שיקולים עדינים עבור מחברים בתנאי סביבה קשים וקיצוניים

מחברים המשמשים בייצור Industry 4.0, רובוטיקה, ציוד לוגיסטיקה, מכונות כבדות, מערכות תובלה ופעולות כמו הפקת נפט וגז חשופים לעתים קרובות לסביבות קשות ותובעניות כמו התזת מים ומלח, אבק, רטיבות, רמות משמעותיות של זעזועים ורעידות, טמפרטורות קיצוניות והצורך לשמור על תאימות אלקטרומגנטית. נדרש סוג מסוים של מחברים כדי להתמודד עם דרישות קיצוניות אלו ולהבטיח אמינות גבוהה.

בהתאם ליישום, מחברים אלה צריכים לעמוד במגוון תקנים מה-International Electrotechnical Commission‏ (IEC‏), United States Council for Automotive Research LLC‏ (USCAR),‏ Society of Automotive Engineers‏ (SAE), קבוצת AK‏ הגרמנית, ואחרים.

מאמר זה מתחיל עם‏ מבט על שיקולים עדינים מסוימים, כמו ההבדל בין חסין למזג-אוויר וחסין למים, כמו גם הרמות השונות של ביצועי חסינות למים. אחר כך הוא בוחן את ההבדלים בין בדיקות הרעידות USCAR-2 ו-LV 214‏ הגרמנית. המאמר מסיים בהצגת‏ סדרת‏ מחברים מבית Amphenol כמו חוטים-ללוח, ®USB Type-C‏, ix,‏ M12 push-pull‏, תכני sub-D עם מסנן, ופתרונות סוללה ניתנת-להחלפה שנועדו לענות על הדרישות של תנאי סביבה קשים וקיצוניים.

חסין למזג-אוויר לעומת חסין למים

מחברים מסוימים משווקים כ“חסינים למזג-אוויר”. בהתאם ל-U.S. National Weather Service, “מזג-אוויר מוגדר כמצב האטמוספרה בזמן ובמקום נתון, ביחס למשתנים כגון טמפרטורה, לחות, מהירות רוח וכיוונו ולחץ ברומטרי”. לחסינות למזג-אוויר יש מובנים שונים במטאורולוגיה ומחברים.

חסינות למזג-אוויר‏ איננה בשימוש בתקנים טכניים של מחברים. מפרטי מחברים אינם דנים באופן כללי ברמות מהירות רוח שונות או לחץ ברומטרי. ההגדרה המטאורולוגית של‏ מזג-אוויר אינה מייחסת אבק או חלקיקים אחרים לאפשרות שהם עלולים להשפיע על ביצועי מחבר,‏ והיא כלולה בתקנים כמו IEC 60529‏, דרגות ההגנה המסופקות על ידי מארזים (קוד IP), החלות על מחברים.

מערכת דירוג IP

באופן כללי, מחברים חסינים למזג-אוויר מתוכננים לשימוש חוץ וחשיפה למזג-האוויר. הם מדורגים בדרך כלל ל-IP65‏ ומעלה ומיוצרים מחומרים עמידים בפני אולטרה סגול (UV) כדי לטפל בחשיפה ממושכת לאור שמש. למחברים חסינים למים יש דירוג IP‏ של‏ IP67‏ או גבוה יותר. למרות שיכול להיות מועיל לזהות מחבר כחסין למזג-אוויר או חסין למים, טוב יותר לקבוע את דירוג ה-IP המסוים שלו.

הדירוג הנמוך ביותר הוא IP11‏. משמעותו הגנה מפני חדירה של ‏חפץ בגודל 50 מ"מ כמו‏ יד, אך מים יכולים לחדור. מחברים באופן כללי הם בעלי דירוג IP גבוה הרבה יותר. לדוגמה, ביצועים של מחברים חסינים למזג-אוויר המדורגים IP65 לא ייפגעו עקב חשיפה לאבק למשך שעתיים עד שמונה שעות, והם מוגנים מסילוני מים עם חדירת מים מוגבלת מותרת.

מחברים חסינים למים עם דירוג IP67‏ אטומים לאבק וניתנים לשיקוע בעומק של 1 מטר למשך 30 דקות ללא חדירת מים. עבור יישומים תובעניים יותר, ישנם דירוגי IP אפילו גבוהים יותר ‏להגנה מפני מים (איור 1‏).

איור 1: הגדרות דירוגי הגנה מפני חדירה. (מקור התמונה: Amphenol)

שינויי רעידות

כדי להבטיח עבודה אמינה, מחברים חייבים להיות בעלי מגעים מאובטחים. זה יכול להיות מאתגר בתנאי סביבה עם רעידות חזקות כמו מערכות תעשייתיות, ציוד כבד ויישומי תובלה. שני תקני רעידות נפוצים עבור מחברים הם LV214‏ ו-USCAR-2.

שניהם מתייחסים ל-IEC 60068‏, סדרת SR (דרישות מערכת), עבור בדיקה סביבתית המכסה‏ מגוון מצבים, כולל ערור סינוס, רנדומלי וזעזועים, וחום וקור קיצוני. הם מתייחסים ל-IEC 60512-1-1, שמציין בדיקה חזותית במהלך הבדיקה. בעוד יש להם הרבה מהמשותף, LV214‏ ו-USCAR-2 הם שונים.

קבוצת ה-AK של יצרני מכוניות בגרמניה‏ פתחה את LV214‏. התקן מתמקד באיכות ההדקים תוך שימוש במנטרי כוח קימוט. הדקים חייבים לעמוד בקריטריונים מסוימים של מאפייני כוח קימוט. מנטרי כוח קימוט מודדים את הלחץ המופעל בתהליך הקימוט ומבטיחים שהוא עומד בדרישות התקן.

USCAR-2‏ הוא יותר נרחב. הוא כולל בדיקה בכל שלבי‏ הפיתוח כמו גם ניתוח בשדה‏ של הדקים, מחברים ורכיבים אחרים ביישומי רכב מתח גבוה (60‎ V עד 600‎ V‏).

שני התקנים מסווגים את הרעידות לחמש רמות עוצמה. ב-LV214‏, הרמות משתרעות מ-S1‏, הרעידות החזקות ביותר, בדרך כלל ליד הצמיגים, עד S5‏, החלשות ביותר, בדרך כלל בתא הנוסעים. רמה S2 נמצאת בדרך כלל במקומות כמו מארז הסוללה ברכב חשמלי (EV). דירוגי ה-USCAR-2 כוללים V1 עבור פרופיל רעידות שלדה, ופרופיל רעידות המנוע החזק יותר, V2, ורמות בדיקת רעידות גבוהות יותר כוללים מחזורים תרמיים במהלך הבדיקה. (טבלה 1).

טבלה 1‏: דרישות LV214 S2‏‏ ו-USCAR2 V1 מראות הבדלים ברעידות רנדומליות, משך הזמן, מחזורי טמפרטורה ובדיקת זעזוע חצי-סינוס. (מקור טבלה: Amphenol)

Amphenol מציעה מגוון רחב של פתרונות תעשייתיים. לדוגמה, מחברי החוט-ללוח WireLock‏ 1.8 מ"מ מבית Amphenol הם תואמים USCAR-2 V2‏ ו-LV214 S2‏. הם מתוכננים עבור מערכות רכב, ניהול סוללה, יישומים תעשייתיים ומכשור ורובוטיקה.

מחברי WireLock הם בעלי דירוג זרם נומינלי של‏ ‎3 A ומתאימים למידות חוטים מ-22‏ עד 26‎ AWG. קיימים דגמים עם עד 40 חיבורים בתכן שתי שורות ובתצורות אנכיות ואופקיות, להרכבה משטחית ובחור-עובר. ישנם ארבעה צבעים שונים לקידוד כדי למנוע חיבור שגוי (איור 2‏).

איור 2: למחברי WireLock יש עד 40 חיבורים והם תואמים USCAR2 V2 ו-LV214 S2. (מקור תמונה: Amphenol)

USB Type-C חסינים למים ומוקשחים‏

חיבוריות USB Type-C‏ היא חיונית ביישומים רבים, כולל תנאי סביבה תעשייתיים וקשים. היא מגדירה סגנון‏ מחבר, לא‏ פרוטוקול, ויכולה לתמוך בהעברת נתונים בקצב של עד ‎10 Gb/s ואספקת כוח. בנוסף ליישום שלהם בחיבוריות USB, מחברים אלה יכולים לשמש עבור Thunderbolt‏, peripheral component interconnect express‏ (PCIe‏), high-definition multimedia interface‏ (HDMI‏), DisplayPort‏ ופרוטוקולים אחרים.

כדי לתמוך בקצבי נתונים מקסימליים, כל החלקים המוארקים במחברים אלה, כמו הפינים, הסגר ורדיד ה-EMC‏ מוארקים כדי להפחית תהודה. שליטה בתהודה מגבילה את כמות הערב-דיבור (Crosstalk‏) והפרעות אלקטרומגנטיות (EMI‏) ותורמת לביצועי מחבר משופרים.

Amphenol מציעה מחברי USB Type-C בגרסאות חסינות למים ומוקשחות.‏ מחברי USB Type-C החסינים למים‏ מדורגים IP68‏ ומוגנים מפני טבילה במים לפרקי זמן ממושכים. חסינות למים מושגת על ידי שימוש בתהליך יציקה בהזרקת נוזל (LIM) של החברה כדי ליצור טבעת אטימה מגומי‏ העמידה למים בצידו החיצוני של המחבר, שמבטיחה שהמעטה החיצוני העשוי מפלדת אל-חלד הוא אטום לגמרי. מחברי 24‏-פינים אלה מדורגים עבור 10,000 מחזורי חיבור-ניתוק.

עבור יישומים מסוימים, חסינות למים אינה מספיקה. מתכננים יכולים לפנות אל מחבר ה-MUSBR Rugged Type-C USB עבור יישומים אלה. כמו הגרסאות החסינות למים, מחברים מוקשחים אלה מדורגים עבור 10,000 מחזורי חיבור-ניתוק.

יש להם בית מחבר עשוי מ-engineering thermoplastic שחור מדורג UL94V-0 הנתון בתוך מעטה סגסוגת אבץ יצוקה עם ציפוי ניקל המספק יציבות כדי להגן מפני זעזועים, רעידות ומכות. המכסה האחורי הוא פלדת אל-חלד, ואטם גומי סיליקון מוליך תומך בדירוג IP67 ובטמפרטורת עבודה מ-40°C- עד 105‎°C+ (איור 3).

איור 3: חברת Amphenol מציעה מחברי USB Type-C בגרסאות חסינות למים (שמאל) ומוקשחות (ימין). (מקור תמונה: Amphenol)

Ethernet חסין למזג-אוויר

Ethernet תעשייתי מאפשר מספר פרוטוקולים התומכים בבקרת זמן-אמת ודטרמיניזם במתקני Industry 4.0‏, כולל EtherCAT‏, EtherNet/IP‏, PROFINET‏, Modbus TCP, ואחרים. Amphenol מספקת מגוון פתרונות‏ Ethernet תעשייתי כדי להתאים לצורכי יישום ספציפיים. הם זמינים עם דירוגי IP מ-IP20 עד IP67.

הממשק הננעל התעשייתי האטום ix מסדרת NDH הוא פתרון מחבר Push-Pull‏‏ מלבני וכבל החסין למזג-אוויר, עם דירוג‏ IP‏ של‏ IP67‏, והוא נתון בבית מחבר עמיד-UV לשימושי פנים ,חוץ ובתנאי סביבה קשים.‏ הוא תומך בחיבוריות Cat6a Ethernet‏ תוך שימוש בממשק חיבור‏ סטנדרטי IEC 61076-3-124. המאפיינים כוללים (איור 4):

• מנגנון בריח נעילה פוזיטיבית Push-Pull
• גורם צורה קטן, קל משקל
• קיים כערכות תקע ניתנות לסיום בשדה או מכללי כבל עשויים-מראש
• מתחבר עם שקעים תעשייתיים iIP20 ix סטנדרטיים

איור 4‏: מחבר Ethernet תעשייתי חסין למזג-אוויר (מכלל שחור) זה מדורג IP67 ונתון בבית מחבר עמיד-UV. (מקור תמונה: Amphenol)

M12 עבור תנאי סביבה קשים

Amphenol מציעה מגוון פתרונות מוצר עבור תנאי סביבה קשים, כולל מחברי ה-M12 Push-Pull ‏MPronto-12. תקע ה-MPronto-12 מתחבר עם כל שקעי ה-M12*1.0‏ ותואם ל-IEC 61076-2-101‏ מכל יצרן. הוא מספק דרך‏ מהירה ופשוטה לשדרג ביצועי מערכת ביישומים כמו אוטומציה תעשייתית, ציוד כבד, כלי רכב חשמליים וציוד המטפל בחומרים, מאחר והוא עומד בדירוגי הגנה מפני חדירה IP67‏, IP68‏ ו-IP69K ותומך בקודים M12 A,‏ B,‏ D,‏ K,‏ L,‏ S,‏ T ו-X‏ . מאפיינים נוספים כוללים:

• טמפרטורת עבודה 20ºC- עד 105ºC+
• חוסך יותר מ-80% זמן התקנה
• קליק נשמע מבטיח חיבור פוזיטיבי
• קטן יותר ממחברי Push-Pull ‏M12 תחרותיים

D-sub עם מסנן

מחברי FCE17 D-sub עם מסנן‏ מגנים על שלמות אותות נתונים ‏על ידי סינון הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) מולכות ומוקרנות‏. הם מתוכננים עבור תעשיות הרכב, רפואה, תקשורת נתונים ואנרגיה.

הסינון המסופק עולה על הביצועים של‏ רכיבי סינון זהים המותקנים על לוח מעגל מודפס (PCB) של המערכת והכללת רכיבי המסנן במחבר מפחיתה את גודל הפתרון ואת עלותו. מחברים אלה הכוללים מסנן מתאימים לטביעת הרגל הסטנדרטית של מחברים ללא מסנן ותומכים בשדרוגים פשוטים של ביצועי EMI‏.

זמינים קבלי שבב עכבה-נמוכה (חומר דיאלקטרי NP0 או X7R) בערכים סטנדרטיים של 50 פיקו-פאראד (pf) עד ‎47000 pf כדי לספק מגוון רחב של‏ צורכי סינון. ערכי קיבוליות מותאמים-במיוחד זמינים גם כן.

טכנולוגיה מבודדת-מאמץ של Amphenol מייצרת מחברים עם יכולות זעזוע מכני ותרמי מעולות. מאמץ מכני על המחבר או המגעים לא יגרום להיסדקות האלמנטים של המסנן או לניתוק החיבור החשמלי.‏ נוסף לכך, פליטות מוקרנות ומולכות מ-EMI חיצוני ומההתקן מוסטות לארקה, ובכך משפרים ביצועי EMC.

סוללות ניתנות להחלפה של רחפנים ורובוטים

מתכננים של מערכות סוללות ניתנות להחלפה‏ עבור רחפנים, רובוטים ומערכות e-mobility במחסנים ומפעלים יכולים להשתמש בפתרונות מחבר סוללה ניתנת להחלפה DURASWAP. הם זמינים בתצורות של שני הספקים ושישה אותות; מוצעים גם תכנים מותאמים-במיוחד. הם יכולים לשאת זרמים רציפים מ-‏15‏ עד 0‏7 אמפר (A‏) ומדורגים ל-10,000 מחזורי חיבור-ניתוק.

חיבור עיוור נתמך בציפה של ±2 מילימטר (mm). טכנולוגיית ה-first-mate last-break‏ (FMLB) מאפשרת יצירת חיבור הארקה לפני חיבורי המתח ושמירה על חיבור הארקה עד לאחר ניתוק חיבורי המתח. תותבי המתכת להידוק פאנל יכולים לעמוד בעומסי מומנט גבוהים לאיטום IP פאנל יעיל . מאפיינים אחרים כוללים (איור 5):

• פינים מובילים כדי להבטיח חיבור נכון
• דירוג IP67‏ כשמחובר ומנותק
• חומרי בית מחבר מדורגים UL94V-0
• תחום טמפרטורות עבודה 20°C- עד 90°C+

איור 5‏: מחברי הספק אלו כוללים טכנולוגיית FMLB ותומכים בחיבור עיוור (blind mating) עם ציפה של‏ 2‏± מ"מ. (מקור תמונה: Amphenol)

סיכום

מאמר זה סוקר שיקולים מסוימים כשמגדירים מחברים לשימוש בתנאי סביבה קשים וקיצוניים. במקרים מסוימים, יש להבחין בין בדיקת רעידות USCAR-2 ו-LV214. ככל שיותר ויותר מערכות נמצאות בשימוש חוץ, חשוב להכיר בהבדל בין חסינות למזג-אוויר לבין חסינות למים ורמות הביצועים השונות של חסינות למים. לבסוף, שיקולים ייחודיים-ליישום יכולים לכלול שימוש בטכנולוגיית FMLB במחברי הספק וסינון EMI משולב במחברי נתונים מהירות-גבוהה.