Subtila överväganden för kontaktdon i tuffa och extrema miljöer

Kontaktdon som används i Industry 4.0-produktion, robotteknik, logistikutrustning, tunga maskiner, transportsystem och verksamheter som t.ex. olje- och gasproduktion exponeras ofta för tuffa och krävande miljöer som t.ex. vatten- och saltstänk, damm, luftfuktighet, omfattande nivåer av stötar och vibrationer, extrema temperaturer samt har krav på att upprätthålla elektromagnetisk kompatibilitet (EMC). Det krävs en särskild typ av kontaktdon för att klara de extrema kraven och garantera hög tillförlitlighet.

Beroende på användningsområde måste kontaktdonen uppfylla en rad olika standarder från IEC (International Electrotechnical Commission), USCAR (United States Council for Automotive Research LLC), SAE (Society of Automotive Engineers), tyska AK Group m.fl.

Artikeln börjar med en titt på några subtila överväganden, som t.ex. skillnaden mellan väderbeständig och vattentät, samt de olika nivåerna av vattentäthet. Därefter undersöks skillnaderna vid vibrationsprovning mellan standarderna USCAR-2 och den tyska LV 214. Artikeln avslutas med en presentation av olika kontaktdon från Amphenol som t.ex. ledare till kretskort, USB Type-C®, ix, M12 tryck och drag, konstruktioner med filtrerande sub D och lösningar för utbytbara batterier som är utformade för att uppfylla kraven i tuffa och extrema miljöer.

Väderbeständigt jämfört med vattentätt

Vissa kontaktdon marknadsförs som "väderbeständiga". Enligt U.S. National Weather Service definieras väder som "... atmosfärens tillstånd vid en given tidpunkt och plats, med avseende på variabler som temperatur, fuktighet, vindhastighet och riktning samt lufttryck". Väderbeständigt har olika betydelser inom meteorologi och för kontaktdon.

Väderbeständigt används inte i tekniska standarder för kontaktdon. Specifikationerna för kontaktdon innehåller i allmänhet inga uppgifter om olika nivåer för vindhastighet eller lufttryck. Den meteorologiska definitionen för väder refererar inte till damm eller andra partiklar som kan påverka kontaktdonens prestanda och ingår i standarder som t.ex. IEC 60529, skyddklassificering för kapslingar (IP-kod), som gäller för kontaktdon.

System för IP-klassificering

I allmänhet är ett väderbeständigt kontaktdon konstruerat för utomhusbruk och exponering för väder och vind. De är vanligtvis klassificerade som IP65 eller högre och är tillverkade av UV-beständiga material för att klara långvarig exponering för solljus. Vattentäta kontaktdon har IP-klassificeringar på IP67 eller högre. Även om det kan underlätta att identifiera ett kontaktdon som väderbeständigt eller vattentätt, är det bättre att fastställa dess specifika IP-klassificering.

Den lägsta klassificeringen är IP11. Den innebär skydd mot penetration av ett 50 mm stort föremål, som t.ex. en hand, men vatten kan tränga in. Kontaktdon har i allmänhet mycket högre IP-klassificering. Exempelvis försämras inte prestandan för väderbeständiga kontaktdon med IP65-klassificering av dammexponering under två till åtta timmar, och de är skyddade mot vattenstrålar där begränsad mängd vatten tillåts tränga in.

Vattentäta kontaktdon klassificerade enligt IP67 är dammtäta och kan sänkas ned till 1 meters djup i 30 minuter utan att vatten tränger in. För mer krävande tillämpningar finns det ännu högre IP-klassificeringar för skydd mot vatten (figur 1).

Figur 1: Definitioner för klassificering av inträngningsskydd. (Bildkälla: Amphenol)

Variationer i vibrationer

För att garantera tillförlitlig drift måste kontaktdonen ha säkra anslutningar. Det kan vara en utmaning i miljöer med mycket vibrationer, som t.ex. i industriella system, tunga maskiner och transporttillämpningar. Två vanligt förekommande vibrationsstandarder för kontaktdon är LV214 och USCAR-2.

Båda hänvisar till IEC 60068 SR-serien (systemkrav) för miljötestning som omfattar en rad olika förhållanden, inklusive sinus-, slump- och stötexcitation samt extrem värme och kyla. De hänvisar till IEC 60512-1-1 som specificerar visuell inspektion vid provning. LV214 och USCAR-2 har mycket gemensamt, men det finns skillnader.

AK Group, som består av tyska biltillverkare, utvecklade LV214. Den är inriktad på kvaliteten på anslutningarna med hjälp av mätare för kontaktpressningstryck. Anslutningarna måste uppfylla specifika kriterier för kontaktpressningenstryckets egenskaper. En mätare för kontaktpressningstryck mäter det tillförda trycket under pressningsprocessen och säkerställer att det uppfyller standarden.

USCAR-2 är mer utbredd. Den omfattar provning av fordonindustrins alla utvecklingsstadier samt fältanalys av anslutningar, kontaktdon och andra komponenter i tillämpningar med hög spänning (60 till 600 V).

Båda standarderna klassificerar vibrationer i fem nivåer. I LV214 sträcker sig nivåerna från den allvarligaste vibrationen S1, vanligtvis nära däcken, till den minst allvarliga S5, vanligtvis i passagerarutrymmet. Nivå S2 återfinns på platser som t.ex. i batteripaketet i ett elfordon. Klassificeringsprofiler för USCAR-2 omfattar V1 för chassivibrationer och V2 för de allvarligare motorvibrationsprofikerna, och högre nivåer av vibrationstester inkluderar termisk cykling vid testet. (Tabell 1).

Tabell 1: Kraven för LV214 S2 och USCAR2 V1 visar skillnader i slumpmässig vibration, varaktighet, temperaturcykling och stötprovning med halv sinusvåg. (Tabellkälla: Amphenol)

Amphenol har ett stort utbud för industriella lösningar. Kontaktdonet WireLock för kabel till kretskort på 1,8 mm från Amphenol uppfyller exempelvis USCAR-2 V2 och LV214 S2. De är konstruerade för fordon, batterihanteringssystem, industri- och instrumenteringstillämpningar samt robotteknik.

WireLock-kontaktdon har en nominell strömstyrka på 3 A och kan hantera storlekar på ledare från 0,14 till 0,34 mm². Modeller med upp till 40 positioner i konstruktioner med dubbla rader och vertikala och horisontella konfigurationer för genomgående hål och ytmontering finns. Det finns fyra olika färger för kodning för att förhindra felaktig sammankoppling (figur 2).

Figur 2: WireLock-kontaktdon har upp till 40 positioner och uppfyller kraven enligt USCAR2 V2 och LV214 S2. (Bildkälla: Amphenol)

Vattentät och robust USB Type-C

Anslutningsmöjligheter för USB Type-C är avgörande i många tillämpningar, inklusive industriella och tuffa miljöer. Den definierar en typ av kontaktdon, inte ett protokoll, och kan stödja dataöverföring med upp till 10 Gbit/s och strömförsörjning. Utöver USB-anslutning kan kontaktdonen användas för Thunderbolt, PCIe (Peripheral Component Interconnect Express), HDMI (High Definition Multimedia Interface), DisplayPort och andra protokoll.

För att klara maximala datahastigheter är alla jordade delar i kontaktdonen, som t.ex. stift, lås och EMC-ark, jordade för att minska resonansen. Genom att kontrollera resonansen begränsas mängden överhörning och elektromagnetiska störningar (EMI) och bidrar till förbättrad prestanda för kontaktdonen.

Amphenol erbjuder vattentäta och robusta versioner av kontaktdon för USB Type-C. De vattentäta kontaktdonen för USB Type-C är klassificerade enligt IP68 och skyddade mot nedsänkning i vatten under längre perioder. Vattentätningen uppnås genom att företagets LIM-process (Liquid Injection Molding) används för att tillverka en vattentät O-ring av gummi på utsidan av kontaktdonet, vilket garanterar att det rostfria skalet är helt tätt. Kontaktdon med 24 poler är klassificerade för 10 000 sammankopplingscykler.

För vissa tillämpningar räcker det inte med vattentätning. Konstruktörer kan använda sig av USB-kontaktdonet MUSBR Rugged Type-C för dessa tillämpningar. Precis som de vattentäta versionerna är kontaktdonen klassificerade för 10 000 sammankopplingscykler.

De har ett hölje av svart teknisk termoplast klassificerad enligt UL94V-0 i ett formgjutet skal av zinklegering med nickelplätering som ger stabilitet för att skydda mot stötar, vibrationer och slag. Bakstycket är tillverkat av rostfritt stål och har en ledande packning av silikongummi som uppfyller klassificeringen för IP67 och har en driftstemperatur från -40 till +105 °C (figur 3).

Figur 3: Amphenol har kontaktdon för USB Type-C i vattentäta (vänster) och robusta (höger) utföranden. (Bildkälla: Amphenol)

Väderbeständigt kontaktdon för Ethernet

Industriellt Ethernet möjliggör flera protokoll med stöd för realtidsstyrning och determinism i Industry 4.0-anläggningar, inklusive EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET, Modbus TCP och andra. Amphenol erbjuder en mängd olika industriella Ethernet-lösningar för att passa särskilda tillämpningsbehov. De finns med IP-klassificeringar från IP20 till IP67.

NDH-seriens förseglade ix-gränssnitt med industriell låsning är ett rektangulärt tryck och drag-kontaktdon som har en kabellösning som är väderbeständig med en IP67-klassificering och ett UV-beständigt hölje för användning inomhus, utomhus och i tuffa miljöer. De stödjer Ethernet-anslutning för Cat6A med hjälp av ett anslutningsgränsnitt som uppfyller standarden IEC 61076-3-124. Bland funktionerna kan nämnas (figur 4):

• Positiv låsmekanism med tryck och drag
• Litet och lätt format
• Tillgängliga som satser av kontaktdon för anslutning i fält eller som färdigtillverkade kablage
• Kan kopplas samman med vanliga IP20 ix industriuttag

Figur 4: Det väderbeständiga kontaktdonet för industriellt Ethernet (svart montering) är klassificerad enligt IP67 och har ett UV-beständigt hölje. (Bildkälla: Amphenol)

M12 för krävande miljöer

Amphenol har en mängd olika produktlösningar för tuffa miljöer, inklusive M12 tryck och dragkontaktdonen MPronto-12. Kontaktdonet MPronto-12 passar till alla M12*1.0-uttag och uppfyller IEC 61076-2-101 från alla tillverkare. Uppgradering av systemets prestanda i tillämpningar som t.ex. automation, tunga maskiner, elfordon och utrustning för materialhantering går snabbt och enkelt eftersom de uppfyller kapslingsklassificeringarna IP67, IP68 och IP69K och stödjer koderna M12 A, B, D, K, L, S, T och X. Ytterligare funktioner inkluderar:

• Driftstemperatur mellan -20 och +105 °C
• Sparar över 80 % av installationstiden
• Hörbart klick garanterar positiv anslutning
• Mindre än de konkurrerande tryck och dragkontaktdonen för M12 som kräver ett par som passar ihop

Filtrerande D-sub

Det filtrerande kontaktdonet FCE17 D-sub skyddar integriteten hos datasignaler genom att filtrera störningar från ledningsbundna och utstrålade elektromagnetiska störningar. De är avsedda för fordon, industrier, medicinteknik, datakommunikation och energi.

Filtreringen som tillhandahålls överträffar prestandan hos samma filterkomponenter som är monterade på systemets kretskort (PCB), och genom att inkludera filterkomponenterna i kontaktdonet minskar lösningens storlek och kostnad. De här filtrerande kontaktdonen passar med de icke-filtrerande standardkontaktdonen och stödjer enkla prestandauppgraderingar mot elektromagnetiska störningar.

Olika kretskondensatorer (NP0- eller X7R-dielektrikum) med låg impedans i standardvärden mellan 50 och 47 000 pF finns för att tillgodose ett en stor mängd filtreringsbehov. Anpassade kapacitansvärden finns även.

Amphenols påfrestningsisolerande teknik producerar kontaktdon med överlägsen mekanisk och termisk stötprestanda. Mekaniska påfrestningar på kontaktdonet eller kontakterna leder inte till att filterelementen spricker eller att den elektriska anslutningen bryts. Dessutom avleds utstrålad och ledningsbunden strålning från externa elektromagnetiska störningar och från enheten till jord, vilket förbättrar prestandan för elektromagnetisk kompatibilitet.

Utbytbara batterier för drönare och robotar

Konstruktörer av system med utbytbara batterier för drönare, robotar och e-mobilitetssystem i lager och fabriker kan använda DURASWAP utbytbara kontaktdonslösningar för batterier. De finns i konfigurationer med två ström och sex signalanslutningar. Kundanpassade konstruktioner finns också. De kan hantera kontinuerliga strömmar från 15 till 70 A och är klassificerade för 10 000 sammankopplingscykler.

Blind sammankoppling stöds med en tolerans på ±2 mm. FMLB-teknik (First-Mate-Last-Break) gör att jordanslutningen kan upprättas före strömanslutningarna och att jordanslutningen kan bibehållas tills efter att strömanslutningarna har brutits. Metallbussningen för panelinfästningen tål höga vridmoment för effektiv IP-tätning av panelen. Andra kännetecken är (figur 5):

• Styrstift för att garantera korrekt anslutning
• IP67-klassificering i både anslutet och icke anslutet läge
• Höljets material är klassificerat enligt UL94V-0
• Driftstemperaturområde mellan -20 och +90 °C

Figur 5: Strömkontakterna har FMLB-teknik och stödjer blind sammankoppling med en tolerans på ±2 mm. (Bildkälla: Amphenol)

Sammanfattning

I den här artikeln har vi gått igenom vad man bör tänka på när man specificerar kontaktdon för användning i tuffa och extrema miljöer. I vissa fall är det nödvändigt att skilja mellan vibrationsprovning för USCAR-2 respektive LV214. Eftersom allt fler system används utomhus är det viktigt att känna till skillnaden mellan väderbeständig och vattentät och de olika nivåerna av vattentäthet. Slutligen kan tillämpningsspecifika överväganden omfatta användning av FMLB-teknik i strömanslutningar och integrerad filtrering för elektromagnetiska störningar i kontaktdon för höga datahastigheter.