Jak provádět návrhy do náročných prostředí pomocí utěsněných konektorů

Konstruktéři vytlačují stále více elektroniky do stále obtížnějších nebo stísněných prostor, zejména v dopravě, průmyslových systémech a inteligentních domácích spotřebičích, jako jsou pračky. V takových aplikacích může směrování propojení vést k mnoha výzvám ohledně spolehlivosti a spolehlivosti kvůli prachu, vnikání vlhkosti, teplotním extrémům a mechanickému namáhání.

I v rámci stejného systému se požadavky jednotlivých připojení mohou značně lišit. Kabely nesoucí nízkonapěťové digitální signály mají různé problémy s propojením ve srovnání s tlustšími vodiči přenášejícími vysoké napětí pro motory a distribuci energie. Nesprávná volba konektoru může mít za následek úplné nebo přerušované selhání signálu, nákladné prostoje a problémy s údržbou.

Tento článek pojednává o problematice spojené s výběrem vhodně odolných řešení propojení kabelů, která jsou dostatečně robustní pro danou aplikaci. Vysvětlí, jak vhodné použití systému kabelových konektorů USCAR-2 s třídou krytí IP67 a utěsněním třídy 2 může zajistit spolehlivé propojení, které také sníží náklady na údržbu a opravy. Poté představí širokou škálu řešení kabelových propojení USCAR-2 s třídou krytí IP67 a utěsněním třídy 2 od společnosti Molex a ukáže, jak je lze použít k řešení řady požadavků aplikace.

Úvahy o návrhu průmyslového propojení

Konstruktéři zařízení pro průmyslová prostředí musí počítat s kontaminujícími částicemi, kapalinami a extrémními teplotami. Kromě toho musí být průmyslové systémy připraveny čelit nepředvídatelným podmínkám způsobeným změnami prostředí nebo zařízení.

Průmyslová zařízení, jako jsou továrny a sklady, používají různá řešení propojení, z nichž mnohé jsou náročné. Osobní a nákladní automobily se rovněž kvalifikují jako pohyblivé průmyslové prostředí. Pro tyto situace propojení je třeba vzít v úvahu obecné pokyny. Nejzákladnější je odolnost vůči jakémukoli typu pevných částic, od železných pilin a kovových úlomků až po prach a jemné prášky. Čím jemnější jsou částice, tím vyšší je pravděpodobnost, že budou ve vzduchu. Například běžný prach, saze a další jemné částice z těžkých zařízení mohou být drženy ve vzduchu pomocí ventilátorů a ventilačních systémů a dosedat mnoho metrů od svého zdroje. Tyto částice mohou vstupovat do všech neuzavřených otvorů, včetně spojených konektorů, kde kontaminují vnitřní povrchy. To může způsobit problémy se spojováním od občasných poruch způsobených přechodovým odporem až po úplnou ztrátu kontaktu. Pokud jsou částice abrazivní nebo korozivní, mohou také způsobit trvalé selhání konektoru vyžadující nákladnou a časově náročnou výměnu.

V průmyslovém prostředí se také nacházejí různé kapaliny. Voda, benzín, oleje a různé chemikálie jsou běžné v průmyslovém prostředí s vysokou zátěží. Vniknutí těchto kapalin v podobě tekutiny nebo páry do systému spojeného konektoru může způsobit zkraty a opět vést k poruchám zařízení.

Propojovací systémy s krytím IP67

Namísto výroby různých konektorů pro různé podmínky průmyslového prostředí se průmysl standardizoval v používání vodičů, kabelů a konektorových systémů s krytím IP67. Zatímco dvě písmena IP oficiálně znamenají tři slova „mezinárodní klasifikace ochrany“, tato zkratka je běžně známá svou neoficiální, ale přesnější verzí „ochrana proti vniknutí“. IP67 definuje odolnost propojovacího systému vůči částicím a cizím předmětům a také jeho odolnost proti vniknutí vody.

„6“ v IP67 znamená, že spoj je zcela nepropustný pro jakékoli částice, včetně jemného prachu. Toho je dosaženo primárně těsným utěsněním mezi spojovacími kryty dvou spojených konektorů. „7“ označuje, že propojovací systém IP67 vydrží ponoření do vody do hloubky jednoho metru po dobu až 30 minut. To je dost dobré pro většinu průmyslových prostředí.

Pevné utěsnění mezi spojenými pouzdry dvou konektorů je sice nápomocné, ale odolnost proti vodě je primárně zajištěna těsněním konektoru, které je obvykle odolné nejen vůči vodě, ale také odolné vůči mnoha chemikáliím. Různé materiály těsnění jsou odolné vůči různým chemikáliím, takže při výběru propojovacího systému je důležitým faktorem použitý materiál těsnění.

Připojení digitálních signálů s nízkou spotřebou

Samozřejmě ne všechny kabelové propojovací systémy mají stejné potřeby. Řešení vzájemného propojení digitálních logických signálů hluboko uvnitř zařízení s klasifikací IP67 obvykle potřebují pracovat s napětím pouze 5 V nebo nižším při proudech kolem 500 miliampérů (mA). Tyto nízkovýkonové signály využívají malé odlehčené kabelové konektory, které obvykle nejsou vystaveny přílišnému fyzickému namáhání. Konektory musí být snadno spojitelné pro rychlou montáž zařízení a dostatečně lehké, aby nezatěžovaly slaboproudé vodiče v kabelové sestavě. Pro tyto propojovací aplikace nabízí společnost Molex miniaturní systém konektorů vodič-vodič Mizu-P25. Tyto vodotěsné konektory s certifikací IP67 udržují prach a vodu mimo spojenou sestavu v praktickém kompaktním krytu.

Příkladem spojeného páru konektorů Mizu-P25 s klasifikací IP67 je zástrčka Molex 0521160240 a dvoupolohový vodotěsný konektorový zásuvkový systém Molex 0521170240 (obrázek 1). Pokud jsou oba konektory zcela spojeny, jsou dlouhé pouze 25,5 milimetrů (mm), což je vhodné pro malé, stísněné skříně.

Obrázek 1: Zástrčka Molex Mizu-P25 0521160240 a systém dvoupolohového spojeného konektoru 0521170240 poskytuje pevnou ochranu proti prachu a vodě. Spojené konektory jsou dlouhé pouze 25,5 mm a správné propojení potvrdí silným a slyšitelným kliknutím. (Zdroj obrázku: Molex)

Pouzdro a víčko pro každý konektor jsou vyrobeny z polyesteru, který má vynikající odolnost proti vodě, je nehořlavý a při dlouhodobém působení slunečního záření nevybledne ani nepraská. Polyesterové konektory jsou také odolné proti rozbití a při normálním používání se ohnou a zároveň odolávají deformaci. Díky tomu je systém konektorů dostatečně robustní pro hrubé zacházení, pokud je spojen během montáže zařízení. Polyesterové konektory mají také vynikající pevnost ve střihu, což je ideální pro kluzné oděry, ke kterým dochází při spojování a rozpojování konektorů.

Těsnění kroužku konektoru i těsnění konce drátu používají silikonová těsnění, která zajišťují vzduchotěsné utěsnění proti vodě a prachu. Silikonové ucpávky a těsnění udržují flexibilitu při nízkých teplotách, čímž jsou tyto konektory ideální pro nízkoteplotní zařízení, jako jsou ledničky a spotřebiče do venkovního chladného počasí. Tyto konektory mají dvě polohy s roztečí 5 mm, což bezpečně izoluje dva signály. Jsou uživatelsky sestaveny pomocí lisovaných kolíků pro snadnou montáž.

Systém konektorů je navržen pro snadné párování, bez ohledu na krimpovací svorky vybrané vývojáři systému. Správné zapadnutí konektorů je potvrzeno zřetelně slyšitelným kliknutím, které znamená, že konektory jsou pevně spojeny. To pomáhá technikům při montáži systému a zajišťuje těsné spojení.

Tento konektorový systém Molex Mizu-P25 je dimenzován na napětí 250 V a má rozsah provozních teplot -40 °C až + 105 °C. Díky tomu je systém zástrčky 0521160240 a zásuvky 0521170240 Molex Mizu-P25 vhodný pro bílé zboží a mnoho průmyslových systémů do chladného počasí. Klasifikace IP67 konstruktérům zařízení sděluje, že konektorový systém je zabezpečen proti vodě a prachu a nevyžaduje rozsáhlé testování systému konektorů na okolní prostředí.

Robustní a utěsněné propojení pro snadnou údržbu

Někdy je od propojovacích systémů vyžadováno, aby zvládly vyšší proudové zátěže a byly v náročných podmínkách bezúdržbové. Propojovací systém musí nejen poskytovat bezpečné připojení, které se náhodně neodpojí, ale také se snadno odpojit během činností údržby. Pro tyto situace mohou konstruktéři použít utěsněný propojovací systém Squba vodič-vodič od společnosti Molex. Konektory Squba mají také krytí IP67 a mohou dodávat více energie v menším provedení. Například zástrčka 2042230004 a zásuvka 2042200004 Molex Squba jsou čtyřpolohové konektory s roztečí 1,80 mm poskytující spolehlivé napájení a dodávku signálu (obrázek 2).

Obrázek 2: Zástrčka Molex Squba 2042230004 (vlevo) a zásuvka 2042200004 (vpravo) tvoří čtyřpolohový propojovací systém navržený k zajištění pevné ochrany vysokých proudů ve vlhkém prostředí. (Zdroj obrázku: Molex)

Tyto konektory Molex Squba používají lisované svorky a při správném spojení vydají slyšitelné kliknutí. Západka konektoru na zásuvce má nízký profil, což minimalizuje možnost zachycení na externím zařízení. Západka poskytuje pevné a bezpečné spojení, které lze během údržby snadno odpojit, a to buď působením silné síly směrem nahoru pomocí prstů, nebo pomocí standardního uvolňovacího nástroje.

Těleso zástrčky i zásuvky Squba je vyrobeno z nylonu, který je výjimečně pevný a odolný vůči většině průmyslových chemikálií. Díky tomu je propojovací systém Molex Squba vhodný pro jakékoli prostředí, kde mohou být konektory přemisťovány, tlačeny nebo ovlivňovány zařízením. Propojovací systém je utěsněn proti prachu a vlhkosti silikonovými těsněními.

Každý kolík konektoru může dodávat střídavé nebo stejnosměrné napětí 125 V. Doporučené průměry vodičů jsou 22 až 24 AWG. Při použití kolíků nalisovaných na splétaném vodiči 22 AWG lze každý kolík zatížit proudem maximálně 5,25 A při 30 °C s maximální proudovou zatížitelností 21 A. Vzhledem k tomu, že maximální proudová zatížitelnost se mění s teplotou, musejí konstruktéři věnovat zvláštní pozornost dokumentaci konektoru, aby bylo zajištěno, že jeho zamýšlená zatížitelnost je vhodná pro dané podmínky.

Konektory s jmenovitou provozní teplotou -40 °C až + 105 °C a krytím IP67 jsou vhodné pro aplikace, jako jsou systémy HVAC, zařízení na výdej nápojů a průmyslová zařízení, která musejí být provozována v chladném nebo vlhkém prostředí.

Ponorné propojení s více okruhy

Propojovací systém někdy není tak jednoduchý jako propojení stejných signálů na jednom kabelu. Občas musí být po stejné kabeláži přenášen signál pro více typů obvodů, včetně digitálních signálů, silových ovládacích signálů a připojení napájecího zdroje. Tyto situace vyžadují hybridní propojovací systém, který zvládne různé velikosti kontaktů. Pro tyto aplikace mohou konstruktéři použít propojovací systém kabelové sestavy MX150 Hybrid od společnosti Molex. Hybridní systém MX150 je validován podle požadavků USCAR-2 s utěsněním třídy 2, což je podobné třídě krytí IP67. USCAR-2 Class 2 vyžaduje absolvování tlakového vakuového testu ponořeného ve vodě.

Po sestavení je Molex MX150 Hybrid plně utěsněný systém konektorů, vhodný pro situace, kdy by se spojené konektory mohly ponořit, nebo ve velmi vlhkém prostředí, kde jsou běžné kapaliny a vysokotlaká vodní sprcha.

12polohová zástrčka 1601126001 a 12polohová zásuvka 1601116006 Molex MX150 Hybrid (obrázek 3) může obsahovat kombinaci až deseti 1,5mm nožových zakončení a až dvou 2,5mm nožových zakončení. Svorky 1,5 mm lze použít k přenosu nízkoúrovňových logických signálů, zatímco dvě 2,8 mm nožová zakončení lze použít k přenosu proudu až 22 A. Díky tomu je tento propojovací systém vhodný pro automobilové a průmyslové aplikace, kde je vyžadován přenos napájecího napětí i dat do jednoho zařízení po jediném kabelovém svazku.

Obrázek 3: 12pólová zástrčka Molex MX150 Hybrid 1601126001 (vlevo) a její protějšek, zásuvka 1601116006 (vpravo), bezpečně zvládají kombinaci nožových zakončení 1,5 mm a 2,80 mm v ponorném propojovacím systému. (Zdroj obrázku: Molex)

Po úplném sestavení a připojení je propojovací systém MX150 IP67 Hybrid imunní proti kontaminaci nečistotou nebo prachem. Lze jej ponořit pod vodu a pracovat při teplotách od -40 °C do + 125 °C. Těleso konektoru je tvořeno kombinací nylonu a skla, které je velmi trvanlivá a odolná vůči hrubému zacházení a mírným nárazům. Díky tomu je tento propojovací systém vhodný do náročného průmyslového prostředí a pro mnoho spotřebičů, jakož i do aplikací automobilových motorů, kde je konektor vystaven extrémním teplotám, vysokotlakým vodní postřikům a silným nárazům těžkých předmětů.

Zástrčku 1601126001 a zásuvku 1601116006 Molex MX150 Hybrid je třeba sestavit jako součást kabelového svazku nebo kabeláže. Tato sestava vyžaduje, aby zakončení byla zasunuta do zástrčky a zásuvky. Montážní technici však někdy nemusejí zasunout zakončení zcela do tělesa konektoru, což vede k nespolehlivému připojení. Pro takové případy je každý z těchto konektorů vybaven pouzdrem TPA (Terminal Position Assurance).

Při úspěšném zasunutí kolíku do pouzdra TPA pocítí montážní technik pevnou fixaci kolíku v určené poloze. Pokud není zakončení správně zasunuto, zástrčka a zásuvka nebudou po spojení vzájemně zajištěny. To zaručuje správné zasunutí kolíků, což zvyšuje spolehlivost systému.

Závěr

Konstruktéři systémů pro průmyslová, dopravní nebo domácí zařízení musí zajistit, aby jejich připojení odolalo náročným podmínkám aplikace, včetně stísněných prostor, prachu a nečistot, teplotních extrémů, kapalin a olejů a dalších penetračních látek. Pro zjednodušení procesu návrhu mohou konstruktéři hledat speciálně navržené konektory s krytím IP67 nebo pro řešení pronikání prachu a nečistot, jakož i průniku vlhkosti a kapalin.

Jak je znázorněno, existuje řada konektorů s krytím IP67 vhodných pro širokou škálu aplikačních požadavků, od nízkoúrovňových digitálních signálů až po přenos vysokých proudů. Výběr správné sestavy konektoru s krytím IP67 zajišťuje spolehlivost systému a minimalizuje riziko nákladných prostojů nebo oprav.