Projektowanie do wymagających środowisk z wykorzystaniem złączy uszczelnionych

Projektanci umieszczają coraz więcej elektroniki w coraz bardziej niewygodnych lub ciasnych przestrzeniach, zwłaszcza w transporcie, systemach przemysłowych oraz inteligentnych urządzeniach AGD, takich jak np. pralki. W takich zastosowaniach konfiguracja połączeń może powodować wiele problemów związanych z niezawodnością i pewnością działania z powodu pyłu, wnikania wilgoci, skrajnych temperatur i naprężeń mechanicznych.

Nawet w obrębie tego samego systemu wymagania stawiane poszczególnym połączeniom mogą się znacznie różnić. Kabli przewodzących niskonapięciowe sygnały cyfrowe dotyczą inne problemy z połączeniem w porównaniu z grubszymi przewodami przenoszącymi wysokie napięcia dla silników i na potrzeby rozdziału zasilania. Błędny wybór złącza może spowodować całkowitą utratę lub przemijające zakłócenia sygnału, kosztowne przestoje i problemy z konserwacją.

W tym artykule omówione zostaną wyzwania związane z wyborem odpowiednio wytrzymałych rozwiązań połączeń kablowych, które są wystarczająco solidne dla danego zastosowania. Wyjaśni on, w jaki sposób odpowiednie zastosowanie systemu złączy kablowych klasy IP67 i klasy 2 uszczelnienia wg USCAR-2 może zapewnić niezawodne połączenia, a także obniżyć koszty konserwacji i napraw. Następnie przedstawi różne rozwiązania połączeń kablowych firmy Molex o stopniu ochrony IP67 i klasie 2 uszczelnienia wg USCAR-2 oraz pokaże, w jaki sposób można je wykorzystać do spełnienia wymagań w szeregu różnych zastosowań.

Zagadnienia dotyczące projektowania połączeń przemysłowych

Projektanci urządzeń dla środowisk przemysłowych muszą brać pod uwagę zanieczyszczenie cząstkami stałymi, płyny i skrajne temperatury. Ponadto systemy przemysłowe muszą być przygotowane do działania w nieprzewidywalnych warunkach wynikających ze zmian w środowisku lub urządzeniach.

W obiektach przemysłowych, takich jak fabryki i magazyny, stosuje się różne rozwiązania połączeń, z których wiele charakteryzuje się wysoką wytrzymałością. Samochody osobowe i ciężarowe również są klasyfikowane jako ruchome środowiska przemysłowe. Istnieją ogólne wytyczne, które muszą być brane pod uwagę przy połączeniach w takich warunkach. Najbardziej podstawową jest odporność na każdy rodzaj cząstek stałych, od opiłków żelaza i fragmentów metalu po pył i drobne proszki. Im drobniejsze są cząstki stałe, tym większe jest prawdopodobieństwo ich unoszenia się w powietrzu. Na przykład zwykły pył, sadza i inne drobne cząstki stałe generowane przez ciężki sprzęt mogą być utrzymywane w powietrzu przez wentylatory i systemy wentylacyjne i lądować w dużej odległości od ich źródła. Cząstki te mogą wnikać do każdego niezabezpieczonego otworu, w tym do współpracujących złączy, zanieczyszczając powierzchnie wewnętrzne. Może to powodować problemy z dopasowaniem, począwszy od chwilowych zakłóceń w działaniu spowodowanych rezystancją połączenia, a skończywszy na całkowitej utracie styku. Ponadto, jeśli cząstki stałe mają własności ścierne lub korozyjne, mogą spowodować trwałą awarię złącza wymagającą kosztownej i czasochłonnej wymiany.

W środowisku przemysłowym mogą również występować różne ciecze. Woda, benzyna, oleje i różnorodne chemikalia są powszechnie spotykane w ciężkich warunkach przemysłowych. Wniknięcie tych cieczy w postaci płynu lub pary do układu współpracujących złączy może spowodować zwarcia i również doprowadzić do awarii urządzeń.

Systemy połączeń o stopniu ochrony IP67

Zamiast produkować różnorodne złącza na potrzeby różnych warunków przemysłowych, w branży przyjęto standardowo stosowanie przewodów, kabli i systemów złączy, które mają stopień ochrony IP67. Chociaż dwie litery „IP” oficjalnie oznaczają trzy słowa „międzynarodowy stopień ochrony”, to najczęściej są one znane pod nieoficjalną, ale dokładniejszą nazwą „ochrona przed wnikaniem” (ang. ingress protection). Stopień ochrony IP67 określa odporność systemu połączenia na cząstki stałe i ciała obce, jak również jego odporność na wnikanie wody.

Cyfra „6” w kodzie IP67 oznacza, że połączenie jest całkowicie nieprzepuszczalne dla jakichkolwiek cząstek stałych, w tym drobnego pyłu. Osiąga się to przede wszystkim dzięki pełnemu uszczelnieniu pomiędzy dopasowanymi obudowami dwóch współpracujących ze sobą złączy. Cyfra „7” oznacza, że system połączenia o stopniu ochrony IP67 może wytrzymać zanurzenie w wodzie na głębokość jednego metra do 30 minut. Jest to wystarczająco dobre rozwiązanie dla większości środowisk przemysłowych.

Dobre uszczelnienie między współpracującymi obudowami obu złączy jest pomocne, ale odporność na wodę jest osiągana przede wszystkim przez uszczelkę złącza, która jest zazwyczaj odporna nie tylko na wodę, ale także na wiele chemikaliów. Różne materiały uszczelek są odporne na różne chemikalia, dlatego przy wyborze systemu połączeń należy wziąć pod uwagę zastosowany materiał uszczelki.

Łączenie sygnałów cyfrowych niskiej mocy

Oczywiście, nie wszystkie systemy połączeń kablowych mają takie same potrzeby. Rozwiązania używane w połączeniach cyfrowych sygnałów logicznych wewnątrz urządzeń o stopniu ochrony IP67 zazwyczaj wymagają tylko napięcia nie przekraczającego 5V przy prądach o natężeniu około 500mA. Takie sygnały niskiej mocy wykorzystują małe, lekkie złącza kablowe, które zazwyczaj nie są narażone na poważne zagrożenia fizyczne. Złącza muszą być łatwe w montażu i na tyle lekkie, aby nie obciążać przewodów niskoprądowych w zespole kablowym. Na potrzeby takich połączeń firma Molex oferuje system miniaturowych złączy typu przewód-przewód Mizu-P25. Te wodoszczelne złącza z certyfikatem IP67, zamknięte w wygodnej, niewielkiej obudowie, chronią zespół złącza przed kurzem i wodą.

Przykładem współpracującej pary złączy Mizu-P25 o stopniu ochrony IP67 jest wtyczka Molex 0521160240 i gniazdo Molex 0521170240 z systemem wodoszczelnego złącza dwupozycyjnego (ilustracja 1). Przy pełnym połączeniu oba złącza mają tylko 25,5 milimetra (mm) długości, dlatego są odpowiednie dla małych, ciasnych obudów.

Ilustracja 1: system współpracujących złączy dwupozycyjnych składający się z wtyczki Molex Mizu-P25 0521160240 i gniazda 0521170240 zapewnia solidną ochronę przed kurzem i wodą. Współpracujące złącza mają tylko 25,5mm długości, a prawidłowe połączenie potwierdzają jednoznacznym, słyszalnym kliknięciem. (Źródło ilustracji: Molex)

Obudowa i kołpak każdego złącza są wykonane z poliestru, który ma znakomitą wodoodporność, jest ognioodporny, nie blaknie ani nie pęka przy długotrwałym narażeniu na działanie promieni słonecznych. Złącza poliestrowe są również odporne na pęknięcia i uginają się podczas normalnego użytkowania oraz nie ulegają odkształceniu. Dzięki temu system złączy charakteryzuje się odpornością wytrzymującą nieostrożne obchodzenie się podczas montażu urządzeń. Złącza poliestrowe mają również doskonałą odporność na ścinanie, idealnie dostosowaną do ścierania ślizgowego, które występuje przy łączeniu i rozłączaniu złączy.

Zarówno uszczelnienie pierścienia złącza, jak i uszczelnienie końcówki przewodu wykorzystuje uszczelki silikonowe, które zapewniają hermetyczne uszczelnienie przed wodą i pyłem. Uszczelki silikonowe i uszczelnienia zachowują elastyczność w niskich temperaturach, dzięki czemu złącza te doskonale nadają się do urządzeń niskotemperaturowych, takich jak lodówki i urządzenia pracujące na zewnątrz w niskich temperaturach. Omawiane złącza mają dwie pozycje z rastrem 5mm, bezpiecznie izolującym dwa sygnały. Są one montowane przez użytkownika przy użyciu zagniatanych wtyków dla ułatwienia montażu.

Omawiany system złączy przeznaczony jest do łatwego łączenia, niezależnie od wybranych przez twórców systemu zacisków zagniatanych. Przy prawidłowym połączeniu złączy słyszalne jest wyraźne kliknięcie wskazujące, że złącza są pewnie połączone. Jest to cecha pomocna dla techników podczas montażu systemu, gwarantująca wykonanie szczelnego, dopasowanego połączenia.

Omawiany system złączy Molex Mizu-P25 ma napięcie znamionowe 250V i zakres temperatur roboczych od -40°C do +105°C. Dzięki temu system złączy składający się z wtyczki Molex Mizu-P25 0521160240 i gniazda 0521170240 jest odpowiedni dla sprzętu AGD i wielu systemów przemysłowych działających w niskich temperaturach. Stopień ochrony IP67 wskazuje projektantom urządzeń, że system złączy jest zabezpieczony przed wodą i pyłem i nie wymaga szeroko zakrojonych testów środowiskowych.

Wytrzymałe i szczelne połączenie ułatwia konserwację

Zdarza się, że od systemów połączeń oczekuje się przenoszenia wyższych prądów i łatwości konserwacji w trudnych warunkach. System połączenia musi nie tylko zapewniać bezpieczne połączenie, które nie rozłączy się przypadkowo, lecz musi być także łatwy do rozłączenia podczas konserwacji. W takich sytuacjach projektanci mogą wykorzystać uszczelniony system połączeń przewód-przewód Squba firmy Molex. Złącza Squba mają również stopień ochrony IP67 i mogą przesyłać więcej energii w mniejszej obudowie. Na przykład wtyczka Molex Squba 2042230004 i gniazdo 2042200004 są złączami czteropozycyjnymi o rastrze 1,80mm, zapewniającymi niezawodne dostarczanie zasilania i sygnału (ilustracja 2).

Ilustracja 2: wtyczka Molex Squba 2042230004 (po lewej) i gniazdo 2042200004 (po prawej) to czteropozycyjny system połączeń zaprojektowany w celu zapewnienia solidnej ochrony dużych prądów w warunkach wilgoci. (Źródło ilustracji: Molex)

Omawiane złącza Molex Squba wykorzystują zaciski zagniatane i zapewniają słyszalne kliknięcie przy prawidłowym połączeniu. Niskoprofilowy zatrzask złącza na gnieździe minimalizuje możliwość zaczepienia się o urządzenia zewnętrzne. Zatrzask zapewnia stabilne, bezpieczne połączenie, które można łatwo rozłączyć podczas konserwacji, poprzez przyłożenie palcami dużej siły do góry, albo przy użyciu standardowego narzędzia do podważania zamków.

Obudowy wtyczek i gniazd Squba są wykonane z nylonu, który jest wyjątkowo wytrzymały i odporny na większość chemikaliów przemysłowych. Dzięki temu system połączeń Molex Squba jest odpowiedni dla każdego środowiska, w którym złącza mogą być przesuwane, popychane lub uderzane przez urządzenia. System połączenia jest uszczelniony przed kurzem i wilgocią za pomocą uszczelek silikonowych.

Każdy wtyk złącza może przesyłać 125V prądu zmiennego lub stałego. Zalecane są przekroje przewodów z przedziału od 22 do 24 AWG. W przypadku użycia wtyków zagniatanych na przewodzie plecionym 22 AWG, każdy wtyk może przenosić maksymalnie 5,25A w temperaturze 30°C, co daje maksymalną obciążalność prądową 21A. Maksymalna obciążalność prądowa zmienia się w zależności od temperatury, dlatego projektanci muszą zwracać szczególną uwagę na dokumentację złącza, aby upewnić się, że podana wydajność prądowa złącza jest odpowiednia do warunków.

Dzięki znamionowej temperaturze roboczej od -40°C do +105°C oraz stopniowi ochrony IP67 złącza te są odpowiednie dla środowisk takich jak systemy klimatyzacji i wentylacji, urządzenia do wydawania napojów oraz urządzenia przemysłowe, które muszą pracować w środowisku zimnym lub wilgotnym.

Wieloobwodowe połączenie zanurzalne

Niekiedy system połączeń nie jest tak prosty, jak połączenie takich samych sygnałów na jednym kablu. Czasami wzdłuż tego samego okablowania musi przebiegać wiele typów obwodów, w tym sygnały cyfrowe, wysokoprądowe sygnały sterujące i połączenia zasilania. Takie sytuacje wymagają hybrydowego systemu połączeń, który może obsługiwać styki o różnych rozmiarach. W takich zastosowaniach projektanci mogą wykorzystać system połączeń zespołów kablowych Molex MX150 Hybrid. System MX150 Hybrid został zatwierdzony zgodnie z wymogami klasy 2 uszczelnienia wg USCAR-2, co jest zbliżone do stopnia ochrony IP67. Klasa 2 wg normy USCAR-2 wymaga pomyślnego przejścia testu podciśnieniowego podczas zanurzenia w wodzie.

Molex MX150 Hybrid jest po zmontowaniu w pełni uszczelnionym systemem złączy, odpowiednim do sytuacji, w których współpracujące ze sobą złącza mogą zostać zanurzone lub znajdują się w bardzo wilgotnym środowisku, gdzie często występują ciecze i strumienie wody pod wysokim ciśnieniem.

12-pozycyjna wtyczka MX150 Hybrid 1601126001 oraz 12-pozycyjne gniazdo 1601116006 firmy Molex (ilustracja 3) mogą zawierać do dziesięciu zacisków ostrzowych 1,5mm i maksymalnie dwa zaciski ostrzowe 2,5mm. Zaciski 1,5 mm mogą być używane do przenoszenia sygnałów logicznych niskiego poziomu, podczas gdy dwa zaciski ostrzowe 2,8mm mogą być używane do przesyłania prądu o natężeniu do 22A. Dzięki temu omawiany system połączeń jest odpowiedni do zastosowań motoryzacyjnych i przemysłowych, w których pojedyncza wiązka przewodów musi dostarczać do jednego urządzenia zarówno zasilanie, jak i dane.

Ilustracja 3: 12-pozycyjna wtyczka MX150 Hybrid 1601126001 (po lewej) i gniazdo 1601116006 firmy Molex (po prawej) mogą bezpiecznie obsługiwać kombinację zacisków ostrzowych 1,5mm i 2,80mm w zanurzalnym systemie połączeń. (Źródło ilustracji: Molex)

W pełni zmontowany i dopasowany system połączeniowy MX150 Hybrid IP67 jest odporny na kurz i pył. Może być zanurzany w wodzie i pracować w temperaturach od -40°C do +125°C. Obudowa złącza jest wykonana z nylonu wzmocnionego włóknem szklanym, który jest bardzo trwały i odporny na trudne warunki i umiarkowane uderzenia. To sprawia, że ten system połączeń jest odpowiedni dla trudnych środowisk przemysłowych i wielu urządzeń konsumenckich, a także dla zastosowań w silnikach samochodowych, gdzie złącze jest narażone na ekstremalne temperatury, strumienie wody pod wysokim ciśnieniem i silne uderzenia ciężkich przedmiotów.

Wtyczka MX150 Hybrid 1601126001 i gniazdo 1601116006 firmy Molex należy montować jako część wiązki kablowej lub przewodowej. Montaż wymaga włożenia zacisków do wtyczki i gniazda. Może się jednak zdarzyć, że technicy montażowi nie włożą końcówek całkowicie do obudowy złącza, co prowadzi do zawodnych połączeń. Z tego względu każde z tych złączy ma obudowę z zapewnieniem pozycji styków (TPA).

Podczas prawidłowego wkładania wtyku do obudowy TPA monter czuje, że wtyk pewnie zablokował się we właściwym położeniu. Jeśli końcówka nie będzie włożona prawidłowo, nie dojdzie do zatrzaśnięcia wtyczki i pasującego gniazda. Gwarantuje to prawidłowe wprowadzanie wtyków, co zwiększa niezawodność systemu.

Podsumowanie

Projektanci systemów dla przemysłu, transportu lub urządzeń gospodarstwa domowego muszą zapewnić połączenia, które sprostają rygorom zastosowania, takim jak ciasne przestrzenie, kurz i brud, skrajne temperatury, płyny i oleje oraz inne substancje, które mogą do nich wniknąć. Aby uprościć proces projektowania, projektanci mogą poszukiwać specjalnie zaprojektowanych złączy o stopniu ochrony IP67 lub odpornych zarówno na wnikanie kurzu i brudu, jak i wilgoci i płynów.

Istnieje wiele różnych złączy o stopniu ochrony IP67, dostosowanych do szerokiego zakresu wymagań związanych z zastosowaniami, od niskopoziomowych sygnałów cyfrowych po zasilanie wysokoprądowe. Wybór właściwego zespołu złącza o stopniu ochrony IP67 zapewnia niezawodność systemu i ogranicza do minimum ryzyko kosztownych przestojów oraz napraw.