Come progettare per ambienti difficili mediante i connettori stagni

I progettisti stanno compattando un numero crescente di componenti elettronici in spazi sempre più angusti o ristretti, soprattutto nei trasporti, nei sistemi industriali e negli elettrodomestici intelligenti come le lavatrici. In queste applicazioni, l'instradamento dell'interconnessione può comportare molte sfide in termini di affidabilità a causa della polvere, dell'ingresso di umidità, delle temperature estreme e delle sollecitazioni meccaniche.

Anche all'interno dello stesso sistema, i requisiti dei singoli collegamenti possono variare notevolmente. I cavi che trasportano segnali digitali a bassa tensione hanno diversi problemi di interconnessione rispetto ai cavi più spessi che trasportano tensioni elevate per i motori e la distribuzione dell'energia elettrica. La scelta di un connettore sbagliato può causare guasti totali o intermittenti, costosi tempi di fermo macchina e problemi di manutenzione.

In questo articolo verranno discusse le sfide che comporta la scelta di soluzioni di interconnessione via cavo rinforzate e sufficientemente robuste per l'applicazione. Spiegherà come l'uso appropriato di un sistema di connettori per cavi con grado di protezione IP67 e protezione USCAR-2 Classe 2 può garantire interconnessioni affidabili che riducono anche i costi di manutenzione e riparazione. Introdurrà quindi una serie di soluzioni di interconnessione per cavi con grado di protezione IP67 e protezione USCAR-2 Classe 2 di Molex e mostrerà come utilizzarla per soddisfare una serie di requisiti applicativi.

Considerazioni sulla progettazione di interconnessioni industriali

I progettisti di apparecchiature per ambienti industriali devono tener conto dei contaminanti di particolato, liquidi e temperature estreme. Inoltre, i sistemi industriali devono essere preparati ad affrontare condizioni imprevedibili dovute a cambiamenti ambientali o delle apparecchiature.

Gli impianti industriali, come le fabbriche e i magazzini, utilizzano una varietà di soluzioni di interconnessione, molte delle quali sono destinate all'impiego gravoso. Anche le automobili e gli autocarri si qualificano come ambienti industriali in movimento. Vi sono linee guida generali da considerare per queste situazioni di interconnessione. La più elementare è la resistenza a qualsiasi tipo di particolato, dai residui di limatura del ferro e i frammenti di metallo alla polvere e alle polveri sottili. Più fine è il particolato, più alta è la probabilità che possa essere trasportato dall'aria. Ad esempio, la polvere comune, la fuliggine e altre polveri sottili provenienti da apparecchiature pesanti possono rimanere sospese a causa di ventole e sistemi di ventilazione e depositarsi a terra a molti metri dalla loro fonte. Questi particolati possono entrare in qualsiasi apertura non sigillata, compresi i connettori accoppiati, contaminando le superfici interne. Ciò può causare problemi di accoppiamento che vanno dai malfunzionamenti intermittenti dovuti alla resistenza di connessione alla perdita totale di contatto. Inoltre, se il particolato è abrasivo o corrosivo, può causare un guasto permanente del connettore e richiedere una sostituzione costosa e dispendiosa in termini di tempo.

Anche i fluidi sono comuni negli ambienti industriali. Acqua, benzina, oli e vari prodotti chimici sono comuni negli ambienti industriali pesanti. L'ingresso di questi liquidi come fluido o vapore in un sistema di connettori accoppiati può causare cortocircuiti e causare guasti alle apparecchiature.

Sistemi di interconnessione con grado di protezione IP67

Invece di realizzare una varietà di connettori per le diverse condizioni ambientali industriali, il settore ha standardizzato l'uso di fili, cavi e sistemi di connettori con grado di protezione IP67. Le due lettere IP indicano la protezione dalle infiltrazioni, che indica ufficialmente a livello internazionale la classe di protezione dalle infiltrazioni. Il grado di protezione IP67 definisce la resistenza del sistema di interconnessione al particolato e ai corpi estranei, nonché la sua resistenza alla penetrazione di acqua.

La cifra "6" in IP67 indica che un'interconnessione è totalmente impermeabile a qualsiasi particolato, comprese le polveri sottili. Ciò si ottiene principalmente grazie alla tenuta ermetica tra le sedi di accoppiamento dei due connettori accoppiati. La cifra "7" indica che un sistema di interconnessione IP67 può resistere all'immersione in acqua fino a una profondità di un metro per un massimo di 30 minuti. Questo valore è soddisfacente per la maggior parte degli ambienti industriali.

La tenuta ermetica tra gli alloggiamenti accoppiati dei due connettori aiuta, ma la resistenza all'acqua è realizzata principalmente da una guarnizione del connettore che tipicamente è resistente non solo all'acqua ma anche a molti prodotti chimici. I diversi materiali delle guarnizioni sono resistenti a diverse sostanze chimiche, quindi durante la selezione di un sistema di interconnessione il materiale delle guarnizioni utilizzato è una considerazione importante.

Collegamento di segnali digitali a bassa potenza

Naturalmente non tutti i sistemi di interconnessione via cavo hanno le stesse esigenze. Le soluzioni di interconnessione per segnali logici digitali in profondità all'interno di apparecchiature con grado di protezione IP67 necessitano tipicamente di gestire solo 5 V o meno a correnti intorno ai 500 mA. Questi segnali a bassa potenza utilizzano piccoli connettori per cavi leggeri che in genere non sono soggetti a molti abusi fisici. I connettori devono essere facili da accoppiare per un rapido montaggio dell'apparecchiatura e sufficientemente leggeri da non sollecitare i fili a bassa corrente nel cavo assemblato. Per queste applicazioni di interconnessione, Molex offre il sistema di connettori miniaturizzati filo-filo Mizu-P25. Questi connettori impermeabili certificati IP67 isolano il gruppo accoppiato dalla polvere e dall'acqua in un pratico alloggiamento compatto.

Un esempio di coppia di connettori accoppiata Mizu-P25 con grado di protezione IP67 è il connettore 0521160240 di Molex e il sistema di connettori a tenuta stagna a due posizioni 0521170240 di Molex (Figura 1). Quando sono completamente accoppiati, i due connettori sono solamente di 25,5 mm, adatti a involucri piccoli e stretti.

Figura 1: Il sistema di connettori accoppiati Mizu-P25 con spina 0521160240 e presa 0521170240 a due posizioni di Molex fornisce protezione contro polvere e acqua. I connettori accoppiati sono lunghi solo 25,5 mm e, se accoppiati correttamente, forniscono un chiaro riscontro acustico. (Immagine per gentile concessione di Molex)

L'alloggiamento e il tappo di ogni connettore sono in poliestere, che ha un'eccellente resistenza all'acqua, è resistente alle fiamme e non si sbiadisce o si crepa in caso di esposizione prolungata alla luce del sole. I connettori in poliestere sono anche resistenti alla rottura e si piegano durante il normale utilizzo, resistendo alle deformazioni. Ciò rende il sistema di connettori abbastanza robusto per tollerare le azioni brusche quando viene accoppiato durante il montaggio dell'attrezzatura. I connettori in poliestere hanno anche un'eccellente resistenza al taglio, ideale per l'abrasione da scorrimento che si verifica quando i connettori sono accoppiati e disaccoppiati.

Sia la tenuta ad anello del connettore che quella sull'estremità del filo utilizzano guarnizioni in silicone che garantiscono una tenuta ermetica all'acqua e alla polvere. Le tenute e le guarnizioni in silicone mantengono la flessibilità alle basse temperature, rendendo questi connettori perfetti per le apparecchiature a bassa temperatura come i frigoriferi e le apparecchiature che operano al freddo negli esterni. Questi connettori hanno due posizioni con un passo di 5 mm, isolando in modo sicuro i due segnali. Sono assemblate dall'utente con perni crimpati per facilitare il montaggio.

Il sistema di connettori è progettato per un facile accoppiamento, indipendentemente dai terminali a crimpare selezionati dagli sviluppatori del sistema. Se accoppiati correttamente, i connettori forniscono un chiaro riscontro acustico per indicare che sono accoppiati saldamente. Questo aiuta i tecnici durante l'assemblaggio del sistema e garantisce una tenuta ermetica dell'accoppiamento.

Questo sistema di connettori Mizu-P25 di Molex è classificato a 250 V e ha un intervallo della temperatura di funzionamento da -40 a +105 °C. Ciò rende il sistema di connettori Mizu-P25 0521160240 e 0521170240 di Molex adatto per elettrodomestici e molti sistemi industriali per il freddo. Il grado di protezione IP67 indica ai progettisti di apparecchiature che il sistema di connettori è sicuro contro le infiltrazioni di acqua e polvere e non richiede un test ambientale approfondito.

Interconnessione robusta e sigillata per una facile manutenzione

A volte sono necessari sistemi di interconnessione per gestire correnti più elevate, di facile manutenzione in ambienti difficili. Il sistema di interconnessione deve non solo fornire una connessione salda che non si scolleghi accidentalmente, ma anche essere facile da scollegare durante le attività di manutenzione. Per queste situazioni i progettisti possono utilizzare il sistema di interconnessione filo-filo sigillato Squba di Molex. Anche i connettori Squba sono classificati IP67 e possono fornire più potenza in un fattore di forma più piccolo. La spina Squba 2042230004 e la presa 2042200004 di Molex, ad esempio, sono connettori a quattro posizioni con un passo di 1,80 mm che forniscono un'alimentazione e un'erogazione affidabile del segnale (Figura 2).

Figura 2: La spina Squba 2042230004 (sinistra) e la presa 2042200004 (destra) di Molex sono un sistema di interconnessione a quattro posizioni progettato per fornire una solida protezione dalle correnti elevate in ambienti umidi. (Immagine per gentile concessione di Molex)

I connettori Squba di Molex utilizzano terminali crimpati e forniscono un chiaro riscontro acustico quando sono collegati correttamente. La chiusura del connettore sulla presa è a profilo ribassato, riducendo al minimo la possibilità di rimanere impigliati su apparecchiature esterne. Il meccanismo di chiusura fornisce una connessione salda e sicura ma facile da sganciare durante la manutenzione, sia applicando una forza decisa verso l'alto con le dita, sia utilizzando un utensile standard.

Entrambi gli alloggiamenti per la spina e la presa Squba sono realizzati in nylon, un materiale eccezionalmente forte e resistente alla maggior parte dei prodotti chimici industriali. Ciò rende il sistema di interconnessione Squba di Molex adatto a qualsiasi ambiente in cui i connettori possono essere spostati, spinti o influenzati dalle apparecchiature. Il sistema di interconnessione è sigillato contro la polvere e l'umidità da tenute in silicone.

Ogni pin del connettore può fornire 125 V c.a. o c.c. I diametri dei conduttori consigliati vanno da 22 a 24 AWG. Utilizzando i pin crimpati su un filo a trefoli da 22 AWG, ogni pin può gestire un massimo di 5,25 A a 30 °C per una capacità massima di trasporto di corrente di 21 A. La capacità massima di corrente varia con la temperatura, quindi i progettisti devono leggere attentamente la documentazione del connettore per garantire che la portata di corrente prevista per il connettore sia adeguata alle condizioni.

La temperatura di esercizio va da -40 a +105 °C e, insieme al grado di protezione IP67, rende i connettori adatti per ambienti quali sistemi HVAC, apparecchiature per la distribuzione di bevande e apparecchiature industriali che devono funzionare in ambienti freddi o umidi.

Interconnessione a più circuiti resistenti all'immersione

A volte un sistema di interconnessione non è così semplice come il collegamento dei segnali su un unico cavo. Talvolta più tipi di circuito devono essere trasmessi lungo lo stesso cablaggio, compresi i segnali digitali, i segnali di controllo ad alta corrente e le connessioni di alimentazione. Queste situazioni richiedono un sistema di interconnessione ibrido in grado di gestire contatti di diverse dimensioni. Per queste applicazioni, i progettisti possono utilizzare il sistema di interconnessione per cavo assemblato MX150 Hybrid di Molex. Il sistema MX150 Hybrid è validato secondo i requisiti di protezione USCAR-2 Classe 2, simile al grado di protezione IP67. USCAR-2 Classe 2 richiede il superamento di una prova di vuoto a pressione sommersa in acqua.

Una volta assemblato, MX150 Hybrid di Molex è un sistema di connettori completamente sigillato, adatto a situazioni in cui i connettori accoppiati possono essere sommersi o per un ambiente molto umido in presenza di fluidi e spruzzi d'acqua ad alta pressione.

La spina 1601126001 e la presa 1601126001 a 12 posizioni del sistema MX150 Hybrid di Molex (Figura 3) possono contenere un mix di un massimo di dieci terminali a lamelle da 1,5 mm e fino a due terminali a lamelle da 2,5 mm. I terminali da 1,5 mm possono essere usati per trasportare segnali logici di basso livello, mentre i due terminali a lamelle da 2,8 mm possono essere usati per trasportare fino a 22 A. Ciò rende questo sistema di interconnessione adatto per applicazioni automotive e industriali dove un singolo cablaggio deve trasportare l'energia e i dati a una singola macchina.

Figura 3: La spina 1601126001 (sinistra) e della presa 1601116006 (destra) del sistema MX150 Hybrid di Molex possono gestire in sicurezza un mix di terminali a lamelle da 1,5 mm e 2,80 mm in un sistema di interconnessione sommergibile. (Immagine per gentile concessione di Molex)

Quando è completamente assemblato e accoppiato, il sistema di interconnessione IP67 MX150 Hybrid è immune dalla contaminazione da sporcizia o polvere. Può essere immerso in acqua e funzionare da -40 a +125 °C. L'alloggiamento del connettore è una combinazione di nylon e vetro, molto durevole e resistente alla manipolazione e agli urti leggeri. Questo rende il sistema di interconnessione appropriato per ambienti industriali difficili e per molti elettrodomestici consumer, ma anche per motori automobilistici dove il connettore è soggetto a temperature estreme, spruzzi d'acqua ad alta pressione e forti impatti con oggetti pesanti.

La spina 1601126001 e la presa 1601116006 del sistema MX150 Hybrid di Molex devono essere assemblate come parte di un cavo o di un cablaggio. Questo montaggio richiede l'inserimento dei terminali nella spina e nella presa. Tuttavia, può accadere che i tecnici addetti all'assemblaggio a volte non inseriscano completamente i terminali nell'alloggiamento del connettore, causando connessioni inaffidabili. Per queste situazioni, ognuno di questi connettori include un alloggiamento con garanzia di posizione del terminale (TPA).

Durante l'inserimento del pin nell'alloggiamento TPA, il tecnico di montaggio sentirà se il pin si inserisce saldamente in posizione. Se il terminale non è inserito correttamente, al momento dell'accoppiamento la spina e la presa non si agganciano. Questo garantisce il corretto inserimento dei pin, aumentando l'affidabilità del sistema.

Conclusione

I progettisti di sistemi industriali, di trasporto o di elettrodomestici devono garantire che le loro connessioni siano in grado di resistere all'ambiente dell'applicazione, come spazi ristretti, polvere e sporcizia, temperature estreme, liquidi e olii e altre sostanze. Per semplificare il processo di progettazione, i progettisti possono cercare connettori appositamente progettati con grado di protezione IP67 o per affrontare sia la penetrazione di polvere e sporcizia, sia l'ingresso di umidità e liquidi.

Come mostrato, esiste una varietà di connettori con grado di protezione IP67 adatti per un'ampia gamma di requisiti applicativi, dai segnali digitali di basso livello all'erogazione di potenza ad alta corrente. La scelta del corretto gruppo di connettori con grado di protezione IP67 garantisce l'affidabilità del sistema e riduce al minimo il rischio di costosi tempi di fermo macchina o delle riparazioni.