Hoe te ontwerpen voor ruwe omgevingen met behulp van afgedichte connectors

Ontwerpers persen steeds meer elektronica in steeds lastigere of krappe ruimtes, vooral in transport, industriële systemen en slimme huishoudapparaten zoals wasmachines. In dergelijke toepassingen kan de onderlinge koppeling van routing resulteren in vele uitdagingen op het gebied van betrouwbaarheid en betrouwbaarheid als gevolg van stof, vochtindringing, temperatuurextremen en mechanische belastingen.

Zelfs binnen hetzelfde systeem kunnen de eisen die aan individuele verbindingen worden gesteld, sterk verschillen. Kabels met digitale laagspanningssignalen hebben andere interconnectiekwesties dan dikkere draden met hoge spanningen voor motoren en stroomdistributie. Een verkeerde keuze van de connector kan leiden tot volledige of intermitterende signaaluitval, dure stilstand en onderhoudsproblemen.

In dit artikel worden de uitdagingen besproken die gepaard gaan met het selecteren van voldoende robuuste kabelinterconnectieoplossingen die robuust genoeg zijn voor de toepassing. Het legt uit hoe het juiste gebruik van een IP67 en USCAR-2 Sealing Class 2 kabelconnectorsysteem kan zorgen voor betrouwbare verbindingen die ook de kosten van onderhoud en reparatie verlagen. Het zal dan een verscheidenheid aan IP67-rated en USCAR-2 Sealing Class 2 kabelinterconnectie oplossingen van Molex introduceren en laten zien hoe ze kunnen worden gebruikt om een reeks van toepassingsvereisten aan te pakken.

Overwegingen met betrekking tot het ontwerp van de industriële interconnectie

Ontwerpers van apparatuur voor industriële omgevingen moeten rekening houden met deeltjesverontreinigingen, vloeistoffen en extreme temperaturen. Bovendien moeten industriële systemen voorbereid zijn op onvoorspelbare omstandigheden als gevolg van veranderingen in de omgeving of apparatuur.

Industriële faciliteiten zoals fabrieken en magazijnen maken gebruik van een verscheidenheid aan verbindingsoplossingen, waarvan vele voor zwaar gebruik. Auto's en vrachtwagens zijn ook te beschouwen als bewegende industriële omgevingen. Er zijn algemene richtlijnen die in overweging moeten worden genomen voor deze interconnectiesituaties. De meest elementaire is de weerstand tegen elk type stofdeeltjes, van ijzervijlsel en metaalfragmenten tot stof en fijne poeders. Hoe fijner de stofdeeltjes, hoe groter de kans dat ze in de lucht terechtkomen. Gewoon stof, roet en andere fijne deeltjes van zware apparatuur kunnen bijvoorbeeld door ventilatoren en ventilatiesystemen in de lucht worden gehouden en op grote afstand van de bron worden geland. Deze deeltjes kunnen in alle niet afgesloten openingen terechtkomen, ook in de koppelingen, waardoor de binnenoppervlakken worden verontreinigd. Dit kan leiden tot paringsproblemen, variërend van intermitterende storingen door verbindingsweerstand tot totaal verlies van contact. Ook als de stofdeeltjes schurend of corrosief zijn, kan dit leiden tot een permanente uitval van de connector, waardoor een dure en tijdrovende vervanging nodig is.

Verschillende vloeistoffen zijn ook te vinden in industriële omgevingen. Water, benzine, oliën en diverse chemicaliën zijn gebruikelijk in zware industriële omgevingen. Het binnendringen van deze vloeistoffen als vloeistof of damp in een gekoppeld koppelsysteem kan kortsluiting veroorzaken en weer leiden tot storingen in de apparatuur.

Interconnectiesystemen met beschermingsgraad IP67

In plaats van een verscheidenheid aan connectors te maken voor verschillende industriële omstandigheden, heeft de industrie gestandaardiseerd op het gebruik van draden, kabels en connectorsystemen met een IP67-normering. Hoewel de twee letters IP officieel staan voor de drie woorden "internationale beschermingsgraad", is deze het meest bekend onder de onofficiële, maar meer nauwkeurige "binnendringingsbescherming". IP67 definieert de weerstand van het interconnectsysteem tegen deeltjes en vreemde voorwerpen, evenals de weerstand tegen het binnendringen van water.

De "6" in IP67 geeft aan dat een interconnect totaal ondoordringbaar is voor alle deeltjes, inclusief fijnstof. Dit wordt voornamelijk bereikt door een dichte afdichting tussen de paringsbehuizingen van de twee gekoppelde connectoren. De "7" geeft aan dat een IP67-interconnectiesysteem bestand is tegen een onderdompeling in water tot een diepte van een meter gedurende maximaal 30 minuten. Dit is goed genoeg voor de meeste industriële omgevingen.

De dichte afdichting tussen de gekoppelde behuizingen van de twee connectoren helpt, maar de waterbestendigheid wordt vooral bereikt door een koppelingspakking die niet alleen bestand is tegen water, maar ook tegen veel chemicaliën. Verschillende pakkingsmaterialen zijn bestand tegen verschillende chemicaliën, dus bij de keuze van een interconnect systeem is het gebruikte pakkingmateriaal een belangrijk aandachtspunt.

Aansluiten van digitale signalen met een laag vermogen

Natuurlijk hebben niet alle kabelinterconnectiesystemen dezelfde behoeften. Interconnectieoplossingen voor digitale logische signalen diep in IP67-apparatuur hoeven doorgaans slechts 5 volt of minder te verwerken bij stromen van ongeveer 500 milliampère (mA). Deze low-power signalen maken gebruik van kleine lichtgewicht kabelconnectors die meestal niet veel fysiek misbruik zien. De connectoren moeten gemakkelijk te koppelen zijn voor een snelle montage van de apparatuur, en licht genoeg zijn om de laagstroomdraden in de kabelmontage niet te belasten. Voor deze interconnectietoepassingen heeft Molex het Mizu-P25 miniatuur draad-naar-draad-connectorsysteem. Deze waterdichte IP67-gecertificeerde connectoren houden stof en water uit de gekoppelde assemblage in een handige compacte behuizing.

Een voorbeeld van een paar Mizu-P25-connectoren met IP67-classificatie is de Molex 0521160240-plug en het Molex 0521170240-aansluitsysteem met twee waterdichte standen (Afbeelding 1). Bij volledige dekking zijn de twee connectors slechts 25,5 millimeter (mm) lang, geschikt voor kleine, krappe behuizingen.

Afbeelding 1: De Molex Mizu-P25 0521160240-plug en 0521170240-aansluitsysteem met twee posities biedt een degelijke bescherming tegen stof en water. De gekoppelde connectoren zijn slechts 25,5 mm lang en zorgen voor een stevige, hoorbare klik wanneer ze op de juiste manier worden gekoppeld. (Bron afbeelding: Molex)

De behuizing en de dop van elke connector zijn gemaakt van polyester, dat uitstekend bestand is tegen water, vlamvertragend is en niet vervaagt of barst bij langdurige blootstelling aan zonlicht. Polyester connectoren zijn ook bestand tegen breuk en zullen buigen tijdens normaal gebruik, terwijl ze bestand zijn tegen vervorming. Dit maakt het verbindingssysteem robuust genoeg voor een ruwe behandeling tijdens de assemblage van de apparatuur. Polyester connectors hebben ook een uitstekende afschuifweerstand, ideaal voor de glijdende slijtage die optreedt wanneer connectoren worden gekoppeld en niet gekoppeld.

Zowel de afdichting van de verbindingsring als de afdichting van het draadeinde maken gebruik van siliconen pakkingen die een luchtdichte afdichting bieden tegen water en stof. Siliconen pakkingen en afdichtingen behouden hun flexibiliteit bij lage temperaturen, waardoor deze connectoren perfect geschikt zijn voor lage temperatuur apparatuur zoals koelkasten en outdoor koudweer apparatuur. Deze connectors hebben twee posities met een pitch van 5 mm, waardoor de twee signalen veilig worden geïsoleerd. Ze worden door de gebruiker gemonteerd met behulp van gekrulde pennen voor het gemak van de montage.

Het connectorsysteem is ontworpen om eenvoudig te kunnen paren, ongeacht de door de systeemontwikkelaars gekozen krimpklemmen. Bij een goede paring zorgen de connectoren voor een duidelijk hoorbare klik om aan te geven dat de connectors goed gedekt zijn. Dit helpt de technici bij de montage van het systeem en zorgt voor een goede afdichting.

Dit Molex Mizu-P25-connectorsysteem heeft een nominale spanning van 250 volt en heeft een bedrijfstemperatuurbereik van -40 °C tot +105 °C. Dit maakt de Molex Mizu-P25 0521160240-plug en 0521170240-aansluitsysteem geschikt voor witgoed en vele industriële systemen voor koud weer. De IP67-classificatie geeft aan de ontwerpers van de apparatuur aan dat het connectorsysteem is beveiligd tegen water en stof en dat er geen uitgebreide milieutests van het stekkersysteem nodig zijn.

Robuuste en afgedichte verbinding voor onderhoudsgemak

Soms zijn interconnectieve systemen nodig om hogere stromen aan te kunnen en om onderhoudsvriendelijk te zijn in ruige omgevingen. Het interconnect systeem moet niet alleen zorgen voor een veilige verbinding die niet per ongeluk wordt verbroken, maar moet ook gemakkelijk te verbreken zijn tijdens onderhoudswerkzaamheden. Voor deze situaties kunnen ontwerpers gebruik maken van Molex's Squba sealed wire-to-wire interconnect systeem. De Squba-connectors hebben ook een IP67-classificatie en kunnen in een kleinere vormfactor meer vermogen leveren. De Molex Squba 2042230004-plug en 2042200004-aansluiting, bijvoorbeeld, zijn vier-positie stekkers met een steekhoogte van 1,80 mm die zorgen voor een betrouwbare stroom- en signaallevering (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De Molex Squba 2042230004-plug (links) en 2042200004-aansluiting (rechts) zijn een vier-positie-interconnectiesysteem dat is ontworpen om een solide bescherming te bieden tegen hoge stromen in natte omgevingen. (Bron afbeelding: Molex)

Deze Molex Squba-connectors maken gebruik van gekrulde klemmen en zorgen voor een hoorbare klik wanneer ze op de juiste manier zijn aangesloten. De connectorvergrendeling op de houder is laag geprofileerd, waardoor de kans om vast te komen zitten op externe apparatuur tot een minimum wordt beperkt. De vergrendeling zorgt voor een stevige, veilige verbinding die gemakkelijk kan worden losgekoppeld tijdens het onderhoud, hetzij door een stevige opwaartse kracht uit te oefenen met de vingers, hetzij door gebruik te maken van een standaard delatching pry-gereedschap.

Zowel de Squba-plug als de aansluitbehuizing zijn gemaakt van nylon, dat uitzonderlijk sterk is en bestand tegen de meeste industriële chemicaliën. Dit maakt het Molex Squba-interconnectiesysteem geschikt voor elke omgeving waar de connectors kunnen worden verplaatst, geduwd of beïnvloed door apparatuur. Het verbindingssysteem is afgedicht tegen stof en vocht door middel van siliconen afdichtingen.

Elke connectorpen kan 125 volt AC of DC leveren. Aanbevolen draadmaten zijn 22 tot 24 AWG. Met behulp van pennen gekruld tot draad van 22 AWG kan elke pen maximaal 5,25 ampère (A) verwerken bij 30 °C voor een maximale stroombelastbaarheid van 21 A. De maximale stroomcapaciteit varieert met de temperatuur, dus ontwerpers moeten de documentatie van de connector goed in de gaten houden om er zeker van te zijn dat de beoogde stroomdoorvoer van de connector geschikt is voor de omstandigheden.

De bedrijfstemperatuur ligt tussen -40 °C en +105 °C en samen met een IP67-classificatie zijn de connectors geschikt voor omgevingen zoals HVAC-systemen, drankautomaten en industriële apparatuur die in een koude of natte omgeving moet werken.

Meervoudige circuit onderwaterverbinding

Soms is een verbindingssysteem niet zo eenvoudig als het verbinden van dezelfde signalen op één kabel. Af en toe moeten meerdere circuittypes langs dezelfde bekabeling worden overgedragen, inclusief digitale signalen, hoogstroomcontrolesignalen en voedingsaansluitingen. Deze situaties vereisen een hybride interconnect systeem dat verschillende maten van contacten kan verwerken. Voor deze toepassingen kunnen ontwerpers gebruik maken van Molex's MX150 Hybride kabel assemblage-interconnectiesysteem. Het MX150 Hybride systeem is gevalideerd volgens de vereisten van USCAR-2 Sealing Class 2, wat vergelijkbaar is met de IP67-classificatie. USCAR-2 Klasse 2 vereist het passeren van een drukvacuümtest ondergedompeld in water.

De Molex MX150 Hybrid is een volledig gesloten verbindingssysteem dat geschikt is voor situaties waarin de gekoppelde connectoren onder water kunnen komen te staan of in een zeer natte omgeving waar vloeistoffen en hogedrukwaterstraal gebruikelijk zijn.

De Molex MX150 Hybrid 1601126001 12-positie plug en 1601116006 12-positie aansluiting (afbeelding 3) kan een mengsel bevatten van maximaal tien 1,5 mm mesklemmen en maximaal twee 2,5 mm mesklemmen. De 1,5 mm klemmen kunnen worden gebruikt om low-level logische signalen te dragen, terwijl de twee 2,8 mm klemmen kunnen worden gebruikt om tot 22 A te dragen. Dit maakt dit interconnect systeem geschikt voor automotive en industriële toepassingen waar een enkele kabelboom zowel stroom als data naar een enkele machine moet dragen.

Afbeelding 3: De Molex MX150 Hybrid 1601126001 12-positie plug (links) en zijn partner, de 1601116006-aansluiting (rechts), kunnen veilig een mengsel van 1,5 mm en 2,80 mm bladvormige klemmen in een dompelbaar interconnect systeem aan. (Bron afbeelding: Molex)

Wanneer het MX150 IP67 Hybride verbindingssysteem volledig gemonteerd en gepaard is, is het immuun voor vervuiling door vuil of stof. Het kan onder water worden ondergedompeld en werken boven -40 °C tot +125 °C. De connectorbehuizing is een combinatie van nylon en glas, die zeer duurzaam is en bestand tegen ruw gebruik en lichte schokken. Dit maakt dit koppelingssysteem geschikt voor zware industriële omgevingen en veel consumentenapparatuur, maar ook voor automotortoepassingen waarbij de connector wordt blootgesteld aan extreme temperaturen, hoge druk waternevel en harde stoten van zware voorwerpen.

De Molex MX150 Hybrid 1601126001-plug en 1601116006-aansluiting moeten worden gemonteerd als onderdeel van een kabel of kabelboom. Voor deze montage moeten de klemmen in de plug en de aansluiting worden gestoken. Het is echter mogelijk dat de monteurs de klemmen soms niet volledig in de connectorbehuizing steken, wat leidt tot onbetrouwbare aansluitingen. Voor deze situaties bevat elk van deze connectoren een TPA-behuizing (Terminal Position Assurance).

Tijdens een succesvolle plaatsing van de pin in de TPA-behuizing voelt de monteur de pin stevig vastklikken. Als de terminal niet correct is geplaatst, zullen de plug en de aansluiting bij het koppelen niet vergrendelen. Dit garandeert dat de pennen op de juiste manier worden ingebracht, waardoor de betrouwbaarheid van het systeem wordt vergroot.

Conclusie

Ontwerpers van systemen voor industriële, transport- of huishoudelijke apparaten moeten ervoor zorgen dat hun aansluitingen bestand zijn tegen de ontberingen van de toepassing, inclusief krappe ruimtes, stof en vuil, extreme temperaturen, vloeistoffen en oliën, en andere doordringende materie. Om het ontwerpproces te helpen vereenvoudigen, kunnen ontwerpers op zoek gaan naar speciaal ontworpen connectoren die voldoen aan IP67 of om zowel het binnendringen van stof en vuil als het binnendringen van vocht en vloeistoffen aan te pakken.

Zoals afgebeeld zijn er verschillende IP67-connectors die geschikt zijn voor een breed scala aan toepassingsvereisten, van digitale signalen op laag niveau tot krachtige vermogensafgifte. Het selecteren van de juiste IP67-connector zorgt voor de betrouwbaarheid van het systeem en minimaliseert het risico op dure stilstand of reparaties.