Hur man konstruerar för robusta miljöer med förseglade kontaktdon

Ponstruktörer pressar in allt mer elektronik i allt mer besvärliga eller trånga utrymmen, särskilt inom transportsektorn, industriella system och smarta hushållsapparater som tvättmaskiner. I sådana tillämpningar kan ledningsdragning medföra många utmaningar kring tillförlitlighet och pålitlighet till följd av damm, fuktintrång, extrema temperaturer och mekaniska påfrestningar.

Även inom ett och samma system kan kraven på enskilda anslutningar variera kraftigt. Kablar som bär digitala lågspänningssignaler har andra hopkopplingsproblem än tjockare ledningar som matar höga spänningar till motorer och kraftdistribution. Fel val av kontaktdon kan resultera i totalt avbrott eller återkommande signalfel, dyra stillestånd och underhållsproblem.

Denna artikel diskuterar utmaningarna med att välja lämpliga och stabila lösningar för kabelkopplingar som är tillräckligt robusta för tillämpningen. Den går igenom hur rätt användning av ett IP67-klassat och USCAR-2 Sealing Class 2-certifierat hopkopplingssystem av kan säkerställa tillförlitliga hopkopplingar som också sänker kostnaderna för underhåll och reparation. Sedan presenteras en rad IP67-klassade och USCAR-2 Sealing Class 2-certifierade hopkopplingssystem från Molex, och det visas hur dessa kan användas för att uppfylla en rad olika produktkrav.

Överväganden för industriella hopkopplingssystem

Konstruktörer av utrustning för industrimiljöer måste ta hänsyn till partikelföroreningar, vätskor och extrema temperaturer. Dessutom måste industriella system vara förberedda för att hantera oförutsägbara förhållanden till följd av förändringar i miljö eller utrustning.

Industriella anläggningar som fabriker och lager använder en mängd olika hopkopplingslösningar, varav många är tunga. Bilar och lastbilar klassas också som industrimiljöer i rörelse. Det finns allmänna riktlinjer som måste följas för dessa sammankopplingssituationer. De mest grundläggande är motståndskraften mot alla typer av partiklar, från järnfilsspån och metallfragment till damm och fina pulver. Ju finare partiklarna är, desto högre är sannolikheten för att de är luftburna. Exempelvis kan vanligt damm, sot och andra fina partiklar från tung utrustning virvlas upp av fläktar och ventilationssystem och landa många meter från källan. Dessa partiklar kan tränga in i alla otätade öppningar, inklusive hopkopplade kontaktdon och förorena inre ytor. Detta kan orsaka hopkopplingsproblem i form av allt från återkommande störningar, till följd av resistanser i anslutningen, till total kontaktförlust. Om partiklarna är abrasiva eller frätande kan de också orsaka permanenta kontaktfel som kräver dyra och tidskrävande reparationer.

Olika vätskor finns också i industriella miljöer. Vatten, bensin, oljor och olika kemikalier är vanliga i tunga industriella miljöer. Inträngning av dessa vätskor, i form av vätska eller ånga, i ett hopkopplat kontaktdonssystem kan orsaka kortslutningar och också orsaka haverier på utrustningen.

IP67-klassade hopkopplingssystem

Istället för att skapa en mängd olika kontaktdon för olika industriella miljöförhållanden har industrin standardiserat sig till att använda ledningar, kablar och kontaktdonssystem som är IP67-klassade. De två bokstäverna IP står officiellt för de tre orden ”international protection rating”, men de är mest kända under det inofficiella men mer träffande begreppet “ingress protection”. IP67 definierar hopkopplingssystemets motståndskraft mot partiklar och främmande föremål samt dess motståndskraft mot vattenintrång.

”6” i IP67 indikerar att en hopkoppling är helt ogenomtränglig för alla partiklar, inklusive fint damm. Detta uppnås i första hand genom en tät förslutning mellan de två hopkopplade kontaktdonens höljen. ”7” indikerar att ett IP67-hopkopplingssystem tål nedsänkning i vatten till ett meters djup i upp till 30 minuter. Detta är tillräckligt bra för de flesta industriella miljöer.

Den täta förslutningen mellan de hopkopplade höljena på de två kontaktdonen hjälper till, men vattentåligheten uppnås främst med en kontaktdonspackning som vanligtvis är motståndskraftig inte bara mot vatten utan också mot många kemikalier. Olika packningsmaterial är resistenta mot olika kemikalier, så under valet av ett hopkopplingssystem är materialet i packningen en viktig faktor.

Ansluta digitalsignaler med låg effekt

Naturligtvis har inte alla kabelsystem samma behov. Hopkopplingslösningar för digitala logiksignaler djupt inne i IP67-klassad utrustning behöver vanligtvis endast hantera 5 volt eller mindre vid strömmar runt 500 mA. Dessa lågeffektsignaler använder små lätta kabelkontaktdon som vanligtvis inte utsätts för hård fysisk hantering. Kontaktdonen måste vara lätta att para ihop för snabb montering av utrustningen och vara tillräckligt lätta för att de inte ska utgöra någon belastning på lågströmsledningarna i kabelmodulen. För dessa hopkopplingstillämpningar har Molex det miniatyriserade för kontaktdonssystemet Mizu-P25 för ledning-till-ledning. Dessa vattentäta IP67-certifierade kontaktdon håller damm och vatten borta från hopkopplingen i ett praktiskt kompakt hölje.

Ett exempel på ett hopkopplat par IP67-klassade Mizu-P25-kontaktdon är Molex stickdon 0521160240 och Molex uttag 0521170240 med vattentätt kontaktdonssystem med två lägen (figur 1). När de är helt hopkopplade är de två kontaktdonen bara 25,5 millimeter (mm) långa, vilket är lämpligt för små trånga höljen.

Figur 1: Kontaktdonssystemet med Molex Mizu-P25 0521160240-stickdonet och 0521170240-uttaget med två lägen ger solitt skydd mot damm och vatten. De hopkopplade donen blir bara 25,5 mm långa och ger ett klart, hörbart klick när de är rätt hopkopplade. (Bildkälla: Molex)

Höljet och locket till varje kontaktdon är gjorda av polyester, vilket har utmärkt motståndskraft mot vatten, är flamskyddade och bleknar eller spricker inte vid långvarig exponering för solljus. Polyesterkontaktdon är också motståndskraftiga mot brott och kommer att böjas under normal användning samtidigt som de motstår deformering. Detta gör kontaktdonssystemet tillräckligt robust för grov hantering när det kopplas ihop under montering av utrustningen. Polyesterkontaktdon har också utmärkt skjuvmotstånd, vilket är perfekt för den glidande nötning som uppstår när kontaktdonen kopplas ihop och lösgörs.

Både kontaktdonets ringtätning och ledningens ändtätning använder silikonpackningar som ger en lufttät förslutning mot vatten och damm. Silikonpackning och -tätningar bibehåller flexibiliteten vid låga temperaturer, vilket gör dessa kontaktdon perfekta för utrustning med låga temperaturer, som kylskåp, och utomhusutrustning för kalla väderlekar. Dessa kontaktdon har två lägen med 5 mm ledningsavstånd, vilket säkert isolerar de två signalerna. De monteras enkelt av användaren med hjälp av de krimpade stiften.

Kontaktdonssystemet är utformat för enkel hopkoppling, oavsett vilka krimpplintar som valts av systemutvecklarna. När de kopplas ihop rätt ger donen ett tydligt hörbart klick för att indikera att donen är rätt hopkopplade. Detta hjälper tekniker under systemmonteringen och säkerställer en tät hopkoppling.

Detta Molex Mizu-P25-kontaktdonssystem är klassat för 250 volt och har ett driftstemperaturintervall från -40 till + 105 °C. Detta gör Molex Mizu-P25-system med stickdonet 0521160240 och uttaget 0521170240 lämpligt för vitvaror och många industriella system för kalla väderlekar. IP67-klassificeringen anger för utrustningskonstruktörerna att kontaktdonssystemet är säkrat mot vatten och damm och att det inte krävs omfattande miljötester av systemet.

Robust och förseglad hopkoppling för enkelt underhåll

Ibland krävs hopkopplingssystem för högre strömmar och som är underhållsvänliga i hårda miljöer. Hopkopplingssystemet behöver inte bara tillhandahålla en säker anslutning som inte av misstag kan kopplas från, utan måste också vara lätt att koppla från under underhållsaktiviteter. För dessa situationer kan konstruktörer använda Molex förseglade Squba-system för hopkoppling ledning-till-ledning. Squba-kontaktdonen är också IP67-klassade och kan leverera mer effekt i ett mindre format. Molex Squba 2042230004-stickdon och 2042200004-uttag, exempelvis, är fyrlägeskontaktdon med ett ledningsavstånd på 1,80 mm som ger tillförlitlig effekt- och signalmatning (figur 2).

Figur 2: Molex Squba 2042230004-stickdonet (vänster) och 2042200004-uttaget (höger) är ett hopkopplingssystem med fyra lägen som är utformat för att ge solitt skydd mot höga strömmar i våta miljöer. (Bildkälla: Molex)

Dessa Molex Squba-kontaktdon använder krimpade plintar och avger ett hörbart klick när de ansluts rätt. Kontaktspärren på uttaget har låg påbyggnadsprofil vilket minimerar risken att den fastnar i andra komponenter. Spärren ger en stabil, säker hopkoppling som enkelt kan frigöras under underhåll, antingen genom att använda en kraftig uppåtkraft med fingrarna eller genom att använda ett konventionellt bändverktyg.

Både stickdon- och uttagshöljena i Squba-serien är gjorda av nylon, vilket är exceptionellt starkt och motståndskraftigt mot de flesta industriella kemikalier. Detta gör Molex Squba-hopkopplingssystemet lämpligt för alla miljöer där kontaktdon kan förflyttas, skjutas eller påverkas av utrustning. Hopkopplingssystemet är tätat mot damm och fukt genom silikontätningar.

Varje kontaktdonsstift kan mata 125 volt AC eller DC. Rekommenderade dimensioner på ledartvärsnittsytan är 0,25-0,33 mm2 Med stift krimpade till trådade 0,25-ledningar kan varje stift hantera maximalt 5,25 ampere (A) vid 30 °C för en maximal strömförande kapacitet på 21 A. Maximal strömkapacitet varierar med temperaturen, så konstruktörerna måste vara uppmärksamma på kontaktdonsdokumentationen för att säkerställa att kontaktens avsedda strömkapacitet är lämplig för förhållandena.

Enheterna är klassade för driftstemperaturer på -40 till +105 °C, och tillsammans med en IP67-klassning är kontaktdonen lämpliga för miljöer som VVS-system, dryckesdispenserutrustning och industriell utrustning som måste fungera i kalla eller våta miljöer.

Nedsänkbar hopkoppling för flera kretsar

Ibland är ett hopkopplingssystem inte lika enkelt som att ansluta samma signaler på en kabel. Ibland måste flera kretstyper överföras längs samma kabelbana, inklusive digitala signaler, styrströmssignaler med hög ström och strömförsörjningsanslutningar. Dessa situationer kräver ett hybridhopkopplingssystem som kan hantera olika kontaktstorlekar. För dessa tillämpningar kan konstruktörer använda Molex hopkopplingssystem med MX150 Hybrid-kabelmodulen. MX150 Hybrid-systemet är validerat enligt USCAR-2-kraven för tätningsklass 2, vilket liknar IP67-klassificeringen. USCAR-2 klass 2 kräver genomgång av ett tryckvakuumtest med enheten nedsänkt i vatten.

När det är monterat är Molex MX150 Hybrid ett helt förseglat kontaktdonssystem lämpligt för situationer där de hopkopplade kontaktdonen antingen sänks ner i vatten eller hamnar i mycket våta miljöer där vätskor och sprutande högtrycksvatten är vanligt.

Molex MX150 Hybrids 12-poliga 1601126001-kontaktdon och 1601116006-uttag (figur 3) kan innehålla en blandning av upp till 10 st. 1,5 mm bladstiftplintar och upp till 2 st. 2,5 mm bladstiftplintar. 1,5 mm-plintarna kan användas för att bära logiska lågnivåsignaler medan de två 2,8 mm-plintarna kan användas för att mata upp till 22 A. Det gör detta hopkopplingssystem lämpligt för fordons- och industritillämpningar där ett enda ledningsknippe måste bära både ström och data till en enda mottagarapparat.

Figur 3: Molex 12-poliga MX150 Hybrid 1601126001-stickdon (vänster) och dess make 1601116006-uttag (höger), kan säkert hantera en blandning av 1,5 mm och 2,80 mm bladstiftplintar i ett dränkbart hopkopplingssystem. (Bildkälla: Molex)

När MX150 IP67 Hybrid-hopkopplingssystemet är helt monterat och hopkopplat är det immunt mot smuts och damm. Det kan sänkas ner under vatten och kan användas i intervallet -40 till + 125 °C. Kontaktdonets hölje är en kombination av nylon och glas, vilket är mycket hållbart och motståndskraftigt mot grov hantering och lättare stötar. Detta gör hopkopplingssystemet lämpligt för tuffa industriella miljöer och för många konsumentapparater, samt tillämpningar i fordonsmotorer där kontaktdonet utsätts för extrema temperaturer, sprutande högtrycksvatten och hårda stötar från tunga föremål.

Molex MX150 Hybrid 1601126001-kontaktdon och 1601116006-uttag måste monteras som del av ett kabelknippe eller ledningsnät. Denna montering kräver att stiftkontakter sätts in i stickdonet och uttaget. Det finns dock risk att monteringstekniker ibland inte sätter in plintarna/kontaktstiften helt i kontaktdonshöljet, vilket leder till otillförlitliga anslutningar. För dessa situationer inkluderar vart och ett av dessa kontaktdon ett hölje med plintlägeslåsning (TPA).

Om stiftet har förts in rätt i TPA-höljet kommer monteringsteknikern att känna att stiftet låser på plats ordentligt. Om stifttet inte sätts in korrekt kommer kontaktdonet och uttaget inte att låsa vid hopkoppling. Detta garanterar att stiften sitter rätt, vilket ökar systemets tillförlitlighet.

Slutsats

Systemkonstruktörer för industri-, transport- eller hushållssektorn måste se till att deras kopplingar tål kraven som ställs på tillämpningen, inklusive trånga utrymmen, damm och smuts, extrema temperaturer, vätskor och oljor och andra penetrerande ämnen. För att förenkla konstruktionsprocessen kan konstruktörer välja specialkonstruerade kontaktdon klassade enligt IP67 eller konstruera själva med beaktande av risken för inträngning av damm, smuts, fukt och vätskor.

Som visat finns en mängd olika IP67-klassade kontaktdon som passar ett brett spektrum av tillämpningskrav, från digitala lågnivåsignaler till högeffektmatning. Att välja rätt IP67-klassat kontaktdon garanterar systemtillförlitligheten och minimerar risken för dyra stillestånd och reparationer.