Considerazioni speciali per i connettori in ambienti gravosi ed estremi

I connettori utilizzati nella produzione dell'Impresa 4.0, nella robotica, nelle attrezzature logistiche, nei macchinari pesanti, nei sistemi di trasporto e in operazioni di petrolchimica sono spesso esposti ad ambienti difficili e impegnativi caratterizzati dalla presenza di acqua e nebbia salina, polvere, umidità, urti e vibrazioni, temperature estreme e la necessità di mantenere la compatibilità elettromagnetica (EMC). È necessaria una classe particolare di connettori per gestire questi requisiti estremi e garantire un'elevata affidabilità.

A seconda dell'applicazione, questi connettori devono soddisfare una serie di standard imposti dalla Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC), del Consiglio degli Stati Uniti per la Ricerca Automobilistica LLC (USCAR), della Società degli Ingegneri Automobilistici (SAE), del Gruppo tedesco AK e di altri.

Questo articolo inizia con un'analisi di alcune considerazioni, come la differenza tra impervio e impermeabile, nonché i diversi livelli di prestazione impermeabile. Esamina quindi le differenze tra i test di vibrazione USCAR-2 e quelli LV 214 vigenti in Germania. L'articolo si conclude con la presentazione di una serie di connettori di Amphenol, come i connettori filo-scheda, USB Type-C®, ix, M12 push-pull, i modelli D-Sub filtrati e le soluzioni a batteria sostituibile, progettati per soddisfare le esigenze di ambienti difficili ed estremi.

Impervio e impermeabile

Alcuni connettori sono pubblicizzati come "impervi". Secondo il Servizio Meteorologico Nazionale degli Stati Uniti, "il tempo è definito come lo stato dell'atmosfera in un determinato momento e luogo, in relazione a variabili quali temperatura, umidità, velocità e direzione del vento e pressione atmosferica". L'impervietà ha significati diversi in meteorologia e nei connettori.

Tale caratteristica non è utilizzata negli standard tecnici per i connettori. Le specifiche dei connettori non parlano generalmente dei vari livelli di velocità del vento o della pressione atmosferica. La definizione meteorologica di tempo non fa riferimento alla polvere o ad altre particelle che possono influire sulle prestazioni dei connettori ed è inclusa in standard come IEC 60529, nei gradi di protezione forniti dagli involucri (codice IP) che si applicano ai connettori.

Sistema di classificazione IP

In generale, i connettori impervi sono progettati per l'uso esterno e l'esposizione alle intemperie. Di solito hanno un grado di protezione IP65 o superiore e sono realizzati con materiali resistenti ai raggi ultravioletti (UV) per gestire l'esposizione prolungata alla luce solare. I connettori impermeabili hanno un grado di protezione IP67 o superiore. Anche se può essere utile identificare un connettore come impervio o impermeabile, è meglio determinare il suo grado IP specifico.

Il grado più basso è IP11. Ciò indica la protezione dalla penetrazione di un oggetto di 50 mm come una mano, ma l'acqua può penetrare. I connettori hanno generalmente un grado di protezione IP molto più elevato. Ad esempio, i connettori impervi con grado di protezione IP65 non subiscono alcuna riduzione delle prestazioni in caso di esposizione alla polvere per un periodo di tempo compreso tra le due e le otto ore, e sono protetti dai getti d'acqua con un'infiltrazione limitata.

I connettori impermeabili con grado di protezione IP67 sono a tenuta di polvere e possono essere immersi fino a 1 metro di profondità per 30 minuti senza che l'acqua penetri. Per le applicazioni più esigenti, sono disponibili classi IP ancora più elevate per la protezione dall'acqua (Figura 1).

Figura 1: Definizione del grado di protezione dalle infiltrazioni. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Variazioni delle vibrazioni

Per garantire un funzionamento affidabile, i connettori devono avere contatti sicuri. Questo può essere un problema in ambienti soggetti a forti vibrazioni come i sistemi industriali, le attrezzature pesanti e le applicazioni di trasporto. Due standard di riferimento per le vibrazioni dei connettori sono LV214 e USCAR-2.

Entrambi fanno riferimento alla serie IEC 60068, SR (requisiti di sistema) per i test ambientali che coprono una serie di condizioni, tra cui l'eccitazione sinusoidale, casuale e d'urto, nonché il caldo e il freddo estremi. Fanno riferimento alla norma IEC 60512-1-1, che specifica l'ispezione visiva durante i test. Pur avendo molto in comune, LV214 e USCAR-2 sono diversi.

Il gruppo AK delle case automobilistiche tedesche ha sviluppato LV214 che si concentra sulla qualità dei terminali utilizzando i monitor della forza di crimpatura. I terminali devono soddisfare criteri specifici per le caratteristiche di forza di crimpatura. Questi monitor misurano la pressione applicata durante il processo di crimpatura e assicurano che sia conforme ai requisiti dello standard.

USCAR-2 è più ampio. Include test in tutte le fasi di sviluppo e analisi sul campo di terminali, connettori e altri componenti in applicazioni automotive ad alta tensione (da 60 V a 600 V).

Entrambi gli standard classificano le vibrazioni in cinque livelli di intensità. LV214, i livelli vanno da S1, la vibrazione più grave, di solito vicino agli pneumatici, a S5, la meno grave, di solito nella cabina passeggeri. Il livello S2 si applica a posizioni come il vano della batteria di un veicolo elettrico. Le classificazioni USCAR-2 comprendono il profilo vibrazionale del telaio V1 e il profilo vibrazionale del motore V2, più severo, e i livelli dei test di vibrazione più elevati includono il ciclaggio termico durante il test. (Tabella 1).

Tabella 1: I requisiti LV214 S2 e USCAR2 V1 che mostrano differenze nei test di vibrazione casuale, durata, ciclaggio termico e shock semisinusoidale. (Tabella per gentile concessione di Amphenol)

Amphenol offre un'ampia gamma di soluzioni industriali. Ad esempio, i connettori filo-scheda WireLock da 1,8 mm di Amphenol sono conformi a USCAR-2 V2 e LV214 S2. Sono progettati per il settore automotive, i sistemi di gestione delle batterie, le applicazioni industriali e di strumentazione e la robotica.

I connettori WireLock hanno una corrente nominale di 3 A e accettano fili di sezione compresa tra 22 e 26 AWG. Sono disponibili modelli con un massimo di 40 posizioni in una struttura a due file e configurazioni verticali e orizzontali a foro passante e a montaggio superficiale. Esistono quattro colori diversi per la codifica per evitare errori di accoppiamento (Figura 2).

Figura 2: I connettori WireLock hanno fino a 40 posizioni e sono conformi a USCAR2 V2 e LV214 S2. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

USB Type-C impermeabile e rinforzato

La connettività USB Type-C è fondamentale in molte applicazioni, compresi gli ambienti industriali e difficili. Definisce uno stile di connettore, non un protocollo, e può supportare il trasferimento di dati fino a 10 Gbps e l'erogazione di energia. Oltre che per la connettività USB, questi connettori possono essere utilizzati per Thunderbolt, PCIe, HDMI, DisplayPort e altri protocolli.

Per supportare la massima velocità di trasmissione dei dati, tutte le parti collegate a terra di questi connettori, come i pin, il meccanismo di chiusura e la lamina EMC, sono collegate a terra per ridurre la risonanza. Il controllo della risonanza limita la quantità di diafonia e di interferenze elettromagnetiche (EMI) e contribuisce a migliorare le prestazioni del connettore.

Amphenol offre connettori USB Type-C in versione impermeabile e rinforzata. I connettori USB Type-C impermeabili sono classificati IP68 e sono protetti dall'immersione in acqua per periodi prolungati. L'impermeabilità è ottenuta utilizzando il processo di stampaggio a iniezione liquida (LIM) dell'azienda per realizzare un O-ring in gomma impermeabile all'esterno del connettore, che garantisce la completa tenuta del guscio in acciaio inossidabile. Questi connettori a 24 pin sono progettati per 10.000 cicli di accoppiamento.

Per alcune applicazioni, l'impermeabilizzazione non è sufficiente. Per queste applicazioni, i progettisti possono rivolgersi al connettore USB Type-C rinforzato MUSBR. Come le versioni impermeabili, anche questi connettori rinforzati sono progettati per 10.000 cicli di accoppiamento.

Hanno un alloggiamento in tecnopolimero nero classificato UL94V-0 inserito in un guscio in lega di zinco pressofuso nichelato che garantisce stabilità e protezione da urti, vibrazioni e impatti. Il coperchio posteriore è in acciaio inossidabile e la guarnizione in gomma siliconica conduttiva supporta un grado di protezione IP67 e una temperatura di funzionamento da -40 a +105 °C (Figura 3).

Figura 3: Amphenol offre connettori USB Type-C in versione impermeabile (a sinistra) e rinforzata (a destra). (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Ethernet impervia

Industrial Ethernet consente di utilizzare diversi protocolli che supportano il controllo in tempo reale e il determinismo nelle strutture dell'Impresa 4.0, tra cui EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET, Modbus TCP e altri. Amphenol offre una varietà di soluzioni Ethernet industriali per soddisfare le esigenze di applicazioni specifiche. Sono disponibili con grado di protezione IP da IP20 a IP67.

L'interfaccia di chiusura ermetica industriale ix serie NDH è una soluzione per cavi e connettori push-pull rettangolari impervia con un grado di protezione IP67 e un alloggiamento resistente ai raggi UV per l'uso in ambienti interni, esterni e difficili. Supporta la connettività Ethernet Cat6A utilizzando un'interfaccia di accoppiamento standard IEC 61076-3-124. Le caratteristiche includono (Figura 4):

• Meccanismo di chiusura a bloccaggio intrinseco push-pull
• Fattore di forma piccolo e leggero
• Disponibile come kit di spine terminabili sul campo o cavi assemblati prefabbricati
• Si accoppia con prese ix Industrial IP20 standard

Figura 4: Questo connettore Industrial Ethernet impervio (gruppo nero) è classificato IP67 ed è fornito in un alloggiamento resistente ai raggi UV. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

M12 per ambienti difficili

Amphenol offre una gamma di prodotti per ambienti difficili tra cui i connettori push-pull MPronto-12 M12. La spina MPronto-12 si abbina a tutte le prese M12*1.0 ed è conforme IEC 61076-2-101 per abbinasi ai prodotti di qualsiasi altro produttore. Questi dispositivi sono un modo rapido e semplice per migliorare le prestazioni del sistema in applicazioni come l'automazione industriale, le attrezzature pesanti, i veicoli elettrici e le macchine per la movimentazione dei materiali, poiché soddisfano i gradi di protezione IP67, IP68 e IP69K e supportano i codici M12 A, B, D, K, L, S, T e X. Le altre caratteristiche includono:

• Temperatura di funzionamento da -20 °C a +105 °C
• Risparmio di oltre l'80% sui tempi di installazione
• Il clic udibile assicura l'accoppiamento positivo
• Più piccolo dei connettori push-pull M12 della concorrenza che richiedono una coppia

Connettori filtro D-Sub

I connettori filtro D-Sub FCE17 proteggono l'integrità dei segnali di dati filtrando le interferenze da EMI condotte e irradiate. Sono progettati per i settori automotive, industriale, medico, delle comunicazioni dati e dell'energia.

Il filtraggio fornito supera le prestazioni degli stessi componenti di filtraggio montati sulla scheda a circuiti stampati (PCB) del sistema e l'inclusione dei componenti di filtraggio nel connettore riduce le dimensioni e il costo della soluzione. Questi connettori filtrati si adattano all'ingombro dei connettori standard non filtrati e supportano semplici aggiornamenti delle prestazioni EMI.

Sono disponibili diversi condensatori in chip a bassa impedenza (dielettrici NP0 o X7R) in valori standard da 50 pf a 47000 pf per soddisfare un'ampia gamma di esigenze di filtraggio. Sono inoltre disponibili valori di capacità inferiori.

La tecnologia di isolamento dalle sollecitazioni di Amphenol produce connettori con capacità meccaniche e di shock termico superiori. Le sollecitazioni meccaniche sul connettore o sui contatti non provocheranno la rottura degli elementi filtranti o l'interruzione del collegamento elettrico. Inoltre, le emissioni irradiate e condotte dalle EMI esterne e dal dispositivo vengono deviate a terra, migliorando le prestazioni EMC.

Batterie sostituibili per droni e robot

I progettisti di sistemi di batterie sostituibili per droni, robot e sistemi di mobilità elettrica in magazzini e fabbriche possono utilizzare le soluzioni di connettori DURASWAP. Sono forniti in due configurazioni di potenza e sei configurazioni di segnale ma sono disponibili anche progetti personalizzati. Possono trasportare correnti continue da 15 a 70 A e resistono a 10.000 cicli di accoppiamento.

L'accoppiamento cieco è supportato con un margine di ±2 mm. La tecnologia FMLB consente di stabilire il collegamento a terra prima dei collegamenti di alimentazione e di mantenerlo fino a quando questi ultimi non vengono interrotti. La boccola metallica per il fissaggio al pannello è in grado di sopportare carichi di coppia elevati per un'efficace tenuta IP del pannello. Altre caratteristiche includono (Figura 5):

• Pin guida per garantire il corretto accoppiamento
• Grado di protezione IP67 accoppiato e non accoppiato
• Materiali dell'alloggiamento classificati UL94V-0
• Intervallo temperatura di funzionamento: -20 ~ +90 °C

Figura 5: Questi connettori di alimentazione includono la tecnologia FMLB e supportano l'accoppiamento cieco con una flessione di ±2 mm. (Immagine per gentile concessione di Amphenol)

Conclusione

Questo articolo ha preso in esame alcune considerazioni per la scelta di connettori da utilizzare in ambienti difficili ed estremi. In alcuni casi, è necessario distinguere tra i test di resistenza alle vibrazioni USCAR-2 e LV214. Dato che sempre più sistemi vengono utilizzati all'esterno, è importante riconoscere la differenza tra impervietà e impermeabilità e i vari livelli di prestazione impermeabile. Infine, le considerazioni specifiche per le applicazioni possono includere l'uso della tecnologia FMLB nei connettori di alimentazione e il filtraggio EMI integrato nei connettori dati ad alta velocità.