Consideraciones sutiles para conectores en entornos duros y extremos

Dependiendo de la aplicación, estos conectores deben cumplir una serie de normas de la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI), el Consejo de Investigación de Automoción de Estados Unidos (USCAR), la Sociedad de Ingenieros de Automoción (SAE) y el Grupo alemán AK, entre otros.

Este artículo comienza con algunas consideraciones sutiles, como la diferencia entre resistente a la intemperie e impermeable, así como los distintos niveles de impermeabilidad. A continuación, examina las diferencias entre las pruebas de vibración USCAR-2 y LV 214 alemanas. El artículo finaliza presentando una serie de conectores de Amphenol como los de cableado a placa, USB Type-C®, ix, M12 push-pull, diseños filtrados sub-D y soluciones de baterías intercambiables diseñadas para satisfacer las demandas de entornos hostiles y extremos.

Algunos conectores se promocionan como “resistentes a la intemperie”. Según el Servicio Meteorológico Nacional de EE UU, “el tiempo se define como el estado de la atmósfera en un momento y lugar determinados, con respecto a variables como la temperatura, la humedad, la velocidad y dirección del viento y la presión barométrica”. Resistente a la intemperie tiene distintos significados en meteorología y conectores.

Resistente a la intemperie no se utiliza en las normas técnicas para conectores. Las especificaciones de los conectores no suelen hablar de los distintos niveles de velocidad del viento ni de la presión barométrica. La definición meteorológica de tiempo atmosférico no hace referencia al polvo ni a otras partículas que puedan afectar al rendimiento de los conectores y que se incluyen en normas como la IEC 60529, grados de protección proporcionados por los gabinetes (código IP), que se aplican a los conectores.

En general, los conectores resistentes a la intemperie están diseñados para su uso en exteriores y su exposición a la intemperie. Suelen tener un grado de protección IP65 o superior y están fabricados con materiales resistentes a los rayos ultravioleta (UV) para soportar una exposición prolongada a la luz solar. Los conectores estancos tienen un grado de protección IP67 o superior. Aunque puede ser útil identificar un conector como resistente a la intemperie o al agua, es mejor determinar su clasificación IP específica.

La clasificación más baja es IP11. Eso significa protección contra la penetración de un objeto de 50 mm como una mano, pero el agua puede penetrar. Los conectores suelen tener grados de protección IP mucho más elevados. Por ejemplo, los conectores resistentes a la intemperie con clasificación IP65 no verán reducidas sus prestaciones por la exposición al polvo durante dos a ocho horas, y están protegidos de los chorros de agua con entrada de agua limitada permitida.

Los conectores estancos con clasificación IP67 son herméticos al polvo y pueden sumergirse a una profundidad de 1 metro durante 30 minutos sin que penetre el agua. Para aplicaciones más exigentes, existen grados de protección contra el agua (IP) aún más elevados (figura 1).

Para garantizar un funcionamiento fiable, los conectores deben tener contactos seguros. Esto puede suponer un reto en entornos con muchas vibraciones, como sistemas industriales, maquinaria pesada y aplicaciones de transporte. Dos normas de vibración comúnmente referenciadas para conectores son LV214 y USCAR-2.

Ambos hacen referencia a la norma IEC 60068, Serie SR (requisitos del sistema) para pruebas ambientales que abarcan una serie de condiciones, como excitación sinusoidal, aleatoria y de choque, y calor y frío extremos. Hacen referencia a la norma IEC 60512-1-1, que especifica la inspección visual durante las pruebas. Aunque tienen mucho en común, LV214 y USCAR-2 difieren.

El Grupo AK de fabricantes de automóviles alemanes desarrolló el LV214. Se centra en la calidad de los terminales utilizando monitores de fuerza de crimpado. Los terminales deben cumplir criterios específicos en cuanto a las características de la fuerza de crimpado. Los monitores de fuerza de prensado miden la presión aplicada durante el proceso de prensado y garantizan que cumple los requisitos de la norma.

La USCAR-2 es más amplia. Incluye pruebas en todas las fases de desarrollo, así como análisis de campo de terminales, conectores y otros componentes en aplicaciones de automoción de alta tensión (60 V a 600 V).

Ambas normas clasifican las vibraciones en cinco niveles de intensidad. En LV214, los niveles van de S1, la vibración más grave, normalmente cerca de los neumáticos, a S5, la menos grave, normalmente en la cabina de pasajeros. El nivel S2 se encontraría en lugares como la batería/pila de un vehículo eléctrico. Las clasificaciones USCAR-2 incluyen V1 para el perfil de vibración del chasis y el perfil de vibración del motor V2 más severo, y los niveles de prueba de vibración más altos incluyen ciclos térmicos durante la prueba. (Cuadro 1).

Amphenol ofrece un amplio rango de soluciones industriales. Por ejemplo, los conectores de cableado a placa WireLock de 1.8 mm de Amphenol cumplen las normas USCAR-2 V2 y LV214 S2. Están diseñados para automoción, sistemas de gestión de batería, aplicaciones industriales y de instrumentación, y robótica.

Los conectores WireLock tienen una intensidad nominal de 3 A y admiten cables de calibre 22 a 26 (AWG). Hay disponibles modelos con hasta 40 posiciones en un diseño de doble fila y configuraciones verticales y horizontales de taladro pasante y montaje en superficie. Hay cuatro colores diferentes para codificar contra el apareamiento erróneo (Figura 2).

Figura 2: Los conectores WireLock tienen hasta 40 posiciones y cumplen las normas USCAR2 V2 y LV214 S2. (Fuente de la imagen: Amphenol).

La conectividad USB Type-C es vital en muchas aplicaciones, incluidos los entornos industriales y difíciles. Define un estilo de conector, no un protocolo, y admite la transferencia de datos a una velocidad de hasta 10 Gigabits por segundo (Gb/s) y el suministro de energía. Además de su aplicación en la conectividad USB, estos conectores pueden utilizarse para Thunderbolt, peripheral component interconnect express (PCIe), interfaz multimedia de alta definición (HDMI), DisplayPort y otros protocolos. Para soportar velocidades de datos máximas, todas las piezas conectadas a tierra de estos conectores, como los pines, el cierre y la hoja EMC, están conectadas a tierra para reducir la resonancia. 

El control de la resonancia limita la cantidad de diafonía e interferencias electromagnéticas (EMI) y contribuye a mejorar el rendimiento de los conectores. Amphenol ofrece conectores USB Type-C en versiones resistentes al agua y reforzadas. Los conectores USB Type-C resistentes al agua cuentan con la certificación IP68 y están protegidos frente a la inmersión en agua durante periodos prolongados. La estanqueidad se consigue utilizando el proceso de moldeo por inyección líquida (LIM) de la Empresa para fabricar una junta tórica de caucho impermeable en el exterior del conector que garantiza que la carcasa de acero inoxidable quede completamente sellada. Estos conectores de 24 clavijas resisten 10.000 ciclos de acoplamiento. 

Para algunas aplicaciones, la impermeabilización no es suficiente. Los diseñadores pueden recurrir al conector USB Type-C reforzado de MUSBR para esas aplicaciones. Al igual que las versiones estancas, estos conectores reforzados resisten 10,000 ciclos de acoplamiento. Disponen de un receptáculo de termoplástico de ingeniería negro con clasificación UL94V-0 alojado en una carcasa de aleación de zinc fundida a presión y niquelada que proporciona estabilidad para proteger contra golpes, vibraciones e impactos. La cubierta trasera es de acero inoxidable, y una junta de caucho de silicona conductiva soporta una clasificación IP67 y una temperatura de funcionamiento de -40 °C a +105 °C (Figura 3).

Ethernet industrial permite varios protocolos que admiten el control en tiempo real y el determinismo en las instalaciones de la Industria 4.0, como EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET y Modbus TCP, entre otros. Amphenol ofrece una gran variedad de soluciones Ethernet industriales que se adaptan a las necesidades específicas de cada aplicación. Están disponibles con grados de protección IP20 a IP67.

La interfaz de enclavamiento industrial sellada ix de la serie NDH es un conector rectangular de empuje y extracción y una solución de cable resistente a la intemperie con una clasificación IP67 y en una carcasa resistente a la radiación UV para su uso en interiores, exteriores y entornos difíciles. Admiten conectividad Ethernet Cat6A mediante una interfaz de acoplamiento estándar IEC 61076-3-124. Características incluidas (Figura 4):

• Mecanismo de empuje y bloqueo positivo.
• Pequeño, ligero, factor de forma.
• Disponibles como kits de clavijas terminables en campo o arneses de cables prefabricados.
• Se acopla a los receptores industriales estándar IP20 ix

Amphenol ofrece una gama de soluciones de productos para entornos difíciles, incluidos los conectores en contrafase MPronto-12 M12. La clavija de conexión MPronto-12 se acopla a todas las tomas M12*1.0 y cumple la norma IEC 61076-2-101 de cualquier fabricante. Proporcionan una forma rápida y sencilla de mejorar el rendimiento del sistema en aplicaciones como automatización industrial, equipos pesados, vehículos eléctricos y equipos de manipulación de materiales, ya que cumplen los grados de protección IP67, IP68 e IP69K y son compatibles con los códigos M12 A, B, D, K, E, S, T y X. 

Características adicionales:

• Temperatura de funcionamiento de -20 °C a +105 °C.
• Ahorra más del 80% del tiempo de instalación.
• El clic audible garantiza un acoplamiento positivo.
• Más pequeño que los conectores en contrafase M12 de la competencia que requieren un par de acoplamiento.

Los conectores con filtro FCE17 D-sub protegen la integridad de las señales de datos filtrando las interferencias EMI (interferencia electromagnética) conducidas y radiadas. Están diseñados para los sectores de la automoción, la industria, el uso médico, las comunicaciones de datos y la energía.

El filtrado proporcionado supera el rendimiento de los mismos componentes de filtrado montados en la placa de circuito impreso (PCB) del sistema, e incluir los componentes de filtrado en el conector reduce el tamaño y el coste de la solución. Estos conectores filtrados se adaptan a la huella de conectores estándar no filtrados y admiten actualizaciones sencillas del rendimiento EMI.

Hay disponibles varios capacitores de chip de baja impedancia (dieléctricos NP0 o X7R) en valores estándar de 50 picoFarads (pf) a 47000 pf para satisfacer un amplio rango de/una amplia gama de necesidades de filtrado. También hay disponibles valores de capacitancia personalizados.

La tecnología de aislamiento por tensión de Amphenol produce conectores con una capacidad superior de choque mecánico y térmico. Los esfuerzos mecánicos sobre el conector o los contactos no provocarán el agrietamiento de los elementos filtrantes ni la rotura de la conexión eléctrica. Además, las emisiones radiadas y conducidas de EMI (interferencia electromagnética) externas y del dispositivo se derivan a tierra, lo que mejora el rendimiento CEM.

Los diseñadores de sistemas de baterías intercambiables para drones, robots y sistemas de movilidad electrónica en almacenes y fábricas pueden utilizar las soluciones de conectores de baterías intercambiables DURASWAP. Están disponibles en dos configuraciones de potencia y seis de señal; también se ofrecen diseños personalizados. Pueden transportar corrientes continuas de 15 a 70 amperios (A) y tienen una capacidad nominal de 10,000 ciclos de acoplamiento.

El acoplamiento ciego se admite con una holgura de ±2 milímetros (mm). La tecnología first-mate last-break (FMLB) permite que la conexión a tierra se establezca antes que las conexiones de alimentación y que la conexión a tierra se mantenga hasta después de que se rompan las conexiones de alimentación. El casquillo metálico para la fijación del panel puede soportar altas cargas de torsión para un sellado eficaz del IP del panel. 

Otras características incluyen (Figura 5):

• Clavijas guía para garantizar un acoplamiento correcto.
• Grado de protección IP67 cuando está acoplado y desacoplado.
• Materiales de la carcasa con clasificación UL94V-0.
• Rango de temperatura de funcionamiento de -20 °C a +90 °C.

En este artículo se han revisado algunas consideraciones a la hora de especificar conectores para su uso en entornos duros y extremos. En algunos casos, es necesario distinguir entre las pruebas de vibración USCAR-2 y LV214. Dado que cada vez se utilizan más sistemas en el exterior, es importante reconocer la diferencia entre resistente a la intemperie e impermeable y los distintos niveles de impermeabilidad. Por último, las aplicaciones específicas pueden incluir el uso de la tecnología FMLB en los conectores de alimentación y el filtrado EMI (interferencia electromagnética) integrado en los conectores de datos de alta velocidad.