Mejore la fiabilidad de los sistemas industriales con cables planos compactos y de alta densidad

Los diseñadores industriales se enfrentan a una presión cada vez mayor para reducir el tamaño de sus diseños sin dejar de garantizar un alto rendimiento operativo y una gran resistencia mecánica. A medida que aumenta la densidad de los componentes en un espacio limitado de la placa, los diseñadores necesitan conectores cable-a-placa fiables y compactos, compatibles con los procesos de montaje automatizados, que favorezcan la eficiencia en la fabricación, la previsibilidad y el rendimiento a la primera, al tiempo que reducen los defectos. Asimismo, necesitan soluciones de interconexión sólidas que reduzcan al mínimo el espacio que ocupan los conectores y maximicen la flexibilidad de diseño en los complejos ensamblajes internos de los productos.

En numerosas aplicaciones industriales, la solución reside en los cables planos tipo cinta y en la tecnología de contacto por desplazamiento del aislamiento (IDC), que permiten establecer conexiones fiables en diseños industriales con limitaciones de espacio.

En este artículo se analizan los retos en materia de conectividad a los que se enfrentan los diseñadores de sistemas industriales. A continuación, presenta soluciones compactas de interconexión industrial y utillaje de 3M y muestra cómo pueden utilizarse para crear ensamblajes sólidos y repetibles que respondan a estos desafíos.

Los desafíos que plantean las interconexiones en los equipos industriales modernos

En diseños altamente integrados, el espacio limitado puede aumentar la complejidad del tendido de la alimentación y los datos entre las distintas partes de un sistema. Estas interconexiones suelen establecerse mediante conjuntos de cables, que deben garantizar conexiones fiables tanto si se tienden a través de espacios reducidos como si se utilizan en aplicaciones en las que haya movimiento o se produzcan tensiones mecánicas repetidas, por ejemplo, en robótica, automatización y maquinaria multieje.

Si bien la fiabilidad de la conexión es esencial para un funcionamiento continuo en condiciones industriales adversas, la facilidad de mantenimiento y la integración flexible también son aspectos importantes a tener en cuenta. Los sistemas industriales suelen requerir mantenimiento y actualizaciones a lo largo de su vida útil, por lo que la elección del conjunto de cables y del conector de la placa de circuito impreso (placa CI) puede determinar la facilidad con la que se llevan a cabo estas tareas. Esto es especialmente cierto en recintos con limitaciones de espacio.

Simplificación de las conexiones industriales mediante cables planos y la tecnología IDC

El cable plano ofrece a los diseñadores una solución compacta y eficaz para el tendido de múltiples hilos entre placas de circuito impreso, pantallas, sensores y otros componentes de los sistemas industriales. La flexibilidad y el perfil plano del cable plano lo hacen ideal para establecer conexiones separadas por distancias variables o que pasan por espacios estrechos.

Dado que el cable plano cuenta con múltiples conductores que permanecen alineados en una disposición bien definida, permite a los diseñadores tender fácilmente grupos de señales sin necesidad de gestionar múltiples cables independientes. Esta disposición de conductores agrupados mejora la uniformidad de la instalación y el mantenimiento cuando el espacio es limitado. Gracias a estos cables, los diseñadores pueden mantener un tendido de cables ordenado sin necesidad de bridas ni mazos adicionales.

A la hora de realizar las conexiones de los cables planos, la tecnología IDC ofrece una forma práctica de simplificar las conexiones (Figura 1). Este método utiliza contactos pequeños y afilados para perforar el aislamiento del cable plano y establecer una conexión, lo que elimina la necesidad de pelar y terminar cada conductor por separado.

Figura 1: La tecnología IDC ofrece una forma eficaz de atravesar el aislamiento de los cables planos y establecer conexiones eléctricas entre los conductores agrupados. (Fuente de la imagen: 3M)

Al realizar todas las conexiones de los conductores en una única operación de prensado, la tecnología IDC agiliza el montaje de los cables. Con las herramientas adecuadas, el proceso es altamente repetible, lo que mejora la uniformidad en todas las series de montaje de cables y permite a los diseñadores adaptar la longitud de los cables a la disposición física de cada sistema.

En el caso de los diseños industriales, la combinación de un cable plano compacto y una terminación IDC aumenta la flexibilidad a la hora de conectar componentes electrónicos en espacios reducidos. Con el enfoque adecuado, los cables planos también pueden configurarse con múltiples conectores a lo largo de su longitud y permitir el enrutamiento dividido hacia diferentes circuitos cuando sea necesario. Esto permite que un conjunto de cables conectado a la placa base, por ejemplo, se ramifique hacia múltiples puntos del sistema, reduciendo así el número total de cables y conectores de placa de circuito impreso. A su vez, esto permite disponer de más espacio para los componentes, lo que aumenta la funcionalidad del dispositivo.

Cuando los conectores, los cables y los procesos de montaje se diseñan como un ecosistema completo, los diseñadores pueden mejorar la coherencia y la repetibilidad de los procesos de fabricación. 3M ofrece una amplia gama de soluciones para el diseño y el montaje de placas de circuito impreso industriales que aportan esta ventaja, ya que facilitan la fabricación a gran escala y reducen la probabilidad de que se produzcan defectos.

Soluciones de interconexión compactas y fiables para diseños industriales de alta densidad

Los conjuntos de conectores de la serie 451 y los cabezales de montaje en placa de la serie 452 de 3M (Figura 2) ofrecen a los diseñadores una solución de interconexión que minimiza los requisitos de espacio en la placa de circuito impreso gracias a un paso de 1.27 mm. Están disponibles con 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 20, 26, 30, 40 o 50 contactos chapados en oro para garantizar conexiones fiables.

Figura 2: Los conjuntos de conectores de la serie 451 (a la derecha) y los conectores de montaje en placa de la serie 452 (a la izquierda) ofrecen una amplia gama de opciones para las interconexiones de cable a placa. (Fuente de la imagen: 3M)

Al ofrecer una amplia gama de números de pines, junto con clasificaciones eléctricas de 125 V_CA y 1 A, las series 451 y 452 permiten opciones de conexión flexibles, desde conjuntos de sensores de bajo número de pines y baja tensión hasta complejos sistemas multicanal de control y adquisición de datos.

Los conjuntos de conectores de la serie 451 están disponibles con funciones de polarización para evitar un acoplamiento incorrecto y las opciones de cierre por fricción ayudan a prevenir desconexiones accidentales. El alivio de tensión opcional proporciona un soporte mecánico adicional en la terminación IDC, lo que garantiza un funcionamiento sólido y fiable en aplicaciones en las que los cables están sometidos a movimientos o tensiones durante la instalación y el mantenimiento.

A nivel de placa, el tamaño reducido de los conectores de la serie 452 permite ahorrar espacio en la placa de circuito impreso para componentes adicionales o para el trazado de señales, lo que aumenta la libertad de diseño en placas con alta densidad de componentes. La serie también incluye variantes de conectores con cierre de seguridad para una mayor seguridad en las conexiones. En estas variantes, el mecanismo de enclavamiento actúa también como expulsor integrado para facilitar la desconexión y minimizar el riesgo de que se produzcan daños en el conector o en el cable durante las tareas de mantenimiento o las actualizaciones.

Con el fin de facilitar el montaje automatizado mediante el sistema "pick-and-place" (tomar y colocar) y la integración con los procesos de producción de placas de circuito impreso ya existentes, la serie 452 incluye opciones de montaje en superficie suministradas en envases de cinta y carrete. La integración directa de los conectores en el montaje automatizado de placas de circuito impreso permite una fabricación más rápida y fiable, y establece métodos uniformes para la instalación de las interconexiones en el lado de la placa en todas las series de producción. Esto también reduce la necesidad de colocar manualmente los conectores por separado.

Además de sus diseños mecánicos robustos, los conjuntos de conectores de la serie 451 y los conectores de montaje en placa de la serie 452 ofrecen un amplio rango de temperaturas de funcionamiento, desde -65 °C hasta +125 °C, lo que permite su uso en numerosos entornos industriales exigentes. El cumplimiento de la norma UL 94 V-0 en materia de inflamabilidad respalda aún más su uso en aplicaciones en las que la combustibilidad del material supone un riesgo. No obstante, el rendimiento final depende del cable plano que se elija. Tal y como se muestra a continuación, 3M ofrece soporte para los conjuntos de cables planos de IDC mediante herramientas especializadas que facilitan una fabricación repetible.

Creación de un ecosistema de cables planos con soluciones ya preparadas

En los sistemas industriales complejos, los diseñadores suelen necesitar integrar múltiples placas lógicas y módulos, tales como pantallas de cristal líquido (LCD), fuentes de alimentación (PSU) y conjuntos de sensores. Una pequeña pantalla LCD con interfaz periférica en serie (SPI), por ejemplo, suele requerir una conexión de 10 pines que transmita alimentación, comunicación SPI, selección de registros y líneas de señal adicionales. Al seleccionar los siguientes componentes de 3M, los diseñadores pueden montar rápidamente una solución compacta para el tendido de estas conexiones.

En la terminación del cable plano, el modelo 45110-010030 de la serie 451 (figura 3, a la izquierda) ofrece un conector receptáculo rectangular de 10 posiciones. En caso necesario, el alivio de tensión del conector 3448-45110 (figura 3, a la derecha) proporciona una mayor resistencia mecánica, lo cual resulta útil cuando es necesario doblar el cable plano a lo largo de su recorrido entre el conjunto de la pantalla LCD y otras placas de CI.

Figura 3: El conector 45110-010030 (izquierda) permite la terminación IDC en el extremo del cable o mediante pasacables, con un alivio de tracción opcional mediante el modelo 3448-45110 (derecha). (Fuente de la imagen: 3M)

Los conjuntos de conectores de la serie 451 son compatibles con varias gamas de cables planos de 3M. Por ejemplo, el modelo 3754/10 es un cable de cloruro de polivinilo (PVC) de 10 conductores perteneciente a la serie 3754 de cables planos de cinta de 3M. La serie cuenta con una marca roja en el conductor que indica el pin 1, tiene una tensión nominal de 30 V y un rango de temperatura de funcionamiento de entre -20 °C y +105 °C, lo que la hace apta para aplicaciones industriales. El modelo 3754/10 se suministra en una bobina de 300', lo que permite a los diseñadores confeccionar cables de longitud personalizada para satisfacer los requisitos de sus aplicaciones.

Al combinar el cable 3754/10 con el conector 45110-010030, la prensa manual de sobremesa 3640 de 3M (Figura 4) ofrece un método controlado para la terminación IDC. A la hora de montar este cable, los diseñadores también necesitarán la herramienta de posicionamiento 3443-82-10 de 10 posiciones para garantizar una alineación precisa.

Figura 4: La prensa manual de sobremesa 3640 ofrece una forma cómoda y fiable de realizar terminaciones en conectores IDC de cables planos. (Fuente de la imagen: 3M)

Ahora que se ha creado un conjunto de cables de 10 posiciones, los diseñadores pueden seleccionar un conector de la serie 452 de 10 posiciones compatible para la placa de circuito impreso. Un buen ejemplo es el modelo 45210-220230 (figura 5). Esta opción de enclavamiento para montaje en superficie ofrece una mayor retención y una separación controlada. Por otra parte, el conector 45210-200230 ofrece una solución push-pull de montaje en superficie sin pestillos, lo que permite a los diseñadores disponer los conectores más cerca entre sí.

Figura 5: El conector para montaje en placa 45210-220230 incorpora un mecanismo de bloqueo que ayuda a evitar la desconexión accidental cuando se tira del cable o este se somete a tensión. (Fuente de la imagen: 3M)

Conclusión

El cable plano ofrece una solución optimizada para el tendido de señales y alimentación en diseños industriales con limitaciones de espacio, en los que el plegado de los cables, el tendido complejo y la facilidad de mantenimiento son aspectos fundamentales. Junto con la amplia gama de productos de 3M, los conjuntos de conectores de la serie 451 y los conectores de montaje en placa de la serie 452 ofrecen una solución de interconexión compacta que simplifica el montaje de cables planos y la fabricación de placas CI.