Subtile Überlegungen für Steckverbinder in rauen und extremen Umgebungen

Steckverbinder, die in der Industrie-4.0-Produktion, in der Robotik, in der Logistikausrüstung, in Schwermaschinen, in Transportsystemen und in Betrieben wie der Öl- und Gasförderung eingesetzt werden, sind häufig rauen und anspruchsvollen Umgebungen wie Wasser- und Salzspritzern, Staub, Feuchtigkeit, starken Stößen und Vibrationen, extremen Temperaturen und der Notwendigkeit der Aufrechterhaltung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) ausgesetzt. Es bedarf einer besonderen Klasse von Steckverbindern, um diese extremen Anforderungen zu erfüllen und eine hohe Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Je nach Anwendung müssen diese Steckverbinder eine Reihe von Normen der International Electrotechnical Commission (IEC), des United States Council for Automotive Research LLC (USCAR), der Society of Automotive Engineers (SAE), der deutschen AK-Gruppe und anderer erfüllen.

Dieser Artikel beginnt mit einem Blick auf einige subtile Überlegungen, wie den Unterschied zwischen wetterfest und wasserdicht sowie die verschiedenen Stufen der Wasserdichtigkeit. Anschließend werden die Unterschiede zwischen der USCAR-2 und der deutschen Vibrationsprüfung LV214 untersucht. Der Artikel schließt mit der Vorstellung einer Reihe von Steckverbindern von Amphenol wie Draht-zu-Board-, USB-Typ-C®-, ix-, M12-, gefilterte Sub-D-Optionen und austauschbare Batterielösungen, die für die Anforderungen von rauen und extremen Umgebungen entwickelt wurden.

Wetterfest vs. wasserdicht

Einige Steckverbinder werden als „wetterfest“ angepriesen Laut dem U.S. National Weather Service wird Wetter als der Zustand der Atmosphäre zu einem bestimmten Zeitpunkt und an einem bestimmten Ort definiert, und zwar in Bezug auf Variablen wie Temperatur, Feuchtigkeit, Windgeschwindigkeit und -richtung sowie Luftdruck. Wetterfest hat in der Meteorologie und bei Steckverbindern unterschiedliche Bedeutungen.

Wetterfestigkeit wird in den technischen Normen für Steckverbinder nicht verwendet. In den Spezifikationen von Steckern wird im Allgemeinen nicht auf die verschiedenen Windgeschwindigkeiten oder den Luftdruck eingegangen. Die meteorologische Definition von Wetter bezieht sich nicht auf Staub oder andere Partikel, die die Leistung von Steckverbindern beeinträchtigen können. Diese sind aber in Normen wie IEC 60529 (Schutzarten von Gehäusen (IP-Code)) enthalten, die für Steckverbinder gelten.

IP-Bewertungssystem

Im Allgemeinen sind wetterfeste Steckverbinder für die Verwendung im Freien und für Witterungseinflüsse ausgelegt. Sie sind in der Regel nach IP65 und höher eingestuft und werden aus UV-beständigen Materialien hergestellt, um längere Zeit dem Sonnenlicht ausgesetzt sein zu können. Wasserdichte Steckverbinder haben eine Schutzart von IP67 oder höher. Auch wenn es hilfreich sein kann, einen Steckverbinder als wetterfest oder wasserdicht zu bezeichnen, ist es besser, seine spezifische IP-Schutzart zu bestimmen.

Die niedrigste Schutzart ist IP11. Das bedeutet Schutz vor dem Eindringen eines 50 mm langen Gegenstands wie einer Hand, aber Wasser kann eindringen. Steckverbinder haben in der Regel viel höhere IP-Schutzarten. Bei wetterfesten Steckverbindern der Schutzart IP65 beispielsweise wird die Leistung nicht beeinträchtigt, wenn sie zwei bis acht Stunden lang Staub ausgesetzt sind, und sie sind vor Strahlwasser geschützt, wobei nur ein begrenztes Eindringen von Wasser zulässig ist.

Wasserdichte Steckverbinder mit der Schutzart IP67 sind staubdicht und können 30 Minuten lang bis zu einer Tiefe von 1 Meter untergetaucht werden, ohne dass Wasser eindringt. Für anspruchsvollere Anwendungen gibt es sogar noch höhere IP-Schutzarten für den Schutz gegen Wasser (Abbildung 1).

Abbildung 1: Definitionen für die Einstufung der Schutzart. (Bildquelle: Amphenol)

Vibrationen

Um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, müssen Steckverbinder sichere Kontakte haben. Das kann in Umgebungen mit starken Vibrationen, wie z. B. bei Industrieanlagen, schweren Geräten und Transportanwendungen, eine Herausforderung darstellen. Zwei häufig referenzierte Vibrationsnormen für Steckverbinder sind LV214 und USCAR-2.

Beide beziehen sich auf IEC 60068, SR (Systemanforderungen) für Umwelttests, die eine Reihe von Bedingungen abdecken, einschließlich Sinus-, Zufalls- und Stoßerregung sowie extreme Hitze und Kälte. Sie verweisen auf die IEC 60512-1-1, die eine Sichtprüfung während der Prüfung vorschreibt. LV214 und USCAR-2 haben zwar viele Gemeinsamkeiten, unterscheiden sich aber auch.

Die AK-Gruppe der deutschen Automobilhersteller entwickelte LV214. Sie konzentriert sich auf die Qualität von Kontakten mit Hilfe von Crimpkraftmessgeräten. Die Anschlüsse müssen bestimmte Kriterien für die Crimpkraft erfüllen. Crimpkraftmonitore messen den aufgebrachten Druck während des Crimpprozesses und stellen sicher, dass dieser den Anforderungen der Norm entspricht.

Die USCAR-2 ist umfangreicher. Es umfasst Prüfungen in allen Phasen der Entwicklung sowie Feldanalysen von Anschlüssen, Steckern und anderen Komponenten in Hochspannungsanwendungen (60 V bis 600 V) in der Automobilindustrie.

Beide Normen teilen die Vibrationen in fünf Intensitätsstufen ein. In der LV214 reichen die Stufen von S1, der stärksten Vibration, die normalerweise in der Nähe der Reifen auftritt, bis S5, der geringsten Vibration, die normalerweise im Fahrgastraum auftritt. Die Stufe S2 findet sich z. B. in der Batterie eines Elektrofahrzeugs. Die USCAR-2-Bewertungen umfassen V1 für das Vibrationsprofil des Fahrgestells und das strengere V2-Vibrationsprofil des Motors, und die höheren Vibrationsprüfungsstufen beinhalten thermische Zyklen während der Prüfung. (Tabelle 1).

Tabelle 1: Die Anforderungen von LV214 S2 und USCAR2 V1 zeigen Unterschiede in Bezug auf zufällige Vibrationen, Dauer, Temperaturwechsel und Halbsinus-Stoßtests. (Quelle der Tabelle: Amphenol)

Amphenol bietet eine breite Palette an industriellen Lösungen. Die Draht-zu-Board-Steckverbinder WireLock von Amphenol mit 1,8 mm Rastermaß sind beispielsweise USCAR-2-V2- und LV214-S2-konform. Sie sind für den Einsatz in der Automobilelektronik, in Batteriemanagementsystemen, in der Industrie, in der Messtechnik und in der Robotik konzipiert.

WireLock-Steckverbinder bieten eine Nennstromstärke von 3 A und eignen sich für Kabelgrößen von 22 bis 26 AWG (American Wire Gauge). Es sind Modelle mit bis zu 40 Positionen in einem zweireihigen Design sowie vertikale und horizontale Konfigurationen für Durchsteck- und Oberflächenmontage erhältlich. Es gibt vier verschiedene Farben für die Kodierung gegen Fehlpaarungen (Abbildung 2).

Abbildung 2: WireLock-Steckverbinder haben bis zu 40 Positionen und sind USCAR2-V2- und LV214-S2-konform. (Bildquelle: Amphenol)

Wasserdichtes und widerstandsfähiges USB Typ-C

USB-Typ-C-Verbindungen sind für viele Anwendungen unerlässlich, auch für industrielle und raue Umgebungen. Der Typ definiert einen Steckertyp, kein Protokoll, und kann Datenübertragungen mit bis zu 10 Gigabit pro Sekunde (Gbit/s) und die Stromversorgung unterstützen. Neben der Anwendung für USB-Verbindungen können diese Steckverbinder auch für Thunderbolt, PCIe (Peripheral Component Interconnect Express), HDMI (High-Definition Multimedia Interface), DisplayPort und andere Protokolle verwendet werden.

Um maximale Datenübertragungsraten zu unterstützen, sind alle geerdeten Teile in diesen Steckverbindern, wie die Stifte, die Verriegelung und die EMV-Platte, geerdet, um Resonanzen zu reduzieren. Die Kontrolle der Resonanz begrenzt das Übersprechen und die elektromagnetischen Störungen (EMI) und trägt zu einer verbesserten Performance der Steckverbinder bei.

Amphenol bietet USB-Typ-C-Steckverbinder in wasserdichten und robusten Versionen an. Die wasserdichten USB-Typ-C-Stecker entsprechen der Schutzklasse IP68 und sind vor dem Eintauchen in Wasser über einen längeren Zeitraum geschützt. Die Wasserdichtigkeit wird durch das LIM-Verfahren (Liquid Injection Molding) des Unternehmens erreicht, bei dem ein wasserdichter O-Ring aus Gummi an der Außenseite des Steckers angebracht wird, der die vollständige Abdichtung des Edelstahlgehäuses gewährleistet. Diese 24-poligen Steckverbinder sind für 10.000 Steckzyklen ausgelegt.

Für manche Anwendungen reicht eine Abdichtung nicht aus. Für diese Anwendungen können die USB-Typ-C-Stecker der robusten MUSBR-Serie verwendet werden. Wie die wasserdichten Versionen sind auch diese robusten Steckverbinder für 10.000 Steckzyklen ausgelegt.

Sie haben ein Gehäuse aus schwarzem Thermoplast nach UL94V-0, das in einer druckgegossenen Zinklegierung mit Nickelbeschichtung untergebracht ist, die Stabilität zum Schutz gegen Stöße, Vibrationen und Schläge bietet. Die hintere Abdeckung besteht aus Edelstahl, und eine leitfähige Silikongummidichtung unterstützt die Schutzart IP67 und eine Betriebstemperatur von -40°C bis +105°C (Abbildung 3).

Abbildung 3: Amphenol bietet USB-Typ-C-Stecker in wasserdichten (links) und robusten (rechts) Versionen an. (Bildquelle: Amphenol)

Wetterfestes Ethernet

Industrielles Ethernet ermöglicht mehrere Protokolle, die Echtzeitsteuerung und Determinismus in Industrie-4.0-Anlagen unterstützen, darunter EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET, Modbus TCP und andere. Amphenol bietet eine Vielzahl von industriellen Ethernet-Lösungen für spezifische Anwendungsanforderungen an. Sie sind mit IP-Schutzarten von IP20 bis IP67 erhältlich.

Die versiegelte ix-Industrieschnittstelle der NDH-Serie ist eine rechteckige Druck-Zug-Steckverbinder- und Kabellösung, die witterungsbeständig ist (Schutzart IP67) und in einem UV-beständigen Gehäuse für den Einsatz in Innenräumen, im Freien und in rauen Umgebungen untergebracht ist. Sie unterstützen Cat6A-Ethernet-Verbindungen über eine standardisierte IEC61076-3-124-Steckverbindung. Die Merkmale umfassen (Abbildung 4):

• Kraftschlüssige Druck-Zug-Verriegelung
• Kleiner leichter Formfaktor
• Erhältlich als feldkonfektionierbare Steckersätze oder vorgefertigte Kabelkonfektionen
• Passt zu industriellen IP20-ix-Standardbuchsen

Abbildung 4: Dieser wetterfeste industrielle Ethernet-Steckverbinder (schwarze Baugruppe) entspricht der Schutzart IP67 und befindet sich in einem UV-beständigen Gehäuse. (Bildquelle: Amphenol)

M12 für raue Umgebungen

Amphenol bietet eine Reihe von Produktlösungen für raue Umgebungen, darunter die M12-Druck-Zug-Steckverbinder MPronto-12. Der MPronto-12-Stecker passt auf alle M12-x-1,0-Sockel nach IEC 61076-2-101, unabhängig vom Hersteller. Sie bieten eine schnelle und unkomplizierte Möglichkeit, die Systemleistung in Anwendungen wie Industrieautomation, schwere Maschinen, Elektrofahrzeuge und Materialtransportgeräte zu verbessern, da sie die Schutzarten IP67, IP68 und IP69K erfüllen und die M12-Codes A, B, D, K, L, S, T und X unterstützen. Zusätzliche Merkmale beinhalten:

• -20 °C bis +105 °C Betriebstemperatur
• Spart über 80 % der Installationszeit
• Ein hörbares Klicken gewährleistet eine sichere Verbindung
• Kleiner als konkurrierende M12-Druck-Zug-Steckverbinder, die ein Gegenstück erfordern

Gefilterter D-Sub-Verbinder

D-Sub-Filtersteckverbinder FCE17 schützen die Integrität von Datensignalen, indem sie Störungen durch leitungsgebundene und abgestrahlte EMI vermeiden. Sie sind für die Automobil-, Industrie-, Medizin-, Datenkommunikations- und Energiebranche konzipiert.

Die verwendete Filterung übertrifft die Performance der gleichen Filterkomponenten, die auf der Systemleiterplatte montiert sind, und die Integration der Filterkomponenten in den Steckverbinder reduziert die Größe und die Kosten der Lösung. Diese gefilterten Steckverbinder passen in den Footprint der nicht gefilterten Standardsteckverbinder und ermöglichen eine einfache Verbesserung der EMI-Performance.

Verschiedene Chip-Kondensatoren mit niedriger Impedanz (NP0 oder X7R-Dielektrikum) in Standardwerten von 50 Picofarad (pf) bis 47000 pf sind erhältlich, um eine breite Palette von Filteranforderungen zu erfüllen. Kundenspezifische Kapazitätswerte sind ebenfalls erhältlich.

Die spannungsisolierte Technologie von Amphenol ermöglicht Steckverbinder mit hervorragenden mechanischen und thermischen Schockeigenschaften. Mechanische Beanspruchung des Steckers oder der Kontakte führt nicht zu Rissen in den Filterelementen oder zur Unterbrechung der elektrischen Verbindung. Darüber hinaus werden abgestrahlte und leitungsgebundene Emissionen von externen EMI und vom Gerät auf Masse abgeleitet, was die EMV-Performance verbessert.

Auswechselbare Batterien für Drohnen und Roboter

Bei der Entwicklung von austauschbaren Batteriesystemen für Drohnen, Roboter und E-Mobilitätssysteme in Lagern und Fabriken können DURASWAP-Lösungen für austauschbare Batteriestecker verwendet werden. Sie sind in zwei Leistungs- und sechs Signalkonfigurationen erhältlich; zudem werden auch kundenspezifische Ausführungen angeboten. Sie können Dauerströme von 15 bis 70 Ampere (A) übertragen und sind für 10.000 Steckzyklen ausgelegt.

Das Blindstecken wird mit einem Spiel von ±2 Millimetern (mm) unterstützt. Die First-Mate-Last-Break (FMLB)-Technologie ermöglicht es, die Erdverbindung vor den Stromanschlüssen herzustellen und die Erdverbindung aufrechtzuerhalten, bis die Stromanschlüsse getrennt werden. Die Metallbuchse für die Plattenbefestigung kann hohen Drehmomentbelastungen standhalten, um eine effiziente IP-Abdichtung der Platte zu gewährleisten. Weitere Merkmale sind (Abbildung 5):

• Führungsstifte zur Sicherstellung des richtigen Zusammensteckens
• Schutzart IP67 im gesteckten und ungesteckten Zustand
• UL94V-0-zertifizierte Gehäusematerialien
• Betriebstemperaturbereich von -20°C bis +90°C

Abbildung 5: Diese Leistungssteckverbinder umfassen die FMLB-Technologie und unterstützen das Blindstecken mit einem Spiel von ±2 mm. (Bildquelle: Amphenol)

Fazit

In diesem Artikel wurden einige Überlegungen zur Spezifikation von Steckverbindern für den Einsatz in rauen und extremen Umgebungen vorgestellt. In einigen Fällen ist es notwendig, zwischen USCAR-2 und LV214 zu unterscheiden. Da immer mehr Systeme im Außenbereich eingesetzt werden, ist es wichtig, den Unterschied zwischen wetterfest und wasserdicht sowie die verschiedenen Stufen der Wasserdichtigkeit zu kennen. Schließlich können anwendungsspezifische Überlegungen die Verwendung der FMLB-Technologie in Leistungssteckern und die integrierte EMI-Filterung in Steckverbindern für die Highspeed-Datenübertragung umfassen.