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Cuando la rotación se mantiene conectada: las combinaciones de fibra óptica y anillos colectores eléctricos permiten transportar gas, electricidad, fluidos y señales ópticas a través del mismo eje giratorio

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Conexión continua durante la rotación | Anillo colector combinado de fibra óptica y eléctrico, integración coaxial de señales de gas, energía, fluidos y ópticas

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Noticia breve: En las plataformas giratorias de los radares, los propulsores de los ROV, los escáneres médicos de tomografía computarizada y las plataformas giratorias de la maquinaria de construcción, hay un componente discreto que determina si toda la máquina puede «transmitir mientras gira»: el anillo colector. En el pasado, solo se encargaba de la conducción de energía; más tarde, se añadieron codificadores y Ethernet; ahora, la fibra óptica se está convirtiendo en uno de los canales principales de los anillos colectores híbridos electroópticos de alta gama. En este número, lo analizamos más a fondo: ¿con cuántos tipos de señales eléctricas puede «colaborar» exactamente un anillo colector de fibra óptica y hasta qué punto puede llegar hoy en día la integración «gas + electricidad + líquido + óptica» todo en uno?

I. Por qué los anillos colectores de fibra óptica están en el punto de mira
Los anillos colectores eléctricos tradicionales se basan en escobillas metálicas que se deslizan sobre anillos de cobre para transmitir corriente y señales, pero se enfrentan a tres dificultades:
•Datos de alta velocidad:​ Gigabit Ethernet, vídeo de alta definición, ecos de radar, Camera Link;
•Largas distancias:​ Enlaces de retorno de decenas a miles de metros, donde la atenuación de la señal eléctrica se vuelve insostenible;
• Fuertes interferencias electromagnéticas:​ cerca de variadores de frecuencia, motores y equipos de soldadura, los cables de cobre actúan como antenas.
Las juntas rotativas de fibra óptica (FORJ) utilizan luz en lugar de electricidad para transmitir datos. Ofrecen de forma inherente un gran ancho de banda, bajas pérdidas, resistencia a las interferencias electromagnéticas y admiten la conmutación entre modo único y multimodo. Por lo tanto, un enfoque habitual en los equipos de gama alta consiste en «dejar que el anillo colector eléctrico suministre alimentación y señales de baja velocidad, mientras que el anillo colector de fibra óptica se encarga de los datos de alta velocidad», con ambos sistemas apilados en el mismo eje giratorio.

II. ¿Con qué «señales eléctricas» puede combinarse la fibra óptica? Una lista rápida
1. Energía eléctrica (el compañero más básico)
•Anillos de señal y alimentación de 2 A / 5 A / 10 A / 20 A
•Alta tensión y alta corriente de hasta 3300 V / 720 A (grado de propulsor)
•Alimentación de control y servo de baja tensión: 24 V / 220 V / 480 V
Combinación típica: N canales de fibra + varios canales de alimentación, lo que permite que una plataforma giratoria suministre energía a una cápsula mientras gira.
2. Ethernet industrial y datos
•Ethernet de 100 M (100BaseT)
•Ethernet Gigabit (1000BaseT)
•Ethernet industrial: PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT, Modbus/TCP
•USB 2.0 / USB 3.0
La fibra óptica constituye la «red troncal de alta velocidad», mientras que los anillos eléctricos complementan el «bucle de control de comandos».
3. Bus de campo y puertos serie
•RS232 / RS422 / RS485
•CAN / CANopen / CANbus
•ProfibusDP
•DeviceNet / ControlNet / CCLink
•InterBus, Modbus RTU
Se utilizan habitualmente para servoaccionamientos, E/S remotas de PLC y retroalimentación de encoders.
4. Señales de servoaccionamientos, encoders y sensores
•Cables para encoders de servoaccionamientos (compatibles con los sistemas de servoaccionamientos de Yaskawa, Panasonic y Siemens)
•Señales de resolver, señales de excitación
•Termopares, RTD (PT100)
•Señales analógicas de 4–20 mA / 0–10 V
•Sensores de temperatura, presión y células de carga
•SSI, BISS, TTL, SPI, I²C, UART, 1553B, 1394B
Los anillos colectores electroópticos suelen configurarse como «1-36 canales de fibra + docenas de canales eléctricos de señal débil».
5. Vídeo / Audio / Alta frecuencia
•CVBS / AHD / CVI / TVI analógico de alta definición
•HD-SDI / 3GSDI
•HDMI (19 pines), VGA (9 pines)
•RF coaxial, microondas, juntas giratorias de RF (se pueden integrar por separado)
Habituales en módulos electroópticos, sistemas de vigilancia con plataforma giratoria y unidades móviles de retransmisión.
6. Opciones especiales
•Disponible en monomodo y multimodo (FC / SC / ST / LC / APC)
•División por longitud de onda, fibra multicanal (se han visto productos con hasta 120 canales)
•Contactos oro a oro, IP65–IP68, carcasa de acero inoxidable, carcasa a prueba de explosiones

III. «Gas + Electricidad + Líquido + Óptica» todo en uno: la forma definitiva de anillos colectores al estilo Lego
Combinar «óptica + electricidad» por sí solo ya no es una novedad; el verdadero reto consiste en integrar también «circuitos de gas y líquido», sin que se produzca contaminación cruzada entre los medios.
Lista de medios integrables
Tipo de medio Contenido habitual Observaciones
Eléctrico​ Alimentación + señal + Ethernet + bus Módulos de alta/baja tensión aislados
Óptica​ Fibra monomodo/multimodo, fibra de RF Ampliable de 1 a 120 canales
Gas​ Aire comprimido, nitrógeno, vacío, vapor de agua Las líneas de vacío cuentan como un canal
Líquido​ Aceite hidráulico, refrigerante, agua, aceite lubricante, aceite caliente, líquido de limpieza. El límite de presión depende del grado de estanqueidad
Alta frecuencia​ RF, microondas, juntas rotativas SDI. A menudo se elige entre fibra o se utilizan conjuntamente
Estructuras típicas «todo en uno»
•Tipo apilado:​ Anillo colector eléctrico + anillo de fibra óptica + rotor neumático/hidráulico apilados en secciones para facilitar el mantenimiento modular
•Tipo coaxial anidado:​ Orificio central pasante para el eje, puertos neumáticos/hidráulicos distribuidos en la periferia
•Tipo separado: junta rotativa de fibra óptica (FORJ) separada físicamente pero coaxial con el anillo colector eléctrico
•Orificio pasante de gran diámetro: diámetro interior de 500–1000 mm, adecuado para el tendido de cables y tuberías (accionamientos superiores, cabrestantes)

IV. Escenarios de aplicación típicos
•Ingeniería oceánica / ROV / propulsores:​ 3300 V + 720 A de potencia + fibra de 6 canales + Ethernet de 100 M + 10 canales de gas/líquido, IP68 + carcasa de acero 316L
•Radar militar / cápsula electroóptica:​ Gigabit Ethernet + HDSDI + servocodificador + fibra monomodo, ensayos ambientales según GJB150A
•Tomografía computarizada médica / brazo quirúrgico:​ Baja velocidad, elevado número de canales, señales eléctricas + ópticas + codificador, contactos de metales preciosos de bajo ruido
• Giro de maquinaria de construcción:​ Alimentación 20 A × N + señales de válvulas de control + aire comprimido para soplado de polvo + vídeo por fibra
•Plataforma giratoria para embalaje, impresión y semiconductores:​ Ethernet + bus + servo + conducto de gas para boquilla de succión al vacío
•Accionamiento superior de perforación petrolífera / tubería enrollada:​ Alta corriente + sistema hidráulico + fibra + alta frecuencia, resistente a las vibraciones y a la niebla salina

V. Resumen: Los anillos colectores están evolucionando de «componentes» a «sistemas rotativos completos»
Primeros anillos colectores = anillos conductores;
Posteriormente = conductores + codificadores;
La forma de gama alta actual = óptica (FORJ) + eléctrica (alimentación/bus/Gigabit) + gas + líquido + alta frecuencia, apilados e integrados según las condiciones de funcionamiento de la plataforma giratoria.
Para los fabricantes de equipos, la importancia va más allá de «utilizar menos cables»; significa:
•Fuentes de fallo centralizadas y controlables en el extremo del eje
•Mayor índice de protección general
•Reducción de los costes de cableado para grandes sistemas
•En ámbitos como la electrónica submarina, militar y médica, las alternativas nacionales son ahora competitivas