Cómo los cables de resistencia industrial mejoran la eficiencia, la confiabilidad y el costo general de propiedad

Los entornos industriales pueden ser implacables con componentes y equipos. A menudo, se hace un gran esfuerzo para obtener componentes y sistemas electrónicos resistentes, con los diseñadores prestando menos atención a la selección del cableado. Sin embargo, dos cables que parecen engañosamente iguales pueden comportarse de manera muy diferente en entornos industriales hostiles.

Este artículo describirá brevemente el impacto de la mala elección de los cables antes de describir lo que implica la construcción de un cable para aplicaciones industriales. A continuación, proporcionará ejemplos de soluciones innovadoras de cables que resuelven el problema de la transmisión de señales en entornos hostiles, de manera confiable y rentable.

¿Por qué la elección del cable es tan importante?

La elección incorrecta del cableado puede parecer que funciona bien al inicio, pero desde el principio puede estar causando una degradación de la señal y una pérdida de energía. Con el tiempo, también puede introducir fallas de conexión intermitentes que son muy difíciles de solucionar, lo que causa costosos tiempos de inactividad del sistema. Esto puede ser especialmente problemático en entornos de alta vibración. Además, si el cable no tiene el material de cubierta exterior adecuado, la exposición a sustancias químicas o temperaturas extremas y el abuso físico pueden exponer el cableado y abrir la puerta a cortocircuitos y chispas.

Una mejor solución es seleccionar un cable de grado industrial con clasificación IP67 o IP68 que sea apropiado para la aplicación. Los cables industriales son cables de alta calidad con una construcción más robusta y, a menudo, utilizan materiales de mayor calidad que sus homólogos comerciales diseñados comúnmente para uso doméstico. Si bien, a simple vista, ambos tipos de cables pueden parecer similares, los cables de calidad industrial son más resistentes, capaces de soportar el calor, los solventes y los líquidos mucho mejor que los equivalentes comerciales de aspecto similar. También son más tolerantes a las fuerzas de flexión, torsión y estiramiento que pueden dañar cables menos resistentes.

Desde un punto de vista electrónico, la elección de los cables industriales adecuados también minimiza la pérdida de potencia y señal en cualquier longitud de cable. También son mucho más resistentes a las interferencias electromagnéticas (EMI).

Al seleccionar un cable de calidad industrial de alta calidad, es útil comprender qué se necesita para hacer un cable.

Cables conductores centrales

Comience con el material y el diámetro del conductor central. Cuanto mayor es el diámetro de los cables, más corriente puede transportar el cable y minimiza la pérdida de señal en la distancia. El cobre es el mejor material conductor para cables. Los cables de menor calidad pueden usar aluminio, que es un conductor inferior en comparación con el cobre. Asegúrese de comprar cables de marca de un distribuidor autorizado como DigiKey, ya que lo que parece similar a un cable de marca podría tener conductores de aluminio con un revestimiento de cobre. Si bien los cables sólidos son mejores conductores que los cables trenzados, los cables sólidos no se doblan tan fácilmente, lo que los hace poco prácticos para muchas situaciones. Los cables trenzados son más fáciles de colocar y enrutar porque son más flexibles.

Cubierta exterior

El material y el espesor de la cubierta exterior son cruciales para una larga vida útil de los cables industriales. Cuanto más gruesa sea la cubierta exterior, mejor se protege el cable.

La cubierta exterior del cable en entornos industriales necesita manejar muchas formas de abuso severo que pueden degradar rápidamente el cable. La luz solar, particularmente la luz ultravioleta (UV), puede causar decoloración o grietas en la cubierta exterior. Los disolventes, incluidos el aceite, la gasolina y los productos químicos de limpieza, también pueden disolver la cubierta exterior y provocar fallas. Las altas temperaturas pueden provocar un acortamiento del cable, lo que se convierte en una responsabilidad mayor en longitudes de cable más largas. Las temperaturas frías extremas pueden hacer que la cubierta externa se vuelva quebradiza, lo que provoca grietas visibles que pueden hacer que la cubierta exterior se desprenda y se rompa.

La cubierta exterior también debe poder manejar el abuso físico, como el efecto abrasivo de tirar del cable alrededor de esquinas afiladas. La cubierta exterior incorrecta puede provocar aberturas en el cable que revelan el blindaje o los cables conductores. El poliuretano grueso es una opción confiable de material de cubierta exterior para cables de alta calidad debido a su resistencia a la abrasión. El poliuretano también es resistente a los solventes, la temperatura, la exposición a la luz y el abuso de todo tipo.

La resistencia al agua a menudo se da por sentado. Si bien casi todos los cables pueden parecer resistentes al agua, en realidad la exposición prolongada a la humedad también puede provocar un acortamiento del cable. Esto puede ser difícil de diagnosticar, especialmente si los técnicos continúan reemplazando el cable con el mismo cable comercial sin darse cuenta del error. Para evitar esto, se recomiendan cables de grado industrial IP67 para la mayoría de los ambientes húmedos.

Incluso con los cables industriales más robustos, el cableado debe dirigirse lejos de los bordes afilados. Para evitar estirar el cable, considere prever cableado que exceda la longitud enrutada. No es infrecuente en fábricas y edificios de oficinas que los requisitos cambien, y que reencaminar el cableado se vuelva entonces necesario.

Para entornos extremos donde los cables pueden estar sumergidos, se debe seleccionar un cable con clasificación IP68, como los cables circulares de cuatro conductores CA0162C22315012 de Amphenol Sine Systems (Figura 1). Este sistema de cable y conector puede soportar temperaturas de -25 a + 100 °C, en el extremo del rango de temperatura industrial. Los cables utilizan cable trenzado de 14 AWG para los cuatro conductores.

Figura 1: Los cables conectores circulares CA0162C22315012 de Amphenol Sine Systems usan cables gruesos de 24 AWG para una excelente conductividad. Los aliviadores de tensión del conector están moldeados por calor en la cubierta exterior del cable para máxima protección. (Fuente de la imagen: Amphenol Sine Systems)

Conectores de cable y contactos

La conexión del cable al conector puede ser la parte más abusada del conjunto. Se recomienda quitar siempre un conector de cable de una toma de corriente tirando de la carcasa del conector y no del aliviador de tensión. Sin embargo, los técnicos si están apurados a veces tirarán del aliviador de tensión en su lugar. A veces, el conector del cable se coloca en un espacio reducido donde no se puede evitar extraer el conector tirando del aliviador de tensión. Si esto se repite las veces suficientes en cables comerciales, es probable que se separe el cable de los contactos del conector, lo que dará lugar a conexiones intermitentes o fallas totales.

Para estas situaciones, se recomiendan cables resistentes a los receptáculos de los conectores, como los aliviadores de tensión moldeados por calor, ya que brindan una excelente protección contra la tensión al insertar y retirar los conectores de los cables, y también evitan la humedad en condiciones difíciles.

El número de ciclos de acoplamiento de conectores por lo general no es importante para los conectores fijados a los mismos receptáculos durante meses o años a la vez. Pero, en el otro extremo, se utilizan cables con equipos de prueba industriales que pueden ver docenas de ciclos de acoplamiento en un solo día. Es importante obtener un cable con conectores que exceda la cantidad de ciclos de acoplamiento en al menos un 50 %.

A veces las condiciones extremas requieren productos innovadores con soluciones únicas. Rosenberger fabrica una serie de conectores magnéticos de autolocalización que ofrecen un número virtualmente ilimitado de ciclos de acoplamiento (Figura 2). Los conectores magnéticos de autolocalización en el extremo de los arneses de cables de Rosenberger se pueden colocar fácilmente en las tomas con una fuerza de inserción cero. El sistema de conector magnético autoguía el conector del cable en la toma con un chasquido audible sin ningún esfuerzo manual.

Figura 2: Los conectores magnéticos de autolocalización en el extremo de estos arneses de cables de Rosenberger se pueden colocar fácilmente en las tomas con una fuerza de inserción cero. (Fuente de la imagen: Rosenberger)

El arnés de cables USB industrial L99-838-1500 de Rosenberger está diseñado para equipos de diagnóstico en movimiento. Cada extremo tiene un mecanismo de bloqueo magnético simple que permite un acoplamiento rápido y fácil a un conector compatible. Esto es especialmente útil para el mantenimiento de equipos de diagnóstico utilizados en edificios de oficinas, sistemas de control y automatización industriales y otros entornos donde los ciclos de acoplamiento son inusualmente altos.

Oro, níquel y estaño: Preocupación por los detalles de contacto

Los contactos del conector del cable están relacionados con la capacidad actual y la confiabilidad del cable. Los conectores estañados son bastante comunes en los cables comerciales. Para conectores de cables industriales de alta confiabilidad, el oro es la mejor opción porque es un excelente conductor y, a diferencia de la plata o el cobre, no se oxida ni se corroe. Sin embargo, no es de extrañar que el oro sólido sea excesivamente caro. Una mejor solución es usar contactos de níquel laminados en oro como los presentes en el cable de Ethernet industrial 1203410303 M12 CAT6A de Molex (Figura 3).

Los conectores M12 estándar de la industria utilizan contactos de oro niquelados, que son superiores a los contactos de oro sólido, con mayor durabilidad, estabilidad de metal mejorada y alta resistencia a la corrosión.

Figura 3: Los contactos laminados en oro del cable industrial de Molex M12 CAT6A 1203410303 proporcionan baja resistencia y alta confiabilidad en entornos industriales. (Fuente de la imagen: Molex)

Si bien el cobre y la plata son conductores ligeramente mejores que el oro, es más probable que se empañen y corroan en ambientes hostiles. El oro es un excelente conductor para entornos industriales porque es resistente a muchos solventes y mantiene su conectividad a altas temperaturas. Por estas y otras razones, el oro se recomienda para aplicaciones industriales de alta confiabilidad.

En la mayoría de los casos, las conexiones de contacto de oro a oro proporcionan conexiones de alta fiabilidad y baja resistencia. El oro no se recomienda para acoplarse con contactos más blandos, como el estaño, ya que puede ocurrir un proceso llamado desgaste. La fricción es cuando dos metales diferentes entran en contacto y causan una reacción química, lo cual crea otro material que aumenta la resistencia de la conexión.

Otra forma de preocuparse es cuando un metal muy duro como el oro frota contra un metal muy suave como el estaño, lo que provoca que parte del estaño se rasque y se adhiera al oro, lo que lleva a la misma reacción química.

Blindaje de cable

Los entornos ruidosos como fábricas y edificios de oficinas están llenos de ruido eléctrico. La interferencia electromagnética (EMI) puede afectar gravemente la eficiencia y el funcionamiento de los equipos electrónicos. El cableado puede generar EMI o puede verse afectado por ella. El blindaje correcto del cable puede inhibir o eliminar la mayoría de los EMI. Es importante seleccionar los cables con el blindaje adecuado para el entorno industrial, ya que los problemas de los equipos causados por el ruido EMI pueden ser especialmente difíciles de diagnosticar más adelante.

Hay dos tipos de blindaje de cables. El blindaje de lámina de aluminio es común tanto en cables industriales como comerciales y proporciona una cobertura del 100 %. Para aplicaciones industriales, el lado de la lámina que mira hacia los cables está unido a una superficie delgada y no conductora para un mejor aislamiento de los cables conductores. Para proporcionar una protección suficiente, el grosor de la lámina de aluminio puede hacer que el cable sea rígido y difícil de manejar. Algunos cables comerciales usan una capa delgada de papel de aluminio que es suficiente para uso doméstico, pero no brinda suficiente protección EMI para una fábrica.

El blindaje de malla de alambre de cobre trenzado es más fácil de trabajar y tiene más flexibilidad que el blindaje de aluminio. Sin embargo, el blindaje trenzado generalmente proporciona una cobertura de solo 70 % a 95 %. Por esta razón, muchos cables industriales de alta calidad utilizan una combinación de ambos, un delgado blindaje de lámina de aluminio junto con una trenza de cobre, lo que proporciona una excelente protección contra EMI a la vez que mantiene la flexibilidad.

Los conectores de cable tienen un blindaje a tierra en cada conector. Es importante utilizar ambos para la máxima inmunidad al ruido.

Conclusión

La elección correcta del cableado al principio de un proyecto puede prevenir problemas más adelante. Los cables industriales son de calidad superior en comparación con los cables comerciales, con las ventajas de una mayor calidad de señal y una vida útil más larga. Los ingenieros y técnicos deben examinar cuidadosamente las especificaciones de los cables que se están considerando para una aplicación industrial para asegurar la obtención de los cables correctos con el fin de lograr confiabilidad, una vida útil prolongada y el menor costo general de propiedad.