Wat is een heavy-duty connector en waar worden ze gebruikt voor industriële connectiviteit

Een breed scala van connectoren wordt in industriële toepassingen gebruikt om de elektrische stroom, sensorsignalen en besturingsgegevens op kabels via hun knooppunten uit en in automatiseringscomponenten te leiden. Wat een heavy-duty connector (soms afgekort tot HDC in de productnamen van connectoren) is, hangt af van de toepassing ... en is dus enigszins relatief. Er is echter een duidelijk verschil tussen robuuste industriële connectors en de RJ- en IEC-connectors voor licht gebruik die men aantreft in schone automatiseringstoepassingen binnenshuis met basis Ethernet en lichte stroomvoorziening.

Stekkers voor zwaar gebruik kunnen een grotere algemene robuustheid hebben, maar ook een betere bescherming tegen binnendringing, een lagere ontvlambaarheid, een brede bedrijfstemperatuur, vergrendelingen, aardafscherming, of gewoon een betrouwbaardere verbinding met positieve vergrendeling.

Kabelwartels en connectors voor zwaar gebruik

Kabelwartels (soms kabelgrepen genoemd) zijn meestal mechanische componenten die kabels omsluiten wanneer deze door de grenzen van industriële bedieningspanelen en andere behuizingen, connectoren en controllerbehuizingen van plaatstaal en hard plastic lopen. Kabelwartels dienen drie doelen. Zij:

• Zet de kabel vast
• Voorkomt schuren van kabels en andere slijtage
• Zorg voor een afdichting rond het kabelgedeelte ter bescherming tegen het binnendringen van vocht en overheveling naar de behuizing

De manier waarop kabelwartels kabels verankeren voorkomt beschadiging van elektrische contacten wanneer aan de kabel wordt getrokken of de kabel op een andere manier wordt verstoord. Kabelwartels voorkomen ook dat de mantels van kabels tegen de scherpe randen van gaten in de behuizing schuren, aangezien de wartellichamen zich rond deze randen vullen en uitwaaieren. Zonder kabelwartels kunnen kabels die zelfs maar de geringste beweging ondergaan, snel worden doorgesneden door de scherpe randen van behuizingsgaten tot hun buitenste isolatie volledig is doorgezaagd ... en de kabeladers kortsluiting maken.

In tegenstelling tot deze kabelwartels (die de kabels omsluiten), zijn er connectoren die de kabels afsluiten - en in het algemeen een gemakkelijkere loskoppeling en heraansluiting mogelijk maken, alsook het samenvoegen van meerdere component- en kabeldelen. Kenmerkend voor robuuste varianten van deze connectoren is dat zij een of meer robuuste kenmerken bezitten.

Zware kabelconnectors kunnen voorzien zijn van kabelinvoerbescherming in de vorm van een universele wartel, kabelklem of afdichting en verdraaibeveiliging. Ongeacht de mechanische vorm, deze zetten de kabel vast en voorkomen dat hij uit de klemmen wordt getrokken. Kabelinvoerbescherming kan ook kabelslijtage voorkomen, net zoals stand-alone kabelwartels dat doen. Merk op dat lamellaire inzetstukken (wartels met meerdere vingers) gebruikelijk zijn op matig robuuste connectoren, hoewel de inzetstukken regelmatig moeten worden aangedraaid om bescherming tegen binnendringing te waarborgen. Wartels met een doorlopende afdichting die rond de kabel klemt, zijn vaak een betrouwbaardere keuze voor zware toepassingen.

De kap van sommige robuuste kabelstekkers omsluit de elektrische geleiders van de stekker en zorgt voor isolatie en bescherming tegen binnendringend vocht - en ook voor een vergrendelingshuls of hendel om de connectorhelften bij elkaar te houden.

Bij veel kabelschoenen voor zwaar gebruik bevat het mannelijke inzetstuk zowel mannelijke pennen als schroeven of krimpklemmen waar de geleidende draadkernen de pennen raken. In dergelijke connectors omvat het vrouwelijke deel zowel aanvullende contactdozen als recipiënten of krimpaansluitingen waar de geleidende draadkernen contact maken met de sockets.

De robuuste behuizingen van heavy-duty kabelconnectors zijn misschien wel hun meest opvallende kenmerk - vaak inclusief isolatie en bescherming tegen binnendringing. Accessoires kunnen extra beschermhoezen en geleiders voor pincodes omvatten.

Afbeelding 1: connectors van de Han®-serie hebben verschillende aanvullende kenmerken om bestand te zijn tegen vrij zware omgevingsomstandigheden. (Bron afbeelding: Harting)

IP-codes voor bescherming tegen binnendringen in heavy-duty connectors

Het is ook vrij standaard voor heavy-duty connectors om bescherming te bieden tegen het binnendringen van vloeistoffen en vaste deeltjes. De bescherming tegen binnendringing van connectors wordt beoordeeld aan de hand van dezelfde codes voor bescherming tegen binnendringing (IP) als die welke voor behuizingen worden gebruikt. Het eerste cijfer van een IP-code geeft de bescherming tegen vaste voorwerpen aan, met waarden van 0 (geen bescherming) tot 6 - een volledig stofdichte constructie. Het tweede cijfer van de IP-code geeft de bescherming tegen vloeistoffen aan, met waarden gaande van 0 (voor geen bescherming) tot 8 (voor continue bescherming tegen water op een diepte van 1 m) of zelfs 9K - voor bescherming tegen hogedrukstralen. Een connector met beschermingsgraad IP67 is bijvoorbeeld bestand tegen het binnendringen van stof en tegen tijdelijke onderdompeling in water.

Propriëtaire connectorvarianten - waarom komen die zo vaak voor?

Omdat heavy-duty connectors sterk afhankelijk zijn van mechanische sluitings- en afdichtingskenmerken, zijn veel opties op de markt tegenwoordig ofwel eigen ontwerpen of toepassingsspecifieke connectorvarianten. Zo zijn hele bedrijfstakken gestandaardiseerd op de zware rechthoekige connectoren voor voedings- en besturingsaansluitingen uit de Harting Han-serie. In feite wordt dit merk soms beschouwd als synoniem voor de term heavy-duty connector in het algemeen.

Afbeelding 2: connectors van de Han-serie (met vier en 26 pennen) zijn min of meer een industriestandaard - ze voldoen aan diverse data- en stroomconnectiviteitseisen van 50 tot 5000 V en 3 tot 200 A. De vergrendelingsvoorzieningen omvatten een eenhendel Han-Easy Lock voor eenvoudige bediening met één hand en een tweehendel Han-Easy Lock - voor betrouwbaardere vergrendeling, hogere drukdichtheid en gebruik bij kabel-naar-kabel-verbindingen. Een andere robuuste optie is schroefvergrendeling voor maximale drukdichtheid en verminderd risico van ongeoorloofd gebruik. (Bron afbeelding: Harting)

De connectors van de Han-serie hebben pennen in een rechthoekige behuizing die passen op overeenkomstige bussen in een rechthoekige behuizing. De connectors zijn over het algemeen voorzien van vergrendelingshendels waarmee het installatiepersoneel de connector gemakkelijk en veilig kan sluiten - zodat deze niet uit elkaar kan worden getrokken ... zelfs niet wanneer aanzienlijke spanningsbelastingen worden uitgeoefend.

Afdekkappen (opgeschroefde connectorafdekkingen) komen het meest voor op voedingskabelaansluitingen; zij zijn verkrijgbaar in configuraties met boven- en zij-ingang. De behuizingen kunnen met schroeven, aan de oppervlakte of in een schot worden gemonteerd om een verbinding met instrumentatie of machines tot stand te brengen. Als alternatief kunnen behuizingen ook kabels afsluiten voor kabel-naar-kabel verbindingen. Kappen en behuizingen worden gewoonlijk vervaardigd uit gegoten legeringen ... maar behuizingen van roestvrij staal en kunststof komen ook voor. Sommige fabrikanten bieden configureerbare connectoren aan die in één enkele kap of behuizing kunnen worden samengevoegd. Hierdoor kan het aantal pinnen in alle afzonderlijke modules worden verhoogd. Dergelijke connectors zijn verkrijgbaar onder de merknamen Molex GWconnect HDC en TE Connectivity HDC.

De robuuste kabelconnectors voor data- en sensorsignaalkabels zijn enigszins verschillend. Hier leiden de connectors van de M-serie. Het zijn robuuste connectors die dienst doen in diverse dataverbindingen (waaronder die op basis van Ethernet) en in elektrische stroomtransmissies. Stevige connectors uit de M-serie worden het meest gebruikt in industriële netwerktoepassingen met PROFINET, veldbussen en industrieel Ethernet om sensors, schakelaars en PLC's aan te sluiten.

Zoals beschreven in eerdere DigiKey artikelen, bestaan M-serie connectors uit ronde mannelijke en vrouwelijke connectors met standaard metrische draadomhulsels die de interne pinnen en aansluitingen omhullen en beschermen. Standaardmaten zijn 5-mm M5, 8-mm M8, 12-mm M12, 16-mm M16, en 23-mm M23 connectors. De schroefdraadbus zorgt voor een zeer robuuste en betrouwbare verbinding die niet gemakkelijk uit elkaar kan worden getrokken en die een zeer betrouwbare elektrische verbinding garandeert, waardoor intermitterende signalen tot een minimum worden beperkt. De huls biedt de connectoren van de M-serie ook een hoge mate van bescherming tegen binnendringing, waardoor ze in veel gevallen zelfs in vochtige en corrosieve omgevingen kunnen worden gebruikt. De meest voorkomende maten zijn M8 en M12 connectoren, met twee, drie, vier, vijf, acht of 12 pinnen. Typisch zijn drie- of vierpins M-connectors voor sensors en voedingen; vier- of achtpins M-connectors voor Ethernet- en PROFINET-apparatuur; en vier- of vijfpins M-connectors voor veldbus-, CAN-bus- en DeviceNet-automatiseringsapparatuur.

Afbeelding 3: connectorq van de M-serie zijn gemaakt van zeer sterk aluminium en voorzien van een ratelschroef voor snelle en veilige kabelkoppeling met één hand. (Bron afbeelding: LEMO)

Dataverbindingen die in industriële toepassingen worden gebruikt, omvatten Ethernet, ModbusTCP/IP, EtherCAT, Ethernet/IP, en Profinet ... alsook diverse bedrijfseigen formaten. RJ-connectors zijn de standaard voor alle Ethernet-implementaties - maar bieden geen bescherming tegen binnendringing en zijn niet bijzonder robuust. Hoewel een plastic lipje aan de mannelijke kant in de aansluiting klikt (om de stekkerhelften bij elkaar te houden), is het nogal delicaat ... en laat plugs uit hun aansluiting trekken als er al een beetje aan getrokken wordt. Daarom zijn connectors uit de M-serie een superieure optie als een geautomatiseerde installatie onderhevig is aan beweging en incidenteel misbruik.

Er is echter nog een ander voorbehoud. Hoewel standaardconnectors van de M-serie een geschikte optie zijn voor industriële connectors, hangt het verkrijgen van een betrouwbare verbinding (en nominaal beschermingsniveau tegen binnendringing) af van het correct aandraaien van de connectordraad door de technicus. Sommige leveranciers van connectors hebben getracht zelfs dit potentiële faalpunt aan te pakken door push-fit connectors te verkopen die automatisch vergrendelen. Misschien wel de meest bekende is de Molex Brad-serie van connectors, die een directe vervanging zijn voor standaard M12 connectors. Deze laten de schroefdraadhuls voor een betrouwbaar push-to-lock mechanisme weg ... dus gewoon de connectorhelften op elkaar drukken zorgt voor een perfecte vergrendeling en een betrouwbare verbinding zonder risico van intermitterende signalen of ontkoppeling. Deze connectors zijn verkrijgbaar in diverse configuraties en omvatten push-on en pull-off connectors met IP65 bescherming.

Afbeelding 4: Ultra-Lock connectors zijn een push-to-lock optie met O-ringen voor onfeilbare verbindingen en IP69K bescherming tegen binnendringing. (Bron afbeelding: MOLEX)

Bij gebruik voor Ethernet-toepassingen kunnen M-serie en Molex Brad-connectoren ook stroom leveren via de Power over Ethernet (PoE)-normen in drie configuraties - Alternatief A, Alternatief B en 4PPoE - om verschillende niveaus van bandbreedte en stroomcapaciteit te ondersteunen.

IEC-voedingsconnectors voor hoge vermogensvereisten

De Internationale Elektrotechnische Commissie (IEC) definieert diverse normen voor voedingsconnectors die worden gebruikt in huishoudelijke, commerciële en industriële toepassingen. IEC 60320 bijvoorbeeld heeft betrekking op niet-vergrendelende connectors met spanningen en stromen tot respectievelijk 250 V en 16 A. Hiertoe behoren grote, maar niet-robuuste C13/C14-koppelingen en grotere C19/C20-koppelingen die gebruikelijk zijn op elektronische apparatuur voor industriële toepassingen - met inbegrip van voedingen voor computers en serverbehuizingen. Deze koppelingen worden normaal niet beschouwd als heavy-duty connectors.

IEC 60309-connectors daarentegen zijn robuust uitgevoerd en bedoeld voor gebruik op industriële kabels die spanningen en stromen tot respectievelijk 1.000 V en 800 A overbrengen. Alle IEC 60309-vergrendelingsconnectors bieden een zekere mate van bescherming tegen binnendringing, met standaardconfiguraties die spatwaterdicht IP44, waterdicht IP67, of straalwaterdicht en waterdicht IP66/67 bieden.

De norm staat ook vergrendelde sockets toe: Connecotrs met deze voorziening kunnen niet worden onderbroken tenzij ze met een plug zijn verbonden ... en de plug kan niet worden verwijderd voordat de stroom is uitgeschakeld. De volgende kleurcodering geeft het toelaatbare spannings- en frequentiebereik voor de connector aan.

• Geel geeft aan dat de IEC 60309-voedingsconnector geschikt is voor 100 tot 130 V bij 50 of 60 Hz.
• Blauw geeft aan dat de IEC 60309-voedingsconnector geschikt is voor 200 tot 250 V bij 50 of 60 Hz.
• Rood geeft aan dat de IEC 60309-voedingsconnector geschikt is voor het transporteren van 380 tot 480 V bij 50 of 60 Hz ... vaak in een driefasige configuratie.

Afbeelding 5: Deze rode kleurgecodeerde heavy-duty connector voldoet aan de IEC 60309-norm voor de voeding van 380 tot 480 V. (Bron afbeelding: Wikimedia Commons)

Conclusie

Heavy-duty connectors moeten aan verschillende eisen voldoen. Moet de connector bestand zijn tegen verbrijzeling door stootbelasting - of tegen uit elkaar getrokken worden? Is er bescherming tegen binnendringen van stof of water nodig? Tegen welke temperaturen moet de connector bestand zijn? Zal de connector voor zwaar gebruik worden geïnstalleerd in omgevingen waar ontvlambaarheid een probleem is?

Ook moet rekening worden gehouden met het aantal pennen en de spanning en stroom die door elke pen moeten worden geleid - samen met de richting van de kabelinvoer en het niveau van kabelbescherming. Op geautomatiseerde machines die de kabels en hun connectoren aan beweging blootstellen, moeten geschikte wartels en kabelklemmen worden aangebracht ... en anti-verdraaiinrichtingen kunnen ook verstandig zijn.

Voor elektrische belastingen die relatief licht zijn maar onder zware omstandigheden werken, zijn connectors van de M-serie en hun afgeleiden vaak een geschikte keuze. Voor hogere elektrische belastingen kunnen rechthoekige connectoren een betere oplossing zijn ... vooral omdat ze kunnen worden geconfigureerd om te voldoen aan zowat elke complexe behoefte met verschillende kabelinvoerrichtingen, montagemogelijkheden, en over het algemeen modulaire constructies. Anders zijn voor eenvoudige stroomaansluitingen op een eenfasige of driefasige wisselstroomvoeding IEC 60309 vergrendelbare industriële connectors de eerste (zo niet de enige) keuze.