Dílčí úvahy o konektorech v drsných a extrémních prostředích

Konektory používané ve výrobě Průmyslu 4.0, robotice, logistických zařízeních, těžkých strojích, dopravních systémech a operacích, jako je těžba ropy a zemního plynu, jsou často vystaveny drsnému a náročnému prostředí, jako je vodní a solná mlha, prach, vlhkost, značné úrovně otřesů a vibrací, teplotní extrémy a potřeba zachovat elektromagnetickou kompatibilitu („electromagnetic compatibility“, EMC). Ke zvládnutí těchto extrémních požadavků a zajištění vysoké spolehlivosti je zapotřebí speciální třída konektorů.

V závislosti na aplikaci musí tyto konektory splňovat řadu norem Mezinárodní elektrotechnické komise („International Electrotechnical Commission“, IEC), Rady Spojených států pro automobilový výzkum LLC („United States Council for Automotive Research“, USCAR), profesního sdružení odborníků z oblasti leteckého, automobilového a dopravního průmyslu („Society of Automotive Engineers“, SAE), německé AK Group a dalších.

Tento článek začíná pohledem na několik dílčích aspektů, jako je rozdíl mezi odolností proti povětrnostním vlivům a vodotěsností a také mezi různými úrovněmi vodotěsnosti. Poté jsou zde zkoumány rozdíly mezi vibračním testováním podle normy USCAR-2 a podle německé normy LV 214. Článek uzavírá představení řady konektorů od společnosti Amphenol, jako je konektor pro přímé připojení na desku, konektor USB Type-C®, ix, zasouvací-vysouvací konektor M12, konektor sub-D s filtrováním a řešení pro vyměnitelné baterie navržené tak, aby splňovaly požadavky drsných a extrémních prostředí.

Odolnost vůči povětrnostním vlivům vs. vodotěsnost

Některé konektory jsou označovány jako „odolné vůči povětrnostním vlivům“. Podle americké Národní meteorologické služby („National Weather Service“) je „počasí definováno jako stav atmosféry v daném čase a místě s ohledem na proměnné, jako je teplota, vlhkost, rychlost a směr větru a barometrický tlak“. Odolnost vůči povětrnostním vlivům má v meteorologii a v konektorech různé významy.

Termín odolnost vůči povětrnostním vlivům se v technických normách pro konektory nepoužívá. Specifikace konektorů obecně nepojednávají o různých úrovních rychlosti větru ani o barometrickém tlaku. Meteorologická definice povětrnostních vlivů se nevztahuje na prach nebo jiné částice, které mohou ovlivnit výkon konektoru a které jsou zahrnuty v normách, jako je standard IEC 60529, stupně krytí poskytované kryty (kód IP), které se na konektory vztahují.

Systém klasifikace IP

Obecně jsou konektory odolné vůči povětrnostním vlivům určeny pro venkovní použití a vystavení povětrnostním vlivům. Obvykle mají stupeň krytí IP65 a vyšší a jsou vyrobeny z materiálů odolných vůči ultrafialovému záření („ultraviolet“, UV), aby zvládly dlouhodobé vystavení slunečnímu záření. Vodotěsné konektory mají krytí IP67 nebo vyšší. I když může být užitečné označit konektor jako odolný vůči povětrnostním vlivům nebo vodotěsný, je lepší určit jeho konkrétní stupeň krytí IP.

Nejnižší stupeň krytí je IP11. To znamená ochranu před vniknutím 50mm předmětu, jako je ruka, ale voda do něj může proniknout. Konektory mají obecně mnohem vyšší stupeň krytí IP. Například u konektorů odolných vůči povětrnostním vlivům se stupněm krytím IP65 se jejich výkon nesníží vystavením prachu po dobu dvou až osmi hodin a jsou chráněny před proudem vody s povoleným omezeným vniknutím vody.

Vodotěsné konektory s krytím IP67 jsou prachotěsné a lze je ponořit do hloubky 1 metru po dobu 30 minut, aniž by do nich vnikla voda. Pro náročnější aplikace jsou k dispozici ještě vyšší hodnoty IP pro ochranu proti vodě (obrázek 1).

Obrázek 1: Definice stupňů krytí. (Zdroj obrázku: společnost Amphenol)

Změny vibrací

K zajištění spolehlivého provozu musí mít konektory zabezpečené kontakty. To může být náročné v prostředí s vysokými vibracemi, jako jsou průmyslové systémy, těžká zařízení a dopravní aplikace. Dvě běžně uváděné normy pro konektory týkající se vibrací jsou normy LV214 a USCAR-2.

Obě odkazují na normu IEC 60068, řadu SR („system requirements“, systémové požadavky) pro testování prostředí, které pokrývá řadu podmínek, včetně sinusového, náhodného a rázového buzení a extrémního tepla a chladu. Odkazují na normu IEC 60512-1-1, která specifikuje vizuální kontrolu během testování. I když mají mnoho společného, normy LV214 a USCAR-2 se od sebe liší.

Normu LV214 vyvinula skupina AK Group německých výrobců automobilů. Zaměřuje se na kvalitu svorek pomocí monitorů lisovací síly. Svorky musí splňovat specifická kritéria pro charakteristiky lisovací síly. Monitory lisovací síly měří během lisovacího procesu aplikovaný tlak a zajišťují, že splňuje požadavky normy.

Norma USCAR-2 je rozsáhlejší. Zahrnuje testování ve všech fázích vývoje a také provozní analýzu svorek, konektorů a dalších součástí v automobilových aplikacích s vysokým napětím (60 V až 600 V).

Obě normy rozdělují vibrace do pěti úrovní intenzity. V normě LV214 se úrovně pohybují od S1, nejzávažnějších vibrací, obvykle v blízkosti pneumatik, do S5, nejméně silných vibrací, obvykle v kabině pro cestující. Úroveň S2 by se nacházela na místech, jako je baterie v elektromobilu. Hodnocení USCAR-2 zahrnuje stupeň V1 pro profil vibrací podvozku a přísnější profil vibrací motoru V2 a vyšší úrovně testování vibrací zahrnují během testu tepelné cykly (tabulka 1).

Tabulka 1: Požadavky norem LV214 S2 a USCAR2 V1 vykazují rozdíly v náhodných vibracích, době trvání, teplotních cyklech a testech s polovičním sinusovým nárazem. (Zdroj tabulky: společnost Amphenol)

Společnost Amphenol nabízí širokou škálu průmyslových řešení. Například konektory WireLock 1,8 mm pro přímé připojení na desku od společnosti Amphenol jsou kompatibilní s normami USCAR-2 V2 a LV214 S2. Jsou určeny pro automobilový průmysl, systémy řízení baterií, průmyslové a přístrojové aplikace a robotiku.

Konektory WireLock mají jmenovitý proud 3 A a jsou vhodné pro vodiče velikosti od 22 do 26 AWG („American wire gauge“, americké značení vodičů). K dispozici jsou modely až se 40 pozicemi ve dvouřadém provedení a s vertikální a horizontální konfigurací pro průchozí a povrchovou montáž. K zabránění chybnému spojení jsou k dispozici čtyři různé barvy pro kódování (obrázek 2).

Obrázek 2: Konektory WireLock mají až 40 pozic a vyhovují normám USCAR2 V2 a LV214 S2. (Zdroj obrázku: společnost Amphenol)

Vodotěsný a odolný konektor USB typu C

Konektivita USB typu C je zásadní pro mnoho aplikací, včetně průmyslových a drsných prostředí. Definuje styl konektoru, nikoli protokol, a může podporovat přenos dat rychlostí až 10 gigabitů za sekundu a napájení. Kromě uplatnění v konektivitě USB lze tyto konektory použít pro protokoly Thunderbolt, PCIe („peripheral component interconnect express“, expresní propojení periferních komponent), HDMI („high-definition multimedia interface“, multimediální rozhraní s vysokým rozlišením), DisplayPort a další protokoly.

Pro podporu maximální přenosové rychlosti jsou všechny uzemněné části těchto konektorů, jako jsou piny, západka a vrstva EMC, uzemněny, aby se snížila rezonance. Řízení rezonance omezuje množství přeslechů a elektromagnetického rušení („electromagnetic interference“, EMI) a přispívá ke zlepšení výkonu konektoru.

Společnost Amphenol nabízí konektory USB typu C ve vodotěsných i odolných verzích. Vodotěsné konektory USB typu C mají stupeň krytí IP68 a jsou chráněny před ponořením do vody po delší dobu. Vodotěsnosti je dosaženo pomocí procesu tekutého vstřikování („liquid injection molding“, LIM) této společnosti, při kterém je na vnější straně konektoru vytvořen vodotěsný pryžový O-kroužek, který zajišťuje úplné utěsnění pláště z nerezové oceli. Tyto 24pinové konektory jsou dimenzovány na 10 000 spojovacích cyklů.

U některých aplikací hydroizolace nestačí. Konstruktéři mohou pro tyto aplikace využít odolný konektor MUSBR USB typu C. Stejně jako vodotěsné verze jsou i tyto odolné konektory dimenzovány na 10 000 cyklů spojení.

Mají pouzdro z černého technického termoplastu se stupněm odolnosti UL94V-0 umístěné v tlakově litém plášti ze zinkové slitiny s poniklováním, které poskytuje stabilitu pro ochranu proti otřesům, vibracím a nárazům. Zadní kryt je z nerezové oceli a těsnění z vodivé silikonové pryže podporuje krytí IP67 a provozní teplotu od −40 °C do +105 °C (obrázek 3).

Obrázek 3: Společnost Amphenol nabízí konektory USB typu C ve vodotěsné (vlevo) a odolné verzi (vpravo). (Zdroj obrázku: společnost Amphenol)

Ethernet odolný vůči povětrnostním vlivům

Průmyslový ethernet umožňuje několik protokolů, které podporují řízení a determinismus v reálném čase v závodech Průmyslu 4.0, včetně protokolů EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET, Modbus TCP a dalších. Společnost Amphenol nabízí různá řešení průmyslového ethernetu, která vyhovují specifickým potřebám aplikací. Jsou k dispozici se stupněm krytím IP od IP20 do IP67.

Řada NDH utěsněných průmyslových západkových rozhraní ix představuje řešení hranatých zasouvacích-vysouvacích konektorů a kabelů, které je odolné vůči povětrnostním vlivům se stupněm krytím IP67 a je v pouzdře odolném proti UV záření pro použití ve vnitřním, vnějším a drsném prostředí. Řešení podporuje konektivitu Cat6A Ethernet pomocí standardního spojovacího rozhraní dle normy IEC 61076-3-124. Mezi vlastnosti patří (obrázek 4):

• Západkový mechanismus zasouvání-vysouvání s pozitivním zajištěním
• Malé a lehké rozměry
• K dispozici jako sady konektorů s možností zapojení na místě nebo jako předem vyrobené sestavy kabelů
• Kompatibilní se standardními průmyslovými zásuvkami IP20 ix

Obrázek 4: Tento průmyslový ethernetový konektor odolný vůči povětrnostním vlivům (černá sestava) má stupeň krytí IP67 a je v pouzdře odolném vůči UV záření. (Zdroj obrázku: společnost Amphenol)

Řada M12 pro drsná prostředí

Společnost Amphenol nabízí řadu produktových řešení pro drsná prostředí, včetně zasouvacích-vysouvacích konektorů M12 MPronto-12. Zástrčka MPronto-12 se hodí ke všem zásuvkám M12*1.0 a k produktům jakéhokoli výrobce, které splňují normu IEC 61076-2-101. Řešení poskytují rychlý a jednoduchý způsob, jak zvýšit výkon systému v aplikacích, jako je průmyslová automatizace, těžká zařízení, elektrická vozidla a zařízení pro manipulaci s materiálem, protože splňují stupně krytí IP67, IP68 a IP69K a podporují kódy M12 A, B, D, K, L, S, T a X. Mezi další vlastnosti patří:

• Provozní teplota −20 °C až +105 °C
• Úspora více než 80 % času na instalaci
• Slyšitelné zacvaknutí k zajištění pozitivního spojení
• Menší než konkurenční zasouvací-vysouvací konektory M12, které vyžadují protilehlý pár

Konektory D-sub s filtrováním

Konektory D-sub FCE17 s filtrováním chrání integritu datových signálů filtrováním rušení od vedeného a vyzařovaného EMI. Jsou určeny pro automobilový průmysl, průmysl, zdravotnictví, datové komunikace a energetiku.

Poskytované filtrování převyšuje výkon stejných součástí filtrování osazených na systémové desce plošných spojů (DPS) a zahrnutí filtračních součástek do konektoru snižuje velikost řešení a cenu. Tyto konektory s filtrováním se vejdou do plochy standardních konektorů bez filtrování a podporují jednoduché vylepšení výkonu EMI.

K uspokojení široké škály potřeb filtrování jsou k dispozici různé nízkoimpedanční čipové kondenzátory (dielektrika NP0 nebo X7R) ve standardních hodnotách 50 pf až 47 000 pf. K dispozici jsou také vlastní hodnoty kapacity.

Výsledkem technologie izolace proti napětí společnosti Amphenol jsou konektory s vynikající odolností proti mechanickým a tepelným šokům. Mechanické napětí konektoru nebo kontaktů nezpůsobí prasknutí filtračních prvků ani přerušení elektrického spojení. Kromě toho jsou vyzařované a vedené emise z externího EMI a ze zařízení odváděny na zem, což zvyšuje výkon EMC.

Vyměnitelné baterie dronů a robotů

Konstruktéři systémů vyměnitelných baterií pro drony, roboty a systémy elektronické mobility ve skladech a továrnách mohou využít řešení konektorů pro vyměnitelné baterie DURASWAP. Jsou k dispozici ve dvou konfiguracích výkonu a šesti konfiguracích signálu. Do nabídky jsou zahrnuta také provedení na zakázku. Konektory mohou přenášet trvalý proud od 15 do 70 A a jsou dimenzovány na 10 000 spojovacích cyklů.

Slepé spojení je podporováno plovoucím pohybem ± 2 mm. Technologie FMLB („first-mate last-break“, první spojení, poslední odpojení) umožňuje vytvořit zemní spojení před připojením napájení a zachovat zemní spojení až do přerušení napájecích spojení. Kovové pouzdro pro upevnění panelu vydrží vysoké momentové zatížení pro účinné utěsnění IP panelu. Mezi další vlastnosti patří (obrázek 5):

• Vodicí piny k zajištění správného spojení
• Stupeň krytí IP67 při spojení i bez spojení
• Materiály pouzdra s hodnocením UL94V-0
• Rozsah provozních teplot −20 °C až +90 °C

Obrázek 5: Tyto napájecí konektory obsahují technologii FMLB a podporují slepé spojení s plovoucím pohybem ± 2 mm. (Zdroj obrázku: společnost Amphenol)

Závěr

Tento článek přiblížil některé aspekty specifikace konektorů pro použití v drsných a extrémních prostředích. V některých případech je nutné rozlišovat mezi vibračním testováním podle normy USCAR-2 a LV214. Vzhledem k tomu, že se stále více systémů používá ve venkovním prostředí, je důležité rozpoznat rozdíl mezi odolností vůči povětrnostním vlivům a vodotěsností a různými úrovněmi vodotěsnosti. V neposlední řadě mohou aspekty specifické pro aplikaci mohou zahrnovat použití technologie FMLB v napájecích konektorech a integrované filtrování EMI ve vysokorychlostních datových konektorech.