Mi számít erős igénybevételre tervezett csatlakozónak, és hol használják azokat ipari csalakozások kialakításakor

Az ipari alkalmazásokban különböző széleskörű típusú csatlakozókat használnak a kábeleken vezetett elektromos áram, az érzékelők által küldött jelek és a vezérlőadatoknak automatizálási alkatrészekből való kivezetésére, illetve az azokba történő bevitelére az összeillesztett csatlakozókon keresztül. Az, hogy mi számít erős igénybevételre tervezett (a terméknevekben néha HDC, heavy duty connector rövidítéssel jelölt) csatlakozónak nagyban függ az adott alkalmazástól... tehát ez némileg relatív. Midettől függetlenül azonban, határozott különbséget kell tenni a robusztus ipari csatlakozók, valamint a beltéri tiszta környezetek automatizálási alkalmazásaiban használt egyszerű Ethernet- és kisáramú RJ- és IEC-csatlakozók között.

Az erős igénybevételre tervezett csatlakozókra a nagyobb általános robusztusság lehet a jellemző, valamint a környezeti behatások ellen fokozott védettséggel (IP védettség), alacsonyabb gyulladásponttal, széles üzemi hőmérséklettartománnyal, reteszelhetőséggel, földelt árnyékolással rendelkezhetnek, vagy egyszerűen csak egy megbízhatóbb, öntartóan reteszelt csatlakozást biztosíthatnak.

Ipari tömszelencék kontra csatlakozók

A tömszelencék (néha átvezetőknek is nevezik őket) többnyire mechanikus alkatrészek, amelyek körülveszik és átvezetik az ipari vezérlőpaneleken, valamint más, fémlemezből és kemény műanyagból készült burkolatok, csatlakozók és készülékházak határfelületein áthaladó kábeleket. A tömszelencéket a következő három fő ok miatt alkalmazzák:

• rögzítik a kábeleket;
• megakadályozzák a kábelek kidörzsölődését és egyéb kopását;
• zárt tömítést alkotnak az adott kábelszakasz körül, a nedvesség bejutásának és a burkolatba való beszivárgásának megakadályozása céljából.

A tömszelencék rögzítik a kábeleket, és ezzel megakadályozzák az elektromos érintkezők sérülését, ha a kábelt megrántják vagy más mechanikailag zavaró módon hatnak rá. A tömszelencéknek köszönhetően a kábelek külső szigetelése nem dörzsölődhet oda az átvezető felületekbe fúrt lyukak éles pereméhez, mivel kialakításából adódóan a tömszelence rásimul ezekre a peremekre. Tömszelencék nélkül az átvezető furatok éles szélei a kábelek külső köpenyét már a legkisebb mozgás esetén is gyorsan felmetszhetik, olyannyira, hogy a külső szigetelés teljes felvágása miatt a kábelerek szabaddá válhatnak, és rövidzárlatot okozhatnak.

A kábeleket körbeölelő tömszelencékkel ellentétben vannak a kábeleket végződtető csatlakozók, amelyek általában kényelmesebb szét- és újracsatlakoztatást biztosítanak, valamint lehetővé teszik több alkatrész és kábelszakasz összekapcsolását. Ezen csatlakozók erős igénybevételre tervezett változatai jellemzően rendelkeznek egy vagy több olyan tulajdonsággal is, amelyeknek köszönhetően a strapabíróság megnő.

A nagy teherbírású kábelcsatlakozók rendelkezhetnek kábelbevezetési védelemmel, egy univerzális tömszelence, egy kábelrögzítő bilincs vagy egy tömítő és csavarodásgátló szerkezet formájában. Függetlenül azok mechanikai kialakításától illetve formájától, ezek az elemek a kábel rögzítésére szolgálnak, és megakadályozzák, hogy az kihúzódjon a csatlakozókból. Az önálló tömszelencékhez hasonlóan a kábelbevezetési védelem ugyanúgy megakadályozhatja a kábelek kopását. Megjegyzendő, hogy a közepesen strapabíró csatlakozók esetében gyakoriak a lamellás betétek (többujjas tömszelencék), bár a környezeti behatások elleni védettség biztosítása érdekében a betétek rendszeres utánhúzást igényelnek. A kábelt körbeölelő, folytonos tömítettséget biztosító tömszelencék gyakran megbízhatóbb választást jelentenek a nagy igénybevételű alkalmazásoknál.

Bizonyos ipari kábelcsatlakozók esetében a dugó elektromos vezetői a burkolaton belül találhatók, amely szigeteli azokat, és biztosítja a környezeti behatások elleni védettséget – valamint rendelkezik valamilyen záró vagy reteszelő hüvellyel illetve karral, amely összetartja a csatlakozópárt.

Számos nagy teherbírású kábelcsatlakozónál az apa betéten tűsor található, valamint csavarok vagy krimpelhető érintkezők ott, ahol a kábelerek érintkeznek a tűkkel. Az ilyen csatlakozóknál az anya betét a tűsornak megfelelő aljzatokkal rendelkezik, valamint foglalatokkal vagy krimpelhető érintkezőkel ott, ahol a kábelerek érintkeznek az aljzatokkal.

A nagy teherbírású kábelcsatlakozók talán legszembetűnőbb jellemzője erős csatlakozóházuk, amely gyakran az elektromos szigetelést és a környezeti behatások elleni védettséget is biztosítja. A tartozékok között megtalálhatók a további védőburkolatok és a kódolásra szolgáló csapok irányvezetői.

1. ábra: A Han®-sorozatú csatlakozók számos kiegészítő tulajdonsággal rendelkeznek, hogy ellenálljanak a meglehetősen zord környezeti körülményeknek. (Kép: Harting)

IP védettségi fokozatok nagy teherbírású csatlakozóknál

A nagy teherbírású csatlakozók szinte általános tulajdonsága, hogy védelmet biztosítanak a folyadékok és szilárd részecskék behatolása ellen. A csatlakozók környezeti behatások elleni védettségét a burkolatoknál is használt behatolásvédelmi (IP-védettségi) kódok alapján határozzák meg. Az IP-kód első számjegye a szilárd tárgyakkal szembeni védelmet jelöli. A fokozatok 0-tól 6-ig terjednek: a védelem teljes hiányától a teljesen pormentes felépítésig. Az IP-kód második számjegye a folyadékok behatolásával szembeni védelmet jelzi: 0-tól kezdve (nincs védelem) 8-ig (védettség folyamatos vízbe merítés ellen 1 m mélységig), vagy akár 9K-ig – ami azt jelzi, hogy a készülék a magas nyomású vízsugaraknak is ellenál. Egy IP67-es besorolású csatlakozó például ellenáll a por behatolásának és az ideiglenes vízbe merítésnek.

Miért olyan gyakoriak a szabadalmaztatott csatlakozókialakítások?

Mivel működésüket tekintve az erős igénybevételre tervezett csatlakozók nagymértékben a mechanikus zárási és tömítési képességeikre támaszkodnak, a piacon ma jelen levő csatlakozók közül számos vagy saját tervezésű változat, vagy pedig alkalmazásspecifikus kialakítású. Egész iparágakban alkalmazzák például szabványszerűen a Harting Han sorozat ipari négyszögletes csatlakozóit a táp- és vezérlési csatlakozásokhoz. Sőt, ez a védjegyoltalom alatt álló csatlakozómárka neve néha szinte szinonim az ipari csatlakozók kifejezéssel.

2. ábra: A Han-sorozatú (négy és 26 tűs) csatlakozók szinte ipari szabványnak tekinthetők – megfelelnek különböző, 50 és 5000 V valamint 3 és 200 A közötti adat- és tápcsatlakozási követelményeknek. A reteszelési megoldások között megtalálható az egyszerű egykezes szerelést biztosító egykaros Han-Easy Lock rendszer, és a kétkaros Han-Easy Lock, amely megbízhatóbb reteszelést, jobb nyomószilárdságot (tömítettséget) biztosít, és amelyet kábelek egymással való összekapcsolásakor használnak. Egy másik robusztus opció a csavaros rögzítés, amely maximális tömítettséget biztosít, és csökkenti az illetéktelen használat veszélyét. (Kép: Harting)

A Han-sorozatú csatlakozók egy négyszögletes burkolaton belül elhelyezett tűkkel rendelkeznek, amelyek egy azonos alakú házban lévő megfelelő hüvelyekkel párosíthatók. A csatlakozók általában reteszelő karokkal rendelkeznek, hogy a szerelők könnyen és biztonságosan le tudják zárni a csatlakozót, biztosítva, hogy az még jelentős feszítő terhelés esetén se váljon szét.

Tápkábelek végződtetésére leggyakrabban a csavarokkal rögzíthető burkolatokat használják, amelyek kaphatók felső és oldalsó kábelbevezetésű változatokban. A csatlakozóházak lehetnek csavarral rögzíthető, valamint felületre vagy válaszfalra szerelhető változatok, így biztosítva a műszerekhez vagy gépekhez történő csatlakoztatást. Alternatívaként a csatlakozóházak kábelek végződtetésére is használhatók, a kábeleknek egymáshoz való csatlakoztatására. A burkolatok és csatlakozóházak jellemzően fröccsöntött ötvözetből készülnek, de gyakoriak a rozsdamentes acél és a műanyag házak is. Egyes gyártók konfigurálható csatlakozókat is kínálnak, amelyek csoportosítást teszek lehetővé egyetlen burkolaton vagy házon belül, ami minden egyes különálló modul esetében nagyobb számú érintkező használatát teszi lehetővé. Ilyenek a Molex GWconnect HDC és a TE Connectivity HDC márkanevek alatt kapható csatlakozók.

Az adatok és érzékelők jeleinek átvitelére használt kábelek robosztus csatlakozói a fentiektől kissé eltérőek. A főszerep itt az M sorozatú robosztus csatlakozóké, amelyeket különböző adatkapcsolatoknál (beleértve az Ethernet alapúakat is) valamint az elektromos energia átvitelére használják. A robusztus M-sorozatú csatlakozókat leginkább a PROFINET, terepbusz és az ipari Ethernet protokollokat használó ipari hálózati alkalmazásokban használják érzékelők, kapcsolók és PLC-k összekapcsolására.

Korábbi DigiKey-cikkekben már beszéltünk arról, hogy az M-sorozatú csatlakozók szabványos metrikus menetű hüvelyekkel rendelkező, kerek, apa és anya párokból álló csatlakozók, amelyek beburkolják és védik a bennük lévő érintkezőket és érintkezőhűvelyeket. A szabványos méretek között megtalálhatók az 5 mm-es M5-ös, a 8 mm-es M8-as, a 12 mm-es M12-es, a 16 mm-es M16-os és a 23 mm-es M23-as csatlakozók. A menetes hüvely rendkívül robusztus, üzembiztos, könnyen nem széthúzható és nagyon megbízható elektromos érintkezést biztosít, minimálisra csökkentve a megszakadó jelek előforulását. A hüvelynek köszönhetően az M-sorozatú csatlakozóknak igen magas a környezeti behatások elleni védettsége is, ami sok esetben lehetővé teszi még a vízzel mosott és korróziós környezetekben való használatot is. A leggyakoribb méretek az M8-as és M12-es csatlakozók, kettő, három, négy, öt, nyolc vagy 12 tűvel. Általában a három- vagy négytűs M-sorozatú csatlakozókat érzékelőknél és tápegységeknél használják, a négy- vagy nyolctűs M-sorozatú csatlakozókat Ethernet- és PROFINET-hálózati eszközöknél, a négy- vagy öttűs M-sorozatú csatlakozókat pedig Fieldbus, CAN-busz és DeviceNet alapú automatizálási eszközöknél.

3. ábra: Az M-sorozatú csatlakozók nagy szilárdságú alumíniumból készülnek. A racsnis-csavaros kialakításnak köszönhetően a kábelek gyorsan és biztonságosan, egy kézzel csatlakoztathatók. (Kép: LEMO)

Az ipari alkalmazások adatkapcsolatainál többek között az Ethernet, a ModbusTCP/IP, az EtherCAT, az Ethernet/IP, a Profinet valamint a különböző más szabadalmaztatott formátumokat használják. Az RJ-csatlakozók szabványosnak számítanak minden Ethernet hálózatnál, de nem nyújtanak védelmet a környezeti behatások ellen és nem is különösen robusztusak. Bár az apa csatlakozó rendelkezik az aljzatba bepattanó műanyag füllel (hogy az a csatlakozópárt összetartsa), ez egy meglehetősen gyenge kötés, és nem akadályozza meg azt, hogy a dugók még mérsékelt rántás esetén is kihúzódjanak az aljzatból. Ezért jobb M-sorozatú csatlakozókat használni, ha egy automatizált berendezés mozgásnak és véletlenszerű rongáló hatásoknak van kitéve.

Van itt azonban még dolog, amire figyelni kell. Habár a szabványos M-sorozatú csatlakozók ipari kapcsolatok kialakítására alkalmasak, egy megbízható csatlakozás (és a környezeti behatások elleni névleges védettségi fokozat) megvalósítása függ attól, hogy a szerelést végző technikus megfelelően húzza-e meg a csatlakozó menetét. A benyomással helyére illeszkedő, és automatikusan reteszelődő csatlakozóival néhány gyártó még ezt a potenciális hibalehetőséget is igyekeszik megszüntetni. Ezek közül talán a legelterjedtebb a Molex Brad csatlakozósorozata, amely közvetlenül kiváltja a szabványos M12-es csatlakozókat. A tökéletes reteszelést és megbízható csatlakozást biztosító mechanizmus ezeknél nem egy menetes hüvely segítségével valósul meg, hanem a csatlakozópárokat csupán ösze kell nyomni, és a kapcsolat létrejön, megszakadó jelek vagy a szétkapcsolódás veszélye nélkül. Ezek a csatlakozók különböző konfigurációkban kaphatók, többek között IP65 védettségű rányomható és lehúzható változatokban.

4. ábra: Az Ultra-Lock csatlakozók tömítőgyűrűkkel ellátott, nyomásra záródó kialakításúak, ami üzembiztos csatlakozást és IP69K fokozatú védettséget biztosít. (Kép: MOLEX)

Ethernet-alkalmazások esetén az M-sorozatú és a Molex Brad csatlakozók a Power over Ethernet (PoE) szabványoknak megfelelően háromféle konfigurációban (Alternative A, Alternative B és 4PPoE) is képesek áramot továbbítani, így különböző sávszélességek és teljesítményigények esetén használhatók.

IEC tápcsatlakozók erősáramú követelményekhez

A Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság (IEC) különböző szabványokat határoz meg a háztartási, kereskedelmi és ipari alkalmazásokban használt tápcsatlakozókra vonatkozólag. Az IEC 60320 például a 250 V feszültségig és 16 A áramerősségig terjedő nem reteszelő csatlakozók szabályozásával foglalkozik. Ezek közé tartoznak a nagyméretű, de nem védett C13/C14 típusú, valamint a tőlük nagyobb, C19/C20 típusú csatlakozók, amelyekkel az ipari alkalmazások elektronikus berendezéseinél (beleértve a számítógépes tápegységeket és a szerverházakat is) gyakran találkozhatunk. Ezek a csatlakozók általában nem számítanak ipari, erős igénybevételre tervezett csatlakozóknak.

Ezzel szemben, az IEC 60309-ben tárgyalt reteszelődő csatlakozók már igenis strapabíróak – és olyan ipari kábelekkel való használatra szánták őket, amelyek akár 1000 V feszültséget és 800 A áramot is továbbítanak. Minden IEC 60309 típusú reteszelődő csatlakozó bizonyos fokú védelmet nyújt a környezeti behatások ellen. A szabványos kialakítások IP44-es (fröccsenés ellen védett), IP67-es (vízbe merítés ellen védett) vagy IP66/67-es (sugár- és vízálló) védettséget biztosítanak.

A szabvány lehetővé teszi a kölcsönösen reteszelődő csatlakozóaljzatok használatát is. Az ezzel a funkcióval rendelkező csatlakozók csakis akkor továbbítják az áramot, ha párosítják őket egy dugóval, és a dugót nem lehet addig eltávolítani, amíg az áramot ki nem kapcsolják. A következő színkódolás jelzi, hogy a csatlakozó milyen megengedett feszültség- és frekvenciatartományban használható.

• A sárga színű IEC 60309-nek megfelelő tápcsatlakozók 100-130 V feszültség továbbítására alkalmasak, 50 vagy 60 Hz frekvencián.
• A kék színű IEC 60309 típusú tápcsatlakozók 200-250 V feszültség továbbítására alkalmasak 50 vagy 60 Hz-en.
• A piros színű IEC 60309 típusú tápcsatlakozók pedig 380-480 V feszültséget képesek továbbítani 50 vagy 60 Hz-en... gyakran háromfázisú kialakításban.

5. ábra: Ez a piros színkódolású ipari csatlakozó megfelel az IEC 60309 szabvány szerinti 380-480 V tápfeszültség biztosításához szükséges követelményeknek. (Kép: Wikimedia Commons)

Összegzés

Az erős igénybevételre tervezett csatlakozóknak különböző követelményeknek kell megfelelniük. Szükséges-e, hogy a csatlakozó ellenálljon ütőterhelések okozta töréseknek, vagy szétkapcsolódásnak? Szükség van-e por vagy víz elleni védelemre? Milyen hőmérsékleteket kell elviselnie a csatlakozónak? Az ipari csatlakozót olyan környezetben fogák alkalmazni, ahol oda kell-e figyelni a gyúlékonyságra?

Figyelembe kell venni az érintkezők számát, valamint az egyes érintkezők által vezetendő feszültség és áramerősség értékét a kábelbevezetés irányával és a kábelvédelem szintjével egyetemben. Azokon az automatizált gépeken, amelyek kábelei és csatlakozói mozgásnak vannak kitéve, gondoskodni kell a megfelelő tömszelencékről és kábelszorítókról, valamint ezeken kívül a csavarodásgátló eszközök használata is célszerű lehet.

Viszonylag alacsony áramerősségű, de zord környezetben működő elektromos terhelések esetén gyakran megfelelő választás az M-sorozatú csatlakozók és származékaik használata. Nagyobb elektromos terheléseknél a négyszögletes csatlakozók jobb megoldást jelenthetnek, különösen azért, mert a különböző kábelbevezetési irányoknak, szerelési lehetőségeknek és jellemzően moduláris felépítésüknek köszönhetően szinte bármilyen összetett követelménynek megfelelően konfigurálhatók. Egyébként az egy- vagy háromfázisú váltakozó áramú tápegységhez való egyszerű tápcsatlakozásokhoz az IEC 60309 szabvány szerinti reteszelődő ipari csatlakozók a legjobb (ha talán nem az egyedüli) választás.