Miten suunnitella haastaviin olosuhteisiin käyttämällä tiivistettyjä liittimiä

Suunnittelijat puristavat yhä enemmän elektroniikkaa yhä hankalampiin ja ahtaampiin tiloihin, erityisesti kuljetusalalla, teollisuusjärjestelmissä sekä älykkäissä kodinkoneissa, esimerkkinä pesukoneet. Tällaisissa sovelluksissa kytkentöjen reititys saattaa aiheuttaa luotettavuus- ja riippuvuushaasteita, jotka johtuvat pölystä, liittimiin päässeestä kosteudesta, äärilämpötiloista sekä mekaanisesta rasituksesta.

Yksittäisiä kytkentöjä koskevat vaatimukset saattavat erota toisistaan huomattavasti jopa saman järjestelmän sisällä. Alhaisen jännitteen digitaalisia signaaleja välittävillä kaapeleilla on erilaiset kytkentöihin liittyvät ongelmat kuin paksummilla johdoilla, jotka välittävät korkeita jännitteitä moottoreille ja virranjakeluun. Väärästä liitinvalinnasta saattaa seurata, että signaali katoaa kokonaan tai se katoaa ajoittain. Tämä saattaa johtaa kalliisiin käyttökatkoihin ja ongelmiin huollossa.

Tässä artikkelissa keskustellaan haasteista, joita liittyy sopivan lujatekoisten ja sovellusta varten riittävän robustien kaapelikytkentäratkaisuiden valintaan. Artikkelissa selitetään miten IP67-luokitettujen ja USCAR-2-tiivistysluokan 2 kaapeliliitinjärjestelmien sopiva käyttö voi parantaa kytkentöjen luotettavuutta sekä laskea ylläpito- ja korjauskuluja. Sen jälkeen artikkelissa esitellään erilaisia IP67-luokitettuja ja USCAR-2-tiivistysluokan 2 kaapelikytkentäratkaisuja Molex-yritykseltä sekä näytetään miten nämä voivat vastata erilaisiin sovellusvaatimuksiin.

Teollisuuskytkentöjen suunnittelussa huomioitavia tekijöitä

Teollisuusympäristöihin tarkoitettujen laitteiden suunnittelijoiden on otettava huomioon epäpuhtaushiukkaset, nesteet ja äärilämpötilat. Lisäksi teollisuusjärjestelmien on oltava valmiita odottamattomiin olosuhteisiin, joita ympäristössä tai laitteessa tapahtuvat muutokset saattavat aiheuttaa.

Teollisuuslaitoksissa, esimerkkinä tehtaissa ja varastoissa, käytetään erilaisia usein raskaaseen käyttöön tarkoitettuja kytkentäratkaisuita. Myös autot ja trukit voidaan lukea liikkuviksi teollisuusympäristöiksi. On yleisiä suosituksia, joita näissä kytkentätilanteissa on harkittava. Yksikertaisin vaatimus koskee sitä, miten hyvin liitin kestää erilaisia pienhiukkasia rautalastuista ja metallifragmenteista pölyyn ja hienoihin jauheisiin. Mitä hienompia pienhiukkaset ovat, sitä todennäköisemmin ne leijuvat ilmassa. Esimerkiksi tavallinen pöly, noki ja muut raskaaseen käyttöön tarkoitetuista koneista leviävät hienot hiukkaset saattavat pysyä ilmassa tuulettimien ja ilmanvaihtojärjestelmien vaikutuksesta ja laskeutua jopa metrien päähän lähtöpaikastaan. Nämä hiukkaset saattavat päästä sisään kaikista tiivistämättömistä aukoista, yhteen liitetyt liittimet mukaan lukien, ja kontaminoida niiden sisäpinnat. Tämä saattaa aiheuttaa yhteysongelmia alkaen liitoksen resistanssista johtuvista silloin tällöin ilmenevistä toimintahäiriöistä aina koko yhteyden häviämiseen. Jos pienhiukkaset aiheuttavat lisäksi hankausta tai korroosiota, ne saattavat aiheuttaa liittimen pysyvän vaurioitumisen, mikä vaatii kalliita ja aikaa vieviä korjaustoimia.

Teollisuusympäristöissä on myös erilaisia nesteitä. Vesi, polttoaine, öljyt ja erilaiset kemikaalit ovat yleisiä raskaissa teollisuusympäristöissä. Jos näitä nesteitä pääsee yhteen liitetyn liittimen sisään nesteenä tai höyrynä, ne saattavat aiheuttaa oikosulkuja ja vaurioittaa laitteita.

IP67-luokitellut liitäntäjärjestelmät

Sen sijaan että erilaisiin teollisuusympäristöihin olisi kaikkiin tehty omat liittimensä, teollisuus on standardisoinut IP67-luokiteltujen johtimien, kaapeleiden ja liitinjärjestelmien käytön. Vaikka kaksi ensimmäistä kirjainta, IP, viittaavat virallisesti kolmeen sanaan “international protection rating / kansainvälinen suojausluokitus”, nämä tunnetaan paremmin epävirallisesta mutta tarkemmasta kuvauksesta “ingress protection / tunkeutumissuojaus”. IP67 kuvaa sitä miten liitäntäjärjestelmä kestää hiukkasia ja muita kappaleita samoin kuin vettä.

IP67-luokitusen luku 6 ilmoittaa, etteivät mitkään pienhiukkaset pääse kotelon läpi kytkentään, hieno pöly mukaan lukien. Tähän vaikuttaa ensisijaisesti tehokas tiivistys kahden yhteen liitetyn liitinkotelon välissä. IP67-luokituksen luku 7 ilmoittaa, että liitäntäjärjestelmä voidaan upottaa veteen 1 metrin syvyyteen 30 minuutiksi ilman että siihen pääsisi vettä. Tämä on kyllin hyvä useimpiin teollisuusympäristöihin.

Yhteen liitettyjen koteloiden tehokas tiivistys auttaa, mutta vesitiiviys saavutetaan ensisijaisesti liitintiivisteellä, joka tyypillisesti kestää veden lisäksi myös useita kemikaaleja. Erilaiset tiivistemateriaalit kestävät erilaisia kemikaaleja, joten liitäntäjärjestelmää valittaessa on tärkeää harkita käytettävää tiivistemateriaalia.

Matalatehoisten digitaalisten signaalien kytkeminen

Kaikilla kaapeliliitäntäjärjestelmillä ei tietenkään ole samoja tarpeita. Syvällä IP67-luokiteltujen laitteiden sisällä sijaitsevien digitaalilogiikan signaalien kytkentäratkaisuiden ei tyypillisesti tarvitse käsitellä kuin enintään 5 voltin jännitteitä ja niiden virrat ovat noin 500 milliampeeria (mA). Nämä matalatehoiset signaalit käyttävät pieniä ja kevyitä kaapeliliittimiä eikä niihin tavallisesti kohdistu fyysistä rasitusta. Näiden liittimien on oltava helposti kytkettävissä, jotta laite voidaan koota nopeasti. Niiden on myös oltava riittävän kevyitä, etteivät ne rasita valmiskaapelin matalavirtaisia johtimia. Tällaisiin kytkentäsovelluksiin Molexilla on miniatyyrinen johdosta-johtoon liitinjärjestelmä Mizu-P25. Nämä vedenpitävät IP67-luokitellut liittimet pitävät pölyn ja veden pois yhteen liitetystä kokoonpanosta ja ne käyttävät mukavan kompaktia koteloa.

Esimerkkinä yhteensopivasta IP67-luokitetusta Mizu-P25-liitinparista toimivat Molex 0521160240-urosliitin ja Molex 0521170240-naarasliitin, jotka muodostavat kaksinastaisen ja vesitiiviin liitinjärjestelmän (kuva 1). Kun ne on kytketty yhteen, näiden kahden liittimen pituus on vain 25,5 millimetriä (mm), mikä sopii myös pieniin ja ahtaisiin koteloihin.

Kuva 1: Molexin Mizu-P25 0521160240-urosliitin ja 0521170240-naarasliitin tarjoavat kaksinastaisen sovitetun liitinjärjestelmän, joka antaa hyvän suojan pölyä ja vettä vastaan. Yhteen kytkettyjen liittimien yhteispituus on vain 25,5 mm ja ne tarjoavat selkeästi kuultavan naksauksen kun ne yhdistetään oikealla tavalla. (Kuvan lähde: Molex)

Kummankin liittimen kotelo ja kansi on valmistettu polyesteristä, joka kestää erittäin hyvin vettä, kestää liekkejä, ja joka ei haurastu eikä halkeile altistuessaan pitkäkestoisesti auringonvalolle. Polyesteriliittimet eivät myöskään rikkoudu helposti. Ne taipuvat normaalikäytössä muuttamatta kuitenkaan pysyvästi muotoaan. Tämä tekee liitinjärjestelmästä riittävän robustin kestämään karkeaa käsittelyä kun se kytketään yhteen laitteen kokoonpanon aikana. Myös polyesteriliittimien leikkausvastus on erinomainen, mikä on ihanteellista ajatellen liukuhankausta kun liittimet kytketään yhteen ja irrotetaan uudelleen.

Sekä liittimen rengastiivisteenä että johdinpään tiivisteenä käytetään silikonitiivisteittä, joka tarjoaa ilmatiiviin tiivistyksen vettä ja pölyä vastaan. Silikonitiivisteet pysyvät joustavina alhaisissa lämpötiloissa, minkä ansiosta nämä liittimet sopivat täydellisesti kylmälaitteisiin, esimerkkinä jääkaapit ja ulkokäyttöön kylmiin lämpötiloihin tarkoitetut laitteet. Näissä liittimissä on kaksi nastaa 5 mm:n jaolla. Tämä pitää nämä kaksi signaalia turvallisesti irti toisistaan. Käyttäjä voi koota ne helposti puristustappien ansiosta.

Liitinjärjestelmä on suunnittelu niin, että liittimet on helppo kytkeä yhteen riippumatta siitä, mitkä puristusliittimet järjestelmän kehittäjät ovat valinneet. Kun liittimet kytketään yhteen oikealla tavalla, liittimistä kuuluu äänekäs naksaus. Tämä ilmaisee, että liittimet on kytketty kunnolla yhteen. Tämä auttaa teknikoita järjestelmän kokoonpanossa ja takaa, että liittimet on kytketty tiiviisti yhteen.

Tämä Molexin Mizu-P25-liitinjärjestelmä on luokitettu 250 voltille ja sen käyttölämpötila-alue on -40 °C ... +105 °C. Tämän ansiosta Molexin Mizu-P25 0521160240 -urosliittimen ja 0521170240-naarasliittimen liitinjärjestelmä sopii kodinkoneisiin sekä erilaisiin kylmän ilman teollisuusjärjestelmiin. IP67-luokitus kertoo laitteen suunnittelijoille, että liitinjärjestelmä on suojattu vedeltä ja pölyltä ja ettei liitinjärjestelmä vaadi kattavaa ympäristötestausta.

Lujatekoinen tiivistetty kytkentä helpottaa huoltoa

Joskus liitäntäjärjestelmiltä vaaditaan korkeampia virtamääriä ja huoltoystävällisyyttä vaativissa olosuhteissa. Liitäntäjärjestelmän on tarjottava paitsi luotettava kytkentä, joka ei irtoa tahattomasti, se täytyy myös voida irrottaa helposti huollon aikana. Tällaisissa tilanteissa suunnittelijat voivat käyttää Molexin tiivistettyä johdosta-johtoon Squba-liitäntäjärjestelmää. Squba-liittimet ovat myös IP67-luokitettuja ja tarjoavat enemmän tehoa pienemmässä koossa. Esimerkiksi Molex Squba 2042230004-urosliitin ja 2042200004-naarasliitin ovat nelinapaisia liittimiä, joiden jako on 1,80 mm ja ne tarjoavat luotettavan liitoksen virralle ja signaaleille (kuva 2).

Kuva 2: Molexin Squba 2042230004 -urosliitin (vasemmalla) ja 2042200004-naarasliitin (oikealla) muodostavat nelinapaisen liitäntäjärjestelmän, joka on suunniteltu tarjoamaan luotettava suojaus korkeille sähkövirroille märissä ympäristöissä. (Kuvan lähde: Molex)

Nämä Molex Squba -liittimet käyttävät puristusliittimiä ja antavat kuultavan naksauksen kun ne kytketään kunnolla yhteen. Naarasliittimen salpa on profiililtaan matala, mikä minimoi vaaran, että se tarttuisi kiinni johonkin. Salpa tarjoaa lujan ja luotettavan kytkennän, joka voidaan helposti irrottaa huoltoa varten, joko tarttumalla sormin tiukasti kiinni ja vetämällä ylöspäin tai käyttämällä normaalia vääntötyökalua salvan avaamiseen.

Sekä Squba-urosliittimen että -naarasliittimen kotelo on valmistettu nylonista, joka on poikkeuksellisen vahvaa ja kestää useimpia teollisuuskemikaaleja. Tämä tekee Molex Squba -liitäntäjärjestelmästä sopivan kaikkiin sellaisiin ympäristöihin, joissa liittimiä voidaan liikuttaa tai työntää tai joissa laitteet voivat osua niihin. Liitäntäjärjestelmä on tiivistetty silikonitiivisteillä pölyä ja kosteutta vastaan.

Jokaiseen kontaktinastaan voi syöttää 125 volttia AC- tai DC-jännitettä. Suositeltavat johdon paksuudet ovat 22–24 AWG. Jos nastat puristetaan 22 AWG:n monilankaiseen johtimeen, kukin nasta voi syöttää jopa 5,25 ampeeria (A) lämpötilassa 30 °C ja niiden maksimi virransyöttökyky on 21 A. Maksimi virransyöttökyky riippuu lämpötilasta, joten suunnittelijoiden on kiinnitettävä paljon huomiota liittimen dokumentaatioon varmistaakseen, että liittimen aiottu virransyöttökyky sopii olosuhteisiin.

Liittimien käyttölämpötilaluokitus on -40 °C ... +105 °C ja yhdessä IP67-luokituksen kanssa liittimet sopivat sellaisiin ympäristöihin kuten ilmastointijärjestelmät, juomien annostelulaitteet sekä teollisuuslaitteet, joiden on toimittava kylmissä tai märissä ympäristöissä.

Usean piirin upotettavat liitännät

Joskus liitäntäjärjestelmät eivät ole yhtä yksinkertaisia kuin yhden kaapelin samojen signaalien yhdistäminen. Joskus samassa kaapelissa on siirrettävä useita piirityyppejä, mukaan lukien digitaaliset signaalit, sähkövirraltaan korkeat ohjaussignaalit sekä virtalähteen liitännät. Näissä tilanteissa tarvitaan hybridiä liitäntäjärjestelmää, joka tarjoaa erikokoisia kontakteja. Tällaisissa käyttökohteissa suunnittelijat voivat käyttää valmiskaapeleille tarkoitettua Molexin MX150 Hybrid -liitäntäjärjestelmää. MX150 Hybrid -järjestelmä on validoitu USCAR-2-tiivistysluokan 2 vaatimusten mukaisesti. Nämä vaatimukset ovat samankaltaisia kuin IP67-luokituksen vaatimukset. USCAR-2-luokka 2 vaatii, että laite läpäisee painetyhjiötestin veteen upotettuna.

Koottuna Molexin MX150 Hybrid on täysin tiivis liitinjärjestelmä, joka sopii tilanteisiin, joissa yhdistetyt liittimet saatetaan upottaa. Ne sopivat myös erittäin märkiin ympäristöihin, joissa esiintyy usein nesteitä ja korkeapaineisia vesisuihkuja.

Molexin 12-nastainen urosliitin MX150 Hybrid 1601126001 ja 12-nastainen naarasliitin 1601116006 (kuva 3) voivat sisältää jopa kymmenen 1,5 mm:n lattaliitintä ja kaksi 2,5 mm:n lattaliitintä. 1,5 mm:n liittimiä voidaan käyttää välittämään matalatasoisia logiikkasignaaleja kun taas kahta 2,8 mm:n lattaliitintä voidaan käyttää välittämään jopa 22 A:n sähkövirta. Tämän ansiosta tämä liitäntäjärjestelmä sopii sekä autokäyttöön että teollisuussovelluksiin, joissa yhdellä johtosarjalla on kuljetettava samalle koneelle sekä virtaa että dataa.

Kuva 3: Molexin MX150 Hybrid 1601126001 12-nastainen urosliitin (vasemmalla) ja sen vastakappale, 1601116006-naarasliitin (oikealla), tarjoavat yhdistelmän 1,5 mm:n ja 2,80 mm:n lattaliittimiä suojatussa ja upotettavassa liitäntäjärjestelmässä. (Kuvan lähde: Molex)

Kun se on täysin koottu ja yhdistetty, MX150 IP67 Hybrid -liitäntäjärjestelmä on immuuni lika- ja pölykontaminaatiolle. Se voidaan upottaa veden alle ja sitä voidaan käyttää lämpötilassa -40 °C ... +125 °C. Liitinkuori on erittäin kestävä, se muodostuu nylonista ja lasista ja kestää hyvin kovaa käsittelyä ja kevyitä iskuja. Tämän ansiosta liitäntäjärjestelmä sopii haastaviin teollisuusympäristöihin ja erilaisiin kuluttajatuotteisiin, samoin kuin autoteollisuuden moottorisovelluksiin, joissa liitin altistuu äärilämpötiloille, korkeapaineiselle vesisuihkulle sekä painavien objektien koville iskuille.

Molexin MX150 Hybrid 1601126001 -urosliitin ja 1601116006-naarasliitin on koottava osana kaapeli- tai johtosarjaa. Tämä kokoonpano vaatii, että liittimet asennetaan urosliittimeen ja naarasliittimeen. Joskus voi kuitenkin käydä niin, etteivät asennusteknikot asenna liittimiä kunnolla liitinkuoren sisälle. Tämä saattaa johtaa epäluotettavaan liitäntään. Tällaisia tilanteita varten kaikki nämä liittimet käyttävät kotelossaan liittimen asennon varmistusta (TPA).

Kun asennusteknikko työntää tapin TPA-koteloon oikein, tapin tuntee lukittuvan kunnolla paikoilleen. Ellei liitintä ole asennettu oikein, uros- ja naarasliitin eivät lukitu toisiinsa. Tämä takaa, että tapit on asennettu oikein, mikä parantaa järjestelmän luotettavuutta.

Yhteenveto

Teollisuus-, kuljetus- ja kodinkonejärjestelmien suunnittelijoiden on varmistettava, että heidän käyttämänsä liitännät sopivat käyttökohteen vaatimuksiin, mukaan lukien ahtaat tilat, pöly ja lika, äärilämpötilat, nesteet ja öljyt sekä muut aineet, jotka saattaisivat päästä niiden sisälle. Suunnitteluprosessin yksinkertaistamiseksi suunnittelijat voivat tutustua erityisesti IP67-luokiteltuihin liittimiin tai estää sekä pölyn että lian samoin kuin kosteuden ja nesteiden pääsy liittimiin.

Kuten artikkelissa osoitetaan, on lukuisia IP67-luokitettuja liittimiä, jotka sopivat hyvin erilaisiin sovellusvaatimuksiin alhaisen tason digitaalisista signaaleista korkean ampeerimäärän virtasyöttöön asti. Oikean IP67-luokitellun liitinkokoonpanon valinta takaa järjestelmän luotettavuuden ja minimoi kalliiden käyttökatkojen ja korjausten riskin.