Nyanserike faktorer for kontakter i tøffe og ekstreme omgivelser

Kontakter som brukes i Industri 4.0-produksjon, robotikk, logistikkutstyr, tunge maskiner, transportsystemer og virksomheter for olje- og gassproduksjon, blir ofte utsatt for tøffe og krevende omgivelser med vann- og saltsprut, støv, fuktighet, gjentatte slag og vibrasjoner, ekstreme temperaturer og behov for å opprettholde elektromagnetisk kompatibilitet (EMC – electromagnetic compatibility). Det kreves en bestemt klasse av kontakter for å håndtere disse ekstreme kravene og sikre høy pålitelighet.

Avhengig av bruksområdet, må disse kontaktene oppfylle en rekke standarder fra International Electrotechnical Commission (IEC), United States Council for Automotive Research LLC (USCAR), Society of Automotive Engineers (SAE), tyske AK Group og andre.

Denne artikkelen begynner med en titt på noen nyanserike faktorer, for eksempel forskjellen mellom «værbestandig» og «vanntett», samt de forskjellige nivåene av vanntett ytelse. Den ser deretter nærmere på forskjellene mellom USCAR-2-vibrasjonstesting og tysk LV 214-vibrasjonstesting. Artikkelen avsluttes med en serie kontakter fra Amphenol, for eksempel ledning-til-kort, USB Type-C®, ix, M12 push-pull, filtrert sub-D-konstruksjon og utskiftbare batteriløsninger konstruert for å møte kravene til tøffe og ekstreme miljøer.

Værbestandig kontra vanntett

Noen kontakter kalles «værbestandige». I henhold til «US National Weather Service» er vær definert som «tilstanden til atmosfæren på et gitt tidspunkt og sted, med hensyn til variabler som temperatur, fuktighet, vindhastighet og retning og barometertrykk». Ordet værbestandig har forskjellige betydninger i meteorologi og kontakter.

Værbestandig brukes ikke i tekniske standarder for kontakter. Kontaktspesifikasjoner tar vanligvis ikke for seg ulike vindhastighetsnivåer eller barometertrykk. Den meteorologiske definisjonen av vær refererer ikke til støv eller andre partikler som kan påvirke kontaktens ytelse, og er inkludert i standarder som IEC 60529 – IP-gradbeskyttelse som tilbys av kabinetter – som gjelder for kontakter.

IP-klassifiseringssystem

Vanligvis er værbestandige kontakter konstruert for utendørsbruk og væreksponering. De er vanligvis klassifisert for IP65 og høyere, og de er laget ved hjelp av materialer som er motstandsdyktige mot ultrafiolette (UV) stråler, slik at de er i stand til å håndtere langvarig eksponering for sollys. Vanntette kontakter har IP-klassifiseringer på IP67 eller høyere. Selv om det kan være nyttig å identifisere en kontakt som værbestandig eller vanntett, er det bedre å fastsette den spesifikke IP-klassifiseringen.

Den laveste klassifiseringen er IP11. Dette betyr beskyttelse mot gjennomtrenging av en 50 mm gjenstand, for eksempel en hånd, men vann kan trenge inn. Kontakter har vanligvis mye høyere IP-klassifiseringer. For eksempel vil ikke værbestandige kontakter klassifisert for IP65 få redusert ytelse ved eksponering for støv i to til åtte timer, og de er beskyttet mot vannstråler, der begrenset vanninntrengning er tillatt.

Vanntette kontakter med IP67-klassifisering er støvtette og kan senkes ned til en dybde på 1 meter i 30 minutter uten at vann trenger inn. For mer krevende bruksområder, er enda høyere IP-klassifiseringer for vannbeskyttelse tilgjengelig (figur 1).

Figur 1: Definisjoner for IP-klassifisering. (Bildekilde: Amphenol)

Vibrasjonsvariasjoner

For å sikre pålitelig drift, må kontaktene ha sikre kontaktpinner. Det kan være utfordrende i omgivelser med høye vibrasjoner, for eksempel industrielle systemer, tungt utstyr og transportutrustninger. To vanlige refererte vibrasjonsstandarder for kontakter, er LV214 og USCAR-2.

Begge refererer til IEC 60068, SR-serien (SR – system requirements – systemkrav) for miljøtesting som dekker en rekke forhold, deriblant sinus, tilfeldig og støteksitering, samt ekstrem varme og kulde. De refererer til IEC 60512-1-1, som spesifiserer visuell inspeksjon under testing. Selv om de har mye til felles, er LV214 og USCAR-2 forskjellige.

AK-gruppen, som består av tyske bilprodusenter, utviklet LV214. Den er fokusert på kvaliteten til terminaler ved å bruke krympekraftovervåkere. Terminaler må oppfylle spesifikke kriterier for krympekraftegenskaper. Krympekraftovervåkere måler det påførte trykket under krympeprosessen og sikrer at det oppfyller standardens krav.

USCAR-2 er mer ekspansiv. Denne inkluderer testing i alle utviklingsstadier, samt feltanalyse av terminaler, kontakter og andre komponenter i høyspente (60 V til 600 V) kjøretøyutrustninger.

Begge standardene klassifiserer vibrasjoner i fem intensitetsnivåer. I LV214 varierer nivåene fra S1, den sterkeste vibrasjonen, vanligvis i nærheten av dekkene, til S5, den svakeste vibrasjonen, vanligvis i passasjerkupéen. Nivå S2 er å finne på steder som batteripakken i en elbil. USCAR-2-klassifiseringene inkluderer V1-chassisvibrasjonsprofilen og den strengere V2-motorvibrasjonsprofilen, og høyere vibrasjonstestingsnivåer inkluderer termisk syklisk gjennomløp under testen. (Tabell 1).

Tabell 1: Kravene til LV214 S2 og USCAR2 V1 viser forskjeller i tilfeldig vibrasjon, varighet, syklusgjennomgang av temperatur og halvsinus-støttesting. (Tabellkilde: Amphenol)

Amphenol tilbyr et bredt utvalg av industrielle løsninger. For eksempel er de 1,8 mm WireLock ledning-til-kort-kontaktene fra Amphenol kompatible med USCAR-2 V2 og LV214 S2. De er utviklet for bilindustrien, batteristyringssystemer, industri- og instrumenteringsutrustninger og robotteknologi.

WireLock-kontakter har en nominell strømstyrke på 3 A og kan håndterer ledningsstørrelser fra 0,34 til 0,14 mm² (22 til 26 AWG). Modeller med opptil 40 posisjoner i en layout med to rader og vertikale og horisontale konfigurasjoner for hullmontering og overflatemontering, er tilgjengelige. Det er fire forskjellige farger for koding mot feilparing (figur 2).

Figur 2: WireLock-kontakter har opptil 40 posisjoner og er i samsvar med USCAR2 V2 og LV214 S2. (Bildekilde: Amphenol)

Vanntett og robust USB Type-C

USB Type-C-konnektivitet er viktig på tvers av mange bruksområder, inkludert industrielle og tøffe omgivelser. Den definerer en kontakttype, ikke en protokoll, og kan støtte dataoverføringer på opptil 10 gigabit per sekund (Gb/s) og strømforsyning (Power Delivery). I tillegg til å brukes for USB-konnektivitet, kan disse kontaktene brukes for Thunderbolt, PCIe (Peripheral Component Interconnect Express), HDMI (High-Definition Multimedia Interface), DisplayPort og andre protokoller.

For å støtte maksimale datahastigheter, er alle jordede deler i disse kontaktene, slik som pinnene, låsemekanismen og EMC-laget, jordet for å redusere resonans. Styring av resonans begrenser hvor mye krysstale og elektromagnetisk interferens (EMI) som genereres, og bidrar til forbedret kontaktytelse.

Amphenol tilbyr USB Type-C-kontakter i vanntette og robuste versjoner. De vanntette USB Type-C-kontaktene er klassifisert for IP68 og beskyttet mot nedsenking i vann over lengre perioder. Vanntetting oppnås ved å bruke selskapets flytende sprøytestøpingsprosess (LIM – liquid injection molding) for å danne en vanntett gummi-O-ring på utsiden av kontakten, noe som sørger for at det rustfrie stålskallet er helt forseglet. Disse 24-pinners kontaktene er klassifisert for 10 000 tilkoblingssykluser.

Vanntetting er ikke nok for visse bruksområder. Konstruktører kan bruke MUSBR Rugged Type-C USB-kontakten for disse bruksområdene. I likhet med de vanntette versjonene, er disse robuste kontaktene klassifisert for 10 000 tilkoblingssykluser.

De har et hus av svart termoplast med UL94V-0-klassifisering, som er plassert i et støpt sinklegeringsskall med nikkelplettering som gir stabilitet for å beskytte mot støt, vibrasjoner og slag. Det bakre dekselet er rustfritt stål, og en ledende silikongummipakning støtter IP67-klassifisering og driftstemperaturer fra –40 °C til +105 °C (figur 3).

Figure 3: Amphenol tilbyr USB Type-C-kontakter i vanntette (venstre) og robuste (høyre) versjoner. (Bildekilde: Amphenol)

Værbestandig Ethernet

Industrielt Ethernet muliggjør flere protokoller som støtter sanntidsstyring og -determinisme i Industri 4.0-anlegg, inkludert EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET, Modbus TCP og andre. Amphenol tilbyr en rekke industrielle Ethernet-løsninger for å dekke spesifikke konstruksjonsbehov. De er tilgjengelige med IP-klassifiseringer fra IP20 til IP67.

Forseglede industrielle ix-låsetilkoblinger i NDH-serien er rektangulære push-pull-kontakter og kabelløsninger som er værbestandige, med en IP-klassifisering på IP67 og innlemmet i UV-bestandige hus for bruk innendørs, utendørs og i tøffe omgivelser. De støtter Cat6A Ethernet-tilkobling som bruker en standard IEC 61076-3-124-sammenkobling. Funksjoner omfatter (figur 4):

• Positiv push-pull-låsemekanisme
• Liten, lett formfaktor
• Tilgjengelige som feltterminerbare pluggsett eller ferdiglagde kabelmoduler
• Mates med standard industrielle IP20 ix-uttak

Figur 4: Denne værbestandige industrielle Ethernet-kontakten (svart enhet) er IP67-klassifisert og kommer i et UV-bestandig hus. (Bildekilde: Amphenol)

M12 for tøffe omgivelser

Amphenol tilbyr en rekke produktløsninger for tøffe omgivelser, inkludert MPronto-12 M12 push-pull-kontaktene. MPronto-12-pluggen passer i alle M12* 1.0-uttak og er i samsvar med IEC 61076-2-101 fra alle produsenter. De gir en rask og enkel måte å oppgradere systemytelsen på i bruksområder som industriell automatisering, tungt utstyr, elektriske kjøretøy og materialhåndteringsutstyr, siden de oppfyller IP67-, IP68- og IP69K-klassifiseringene for inntrengningsbeskyttelse (IP), og de støtter M12 A-, B-, D-, K-, L-, S-, T- og X-koder. Ytterligere funksjoner omfatter:

• Driftstemperatur på –20 °C til +105 °C
• Sparer over 80 % av installasjonstiden
• Hørbar klikkelyd ved sammenkobling
• Mindre enn konkurrerende M12 push-pull-kontakter som krever et sammenkoblingspar

Filtrert D-Sub

FCE17 D-sub-filterkontakter beskytter integriteten til datasignaler ved å filtrere interferens fra ledet og utstrålt EMI. De er utviklet for bruk i kjøretøy, industri, medisin, datakommunikasjon og energi.

Filtreringen som leveres overstiger ytelsen til de samme filterkomponentene som er montert på systemets kretskort (PCB – printed circuit board), og ved å inkludere filterkomponentene i kontakten reduseres løsningsstørrelsen og kostnadene. Disse filtrerte kontaktene er egnet for standard, ufiltrerte kontakter, og støtter enkle oppgraderinger for EMI-ytelse.

Forskjellige lavimpedans-brikkekondensatorer (dielektriske NP0 eller X7R) i standardverdier, mellom 50 picofarad (pf) til 47000 pf, er tilgjengelige for å tilfredsstille et bredt spekter av filtreringsbehov. Tilpassede kapasitansverdier er også tilgjengelige.

Amphenols stressisolerte teknologi produserer kontakter med overlegne mekanikk- og varmeegenskaper. Mekanisk belastning på kontakten eller kontaktpinnene vil ikke resultere i sprekker i filterelementene eller brudd i den elektriske tilkoblingen. I tillegg blir utstrålte og ledede utslipp fra ekstern EMI og enheten shuntet til jord. Dette forbedrer den elektromagnetiske kompatibiliteten (EMC).

Batterier som kan byttes mellom droner og roboter

Konstruktører av utskiftbare batterisystemer for droner, roboter og e-mobilitetssystemer i lagerhus og fabrikker kan bruke utskiftbare DURASWAP-batterikontaktløsninger. De er tilgjengelige i to strømkonfigurasjoner og seks signalkonfigurasjoner. Tilpasset utforming tilbys også. De kan føre kontinuerlige strømmer fra 15 til 70 ampere (A), og de er klassifisert for 10 000 tilkoblingssykluser.

Feilsikker paring (paring uten visuell innretting) støttes med sideslark (float) på ±2 millimeter (mm). FMLB-teknologien (FMLB – first-mate last-break) gjør at jordforbindelsen kan etableres før strømtilkoblingene og jordforbindelsen opprettholdes til etter at strømforbindelsen er brutt. Metallbøssingen for panelfesting tåler høye dreiemomentbelastninger for å gi effektiv IP-forsegling av panelet. Andre funksjoner omfatter (figur 5):

• Føringspinner for å sikre riktig sammenkobling
• IP67-klassifisering når sammenkoblet og separert
• UL94V-0-klassifiserte husmaterialer
• Driftstemperaturområde på –20 til +90 °C

Figur 5: Disse strømkontaktene inkluderer FMLB-teknologi og støtter feilsikker paring med en sideslark på ±2 mm. (Bildekilde: Amphenol)

Konklusjon

Denne artikkelen har gjennomgått noen faktorer ved spesifikasjon av kontakter for bruk i tøffe og ekstreme omgivelser. I noen tilfeller er det nødvendig å skille mellom USCAR-2- og LV214-vibrasjonstesting. Etter hvert som flere og flere systemer brukes utendørs, er det viktig å være oppmerksom på forskjellen mellom værbestandig og vanntett og de ulike nivåene av vanntett ytelse. Til slutt kan utrustningsspesifikke faktorer inkludere bruken av FMLB-teknologi i strømkontakter og integrert EMI-filtrering i høyhastighets datakontakter.