Wprowadzenie do kabli i złączy cylindrycznych

Złącza cylindryczne to okrągłe urządzenia elektryczne zawierające wiele wtyków lub styków służących do zasilania, przesyłania sygnałów lub danych. Mogą mieć różne rozmiary i zostały zaprojektowane z przeznaczeniem do trudnych warunków środowiskowych. Okrągła konstrukcja zapewnia dodatkową wytrzymałość i odporność na uszkodzenia spowodowane przez drgania oraz uderzenia, na zewnętrzne sygnały czy zakłócenia, zanieczyszczenia środowiskowe oraz ekstremalne ciśnienia i temperatury.

Dzięki wysokim parametrom działania w ekstremalnych warunkach złącza i kable cylindryczne mają szerokie zastosowanie w branżach automatyki przemysłowej, urządzeń medycznych, systemów zabezpieczeń i obronności, przemyśle lotniczym i innych. Termin złącza cylindryczne odnosi się do szerokiej gamy produktów, od standardowych złączy cylindrycznych po złącza DIN, metryczne, hermetyczne, wciskane, złącza z pozycjonerem, złącza sygnałów mieszanych, a także ich wersje mikro i nano. Dostępne są również opcje hybrydowe, łączące zasilanie, przesył sygnałów i danych w jednym urządzeniu. W niniejszym artykule skupimy się przede wszystkim na standardowych kablach i złączach cylindrycznych, w tym na ich podstawowej konstrukcji, oznaczeniach i kodach, kryteriach doboru oraz innych aspektach.

Budowa złącza cylindrycznego

Dzięki okrągłemu kształtowi złącza cylindryczne mają wyższy stosunek wytrzymałości do ciężaru w porównaniu do złączy o jakimkolwiek innym kształcie. Jak już wspomniano, zwiększona wytrzymałość zapewnia większą odporność na uszkodzenia wynikające z uderzeń, na czynniki zewnętrzne i rozłączanie, zapewniając jednocześnie trwałość w zastosowaniach, gdzie występują częste cykle łączenia.

Liczba wewnętrznych styków oraz ich układ różnią się w zależności od typu złącza i zastosowania, co gwarantuje prawidłowe dopasowanie do kompatybilnych urządzeń i możliwość podłączania do nich. Obudowy złączy cylindrycznych często posiadają gwint, co pozwala na wykonanie bardziej bezpiecznych połączeń przykręcanych w sytuacjach, w których drgania lub inne czynniki mogłyby spowodować niepożądane rozłączenie. Przykładami innych rodzajów systemów połączeń są m.in. blokada bagnetowa, blokada wciskana/wyciągana i blokada zatrzaskowa.

W szerszej perspektywie każde złącze cylindryczne składa się z czterech głównych elementów (ilustracje 1 i 2):

Ilustracja 1: podstawowa konstrukcja żeńskiego złącza cylindrycznego. (Źródło ilustracji: Same Sky)

1. Styki: wewnętrzne wtyki i gniazda umieszczone w złączu wykorzystywane do utworzenia połączenia elektrycznego. Współpracująca para elementów składa się ze styków męskich i gniazd żeńskich.
2. Izolator: ten element otacza styki i izoluje je od siebie oraz od obudowy złącza. Zapewnia również prawidłowe odstępy między stykami i utrzymuje je w prawidłowej pozycji.
3. Obudowa: stanowi zewnętrzną pokrywę złącza, chroni styki i izolator, będąc jednocześnie elementem ułatwiającym odpowiednie ustawienie dwóch współpracujących połówek połączenia względem siebie oraz ich połączenie.
4. Akcesoria: mogą to być wtyki, pozycjonery, pierścienie, zaciski, uszczelki i dodatkowe komponenty wykorzystywane do prowadzenia, zabezpieczania, ustawiania i uszczelniania części złącza.

Ilustracja 2: podstawowa konstrukcja męskiego złącza cylindrycznego. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Popularne oznaczenia i kody złączy cylindrycznych

Być może najbardziej rozpoznawalnym typem złącza cylindrycznego jest standard typu M stosowany do podłączania czujników i aktuatorów w instalacjach sieci przemysłowych. „M” oznacza po prostu rozmiar gwintu metrycznego na nakrętkach łączących i współpracujących gniazdach. Wobec tego mamy popularne złącza M5 (elementy mocujące o średnicy 5mm), M8 (8mm) i M12 (12mm). Kable i złącza cylindryczne M12 są prawdopodobnie najczęściej spotykanym typem, ponieważ stanowią globalny standard dla przemysłu motoryzacyjnego.

Co do zasady złącza typu M dzielą się na kilka kategorii, w zależności od pozycjonera i kształtu korpusu styku, co zapewnia uzyskanie prawidłowo dopasowanych połączeń. Definicje oznaczeń i kodów przedstawiają się następująco (ilustracja 3):

• A - złącza do czujników, zasilania prądem stałym i sieci Ethernet 1Gbit (protokół do podłączania systemów komputerowych do sieci).
• B - złącza magistrali Fieldbus (przemysłowa sieć komputerowa do sterowania rozproszonego) i magistrali Profibus (standard sieci cyfrowej zapewniający komunikację między czujnikami obiektowymi a układem sterowania).
• C - złącza z podwójnym rowkiem pozycjonera zwiększającym bezpieczeństwo, wykorzystywane do zasilania czujników i aktuatorów prądem zmiennym.
• D - złącza dla systemów Ethernet 100Mbit i Profinet (protokół wymiany danych pomiędzy kontrolerami i urządzeniami).
• X - złącza do szybkich zastosowań Ethernet 10Gbit oraz zasilania przez sieć Ethernet (PoE).
• S - złącza zasilania prądem zmiennym (zastępują elementy z kodem C).
• T - złącza zasilania prądem stałym (zastępują elementy z kodem A).

Ilustracja 3: ogólny przegląd różnych opcji interfejsu dla złączy typu M. (Źródło ilustracji: Same Sky)

Kryteria doboru złącza cylindrycznego

Istnieje prawie niekończąca się lista specyfikacji i zagadnień, które należy wziąć pod uwagę przy doborze złączy i kabli cylindrycznych do danego projektu. Poza podjęciem decyzji, czy lepsze będzie złącze cylindryczne z tworzywa sztucznego (CPC) czy złącze cylindryczne z osłoną metalową (CMC), istnieje szereg wyszczególnionych niżej parametrów, które należy wziąć pod uwagę:

• Rodzaj (męskie/żeńskie): końcówka męska zawiera wtyki stykowe, które wprowadza się do gniazd żeńskich (ilustracje 4 i 5). Większość wtyczek i gniazd została zaprojektowana tak, aby współpracowały ze swoimi odpowiednikami tej samej marki lub tego samego producenta. Złącza różnych producentów zazwyczaj nie łączą się ze sobą, więc ogólnie rzecz biorąc, złącza będą nabywane w postaci współpracujących ze sobą par.

Ilustracja 4: łączenie pary złączy cylindrycznych - męskiego i żeńskiego. (Źródło ilustracji: Same Sky)

• Liczba styków: liczba styków przewodzących w złączu wymaganych do przesyłania sygnałów, danych lub zasilania. Liczba ta może się wahać od 1 do kilkuset.
• Zakończenie: sposób łączenia przewodu lub kabla ze stykami przewodzącymi w złączu, np. połączenie lutowane, owijane, oczkowe lub zagniatane.
• Rozmiar styku: średnica poszczególnych styków lub grubość przewodów podłączanych do poszczególnych styków.
• Znamionowe napięcie i natężenie prądu: maksymalne napięcie wyrażone w woltach (V) lub natężenie prądu wyrażone w amperach (A), dla którego przewidziane jest dane złącze.
• Częstotliwość podłączania: jak często złącze będzie podłączane i odłączane. Wysoka częstotliwość podłączania, czyli inaczej cykli łączenia, może wymagać bardziej wytrzymałego złącza lub odpowiedniego akcesorium do zabezpieczenia kabla.
• Rodzaj mocowania: typowe opcje mocowania to m.in. montaż kablowy, montaż tablicowy lub montaż powierzchniowy.
• Rodzaj sprzęgania lub blokowania: zapewnia bezpieczne połączenie złącza, m.in. bagnet, zatrzask, połączenie wciskane-wyciągane, gwint i szybkozłącze.
• Typ osłony: osłona, czyli element wkręcany do złącza cylindrycznego po stronie kabla zapewniający stabilne podparcie kabla, może być typu: prostego, 90-stopniowego, plecionego, sprężynowego, odciążającego, uszczelniającego lub zagniatanego.
• Zastosowane materiały: powszechnie stosowane materiały do korpusu złącza to stal nierdzewna, aluminium, tworzywo sztuczne, kompozyt lub mosiądz, w zależności od wymagań projektowych i budżetu.
• Stopień ochrony: stopnie ochrony IP zostały zdefiniowane w normie IEC 60529, w której omówiono ochronę przed przenikaniem ciał stałych i cieczy do wnętrza korpusu złącza. Stopnie ochrony IP w Stanach Zjednoczonych definiuje norma ANSI 60529, natomiast w Europie norma EN 60529.
• Wtyczki i gniazda: jednolita nomenklatura nie istnieje, więc różni producenci mogą używać różnych terminów, ale zazwyczaj gniazda i wtyki typu jack są skojarzone z złączami cylindrycznymi do montażu tablicowego, natomiast wtyczki odnoszą się do zespołów kabli cylindrycznych.

Ilustracja 5: sposób oznaczania męskich i żeńskich gniazd i wtyczek (źródło ilustracji: Same Sky)

Podsumowanie

Czy złącze będzie narażone na działanie zanieczyszczeń środowiskowych lub zanurzanie? Czy złącze wymaga ochrony przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI) lub zakłóceniami o częstotliwościach radiowych (RFI)? Czy złącze będzie narażone na nadmierne drgania lub częste uderzenia? Odpowiedzi na te pytania pomagają określić wymaganą jakość, cechy i akcesoria. Niezależnie od tego złącza cylindryczne okazały się niezawodnym i solidnym rozwiązaniem w przypadku trudnych warunków pracy. Firma Same Sky oferuje bogaty asortyment złączy cylindrycznych i zespołów kabli cylindrycznych, które z łatwością sprostają takim wyzwaniom projektowym.