Conector eléctrico

Los conectores eléctricos constan esencialmente de dos clases de materiales: conductores y aislantes. Las propiedades importantes de los materiales conductores son la resistencia de contacto, la conductividad , la resistencia mecánica , la conformabilidad y la resiliencia . ^{[ 8 ]} Los aislantes deben tener una alta resistencia eléctrica , soportar altas temperaturas y ser fáciles de fabricar para un ajuste preciso.

Los electrodos en los conectores suelen estar hechos de aleaciones de cobre , debido a su buena conductividad y maleabilidad . ^{[ 7 ] : 15} Las alternativas incluyen latón , bronce fosforoso y cobre berilio . El metal base del electrodo a menudo se recubre con otro metal inerte como oro , níquel o estaño . ^{[ 8 ]} El uso de un material de recubrimiento con buena conductividad, robustez mecánica y resistencia a la corrosión ayuda a reducir la influencia de las capas de óxido pasivantes y los adsorbentes superficiales, que limitan los puntos de contacto metal-metal y contribuyen a la resistencia de contacto. 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 se recubren con oro para mitigar estos inconvenientes, especialmente para señales analógicas y aplicaciones de alta fiabilidad. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Los soportes de contacto que mantienen unidas las partes de un conector suelen ser de plástico, debido a sus propiedades aislantes. Las carcasas o cubiertas posteriores pueden ser de plástico moldeado y metal. ^{[ 7 ] : 15} Los cuerpos de los conectores para uso a altas temperaturas, como los termopares o los asociados con lámparas incandescentes grandes , pueden ser de material cerámico cocido.

La mayoría de las fallas de los conectores resultan en conexiones intermitentes o contactos abiertos: ^{[ 11 ] [ 12 ]}

Los conectores son componentes puramente pasivos ; es decir, no mejoran la función de un circuito , por lo que deben afectarla lo menos posible. Un montaje inadecuado de los conectores (principalmente en el chasis) puede contribuir significativamente al riesgo de fallo, sobre todo cuando se someten a golpes o vibraciones extremas. ^{[ 11 ]} Otras causas de fallo son los conectores con una capacidad nominal insuficiente para la corriente y el voltaje aplicados, los conectores con una protección contra la entrada de polvo y agua inadecuada y las carcasas roscadas desgastadas o dañadas.  

Las altas temperaturas también pueden provocar fallos en los conectores, lo que da lugar a una "avalancha" de fallos : la temperatura ambiente aumenta, lo que conlleva una disminución de la resistencia de aislamiento y un aumento de la resistencia del conductor; este aumento genera más calor y el ciclo se repite. ^{[ 11 ]} 

El desgaste por fricción (también 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 se conectan y desconectan con frecuencia. ^{[ 13 ]} La corrosión superficial es un riesgo para muchas piezas metálicas en los conectores y puede causar que los contactos formen una capa superficial delgada que aumenta la resistencia, lo que contribuye a la acumulación de calor y a las conexiones intermitentes. ^{[ 14 ]} Sin embargo, volver a conectar o desconectar un conector puede aliviar el problema de la corrosión superficial, ya que cada ciclo raspa una capa microscópica de la superficie del o los contactos, exponiendo una superficie nueva y sin oxidar.

Muchos conectores utilizados para aplicaciones industriales y de alta fiabilidad tienen una sección transversal circular, con una carcasa cilíndrica y geometrías de interfaz de contacto circulares. Esto contrasta con el diseño rectangular de algunos conectores, por ejemplo, los conectores USB o de cuchilla . Se utilizan comúnmente para facilitar la conexión y desconexión, un sellado ambiental hermético y un rendimiento mecánico robusto. ^{[ 15 ]} Se utilizan ampliamente en el ámbito militar, aeroespacial, maquinaria industrial y ferroviario, donde se especifican comúnmente las normas MIL-DTL-5015 y MIL-DTL-38999 . Campos como la ingeniería de sonido y las comunicaciones por radio también utilizan conectores circulares, como XLR y BNC . Los enchufes de alimentación de CA también suelen ser circulares, por ejemplo, los enchufes Schuko e IEC 60309 .

El conector M12 , especificado en IEC 61076-2-101, es un par de enchufes/receptáculos eléctricos circulares con roscas de acoplamiento de 12 mm de diámetro exterior, utilizado en NMEA 2000 , DeviceNet , IO-Link , algunos tipos de Ethernet industrial , etc. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

Una desventaja del diseño circular es su uso ineficiente del espacio del panel cuando se utiliza en conjuntos, en comparación con los conectores rectangulares.

Los conectores circulares suelen utilizar carcasas posteriores , que proporcionan protección física y electromagnética, y que a veces también sirven para fijar el conector a un receptáculo. ^{[ 18 ]} En algunos casos, esta carcasa posterior proporciona un sellado hermético o cierto grado de protección contra la entrada de agentes externos mediante el uso de arandelas , juntas tóricas o encapsulado . ^{[ 15 ]}

Los conectores híbridos permiten la combinación de diversos tipos de conectores, generalmente mediante una carcasa con insertos. ^{[ 19 ]} Estas carcasas también permiten la combinación de interfaces eléctricas y no eléctricas, como por ejemplo los conectores de líneas neumáticas y los conectores de fibra óptica . Debido a su naturaleza modular, los conectores híbridos simplifican el montaje, la reparación y las futuras modificaciones. Además, permiten la creación de conjuntos de cables compuestos que reducen el tiempo de instalación de los equipos al disminuir la cantidad de cables y conectores individuales.

Algunos conectores están diseñados de tal manera que ciertos pines hacen contacto antes que otros al insertarlos y se desconectan primero. ^{[ 1 ]} Esto se usa a menudo en conectores de alimentación para proteger el equipo, por ejemplo, conectando primero la toma de tierra de seguridad . También se emplea para señales digitales, como método para secuenciar correctamente las conexiones en el intercambio en caliente .

Ejemplos de conectores con llave

Conector XLR , mostrando la muesca para la alineación.

Cable S-Video Mini-DIN de 4 pines , con muescas y un pin de alineación rectangular.

Muchos conectores están marcados con algún componente mecánico (a veces llamado ranura de chaveta ), que impide el acoplamiento en una orientación incorrecta. ^{[ 20 ]} Esto puede usarse para evitar daños mecánicos a los conectores, por atascarse en el ángulo incorrecto o en el conector equivocado, o para evitar conexiones eléctricas incompatibles o peligrosas, como enchufar un cable de audio a una toma de corriente. ^{[ 1 ]} La chaveta también evita que conectores que de otro modo serían simétricos se conecten en la orientación o polaridad incorrecta . La chaveta es particularmente importante en situaciones donde hay muchos conectores similares, como en la electrónica de señales. ^{[ 7 ] : 26} Por ejemplo, los conectores XLR tienen una muesca para asegurar la orientación correcta, mientras que los enchufes Mini-DIN tienen una proyección de plástico que encaja en un orificio correspondiente en el zócalo (también tienen una falda metálica con muescas para proporcionar una chaveta secundaria). ^{[ 21 ]}

Algunas carcasas de conectores están diseñadas con mecanismos de bloqueo para evitar desconexiones accidentales o un sellado ambiental deficiente. ^{[ 1 ]} Los diseños de mecanismos de bloqueo incluyen palancas de bloqueo de varios tipos, tornillos de ajuste , carcasas roscadas, conectores de empuje y tracción, y sistemas de palanca o bayoneta . Algunos conectores, en particular aquellos con un gran número de contactos, requieren fuerzas elevadas para conectarse y desconectarse. Las palancas de bloqueo, los tornillos de ajuste y las carcasas roscadas para dichos conectores suelen servir tanto para retener el conector cuando está conectado como para proporcionar la fuerza necesaria para la conexión y desconexión. Según los requisitos de la aplicación, las carcasas con mecanismos de bloqueo pueden someterse a pruebas bajo diversas simulaciones ambientales que incluyen golpes y vibraciones físicas, pulverización de agua, polvo, etc., para garantizar la integridad de la conexión eléctrica y los sellos de la carcasa.

Las cubiertas traseras son un accesorio común para conectores industriales y de alta fiabilidad, especialmente los conectores circulares . ^{[ 18 ]} Las cubiertas traseras suelen proteger el conector y/o el cable de tensiones ambientales o mecánicas, o lo protegen de interferencias electromagnéticas . ^{[ 22 ]} Existen muchos tipos de cubiertas traseras disponibles para diferentes propósitos, incluyendo diversos tamaños, formas, materiales y niveles de protección. Las cubiertas traseras generalmente se fijan al cable con una abrazadera o una funda moldeada, y pueden tener rosca para su conexión a un receptáculo compatible. ^{[ 23 ]} Las cubiertas traseras para uso militar y aeroespacial están reguladas por la norma SAE AS85049 en los EE. UU. ^{[ 24 ]}

Para garantizar la estabilidad de la señal en entornos extremos, el diseño tradicional de pines y zócalos puede resultar inadecuado. Los contactos hiperboloides están diseñados para soportar exigencias físicas más extremas, como vibraciones e impactos. ^{[ 20 ]} También requieren aproximadamente un 40 % menos de fuerza de inserción ^{[ 25 ]} –tan solo 0,3 newtons (1 oz _f ) por contacto, ^{[ 26 ]} lo que prolonga 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 y retorcidos en forma hiperbólica. Estos cables son muy resistentes a la tensión, pero aún conservan cierta elasticidad, por lo que funcionan esencialmente como resortes lineales. ^{[ 28 ] [ 29 ]} Al insertarse el pin macho, los cables axiales en la mitad del zócalo se desvían, enrollándose alrededor del pin para proporcionar varios puntos de contacto. Los cables internos que forman la estructura hiperboloide suelen anclarse en cada extremo doblando la punta en una ranura o muesca de la carcasa. ^{[ 30 ]}

Si bien los contactos hiperboloides pueden ser la única opción para lograr una conexión confiable en algunas circunstancias, tienen la desventaja de ocupar un mayor volumen en un conector, lo que puede causar problemas en conectores de alta densidad. ^{[ 25 ]} También son significativamente más caros que los contactos tradicionales de clavija y receptáculo, lo que ha limitado su adopción desde su invención en la década de 1920 por Wilhelm Harold Frederick. ^{[ 31 ]} En la década de 1950, François Bonhomme popularizó los contactos hiperboloides con su conector "Hypertac", que posteriormente fue adquirido por Smiths Group . Durante las décadas siguientes, los conectores ganaron popularidad progresivamente y todavía se utilizan en aplicaciones médicas, industriales, militares, aeroespaciales y ferroviarias (en particular, en trenes en Europa). ^{[ 28 ]}

Los conectores Pogo Pin o con resorte se utilizan comúnmente en productos de consumo e industriales, donde la resistencia mecánica y la facilidad de uso son prioritarias. ^{[ 32 ]} El conector consta de un barril, un resorte y un émbolo. Se emplean en aplicaciones como el conector MagSafe, donde se requiere una desconexión rápida por motivos de seguridad. Debido a que dependen de la presión del resorte, y no de la fricción, pueden ser más duraderos y menos dañinos que los diseños tradicionales de pines y enchufes, lo que lleva a su uso en pruebas en circuito . ^{[ 33 ]}

Los conectores de resorte de corona se utilizan comúnmente para flujos de corriente elevados y aplicaciones industriales. Tienen un gran número de puntos de contacto, lo que proporciona una conexión eléctricamente más fiable que los conectores tradicionales de clavija y receptáculo. ^{[ 34 ]}

Los conectores de enchufe y toma suelen estar formados por un enchufe macho (normalmente con contactos de clavija) y una toma hembra (normalmente con contactos de receptáculo). A menudo, aunque no siempre, las tomas están fijadas permanentemente a un dispositivo, como en un conector de chasis , y los enchufes se conectan a un cable.

Los enchufes suelen tener uno o más pines o clavijas que se insertan en las aberturas del conector. La conexión entre las partes metálicas debe ser lo suficientemente firme para garantizar una buena conexión eléctrica y completar el circuito. Un tipo alternativo de conexión de enchufe y conector utiliza contactos hiperboloides , que proporcionan una conexión eléctrica más fiable. Al trabajar con conectores multipin, resulta útil disponer de un diagrama de pines para identificar el cable o nodo del circuito conectado a cada pin.

Algunos estilos de conectores pueden combinar conexiones de clavija y zócalo en una sola unidad, denominada conector hermafrodita . ^{[ 6 ] : 56} Estos conectores incluyen el acoplamiento con aspectos macho y hembra, que involucran partes idénticas complementarias emparejadas, cada una con protuberancias y hendiduras. Estas superficies de acoplamiento se montan en accesorios idénticos que se acoplan libremente con cualquier otro, sin importar el género (siempre que el tamaño y el tipo coincidan).

En ocasiones, ambos extremos de un cable terminan con conectores del mismo tipo, como en muchos cables de conexión Ethernet . En otras aplicaciones, los dos extremos terminan de forma diferente, ya sea con conectores macho y hembra idénticos (como en un cable de extensión ) o con conectores incompatibles, lo que a veces se denomina cable adaptador .

Los enchufes y las tomas de corriente se utilizan ampliamente en diversos sistemas de conexión, incluidos los conectores de cuchilla, las placas de pruebas , los conectores XLR , las tomas de corriente para automóviles , los conectores banana y los conectores telefónicos .

Conectores y enchufes

Un conector hembra es un conector que se instala en la superficie de un mamparo o carcasa y se acopla con su recíproco, el conector macho . ^{[ 36 ]} Según la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos , ^{[ 37 ]} el conector estacionario (más fijo) de un par se clasifica como conector hembra (denotado J), generalmente conectado a una pieza de equipo como en un conector de montaje en chasis o de montaje en panel. El conector móvil (menos fijo) se clasifica como conector macho (denotado P), ^{[ 37 ]} diseñado para conectarse a un cable, alambre o conjunto eléctrico extraíble. ^{[ 38 ]} Esta convención está definida actualmente en ASME Y14.44-2008, que reemplaza a IEEE 200-1975 , que a su vez deriva de la norma MIL-STD-16 (de la década de 1950), retirada hace mucho tiempo, lo que resalta la herencia de esta convención de nomenclatura de conectores. ^{[ 36 ]} IEEE 315-1975 funciona 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 informáticas.
• La toma telefónica de las centrales telefónicas manuales , que es el conector que encaja en el enchufe telefónico original de 1/4 de pulgada (6,35 mm). 
• El conector telefónico de 1/4 de pulgada (6,35 mm), común en muchas aplicaciones electrónicas en diversas configuraciones, a veces denominado conector para auriculares. 
• El conector RCA , también conocido como conector phono , es común en los aparatos electrónicos audiovisuales de consumo.
• El conector cilíndrico para alimentación de bajo voltaje, común en la electrónica de consumo.

Los conectores crimpados son un tipo de conexión sin soldadura que utiliza la fricción mecánica y la deformación uniforme para fijar un conector a un cable previamente pelado (generalmente multifilar). ^{[ 1 ]} El crimpado se utiliza en conectores de empalme , enchufes y tomas multipin crimpados y conectores coaxiales crimpados. El crimpado suele requerir una herramienta especializada, pero los conectores son rápidos y fáciles de instalar y constituyen una alternativa común a las conexiones soldadas o a los conectores de desplazamiento de aislamiento. Las conexiones crimpadas eficaces deforman el metal del conector más allá de su límite elástico, de modo que el cable comprimido genera tensión en el conector circundante, y estas fuerzas se contrarrestan entre sí para crear un alto grado de fricción estática . Debido al elemento elástico de las conexiones crimpadas, son altamente resistentes a las vibraciones y al choque térmico . ^{[ 39 ]}

Los contactos engarzados son permanentes (es decir, los conectores y los extremos de los cables no se pueden reutilizar). ^{[ 40 ]}

Los conectores macho-hembra crimpados se pueden clasificar como de liberación trasera o de liberación delantera . Esto se refiere al lado del conector donde se anclan los pines: ^{[ 20 ]}

• Los contactos de liberación frontal se liberan desde la parte delantera (lado de contacto) del conector y se extraen desde la parte trasera. La herramienta de extracción se acopla a la parte frontal del contacto y lo empuja hacia la parte posterior del conector.
• Los contactos de liberación trasera se sueltan y se retiran desde la parte posterior (lado del cable) del conector. La herramienta de extracción libera los contactos desde la parte posterior y los extrae del soporte.

Muchos conectores de enchufe y toma se unen a un cable mediante la soldadura de conductores a electrodos en la parte posterior del conector. Las uniones soldadas en los conectores son robustas y fiables si se realizan correctamente, pero suelen ser más lentas que las conexiones crimpadas. ^{[ 1 ]} Cuando se sueldan cables a la parte posterior de un conector, a menudo se utiliza una carcasa posterior para proteger la conexión y proporcionar alivio de tensión. Se proporcionan recipientes o copas de soldadura metálicas , que consisten en una cavidad cilíndrica que el instalador llena con soldadura antes de insertar el cable. ^{[ 41 ]}

Al realizar conexiones soldadas, es posible que se funda el dieléctrico entre los pines o cables. Esto puede causar problemas porque la conductividad térmica de los metales provoca que el calor se distribuya rápidamente a través del cable y el conector, y cuando este calor funde el dieléctrico plástico, puede causar cortocircuitos o aislamiento cónico (ensanchado). ^{[ 40 ]} Las uniones soldadas también son más propensas a fallar mecánicamente que las uniones crimpadas cuando se someten a vibración y compresión. ^{[ 42 ]}

Dado que retirar el aislamiento de los cables es un proceso laborioso, muchos conectores destinados a un montaje rápido utilizan conectores de desplazamiento de aislamiento que cortan el aislamiento al insertar el cable. ^{[ 1 ]} Estos generalmente tienen forma de horquilla en el terminal, donde se presiona el cable aislado, lo que corta el aislamiento para hacer contacto con el conductor. Para realizar estas conexiones de forma fiable en una línea de producción, se necesitan herramientas especiales que controlan con precisión las fuerzas aplicadas durante el montaje. A pequeña escala, estas herramientas suelen ser más caras que las utilizadas para conexiones crimpadas.

Los conectores de desplazamiento de aislamiento se suelen usar con conductores pequeños para aplicaciones de señalización y a baja tensión. Los conductores de potencia que transportan más de unos pocos amperios se terminan de forma más fiable con otros medios, aunque los conectores de presión "en caliente" se utilizan en algunas aplicaciones automotrices ^{[ 43 ]} para añadir cableado existente.

Un ejemplo común es el cable plano multiconductor utilizado en las unidades de disco de las computadoras; conectar individualmente cada uno de los numerosos (aproximadamente 40) hilos sería lento y propenso a errores, pero un conector de desplazamiento de aislamiento permite conectar todos los hilos en una sola operación. Otro uso muy común son los llamados bloques de conexión por punzonado, utilizados para conectar cables de par trenzado sin blindaje .

Los bornes de conexión son un método de conexión de un solo cable, donde el cable pelado se atornilla o sujeta a un electrodo metálico. Estos conectores se utilizan frecuentemente en equipos de prueba electrónicos y de audio. Muchos bornes de conexión también admiten conectores banana .

Las conexiones de tornillo se utilizan frecuentemente para el cableado y las conexiones semipermanentes dentro de los dispositivos, debido a su construcción simple pero confiable. El principio básico de todos los terminales de tornillo implica que la punta de un tornillo sujeta un conductor pelado. Se pueden usar para unir varios conductores, ^{[ 44 ]} para conectar cables a una placa de circuito impreso o para terminar un cable en un enchufe o toma. ^{[ 7 ] : 50} El 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 conectar 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 placas o regletas de terminales ) proporcionan una forma práctica de conectar cables eléctricos individuales sin empalmar ni unir físicamente los extremos. Dado que los bloques de terminales están disponibles para una amplia gama de calibres de cable y cantidad de terminales, son uno de los tipos de conectores eléctricos más flexibles del mercado. Un tipo de bloque de terminales acepta cables a los que solo se les retira un pequeño tramo de aislamiento del extremo. Otro tipo, a menudo llamado regleta de terminales , acepta cables con terminales de anillo o de pala engarzados.

Los terminales de tornillo montados en la placa de circuito impreso (PCB) permiten que los cables individuales se conecten a la PCB a través de conductores soldados a la placa.

Los conectores de la fila superior de la imagen se conocen como terminales de anillo y terminales de pala (a veces llamados terminales de horquilla o de anillo partido). El contacto eléctrico se realiza mediante la superficie plana del anillo o la pala, mientras que mecánicamente se fijan pasando un tornillo o perno a través de ellos. El formato de terminal de pala facilita las conexiones, ya que el tornillo o perno puede quedar parcialmente enroscado al retirar o colocar el terminal. Su tamaño se determina según el calibre del cable conductor y los diámetros interior y exterior.

En el caso de los conectores de crimpado aislados, la zona de crimpado se encuentra bajo un manguito aislante a través del cual actúa la fuerza de presión. Durante el crimpado, el extremo extendido de este manguito aislante se presiona simultáneamente alrededor de la zona aislada del cable, creando alivio de tensión. El manguito aislante de los conectores aislados tiene un color que indica la sección transversal del cable . Los colores están estandarizados según la norma DIN 46245.

• El color rojo indica áreas de sección transversal de 0,5 a 1 mm².
• Azul para áreas de sección transversal de 1,5 a 2,5 mm².
• Amarillo para áreas de sección transversal superiores a 4 a 6 mm².

Un conector de cuchilla es un tipo de conexión de un solo cable, tipo enchufe y toma, que utiliza una cuchilla conductora plana (enchufe) que se inserta en un receptáculo. Los cables se suelen conectar a los terminales macho o hembra del conector de cuchilla mediante crimpado o soldadura . Existen versiones aisladas y sin aislar. En algunos casos, la cuchilla forma parte integral de un componente (como un interruptor o un altavoz), y el terminal del conector recíproco se inserta a presión en el terminal del conector del dispositivo.

• Pinzas de cocodrilo y pinzas de caimán : abrazaderas conductoras utilizadas para conexiones temporales, por ejemplo, cables de puente.
• Conectores de placa a placa , por ejemplo, conectores de borde de tarjeta o conectores mezzanine FPGA.
• Conectores de cable de rosca (por ejemplo, tuercas de cable): se utilizan en circuitos de alimentación de baja tensión para cables de hasta aproximadamente 10  AWG.
• Cableado por bobinado : utilizado en placas de circuitos antiguos.