Hvordan konstruere for robuste miljøer ved hjelp av forseglede kontakter

Designere presser stadig mer elektronikk inn i stadig vanskeligere eller trangere rom, spesielt innen transport, industrielle systemer og smarte husholdningsapparater som vaskemaskiner. I slike utrustninger kan sammenkoblingsruting resultere i mange pålitelighets- og pålitelighetsutfordringer på grunn av støv, inntrengning av fukt, ekstreme temperaturer og mekaniske påkjenninger.

Selv innenfor samme system kan kravene til individuelle tilkoblinger variere mye. Kabler med digitale lavspenningssignaler har forskjellige sammenkoblingsproblemer sammenlignet med tykkere ledninger med høy spenning for motorer og strømdistribusjon. Feil valg av kontakt kan føre til fullstendige eller periodiske signalfeil, kostbare nedetider og vedlikeholdsproblemer.

Denne artikkelen vil ta for seg utfordringene med å velge passende robuste kabelsammenkoblingsløsninger som er robuste nok for utrustningen. Den vil forklare hvordan riktig bruk av et IP67-klassifisert og USCAR-2 tetningskoblingssystem av klasse 2 kan sikre pålitelige sammenkoblinger som også senker kostnadene for vedlikehold og reparasjon. Deretter introduseres en rekke IP67-klassifiserte og USCAR-2 Sealing Class 2-sammenkoblingsløsninger fra Molex og viser hvordan de kan brukes til å håndtere en rekke bruksområder.

Industrielle hensyn til konstruksjon av sammenkoblinger

Designere av utstyr for industrimiljøer må ta hensyn til partikkelforurensende stoffer, væsker og ekstreme temperaturer. I tillegg må industrielle systemer være forberedt på å håndtere uforutsigbare forhold på grunn av endringer i miljøet eller utstyret.

Industrianlegg som fabrikker og lagre benytter en rekke sammenkoblingsløsninger, mange av dem robuste. Biler og lastebiler kvalifiserer seg også som bevegelige industrimiljøer. Det er generelle retningslinjer som må tas hensyn til for disse sammenkoblingssituasjonene. Den mest grunnleggende er motstand mot alle typer partikler, fra jernfyllinger og metallfragmenter til støv og fint pulver. Jo finere partiklene er, desto høyere er sannsynligheten for at de er luftbårne. Vanlig støv, sot og andre fine partikler fra tungt utstyr kan for eksempel holdes høyt av vifter og ventilasjonssystemer og lande mange fot fra kilden. Disse partiklene kan komme inn i alle uforseglede åpninger, inkludert sammenføyde kontakter, som forurenser innvendige overflater. Dette kan forårsake paringsproblemer fra periodiske feil på grunn av tilkoblingsmotstand til totalt tap av kontakt. Hvis partiklene er slipende eller etsende, kan det også forårsake permanent koblingsfeil som krever en dyr og tidskrevende utskifting.

Ulike væsker finnes også i industrimiljøer. Vann, bensin, oljer og forskjellige kjemikalier er vanlige i tunge industrimiljøer. Inntrenging av disse væskene som væske eller damp i et sammenkoblet koblingssystem kan føre til kortslutninger og igjen resultere i feil på utstyret.

IP67-klassifiserte sammenkoblingssystemer

I stedet for å lage en rekke kontakter for ulike miljøforhold i industrimiljøer, har bransjen standardisert på å bruke ledninger, kabler og tilkoblingssystemer som er IP67-klassifiserte. Selv om de to bokstavene IP offisielt står for de tre ordene «internasjonal beskyttelsesvurdering», er det mest kjent ved sin uoffisielle, men mer nøyaktige “inngangsbeskyttelse”. IP67 definerer sammenkoblingssystemets motstand mot partikler og fremmedlegemer, samt dets motstand mot vanninntrengning.

«6» i IP67 indikerer at en sammenkobling er fullstendig ugjennomtrengelig for partikler, inkludert fint støv. Dette oppnås primært ved en tett tetning mellom paringshusene til de to parede kontaktene. «7» indikerer at et IP67-sammenkoblingssystem kan motstå nedsenkning i vann til en dybde på én meter i opptil 30 minutter. Dette er godt nok for de fleste industrimiljøer.

Den tette tetningen mellom de sammenkoblede husene til de to kontaktene hjelper, men vannmotstand oppnås primært av en koblingspakning som vanligvis er motstandsdyktig ikke bare mot vann, men også motstandsdyktig mot mange kjemikalier. Ulike pakningsmaterialer er motstandsdyktige mot forskjellige kjemikalier, så ved valg av et sammenkoblingssystem er pakningsmaterialet som brukes et viktig hensyn.

Kobling av digitale laveffektsignaler

Selvfølgelig har ikke alle kabelsammenkoblingssystemer de samme behovene. Sammenkoblingsløsninger for digitale logiske signaler dypt inne i IP67-klassifisert utstyr trenger vanligvis bare håndtere 5 volt eller mindre ved strømmer rundt 500 milliampere (mA). Disse laveffektsignalene bruker små lette kabelkontakter som vanligvis ikke ser mye fysisk misbruk. Kontaktene må være enkle å pare for rask utstyrsmontering, og lette nok til at de ikke belaster lavstrømsledningene i kabelmontasjen. For disse sammenkoblingene har Molex Mizu-P25 miniatyr kabel-til-ledning-tilkoblingssystem. Disse vanntette IP67-sertifiserte kontaktene holder støv og vann ute av den sammenkoblede montasjen i et praktisk kompakt hus.

Et eksempel på et paret to-posisjons vanntette tilkoblingssystem er IP67-klassifiserte Mizu-P25-kontakter er Molex 0521160240-pluggen og Molex 0521170240-stikkontakten (figur 1). Når de er fullstendig sammenparet, er de to kontaktene bare 25,5 mm lange, egnet for små, trange rom.

Figur 1: Molex Mizu-P25 0521160240-pluggen og 0521170240-kontaktsystemet med to posisjoner gir solid beskyttelse mot støv og vann. De sammenkoblede kontaktene er bare 25,5 mm lange og gir et solid klikk når de er riktig sammenkoblet. (Bildekilde: Molex)

Huset og hetten til hver kontakt er laget av polyester, som har utmerket motstand mot vann, er flammebestandig,samt den falmer ikke eller sprekker ikke ved langvarig eksponering for sollys. Polyesterkontakter er også motstandsdyktige mot brudd og vil bøye seg under normal bruk mens de motstår deformasjon. Dette gjør tilkoblingssystemet robust nok for grov håndtering når det pares under utstyrsmontering. Polyesterkontakter har også utmerket kuttmotstand, ideell for glidende slitasje som oppstår når kontaktene pares og tas fra hverande.

Både ringtetningen på kontakten og endetetningen på kabelen bruker silikonpakninger som gir en lufttett tetning mot vann og støv. Silikonpakninger og tetninger opprettholder fleksibilitet ved lave temperaturer, noe som gjør disse kontaktene perfekte for lavtemperaturutstyr som kjøleskap og utendørs utstyr for kaldt vær. Disse kontaktene har to posisjoner med 5 mm stigning, noe som isolerer de to signalene på en sikker måte. De er brukermontert ved hjelp av klemte stifter for enkel montering.

Koblingssystemet er designet for enkel paring, uavhengig av crimp-terminalene valgt av systemutviklerne. Når kontaktene pares riktig, gir de et tydelig hørbart klikk for å indikere at kontaktene er solidt paret. Dette hjelper teknikere under systemmontering og sørger for en tett paringstetning.

Dette Molex Mizu-P25-tilkoblingssystemet er klassifisert til 250 volt og har et driftstemperaturområde fra -40 °C til +105 °C. Dette gjør Molex Mizu-P25 0521160240-pluggen og 0521170240-kontaktsystemet egnet for hvitevarer og mange industrielle systemer for kaldt vær. IP67-klassifiseringen indikerer for utstyrsdesignerne at tilkoblingssystemet er sikret mot vann og støv og ikke krever omfattende miljøtesting av tilkoblingssystemet.

Robust og forseglet tilkobling for enkelt vedlikehold

Noen ganger kreves det sammenkoblingssystemer for å håndtere høyere strømmer og være vedlikeholdsvennlige i tøffe omgivelser. Sammenkoblingssystemet må ikke bare gi en sikker tilkobling som ikke vil kobles fra ved et uhell, men også være enkelt å koble fra under vedlikeholdsaktiviteter. I disse situasjonene kan designere bruke Molex sitt Squba-forseglede lednings-til-tråd-sammenkoblingssystem. Squba-kontaktene er også IP67-klassifiserte og kan levere mer effekt i en mindre format. Molex Squba 2042230004-pluggen og 2042200004-kontakten er for eksempel fireposisjonskontakter med en stigning på 1,80 mm som gir pålitelig strøm og signallevering (figur 2).

Figur 2: Molex Squba 2042230004-pluggen (venstre) og 2042200004-stikkontakten (høyre) er et sammenkoblingssystem med fire posisjoner utformet for å gi solid beskyttelse av høye strømmer i våte miljøer. (Bildekilde: Molex)

Disse Molex Squba-kontaktene bruker klemte terminaler og gir et klikk når de er riktig tilkoblet. Koblingslåsen på stikkontakten er lav profil, noe som minimerer sjansen for å bli fanget på eksternt utstyr. Låsen gir en fast, sikker tilkobling som enkelt kan kobles fra under vedlikehold, enten ved å påføre en fast oppadgående kraft ved hjelp av fingre eller ved hjelp av et standard lirkeverktøy for opplåsing/deling.

Både Squba-pluggen og stikkontakthuset er laget av nylon, som er eksepsjonelt sterkt og motstandsdyktig mot de fleste industrielle kjemikalier. Dette gjør Molex Squba-sammenkoblingssystemet egnet for ethvert miljø der kontaktene kan flyttes, skyves eller påvirkes av utstyr. Sammenkoblingssystemet er forseglet mot støv og fuktighet ved hjelp av silikonforseglinger.

Hver koblingsstift kan levere 125 volt vekselstrøm eller likestrøm. Anbefalte ledningstykkelser er 0,25–0,33 mm2 (22–24 AWG). Ved hjelp av tapper klemt til strandet 22 AWG-ledning kan hver tapp håndtere maksimalt 5,25 ampere (A) ved 30 °C for en maksimal strømbærende kapasitet på 21 A. Maksimal strømkapasitet varierer med temperaturen, så konstruktører må være nøye oppmerksomme på kontaktens dokumentasjon for å sikre at kontaktens tiltenkte strømgjennomstrømning er hensiktsmessig for forholdene.

Driftstemperaturen er klassifisert til -40 °C til +105 °C, og sammen med en IP67-klassifisering er kontaktene egnet for miljøer som HVAC-systemer, drikkevaredispenseringsutstyr og industrielt utstyr som må fungere i kalde eller våte miljøer.

Sammenkobling med flere kretser under vann

Noen ganger er et sammenkoblingssystem ikke så enkelt som å sammenkoble de samme signalene på én kabel. Av og til må flere kretstyper overføres langs samme kabling, inkludert digitale signaler, styringssignaler med høy strøm og strømforsyningstilkoblinger. Disse situasjonene krever et hybridt sammenkoblingssystem som kan håndtere forskjellige størrelser på kontakter. For disse utrustningene kan designere bruke Molex MX150 Hybrid sammenkoblingssystem for kabelmoduler. MX150 Hybrid-systemet er validert i henhold til kravene i USCAR-2 Sealing Class 2, som ligner på IP67-klassen. USCAR-2 klasse 2 krever å bestå en trykkvakuumtest nedsenket i vann.

Når den er montert, er Molex MX150 Hybrid et fullstendig forseglet koblingssystem, egnet for situasjoner der de sammenkoblede koblingene kan bli enten nedsenket, eller i et svært vått miljø der væsker og høytrykksvannsspray er vanlig.

Molex MX150 Hybrid 1601126001 12-posisjonsplugg og 1601116006 12-posisjonsbeholder (figur 3) kan inneholde en blanding av opptil ti 1,5 mm bladterminaler og opptil to 2,5 mm bladterminaler. De 1,5 mm-terminalene kan brukes til å transportere logikksignaler på lavt nivå, mens de to 2,8 mm bladterminalene kan brukes til å lede opptil 22 A. Dette gjør dette sammenkoblingssystemet egnet for bilindustrielle og industrielle utrustninger der et enkelt ledningsnett må transportere både strøm og data til en enkelt maskin.

Figur 3: Molex MX150 Hybrid 1601126001 12-posisjonsplugg (venstre) og dens partner, 1601116006-beholderen (høyre), kan trygt håndtere en blanding av 1,5 mm og 2,80 mm bladede terminaler i et nedsenkbart sammenkoblingssystem. (Bildekilde: Molex)

Når MX150 IP67 hybridkoblingssystemet er fullstendig montert og paret, er det immunt mot forurensning fra skitt eller støv. Den kan senkes under vann, samt brukes i området -40 °C til +125 °C. Koblingshuset er en kombinasjon av nylon og glass, noe som er svært slitesterkt og motstandsdyktig mot grov håndtering og milde støt. Dette gjør dette sammenkoblingssystemet egnet for tøffe industrimiljøer og mange forbruksapparater, samt utrustninger for bilmotor, der kontakten utsettes for ekstreme temperaturer, høytrykksvannsspray og hard påvirkning fra tunge gjenstander.

Molex MX150 Hybrid 1601126001 plugg og 1601116006 kontakt må settes sammen som en del av en kabel eller ledningsnett. Denne enheten krever at terminalene settes inn i pluggen og stikkontakten. Det er imidlertid mulig for monteringsteknikere å noen ganger ikke sette terminalene helt inn i koblingshuset, noe som fører til upålitelige tilkoblinger. I disse situasjonene inkluderer hver av disse kontaktene et terminalposisjonssikringshus (terminal position assurance – TPA).

Under en vellykket pinneinnsetting i TPA-huset, vil monteringsteknikeren føle at pinnen låses fast i posisjon. Hvis terminalen ikke settes riktig inn, vil pluggen og kontakten ikke låse seg ved paring. Dette garanterer at pinnene er riktig satt inn, noe som øker systemets pålitelighet.

Konklusjon

Designere av systemer for industri-, transport- eller husholdningsapparater må sikre at deres tilkoblinger tåler påføringens stivheter, inkludert trange rom, støv og smuss, ekstreme temperaturer, væsker og oljer og annet gjennomtrengende materiale. For å forenkle designprosessen kan designere se etter spesialdesignede kontakter klassifisert til IP67 eller for å håndtere både støv- og smussinntrengning, så vel som fuktighet og væskeinntrengning.

Som vist finnes det et utvalg av IP67-klassifiserte kontakter som er egnet for et bredt spekter av krav til utrustninger, fra digitale signaler på lavt nivå til høystrømsleveranse. Å velge riktig IP67-klassifisert koblingsmontasje sikrer systemets pålitelighet og minimerer risikoen for dyre nedetider eller reparasjoner.