El agua, la gasolina, los aceites y diversos productos químicos son comunes en los entornos industriales de trabajo pesado. El ingreso de estos líquidos como fluido o vapor en un sistema de conectores acoplados puede causar cortocircuitos y nuevamente resultar en fallas del equipo.

Sistemas de interconexión con clasificación IP67

En lugar de hacer una variedad de conectores para diferentes condiciones ambientales industriales, la industria ha estandarizado en el uso de cables y sistemas de conectores que tienen una clasificación IP67. Si bien las dos letras IP representan oficialmente las tres palabras "índice de protección internacional", se conoce más comúnmente por su "protección de ingreso" no oficial pero más precisa. El IP67 define la resistencia del sistema de interconexión a las partículas y a los objetos extraños, así como su resistencia a la entrada de agua.

El "6" en IP67 indica que una interconexión es totalmente impermeable a cualquier materia particulada, incluyendo el polvo fino. Esto se logra principalmente por un sellado hermético entre las carcasas de los dos conectores acoplados. El "7" indica que un sistema de interconexión IP67 puede soportar la inmersión en el agua a una profundidad de un metro durante un máximo de 30 minutos. Esto es suficiente para la mayoría de los ambientes industriales.

El sellado hermético entre las carcasas acopladas de los dos conectores ayuda, pero la resistencia al agua se logra principalmente mediante una junta de conector que es típicamente resistente no solo al agua sino también a muchos productos químicos. Los diferentes materiales de junta son resistentes a diferentes productos químicos, por lo que durante la selección de un sistema de interconexión el material de junta utilizado es una consideración importante.

Conectando señales digitales de baja potencia

Por supuesto, no todos los sistemas de interconexión por cable tienen las mismas necesidades. Las soluciones de interconexión para señales lógicas digitales en el interior de equipos con clasificación IP67 normalmente solo necesitan manejar 5 voltios o menos a corrientes de alrededor de 500 miliamperios (mA). Estas señales de baja potencia utilizan pequeños conectores de cable liviano que típicamente no ven mucho abuso físico. Los conectores deben ser fáciles de acoplar para un rápido montaje del equipo, y lo suficientemente ligeros como para no poner ningún tipo de tensión en los cables de baja corriente en el ensamblaje del cable. Para estas aplicaciones de interconexión, Molex tiene el sistema de conector miniatura de cable a cable Mizu-P25. Estos conectores con certificación IP67 a prueba de agua mantienen el polvo y el agua fuera del conjunto acoplado en una carcasa compacta y conveniente.

Un ejemplo de un par acoplado de conectores Mizu-P25 con clasificación IP67 es el enchufe Molex 0521160240 y el sistema de conector impermeable de dos posiciones del receptáculo Molex 0521170240 (Figura 1). Cuando están completamente acoplados, los dos conectores solo miden 25.5 milímetros (mm) de largo, lo que es apropiado para recintos pequeños y estrechos.

Figura 1: El sistema de conectores acoplados de dos posiciones del enchufe Mizu-P25 0521160240 y del receptáculo 0521170240 de Molex proporciona una sólida protección contra el polvo y el agua. Los conectores acoplados solo miden 25.5 mm de largo y proporcionan un chasquido sólido y audible cuando están acoplados correctamente. (Fuente de la imagen: Molex)

La carcasa y la tapa de cada conector están hechas de poliéster, que tiene una excelente resistencia al agua, es resistente a las llamas y no se desvanece ni se agrieta con la exposición prolongada a la luz solar. Los conectores de poliéster también son resistentes a la rotura y se doblarán durante el uso normal mientras resisten la deformación. Esto hace que el sistema de conectores sea lo suficientemente resistente para un manejo rudo cuando se acopla durante el montaje del equipo. Los conectores de poliéster también tienen una excelente resistencia al cizallamiento, ideal para la abrasión por deslizamiento que se produce cuando los conectores están acoplados y desacoplados.

Tanto el sello del anillo del conector como el del extremo del cable utilizan juntas de silicona que proporcionan un sello hermético contra el agua y el polvo. Las juntas y sellos de silicona mantienen la flexibilidad a bajas temperaturas, lo que hace que estos conectores sean perfectos para equipos de baja temperatura como refrigeradores y equipos de clima frío al aire libre. Estos conectores tienen dos posiciones con un paso de 5 mm, aislando de forma segura las dos señales. Son ensamblados por el usuario usando pasadores engarzados para facilitar el montaje.

El sistema de conectores está diseñado para un fácil acoplamiento, independientemente de los terminales de engarce seleccionados por los desarrolladores del sistema. Cuando se acoplan correctamente, los conectores proporcionan un clic claramente audible para indicar que los conectores están sólidamente acoplados. Esto ayuda a los técnicos durante el montaje del sistema y asegura un sellado hermético.

Este sistema conector Mizu-P25 de Molex tiene una tensión nominal de 250 voltios y un rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a +105 °C. Esto hace que el sistema de conectores de enchufe Mizu-P25 0521160240 y el sistema de conectores de receptáculo 0521170240 del Molex sea apropiado para los electrodomésticos y muchos sistemas industriales de clima frío. La clasificación IP67 indica a los diseñadores del equipo que el sistema conector es seguro contra el agua y el polvo y no requiere una prueba ambiental extensa del sistema conector.

Interconexión robusta y sellada para facilitar el mantenimiento

A veces se requieren sistemas de interconexión para manejar corrientes más altas y ser fáciles de mantener en entornos difíciles. El sistema de interconexión no solo debe proporcionar una conexión segura que no se desconecte accidentalmente, sino que también debe ser fácil de desconectar durante las actividades de mantenimiento. Para estas situaciones los diseñadores pueden usar el sistema de interconexión de cable a cable sellado Squba de Molex. Los conectores Squba también tienen un grado de protección IP67 y pueden suministrar más energía en un factor de forma más pequeño. El enchufe Squba 2042230004 y el receptáculo 2042200004 de Molex, por ejemplo, son conectores de cuatro posiciones con un paso de 1.80 mm que proporcionan una alimentación y una entrega de señal fiables (Figura 2).

Figura 2: El enchufe Squba 2042230004 (izquierda) y el receptáculo 2042200004 (derecha) de Molex son un sistema de interconexión de cuatro posiciones diseñado para proporcionar una sólida protección de las altas corrientes en entornos húmedos. (Fuente de la imagen: Molex)

Estos conectores Squba de Molex utilizan terminales engarzados y proporcionan un clic audible cuando se conectan correctamente. El pestillo del conector en el receptáculo es de bajo perfil, lo que minimiza la posibilidad de quedar atrapado en un equipo externo. El pestillo proporciona una conexión firme y segura que se puede desconectar fácilmente durante el mantenimiento, ya sea aplicando una fuerza firme hacia arriba con los dedos o utilizando una herramienta estándar de palanca de desbloqueo.

Tanto el enchufe Squba como la carcasa del receptáculo están hechos de nylon, que es excepcionalmente fuerte y resistente a la mayoría de los productos químicos industriales. Esto hace que el sistema de interconexión Molex Squba sea apropiado para cualquier entorno en el que los conectores puedan ser movidos, empujados o impactados por el equipo. El sistema de interconexión está sellado contra el polvo y la humedad por sellos de silicona.

Cada clavija del conector puede suministrar 125 voltios CA o CC. Los calibres de cable recomendados son de 22 a 24 AWG. Utilizando clavijas engarzadas a un cable 22 AWG trenzado, cada clavija puede manejar un máximo de 5.25 amperios (A) a 30 °C para una capacidad máxima de transporte de corriente de 21 A. La capacidad máxima de corriente varía con la temperatura, por lo que los diseñadores deben prestar mucha atención a la documentación del conector para asegurarse de que el caudal de corriente previsto en el conector es apropiado para las condiciones.

La temperatura de funcionamiento está comprendida entre -40 °C y +105 °C, y junto con una clasificación IP67, los conectores son apropiados para entornos como sistemas de HVAC, equipos de dispensación de bebidas y equipos industriales que deben funcionar en entornos fríos o húmedos.

Interconexión sumergible de múltiples circuitos

A veces un sistema de interconexión no es tan simple como interconectar las mismas señales en un cable. Ocasionalmente, deben transmitirse múltiples tipos de circuitos a lo largo del mismo cableado, incluyendo señales digitales, señales de control de alta corriente y conexiones de suministro de energía. Estas situaciones requieren un sistema de interconexión híbrido que pueda manejar diferentes tamaños de contactos. Para estas aplicaciones, los diseñadores pueden utilizar el sistema de interconexión de ensamblaje de cable híbrido MX150 de Molex. El sistema híbrido MX150 está validado según los requisitos de la USCAR-2 Sealing Class 2, que es similar a la clasificación IP67. El USCAR-2 Class 2 requiere pasar una prueba de vacío a presión sumergida en agua.

Una vez ensamblado, el híbrido MX150 de Molex es un sistema de conectores totalmente sellado, apropiado para situaciones en las que los conectores acoplados pueden quedar sumergidos, o en un entorno muy húmedo donde los fluidos y el rociado de agua a alta presión son comunes.

El enchufe de 12 posiciones del Híbrido 1601126001 MX150 y el receptáculo de 12 posiciones del 1601116006 (Figura 3) de Molex pueden contener una mezcla de hasta diez terminales de cuchilla de 1.5 mm y hasta dos terminales de cuchilla de 2.5 mm. Los terminales de 1.5 mm pueden utilizarse para transportar señales lógicas de bajo nivel, mientras que los dos terminales de cuchilla de 2.8 mm pueden utilizarse para transportar hasta 22 A. Esto hace que este sistema de interconexión sea apropiado para aplicaciones automovilísticas e industriales en las que un solo juego de cables necesita llevar tanto energía como datos a una sola máquina.

Figura 3: El enchufe de 12 posiciones híbrido 1601126001 (izquierda) MX150 Molex y su compañero, el receptáculo 1601116006 (derecha), pueden manejar con seguridad una mezcla de terminales de cuchilla de 1.5 mm y 2.80 mm en un sistema de interconexión sumergible. (Fuente de la imagen: Molex)

Cuando está completamente ensamblado y acoplado, el sistema de interconexión híbrido MX150 conforme a IP67 es inmune a la contaminación por suciedad o polvo. Puede sumergirse bajo el agua y funcionar a temperaturas de entre -40 °C y +125 °C. La carcasa del conector es una combinación de nylon y vidrio, que es muy duradera y resistente a la manipulación brusca y a los impactos suaves. Esto hace que este sistema de interconexión sea apropiado para entornos industriales difíciles y para muchos aparatos de consumo, así como para aplicaciones de motores de automóviles en los que el conector está sometido a temperaturas extremas, salpicaduras de agua a alta presión e impactos fuertes de objetos pesados.

El enchufe híbrido 1601126001 MX150 y el receptáculo 1601116006 de Molex necesitan ser ensamblados como parte de un cable o arnés de cableado. Este montaje requiere que los terminales se inserten en el enchufe y el receptáculo. Sin embargo, es posible que los técnicos de montaje a veces no inserten completamente los terminales en la carcasa del conector, lo que conduce a conexiones poco fiables. Para estas situaciones, cada uno de estos conectores incluye una carcasa de garantía de posición terminal (TPA).

Durante una inserción exitosa del pasador en la carcasa del TPA, el técnico de montaje sentirá que el pasador se fija firmemente en su posición. Si el terminal no está insertado correctamente, al acoplarse el enchufe y el receptáculo no se engancharán. Esto garantiza que las clavijas se inserten correctamente, aumentando la fiabilidad del sistema.

Conclusión:

Los diseñadores de sistemas para aparatos industriales, de transporte o domésticos necesitan asegurarse de que sus conexiones puedan soportar los rigores de la aplicación, incluyendo espacios reducidos, polvo y suciedad, temperaturas extremas, líquidos y aceites, y otras materias penetrantes. Para ayudar a simplificar el proceso de diseño, los diseñadores pueden buscar conectores especialmente diseñados con un grado de protección IP67 o para hacer frente tanto a la penetración de polvo y suciedad, como a la humedad y la entrada de líquidos.

Como se muestra, hay una variedad de conectores con clasificación IP67 que se adaptan a una amplia gama de requisitos de aplicación, desde señales digitales de bajo nivel hasta la entrega de energía de alta corriente. La selección del conjunto de conectores con la clasificación IP67 correcta asegura la fiabilidad del sistema y minimiza el riesgo de costosos tiempos de inactividad o reparaciones.