Dette definerer en robust kontakt og hvor brukes de for industriell tilkobling

Av Jody Muelaner

Bidrag fra Digi-Keys nordamerikanske redaktører

Et bredt utvalg av kontakter brukes i industrielle utrustninger for å ta elektrisk strøm, sensorsignaler og kontrolldata via kabler, gjennom overganger ut av og inn i automasjonskomponenter. Dette definerer en robust kontakt (noen ganger med produktnavn med forkortelse HDC – heavy-duty connector), men det avhenger av utrustningen … så det er litt relativt. Når det er sagt, er det en tydelig forskjell mellom robuste industrikontakter og de lette RJ- og IEC-kontaktene som finnes i rene innendørs automasjonsinnretninger som involverer grunnleggende strøm til Ethernet og lys.

Kraftige kontakter kan ha større generell robusthet samt forbedret inntrengningsbeskyttelse, redusert brennbarhet, bred driftstemperatur, låsemekanismer, jordskjerming eller bare mer pålitelig forbindelse med positiv låsing.

Robuste, kraftige kabelgjennomføringer kontra kontakter

Kabelgjennomføringer (noen ganger kalt kabelgrep) er for det meste mekaniske komponenter som omkranser kabler ettersom de sistnevnte går gjennom grensene til industrielle kontrollpaneler så vel som andre kabinetter, kontakter og styringshus laget av plater og hardplast. Kabelgjennomføringer tjener tre formål. De:

  • fester kabelen
  • forhindrer kabelskader og annen slitasje
  • sørger for en tetning rundt kabelseksjonen for å beskytte mot fuktinntrengning og at vann renner inn i kabinettet

Måten kabelgjennomføringene forankrer kabler på forhindrer skade på elektriske kontakter hvis kabelen skulle bli trukket i eller påvirket på annen måte. Kabelgjennomføringer forhindrer også at kablenes hylser gnis mot de skarpe felgene i hullene gjennom kabinettet når gjennomføringshylsen fylles og fyller ut rundt disse kantene. Uten kabelgjennomføringer kan kabler som er utsatt for selv den minste bevegelse raskt bli skåret av de skarpe kantene på kabinetthullene til deres ytre isolasjon er fullstendig saget gjennom … og kabelkjernene kortsluttet.

I motsetning til disse kabelgjennomføringene (som omkranser kabler), er det koblinger som terminerer kabler – og som generelt gir mulighet for mer praktisk frakobling og tilkobling, samt sammenføyning av flere komponent- og kabelseksjoner. Vanligvis inkluderer kraftige varianter av disse kontaktene en eller flere robuste funksjoner.

Kraftige kabelkontakter kan ha kabelinngangsbeskyttelse i form av en universal-kabelgjennomføring, kabelklemme eller tetningsenhet som er med og anti-tvinn (vridningsfri). Uansett mekanisk form sikrer disse kabelen og hindrer den i å trekke ut av terminalene. Kabelinngangsbeskyttelse kan også hindre kabelslitasje, akkurat som frittstående kabelgjennomføringer gjør. Merk at lamellinnlegg (gjennomføringer med flere lameller/fingre) er vanlige på moderat robuste kontakter, selv om innleggene krever regelmessig etterstramming for å sikre inntrengningsbeskyttelse. Gjennomføringer med en kontinuerlig tetning som klemmer seg rundt kabelen er ofte et mer pålitelig valg for tunge bruksområder.

Panseret på noen kraftige kabelkontakter omslutter de elektriske lederne på støpselet samtidig som det gir isolasjon og inntrengningsbeskyttelse — samt noen låse- eller låsehylser eller -spak for å holde kontakthalvdelene sammen.

På mange kraftige kabelkontakter inkluderer hanninnlegget hannpinner samt skruer eller klemterminaler der ledningstrådkjernene kommer i kontakt med pinnene. I slike koblinger inkluderer hunninnlegget komplementære stikkontakter så vel som stikkontakter eller klemterminaler der ledende ledningskjerner kommer i kontakt med stikkontaktene.

De robuste husene med kraftige kabelkontakter er kanskje deres mest iøynefallende egenskap – ofte inkludert isolasjon og inntrengningsbeskyttelse. Tilbehør kan inkludere ekstra beskyttelsesdeksler og guider for pinne-koder.

Figur 1: Han®-seriekontakter inkluderer flere komplementære funksjoner for å tåle ganske brutale miljøforhold. (Bildekilde: Harting)

IP-koder for inntrengningsbeskyttelse i tunge kontakter

Det er også ganske standard for tunge kontakter for å gi inntrengningsbeskyttelse mot væsker og faste partikler. Inntrengningsbeskyttelsen av kontakter er klassifisert ved hjelp av de samme IP-kodene (Ingress Protection – kapslingsgrad) som brukes for kabinetter. Det første sifferet i en IP-kode betegner beskyttelse mot faste gjenstander, med verdier fra 0 (som indikerer ingen beskyttelse) til 6 – som indikerer en helt støvtett konstruksjon. Det andre IP-kodesifferet indikerer beskyttelse mot væsker, med verdier fra 0 (for ingen beskyttelse) til 8 (for kontinuerlig beskyttelse mot vann på en dybde av 1 m) eller til og med 9K – indikerer beskyttelse mot høytrykksstråler. For eksempel kan en IP67-klassifisert kontakt motstå inntrengning av støv og midlertidig nedsenking i vann.

Proprietære kontaktvariasjoner – Derfor er de så vanlige?

På grunn av den sterke avhengigheten av tunge koblinger på mekanisk lukking og pakningsfunksjoner, er mange alternativer på markedet i dag enten proprietære design eller bruksspesifikke koblingsvariasjoner. For eksempel har hele bransjer standardisert på de tunge rektangulære kontaktene for tilkobling av strøm og styring fra Harting Han-serien. Faktisk er dette varemerket koblingsmerket noen ganger ansett som synonymt med begrepet robuste kontakter generelt.

Figur 2: Han-seriekontakter (med fire og 26 pinner) er noe av en industristandard – tilfredsstiller forskjellige data- og strømtilkoblingskrav fra 50 til 5000 V og 3 til 200 A. Låsemekanismer inkluderer en enkelt-hånd Han-Easy-lås for enkel betjening med én hånd og en dobbel-hånd Han-Easy-lås – for mer pålitelig låsing, høyere trykktetthet og bruk med kabel-til-kabel-tilkoblinger. Enda et annet robust alternativ er låsing med skrue (skruelåsing) for maksimal trykktetthet og redusert risiko for uautorisert bruk. (Bildekilde: Harting)

Han-serie-kontakter har pinner arrangert i en rektangulær hette som passer med tilsvarende stikkontakter i et rektangulært hus. Kontaktene er vanligvis utstyrt med låsespaker for å la installasjonspersonell enkelt og sikkert lukke kontakten — noe som sikrer at den ikke kan trekkes fra hverandre – selv når det påføres betydelige spenningslaster.

Hetter (hette/kappe med påskruet kontakt) er vanligst ved avslutning av strømkabler; de er tilgjengelige i konfigurasjoner inngang på toppen og siden. Hus kan være skrue- eller overflatemonterte eller skottmonterte for å gi en forbindelse på instrumentering eller maskineri. Alternativt kan hus også terminere kabler for kabel-til-kabel-tilkoblinger. Hetter og hus produseres vanligvis av støpt legering … men rustfritt stål og plasthus er også vanlig. Noen produsenter tilbyr konfigurerbare koblinger som kan gjenges inne i en enkelt hette eller hus. Dette kan tillate høyere antall pinne-koder på tvers av alle forskjellige moduler. Slike kontakter er tilgjengelige under merkene MolexGWconnect HDC og TE ConnectivityHDC.

De robuste kabelkontaktene for data- og sensorsignalkabler er litt forskjellige. Her er kontakter i M-serien ledende. De er robuste kontakter som fungerer i forskjellige datatilkoblinger (inkludert de som er basert på Ethernet) samt elektriske kraftoverføringer. Robuste M-serie-kontakter er vanligst i industrielle nettverksapplikasjoner som involverer PROFINET, feltbuss og industrielt Ethernet for å koble til sensorer, brytere og PLS-er.

Som dekket i tidligere Digi-Key-artikler, består M-serie-kontakter av runde hann- og hunnkontakter som har standard metriske gjengede hylser som omslutter og beskytter interne pinner og stikkontakter. Standardstørrelser inkluderer kontaktene: 5 mm M5, 8 mm M8-, 12 mm M12-, 16 mm M16 og 23 mm M23. Den gjengede hylsen gir en svært robust og pålitelig tilkobling som ikke enkelt kan trekkes fra hverandre og som sikrer en svært pålitelig elektrisk tilkobling, noe som minimerer intermitterende signaler. Hylsen gir også M-serie-kontakter et høyt nivå av inntrengningsbeskyttelse som i mange tilfeller til og med muliggjør bruk i miljøer med spyling og etsende substanser. De vanligste størrelsene er M8- og M12-kontaktene, med to, tre, fire, fem, åtte eller 12 pinner. Vanligvis tre- eller fire-pinners M-serie-kontakter servicesensorer og strømforsyninger; fire eller åtte-pinners M-serie-kontakter service Ethernet- og PROFINET-enheter; og fire eller fem-pinners M-serie-kontakter service FIELDBUS-, CAN-buss- og DeviceNet-automatiseringsenheter.

Figur 3: M-seriekontakter er laget av høyfast aluminium og har en sperreskrue for rask og sikker enhånds kabelkobling. (Bildekilde: LEMO)

Datatilkoblinger som brukes i industriapplikasjoner inkluderer Ethernet, ModbusTCP/IP, EtherCAT, Ethernet/IP og Profinet – samt forskjellige proprietære (brukerspesifikke/egenutviklede) formater. RJ-kontakter er standard for alle implementasjoner av Ethernet – men gir ikke inntrengningsbeskyttelse og er ikke spesielt robuste. Selv om en plastflik på hannsiden klikker seg inn i kontakten (for å holde kontakthalvdelene sammen), er den ganske skjør (ømfintlig) … og pluggene (støpslene) kan trekkes ut av stikkontaktene med bare moderat trekkraft. Derfor er M-serie-kontakter et overlegent alternativ hvis en automatisert installasjon er utsatt for bevegelse og tilfeldig misbruk.

Men det er enda en advarsel her. Selv om standardkontakter i M-serien er et egnet alternativ for industrikontakter, avhenger oppnåelse av en pålitelig tilkobling (og normert inntrengningsbeskyttelsesnivå) av at teknikeren strammer riktig til kontaktgjengen. Noen tilkoblingsleverandører har hatt som mål å løse selv dette potensielle feilpunktet ved å selge innstikkskontakter (push-fit connectors) som låses automatisk. Kanskje den mest etablerte av disse er Molex Brad-serien kontakter, som er en direkte erstatning for standard M12-kontakter. Disse utelater den gjengede hylsen for en pålitelig skyv-til-lås mekanisme … så bare å trykke på kontakthalvdelene sammen sikrer perfekt låsning og en pålitelig tilkobling uten risiko for intermitterende signaler eller frakobling. Disse kontaktene er tilgjengelige i forskjellige konfigurasjoner og inkluderer stikkontakter (push-on) og avtrekkbare kontakter (pull-off) med IP65-beskyttelse.

Figur 4: Ultra-Lock-kontakter er et trykk-for-låsing-alternativ (push to lock) med O-ringer for å gi idiotsikre tilkoblinger og IP69K inntrengningsbeskyttelse. (Bildekilde: MOLEX)

Når de brukes til Ethernet-utrustninger, kan M-serien og Molex Brad-kontakter også bære strøm ved hjelp av Strøm over Ethernet-standardene (Power over Ethernet – PoE) i tre konfigurasjoner – Alternativ A, Alternativ B og 4PPoE – for å støtte varierende nivåer av båndbredde og strømkapasitet.

IEC strømkontakter for høye strømkrav

IEC (International Electrotechnical Commission) definerer ulike standarder for strømkontakter som brukes i husholdnings-, kommersielle og industrielle bruksområder. IEC 60320 dekker for eksempel ikke-låsende kontakter med spenninger og strømmer opp til henholdsvis 250 V og 16 A. Disse inkluderer store, men ikke-ruggede C13/C14 samt større C19/C20-koblinger som er vanlige på elektronisk utstyr til industrielle bruksområder – inkludert strømforsyninger til datamaskiner og serverkabinetter. Disse koplingene regnes normalt ikke som tunge kontakter.

I motsetning er IEC 60309 med låsing robuste – og beregnet for bruk på industrielle kabler som sender spenninger og strømmer opp til henholdsvis 1000 V og 800 A. Alle låsekontakter i IEC 60309 gir en viss grad av inntrengningsbeskyttelse med standardkonfigurasjoner som beviser sprutsikker IP44, vanntett IP67 eller sprutsikker og vanntett IP66/67-beskyttelse.

Standarden tillater også at stikkontaktene har låsomg: Stikkontaktene med denne funksjonen tillater ikke spenningssetting, med mindre de er koblet til en stikkontakt – og at stikkontakten kan ikke fjernes før strømmen er slått av. Følgende fargekoding indikerer tillatt spenning og frekvensområde for kontakten.

  • Gul indikerer at IEC 60309 strømkontakten er egnet til å føre 100 til 130 V ved 50 eller 60 Hz.
  • Blå indikerer at IEC 60309 strømkontakten er egnet til å føre 200 til 250 V ved 50 eller 60 Hz.
  • Rød indikerer at IEC 60309 strømkontakten er egnet til å føre 380 til 480 V ved 50 eller 60 Hz – ofte i en trefaset konfigurasjon.

Figur 5: Denne røde fargekodede tunge kontakten oppfyller IEC 60309-standarden for tilførsel av 380 til 480 V. (Bildekilde: Wikimedia Commons)

Konklusjon

Robuste kontakter (kraftige kontakter for høy belastning) må tilfredsstille ulike krav. Må kontakten motstå klemming fra belastninger ved støt/slag – eller å bli trukket fra hverandre? Er det nødvendig med inntrengningsbeskyttelse mot støv eller vann? Hvilke temperaturer må kontakten tåle? Vil den tunge kontakten bli installert i innstillinger der brannfarlighet er et problem?

Antall pinner og spenning og strøm som skal bæres av hver må også vurderes – sammen med retningen på kabelinngangen og nivået på kabelbeskyttelsen. På automatiserte maskiner som utsetter kablene og deres koblinger for bevegelse, må det finnes egnede pakninger og kabelklemmer – og det kan også være hensiktsmessig med anti-tvinn-innretninger (vridningsfri).

For elektriske laster som er relativt lette, men som opererer i tøffe omgivelser, er M-seriekontakter og deres derivater ofte egnede valg. For høyere elektrisk belastning kan rektangulære kontakter være en bedre løsning – spesielt siden de kan konfigureres for å passe til omtrent alle komplekse krav med forskjellige kabelinnføringsretninger, monteringsalternativer og generelt modulære bygg. Ellers, for enkle strømtilkoblinger til en enfaset eller trefaset vekselstrømforsyning, er industrikontaktene IEC 60309 med låsing det ledende (om ikke det eneste) valget.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Om skribenten

Jody Muelaner

Dr. Jody Muelaner er en ingeniør som har designet sagbruk og medisinsk utstyr, tatt opp usikkerhet i flyproduksjonssystemer, samt utviklet innovative laserinstrumenter. Han har publisert i mange fagfellevurderte tidsskrifter og offentlige sammendrag – og har skrevet tekniske rapporter for Rolls-Royce, SAE International og Airbus. Han leder for tiden et prosjekt for å utvikle en e-sykkel, se detaljer på betterbicycles.org. Muelaner dekker også utviklingen knyttet til dekarboniseringsteknologier.

Om denne utgiveren

Digi-Keys nordamerikanske redaktører