Huomioon otettavia näkökohtia ankarissa ja äärimmäisissä olosuhteissa käytettäville liittimille

Teollisuus 4.0 -tuotannossa, robotiikassa, logistiikkalaitteissa, raskaissa koneissa, kuljetusjärjestelmissä sekä öljy- ja kaasutuotannon kaltaisessa toiminnassa käytettävät liittimet altistuvat usein ankarille ja vaativille käyttöolosuhteille, kuten vesi- ja suolasuihkuille, pölylle, kosteudelle, korkealle isku- ja tärinäkuormitukselle ja äärilämpötiloille. Lisäksi niiden täytyy säilyttää sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC). Näiden äärimmäisten vaatimusten täyttäminen ja korkean luotettavuuden varmistaminen edellyttää erityistä liitinluokkaa.

Näiden liittimien on täytettävä sovelluksesta riippuen eri standardeja, jotka on laatinut kansainvälinen sähkötekninen komitea (IEC), United States Council for Automotive Research LLC (USCAR), Society of Automotive Engineers (SAE), saksalainen AK-ryhmä ja muut.

Tässä artikkelissa tarkastellaan aluksi joitakin hienovaraisia näkökohtia, kuten säänkestävän ja vedenpitävän eroa sekä vedenpitävyyden eri tasoja. Sen jälkeen artikkelissa käsitellään USCAR-2-standardin ja saksalaisen LV 214 -tärinätestauksen välisiä eroja. Artikkelin lopuksi esitellään joukko Amphenolin liittimiä, kuten johdosta levyyn-, USB Type-C®-, ix-, M12 push-pull-, suodatintoiminnon tarjoavat sub-D-mallit ja vaihdettavat akkuratkaisut, jotka on suunniteltu täyttämään haastavien ja äärimmäisten käyttöolosuhteiden vaatimukset.

Säänkestävä vs. vedenpitävä

Joitakin liittimiä mainostetaan ”säänkestävinä”. Yhdysvaltain kansallisen sääpalvelun mukaan ”sää määritellään ilmakehän tilaksi tiettynä ajankohtana ja tietyssä paikassa sellaisten muuttujien kuten lämpötilan, kosteuden, tuulen nopeuden ja suunnan sekä ilmanpaineen, mukaan”. Säänkestävyydellä on erilainen merkitys meteorologiassa ja liittimissä.

Säänkestävyyttä ei käytetä liittimien teknisissä standardeissa. Liitinspesifikaatioissa ei yleensä käsitellä tuulennopeuden eri tasoja eikä ilmanpainetta. Sään meteorologinen määritelmä ei käsittele pölyä eikä muita hiukkasia, jotka voivat heikentää liittimien suorituskykyä, mutta ne sisältyvät standardeihin, kuten IEC 60529, jota käytetään liittimiin sovellettaviin kotelointiluokkiin (IP-koodi).

IP-luokitusjärjestelmä

Säänkestävät liittimet on yleisesti suunniteltu ulkokäyttöön ja kestämään sään vaikutuksia. Ne on yleensä luokiteltu vähintään IP65-luokkaan ja valmistettu ultraviolettisäteilyä (UV) kestävistä materiaaleista, jotta ne kestäisivät pitkäaikaista altistumista auringonvalolle. Vesitiiviiden liittimien IP-luokka on IP67 tai korkeampi. Vaikka voi olla hyödyllistä ilmoittaa liittimen olevan säänkestävä tai vedenpitävä, on parempi määritellä sen tarkka IP-luokka.

Alin luokka on IP11. Tämä tarkoittaa suojausta, joka estää 50 mm:n kokoisen kappaleen (kuten käden) pääsyn liittimen sisään, mutta vesi voi tunkeutua sisään. Liittimillä on yleensä paljon korkeampi IP-luokitus. Esimerkiksi IP65-luokan säänkestävien liittimien suorituskyky ei heikkene, jos ne altistuvat pölylle kahdesta kahdeksaan tuntia. Lisäksi ne ovat suojattuja vesisuihkuja vastaan niin, että veden sisääntunkeutuminen on sallittua vain rajoitetusti.

IP67-luokan vedenpitävät liittimet ovat pölytiiviitä, ja ne voidaan upottaa 1 metrin syvyyteen 30 minuutin ajaksi ilman, että vettä pääsee niiden sisään. Vaativampiin sovelluksiin on saatavilla vieläkin korkeampia IP-luokituksia vedeltä suojausta varten (kuva 1).

Kuva 1: Kotelointiluokkien määritelmät. (Kuvan lähde: Amphenol)

Tärinä

Liittimissä täytyy olla turvalliset koskettimet luotettavan toiminnan varmistamiseksi. Tämä voi olla haastavaa voimakkaasti tärisevissä käyttöolosuhteissa, kuten teollisuusjärjestelmissä, raskaissa laitteissa ja kuljetussovelluksissa. Kaksi yleisesti käytettyä liittimien tärinästandardia ovat LV214 ja USCAR-2.

Molemmat käyttävät IEC 60068 -standardia ja ympäristötestien SR-sarjaa (järjestelmävaatimukset). Nämä kattavat erilaisia olosuhteita, kuten sini-, satunnais- ja iskurasituksen sekä äärimmäisen kuumuuden ja kylmyyden. Nämä käyttävät IEC 60512-1-1 -standardia, joka määrittelee silmämääräisen tarkastuksen testauksen aikana. Vaikka LV214- ja USCAR-2-standardeilla on paljon yhteistä, ne eroavat toisistaan.

Saksalaisten autonvalmistajien AK-ryhmä kehitti LV214-standardin. Se keskittyy liitäntöjen laatuun puristusvoiman valvontalaitteita käyttämällä. Liitäntöjen on täytettävä erityiset puristusvoimaominaisuuksia koskevat kriteerit. Puristusvoiman valvontalaitteet mittaavat puristusprosessin aikana käytettävän puristusvoiman ja varmistavat, että se täyttää standardin vaatimukset.

USCAR-2 on kattavampi. Se sisältää testauksen kaikissa kehitysvaiheissa sekä liitäntöjen, liittimien ja muiden komponenttien kenttäanalyysin autoteollisuuden korkeajännitesovelluksissa (60–600 V).

Kumpikin standardi luokittelee tärinän viidellä voimakkuustasolla. LV214-standardissa tasot ulottuvat S1-tasolta eli voimakkaimmasta tärinästä, yleensä lähellä renkaita, S5-tasolle eli lievimpään tärinään, yleensä matkustamossa. Tason S2 tärinää esiintyy esimerkiksi sähköajoneuvon akkupaketin kaltaisissa sijainneissa. USCAR-2-luokitukset sisältävät V1-tason alustan tärinäprofiilille ja korkeamman V2-tason moottorin tärinäprofiilille. Korkeampien tärinätestitasojen testaamiseen kuuluvat myös lämpösyklit. (Taulukko 1).

Taulukko 1: LV214 S2- ja USCAR2 V1-tasojen vaatimuksissa on eroja satunnaistärinän, keston, lämpötilavaihteluiden ja puolisinimuotoisen iskutestauksen osalta. (Taulukon lähde: Amphenol)

Amphenol tarjoaa laajan valikoiman teollisuusratkaisuja. Esimerkiksi Amphenolin 1,8 mm:n johdosta levyyn WireLock-liittimet ovat USCAR-2 V2- ja LV214 S2 -standardien mukaisia. Ne on suunniteltu autoteollisuuteen, akunhallintajärjestelmiin, teollisuus- ja instrumentointisovelluksiin sekä robotiikkaan.

WireLock-liittimien nimellisvirtaluokitus on 3 A, ja niissä voidaan käyttää johdinkokoja 22–26 AWG (American Wire Gauge). Saatavana on jopa 40 johdinpaikan kaksirivisiä malleja sekä vertikaalisia ja horisontaalisia läpiasennus- ja pintaliitoskonfiguraatioita. Valittavana on neljä eri väriä koodausta varten virhekytkentöjen estämiseksi (kuva 2).

Kuva 2: WireLock-liittimissä on jopa 40 johdinpaikkaa, ja ne ovat USCAR2 V2- ja LV214 S2 -standardien mukaisia. (Kuvan lähde: Amphenol)

Vedenpitävä ja lujatekoinen USB Type-C

USB Type-C -liitettävyys on ratkaisevan tärkeää monissa sovelluksissa, kuten teollisissa ja vaativissa käyttöolosuhteissa. Se määrittelee liitintyylin, muttei protokollaa, ja voi tukea tiedonsiirtoa jopa 10 gigabitin sekuntinopeudella (Gb/s) sekä virransyöttöä. USB-liitäntöjen lisäksi näitä liittimiä voidaan käyttää Thunderbolt-, PCIe- (Peripheral Component Interconnect express), HDMI- (High-Definition Multimedia Interface), DisplayPort- ja muita protokollia varten.

Maksimaalisten tiedonsiirtonopeuksien tukemiseksi kaikki näiden liittimien maadoitetut osat, kuten nastat, salpa ja EMC-levy, on maadoitettu resonanssin vähentämiseksi. Resonanssin hallinta rajoittaa ylikuulumista ja sähkömagneettisia häiriöitä (EMI) sekä parantaa liittimien suorituskykyä.

Amphenol tarjoaa USB Type-C -liittimiä vesitiiviinä ja lujatekoisina versioina. Vedenpitävillä USB Type-C -liittimillä on IP68-luokitus ja ne on suojattu pitkäkestoiselta upotukselta veteen. Vedenpitävyys saavutetaan käyttämällä yrityksen nesteruiskuvaluprosessia (Liquid Injection Molding, LIM), jossa liittimen ulkopuolelle luodaan vedenpitävä kuminen O-rengas, joka takaa ruostumattoman teräskuoren täydellisen tiiviyden. Nämä 24 johdinpaikan liittimet on luokiteltu 10 000 liitäntäsyklille.

Joissakin sovelluksissa vedenpitävyys ei riitä. Silloin suunnittelijat voivat käyttää MUSBR-sarjan lujatekoista Type-C USB -liitintä. Kuten vedenpitävät versiot, myös nämä lujatekoiset liittimet on luokiteltu 10 000 liitäntäsyklille.

Niiden kotelo on valmistettu UL94V-0-luokitellusta mustasta teknisestä kestomuovista sijoitettuna nikkelipinnoitettuun, painevalettuun sinkkiseoskuoreen, joka tarjoaa vakautta ja suojaa iskuja ja tärinää vastaan. Takalevy on ruostumatonta terästä, ja johtava silikonikumitiiviste noudattaa IP67-luokitusta ja käyttölämpötila-aluetta −40 °C ... 105 °C (kuva 3).

Kuva 3: Amphenol tarjoaa USB Type-C -liittimiä vesitiiviinä (vasen) ja lujatekoisena (oikea) versiona. (Kuvan lähde: Amphenol)

Säänkestävä Ethernet

Teollisuus-Ethernet mahdollistaa useita protokollia, kuten EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET, Modbus TCP ja muita, jotka tukevat reaaliaikaista ohjausta ja determinismiä Teollisuus 4.0 -tiloissa. Amphenol tarjoaa erilaisia teollisuus-Ethernet-ratkaisuja erityisiin sovellustarpeisiin. Niitä on saatavana IP-luokituksilla IP20–IP67.

NDH-sarjan tiivistetty ix Industrial -salparajapinta on suorakulmainen push-pull-liitin- ja kaapeliratkaisu, joka on säänkestävä IP-luokituksella IP67. Se toimitetaan UV-kestävässä kotelossa sisä- ja ulkokäyttöön ja vaativiin käyttöolosuhteisiin. Nämä mallit tukevat Cat6A Ethernet -verkkoyhteyksiä ja käyttävät IEC 61076-3-124 -standardin mukaista liitosrajapintaa. Ominaisuuksiin kuuluvat (kuva 4):

• positiivinen push-pull-lukitussalpamekanismi
• pienikokoinen ja kevyt
• saatavana kentällä liitettävinä liitinsarjoina tai valmiina kaapelikokoonpanoina
• sopii IP20-standardin mukaisiin ix Industrial -naarasliittimiin.

Kuva 4: Tällä säänkestävällä teollisuus-Ethernet-liittimellä (musta kokoonpano) on IP67-luokitus ja se käyttää UV-kestävää koteloa. (Kuvan lähde: Amphenol)

M12 vaativiin olosuhteisiin

Amphenol tarjoaa sarjan tuoteratkaisuja vaativiin olosuhteisiin, joihin kuuluvat MPronto-12 M12-push-pull -liittimet. MPronto-12-urosliitin voidaan yhdistää kaikkiin M12*1.0-naarasliittimiin ja se noudattaa IEC 61076-2-101 -standardia valmistajasta riippumatta. Nämä liittimet tarjoavat nopean ja helpon tavan parantaa järjestelmän suorituskykyä sellaisissa sovelluksissa kuten teollisuusautomaatiossa, raskaissa laitteissa, sähköajoneuvoissa ja materiaalinkäsittelylaitteissa, sillä ne täyttävät IP67-, IP68- ja IP69K-kotelointiluokkien vaatimukset ja tukevat M12 A-, B-, D-, K-, L-, S-, T- ja X-koodeja. Muita ominaisuuksia:

• käyttölämpötila −20 °C ... +105 °C
• säästää asennukseen kuluvaa aikaa yli 80 %
• kuuluva napsahdus takaa positiivisen liitoksen
• pienempiä kuin kilpailijoiden M12-push-pull-liittimet, jotka vaativat liitäntäparin.

Suodatintoiminnon tarjoava D-sub

FCE17 D-sub -suodatinliittimet suojaavat datasignaalien eheyttä suodattamalla johtuvat ja säteilevät sähkömagneettiset häiriöt. Ne on suunniteltu auto-, teollisuus-, lääketieteellisen, tietoliikenne- ja energia-alan tarpeisiin.

Käytettävä suodatus ylittää järjestelmän piirilevylle (PCB) asennettujen samojen suodatinkomponenttien suorituskyvyn, ja suodatinkomponenttien sisällyttäminen liittimeen pienentää ratkaisun kokoa ja kustannuksia. Nämä suodatinliittimet sopivat tavallisten suodattamattomien liittimien vakiomittoihin ja mahdollistavat EMI-suorituskyvyn parantamisen.

Saatavilla on erilaisia matalan impedanssin pintaliitoskondensaattoreita (NP0- tai X7R-dielektriikka) vakioarvoilla 50 pikofaradista (pf) 47000 pikofaradiin, jotka täyttävät monenlaiset suodatustarpeet. Myös asiakaskohtaisia kapasitanssiarvoja on saatavilla.

Amphenolin jännite-eristetty teknologia tuottaa liittimiä, joilla on erinomainen mekaanisten ja termisten shokkien kestävyys. Liittimeen tai koskettimiin kohdistuva mekaaninen rasitus ei aiheuta suodatinelementteihin halkeamia eikä sähköisen yhteyden katkeamista. Lisäksi ulkoisten EMI-häiriöiden säteillyt ja johtuvat emissiot sekä laitteen omat emissiot ohjataan maahan, mikä parantaa EMC-suorituskykyä.

Droonien ja robottien vaihdettavat akut

Varastoissa ja tehtaissa käytettävien droonien, robottien sekä sähköisen liikkuvuuden järjestelmien suunnittelijat voivat käyttää vaihdettaville akuille tarkoitettuja DURASWAP-liitinratkaisuja. Niitä on saatavilla kahden virransyöttönastan ja kuuden signaalinastan konfiguraationa. Tarjolla on myös asiakaskohtaisia malleja. Ne kestävät 15–70 ampeerin (A) jatkuvaa virtaa, ja ne on luokiteltu 10 000 liitäntäsyklille.

Ne tukevat sokkoliitäntää ±2 millimetrin (mm) liikkumavaralla. FMLB-tekniikka (First-Mate Last-Break) mahdollistaa maadoitusliitännän luonnin ennen virtaliitäntöjä ja maadoitusliitännän ylläpidon, kunnes virtaliitännät on katkaistu. Paneelikiinnitykseen tarkoitettu metalliholkki kestää korkeita vääntömomenttikuormituksia paneelin IP-tiiviyden tehostamiseksi. Muihin ominaisuuksiin kuuluvat (kuva 5):

• ohjaustapit, jotka varmistavat asianmukaisen liitännän
• IP67-luokitus kytkettynä ja irrotettuna
• UL94V-0-luokitellut kotelomateriaalit
• toimintalämpötila-alue: −20 °C ... +90 °C.

Kuva 5: Nämä virtaliittimet käyttävät FMLB-tekniikkaa ja tukevat sokkoliitäntää ±2 mm:n liikkumavaralla. (Kuvan lähde: Amphenol)

Yhteenveto

Tämä artikkeli tarkastelee joitakin vaikeissa ja äärimmäisissä olosuhteissa käytettävien liittimien määrittelyyn liittyviä näkökohtia. Joissakin tapauksissa on tarpeen tehdä ero USCAR-2- ja LV214-tärinätestauksen välillä. Koska yhä useampia järjestelmiä käytetään ulkotiloissa, on tärkeää tunnistaa säänkestävyyden ja vedenpitävyyden välinen ero sekä vedenpitävyyden eri tasot. Sovelluskohtaisiin näkökohtiin voi kuulua esimerkiksi FMLB-tekniikan käyttö virtaliittimissä ja integroitu EMI-suodatus huippunopeissa dataliittimissä.