Subtiele overwegingen voor connectors in ruwe en extreme omgevingen

Connectors die worden gebruikt in Industry 4.0-productie, robotica, logistieke apparatuur, zware machines, transportsystemen en activiteiten zoals olie- en gasproductie worden vaak blootgesteld aan zware en veeleisende omgevingen, zoals water- en zoutnevels, stof, vochtigheid, aanzienlijke schokken en trillingen, extreme temperaturen en de noodzaak om elektromagnetische compatibiliteit (EMC) te behouden. Er is een speciale klasse connectors nodig om aan deze extreme eisen te voldoen en een hoge betrouwbaarheid te garanderen.

Afhankelijk van de toepassing moeten deze connectors voldoen aan een reeks normen van de International Electrotechnical Commission (IEC), United States Council for Automotive Research LLC (USCAR), Society of Automotive Engineers (SAE), de Duitse AK Group en anderen.

Dit artikel begint met een aantal subtiele overwegingen, zoals het verschil tussen weerbestendig en waterdicht en de verschillende niveaus van waterdichtheid. Vervolgens worden de verschillen tussen de USCAR-2- en de Duitse LV 214-trillingstesten onderzocht. Het artikel sluit af met een presentatie van een reeks connectors van Amphenol, zoals draad-naar-bord, USB Type-C®, ix, M12 push-pull, gefilterde sub-D-ontwerpen en verwisselbare batterij-oplossingen die zijn ontworpen om te voldoen aan de eisen van ruwe en extreme omgevingen.

Weerbestendig vs. waterdicht

Sommige connectors worden aangeprezen als "weerbestendig". Volgens de U.S. National Weather Service wordt "weer gedefinieerd als de toestand van de atmosfeer op een bepaalde tijd en plaats, met betrekking tot variabelen zoals temperatuur, vochtigheid, windsnelheid en -richting en barometerdruk." Weerbestendig heeft verschillende betekenissen in meteorologie en connectors.

Weerbestendigheid wordt niet gebruikt in technische normen voor connectors. In de specificaties van aansluitingen worden over het algemeen geen verschillende windsnelheden of barometerdruk besproken. De meteorologische definitie van weer verwijst niet naar stof of andere deeltjes die van invloed kunnen zijn op de prestaties van connectors en is opgenomen in normen zoals IEC 60529, beschermingsgraden die worden geboden door behuizingen (IP-code), die van toepassing zijn op connectors.

IP-classificatiesysteem

Over het algemeen zijn weerbestendige connectoren ontworpen voor gebruik buitenshuis en blootstelling aan weersinvloeden. Ze zijn meestal IP65 en hoger en gemaakt van ultraviolet (UV) bestendig materiaal om langdurige blootstelling aan zonlicht aan te kunnen. Waterdichte connectors hebben een IP-waarde van IP67 of hoger. Hoewel het nuttig kan zijn om een connector te identificeren als weerbestendig of waterdicht, is het beter om de specifieke IP-waarde te bepalen.

De laagste classificatie is IP11. Dat betekent bescherming tegen binnendringen door een 50 mm object zoals een hand, maar water kan binnendringen. Connectors hebben over het algemeen een veel hogere IP-waarde. Weerbestendige connectors met een IP65-classificatie zullen bijvoorbeeld niet minder goed presteren bij blootstelling aan stof gedurende twee tot acht uur, en ze zijn beschermd tegen waterstralen waarbij beperkte waterindringing is toegestaan.

Waterdichte connectors met een IP67-classificatie zijn stofdicht en kunnen 30 minuten worden ondergedompeld tot een diepte van 1 meter zonder dat er water binnendringt. Voor veeleisende toepassingen zijn er zelfs nog hogere IP-waarden voor bescherming tegen water (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Definities van beschermingsgraad tegen binnendringing. (Bron afbeelding: Amphenol)

Trillingsvariaties

Voor een betrouwbare werking moeten connectoren veilige contacten hebben. Dat kan een uitdaging zijn in omgevingen met veel trillingen, zoals industriële systemen, zware apparatuur en transporttoepassingen. Twee veelgebruikte trillingsnormen voor connectors zijn LV214 en USCAR-2.

Beide verwijzen naar IEC 60068, SR-serie (systeemvereisten) voor omgevingstesten die een reeks omstandigheden omvat, waaronder sinus-, willekeurige en schokopwekking en extreme hitte en koude. Ze verwijzen naar IEC 60512-1-1, die visuele inspectie tijdens het testen voorschrijft. Hoewel ze veel gemeen hebben, verschillen LV214 en USCAR-2.

De AK Group van Duitse autofabrikanten ontwikkelde LV214. Het is gericht op de kwaliteit van terminals met behulp van krimpkrachtmonitoren. Terminals moeten voldoen aan specifieke criteria voor krimpkrachteigenschappen. Krimpkrachtmonitors meten de toegepaste druk tijdens het krimpproces en zorgen ervoor dat deze voldoet aan de vereisten van de norm.

USCAR-2 is uitgebreider. Het omvat tests in alle ontwikkelingsstadia en veldanalyses van aansluitingen, connectors en andere componenten in hoogspanningsapplicaties (60 V tot 600 V) voor de automobielindustrie.

Beide normen delen trillingen in vijf intensiteitsniveaus in. In LV214 variëren de niveaus van S1, de hevigste trilling, meestal in de buurt van de banden, tot S5, de minst hevige, meestal in de passagierscabine. Niveau S2 is te vinden op locaties zoals het batterijpakket in een EV. De USCAR-2 classificaties omvatten V1 voor het trillingsprofiel van het chassis en het zwaardere V2-trillingsprofiel van de motor. (Tabel 1).

Tabel 1: De vereisten voor LV214 S2 en USCAR2 V1 tonen verschillen in willekeurige trillingen, duur, temperatuurcycli en halfsinusschoktests. (Bron tabel: Amphenol)

Amphenol biedt een breed scala aan industriële oplossingen. De WireLock 1,8 mm draad-naar-bordconnectors van Amphenol voldoen bijvoorbeeld aan USCAR-2 V2 en LV214 S2. Ze zijn ontworpen voor de auto-industrie, batterijbeheersystemen, industriële en instrumentatietoepassingen en robotica.

WireLock-connectors hebben een nominale stroomsterkte van 3 A en verwerken draadmaten van 22 tot 26 American wire gauge (AWG). Modellen met maximaal 40 posities in een dubbelrijig ontwerp en verticale en horizontale configuraties voor doorvoer- en opbouwmontage zijn verkrijgbaar. Er zijn vier verschillende kleuren voor codering tegen verkeerd paren (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: WireLock-connectors hebben maximaal 40 posities en voldoen aan USCAR2 V2 en LV214 S2. (Bron afbeelding: Amphenol)

Waterdicht en robuust USB Type-C

USB Type-C-connectiviteit is van vitaal belang in vele toepassingen, waaronder industriële en ruwe omgevingen. Het definieert een connectorstijl, geen protocol, en kan gegevensoverdracht tot 10 Gigabit per seconde (Gb/s) en stroomtoevoer ondersteunen. Naast de toepassing in USB-connectiviteit kunnen deze connectors worden gebruikt voor Thunderbolt, peripheral component interconnect express (PCIe), high-definition multimedia interface (HDMI), DisplayPort en andere protocollen.

Om maximale gegevenssnelheden te ondersteunen, zijn alle geaarde onderdelen in deze connectoren, zoals de pennen, vergrendeling en EMC-plaat, geaard om resonantie te verminderen. Het beheersen van resonantie beperkt de hoeveelheid overspraak en elektromagnetische interferentie (EMI) en draagt bij aan betere connectorprestaties.

Amphenol biedt USB Type-C-connectors in waterdichte en robuuste versies. De waterdichte USB Type-C-connectors zijn IP68-geclassificeerd en beschermd tegen onderdompeling in water voor langere perioden. De waterdichtheid wordt bereikt door gebruik te maken van het LIM-proces (liquid injection molding) van het bedrijf om een waterdichte rubberen O-ring aan de buitenkant van de connector te maken die ervoor zorgt dat het roestvrijstalen omhulsel volledig is afgedicht. Deze 24-pins connectors zijn bestand tegen 10.000 paringscycli.

Voor sommige toepassingen is waterdichting niet voldoende. Ontwerpers kunnen zich voor deze toepassingen wenden tot de MUSBR rugged Type-C USB-connector. Net als de waterdichte versies zijn deze robuuste connectors bestand tegen 10.000 paringscycli.

Ze hebben een behuizing van UL94V-0 zwart engineering thermoplastic in een gegoten zinklegering met vernikkelde behuizing die stabiliteit biedt ter bescherming tegen schokken, trillingen en stoten. Het achterdeksel is van roestvrij staal en een geleidende afdichting van siliconenrubber ondersteunt een IP67-classificatie en een bedrijfstemperatuur van -40 °C tot 105 °C (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Amphenol biedt USB Type-C-connectors in waterdichte (links) en robuuste (rechts) versies. (Bron afbeelding: Amphenol)

Weerbestendig Ethernet

Industrial Ethernet maakt verschillende protocollen mogelijk die real-time besturing en determinisme in Industry 4.0-faciliteiten ondersteunen, waaronder EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET, Modbus TCP en andere. Amphenol biedt een verscheidenheid aan industriële Ethernet-oplossingen voor specifieke toepassingsbehoeften. Ze zijn verkrijgbaar met IP-classificaties van IP20 tot IP67.

De NDH-serie verzegelde ix industriële vergrendelingsinterface is een rechthoekige push-pull-connector en kabeloplossing die weerbestendig is met een IP-classificatie van IP67 en in een UV-bestendige behuizing voor gebruik binnen, buiten en in ruwe omgevingen. Ze ondersteunen Cat6A Ethernet-connectiviteit via een standaard IEC 61076-3-124-interface. Kenmerken zijn onder andere (Afbeelding 4):

• Push-pull positief vergrendelingsmechanisme
• Kleine, lichtgewicht vormfactor
• Verkrijgbaar als in het veld te installeren plugkits of kant-en-klare kabelsamenstellingen
• Past op standaard industriële IP20 ix-receptacles

Afbeelding 4: Deze weerbestendige industriële Ethernet-connector (zwarte assemblage) is IP67-gecertificeerd en zit in een UV-bestendige behuizing. (Bron afbeelding: Amphenol)

M12 voor ruwe omgevingen

Amphenol biedt een reeks productoplossingen voor ruwe omgevingen, waaronder de MPronto-12 M12 push-pull-connectors. De MPronto-12 plug past op alle M12*1.0 bussen en voldoet aan IEC 61076-2-101 van alle fabrikanten. Ze bieden een snelle en eenvoudige manier om de systeemprestaties te upgraden in toepassingen zoals industriële automatisering, zwaar materieel, elektrische voertuigen en materiaalbehandelingsapparatuur, omdat ze voldoen aan de IP67-, IP68- en IP69K-beschermingsgraad en M12 A, B, D, K ondersteunen. L-, S-, T- en X-codes. Extra functies zijn onder andere:

• -20 °C tot 105 °C bedrijfstemperatuur
• Bespaart meer dan 80% installatietijd
• Hoorbare klik zorgt voor positieve koppeling
• Kleiner dan concurrerende M12 push-pull-connectors waarvoor een paar nodig is

Gefilterde D-sub

FCE17 D-sub-filterconnectors beschermen de integriteit van datasignalen door interferentie van geleide en uitgestraalde EMI te filteren. Ze zijn ontworpen voor de automobiel-, industriële, medische, datacommunicatie- en energie-industrie.

De filtering overtreft de prestaties van dezelfde filtercomponenten die op de printplaat (PCB) van het systeem zijn gemonteerd en door de filtercomponenten in de connector op te nemen, worden de afmetingen en kosten van de oplossing gereduceerd. Deze gefilterde connectoren passen in de standaard voetafdruk van ongefilterde connectoren en ondersteunen eenvoudige upgrades van de EMI-prestaties.

Diverse chipcondensatoren met lage impedantie (NP0 of X7R diëlektrica) in standaardwaarden van 50 picoFarads (pf) tot 47000 pf zijn beschikbaar om te voldoen aan een groot aantal filterbehoeften. Aangepaste capaciteitswaarden zijn ook beschikbaar.

De spanningsgeïsoleerde technologie van Amphenol produceert connectors met superieure mechanische en thermische schokbestendigheid. Mechanische spanning op de connector of de contacten zal niet leiden tot het barsten van de filterelementen of het verbreken van de elektrische verbinding. Bovendien worden uitgestraalde en geleide emissies van externe EMI en van het apparaat naar de aarde geleid, waardoor de EMC-prestaties worden verbeterd.

Drone en robot verwisselbare batterijen

Ontwerpers van verwisselbare batterijsystemen voor drones, robots en e-mobiliteitssystemen in magazijnen en fabrieken kunnen de DURASWAP verwisselbare batterijconnectoroplossingen gebruiken. Ze zijn verkrijgbaar in twee vermogens- en zes signaalconfiguraties; aangepaste ontwerpen zijn ook mogelijk. Ze kunnen continue stromen van 15 tot 70 ampère (A) dragen en zijn berekend op 10.000 koppelcycli.

Blindkoppelen wordt ondersteund met een vlotter van ±2 millimeter (mm). De first-mate last-break-technologie (FMLB) zorgt ervoor dat de aardingsverbinding tot stand wordt gebracht vóór de voedingsaansluitingen en dat de aardingsverbinding behouden blijft tot na het verbreken van de voedingsaansluitingen. De metalen bus voor paneelbevestiging is bestand tegen hoge koppelbelastingen voor een efficiënte afdichting van paneel-IP. Andere kenmerken zijn (Afbeelding 5):

• Geleidepinnen voor een goede passing
• IP67-beschermingsgraad, zowel gekoppeld als losgekoppeld
• Behuizingsmaterialen UL94V-0
• Bedrijfstemperatuurbereik van -20 °C tot 90 °C

Afbeelding 5: Deze voedingsconnectoren bevatten FMLB-technologie en ondersteunen blindkoppelen met een vlotter van ±2 mm. (Bron afbeelding: Amphenol)

Conclusie

In dit artikel zijn enkele overwegingen besproken bij het specificeren van connectors voor gebruik in ruwe en extreme omgevingen. In sommige gevallen is het nodig om een onderscheid te maken tussen USCAR-2- en LV214-trillingstesten. Omdat steeds meer systemen buiten worden gebruikt, is het belangrijk om het verschil te kennen tussen weerbestendig en waterdicht en de verschillende niveaus van waterdichtheid. Tot slot kunnen toepassingsspecifieke overwegingen het gebruik van FMLB-technologie in voedingsconnectors en geïntegreerde EMI-filtering in snelle dataconnectors omvatten.