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 para formar un circuito más grande. [1]
La conexión puede ser desmontable (como en el caso de los equipos portátiles), requerir una herramienta para su montaje y desmontaje, o servir como 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 zócalo .
Se fabrican miles de configuraciones de conectores para aplicaciones de energía , 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 OSI de redes.
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 entrada , vida útil (número de ciclos) y facilidad de uso.
Por lo general, es deseable que un conector sea fácil de identificar visualmente, rápido de ensamblar, económico y que requiera solo 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 básicamente 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 del electrodo base a menudo está 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 pasivantes y los adsorbatos superficiales, que limitan los parches de contacto metal con 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 están recubiertos con oro para aliviar estos inconvenientes, especialmente para señales analógicas y aplicaciones de alta confiabilidad. [9] [10]
Los portadores de contactos que mantienen unidas las partes 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 con lámparas incandescentes grandes , pueden estar hechos 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 deberían afectar la función de un circuito lo menos posible. El montaje inseguro de los conectores (principalmente los montados en el chasis) puede contribuir significativamente al riesgo de falla, especialmente cuando se los somete a golpes o vibraciones extremas. [11] Otras causas de falla son los conectores que no están clasificados adecuadamente para la corriente y el voltaje aplicados, los conectores con una protección de entrada inadecuada y las carcasas roscadas que están 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 lleva a una disminución de la resistencia de aislamiento y a un aumento de la resistencia del conductor; este aumento genera más calor y el ciclo se repite. [11]
La corrosión por frotamiento (denominada corrosión dinámica ) es un modo de fallo común en los conectores eléctricos que no han sido diseñados específicamente para evitarla, especialmente en aquellos que se acoplan y desacoplan con frecuencia. [13] La corrosión superficial es un riesgo para muchas piezas metálicas de los conectores y puede provocar que los contactos formen una fina capa superficial 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 superficial, ya que cada ciclo raspa una capa microscópica de la superficie de los contactos, exponiendo una superficie nueva y sin oxidar.
Muchos conectores utilizados para aplicaciones industriales y de alta confiabilidad son circulares en sección transversal, 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 un acoplamiento y desacoplamiento más fáciles, un sellado ambiental hermético y un rendimiento mecánico resistente. [15] Se utilizan ampliamente en maquinaria militar, aeroespacial, industrial y ferroviaria, donde se especifican comúnmente MIL-DTL-5015 y MIL-DTL-38999. Campos como la ingeniería de sonido y la comunicación por radio también utilizan conectores circulares, como XLR y BNC . Los enchufes de alimentación de CA también son comúnmente circulares, por ejemplo, los enchufes Schuko y 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 utiliza en matrices, en comparación con los conectores rectangulares.
Los conectores circulares suelen utilizar carcasas posteriores 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 posterior proporciona un sello hermético o algún grado de protección contra la entrada mediante el uso de ojales , juntas tóricas o encapsulado . [15]
Los conectores híbridos permiten la combinación de muchos tipos de conectores, generalmente mediante una carcasa con insertos. [19] Estas carcasas también pueden permitir la combinación de interfaces eléctricas y no eléctricas, siendo ejemplos de estas últimas los conectores de línea neumática y los conectores de fibra óptica . Debido a que los conectores híbridos son de naturaleza modular, tienden a simplificar el ensamblaje, 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 tal manera que ciertos pines hacen contacto antes que otros cuando se insertan y se rompen primero al desconectarse. [1] Esto se usa a menudo en conectores de alimentación para proteger equipos, por ejemplo, conectando primero la conexión a tierra de seguridad . También se emplea para señales digitales, como un método para secuenciar las conexiones correctamente en el intercambio en caliente .
Muchos conectores están codificados con algún componente mecánico (a veces llamado chavetero ), 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 los conectores que de otro modo serían simétricos se conecten en la orientación o polaridad incorrectas . 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 un orificio correspondiente en el zócalo (también tienen una falda de metal con muescas para proporcionar codificación secundaria). [21]
Algunas carcasas de conectores están diseñadas con mecanismos de bloqueo para evitar desconexiones involuntarias o un sellado ambiental deficiente. [1] Los diseños de mecanismos de bloqueo incluyen palancas de bloqueo de varios tipos, tornillos niveladores , carcasas atornillables, conectores push-pull y sistemas de palanca o bayoneta . Algunos conectores, en particular aquellos con una gran cantidad de contactos, requieren grandes fuerzas para conectarse y desconectarse. Las palancas de bloqueo y los tornillos niveladores y las carcasas atornillables para dichos conectores sirven con frecuencia tanto para retener el conector cuando está conectado como para proporcionar la fuerza necesaria para la conexión y la desconexión. Dependiendo de los requisitos de la aplicación, las carcasas con mecanismos de bloqueo pueden probarse en varias 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 generalmente protegen el conector y/o cable de estrés ambiental o mecánico, 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 bloquean en el cable con una abrazadera o una funda moldeada, y pueden estar roscadas para sujetarse a un receptáculo de acoplamiento. [23] Las carcasas traseras para uso militar y aeroespacial están reguladas por SAE AS85049 dentro de los EE. UU. [24]
Para garantizar la estabilidad de la señal en entornos extremos, el diseño tradicional de clavijas y conectores puede resultar inadecuado. Los contactos hiperboloides están diseñados para soportar demandas físicas más extremas, como vibraciones e impactos. [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 extiende la vida útil y, en algunos casos, ofrece una alternativa a los conectores con fuerza de inserción cero . [27] [25]
En un conector con contactos hiperboloides, cada contacto hembra tiene varios cables longitudinales espaciados de manera uniforme y trenzados en forma hiperbólica. Estos cables son muy resistentes a la tensión, pero aún así algo elásticos, por lo que funcionan esencialmente como resortes lineales. [28] [29] A medida que se inserta el pin macho, los cables axiales en la mitad del zócalo se desvían y se envuelven alrededor del pin 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]
Aunque los contactos hiperboloides pueden ser la única opción para hacer una conexión confiable en algunas circunstancias, tienen la desventaja de ocupar un mayor volumen en un conector, lo que puede causar problemas para los conectores de alta densidad. [25] También son significativamente más caros que los contactos pin y socket tradicionales, lo que ha limitado su adopción 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 luego fue adquirido por Smiths Group . Durante las décadas siguientes, los conectores ganaron popularidad de manera constante y todavía se utilizan para aplicaciones médicas, industriales, militares, aeroespaciales y ferroviarias (particularmente trenes en Europa). [28]
Los conectores con resorte o de clavija Pogo 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 utilizan 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 zócalo, lo que lleva a su uso en pruebas en circuito . [33]
Los conectores de resorte de corona se utilizan 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 zócalo tradicionales. [34]
Si bien técnicamente es inexacto, 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 pestañas de soldadura conectadas al cable representan la conexión permanente, mientras que la parte del conector macho interactúa con un zócalo hembra formando una conexión desmontable.
Existen muchas formas de colocar un conector en un cable o dispositivo. Algunos de estos métodos se pueden realizar sin herramientas especializadas. Otros métodos, si bien requieren una herramienta especial, permiten ensamblar los conectores de manera mucho más rápida y confiable, y facilitan las reparaciones.
La cantidad de veces que un conector puede conectarse y desconectarse de 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 recubrimiento y el grosor es un factor importante que determina los ciclos de acoplamiento. [35]
Los conectores de enchufe y toma suelen estar formados por un enchufe macho (normalmente contactos de clavija) y un toma hembra (normalmente contactos de receptáculo). A menudo, pero no siempre, los tomacorrientes están fijados de forma permanente a un dispositivo, como en un conector de chasis , y los enchufes están unidos a un cable.
Los enchufes generalmente tienen uno o más pines o puntas que se insertan en las aberturas del zócalo correspondiente. La conexión entre las piezas metálicas de acoplamiento debe ser lo suficientemente firme para lograr una buena conexión eléctrica y completar el circuito. Un tipo alternativo de conexión de enchufe y zócalo utiliza contactos hiperboloides, lo que genera una conexión eléctrica más confiable. Cuando se trabaja con conectores de múltiples pines, es útil tener un diagrama de distribución de pines para identificar el cable o nodo del circuito conectado a cada pin.
Algunos estilos de conectores pueden combinar tipos de conexión de clavija y zócalo en una sola unidad, denominada conector hermafrodita . [6] : 56 Estos conectores incluyen el acoplamiento con aspectos macho y hembra, lo que implica partes idénticas complementarias pareadas, cada una de las cuales contiene tanto protuberancias como 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).
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 terminan de forma diferente, ya sea con conectores macho y hembra del mismo tipo (como en un cable de extensión ) o con conectores incompatibles, lo que a veces se denomina cable adaptador .
Los enchufes y tomas de corriente se utilizan ampliamente en varios sistemas de conectores, incluidos conectores de cuchilla, placas de pruebas , conectores XLR , tomas de corriente de automóviles , conectores tipo banana y conectores telefónicos .
Un jack 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 jack (denotado J), generalmente conectado a una pieza de equipo como en un conector de montaje en chasis o montaje en panel. El conector móvil (menos fijo) se clasifica como un enchufe (denotado P), [37] diseñado para conectarse a un cable, alambre o conjunto eléctrico removible. [38] Esta convención está definida actualmente en ASME Y14.44-2008, que reemplaza a IEEE 200-1975 , que a su vez deriva del MIL-STD-16 retirado hace mucho tiempo (de la década de 1950), lo que resalta la herencia de esta convención de nomenclatura de conectores. [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 engarzados 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 engarce se utiliza en conectores de empalme , enchufes y tomas multipines engarzados y conectores coaxiales engarzados. El engarce generalmente requiere una herramienta de engarce especializada, pero los conectores son rápidos y fáciles de instalar y son una alternativa común a las conexiones de soldadura o conectores de desplazamiento de aislamiento. Las conexiones de engarce efectivas deforman el metal del conector más allá de su punto de fluencia de modo que el cable comprimido causa 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 la vibración y al choque térmico . [39]
Los contactos engarzados son permanentes (es decir, los conectores y los extremos del cable no se pueden reutilizar). [40]
Los conectores engarzados tipo clavija y toma se pueden clasificar como de liberación posterior o de liberación frontal . Esto se relaciona con el lado del conector donde se anclan los pines: [20]
Muchos conectores de enchufe y toma se unen a un cable o alambre 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 hacer que las conexiones engarzadas. [1] Cuando se deben soldar cables a la parte posterior de un conector, a menudo se utiliza una carcasa posterior 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 que se derrita el dieléctrico entre los pines o los 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 un aislamiento "abocinado" (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 es una tarea que requiere mucho tiempo, muchos conectores destinados a un montaje rápido utilizan conectores de desplazamiento del aislamiento que cortan el aislamiento a medida que se inserta el cable. [1] Estos conectores suelen tener 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 entrar en contacto con el conductor. Para realizar estas conexiones de forma fiable en una línea de producción, se utilizan herramientas especiales que controlan con precisión las fuerzas aplicadas durante el montaje. A pequeña escala, estas herramientas tienden a costar más que las herramientas para conexiones engarzadas.
Los conectores de desplazamiento de aislamiento se utilizan generalmente con conductores pequeños para fines de señalización y a bajo voltaje. Los conductores de potencia que transportan más de unos pocos amperios se terminan de manera más confiable con otros medios, aunque los conectores a presión de "conexión en caliente" se utilizan en algunas aplicaciones automotrices para agregarlos al cableado existente.
Un ejemplo común es el cable plano multiconductor que se utiliza en las unidades de disco de los ordenadores; terminar cada uno de los numerosos cables (aproximadamente 40) de forma individual sería un proceso lento y propenso a errores, pero un conector por desplazamiento del aislamiento puede terminar todos los cables en una sola acción. Otro uso muy común son los denominados bloques de conexión por inserción que se utilizan para terminar cableado de par trenzado sin blindaje .
Los postes de conexión son un método de conexión de un solo cable, en el que el cable pelado se atornilla o se sujeta a un electrodo de metal. Estos conectores se utilizan con frecuencia en equipos de prueba electrónicos y de audio. Muchos postes de conexión también aceptan un conector tipo banana .
Las conexiones de 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 la punta de un perno que se sujeta a un conductor pelado. Se pueden utilizar para unir múltiples conductores, [43] 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 tableros o regletas de terminales ) proporcionan un medio conveniente para conectar cables eléctricos individuales sin un empalme o unir físicamente los extremos. Dado que los bloques de terminales están disponibles para una amplia gama de tamaños de cables y cantidad de terminales, son uno de los tipos de conectores eléctricos más flexibles disponibles. Un tipo de bloque de terminales acepta cables que se preparan solo pelando un trozo corto de aislamiento del extremo. Otro tipo, a menudo llamado regletas de barrera , acepta cables que tienen terminales de anillo o de horquilla 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 de 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 partido). El contacto eléctrico se realiza mediante la superficie plana del anillo o la horquilla, mientras que mecánicamente se unen al pasar un tornillo o perno a través de ellos. El factor de forma del terminal de horquilla facilita las conexiones, ya que el tornillo o perno se puede dejar parcialmente atornillado mientras se quita o se coloca el terminal de horquilla. Sus tamaños se pueden determinar por 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 debajo de 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 un alivio de tensión. El manguito 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 un solo cable, con clavija y toma, que utiliza una cuchilla conductora plana (enchufe) que se inserta en un receptáculo. Los cables se suelen conectar a terminales de conector de cuchilla macho o hembra mediante engarce o soldadura . Hay variedades aisladas y no aisladas disponibles. 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 sobre el terminal del conector del dispositivo.
El oro generalmente se especifica como un recubrimiento de contacto para aplicaciones de voltaje y corriente de señal de bajo nivel, y donde la alta confiabilidad es una consideración importante
Gracias a su diseño, se evita el modo de falla tradicional en las 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
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