Los componentes de un circuito eléctrico están conectados eléctricamente si una corriente eléctrica puede circular entre ellos a través de un conductor eléctrico . Un conector eléctrico es un dispositivo electromecánico que se utiliza para crear una conexión eléctrica entre partes de un circuito eléctrico, o entre diferentes circuitos eléctricos, uniéndolos así en un circuito más grande. [1]
La conexión puede ser removible (como en el caso de equipos portátiles), requerir una herramienta para su montaje y desmontaje, o servir como una unión eléctrica permanente entre dos puntos. [2] Se puede utilizar un adaptador para unir conectores diferentes. La mayoría de los conectores eléctricos tienen un género , es decir, el componente macho, llamado enchufe , se conecta al componente hembra o enchufe .
Se fabrican miles de configuraciones de conectores para aplicaciones de alimentación , datos y audiovisuales . [3] Los conectores eléctricos se pueden dividir en cuatro categorías básicas, diferenciadas por su función: [4]
En informática, los conectores eléctricos se consideran una interfaz física y constituyen parte de la capa física en el modelo de red OSI .
Además de las clases mencionadas anteriormente, los conectores se caracterizan por su distribución de pines , método de conexión, materiales, tamaño, resistencia de contacto , aislamiento , durabilidad mecánica, protección de ingreso , vida útil (número de ciclos) y facilidad de uso.
Generalmente es deseable que un conector sea fácil de identificar visualmente, rápido de ensamblar, económico y que requiera sólo herramientas simples. En algunos casos, un fabricante de equipos puede elegir un conector específicamente porque no es compatible con los de otras fuentes, lo que permite controlar lo que se puede conectar. 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
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 aisladores deben tener una alta resistencia eléctrica , soportar altas temperaturas y ser fáciles de fabricar para un ajuste preciso.
Los electrodos de los conectores suelen estar hechos de aleaciones de cobre , debido a su buena conductividad y maleabilidad . [7] : 15 Las alternativas incluyen latón , bronce fosforado y cobre berilio . El metal del electrodo base suele estar recubierto 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 pasivante y los adsorbatos superficiales, que limitan las zonas de contacto entre metales y contribuyen a la resistencia al 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, las clavijas de cobre suelen estar recubiertas de oro para aliviar estos problemas, especialmente para señales analógicas y aplicaciones de alta confiabilidad. [9] [10]
Los soportes de contactos que mantienen unidas las piezas de un conector suelen estar hechos de plástico, debido a sus propiedades aislantes. Las carcasas o carcasas traseras pueden estar hechas de plástico moldeado y metal. [7] : 15 Los cuerpos de conectores para uso a alta temperatura, como termopares o asociados a grandes lámparas incandescentes , pueden estar fabricados 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 afectar la función de un circuito lo menos posible. El montaje inseguro de conectores (principalmente montados en el chasis) puede contribuir significativamente al riesgo de falla, especialmente cuando se someten a golpes o vibraciones extremas. [11] Otras causas de falla son conectores con clasificación inadecuada para la corriente y el voltaje aplicados, conectores con protección de ingreso inadecuada y 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 provoca una disminución de la resistencia del aislamiento y un aumento de la resistencia del conductor; este aumento genera más calor y el ciclo se repite. [11]
El desgaste (la llamada corrosión dinámica ) es un modo de falla común en conectores eléctricos que no han sido diseñados específicamente para prevenirlo, especialmente en aquellos que se acoplan y desacoplan con frecuencia. [13] La corrosión de la superficie es un riesgo para muchas piezas metálicas de los conectores y puede hacer que los contactos formen una capa superficial delgada que aumenta la resistencia, contribuyendo así a la acumulación de calor y a las conexiones intermitentes. [14] Sin embargo, volver a acoplar 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 nueva y no oxidada.
Muchos conectores utilizados para aplicaciones industriales y de alta confiabilidad son de 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 Blade. Se utilizan comúnmente para facilitar el acoplamiento y desacoplamiento, un sellado ambiental hermético y un rendimiento mecánico robusto. [15] Se utilizan ampliamente en maquinaria militar, aeroespacial, industrial y ferroviaria, donde comúnmente se especifican MIL-DTL-5015 y MIL-DTL-38999. En campos como la ingeniería de sonido y las comunicaciones por radio también se utilizan conectores circulares, como XLR y BNC . Los enchufes de alimentación de CA también suelen ser circulares, por ejemplo, los enchufes Schuko y los 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 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 usa en matrices, en comparación con los conectores rectangulares.
Los conectores circulares suelen utilizar carcasas traseras, que proporcionan protección física y electromagnética y, a veces, también proporcionan un método para bloquear el conector en un receptáculo. [18] En algunos casos, esta carcasa trasera proporciona un sello hermético , o cierto grado de protección contra el ingreso , mediante el uso de ojales , juntas tóricas o encapsulados . [15]
Los conectores híbridos permiten mezclar muchos tipos de conectores, normalmente mediante una carcasa con inserciones. [19] Estas carcasas también pueden permitir la mezcla de interfaces eléctricas y no eléctricas, siendo ejemplos de estas últimas 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.
Algunos conectores están diseñados de manera que ciertas clavijas hacen contacto antes que otras cuando se insertan y se rompen primero al desconectarse. [1] Esto se utiliza a menudo en conectores de alimentación para proteger el equipo, por ejemplo, conectando primero la tierra de seguridad . También se emplea para señales digitales, como método para secuenciar correctamente las conexiones en el intercambio en caliente .
Muchos conectores están codificados con algún componente mecánico (a veces llamado chavetero ), lo que evita el acoplamiento en una orientación incorrecta. [20] Esto se puede utilizar para evitar daños mecánicos a 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 conectores que de otro modo serían simétricos se conecten en una orientación o polaridad incorrecta . La codificación es particularmente importante para situaciones en las que hay muchos conectores similares, como en la electrónica de señales. [7] : 26 Por ejemplo, los conectores XLR tienen una muesca para garantizar la orientación adecuada, mientras que los enchufes Mini-DIN tienen una proyección de plástico que encaja en el orificio correspondiente del zócalo (también tienen un faldón metálico con muescas para proporcionar codificación secundaria). [21]
Algunas carcasas de conectores están diseñadas con mecanismos de bloqueo para evitar una desconexión involuntaria o un sellado ambiental deficiente. [1] Los diseños de mecanismos de bloqueo incluyen palancas de bloqueo de varios tipos, tornillos niveladores , carcasas atornilladas, conectores push-pull y sistemas de palanca o bayoneta . Algunos conectores, particularmente aquellos con una gran cantidad de contactos, requieren grandes fuerzas para conectarse y desconectarse. Las palancas de bloqueo, los tornillos niveladores y las carcasas atornilladas para tales conectores sirven frecuentemente tanto para retener el conector cuando está conectado como para proporcionar la fuerza necesaria para la conexión y desconexión. Dependiendo de los requisitos de la aplicación, las carcasas con mecanismos de bloqueo se pueden probar bajo diversas 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.
Las carcasas traseras son un accesorio común para conectores industriales y de alta confiabilidad, especialmente conectores circulares. [18] Las carcasas traseras normalmente protegen el conector y/o el cable de tensiones ambientales o mecánicas, o lo protegen de interferencias electromagnéticas . [22] Hay muchos tipos de carcasas traseras disponibles para diferentes propósitos, incluidos varios tamaños, formas, materiales y niveles de protección. Las carcasas traseras generalmente se fijan al cable con una abrazadera o una funda moldeada y pueden tener rosca para sujetarlas a un receptáculo correspondiente. [23] Las carcasas traseras para uso militar y aeroespacial están reguladas por SAE AS85049 en los EE. UU. [24]
Para ofrecer una estabilidad de señal garantizada en entornos extremos, el diseño tradicional de pines y enchufes puede resultar 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 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 con fuerza de inserción nula. . [27] [25]
En un conector con contactos hiperboloides, cada contacto hembra tiene varios cables longitudinales igualmente espaciados retorcidos en forma hiperbólica. Estos alambres son muy resistentes a la tensión, pero todavía algo elásticos, por lo que funcionan esencialmente como resortes lineales. [28] [29] A medida que se inserta el pasador macho, los cables axiales en la mitad del zócalo se desvían, envolviéndose alrededor del pasador para proporcionar una serie de puntos de contacto. Los cables 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 realizar una conexión confiable en algunas circunstancias, tienen la desventaja de ocupar un mayor volumen en un conector, lo que puede causar problemas en 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 más tarde fue adquirido por Smiths Group . Durante las décadas siguientes, los conectores ganaron popularidad constantemente y todavía se utilizan para aplicaciones médicas, industriales, militares, aeroespaciales y ferroviarias (particularmente trenes en Europa). [28]
Los conectores Pogo pin o con resorte se utilizan comúnmente en productos industriales y de consumo, donde la resistencia mecánica y la facilidad de uso son prioridades. [32] El conector consta de un cilindro, un resorte y un émbolo. Se encuentran en aplicaciones como el conector MagSafe donde se desea una desconexión rápida por seguridad. Debido a que dependen de la presión del resorte, no de la fricción, pueden ser más duraderos y menos dañinos que el diseño tradicional de clavija y casquillo, lo que lleva a su uso en pruebas en circuito . [33]
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 proporciona una conexión eléctricamente más confiable que los conectores de clavija y enchufe tradicionales. [34]
Si bien técnicamente son inexactos, los conectores eléctricos pueden verse 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 telefónico macho y el propio conector telefónico macho. [3] En este ejemplo, las lengüetas de soldadura conectadas al cable representan la conexión permanente, mientras que la porción del conector macho interactúa con un enchufe hembra formando 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, aunque requieren una herramienta especial, pueden ensamblar conectores de manera mucho más rápida y confiable, y facilitar las reparaciones.
La cantidad de veces que un conector puede conectarse y desconectarse con su contraparte mientras cumple con todas sus especificaciones se denomina ciclos de acoplamiento y es una medida indirecta de la vida útil del conector. El material utilizado para el contacto del conector, el tipo de revestimiento y el espesor es un factor importante que determina los ciclos de acoplamiento. [35]
Los conectores macho y hembra suelen estar formados por un enchufe macho (normalmente contactos de clavija) y un enchufe hembra (normalmente contactos de receptáculo). A menudo, pero no siempre, los enchufes están fijados permanentemente a un dispositivo como en un conector de chasis y los enchufes están conectados a un cable.
Los enchufes generalmente tienen una o más clavijas o clavijas que se insertan en las aberturas del zócalo correspondiente. La conexión entre las piezas metálicas acopladas debe ser lo suficientemente apretada para realizar una buena conexión eléctrica y completar el circuito. Un tipo alternativo de conexión de enchufe y enchufe utiliza contactos hiperboloides, lo que hace que la conexión eléctrica sea más confiable. Cuando se trabaja con conectores de múltiples pines, es útil tener un diagrama de distribución de pines para identificar el cable o el nodo del circuito conectado a cada pin.
Algunos estilos de conectores pueden combinar tipos de conexión de clavija y enchufe en una sola unidad, lo que se conoce como conector hermafrodita . [6] : 56 Estos conectores incluyen el acoplamiento con aspectos macho y hembra, involucrando partes idénticas emparejadas complementarias, cada una de las cuales contiene protuberancias y muescas. Estas superficies de contacto se montan en accesorios idénticos que se acoplan libremente con cualquier otro, sin importar el género (siempre que el tamaño y el tipo coincidan).
A veces, ambos extremos de un cable terminan 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 macho y hembra del mismo conector (como en un alargador ), o con conectores incompatibles, lo que a veces se denomina cable adaptador .
Los enchufes y tomas de corriente se utilizan ampliamente en diversos sistemas de conectores, incluidos conectores de cuchilla, placas de pruebas , conectores XLR , tomas de corriente para automóviles , conectores tipo banana y conectores telefónicos .
Un conector es un conector que se instala en la superficie de un mamparo o gabinete y se acopla con su recíproco, el enchufe . [36] Según la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos , [37] el conector estacionario (más fijo) de un par se clasifica como un conector (denotado como J), generalmente conectado a una pieza de equipo como en un montaje en chasis o panel. -Conector de montaje. El conector móvil (menos fijo) se clasifica como un enchufe (denotado P), [37] diseñado para conectarse a un alambre, cable o conjunto eléctrico extraíble. [38] Esta convención se define actualmente en ASME Y14.44-2008, que reemplaza a IEEE 200-1975 , que a su vez deriva de la largamente retirada MIL-STD-16 (de la década de 1950), destacando la herencia de esta denominación de conector. convención. [36] IEEE 315-1975 trabaja junto con ASME Y14.44-2008 para definir conectores y enchufes.
El término jack aparece en varios términos relacionados:
Los conectores prensados son un tipo de conexión sin soldadura, que utiliza fricción mecánica y deformación uniforme para asegurar un conector a un cable previamente pelado (generalmente trenzado). [1] El engarzado se utiliza en conectores de empalme , enchufes y zócalos multipin engarzados y conectores coaxiales engarzados. El engarzado generalmente requiere una herramienta de engarzado especializada, pero los conectores son rápidos y fáciles de instalar y son una alternativa común a las conexiones soldadas o los conectores de desplazamiento de aislamiento. Las conexiones de engarzado eficaces 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 vibraciones y choques térmicos . [39]
Los contactos engarzados son permanentes (es decir, los conectores y los extremos de los cables no se pueden reutilizar). [40]
Los conectores macho y hembra engarzados se pueden clasificar como de liberación trasera o de liberación frontal . Corresponde al lado del conector donde se anclan los pines: [20]
Muchos conectores macho y hembra se conectan a un alambre o cable soldando 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 de realizar que las conexiones engarzadas. [1] Cuando los cables se van a soldar a la parte posterior de un conector, a menudo se usa una carcasa trasera para proteger la conexión y agregar alivio de tensión. Se proporcionan cubetas o copas de soldadura de metal , que consisten en una cavidad cilíndrica que un instalador llena con soldadura antes de insertar el cable. [41]
Al crear conexiones soldadas, es posible fundir 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 "acampanado" (cónico). [40] Las uniones soldadas también son más propensas a fallas mecánicas que las uniones engarzadas cuando se someten a vibración y compresión. [42]
Dado que pelar el aislamiento de los cables requiere mucho tiempo, muchos conectores destinados a un montaje rápido utilizan conectores de desplazamiento de aislamiento que cortan el aislamiento a medida que se inserta el cable. [1] Generalmente tienen la forma de una abertura en forma de horquilla en el terminal, en la que se presiona el cable aislado, que corta el aislamiento para hacer contacto con el conductor. Para realizar estas conexiones de manera confiable en una línea de producción, herramientas especiales controlan con precisión las fuerzas aplicadas durante el ensamblaje. En pequeñas escalas, estas herramientas tienden a costar más que las herramientas para conexiones engarzadas.
Los conectores por desplazamiento de aislamiento se utilizan normalmente con conductores pequeños para fines de señalización y en baja tensión. Los conductores de energía que transportan más de unos pocos amperios se terminan de manera más confiable con otros medios, aunque los conectores a presión de "toma en caliente" encuentran cierto uso en aplicaciones automotrices para adiciones al cableado existente.
Un ejemplo común es el cable plano multiconductor que se utiliza en las unidades de disco de las computadoras; 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 perforados que se utilizan para terminar cables de par trenzado sin blindaje .
Los postes de unión son un método de conexión de un solo cable, en el que el cable pelado se atornilla o sujeta a un electrodo de metal. Estos conectores se utilizan con frecuencia en equipos de prueba electrónicos y de audio. Muchos postes vinculantes también aceptan un conector tipo banana .
Las conexiones por tornillo se utilizan con frecuencia para cableado semipermanente y conexiones dentro de dispositivos, debido a su construcción simple pero confiable. El principio básico de todos los terminales de tornillo implica que la punta de un perno se sujete a un conductor pelado. Se pueden utilizar para unir varios conductores, [43] para conectar cables a una placa de circuito impreso o para terminar un cable en un enchufe o toma de corriente. [7] : 50 El tornillo de sujeción puede actuar en el eje longitudinal (paralelo al alambre) o en el eje transversal (perpendicular al alambre), 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 contra el contacto con personas o materiales conductores extraños.
Los bloques de terminales (también llamados tableros o regletas de terminales ) proporcionan un medio conveniente para conectar cables eléctricos individuales sin empalmes ni unir físicamente los extremos. Dado que los bloques de terminales están disponibles para una amplia gama de tamaños de cables y cantidades de terminales, son uno de los tipos de conectores eléctricos más flexibles disponibles. Un tipo de bloque de terminales acepta cables que se preparan únicamente quitando un trozo corto de aislamiento del extremo. Otro tipo, a menudo llamado tiras de barrera , acepta cables que tienen terminales de anillo o de pala engarzados en los cables.
Los terminales de tornillo montados en la placa de circuito impreso (PCB) permiten que los cables individuales se conecten a una PCB a través de cables soldados a la placa.
Los conectores en la fila superior de la imagen se conocen como terminales de anillo y terminales de horquilla (a veces llamados terminales de horquilla o de anillo dividido). El contacto eléctrico se realiza por la superficie plana del aro o pala, mientras que mecánicamente se fijan pasando un tornillo o perno a través de ellas. El factor de forma del terminal de pala facilita las conexiones ya que el tornillo o perno se puede dejar parcialmente atornillado mientras se retira o coloca el terminal de pala. Sus tamaños pueden determinarse por el calibre del cable conductor y los diámetros interior y exterior.
En los conectores engarzados aislados, la zona engarzada se encuentra debajo de un manguito aislante, a través del cual actúa la fuerza de presión. Durante el engarzado, el extremo extendido de este manguito aislante se presiona simultáneamente alrededor del área aislada del cable, creando alivio de tensión. La funda aislante de los conectores aislados tiene un color que indica el área de la sección transversal del cable . Los colores están estandarizados según DIN 46245:
Un conector de cuchilla es un tipo de dispositivo de conexión de enchufe y enchufe de un solo cable que utiliza una cuchilla conductora plana (enchufe) que se inserta en un receptáculo. Los cables generalmente se conectan a terminales de conectores de cuchilla macho o hembra mediante engarce o soldadura . Hay disponibles variedades aisladas y no aisladas. En algunos casos, la cuchilla es una parte integral fabricada de un componente (como un interruptor o una unidad de altavoz), y el terminal del conector recíproco se empuja hacia el terminal del conector del dispositivo.
El oro generalmente se especifica como un recubrimiento de contacto para aplicaciones de corriente y voltaje de señal de bajo nivel, y donde la alta confiabilidad es una consideración importante.
Gracias a su diseño se evita el modo de fallo tradicional en conexiones estañadas, la corrosión por contacto..
el conector estacionario (más fijo) de un par de acoplamiento se designará J o X... El conector móvil (menos fijo) de un par de acoplamiento se designará P
Medios relacionados con conectores eléctricos en Wikimedia Commons