Considerente subtile pentru conectori în medii dure și extreme

Conectorii utilizați în producția din Industria 4.0, robotică, echipamente logistice, utilaje grele, sisteme de transport și operațiuni precum producția de petrol și gaze sunt adesea expuși la medii dure și solicitante, cum ar fi apă și stropi de soluții saline, praf, umiditate, niveluri semnificative de șocuri și vibrații, temperaturi extreme și necesitatea de a menține compatibilitatea electromagnetică (CEM). Pentru a face față acestor cerințe extreme și pentru a asigura o fiabilitate ridicată este nevoie de o clasă specială de conectori.

În funcție de aplicație, acești conectori trebuie să respecte o serie de standarde ale Comisiei Electrotehnice Internaționale (IEC), ale United States Council for Automotive Research LLC (USCAR), ale Societății Inginerilor de Automobile (SAE), ale Grupului german AK și altele.

Acest articol începe cu o prezentare a unor considerente subtile, cum ar fi diferența dintre rezistența la intemperii și impermeabilitate, precum și diferitele niveluri de performanță a impermeabilității. Apoi, se examinează diferențele dintre testele de vibrații USCAR-2 și LV 214 din Germania. Articolul se încheie prin prezentarea unei serii de conectori de la Amphenol, cum ar fi conectorii fir-placă, USB Type-C®, ix, M12 cu împingere-tragere, modele sub-D filtrate și soluții cu baterii interschimbabile concepute pentru a îndeplini cerințele mediilor dure și extreme.

Rezistent la intemperii vs. impermeabil

Unii conectori sunt prezentați ca fiind „rezistenți la intemperii”. Potrivit Serviciului Național de Meteorologie al SUA, „vremea este definită ca fiind starea atmosferei la un moment și într-un loc dat, în ceea ce privește variabile precum temperatura, umiditatea, viteza și direcția vântului și presiunea barometrică”. Rezistența la intemperii are sensuri diferite în meteorologie și în cazul conectorilor.

Rezistența la intemperii nu este utilizată în standardele tehnice pentru conectori. În general, specificațiile conectorilor nu abordează diferitele niveluri de viteză a vântului sau presiunea barometrică. Definiția meteorologică a vremii nu se referă la praf sau alte particule care pot avea un impact asupra performanței conectorilor și este inclusă în standarde precum IEC 60529, gradele de protecție oferite de carcase (codul IP), care se aplică conectorilor.

Sistemul de clasificare IP

În general, conectorii rezistenți la intemperii sunt concepuți pentru utilizarea în exterior și expunerea la intemperii. De obicei, au un grad de protecție IP65 sau mai mare și sunt fabricați din materiale rezistente la ultraviolete (UV), pentru a face față expunerii prelungite la lumina solară. Conectorii impermeabili au un grad de protecție IP67 sau mai mare. Deși poate fi util să identificați un conector ca fiind rezistent la intemperii sau impermeabil, este mai bine să determinați clasificarea IP specifică a acestuia.

Cea mai mică clasificare este IP11. Aceasta înseamnă protecție împotriva pătrunderii unui obiect de 50 mm, cum ar fi o mână, dar apa poate pătrunde. În general, conectorii au un grad de protecție IP mult mai mare. De exemplu, conectorii rezistenți la intemperii, clasificați cu IP65, nu își vor reduce performanțele în urma expunerii la praf timp de două până la opt ore și sunt protejați împotriva jeturilor de apă, fiind permisă o pătrundere limitată a apei.

Conectorii impermeabili, cu o clasificare IP67, sunt etanși la praf și pot fi scufundați la o adâncime de 1 metru timp de 30 de minute, fără ca apa să se infiltreze. Pentru aplicații mai solicitante, există grade IP chiar mai ridicate pentru protecția împotriva apei (Figura 1).

Figura 1: Definiții ale gradului de protecție la pătrundere. (Sursa imaginii: Amphenol)

Variații de vibrații

Pentru a asigura o funcționare fiabilă, conectorii trebuie să aibă contacte sigure. Acest lucru poate fi o provocare în mediile cu vibrații ridicate, cum ar fi sistemele industriale, echipamentele grele și aplicațiile de transport. Două standarde de vibrații la care se face referire în mod obișnuit pentru conectori sunt LV214 și USCAR-2.

Ambele se referă la seria IEC 60068, seria SR (cerințe de sistem) pentru testele de mediu care acoperă o varietate de condiții, inclusiv excitația sinusoidală, aleatorie și de șoc, precum și căldura și frigul extreme. Acestea fac trimitere la IEC 60512-1-1-1, care specifică inspecția vizuală în timpul testării. Deși au multe în comun, LV214 și USCAR-2 diferă.

Grupul AK al producătorilor germani de automobile a dezvoltat LV214. Acesta se concentrează pe calitatea terminalelor folosind monitoare pentru forța de sertizare. Terminalele trebuie să îndeplinească criterii specifice pentru caracteristicile forței de sertizare. Monitoarele forței de sertizare măsoară presiunea aplicată în timpul procesului de sertizare și se asigură că aceasta îndeplinește cerințele standardului.

USCAR-2 este mai cuprinzător. Aceasta include testarea în toate etapele de dezvoltare, precum și analiza pe teren a terminalelor, conectorilor și a altor componente în aplicațiile auto de înaltă tensiune (de la 60 V până la 600 V).

Ambele standarde clasifică vibrațiile în cinci niveluri de intensitate. În LV214, nivelurile variază de la S1, cea mai puternică vibrație, de obicei în apropierea pneurilor, la S5, cea mai puțin puternică, de obicei în cabina pasagerilor. Nivelul S2 se găsește în locații precum acumulatorul unui vehicul electric. Clasificările USCAR-2 includ V1 pentru profilul de vibrații al șasiului și profilul mai sever de vibrații al motorului V2, iar nivelurile mai ridicate de testare a vibrațiilor includ cicluri termice în timpul testului. (Tabelul 1).

Tabelul 1: Cerințele LV214 S2 și USCAR2 V1 prezintă diferențe în ceea ce privește vibrațiile aleatorii, durata, ciclurile de temperatură și testele de șoc semi-sinusoidale. (Sursa tabelului: Amphenol)

Amphenol oferă o gamă largă de soluții industriale. De exemplu, conectorii fir-placă WireLock de 1,8 mm de la Amphenol sunt conformi cu USCAR-2 V2 și LV214 S2. Aceștia sunt concepuți pentru automobile, sisteme de gestionare a bateriilor, aplicații industriale și de instrumentație și robotică.

Conectorii WireLock au un curent nominal de 3 A și acceptă cabluri de dimensiuni cuprinse între 22 și 26 AWG (American Wire Gauge). Sunt disponibile modele cu până la 40 de poziții într-un design cu două rânduri și configurații verticale și orizontale cu montare prin orificii și pe suprafață. Există patru culori diferite pentru codificarea împotriva cuplării greșite (Figura 2).

Figura 2: Conectorii WireLock au până la 40 de poziții și sunt conformi cu USCAR2 V2 și LV214 S2. (Sursa imaginii: Amphenol)

USB Type-C impermeabil și robust

Conectivitatea USB Type-C este vitală în multe aplicații, inclusiv în mediile industriale și dure. Aceasta definește un stil de conector, nu un protocol, și poate accepta transferul de date la o viteză de până la 10 Gigabiți pe secundă (Gb/s), precum și furnizarea de energie. Pe lângă aplicațiile lor în conectivitatea USB, acești conectori pot fi folosiți pentru Thunderbolt, Peripheral Component Interconnect Express (PCIe), High Definition Multimedia Interface (HDMI), DisplayPort și alte protocoale.

Pentru a suporta viteze maxime de transfer de date, toate piesele împământate din acești conectori, cum ar fi pinii, dispozitivul de blocare și foaia CEM, sunt împământate pentru a reduce rezonanța. Controlul rezonanței limitează cantitatea de diafonie și interferențe electromagnetice (EMI) și contribuie la îmbunătățirea performanțelor conectorilor.

Amphenol oferă conectori USB Type-C în versiuni impermeabile și robuste. Conectorii USB Type-C impermeabili sunt clasificați pentru IP68 și sunt protejați împotriva scufundării în apă pentru perioade îndelungate. Impermeabilizarea se realizează prin procesul de turnare prin injecție de lichid (LIM) al companiei, pentru a realiza o garnitură inelară din cauciuc rezistent la apă pe partea exterioară a conectorului, care asigură etanșarea completă a carcasei din oțel inoxidabil. Acești conectori cu 24 de pini au o capacitate nominală de 10.000 de cicluri de cuplare.

Pentru unele aplicații, impermeabilizarea nu este suficientă. Pentru aceste aplicații, proiectanții pot utiliza conectorul USB Type-C MUSBR robust. La fel ca versiunile impermeabile, acești conectori rezistenți au o capacitate nominală de 10.000 de cicluri de cuplare.

Au o carcasă din termoplastic tehnic negru, clasificat UL94V-0, adăpostită într-o carcasă din aliaj de zinc turnat sub presiune placat cu nichel, care asigură stabilitate pentru protecție împotriva șocurilor, vibrațiilor și impactului. Capacul din spate este din oțel inoxidabil, iar o garnitură de etanșare din cauciuc siliconic conductiv susține o clasificare IP67 și o temperatură de funcționare de la -40 °C la +105 °C (Figura 3).

Figura 3: Amphenol oferă conectori USB Type-C în versiuni impermeabile (stânga) și robuste (dreapta). (Sursa imaginii: Amphenol)

Ethernet rezistent la intemperii

Ethernet-ul industrial permite mai multe protocoale care oferă control în timp real și determinism în unitățile din Industria 4.0, inclusiv EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET, Modbus TCP și altele. Amphenol oferă o varietate de soluții Ethernet industriale pentru a răspunde cerințelor specifice ale aplicațiilor. Acestea sunt disponibile cu grade IP de la IP20 la IP67.

Interfața industrială de blocare etanșată ix din seria NDH este o soluție de conectare dreptunghiulară cu împingere-tragere și cablu, rezistentă la intemperii, cu clasificare IP67 și o carcasă rezistentă la raze UV pentru utilizare în interior, exterior și în medii dificile. Acceptă conectivitatea Ethernet Cat6A cu o interfață de conectare standard IEC 61076-3-124. Caracteristicile includ (Figura 4):

• Mecanism de blocare pozitivă cu împingere-tragere
• Factor de formă mic, ușor
• Disponibil sub formă de kituri de conectare cu terminare pe teren sau ansambluri de cabluri prefabricate
• Potrivire cu soclurile industriale standard IP20 ix

Figura 4: Acest conector Ethernet industrial rezistent la intemperii (ansamblul negru) este clasificat IP67 și se află într-o carcasă rezistentă la raze UV. (Sursa imaginii: Amphenol)

M12 pentru medii dificile

Amphenol oferă o gamă de soluții de produse pentru medii dificile, inclusiv conectorii cu împingere-tragere MPronto-12 M12. Fișa MPronto-12 se cuplează cu toate soclurile M12*1.0 și este conformă cu IEC 61076-2-101 de la orice producător. Acestea oferă o modalitate rapidă și simplă de îmbunătățire a performanțelor sistemului în aplicații precum automatizarea industrială, echipamentele grele, vehiculele electrice și echipamentele de manipulare a materialelor, deoarece îndeplinesc gradele de protecție la pătrundere IP67, IP68 și IP69K și acceptă codurile M12 A, B, D, K, L, S, T și X Caracteristicile suplimentare includ:

• Temperatură de funcționare de la -20 °C la +105 °C
• Economisesc peste 80% din timpul de instalare
• Un clic audibil asigură o potrivire pozitivă
• Mai mici decât conectorii cu împingere-tragere M12 competitivi care necesită o pereche de cuplare

D-sub filtrat

Conectorii FCE17 cu filtru D-sub protejează integritatea semnalelor de date prin filtrarea interferențelor cauzate de EMI conduse și radiate. Aceștia sunt concepuți pentru industriile auto, industrială, medicală, de comunicații de date și energetică.

Filtrarea oferită depășește performanța acelorași componente de filtrare montate pe placa de circuite imprimate (PCB) a sistemului, iar includerea componentelor de filtrare în conector reduce dimensiunea și costul soluției. Acești conectori filtrați se potrivesc cu amprenta standard a conectorilor nefiltrați și permit upgradări simple ale performanțelor EMI.

Sunt disponibile diverse tipuri de condensatoare cu cip de impedanță redusă (dielectrici NP0 sau X7R) în valori standard de la 50 picofarazi (pf) la 47000 pf pentru a îndeplini o gamă largă de cerințe de filtrare. Sunt disponibile și valori personalizate ale capacității.

Tehnologia Amphenol de izolare la stres produce conectori cu capacități superioare de rezistență la șoc mecanic și termic. Tensiunea mecanică asupra conectorului sau a contactelor nu va duce la fisurarea elementelor de filtrare sau la întreruperea conexiunii electrice. În plus, emisiile radiate și conduse de interferențele electromagnetice externe și de la dispozitiv sunt redirecționate către masă, îmbunătățind performanța CEM.

Baterii interschimbabile pentru drone și roboți

Proiectanții de sisteme de baterii interschimbabile pentru drone, roboți și sisteme de mobilitate electrică în depozite și fabrici pot utiliza soluțiile de conectare a bateriilor interschimbabile DURASWAP. Acestea sunt disponibile în două configurații de putere și șase configurații de semnal; se oferă, de asemenea, modele personalizate. Pot transporta curent continuu de la 15 la 70 de amperi (A) și sunt proiectați pentru 10.000 de cicluri de cuplare.

Cuplarea oarbă este susținută de o flotare de ±2 milimetri (mm). Tehnologia de conectare înainte de întrerupere (FMLB) permite stabilirea conexiunii la masă înainte de conexiunile de alimentare și menținerea conexiunii la masă până după întreruperea conexiunilor de alimentare. Bucșa metalică pentru fixarea panoului poate rezista la sarcini de cuplu ridicate pentru o etanșare eficientă a panoului IP. Alte caracteristici includ (Figura 5):

• Pini de ghidare pentru a asigura o cuplare corectă
• Clasificare IP67 în stare cuplată și decuplată
• Materiale pentru carcasă cu clasificare UL94V-0
• Intervalul temperaturii de funcționare de la -20 °C la +90 °C

Figura 5: Acești conectori de alimentare includ tehnologia FMLB și suportă cuplarea oarbă cu flotare de ±2 mm. (Sursa imaginii: Amphenol)

Concluzie

Articolul de față a trecut în revistă câteva considerente privind specificarea conectorilor pentru utilizarea în medii dure și extreme. În unele cazuri, este necesar să se facă distincția între testele de vibrații USCAR-2 și LV214. Deoarece tot mai multe sisteme sunt utilizate în aer liber, este important să recunoaștem diferența dintre rezistența la intemperii și impermeabilitate, precum și diferitele niveluri de performanță a impermeabilității. În cele din urmă, considerentele specifice aplicațiilor pot include utilizarea tehnologiei FMLB în conectorii de alimentare și filtrarea EMI integrată în conectorii de date de mare viteză.