Subtile overvejelser om stik i barske og ekstreme miljøer

Stik, der bruges i Industri 4.0-produktion, robotteknologi, logistikudstyr, tungt maskineri, transportsystemer og operationer som olie- og gasproduktion, udsættes ofte for barske og krævende miljøer som vand- og saltsprøjt, støv, fugtighed, betydelige niveauer af stød og vibrationer, ekstreme temperaturer og behovet for at opretholde elektromagnetisk kompatibilitet (EMC). Det kræver en særlig klasse af stik at håndtere disse ekstreme krav og sikre høj pålidelighed.

Afhængigt af anvendelsen skal disse stik opfylde en række standarder fra International Electrotechnical Commission (IEC), United States Council for Automotive Research LLC (USCAR), Society of Automotive Engineers (SAE), den tyske AK Group og andre.

Denne artikel begynder med et kig på nogle af de små overvejelser, som f.eks. forskellen mellem vejrbestandig og vandtæt samt de forskellige niveauer af vandtæthed. Derefter undersøges forskellene mellem USCAR-2 og den tyske LV 214-vibrationstest. Artiklen slutter af med at præsentere en række stik fra Amphenol som leder-til-kort, USB Type-C®, ix, M12 push-pull, filtrerede sub-D-designs og udskiftelige batteriløsninger, der er designet til at opfylde kravene i barske og ekstreme miljøer.

Vejrbestandig vs. vandtæt

Nogle stik udråbes til at være "vejrbestandige". Ifølge U.S. National Weather Service er "vejret defineret som atmosfærens tilstand på et givet tidspunkt og sted med hensyn til variabler som temperatur, fugtighed, vindhastighed og -retning og barometrisk tryk." Vejrbestandighed har forskellige betydninger inden for meteorologi og stik.

Vejrbestandighed bruges ikke i tekniske standarder for stik. I specifikationerne for stikket står der generelt ikke noget om forskellige vindhastigheder eller barometertryk. Den meteorologiske definition af vejr refererer ikke til støv eller andre partikler, der kan påvirke stikkenes ydeevne, og som er inkluderet i standarder som IEC 60529, beskyttelsesgrader for kabinetter (IP-kode), der gælder for stik.

IP-klassificeringssystem

Generelt er vejrbestandige stik designet til udendørs brug og eksponering for vejret. De er normalt klassificeret til IP65 og derover og fremstillet af ultraviolet (UV) resistente materialer for at kunne klare langvarig udsættelse for sollys. Vandtætte stik har en IP-klassificering på IP67 eller højere. Selv om det kan være nyttigt at identificere et stik som vejrbestandigt eller vandtæt, er det bedre at bestemme dets specifikke IP-klassificering.

Den laveste klassificering er IP11. Det betyder beskyttelse mod gennemtrængning af en 50 mm genstand som en hånd, men vand kan trænge igennem. Stik har generelt meget højere IP-klasser. For eksempel vil vejrbestandige stik, der er klassificeret til IP65, ikke få deres ydeevne reduceret ved udsættelse for støv i to til otte timer, og de er beskyttet mod vandstråler med begrænset vandindtrængning tilladt.

Vandtætte stik med IP67-klassificering er støvtætte og kan nedsænkes til 1 meters dybde i 30 minutter, uden at der trænger vand ind. Til mere krævende anvendelser er der endnu højere IP-klasser for vandbeskyttelse (figur 1).

Figur 1: Definitioner af indtrængningsbeskyttelse. (Billedkilde: Amphenol)

Variationer i vibrationer

For at sikre pålidelig drift skal stikkene have sikre kontakter. Det kan være en udfordring i miljøer med høje vibrationer som industrielle systemer, tungt udstyr og transportapplikationer. To almindeligt anvendte vibrationsstandarder for stik er LV214 og USCAR-2.

Begge refererer til IEC 60068, SR-serien (systemkrav) for miljøtest, der dækker en række forhold, herunder sinus-, tilfældig- og stødspænding samt ekstrem varme og kulde. De henviser til IEC 60512-1-1, som specificerer visuel inspektion under testning. Selv om de har meget til fælles, er LV214 og USCAR-2 forskellige.

AK-gruppen af tyske bilproducenter udviklede LV214. Den fokuserer på kvaliteten af terminaler ved hjælp af krympekraftmonitorer. Terminaler skal opfylde specifikke kriterier for krympekraft. Krympekraftmonitorer måler det anvendte tryk under krympeprocessen og sikrer, at det opfylder standardens krav.

USCAR-2 er mere omfattende. Den omfatter test på alle udviklingsstadier samt feltanalyse af terminaler, stik og andre komponenter i højspændingsapplikationer (60 V til 600 V) til biler.

Begge standarder klassificerer vibrationer i fem intensitetsniveauer. I LV214 spænder niveauerne fra S1, den mest alvorlige vibration, som regel i nærheden af dækkene, til S5, den mindst alvorlige, som regel i passagerkabinen. Niveau S2 findes på steder som batteripakken i en elbil. USCAR-2-klassificeringerne omfatter V1 for chassisvibrationsprofilen og den mere alvorlige V2-motorvibrationsprofil, og højere vibrationstestniveauer omfatter termisk cykling under testen. (Tabel 1).

Tabel 1: LV214 S2- og USCAR2 V1-kravene viser forskelle i tilfældige vibrationer, varighed, temperaturcyklusser og halvsinus-stødtest. (Tabelkilde: Amphenol)

Amphenol tilbyder en bred vifte af industrielle løsninger. For eksempel er WireLock 1,8 mm leder-til-kort-stik fra Amphenol i overensstemmelse med USCAR-2 V2 og LV214 S2. De er designet til bilindustrien, batteristyringssystemer, industri- og instrumenteringsapplikationer og robotteknologi.

WireLock-stik har en nominel strømstyrke på 3 A og håndterer ledningsstørrelser fra 22 til 26 American wire gauge (AWG). Der findes modeller med op til 40 positioner i et dobbeltrækket design og lodrette og vandrette konfigurationer til gennemgående huller og overflademontering. Der er fire forskellige farver til kodning mod fejlparring (figur 2).

Figur 2: WireLock-stik har op til 40 positioner og er i overensstemmelse med USCAR2 V2 og LV214 S2. (Billedkilde: Amphenol)

Vandtæt og robust USB Type-C

USB Type-C-forbindelse er afgørende i mange applikationer, herunder industrielle og barske miljøer. Det definerer en stikstil, ikke en protokol, og kan understøtte dataoverførsel med op til 10 gigabit pr. sekund (Gb/s) og strømtilførsel. Ud over anvendelsen i USB-forbindelser kan disse stik bruges til Thunderbolt, PCIe (peripheral component interconnect express), HDMI (high-definition multimedia interface), DisplayPort og andre protokoller.

For at understøtte maksimale datahastigheder er alle de jordede dele i disse stik, som benene, låsen og EMC-skærmen, jordede for at reducere resonans. Kontrol af resonans begrænser mængden af krydstale og elektromagnetisk interferens (EMI) og bidrager til at forbedre stikkets ydeevne.

Amphenol tilbyder USB Type-C-stik i vandtætte og robuste versioner. De vandtætte USB Type-C-stik er klassificeret til IP68 og beskyttet mod nedsænkning i vand i længere perioder. Vandtætheden opnås ved hjælp af virksomhedens flydende sprøjtestøbningsproces (LIM), der fremstiller en vandtæt O-ring af gummi på ydersiden af stikket, som sikrer, at den rustfri stålskal er helt forseglet. Disse 24-benede stik er klassificeret til 10.000 parringscyklusser.

Til nogle anvendelser er vandtæthed ikke nok. Designere kan henvende sig til MUSBR Rugged Type-C USB-stik til disse anvendelser. Ligesom de vandtætte versioner er disse robuste stik klassificeret til 10.000 parringscyklusser.

De har et hus af UL94V-0-klassificeret sort teknisk termoplast i en trykstøbt zinklegering med nikkelbelægning, der giver stabilitet og beskytter mod stød, vibrationer og slag. Bagdækslet er af rustfrit stål, og en ledende pakning af silikonegummi understøtter en IP67-klassificering og en driftstemperatur fra -40 °C til +105 °C (figur 3).

Figur 3: Amphenol tilbyder USB Type-C-stik i vandtætte (venstre) og robuste (højre) versioner. (Billedkilde: Amphenol)

Vejrbestandigt Ethernet

Industrial Ethernet muliggør flere protokoller, der understøtter realtidsstyring og determinisme i Industri 4.0-faciliteter, herunder EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET, Modbus TCP og andre. Amphenol tilbyder en række industrielle Ethernet-løsninger, der passer til specifikke anvendelsesbehov. De fås med IP-klasser fra IP20 til IP67.

NDH-serien med forseglet ix industriel låsningsinterface er et rektangulært push-pull-stik og en kabelløsning, der er vejrbestandig med en IP-klassificering på IP67 og er i et UV-bestandigt hus til brug indendørs, udendørs og i barske miljøer. De understøtter Cat6A Ethernet-forbindelse ved hjælp af et standard IEC 61076-3-124 parringsinterface. Specifikationer omfatter: (figur 4):

• Push-pull låsemekanisme med positiv låsning
• Lille, let, formfaktor
• Fås som felt terminering-kit eller som færdiglavede kabelsamlinger
• Passer til standard IP20 ix industrikoblingsstik

Figur 4: Dette vejrbestandige industrielle Ethernet-stik (sort samling) er IP67-klassificeret og har et UV-bestandigt hus. (Billedkilde: Amphenol)

M12 til barske miljøer

Amphenol tilbyder en række produktløsninger til barske miljøer, herunder MPronto-12 M12 push-pull-stik. MPronto-12-stikket passer til alle M12*1.0-stik og er i overensstemmelse med IEC 61076-2-101 fra alle producenter. De giver en hurtig og enkel måde at opgradere systemets ydeevne i applikationer som industriel automatisering, tungt udstyr, elektriske køretøjer og materialehåndteringsudstyr, da de opfylder IP67-, IP68- og IP69K-beskyttelsesklasser og understøtter M12 A-, B-, D-, K-, L-, S-, T- og X-koder. Yderligere funktioner omfatter:

• -20 °C til +105 °C driftstemperatur
• Sparer over 80 % af installationstiden
• Hørbart klik sikrer positiv parring
• Mindre end konkurrerende M12 push-pull-stik, der kræver et parringspar

Filtreret D-sub

FCE17 D-sub-filterstik beskytter datasignalernes integritet ved at filtrere interferens fra ledningsført og udstrålet EMI. De er designet til bil-, industri-, medicin-, datakommunikations- og energiindustrien.

Filtreringen overgår ydelsen af de samme filterkomponenter, der er monteret på systemets printkort (PCB), og ved at inkludere filterkomponenterne i stikket reduceres løsningens størrelse og omkostninger. Disse filtrerede stik passer til det almindelige fodaftryk for ufiltrerede stik og understøtter enkle opgraderinger af EMI-ydelsen.

Der findes forskellige lavimpedante chip-kondensatorer (NP0- eller X7R-dielektrikum) i standardværdierne 50 picoFarads (pf) til 47000 pf for at opfylde en bred vifte af filtreringsbehov. Tilpassede kapacitansværdier er også tilgængelige.

Amphenols stressisolerede teknologi producerer stik med overlegen mekanisk og termisk stødstyrke. Mekanisk belastning af stikket eller kontakterne vil ikke resultere i revner i filterelementerne eller afbrydelse af den elektriske forbindelse. Desuden bliver udstrålede og ledede emissioner fra ekstern EMI og fra enheden shuntet til jord, hvilket forbedrer EMC-ydelsen.

Udskiftelige batterier til droner og robotter

Designere af udskiftelige batterisystemer til droner, robotter og e-mobilitetssystemer i lagerbygninger og fabrikker kan bruge DURASWAP-løsninger til udskiftelige batteristik. De fås i to effekt- og seks signalkonfigurationer; specialdesigns tilbydes også. De kan bære kontinuerlige strømme fra 15 til 70 ampere (A) og er klassificeret til 10.000 parringscyklusser.

Blindparring understøttes med en flydeevne på ±2 millimeter (mm). FMLB-teknologien (first-mate last-break) gør det muligt at etablere jordforbindelsen før strømforbindelserne, og jordforbindelsen opretholdes, indtil strømforbindelserne er brudt. Metalbøsningen til panelbefæstelse kan modstå høje momentbelastninger for effektiv IP-forsegling af panelet. Andre funktioner omfatter (figur 5):

• Styreben til at sikre korrekt tilpasning
• IP67-klassificering, når den er sammenkoblet og ikke sammenkoblet
• UL94V-0-klassificerede husmaterialer
• Driftstemperaturområde på -20 °C til +90 °C

Figur 5: Disse strømstik omfatter FMLB-teknologi og understøtter blindparring med en flydeafstand på ±2 mm. (Billedkilde: Amphenol)

Konklusion

Denne artikel har gennemgået nogle overvejelser, når man specificerer stik til brug i barske og ekstreme miljøer. I nogle tilfælde er det nødvendigt at skelne mellem USCAR-2 og LV214 vibrationstest. Da flere og flere systemer bruges udendørs, er det vigtigt at kende forskellen mellem vejrbestandig og vandtæt og de forskellige niveauer af vandtæthed. Endelig kan applikationsspecifikke overvejelser omfatte brug af FMLB-teknologi i strømstik og integreret EMI-filtrering i højhastighedsdatastik.