¿Qué es un conector de alta resistencia y dónde se utiliza para la conectividad industrial?

Por Jody Muelaner

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

En las aplicaciones industriales se utiliza una amplia gama de conectores para llevar la energía eléctrica, las señales de los sensores y los datos de control de los cables a través de sus uniones hacia fuera y dentro de los componentes de automatización. Lo que constituye un conector de alta resistencia (a veces abreviado como HDC en los nombres de productos de conectores) depende de la aplicación... por lo que es algo relativo. Dicho esto, hay una clara diferencia entre los conectores industriales resistentes y los conectores RJ e IEC de uso ligero que se encuentran en aplicaciones de automatización de interiores limpias que implican Ethernet básica y energía ligera.

Los conectores de alta resistencia pueden presentar una mayor resistencia general, así como una mayor protección contra la entrada, una menor inflamabilidad, una amplia temperatura de funcionamiento, enclavamientos, blindaje a tierra o simplemente una conexión más fiable con bloqueo positivo.

Prensaestopas resistentes frente a conectores

Los prensaestopas (a veces denominados agarres para cables) son, en su mayoría, componentes mecánicos que rodean los cables cuando éstos atraviesan los límites de los paneles de control industrial, así como de otros recintos, conectores y cuerpos de los controladores hechos de chapa y plástico duro. Los prensaestopas cumplen tres funciones. Ellos:

  • Aseguran el cable
  • Evitan el roce de los cables y otros desgastes
  • Proporcionan un sello alrededor de la sección de cable para proteger contra la entrada de humedad y sifón en la caja

La forma en que los prensaestopas anclan los cables evita que se dañen los contactos eléctricos en caso de que se tire del cable o se altere de alguna manera. Los prensaestopas también evitan que las cubiertas de los cables rocen con los bordes afilados de los agujeros que atraviesan la caja, ya que los cuerpos de los prensaestopas se llenan y se ensanchan alrededor de estos bordes. Sin los prensaestopas, los cables sometidos al más mínimo movimiento podrían ser rápidamente cortados por los bordes afilados de los orificios de los recintos hasta que su aislamiento exterior quede completamente aserrado... y los núcleos de los cables sufran un cortocircuito.

En contraste con estos prensaestopas (que rodean los cables), están los conectores que terminan los cables, y que generalmente permiten una desconexión y reconexión más cómodas, así como la unión de múltiples componentes y secciones de cables. Normalmente, las variantes de alta resistencia de estos conectores incluyen una o más características de robustez.

Los conectores de cables de alta resistencia pueden incorporar una protección de entrada de cables en forma de prensaestopas universal, abrazadera de cables o junta y dispositivo antitorsión. Independientemente de la forma mecánica, éstos aseguran el cable y evitan que se salga de los terminales. La protección de la entrada de cables también puede evitar el desgaste de los mismos, al igual que lo hacen los prensaestopas independientes. Tenga en cuenta que los insertos laminares (prensaestopas con varios dedos) son comunes en los conectores moderadamente resistentes, aunque los insertos requieren un reapriete regular para garantizar la protección contra la entrada. Los prensaestopas con una junta continua que se sujeta alrededor del cable suelen ser una opción más fiable para las aplicaciones de uso intensivo.

El capuchón de algunos conectores de cables de alta resistencia encierra los conductores eléctricos del enchufe a la vez que proporciona aislamiento y protección contra la entrada, así como algún manguito o palanca de bloqueo o enganche para mantener unidas las mitades del conector.

En muchos conectores de cables de alta resistencia, el inserto macho incluye clavijas macho, así como tornillos o terminales de engarce donde los núcleos de los cables conductores entran en contacto con las clavijas. En estos conectores, el inserto hembra incluye enchufes complementarios, así como receptáculos o terminales de engaste donde los núcleos de los cables conductores entran en contacto con los enchufes.

Las carcasas reforzadas de los conectores de cables de alta resistencia son quizás su característica más llamativa, ya que a menudo incluyen aislamiento y protección contra la entrada. Los accesorios pueden incluir cubiertas protectoras adicionales y guías para los códigos pin.

Figura 1: Los conectores de la serie Han® incluyen varias características complementarias para soportar condiciones ambientales bastante brutales. (Fuente de la imagen: Harting)

Códigos IP para la protección contra la penetración en conectores de alta resistencia

También es bastante habitual que los conectores de alta resistencia ofrezcan protección contra la entrada de fluidos y partículas sólidas. La protección contra el ingreso de los conectores se clasifica utilizando los mismos códigos de protección contra el ingreso (IP) que se utilizan para las cajas. El primer dígito de un código IP denota la protección frente a objetos sólidos, con valores que van desde el 0 (que indica que no hay protección) hasta el 6, que indica una construcción totalmente hermética al polvo. El segundo dígito del código IP indica la protección contra fluidos, con valores que van de 0 (para ninguna protección) a 8 (para una protección continua contra el agua a una profundidad de 1 m) o incluso 9K, que indica la protección contra chorros de alta presión. Por ejemplo, un conector con clasificación IP67 resiste la penetración del polvo y la inmersión temporal en el agua.

Variaciones de conectores propietarios: ¿por qué son tan comunes?

Debido a la fuerte dependencia de los conectores de alta resistencia de las características de cierre mecánico y de las juntas, muchas opciones del mercado actual son diseños propios o variaciones de conectores específicos para cada aplicación. Por ejemplo, industrias enteras se han estandarizado con los conectores rectangulares de alta resistencia para conexiones de potencia y control de la serie Harting Han. De hecho, esta marca registrada de conectores se considera a veces sinónimo del término conector de alta resistencia en general.

Figura 2: Los conectores de la serie Han (con cuatro y 26 patillas) son una especie de estándar industrial que satisface diversos requisitos de conectividad de datos y de energía de 50 a 5.000 V y de 3 a 200 A. Las disposiciones de bloqueo incluyen un bloqueo Han-Easy Lock de una sola palanca para facilitar el manejo con una sola mano y un bloqueo Han-Easy Lock de dos palancas, para un bloqueo más fiable, una mayor estanqueidad a la presión y el uso con conexiones de cable a cable. Otra opción resistente es el bloqueo por tornillo para conseguir la máxima estanqueidad y reducir el riesgo de uso no autorizado. (Fuente de la imagen: Harting)

Los conectores de la serie Han tienen clavijas dispuestas dentro de un capuchón rectangular que se acoplan a las tomas correspondientes dentro de una carcasa rectangular. Los conectores suelen estar equipados con palancas de bloqueo que permiten al personal de instalación cerrar el conector de forma fácil y segura, garantizando que no se pueda separar... incluso cuando se apliquen cargas de tensión considerables.

Los capuchones (cubiertas de conectores atornilladas) son los más comunes en las terminaciones de cables de alimentación; están disponibles en configuraciones de entrada superior y lateral. Las carcasas pueden ser de montaje en tornillo, de montaje en superficie o de montaje en mamparo para proporcionar una conexión en la instrumentación o la maquinaria. Como alternativa, las carcasas también pueden terminar los cables para las conexiones de cable a cable. Los capuchones y carcasas suelen fabricarse en aleación de fundición a presión... pero también son habituales las carcasas de acero inoxidable y plástico. Algunos fabricantes ofrecen conectores configurables que pueden agruparse dentro de un mismo capuchón o carcasa. Esto puede permitir un mayor número de pines en todos los módulos distintos. Estos conectores están disponibles bajo las marcas Molex GWconnect HDC y TE Connectivity HDC.

Los conectores de los cables resistentes para los cables de datos y de señales de los sensores son ligeramente diferentes. En este caso, los conectores de la serie M están a la cabeza. Son conectores resistentes que sirven para varias conexiones de datos (incluidas las basadas en Ethernet), así como para transmisiones de energía eléctrica. Los conectores resistentes de la serie M son los más habituales en las aplicaciones de redes industriales que incluyen PROFINET, bus de campo y Ethernet industrial para conectar sensores, conmutadores y PLC.

Como se ha explicado en anteriores artículos de Digi-Key, los conectores de la serie M consisten en conectores redondos macho y hembra con manguitos de rosca métrica estándar que encajan y protegen las clavijas y los receptáculos internos. Los tamaños estándar incluyen conectores M5 de 5 mm, M8 de 8 mm, M12 de 12 mm, M16 de 16 mm y M23 de 23 mm. El manguito roscado proporciona una conexión muy resistente y fiable que no puede separarse fácilmente y que garantiza una conexión eléctrica muy fiable, minimizando las señales intermitentes. El manguito también proporciona a los conectores de la serie M un alto nivel de protección contra la entrada que, en muchos casos, puede incluso permitir su uso en entornos de lavado y corrosivos. Los tamaños más comunes son los conectores M8 y M12, con dos, tres, cuatro, cinco, ocho o 12 pines. Normalmente, los conectores de la serie M de tres o cuatro patillas dan servicio a los sensores y las fuentes de alimentación; los conectores de la serie M de cuatro u ocho patillas dan servicio a los dispositivos Ethernet y PROFINET; y los conectores de la serie M de cuatro o cinco patillas dan servicio a los dispositivos de automatización Fieldbus, CAN bus y DeviceNet.

Figura 3: Los conectores de la serie M están fabricados en aluminio de alta resistencia y cuentan con un tornillo de carraca para acoplar los cables de forma rápida y segura con una sola mano. (Fuente de la imagen: LEMO)

Las conexiones de datos utilizadas en las aplicaciones industriales incluyen Ethernet, ModbusTCP/IP, EtherCAT, Ethernet/IP y Profinet... así como varios formatos propietarios. Los conectores RJ son el estándar para todas las implementaciones de Ethernet, pero no ofrecen protección contra el ingreso y no son particularmente robustos. Aunque una lengüeta de plástico del lado del macho encaja en el enchufe (para mantener unidas las mitades del conector), es bastante delicada... y permite que los enchufes se salgan de sus casquillos incluso con un tirón moderado. Por ello, los conectores de la serie M son una opción superior si una instalación automatizada está sujeta a movimiento y a abusos incidentales.

Sin embargo, hay otra advertencia. Aunque los conectores estándar de la serie M son una opción adecuada para los conectores industriales, la obtención de una conexión fiable (y el nivel de protección nominal contra la entrada) depende de que el técnico apriete correctamente la rosca del conector. Algunos proveedores de conectores han intentado solucionar incluso este posible punto de fallo vendiendo conectores de ajuste a presión que se bloquean automáticamente. Quizá el más consolidado sea la serie de conectores Molex Brad, que sustituye directamente a los conectores M12 estándar. Estos omiten el manguito roscado para un mecanismo fiable de empuje y bloqueo... de modo que simplemente presionando las mitades del conector se garantiza un bloqueo perfecto y una conexión fiable sin riesgo de señales intermitentes o desconexión. Estos conectores están disponibles en varias configuraciones e incluyen conectores a presión y a presión con protección IP65.

Figura 4: Los conectores Ultra-Lock son una opción de cierre a presión con juntas tóricas para proporcionar conexiones infalibles y protección contra la entrada IP69K. (Fuente de la imagen: MOLEX)

Cuando se utilizan para aplicaciones Ethernet, los conectores Brad de la serie M y Molex también pueden transportar energía utilizando los estándares Power over Ethernet (PoE) en tres configuraciones -Alternativa A, Alternativa B y 4PPoE- para admitir distintos niveles de ancho de banda y capacidad de energía.

Conectores de alimentación IEC para requisitos de alta potencia

La Comisión Electrotécnica Internacional (CEI) define varias normas para los conectores de alimentación utilizados en aplicaciones domésticas, comerciales e industriales. Por ejemplo, la norma IEC 60320 cubre los conectores sin bloqueo con tensiones y corrientes de hasta 250 V y 16 A respectivamente. Entre ellos se encuentran los acopladores C13/C14 grandes, pero no reforzados, así como los acopladores C19/C20 más grandes y habituales en los equipos electrónicos para aplicaciones industriales, incluidas las fuentes de alimentación de los ordenadores y los armarios de los servidores. Estos acopladores no suelen considerarse conectores de alta resistencia.

En cambio, los conectores de bloqueo IEC 60309 son resistentes y están pensados para su uso en cables industriales que transmiten tensiones y corrientes de hasta 1.000 V y 800 A respectivamente. Todos los conectores de bloqueo IEC 60309 ofrecen cierto grado de protección contra la entrada, con configuraciones estándar que demuestran una protección IP44 a prueba de salpicaduras, IP67 a prueba de agua o IP66/67 a prueba de chorros.

La norma también permite las tomas de corriente con enclavamiento: Los conectores con esta característica no permiten la activación a menos que se acoplen a un enchufe... y el enchufe no puede retirarse hasta que se desconecte la alimentación. La siguiente codificación de colores indica el rango de tensión y frecuencia permitido para el conector.

  • El color amarillo indica que el conector de alimentación IEC 60309 es adecuado para transportar de 100 a 130 V a 50 o 60 Hz.
  • El color azul indica que el conector de alimentación IEC 60309 es adecuado para transportar de 200 a 250 V a 50 o 60 Hz.
  • El color rojo indica que el conector de alimentación IEC 60309 es adecuado para transportar de 380 a 480 V a 50 o 60 Hz ... a menudo en una configuración trifásica.

Figura 5: Este conector de alta resistencia con código de color rojo cumple la norma IEC 60309 para suministrar de 380 a 480 V. (Fuente de la imagen: Wikimedia Commons)

Conclusión:

Los conectores de alta resistencia deben cumplir varios requisitos. ¿Deberá el conector resistir el aplastamiento por cargas de impacto, o ser arrancado? ¿Es necesaria la protección contra el polvo o el agua? ¿Qué temperaturas deberá soportar el conector? ¿Se instalará el conector de alta resistencia en entornos en los que la inflamabilidad sea un problema?

También hay que tener en cuenta el número de clavijas y la tensión y la corriente que debe transportar cada una, así como la dirección de entrada del cable y el nivel de protección del mismo. En las máquinas automatizadas que someten a los cables y a sus conectores a movimientos, deben preverse prensaestopas adecuados y abrazaderas para los cables... y también pueden ser prudentes los dispositivos antitorsión.

Para cargas eléctricas relativamente ligeras, pero que operan en entornos difíciles, los conectores de la serie M y sus derivados suelen ser opciones adecuadas. Para cargas eléctricas mayores, los conectores rectangulares pueden ser una mejor solución... especialmente porque pueden configurarse para adaptarse a casi cualquier requisito complejo con varias direcciones de entrada de cables, opciones de montaje y, en general, construcciones modulares. Por lo demás, para las conexiones sencillas de alimentación a una fuente de CA monofásica o trifásica, los conectores industriales con bloqueo IEC 60309 son la opción principal (si no la única).

Descargo de responsabilidad: Las opiniones, creencias y puntos de vista expresados por los autores o participantes del foro de este sitio web no reflejan necesariamente las opiniones, las creencias y los puntos de vista de Digi-Key Electronics o de las políticas oficiales de Digi-Key Electronics.

Información sobre el autor

Jody Muelaner

El Dr. Jody Muelaner es un ingeniero que ha diseñado aserraderos y dispositivos médicos, ha abordado la incertidumbre en los sistemas de fabricación aeroespacial y ha creado innovadores instrumentos láser. Ha publicado en numerosas revistas especializadas y resúmenes gubernamentales... y ha redactado informes técnicos para Rolls-Royce, SAE International y Airbus. Actualmente dirige un proyecto para desarrollar una bicicleta eléctrica detallada en betterbicycles.org. Muelaner también cubre los avances relacionados con las tecnologías de descarbonización.

Información sobre la editorial

Editores de Digi-Key de América del Norte