Niuanse dotyczące złączy do trudnych i ekstremalnych warunków

Złącza stosowane w produkcji Przemysłu 4.0, robotyce, sprzęcie logistycznym, maszynach ciężkich, systemach transportowych oraz operacjach, takich jak wydobycie ropy naftowej i gazu są często narażone na trudne i wymagające warunki środowiskowe, takie jak rozpylona woda - również słona, kurz, wilgoć, znaczne wstrząsy i drgania, ekstremalne temperatury oraz konieczność zachowania kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Aby sprostać tak ekstremalnym wymaganiom i zapewnić wysoką niezawodność, potrzebna jest konkretna klasa złączy.

W zależności od zastosowania, złącza te muszą spełniać szereg norm Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC), Amerykańskiej Rady ds. Badań Motoryzacyjnych LLC (USCAR), Stowarzyszenia Inżynierów Motoryzacji (SAE), niemieckiej grupy AK i innych organizacji.

Niniejszy artykuł zaczyna się od analizy kilku niuansów, takich jak różnica między odpornością na czynniki atmosferyczne a wodoszczelnością, a także różnych poziomów wodoszczelności. W dalszej części przeanalizowano różnice między próbami drgań wg norm amerykańskich (USCAR-2) i niemieckich (LV 214). Artykuł kończy się przedstawieniem serii złączy firmy Amphenol obejmującej złącza przewód-płytka, złącza USB Type-C®, złącza ix, złącza wciskane-wyciągane M12, złącza D-sub z filtracją oraz rozwiązań do baterii z możliwością wymiany zaprojektowanych pod kątem pracy w trudnych i ekstremalnych warunkach środowiskowych.

Odporność na czynniki atmosferyczne kontra wodoszczelność

Niektóre złącza są reklamowane jako „odporne na czynniki atmosferyczne”. Według amerykańskiej Narodowej Służby Pogodowej (National Weather Service) „czynniki atmosferyczne” definiuje się jako stan atmosfery w danym czasie i miejscu, w odniesieniu do zmiennych, takich jak temperatura, wilgotność, prędkość i kierunek wiatru oraz ciśnienie atmosferyczne”. Odporność na czynniki atmosferyczne znaczy co innego w meteorologii niż w przypadku złączy.

W normach technicznych dotyczących złączy, termin „odporność na czynniki atmosferyczne” nie jest stosowany. Specyfikacje złączy zasadniczo nie omawiają różnych poziomów prędkości wiatru ani ciśnienia atmosferycznego. Meteorologiczna definicja warunków atmosferycznych, czyli „pogody”, nie wspomina o pyle ani innych cząsteczkach, które mogą mieć wpływ na parametry działania złączy. Jest ona zawarta w takich normach jak IEC 60529 - stopnie ochrony zapewnianej przez obudowy (kody IP), które mają zastosowanie do złączy.

System stopni ochrony IP

Ogólnie rzecz biorąc, złącza odporne na czynniki atmosferyczne są przeznaczone do użytku na zewnątrz i wystawiania na działanie warunków atmosferycznych. Zwykle posiadają stopień ochrony od IP65 wzwyż, są wykonane z materiałów odpornych na promieniowanie ultrafioletowe (UV) i wytrzymują długotrwałe narażenie na światło słoneczne. Złącza wodoszczelne posiadają stopień ochrony IP67 lub wyższy. Chociaż oznaczenie złącza jako odpornego na czynniki atmosferyczne lub wodoszczelnego może być pomocne, lepiej określić jego konkretny stopień ochrony IP.

Najniższa klasa to IP11. Oznacza to ochronę przed wnikaniem obiektów o średnicy 50mm, takimi jak dłoń, jednak przy braku ochrony przed przenikaniem wody. Złącza mają zwykle znacznie wyższe stopnie ochrony IP. Na przykład: parametry działania złączy odpornych na czynniki atmosferyczne o stopniu ochrony IP65 nie ulegną obniżeniu na skutek ekspozycji na pył przez dwie do ośmiu godzin. Ponadto takie złącza są chronione przed strumieniami wody, przy czym istnieje możliwość przenikania niewielkiej ilości wody.

Złącza wodoszczelne o stopniu ochrony IP67 są pyłoszczelne i mogą być zanurzone w wodzie na głębokość 1 metra na okres 30 minut bez wnikania wody. W przypadku bardziej wymagających zastosowań dostępne są jeszcze wyższe stopnie ochrony przed wodą (ilustracja 1).

Ilustracja 1: definicje stopni ochrony przed wnikaniem (IP). (Źródło ilustracji: Amphenol)

Zmienność powodowana przez drgania

Aby zapewnić niezawodne działanie, złącza muszą mieć solidne styki. Może to stanowić wyzwanie w środowiskach, w których występują silne drgania, takich jak systemy przemysłowe, ciężki sprzęt i zastosowania transportowe. Dwie powszechnie przywoływane normy dotyczące drgań dla złączy to LV214 i USCAR-2.

W kwestii prób środowiskowych, obydwie odwołują się do normy IEC 60068 serii SR (wymagania systemowe), która omawia szereg warunków, między innymi odnośnie wzbudzania drgań sinusoidalnych, losowych i wstrząsów, a także ekstremalnie wysokich i niskich temperatur. Odwołują się one też do normy IEC 60512-1-1, która określa kontrolę wzrokową podczas prób. Chociaż normy LV214 i USCAR-2 mają ze sobą wiele wspólnego, są od siebie różne.

Norma LV214 została opracowana przez grupę niemieckich producentów samochodów AK. Koncentruje się ona na jakości zacisków dzięki użyciu monitorów siły zagniatania. Zaciski muszą spełniać określone kryteria charakterystyki siły zagniatania. Monitory siły zagniatania mierzą nacisk podczas procesu zagniatania i zapewniają spełnienie wymagań normy.

Norma USCAR-2 jest bardziej rozbudowana. Omawia ona próby na wszystkich etapach procesu rozwoju, a także analizę terenową zacisków, złączy i innych komponentów w zastosowaniach motoryzacyjnych wysokiego napięcia (od 60V do 600V).

Obydwie normy klasyfikują drgania według pięciu poziomów intensywności. W normie LV214 poziomy są określone od S1, który oznacza najintensywniejsze drgania, zwykle w pobliżu opon, do S5, czyli najmniejszych drgań, zwykle w kabinie pasażerskiej. Poziom S2 można znaleźć w takich miejscach, jak pakiet baterii w pojeździe elektrycznym. W klasyfikacji z normy USCAR-2 wyróżnia się poziom V1 dla profilu drgań podwozia i intensywniejszy poziom V2 - profilu drgań silnika. Natomiast wyższe poziomy drgań obejmują cykle termiczne podczas próby. (Tabela 1).

Tabela 1: wymagania norm LV214 S2 i USCAR2 V1 wykazują różnice w próbach drgań losowych, czasach trwania, cyklach temperaturowych i wstrząsach półsinusoidalnych. (Źródło tabeli: Amphenol)

Firma Amphenol oferuje szeroką gamę rozwiązań przemysłowych. Zgodność z normami USCAR-2 V2 oraz LV214 S2 zapewniają na przykład złącza przewód-płytka WireLock 1,8mm firmy Amphenol. Są one przeznaczone do stosowania w motoryzacji, systemach zarządzania bateriami, zastosowaniach przemysłowych, oprzyrządowaniu oraz robotyce.

Złącza WireLock mają znamionowy prąd 3A i rozmiary przewodów od 22 do 26AWG (American Wire Gauge). Dostępne są modele z maksymalnie 40 pozycjami w konstrukcji dwurzędowej oraz pionowe i poziome konfiguracje do montażu przewlekanego oraz powierzchniowego. Istnieją cztery różne oznaczenia kolorystyczne, zabezpieczające przed nieprawidłowym połączeniem (ilustracja 2).

Ilustracja 2: złącza WireLock mają do 40 pozycji i są zgodne z normami USCAR2 V2 oraz LV214 S2. (Źródło ilustracji: Amphenol)

Wodoszczelne i wzmocnione złącza USB Type-C

Łączność USB Type-C ma kluczowe znaczenie w wielu zastosowaniach, również w przemyśle i trudnych warunkach środowiskowych. To ona dyktuje typ złącza, a nie protokół. Ponadto może obsługiwać transfer danych z prędkością do 10Gb/s oraz zasilanie. Oprócz zastosowania w łączności USB, omawiane złącza mogą być używane w łączności Thunderbolt, PCIe, HDMI, DisplayPort i innych.

Aby zapewnić obsługę maksymalnych szybkości przesyłu danych, wszystkie uziemione części w omawianych złączach, takie jak wtyki, zatrzask i powłoka zapewniająca kompatybilność elektromagnetyczną (EMC), są uziemione w taki sposób, aby zredukować rezonans. Zapobieganie rezonansowi ogranicza ilość przesłuchów i zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) oraz przyczynia się do poprawy parametrów działania złączy.

Firma Amphenol oferuje złącza USB Type-C w wersjach wodoszczelnych i wzmocnionych. Wodoszczelne złącza USB Type-C mają stopień ochrony IP68 i są bezpieczne w przypadku zanurzenia w wodzie przez dłuższy czas. Wodoszczelność uzyskuje się przy użyciu opracowanego przez firmę procesu formowania wtryskowego z użyciem materiału ciekłego (LIM), w którym na zewnętrznej stronie złącza powstaje wodoszczelny gumowy pierścień okrągły, który zapewnia całkowite uszczelnienie obudowy ze stali nierdzewnej. Wspomniane złącza 24-wtykowe wytrzymują znamionowo 10 tysięcy cykli łączenia.

W niektórych zastosowaniach wodoszczelność nie wystarczy. W takich przypadkach projektanci mogą sięgnąć po wzmocnione złącza MUSBR Type-C. Podobnie jak wersje wodoszczelne, te wzmocnione złącza wytrzymują 10 tysięcy cykli łączenia.

Posiadają one obudowę z czarnego termoplastycznego tworzywa sztucznego klasy UL94V-0, zamkniętą w osłonie z odlewanego stopu cynku z powłoką niklową, który zapewnia stabilność i ochronę przed wstrząsami, drganiami i uderzeniami. Tylna pokrywa jest wykonana ze stali nierdzewnej, a uszczelka z przewodzącej gumy silikonowej zapewnia stopień ochrony IP67 i możliwość pracy w zakresie temperatur od -40°C do +105°C (ilustracja 3).

Ilustracja 3: firma Amphenol oferuje złącza USB Type-C w wersji wodoszczelnej (po lewej) i wzmocnionej (po prawej). (Źródło ilustracji: Amphenol)

Rozwiązania Ethernet odporne na czynniki atmosferyczne

Przemysłowe sieci Ethernet obsługują kilka protokołów umożliwiających sterowanie i determinizm w czasie rzeczywistym w obiektach Przemysłu 4.0, w tym EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET, Modbus TCP i inne. Firma Amphenol oferuje różnorodne przemysłowe rozwiązania Ethernet dopasowane do potrzeb konkretnego zastosowania. Są one dostępne w stopniach ochrony od IP20 do IP67.

Uszczelniony przemysłowy interfejs zatrzaskowy ix serii NDH to rozwiązanie obejmujące prostokątne złącze wciskane-wyciągane i kabel, które jest odporne na czynniki atmosferyczne, posiadające stopień ochrony IP67 i obudowę odporną na promieniowanie UV, przeznaczone do użytku wewnątrz, na zewnątrz oraz w trudnych warunkach środowiskowych. Obsługuje on łączność Cat6A Ethernet przy użyciu standardowego interfejsu zgodnego z normą IEC 61076-3-124. Przykładowe funkcje (ilustracja 4):

• Wciskany-wyciągany mechanizm zatrzaskowy z blokadą zabezpieczającą
• Niewielkie rozmiary, lekkość, forma
• Dostępne w postaci zestawów wtyczek z możliwością zakańczania w terenie lub gotowych zespołów kablowych
• Współpraca ze standardowymi gniazdami ix Industrial IP20

Ilustracja 4: omawiane przemysłowe złącze Ethernet odporne na czynniki atmosferyczne (zespół w kolorze czarnym) ma stopień ochrony IP67 i jest zamknięte w obudowie odpornej na promieniowanie UV. (Źródło ilustracji: Amphenol)

Złącza M12 do trudnych warunków środowiskowych

Firma Amphenol oferuje szereg rozwiązań produktowych do trudnych warunków środowiskowych, w tym złącze wciskane-wyciągane M12 MPronto-12. Wtyczka MPronto-12 pasuje do wszystkich gniazd M12*1.0 dowolnego producenta i jest zgodna z normą IEC 61076-2-101. Stanowią one szybką i nieskomplikowaną metodę poprawy parametrów działania systemów w takich zastosowaniach, jak automatyka przemysłowa, sprzęt ciężki, pojazdy elektryczne i urządzenia przeładunkowe, ponieważ stopień ich ochrony odpowiada stopniom IP67, IP68 oraz IP69K. Współpracuje ze złączami M12 o kodach A, B, D, K, L, S, T i X. Cechy dodatkowe:

• Temperatura robocza od -20°C do +105°C
• Oszczędność ponad 80% czasu instalacji
• Słyszalne kliknięcie gwarantuje prawidłowe połączenie
• Złącza wciskane-wyciągane M12 są mniejsze od rozwiązań konkurencyjnych, które wymagają kompatybilnego komponentu do pary

Złącze D-sub z filtracją

Złącza D-Sub FCE17 z filtracją chronią integralność sygnałów danych poprzez filtrowanie przewodzonych i promieniowanych zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Są one przeznaczone do stosowania w motoryzacji, przemyśle, medycynie, teleinformatyce i energetyce.

Wbudowana filtracja umożliwia osiągnięcie wyższych parametrów działania niż w przypadku samych komponentów filtrujących, zamontowanych na układowej płytce drukowanej (PCB), a umieszczenie komponentów filtrujących w złączu zmniejsza rozmiary i koszt rozwiązania. Omawiane złącza z filtracją pasują do standardowych złączy bez filtracji i pozwalają na uzyskanie prostego ulepszenia pod względem zakłóceń elektromagnetycznych (EMI).

Szeroki zakres potrzeb w zakresie filtrowania zaspokajają różne niskoimpedancyjne kondensatory mikroelektroniczne (z dielektrykami NP0 lub X7R) o standardowych wartościach od 50pf do 47000pf. Dostępne są również niestandardowe wartości pojemności.

Technologia izolacji naprężeń firmy Amphenol pozwala tworzyć złącza o znakomitych parametrach pod względem odporności na wstrząsy mechaniczne i termiczne. Naprężenia mechaniczne wywierane na złącze lub styki nie powodują pękania elementów filtrujących ani przerw w połączeniach elektrycznych. Ponadto emisje promieniowane i przewodzone wywołane przez zewnętrzne zakłócenia elektromagnetyczne oraz urządzenia są bocznikowane do masy, co poprawia parametry kompatybilności elektromagnetycznej (EMC).

Baterie do dronów i robotów z możliwością wymiany

Projektanci układów z bateriami z możliwością wymiany, przeznaczonych do dronów, robotów i systemów elektromobilności w magazynach i fabrykach, mogą sięgnąć po złącza do baterii z możliwością wymiany DURASWAP . Są one dostępne w dwóch konfiguracjach zasilających i sześciu konfiguracjach sygnałowych; oferowane są również projekty niestandardowe. Mogą one przenosić ciągłe prądy od 15 do 70A, a ich wytrzymałość znamionowa wynosi 10 tysięcy cykli łączenia.

Łączenie bez widoczności ułatwia automatyczna korekta pozycji złącza w zakresie tolerancji ±2mm. Zasada „łączone jako pierwsze i rozłączane jako ostatnie” (FMLB) pozwala na ustanowienie połączenia masowego przed podłączeniem zasilania oraz utrzymanie połączenia masowego do czasu przerwania połączeń zasilania. Metalowa tuleja do montażu tablicowego wytrzymuje wysokie obciążenia momentem obrotowym, zapewniając skuteczną ochronę tablic przed wnikaniem ciał obcych (IP). Niektóre z pozostałych funkcji (ilustracja 5):

• Wtyki prowadzące zapewniające prawidłowe połączenie
• Stopień ochrony IP67 po połączeniu i bez połączenia
• Materiały obudowy klasy UL94V-0
• Zakres temperatur roboczych od -20°C do +90°C

Ilustracja 5: złącza zasilające wykorzystują zasadę „łączone jako pierwsze i rozłączane jako ostatnie” (FMLB) i umożliwiają łączenie bez widoczności z tolerancją przesunięcia ±2mm. (Źródło ilustracji: Amphenol)

Podsumowanie

W niniejszym artykule omówiono niektóre zagadnienia dotyczące określania specyfikacji złączy do użytku w trudnych i ekstremalnych środowiskach. W niektórych przypadkach konieczne jest rozróżnienie między próbami drgań USCAR-2 i LV214. Ponieważ coraz więcej systemów jest używanych na zewnątrz, ważne jest, aby zdawać sobie sprawę z różnicy między odpornością na czynniki atmosferyczne i wodoszczelnością oraz z różnych poziomów wodoszczelności. Wreszcie, konkretne zastosowania mogą wymagać przeanalizowania konieczności użycia złączy zasilających, w których stosowana jest zasada „łączone jako pierwsze i rozłączane jako ostatnie” (FMLB) oraz konieczności posiadania zintegrowanej funkcji filtrowania zakłóceń elektromagnetycznych w szybkich złączach do przesyłu danych.