כיצד לתכנן עבור סביבות קשות באמצעות מחברים אטומים

המתכננים דוחסים יותר ויותר אלקטרוניקה למקומות מוזרים ומוגבלים ביותר, במיוחד בתחום התחבורה, מערכות תעשייתיות ומכשירי חשמל ביתיים חכמים כמו מכונות כביסה. ביישומים כאלה, ניתוב החיברורים יכול לגרום לאתגרי אמינות ומהימנות רבים עקב אבק, חדירת לחות, טמפרטורות קיצוניות ומאמצים מכניים.

אפילו בתוך אותה מערכת, הדרישות של חיבורים בודדים עשויות להיות שונות ביותר. לכבלים הנושאים אותות דיגיטליים במתח נמוך יש בעיות חיברור שונות בהשוואה לחוטים עבים יותר הנושאים מתחים גבוהים עבור מנועים ופילוג כוח. בחירה שגויה של מחבר עלולה לגרום לכשלי אותות לחלוטין או לסירוגין, זמן השבתה יקרה ובעיות תחזוקה.

מאמר זה ידון באתגרים הכרוכים בבחירת פתרונות חיברורי כבלים עמידים כראוי שהם חסונים דים עבור היישומים. המאמר יסביר כיצד השימוש הנכון במערכת מחברי כבלים בדירוג IP67 ו- USCAR-2 Sealing Class 2‏ יכול להבטיח חיברורים אמינים שגם מורידים את עלות התחזוקה והתיקון. לאחר מכן המאמר יציג מגוון של פתרונות חיברורי כבלים בדירוג IP67 ו- USCAR-2 Sealing Class 2‏ מבית Molex ויראה כיצד ניתן להשתמש בהם כדי לענות על מגוון דרישות היישומים.

שיקולי תכנון חיברורים תעשייתיים

המתכננים של ציוד עבור סביבות תעשייתיות חייבים להתחשב במזהמים חלקיקיים, נוזלים וטמפרטורות קיצוניות. בנוסף, מערכות תעשייתיות חייבות להיות מוכנות להתמודד עם תנאים בלתי צפויים עקב שינויים בסביבה או בציוד.

מתקנים תעשייתיים כגון מפעלים ומחסנים משתמשים במגוון פתרונות חיברורים, רבים מהם עבור פעולה מאומצת. מכוניות ומשאיות נחשבות גם כן כסביבות תעשייתיות נעות. ישנן הנחיות כלליות שיש להביא בחשבון במצבי חיברורים אלה. ההנחייה הבסיסית ביותר היא לעמידות בפני כל סוג של חומר חלקיקי, החל מנשורת ברזל ושברי מתכת ועד לאבק ולאבקות עם גרגירים קטנים ביותר. ככל שהחומר החלקיקי הוא עם גרגירים קטנים יותר, ההסתברות שהוא יינשא באוויר היא גבוהה יותר. לדוגמה, אבק רגיל, פיח וחלקיקים קטנים אחרים מציוד כבד יכולים להישאר באווירעקב פעולת מאווררים ומערכות אוורור ואחר כך לנחות מטרים רבים מהמקור שלהם. חלקיקים אלה עלולים לחדור לכל הפתחים הלא-אטומים, כולל מחברים מחוברים, תוך זיהום המשטחים הפנימיים. זה עלול לגרום לבעיות חיבור החל מתקלות לסירוגין עקב עמידות החיבור לאובדן מגע מוחלט. כמו כן, אם חומר החלקיקים הוא שוחק או מאכל, הוא עלול לגרום לכשל קבוע במחבר הדורש החלפה יקרה הגוזלת זמן.

נוזלים שונים עלולים גם כן להימצא בסביבות תעשייתיות. מים, בנזין, שמנים וכימיקלים שונים נפוצים בסביבות של תעשיות כבדות. חדירת נוזלים אלה כנוזל או כאדים למערכת מחברים מחוברים עלולה לגרום לקצרים ושוב לגרום לכשלים בציוד.

מערכות חיברורים בדירוג IP67‏

במקום ליצור מגוון של מחברים עבור תנאי סביבות תעשייתיות שונות, התעשייה קבעה סטנדרטים עבור השימוש בחוטים, כבלים ומערכות מחברים בדירוג IP67‏. בעוד ששתי האותיות IP מייצגות רשמית את המילים "International Protection = הגנה בינלאומית", הן מוכרות לרוב בכינוי הלא-רשמי אך המדויק יותר של "Ingress Protection = הגנת חדירות". IP67 מציין את העמידות של מערכת החיברורים מפני חלקיקים ועצמים זרים, כמו גם את עמידותה מפני חדירת מים.

ה- "6" ב- IP67 מציין כי החיברור הוא אטום לחלוטין לכל חומר חלקיקי, כולל אבק דק. זה מושג בעיקר על ידי איטום הדוק בין הבתים המתחברים של שני המחברים. ה- "7" מציין שמערכת חיברורים IP67 יכולה לעמוד בטבילה במים לעומק של מטר למשך עד 30 דקות. זה מספיק טוב עבור מרבית הסביבות התעשייתיות.

האיטום ההדוק בין הבתים המתחברים של שני המחברים עוזר, אך עמידות במים מושגת בעיקר באמצעות אטם מחבר אשר בדרך כלל עמיד לא רק בפני מים אלא גם עמיד בפני כימיקלים רבים. חומרי אטם שונים עמידים בפני כימיקלים שונים, ולכן במהלך בחירת מערכת חיברורים חומר האטם המשמש מהווה שיקול חשוב.

חיבור אותות דיגיטליים בהספק נמוך

כמובן שלא לכל מערכות חיברורי כבלים יש את אותם הצרכים. פתרונות חיברורים עבור אותות לוגיקה דיגיטליים עמוק בתוך ציוד בדירוג IP67 צריכים בדרך כלל לטפל רק ב -5 וולט או פחות בזרמים בסביבות 500 מיליאמפר (mA). אותות בהספק נמוך אלו משתמשים במחברי כבלים קטנים וקלי-משקל אשר לרוב אינם חשופים לפגיעות פיזיות. המחברים חייבים להיות קלים לחיבור עבור הרכבת ציוד מהירה, וקלי-משקל דים כדי שלא יפעילו מאמצים על חוטי הזרם הנמוך במכללי הכבלים. עבור יישומי חיברורים אלה, לחברת Molex יש את מערכת מחברי חוט-לחוט זעירים Mizu-P25. מחברים מורשי IP67 חסיני-מים אלה מגנים מפני חדירת אבק ומים לתוך מכלל החיבור הנתון בתוך בית קומפקטי ונוח.

דוגמה לזוג מחברי Mizu-P25 בדירוג IP67 היא מערכת המחברים חסיני-מים עם שני מיקומים של תקע 0521160240 מבית Molex ושקע 0521170240 מבית Molex (איור 1). כאשר הם מחוברים במלואם, אורך שני המחברים הוא רק 25.5 מילימטרים (מ"מ), המתאים עבור מארזים קטנים וצפופים.

איור 1‏: מערכת מחברי Mizu-P25 עם שני מיקומים של תקע 0521160240 ושקע 0521170240 מבית Molex מעניקה הגנה מוצקה מפני אבק ומים. אורך המחברים המחוברים הוא רק 25.5 מילימטרים (מ"מ) והם מעניקים קליק נשמע ברור כאשר הם מחוברים כראוי. (מקור התמונה: Molex)

הבית והכיפה של כל מחבר עשויים מפוליאסטר, שלו חסינות מצוינת למים, הוא חסין להבה ואינו דוהה או נסדק בחשיפה ממושכת לאור השמש. מחברי פוליאסטר עמידים גם בפני שבירה והם יתכופפו במהלך שימוש רגיל תוך התנגדות לעיוות. זה הופך את מערכת המחברים לחסונה דיה מפני טיפול גס כשמחברים אותה במהלך הרכבת הציוד. למחברי פוליאסטר יש גם חסינות גזירה מעולה שהיא אידיאלית עבור שחיקה בהחלקה המתרחשת כאשר מחברים ומנתקים את המחברים.

גם אטם טבעת המחבר וגם אטם קצה החוט משתמשים באטמים מסיליקון המקנים איטום הדוק ביותר מפני מים ואבק. האטם הסטטי והאטם הדינמי מסיליקון שומרים על גמישות בטמפרטורות נמוכות ההופכת מחברים אלו למושלמים עבור ציוד בטמפרטורה נמוכה כגון מקררים וציוד חוץ למזג-אוויר קר. למחברים אלה יש שני מיקומים עם פסיעה של 5 מ"מ המבודדת בבטחה את שני האותות. הם מורכבים על ידי המשתמש באמצעות פינים מכופפים כדי להקל על ההרכבה.

מערכת המחברים מתוכננת עבור חיבור קל, ללא תלות בהדקי הלחיצה שנבחרו על ידי מפתחי המערכת. כאשר הם מחוברים כראוי, המחברים מספקים קליק נשמע ברור כדי לציין שהמחברים אכן מחוברים היטב. זה עוזר לטכנאים במהלך הרכבת המערכת ומבטיח איטום חיבור הדוק.

מערכת מחברים זו של Mizu-P25 מבית Molex מדורגת ל- 250 וולט ותחום טמפרטורות הפעולה שלה הוא 40°C- עד 105°C+. זה הופך את מערכת המחברים Mizu-P25 מבית Molex עם תקע 0521160240 ושקע 0521170240 למתאימה עבור מכשירי חשמל ביתיים ועבור מערכות תעשייתיות רבות במזג-אוויר קר. דירוג ה- IP67 מציין בפני מתכנני הציוד שמערכת המחברים מאובטחת מפני מים ואבק ואינה דורשת בדיקות סביבה נרחבות של מערכת המחברים.

חיברורים חסונים ואטומים עבור תחזוקה קלה

לעיתים נדרשות מערכות חיברורים כדי לטפל בזרמים גבוהים יותר ולהיות ידידותיות לתחזוקה בסביבות קשות. מערכת חיברורים צריכה לא רק לספק חיבור מאובטח שלא יתנתק בטעות, אלא גם יהיה קל לניתוק במהלך פעילויות תחזוקה. עבור מצבים אלה המתכננים יכולים להשתמש במערכת החיברורים חוט-לחוט האטומה Squba‏ מבית Molex. מחברי Squba הם גם בדירוג IP67 ויכולים להעביר יותר הספק בגורם צורה קטן יותר. התקע 2042230004 והשקע 2042200004‏ של מערכת Squba‏ מבית Molex, לדוגמה, הם מחברי ארבעה מיקומים בפסיעה של 1.80 מ"מ עבור הספקת כוח והעברת אותות אמינות (איור 2).

איור 2‏: התקע 2042230004 (שמאל) והשקע 2042200004‏ (ימין) של מערכת Squba‏ מבית Molex מהווים מערכת חיברורים עם ארבעה מיקומים המתוכננים לספק הגנה מוצקה לזרמים גבוהים בסביבות רטובות. (מקור התמונה: Molex)

מחברי Squba מבית Molex אלה משתמשים בהדקים מכופפים ומספקים קליק נשמע כאשר הם מחוברים כראוי. תפס המחבר בשקע הוא בעל פרופיל נמוך המקטין למינימום את הסיכוי להיתפס בציוד חיצוני. התפס מספק חיבור יציב ומאובטח שניתן לנתק אותו בקלות במהלך תחזוקה, בין אם על ידי הפעלת כוח חזק כלפי מעלה באמצעות האצבעות או על ידי שימוש בכלי חודר סטנדרטי לשחרור התפס.

גם התקע וגם בית השקע של Squba‏ עשויים ניילון, שהוא חזק במיוחד ועמיד בפני מרבית הכימיקלים התעשייתיים. זה הופך את מערכת החיברורים Squba מבית Molex למתאימה עבור כל סביבה בה המחברים עשויים להיות מועברים, נדחפים או מושפעים מציוד. מערכת החיברורים אטומה מפני אבק ורטיבות באמצעות אטמי סיליקון.

כל פין מחבר יכול לספק 125 וולט AC‏ או DC‏. עוביי החוטים המומלצים הם AWG‏ 22‏ עד AWG‏ 24‏. באמצעות פינים הלחוצים לחוט AWG‏ 22‏ שזור, כל פין יכול לטפל במקסימום של 5.25 אמפר (A) ב- 30°C עבור יכולת נשיאת זרם של A‏ 21‏. יכולת הזרם המקסימלית משתנה עם הטמפרטורה, כך שהמתכננים צריכים לשים לב היטב לתיעוד של המחבר כדי להבטיח שתפוקת הזרם המתוכננת מתאימה לתנאים.

טמפרטורות הפעולה מוגדרות ל- 40°C- עד 105°C+, וביחד עם דירוג IP67, המחברים מתאימים עבור סביבות כגון מערכות חימום, אוורור ומיזוג אוויר (HVAC), ציוד ניפוק משקאות וציוד תעשייתי החייב לפעול בסביבות קרות או רטובות.

חיברורים שקועים במים

לפעמים מערכת חיברורים אינה כה פשוטה כמו חיברורים של אותם אותות בתוך כבל אחד. לעיתים יש להעביר מספר סוגי מעגלים לאורך אותו הכבל, כולל אותות דיגיטליים, אותות בקרת זרם גבוה וחיבורי הספקת-כוח. מצבים אלה דורשים מערכת חיברורים היברידית היכולה לטפל בגדלים שונים של מגעים. עבור יישומים אלה המתכננים יכולים להשתמש במערכת החיברורים של מכלל הכבלים MX150 Hybrid‏ מבית Molex‏. מערכת MX150 Hybrid‏ עומדת בדרישות USCAR-2 Sealing Class 2‏, הדומה לדירוג IP67‏. תקן USCAR-2 Class 2 מחייב עמידה בבדיקת ואקום בלחץ בתוך מים.

כשהיא מורכבת, ה- Molex MX150 Hybrid היא מערכת מחברים אטומה לחלוטין, המתאימה למצבים שבהם המחברים המחוברים עלולים להיות שקועים במים או בסביבה רטובה מאוד בה נפוצים נוזלים ורסיסי מים בלחץ גבוה.

התקע עם 12 מיקומים 1601126001 והשקע עם 12 מיקומים 1601116006 (איור 3‏) של מערכת MX150 Hybrid‏ מבית Molex יכולים להכיל תמהיל של עד עשרה הדקי להב 1.5 מ"מ ועד שני הדקי להב 2.5 מ"מ. הדקי 1.5 מ"מ יכולים לשמש עבור העברת אותות לוגיקה ברמה-נמוכה בעוד ששני הדקי הלהב 2.8 מ"מ יכולים לשאת עד A‏ 22‏. זה הופך את מערכת החיברורים הזו למתאימה עבור יישומי כלי-רכב ותעשייה שבהם צמת חיווט יחידה צריכה לשמש עבור הספקת-הכוח ונתונים גם יחד למכונה אחת.

איור 3‏: התקע עם 12 מיקומים 1601126001 (משמאל) והשקע עם 12 מיקומים 1601116006 (מימין) של מערכת MX150 Hybrid‏ מבית Molex יכולים לטפל בבטחה בתמהיל של הדקי להב של 1.5 מ"מ ו- 2.80 מ"מ במערכת חיברורים שקועה במים. (מקור התמונה: Molex)

כשהיא מורכבת ומחוברת במלואה, מערכת החיברורים MX150 IP67 Hybrid‏ חסינה מזיהום מלכלוך או אבק. היא יכולה להיות שקועה מתחת למים ולפעול בתחום של 40°C-‏ עד 125°C+‏. בית המחבר הוא שילוב של ניילון וזכוכית, שהוא עמיד וחסין ביותר מפני טיפול גס ופגיעות קלות. זה הופך את מערכת החיברורים הזו למתאימה עבור סביבות תעשייתיות קשות ומכשירי חשמל רבים לצרכנים, כמו גם עבור יישומי מנועי כלי-רכב בהם המחבר נתון לתנאים קיצוניים של טמפרטורה, רסיסי מים בלחץ גבוה ופגיעות קשות של אובייקטים כבדים.

את תקע 1601126001 ושקע 1601116006 של מערכת MX150 Hybrid‏ מבית Molex צריך להרכיב כחלק מצמת כבלים או חוטים. הרכבה זו דורשת תחיבת הדקים לתוך תקעים ושקעים. עם זאת, ייתכן שלפעמים טכנאי ההרכבה לא יתחבו במלואם את ההדקים לתוך בית המחבר כך שהחיבורים לא יהיו אמינים. עבור מצבים אלה, כל אחד מהמחברים הללו כולל בית אבטחת מיקום הדקים (TPA‏).

במהלך תחיבת פין מוצלחת לתוך בית ה- TPA, טכנאי ההרכבה ירגיש את הפין ננעל היטב למקומו. אם ההדק לא נתחב כהלכה, החיבור של התקע לשקע ימנע נעילה. זה מבטיח שהפינים נתחבו כראוי ואמינות המערכת גדלה.

סיכום

מתכנני מערכות עבור תעשייה, תחבורה או מכשירי חשמל ביתיים צריכים להבטיח שהחיבורים שלהם יכולים לעמוד בדרישות הקפדניות של היישום, כולל מקומות צפופים, אבק, לכלוך, טמפרטורות קיצוניות, נוזלים, שמנים וחומרים חודרניים אחרים. כדי לסייע לפשט את תהליך התכנון, המתכננים יכולים לחפש מחברים בדירוג IP67 שתוכננו במיוחד להתמודדות עם חדירת אבק ולכלוך כמו גם עם חדירת לחות ונוזלים.

כפי שהוצג, קיים מגוון של מחברים בדירוג IP67 המתאימים עבור מגוון רחב של דרישות יישומים, החל מאותות דיגיטליים ברמה-נמוכה וכלה בהספקת-כוח עם זרם גבוה. בחירת מכלל המחבר הנכון בדירוג IP67 מבטיחה את אמינות המערכת ומקטינה למינימום את הסיכון לזמן השבתה או לתיקונים יקרים.