Cum să proiectați pentru medii dure folosind conectori etanșați

Proiectanții înghesuie din ce în ce mai multe componente electronice în spații din ce în ce mai incomode sau mai restrânse, în special în sistemele de transport, sistemele industriale și electrocasnicele inteligente, cum ar fi mașinile de spălat. În astfel de aplicații, rutarea interconectării poate duce la numeroase provocări de fiabilitate și funcționare sigură din cauza prafului, pătrunderii umidității, temperaturilor extreme și tensiunilor mecanice.

Chiar și în cadrul aceluiași sistem, cerințele conexiunilor individuale pot varia foarte mult. Cablurile care transportă semnale digitale de joasă tensiune au probleme de interconectare diferite în comparație cu cablurile mai groase care transportă tensiuni înalte pentru motoare și distribuirea energiei. Alegerea greșită a conectorului poate duce la defecțiuni complete sau intermitente ale semnalului, la întreruperi costisitoare și la probleme de întreținere.

Acest articol va discuta provocările implicate în selectarea unor soluții de interconectare a cablurilor suficient de robuste pentru aplicații. Va oferi o explicație a modului în care utilizarea corectă a unui sistem de conectori de cablu cu grad de protecție IP67 și cu clasa 2 de etanșare USCAR-2 poate asigura interconexiuni fiabile care, în plus, reduc și costul de întreținere și reparații. Apoi va prezenta o varietate de soluții de interconectare a cablurilor cu grad de protecție IP67 și clasa de etanșare 2 USCAR-2 de la Molex și va arăta modul în care acestea pot fi utilizate pentru a îndeplini o serie de cerințe ale aplicațiilor.

Considerații privind proiectarea interconexiunilor industriale

Proiectanții de echipamente pentru mediile industriale trebuie să țină cont de particulele contaminante, de lichide și de temperaturile extreme. În plus, sistemele industriale trebuie să fie pregătite pentru a face față unor condiții imprevizibile datorate unor modificări ale mediului sau ale echipamentelor.

Instalațiile industriale, cum ar fi fabricile și depozitele, utilizează o varietate de soluții de interconectare, multe dintre ele pentru sarcini grele. Mașinile și camioanele sunt, de asemenea, considerate medii industriale în mișcare. Există îndrumări generale care trebuie luate în considerare pentru aceste situații de interconectare. Cea mai elementară este rezistența la orice tip de particule, de la pilitură de fier și fragmente metalice la praf și pulberi fine. Cu cât sunt mai fine particulele, cu atât este mai mare probabilitatea ca acestea să fie transportate în aer. De exemplu, praful obișnuit, funinginea și alte particule fine provenite de la echipamentele grele pot fi ținute în aer de către ventilatoare și sistemele de ventilație și pot ateriza la mulți metri distanță față de sursa lor. Aceste particule pot pătrunde în orice deschizătură neetanșată, inclusiv în conectorii cuplați, contaminând suprafețele interioare. Acest lucru poate cauza probleme de cuplare, de la defecțiuni intermitente datorate rezistenței conexiunii până la pierderea totală a contactului. De asemenea, în cazul în care particulele sunt abrazive sau corozive, acestea pot provoca defectarea permanentă a conectorului, ceea ce necesită o înlocuire costisitoare și care durează mult timp.

În mediile industriale se pot găsi și diverse fluide. Apa, benzina, uleiurile și diverse substanțe chimice sunt utilizate frecvent în mediile industriale grele. Intrarea acestor lichide sub formă de fluide sau vapori într-un sistem de conectare cuplat poate provoca scurtcircuite și, din nou, poate duce la defecțiuni ale echipamentului.

Sisteme de interconectare cu grad de protecție IP67

În loc să producă o varietate de conectori pentru diferite condiții de mediu industriale, industria a standardizat utilizarea firelor, cablurilor și sistemelor de conectare care au un grad de protecție IP67. În timp ce literele IP reprezintă oficial cele trei cuvinte „international protection rating” (clasificare internațională a protecției), aceasta este cel mai des cunoscută sub denumirea neoficială, dar mai precisă, de „protecție împotriva infiltrării”. IP67 definește rezistența sistemului de interconectare la particule și obiecte străine, precum și rezistența la infiltrarea apei.

Cifra „6” din IP67 indică faptul că o interconectare este total impermeabilă la orice particule, inclusiv la praf fin. Acest lucru se obține în primul rând printr-o etanșare strânsă între carcasele de cuplare ale celor doi conectori cuplați. „7” indică faptul că un sistem de interconectare IP67 poate rezista la scufundarea în apă până la o adâncime de un metru timp de până la 30 de minute. Acest lucru este suficient de bun pentru majoritatea mediilor industriale.

Etanșarea strânsă dintre carcasele cuplate ale celor doi conectori este de ajutor, dar rezistența la apă este obținută în primul rând printr-o garnitură de conectare care este, de obicei, rezistentă nu numai la apă, ci și la multe substanțe chimice. Diferite materiale ale garniturii sunt rezistente la diferite substanțe chimice, astfel că, în timpul selecției unui sistem de interconectare, materialul garniturii utilizate este un aspect important.

Conectarea semnalelor digitale de joasă putere

Desigur, nu toate sistemele de interconectare prin cablu au aceleași cerințe. Soluțiile de interconectare pentru semnalele logice digitale din interiorul echipamentelor cu grad de protecție IP67 trebuie să gestioneze de obicei doar 5 volți sau mai puțin, la curenți de aproximativ 500 miliamperi (mA). Aceste semnale de putere redusă utilizează conectori de cablu mici și ușori care, de obicei, nu sunt supuși la prea multe solicitări fizice. Conectorii trebuie să fie ușor de cuplat pentru o asamblare rapidă a echipamentului și suficient de ușori pentru a nu exercita nicio presiune asupra firelor de curent redus din ansamblul de cabluri. Pentru aceste aplicații de interconectare, Molex oferă sistemul de conectori miniaturali fir-la-fir Mizu-P25. Acești conectori impermeabili cu certificare IP67 țin praful și apa departe de ansamblul cuplat, într-o carcasă compactă și ușor de accesat.

Un exemplu de pereche cuplată de conectori Mizu-P25 cu grad de protecție IP67 este sistemul Molex de conectori impermeabili cu două poziții pentru fișa Molex 0521160240 și soclul Molex 0521170240 (Figura 1). Atunci când sunt complet cuplați, cei doi conectori au o lungime de numai 25,5 milimetri (mm), ceea ce este potrivit pentru carcasele mici și înguste.

Figura 1: sistemul Molex Mizu-P25 de conectori cuplați cu două poziții pentru fișa 0521160240 și soclul 0521170240 oferă o protecție solidă împotriva prafului și apei. Conectorii cuplați au o lungime de numai 25,5 mm, iar la cuplarea corectă a acestora se aude un clic clar. (Sursă imagine: Molex)

Carcasa și capacul fiecărui conector sunt fabricate din poliester, care are o rezistență excelentă la apă, este rezistent la foc și nu se decolorează sau se crapă în cazul unei expuneri prelungite la lumina soarelui. De asemenea, conectorii din poliester sunt rezistenți la rupere și se vor îndoi în timpul utilizării normale, rezistând în același timp la deformare. Acest lucru face ca sistemul de conectare să fie suficient de robust pentru manipularea dură atunci când este cuplat în timpul asamblării echipamentului. În plus, conectorii din poliester au o rezistență excelentă la forfecare, fiind ideali pentru abraziunea prin alunecare ce apare atunci când conectorii sunt cuplați și decuplați.

Atât etanșarea inelară a conectorului, cât și etanșarea capătului cablului utilizează garnituri de silicon care asigură o etanșare strânsă împotriva apei și prafului. Garniturile și etanșările de silicon își mențin flexibilitatea la temperaturi scăzute, ceea ce face ca acești conectori să fie perfecți pentru echipamentele cu temperaturi scăzute, cum ar fi frigiderele și echipamentele de exterior pentru vreme rece. Acești conectori au două poziții cu un pas de 5 mm, izolând în siguranță cele două semnale. Utilizatorul realizează asamblarea acestora, folosind știfturi sertizate pentru a facilita această operațiune.

Sistemul de conectori este proiectat pentru o cuplare ușoară, indiferent de terminalele de sertizare selectate de dezvoltatorii de sisteme. Atunci când sunt cuplați corect, conectorii emit un clic clar audibil care indică faptul că aceștia s-au cuplat bine. Acest lucru îi ajută pe tehnicieni în timpul asamblării sistemului și asigură o etanșare strânsă a cuplării.

Acest sistem de conectori Molex Mizu-P25 are o tensiune nominală de 250 de volți și o temperatură de funcționare cuprinsă între -40 °C și +105 °C. Acest lucru face ca sistemul de conectori Molex Mizu-P25 pentru fișa 0521160240 și soclul 0521170240 să fie adecvat pentru electrocasnicele mari și pentru multe sisteme industriale pentru vreme rece. Clasificarea IP67 indică proiectanților de echipamente faptul că sistemul de conectori este sigur împotriva apei și prafului și că nu necesită teste de mediu complexe ale sistemului de conectori.

Interconectare solidă și etanșată pentru o întreținere ușoară

Uneori este necesar ca sistemele de interconectare să suporte curenți mai mari și să fie ușor de întreținut în medii dificile. Sistemul de interconectare trebuie nu numai să garanteze o conexiune sigură, care să nu se deconecteze accidental, ci și să fie ușor de deconectat în timpul activităților de întreținere. Pentru aceste situații, proiectanții pot utiliza sistemul de interconectare fir-la-fir Squba etanșat de la Molex. De asemenea, conectorii Squba au clasificarea IP67 și pot furniza mai multă energie într-un factor de formă mai mic. Fișa Molex Squba 2042230004 și soclul 2042200004, de exemplu, sunt conectori cu patru poziții, cu un pas de 1,80 mm, care asigură o livrare fiabilă a energiei și a semnalelor (Figura 2).

Figura 2: fișa Molex Squba 2042230004 (stânga) și soclul 2042200004 (dreapta) reprezintă un sistem de interconectare cu patru poziții conceput pentru a asigura o protecție solidă a curenților mari în medii umede. (Sursă imagine: Molex)

Acești conectori Molex Squba utilizează terminale sertizate și emit un clic sonor atunci când sunt cuplați corect. Încuietoarea conectorului de pe soclu are un profil redus, minimizând șansele de a se agăța de echipamentele externe. Încuietoarea garantează o conexiune fermă și sigură care poate fi ușor de deconectat în timpul întreținerii, fie prin aplicarea unei forțe ferme în sus, cu ajutorul degetelor, fie prin utilizarea unei pârghii standard de deblocare.

Atât fișa Squba, cât și carcasa soclului sunt fabricate din nailon, care este extrem de puternic și rezistent la majoritatea substanțelor chimice industriale. Acest lucru face ca sistemul de interconectare Molex Squba să fie adecvat pentru orice mediu în care conectorii pot fi mutați, împinși sau loviți de echipamente. Sistemul de interconectare este etanșat împotriva prafului și a umidității prin garnituri de silicon.

Fiecare pin al conectorului poate furniza 125 de volți c.a. sau c.c. Se recomandă ca firele să aibă diametrul între 22 și 24 AWG. Prin utilizarea pinilor sertizați pe firul torsadat de 22 AWG, fiecare pin poate suporta maxim 5,25 amperi (A) la 30 °C, pentru o capacitate maximă de transport al curentului de 21 A. Capacitatea maximă a curentului variază în funcție de temperatură, astfel că proiectanții trebuie să acorde atenție deosebită documentației conectorului pentru a se asigura că debitul de curent prevăzut al acestuia este adecvat condițiilor.

Temperatura de funcționare este cuprinsă între -40 °C și +105 °C și, împreună cu o clasificare IP67, conectorii sunt potriviți pentru medii precum sistemele HVAC, echipamentele de distribuire a băuturilor și echipamentele industriale care trebuie să funcționeze în medii reci sau umede.

Interconectarea submersibilă pentru circuite multiple

Uneori, un sistem de interconectare nu necesită doar interconectarea acelorași semnale pe un singur cablu. Ocazional, mai multe tipuri de circuite trebuie să fie transmise de-a lungul aceluiași cablaj, inclusiv semnale digitale, semnale de control de curent ridicat și conexiuni de alimentare. Aceste situații necesită un sistem de interconectare hibrid care poate gestiona contacte de diferite dimensiuni. Pentru aceste aplicații, proiectanții pot utiliza sistemul de interconectare a ansamblului de cabluri MX150 Hybrid de la Molex. Sistemul MX150 Hybrid este validat conform cerințelor USCAR-2 Clasa 2 de etanșare, care este similară clasificării IP67. Clasa 2 USCAR-2 necesită trecerea unui test de presiune în vid în condiții de submersiune în apă.

Atunci când este asamblat, Molex MX150 Hybrid este un sistem de conectori complet etanșat, adecvat pentru situațiile în care conectorii cuplați ar putea fi scufundați sau introduși într-un mediu foarte umed în care lichidele și jeturile de apă de înaltă presiune sunt frecvente.

Fișa Molex MX150 Hybrid 1601126001 cu 12 poziții și soclul 1601116006 cu 12 poziții (Figura 3) pot conține un amestec de până la zece terminale tip lamă de 1,5 mm și până la două terminale tip lamă de 2,5 mm. Terminalele de 1,5 mm pot fi utilizate pentru a transporta semnale logice de nivel scăzut, în timp ce cele două terminale tip lamă de 2,8 mm pot fi utilizate pentru a transporta până la 22 A. Astfel, acest sistem de interconectare este potrivit pentru aplicațiile auto și industriale în care un singur cablaj trebuie să transporte atât energie, cât și date către un singur dispozitiv.

Figura 3: fișa cu 12 poziții Molex MX150 Hybrid 1601126001 (stânga) și soclul 1601116006 (dreapta) pot gestiona în siguranță un amestec de terminale tip lamă de 1,5 mm și 2,80 mm într-un sistem de interconectare submersibil. (Sursă imagine: Molex)

Atunci când este complet asamblat și cuplat, sistemul de interconectare MX150 IP67 Hybrid este imun la contaminarea cu murdărie sau praf. Acesta poate fi scufundat sub apă și poate funcționa la temperaturi cuprinse între -40 °C și +125 °C. Carcasa conectorului este o combinație de nailon și sticlă, care este foarte durabilă și rezistentă la manipulări dure și la impacturi ușoare. Acest lucru face ca acest sistem de interconectare să fie adecvat pentru mediile industriale dificile și pentru multe aparate de consum, precum și pentru aplicațiile pentru motoare de automobile în care conectorul este supus la temperaturi extreme, la jeturi de apă de înaltă presiune și la impacturi puternice cu obiecte grele.

Fișa Molex MX150 Hybrid 1601126001 și soclul 1601116006 trebuie asamblate ca parte a unui cablu sau a unui cablaj. Acest ansamblu necesită introducerea terminalelor în fișă și în soclu. Cu toate acestea, uneori este posibil ca tehnicienii care efectuează asamblarea să nu introducă bornele în carcasa conectorului până la capăt, ceea ce duce la conexiuni nesigure. Pentru aceste situații, fiecare dintre acești conectori include o carcasă de asigurare a poziției terminalelor (TPA).

În timpul unei inserții reușite a pinilor în carcasa TPA, tehnicianul care efectuează asamblarea va simți că pinul se blochează ferm în poziție. Dacă terminalul nu este introdus corect, fișa și soclul nu se vor bloca în momentul cuplării. Acest lucru garantează că pinii sunt introduși corect, sporind fiabilitatea sistemului.

Concluzie

Proiectanții de sisteme pentru aparate industriale, de transport sau de uz casnic trebuie să se asigure că conexiunile lor pot rezista la cerințele aplicației, inclusiv la cele legate de spații înguste, praf și murdărie, temperaturi extreme, lichide și uleiuri și alte substanțe penetrante. Pentru a contribui la simplificarea procesului de proiectare, proiectanții pot căuta conectori special concepuți pentru IP67 sau pentru abordarea atât a infiltrării prafului și a murdăriei, cât și a umezelii și a lichidelor.

După cum s-a arătat, există o varietate de conectori cu grad de protecție IP67, potriviți pentru o gamă largă de cerințe de aplicații, de la semnale digitale de nivel scăzut până la livrarea de energie la curent ridicat. Selectarea ansamblului corect de conectori cu grad de protecție IP67 asigură fiabilitatea sistemului și reduce la minimum riscul de întreruperi sau reparații costisitoare.