A zord és szélsőséges környezetbe szánt csatlakozók jellemzői közötti parányi eltérések

Azok a csatlakozók, amelyeket az Ipar 4.0-s gyártásban, robotikában, logisztikai berendezésekben, nehézgépekben, szállítási rendszerekben és olyan felhasználási területeken használnak, mint az olaj- és gázkitermelés, gyakran vannak kitéve olyan zord és nagy igénybevételt jelentő környezetnek, mint a sós vizes permet, a por, a magas páratartalom, jelentős mértékű ütések és rezgések, szélsőséges hőmérsékletek, valamint az elektromágneses összeférhetőség (EMC) fenntartásának szükségessége. Ahhoz, hogy kezelni tudják ezeket a rendkívüli követelményeket, és nagy megbízhatóságot nyújtsanak, a megfelelő védettségi osztályba sorolt csatlakozókra van szükség.

A felhasználási területtől függően ezeknek a csatlakozóknak meg kell felelniük a Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság (IEC, International Electrotechnical Commission), az Amerikai Egyesült Államokbeli Gépjárműipari Kutatások Tanácsa Kft. (USCAR, United States Council for Automotive Research LLC), a Gépjárműtervező Mérnökök Szövetsége (SAE, Society of Automotive Engineers), a német AK Group és más szervezetek szabványainak és előírásainak.

Ez a cikk a jellemzők közötti néhány parányi eltérést jár körül, például az időjárásálló és a vízálló közötti különbséget, valamint a vízállóság különböző szintjeit. Ezután megvizsgálja az amerikai USCAR-2 és a német LV 214 rezgésvizsgálat közötti különbségeket. A cikket az Amphenol néhány csatlakozójának bemutatása zárja, többek közt a vezeték–nyák, az USB-C®, az ix, a reteszelt M12 és a szűrővel ellátott D-Sub csatlakozók, valamint a cserélhető akkumulátoros megoldások, amelyeket úgy tervezetek, hogy teljesítsék a zord és szélsőséges környezetek támasztotta követelményeket.

Időjárásálló, illetve vízálló

Néhány csatlakozót „időjárásálló” jelzővel látnak el. Az Amerikai Egyesült Államok Nemzeti Időjárási Szolgálata szerint az időjárás meghatározása: „a légkör állapota egy adott időben és helyen, olyan változókat véve figyelembe, mint a hőmérséklet, a páratartalom, a szél sebessége és iránya, valamint a légnyomás”. Az időjárásállónak eltérő a jelentése a meteorológiában és a csatlakozók esetében.

A csatlakozókra vonatkozó műszaki szabványokban nem szerepel az a szó, hogy időjárásálló. A csatlakozók műszaki adatai általában nem tárgyalják a különböző szélsebességeket vagy a barometrikus nyomást. Az időjárás meteorológiai meghatározása nem utal a porra vagy más részecskékre, amelyek befolyásolhatják a csatlakozók teljesítményét, viszont szerepelnek a csatlakozókra vonatkozó olyan szabványokban, mint a burkolatok által nyújtott védelmi szinteket (IP-kódokat) meghatározó IEC 60529 szabvány.

Az IP minősítési rendszer

Az időjárásálló csatlakozókat általában kültéri használatra és időjárás viszontagságainak ellenállóra tervezik. Általában IP65 vagy magasabb védettségi besorolásúak, és az ibolyántúli sugárzásnak ellenálló (UV-álló) anyagok felhasználásával készülnek, hogy hosszabb időn át bírják az erős napsugárzást. A vízálló csatlakozók IP67 vagy magasabb védettségi besorolásúak. Bár hasznos lehet egy csatlakozót időjárásállónak vagy vízállónak minősíteni, jobb, ha az IP-besorolását adjuk meg.

A legalacsonyabb besorolási szint az IP11. Ez védelmet jelent egy 50 mm-es tárgy, például egy kéz behatolásával szemben, de az ilyen besorolású eszközökbe a víz be tud hatolni. A csatlakozók általában sokkal magasabb IP-besorolásúak. Például az IP65 védettségi besorolású időjárásálló csatlakozók teljesítményét nem csökkenti, ha kettő–nyolc órán keresztül pornak vannak kitéve, és a vízsugárral szemben is védettek, bár korlátozott mértékben megengedett a víz behatolása.

Az IP67 védettségi besorolású vízálló csatlakozók porállóak, és 1 méter mélységig 30 percre víz alá meríthetőek anélkül, hogy a víz behatolna beléjük. A magasabb követelményeket támasztó felhasználási területekre kaphatóak még magasabb IP-besorolású csatlakozók a víz behatolása elleni teljes védelem érdekében (1. ábra).

1. ábra: A behatolásvédelmi besorolás meghatározása (ábra: Amphenol)

A rezgések fajtái

A megbízható működéshez a csatlakozóknak biztonságos érintkezést kell létrehozniuk. Ez erős rezgéseknek kitett környezetben, például ipari rendszerekben, nehézgépekben és szállítási területeken komoly nehézséget jelenthet. A csatlakozókra vonatkozó két gyakran emlegetett rezgésbesorolási szabvány az LV214 és az USCAR-2.

Mindkettő hivatkozik a környezeti vizsgálatokra vonatkozó IEC 60068, SR (system requirements, rendszerkövetelmények) szabványsorozatra, amely számos körülményt lefed, beleértve a szinuszos, véletlenszerű és lökésszerű erőhatásokat, valamint a szélsőséges meleget és hideget. Hivatkoznak emellett még az IEC 60512-1-1 szabványra is, amely szemrevételezéses ellenőrzést ír elő a vizsgálat során. Bár sok közös vonásuk van, az LV214 és az USCAR-2 különbözik egymástól.

Az LV214 szabványt német autógyártók AK csoportja dolgozta ki. A szabvány a csatlakozók minőségére összpontosít, és a rápréselési erőt mérő eszközöket használ. A csatlakozóknak meg kell felelniük a rápréselési erő jellemzőit leíró egyedi feltételeknek. A rápréselési erőt mérő eszközök mérik a rápréselési folyamat során kifejtett nyomást, és garantálják, hogy az megfeleljen a szabvány követelményeinek.

Az USCAR-2 több tényezőre terjed ki ennél. Ez a szabvány magában foglalja a fejlesztés minden szakaszában végzett vizsgálatokat, valamint a gépjárműipari területeken használt nagyfeszültségű (60 V és 600 V közötti) csatlakozók, aljzatok és egyéb alkatrészek helyszíni elemzését.

Mindkét szabvány öt erősségi szintbe sorolja a rezgéseket. Az LV214 szabványban a szintek S1-től, a legerősebb, általában a gumiabroncsok közelében mérhető rezgésektől S5-ig, a leggyengébb, általában az utastérben észlelhető rezgésekig terjednek. S2 szintű rezgések például olyan helyeken lépnek fel, mint a villanyautók akkumulátora. Az USCAR-2 minősítések közé tartozik a V1 szint az alváz rezgésprofiljára vonatkozóan, valamint az erősebb V2 motorrezgésprofil, és a magasabb rezgésvizsgálati szintek a hőciklusokra is kiterjednek a vizsgálat során (1. táblázat).

1. táblázat: Az LV214 szabvány S2 szintjének és az USCAR-2 szabvány V1 szintjének vizsgálati követelményeit ismertető táblázatból az látható, mennyiben térnek el a véletlenszerű rezgéssel végzett vizsgálat, az időtartam, a hőmérsékleti ciklusok és a félszinuszos lökésszerű rezgéssel végzett vizsgálat követelményei a két szabvány esetében (táblázat: Amphenol)

Az Amphenol az ipari területre szánt eszközök széles skáláját kínálja. Az Amphenol 1,8 mm-es WireLock vezeték–nyák csatlakozói például megfelelnek az USCAR-2 V2 és az LV214 S2 minősítésnek is. Ezeket a gépjárműgyártáshoz, akkumulátorfigyelő rendszerekhez, ipari és műszergyártási felhasználási területekre, valamint a robotikához tervezték.

A WireLock csatlakozók névleges áramerőssége 3 A, és 22–26 AWG (Ø 0,40–0,64 mm, az AWG méretezésben a kisebb szám (itt: 22) jelöli a nagyobb átmérőt) közötti vezetékméretekkel használhatóak. Legfeljebb 40 érintkezőjű, két érintkezősoros kivitelű csatlakozók, léteznek függőleges és vízszintes, furatszerelt és felületszerelt változatban is. A csatlakozók négy különböző színben kaphatóak a téves párosítás elkerülése érdekében (2. ábra).

2. ábra: A WireLock csatlakozóknak legfeljebb 40 érintkezőjük lehet, és megfelelnek az USCAR-2 V2 és az LV214 S2 minősítésnek is (kép: Amphenol)

Vízálló és strapabíró USB-C csatlakozók

Az USB-C csatlakozók számos felhasználási területen létfontosságúak, beleértve az ipari és a zord környezeteket is. Az USB-C egy csatlakozókialakítás, nem pedig egy protokoll, és akár 10 Gb/s (gigabit/másodperc) sebességű adatátvitelt, valamint áramellátást is lehetővé tesz. Az USB-protokollal végzett csatlakozásokon kívül az USB-C csatlakozók használhatók Thunderbolt, PCIe, HDMI, DisplayPort és más protokollokhoz is.

A minél nagyobb adatátviteli sebességek támogatása érdekében ezekben a csatlakozókban minden erre alkalmas alkatrész, például az érintkezők, a reteszelőelem és az elektromágneses összeférhetőséget (EMC, electromagnetic compatibility) biztosító lemez is földelve van a rezonancia csökkentése végett. A rezonancia szabályozása korlátozza az áthallások és az elektromágneses zavarás (EMI, electromagnetic interference) mértékét, és hozzájárul a csatlakozók jobb teljesítményéhez.

Az Amphenol kínálatában vízálló és strapabíró kivitelű USB-C csatlakozók is szerepelnek. A vízálló USB-C csatlakozók IP68 védettségi besorolásúak, és hosszabb ideig védettek vízbe merülés esetén. A vízállóságot a vállalat folyékony fröccsöntési (LIM, liquid injection molding) eljárásával érik el, amelynek során a csatlakozó külső oldalán vízálló gumi O-gyűrűt hoznak létre, amely garantálja, hogy a rozsdamentes acél ház teljesen tömített legyen. Ezek a 24 érintkezős csatlakozók 10 000 párosítási ciklusra vannak méretezve.

Bizonyos felhasználási területeken a vízállóság nem elegendő. A tervezők ilyen esetekben használhatják az MUSBR strapabíró USB-C csatlakozót. A vízálló változatokhoz hasonlóan ezek a strapabíró csatlakozók is 10 000 párosítási ciklust viselnek el.

Házuk UL94V-0 minősítésű fekete, hőre lágyuló műszaki műanyagból készült, és öntött cinkötvözetből készült nikkelezett házban van elhelyezve, amely lökés-, rezgés- és ütésállóságot nyújt. A ház hátulja rozsdamentes acélból van, és egy vezető szilikongumi tömítés teremti meg az IP67-es védettséget és a –40 °C és +105 °C közötti üzemi hőmérsékletet (3. ábra).

3. ábra: Az Amphenol kínálatában vízálló (balra) és strapabíró (jobbra) kivitelű USB-C csatlakozók is szerepelnek (kép: Amphenol)

Időjárásálló Ethernet

Az ipari Ethernet számos olyan protokollal használható, amelyek lehetővé teszik a valós idejű vezérlést és a determinisztikus működést az Ipar 4.0-s létesítményekben, ilyen például az EtherCAT, az EtherNet/IP, a PROFINET, a Modbus TCP és több más protokoll. Az Amphenol sokféle ipari Ethernethez használható csatlakozót kínál a felhasználási területek egyedi igényeinek megfelelően. Ezek a csatlakozók IP20 és IP67 közötti védettséggel kaphatóak.

Az NDH sorozatú zárt ix ipari csatlakozó egy téglalap alakú reteszelt csatlakozó- és kábelkialakítás, amely IP67 besorolású, időjárás- és UV-álló házban van, és beltéri, kültéri és zord környezetben való használatra alkalmas. A sorozat tagjai támogatják a szabványos IEC 61076-3-124-es csatlakozókkal megvalósított Cat6A Ethernet-csatlakozást. A jellemzői a következők (4. ábra):

• nyomás- és húzásálló reteszelőmechanizmus
• kis méret
• kapható a helyszínen felszerelhető dugójú készletként és előre gyártott kábel formájában is
• párosítható szabványos IP20 ix ipari csatlakozóaljzatokkal

4. ábra: Ez az időjárásálló ipari Ethernet-csatlakozó (fekete szerelvény) IP67-es besorolású, és UV-álló háza van (kép: Amphenol)

M12 csatlakozó zord környezetekbe

Az Amphenol választékában számos zord környezetben használható csatlakozó is található, ilyenek például az MPronto-12 jelű reteszelt M12 csatlakozók. Az MPronto-12 dugó illeszkedik minden M12*1.0 aljzatba, így bármely gyártó IEC 61076-2-101 szabványú aljzatához használható. Ezek a csatlakozók gyors és egyszerű lehetőséget teremtenek a rendszer teljesítményének javítására olyan felhasználási területeken, mint az ipari automatizálás, a nehézgépek, a villanyjárművek és az anyagmozgató berendezések, mivel IP67, IP68 vagy IP69K behatolásvédelmi besorolásúak, és használhatóak az M12 A, B, D, K, L, S, T és X kódú aljzatokkal. További jellemzők:

• –20 °C és +105 °C közötti üzemi hőmérséklet
• a kiépítési idő több mint 80%-át megtakarítja
• hangos kattanás jelzi a megfelelő illeszkedést
• kisebb, mint a versenytárs M12-es reteszelt csatlakozók, amelyekhez illeszkedő csatlakozópár szükséges

Szűrővel ellátott D-Sub csatlakozók

A szűrővel ellátott FCE17 D-Sub csatlakozók a vezetett és sugárzott elektromágneses zavarok szűrésével védik az adatjelek épségét. A gépjárműipar, az ipar, az orvostudomány, az adatközlés és az energiaipar számára tervezték őket.

A csatlakozó által nyújtott szűrés meghaladja a rendszer nyomtatott áramköri lapjára szerelt azonos szűrőelemek teljesítményét, és a szűrőelemek csatlakozóba történő beépítése csökkenti a megoldás méretét és költségeit. Ezeknek a szűrővel ellátott csatlakozóknak a mérete azonos a szabványos, szűrő nélküli csatlakozókéval, és segítik az egyszerű elektromágneses zavarszűrési teljesítmény javítását.

A szűrési igények széles skálájának kielégítésére különböző kis impedanciájú lapkakondenzátorok (NP0 vagy X7R szigetelőanyaggal) kaphatóak 50 pF-tól 47 000 pF-ig terjedő szabványos értékekben. Ezenkívül egyedi kapacitásértékű kondenzátorok is beszerezhetőek.

Az Amphenol mechanikai igénybevételt csökkentő technikája kiváló mechanikai és hőterhelés-állóságú csatlakozókat eredményez. A csatlakozót vagy az érintkezőket érő mechanikai igénybevétel nem vezet a szűrőelemek megrepedéséhez vagy a villamos kapcsolat megszakadásához. Ezenkívül a külső elektromágneses zavarás és az eszközből származó sugárzott és vezetett sugárzások a testre kerülnek, ami javítja az elektromágneses összeférhetőséget.

Cserélhető akkumulátorok drónokba és robotokba

A drónok, a robotok, valamint a raktárakban és gyárakban használt e-mobilitási rendszerek tervezői használhatják a cserélhető akkumulátorokhoz való DURASWAP csatlakozókat. Két teljesítmény- és hat jelváltozatban kaphatóak, de a kínálatban egyedi kialakítású változatok is szerepelnek. Folyamatosan 15 A és 70 A közötti erősségű áramot képesek vezetni, és 10 000 párosítási ciklusra vannak méretezve.

A vakcsatlakoztatásra ±2 mm-es összeillesztési tűrést engedélyeznek. Az FMLB-technika (First Mate, Last Break – az elsőként csatlakozó érintkező válik szét utoljára) lehetővé teszi, hogy a testcsatlakozás a tápcsatlakozás előtt jöjjön létre, és a tápcsatlakozás megszakadása után is fennmaradjon. A panel rögzítésére szolgáló fémpersely a panel behatolásvédő tömítésének hatékonysága érdekében nagy nyomatékterhelést visel el. Egyéb jellemzők (5. ábra):

• vezetőcsapok a megfelelő csatlakoztatás biztosítása érdekében
• IP67 besorolás csatlakoztatott és széthúzott állapotban is
• UL94V-0 minősítésű házanyagok
• üzemi hőmérséklet-tartomány: –20 °C – +90 °C

5. ábra: Ezek a tápcsatlakozók FMLB kialakításúak, és ±2 mm-es összeillesztési tűréssel segítik a vakcsatlakoztatást (kép: Amphenol)

Összegzés

Ez a cikk áttekintett néhány olyan szempontot, amelyet a zord és szélsőséges környezetben használt csatlakozók meghatározásakor érdemes figyelembe venni. Bizonyos esetekben különbséget kell tenni az USCAR-2 és az LV214 szabvány szerinti rezgésvizsgálat között. Mivel egyre több rendszert használnak kültéren, fontos, hogy tudatában legyünk az időjárásálló és a vízálló közötti különbségnek, valamint hogy ismerjük a vízállóság különböző szintjeit. Végül pedig a felhasználásfüggő szempontok közé tartozhat az FMLB technika használata a tápcsatlakozókban és a beépített elektromágneses zavarszűrés a nagy sebességű adatcsatlakozókban.