Aislamiento, revestimiento y blindaje

El cable EXRAD 4/0 AWG mide casi 1 pulgada de diámetro y pesa 0,876 libras por pie. El cable de 1000 voltios cuenta con una cubierta de elastómero reticulado irradiado (XLE) de color naranja brillante, blindaje trenzado de cobre estañado y un delgado aislamiento interior XLE que rodea 30 hebras de alambre de cobre desnudo. Foto cortesía de Champlain Cable Corp.

La cubierta exterior de estos diversos cables se cortó con la cortadora JackStrip 8310. Maneja cables de 0,1 a 1 pulgada de diámetro exterior hasta 19,7 pulgadas de largo. Foto cortesía de Schleuniger Inc.

El par trenzado es un tipo de blindaje de cable en espiral. Los dos conductores aislados están trenzados uniformemente uno alrededor del otro a lo largo del arnés para minimizar la interferencia electromagnética de otros pares trenzados en el cable. Foto cortesía www.ecvv.com

Dentro de cada vehículo híbrido y eléctrico, hay una gran cantidad de alambres y cables. Todo es esencial, pero solo una pequeña parte se destaca por su tamaño, apariencia o capacidades de alto voltaje.

El cable de batería EXRAD de 1000 voltios (clasificación UL 758) es notable por las tres razones. Fabricado por Champlain Cable Corp., el cable 4/0 AWG mide casi 1 pulgada de diámetro y pesa 0,876 libras por pie. Su cubierta de elastómero reticulado irradiado (XLE) tiene solo 0,08 pulgadas de grosor pero es lo suficientemente fuerte como para aislar cualquier corriente perdida. El color naranja brillante de la cubierta significa que EXRAD cumple con los estándares de la UE para cables de alto voltaje.

Debajo de la chaqueta hay un blindaje trenzado de cobre estañado. Proporciona una cobertura del 95 por ciento del aislamiento XLE interno delgado del cable (0,12 pulgadas de espesor), que rodea 30 hebras de alambre de cobre desnudo. Más importante aún, el blindaje previene simultáneamente la emisión de ondas de pulso electromagnético (EMP) y protege los conductores de datos y señales de la interferencia electromagnética externa (EMI).

No todos los cables que manejan los fabricantes de arneses son tan gruesos o complejos como el EXRAD. Pero, cada cable, y alambre, requiere la cubierta, el blindaje y el aislamiento adecuados para lograr un rendimiento óptimo.

Con frecuencia, los fabricantes de arneses no tienen voz en la selección final de estos materiales de protección. En esas situaciones, se enfocan en asegurarse de que el producto entregado cumpla con el formulario de pedido y en cortar, pelar o terminar correctamente el alambre o el cable.

A veces, sin embargo, a un fabricante de arneses se le proporcionan las especificaciones del OEM y se le solicita que elija un proveedor de alambres o cables. Al comprender completamente los diversos materiales utilizados para el aislamiento de alambres y el revestimiento y blindaje de cables, el fabricante está mejor preparado para seleccionar el mejor alambre o cable para cualquier aplicación.

Debido a que el aislamiento y las chaquetas generalmente están hechos de los mismos materiales, los dos términos a menudo se usan indistintamente. Esto es un error, ya que las palabras tienen significados distintos.

"El aislamiento se refiere al material en contacto directo con el conductor, ya sea sólido o trenzado", explica Rich Goyette, gerente de ingeniería y calidad de EIS Wire & Cable. “Su propósito es eléctrico, es decir, mantener el calor y la electricidad dentro del alambre.

"La cubierta del cable, o cubierta exterior, es el material delgado que cubre los conductores aislados. Sus dos propósitos son mecánicos: mantener unido el cable y proteger los alambres aislados de llamas, aceite, gas o agua, dependiendo de dónde esté terminado el cable. el arnés está instalado".

A principios del siglo XX, los fabricantes de alambres y cables aislaron el alambre envolviéndolo en tela y lacándola para hacerla resistente a las llamas y al calor, señala Goyette. Poco después, se utilizaron otros materiales para el aislamiento, como cinta de papel y materiales a base de aceite.

Con el desarrollo de estándares de seguridad contra incendios para la fabricación después de la Segunda Guerra Mundial, los cables comenzaron a aislarse con materiales termoplásticos o termoestables. Todo el aislamiento y las chaquetas siguen estando fabricados con cualquiera de estos dos tipos de materiales.

Los termoplásticos se pueden derretir y remodelar repetidamente porque están compuestos de cadenas moleculares lineales que se separan una vez que se aplica calor. Los materiales de aislamiento termoplástico más comunes incluyen cloruro de polivinilo (PVC), polietileno (sólido o espuma), polipropileno, poliuretano, nailon, difluoruro de polivinilideno (PVDF), etileno propileno fluorado (FEP), PTFE (teflón), teflón FEP, tetrafluoroetileno (TFE ) y elastómero termoplástico (TPE), que se procesa como el plástico pero tiene las propiedades y el rendimiento del caucho.

Los materiales termoestables se moldean una vez y se quemarán si se les aplica calor continuamente. Durante el proceso de curado, las cadenas de polímero de un termoestable se entrecruzan con otras moléculas para convertirse en un material de caucho natural o sintético. Esta es la razón por la que un material termoestable a veces tiene un XL (para reticulación) en su nombre, como XLPE para polietileno reticulado. Otros materiales termoestables comunes son el caucho de estireno-butadieno (SBR) y el caucho de silicona.

"Donde el tamaño y el peso no son críticos, el PVC es el material de aislamiento más popular porque es barato, se adhiere bien, no se deshace y es fácil de pelar y terminar", afirma Scott Ziegler, gerente de producto de Lapp Group USA. "El polipropileno y el polietileno son mucho más resistentes que el PVC y no se estiran mucho. El poliuretano es muy resistente a la abrasión y el teflón ofrece una excelente estabilidad térmica y propiedades eléctricas".

En cuanto a los materiales termoestables, el caucho se usa con frecuencia en las cubiertas de los cables y, a veces, en el aislamiento de cables donde el arnés está expuesto a un calor intenso durante mucho tiempo. El neopreno (una goma sintética) es muy suave y difícil de cortar.

Los OEM se centran en dos factores clave al seleccionar el material de aislamiento y revestimiento. El primero son las condiciones ambientales. Si un cable o mazo de cables está sujeto a calor extremo, frío, humedad, productos químicos o abrasión, requiere un material de aislamiento resistente. En conjunto, los materiales termoplásticos y termoestables más comunes brindan una resistencia a la abrasión de buena a excelente y son efectivos dentro de un rango de temperatura de -67 a 392 F.

Otro factor es la cantidad y la velocidad de la corriente o el voltaje que debe transportar el alambre o el cable. No todos los materiales son capaces de manejar altas corrientes durante largos períodos de tiempo. Para señales de mayor velocidad, se prefiere el material espumado (como el polietileno). Al inyectar un químico o gas en el material, un proveedor crea burbujas de aire en el aislamiento. Estas burbujas permiten el paso de señales de alta velocidad sin obstáculos.

El grosor del aislamiento y de la cubierta puede oscilar entre 0,5 mil y varios cientos de mil, y está determinado por el voltaje especificado. Como regla general, un cable más grueso transporta un voltaje más alto y requiere un aislamiento más grueso.

El aislamiento y el revestimiento vienen en muchos colores. El proceso de coloración consiste en mezclar un colorante con el compuesto de resina durante la etapa de extrusión primaria. El colorante no afecta negativamente el corte o el pelado. Sin embargo, debido a que el colorante es un contaminante, demasiado puede causar puntos débiles y fallas eléctricas en el aislamiento o la cubierta, dice Goyette.

"El aislamiento y el revestimiento consistentes son críticos para la capacidad del fabricante de arneses para cortar y pelar alambres y cables", señala Linda White, gerente de línea de productos para cables industriales en Belden Inc. advertencia puede crear estragos inesperados en una línea de producción automatizada. Siempre es más fácil procesar un cable de calidad porque su cubierta exterior tiene dimensiones consistentes y es redonda, no enrevesada".

La adhesión del aislamiento a los conductores también puede causar problemas de pelado, dice Frank Koditek, ingeniero de aplicaciones de campo para cables industriales en Belden. Esto es especialmente cierto para el aislamiento de caucho.

Para facilitar el pelado, los proveedores pueden colocar una cinta separadora de poliéster transparente muy delgada entre el aislamiento y el conductor. Otra opción es aplicar un agente de liberación al conductor. El agente se seca rápidamente, dejando un rastro de residuos en el cable.

La historia del blindaje de cables se remonta a principios del siglo XX y la necesidad de los usuarios de teléfonos de bloquear las transmisiones de radio que se escuchan en la línea telefónica. Para eliminar esta interferencia de radiofrecuencia (RFI), los ingenieros telefónicos intentaron envolver la línea con cables de conexión a tierra. Esto funcionó para instalaciones fijas, pero cuando la línea se flexionaba, los cables envueltos se separaban y volvía la interferencia.

Eventualmente, los ingenieros comenzaron a trenzar alambre de oropel, y luego hilos de alambre simples, sobre los conductores en los cables de los auriculares del teléfono para reducir la RFI. Este proceso se conoce como blindaje servido.

Hoy en día, los ingenieros de diseño de cables aún deben lidiar con RFI, así como con EMI y EMP. Para bloquear estas interferencias y optimizar el rendimiento del cable, los ingenieros confían en varios tipos de blindaje.

"El blindaje tiene un propósito principal diferente para el cable electrónico que para el cable de alimentación", dice Eric Wall, gerente de ingeniería de cables y alambres para EE. UU. en Anixter Inc. rango de frecuencias, hasta el rango de gigahercios. Para el cable de alimentación, está creando un plano de tierra para una onda sinusoidal de potencia de una sola frecuencia (por ejemplo, 60 hercios). El blindaje iguala la tensión en el aislamiento y le da a la corriente de falla una camino de regreso al equipo, que puede aislar el circuito si ocurre una falla. Esto mejora la seguridad y también extiende la vida útil del cable".

El blindaje servido todavía se usa hoy en día y la flexibilidad es su principal atractivo. El blindaje es fácil de desenrollar y terminar, pero tiende a ser relativamente inductivo porque está envuelto alrededor del conductor. Por lo general, el blindaje se engarza en una lengüeta o poste de terminación. A menudo se utiliza en aplicaciones de audio.

Otro tipo de blindaje en espiral son los pares trenzados, que fue inventado y patentado por Alexander Graham Bell en 1881. Los dos conductores aislados están trenzados uniformemente uno alrededor del otro a lo largo del arnés para minimizar la interferencia de otros pares trenzados en el cable.

Los conductores pueden ser sólidos o trenzados. Un conductor sólido tiene menos atenuación y abarca distancias más largas, pero un conductor trenzado es muy flexible para doblarse en las esquinas.

El blindaje trenzado es apretado pero flexible, según Goyette. El escudo trenzado está formado por grupos de alambres de calibre pequeño en bobinas. Estos se colocan uno al lado del otro en la máquina trenzadora, luego se tejen uno encima y otro debajo del otro. El blindaje trenzado generalmente cubre el 95 por ciento del cable aislado.

Las tiras trenzadas están hechas de cintas sólidas de material conductor para brindar una superficie más uniforme. Esta es una ventaja a frecuencias muy altas y, cuando se combina con otros tipos de blindaje, forma una barrera EMI muy efectiva.

Los fabricantes de arneses a menudo necesitan destrenzar y cortar el blindaje trenzado del cable blindado como parte del proceso de terminación. Pete Doyon, vicepresidente de administración de productos de Schleuniger Inc., dice que su empresa ha desarrollado una máquina prototipo (ShieldCut 8100) para destrenzar rápidamente el blindaje trenzado y cortarlo a una longitud preprogramada. Sus usuarios finales objetivo incluyen los fabricantes militares y aeroespaciales.

Schleuniger ofrece actualmente la cortadora JacketStrip 8310. Esta máquina cuenta con cuchillas giratorias que cortan axial y radialmente la cubierta exterior de los cables multiconductores y no redondos sin dañar el blindaje ni los conductores internos. Maneja cables de 0,1 a 1 pulgada de diámetro exterior hasta 19,7 pulgadas de largo. La máquina cortadora semiautomática ofrece una operación simple y tiempos de ciclo cortos.

Los protectores de lámina consisten en una película de plástico flexible metalizado muy delgada (0,0003 pulgadas) que se envuelve en espiral alrededor del cable aislado. Debido a que es de aluminio, la película debe engarzarse y, a menudo, se combina con un hilo de drenaje no aislado (desviador de corriente) envuelto dentro de un cable. El cable de drenaje hace contacto con la lámina y está conectado a tierra en el extremo de la fuente del arnés para anular la EMI.

Para lograr una efectividad de blindaje del 100 por ciento, se puede colocar una trenza suelta sobre la lámina. Este método funciona bien siempre que los cables se doblen únicamente durante la instalación y el mantenimiento.

Los pares trenzados también están disponibles blindados (STP) con una lámina metálica para proteger aún más contra EMI excesiva. Otra variación, llamada lámina de par trenzado, no presenta aislamiento, sino que se basa únicamente en la lámina como protección.

Una última opción es un blindaje sólido. Este tubo metálico rígido o semirrígido está fabricado en cobre o aluminio y envuelve al conductor aislado. Ofrece 100 por ciento de protección contra EMI. Los cables más grandes pueden incorporar tubos corrugados.

Jim es editor sénior de ASSEMBLY y tiene más de 30 años de experiencia editorial. Antes de unirse a ASSEMBLY, Camillo fue editor de PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal y Milling Journal. Jim tiene un título en inglés de la Universidad DePaul.