מה מהווים מחברים לפעולה מאומצת והיכן הם משמשים עבור חיבוריות תעשייתית

By Jody Muelaner

Contributed By Digi-Key's North American Editors

מגוון רחב של מחברים משמשים ביישומים תעשייתיים להעברת הספק חשמלי, אותות חיישנים ונתוני בקרה על גבי כבלים דרך הצמתים שלהם ולתוך רכיבי אוטומציה. מה שמהווה מחבר לפעולה מאומצת (Heavy-Duty, מקוצר לעיתים כ- HDC‏ בשמות מוצרי מחברים) תלוי ביישום ... ולכן הוא יחסי במידה מסוימת. עם זאת, יש הבדל ברור בין מחברים תעשייתיים חסונים לבין אותם מחברי RJ ו- IEC לפעולה לא-מאומצת הנמצאים ביישומי אוטומציה בחללי פנים נקיים הכוללים Ethernet‏ והספק נמוך.

מחברים לפעולה מאומצת יכולים להיות חסונים בכללותם כמו גם עם הגנת חדירות משופרת, דליקות מופחתת, תחום רחב של טמפרטורות פעולה, נעילת אינטרלוק, סיכוך הארקה או פשוט חיבור אמין יותר עם נעילה פוזיטיבית.

בלוטות כבלים לעומת מחברים לפעולה מאומצת

בלוטות כבלים (המכונות לעיתים תופסני כבלים) הן לרוב רכיבים מכניים המקיפים כבלים כאשר האחרונים עוברים דרך פאנלי בקרה תעשייתיים כמו גם דרך מארזים סגורים, מחברים וגופי בקרה אחרים העשויים מתכת ופלסטיק קשיח. בלוטות כבלים משרתות שלוש מטרות. הן:

  • מאבטחות את הכבלים
  • מונעות שפשופים ושחיקות אחרות
  • מעניקות איטום סביב קצה הכבל להגנה מפני חדירות רטיבות ולמניעת הישאבות הכבל לתוך המארז הסגור

האופן שבו בלוטות כבלים מעגנות כבלים מונע נזק למגעים חשמליים במקרה שהכבל נמשך או מופרע בדרך אחרת. בלוטות הכבלים גם מונעות ממעטפת הכבלים מלהתחכך בשוליים החדים של החורים דרך המארז הסגור כאשר גופי הבלוטות מתמלאים ומתרחבים סביב שוליים אלו. ללא בלוטות הכבלים, כבלים הנתונים בתנועה ולו הקלה ביותר עלולים להיחתך במהירות על ידי הקצוות החדים של חורי המארז הסגור עד שהבידוד החיצוני שלהם יחתך לגמרי ... וליבות הכבלים יקוצרו.

בניגוד לבלוטות הכבלים הללו (המקיפות כבלים), המחברים מהווים סיומות לכבלים - ובאופן כללי מאפשרים ניתוק וחיבור מחדש בצורה נוחה יותר, כמו גם חיבור של מספר קטעי כבלים ורכיבים. בדרך כלל, גירסות פעולה מאומצת של מחברים אלו כוללות אחד או יותר מאפיינים מחזקי עמידות.

מחברי כבלים לפעולה מאומצת יכולים להיות עם הגנת כניסת-כבל בצורת בלוטת כבל אוניברסלית, מהדק כבל או אטם וכן התקן נגד-פיתול. לא משנה מה הצורה המכנית, הם מאבטחים את הכבל ומונעים ממנו להתנתק מההדקים. הגנת כניסת-כבל יכולה גם למנוע שחיקה של הכבל בדיוק כמו בלוטות כבלים העומדות בפני עצמן. שימו לב שתחיבי הלמלות (בלוטות עם מספר אצבעות) הם נפוצים על מחברים עם חוסן בינוני, אם כי התחיבים דורשים הידוק-מחדש באופן סדיר כדי להבטיח את הגנת החדירות. בלוטות עם אטם רציף המהודק סביב הכבל הן לרוב בחירה אמינה יותר עבור יישומי פעולה מאומצת.

המעטה של מספר מחברי כבלים לפעולה מאומצת סוגר על המוליכים החשמליים של התקע תוך מתן בידוד והגנת חדירות - כמו גם שרוול נועל או ננעל או מנוף בכדי לשמור את שני חצאי המחברים יחדיו.

במחברי כבלים רבים לפעולה מאומצת, תחיב הזכר כולל פיני זכר כמו גם ברגים או הדקי לחיצה שבהם ליבות החוטים המוליכים יוצרות מגע עם הפינים. במחברים כאלה, תחיבי הנקבה כוללים שקעים משלימים כמו גם הדקי שקע או לחיצה בהם ליבות החוטים המוליכים יוצרות את המגע עם השקעים.

הבתים המחוזקים לעמידות של מחברי כבלים לפעולה מאומצת הם אולי המאפיין הבולט ביותר שלהם, הכולל לרוב גם בידוד והגנת חדירות. האביזרים עשויים לכלול כיסויים מגנים נוספים ומובילים עבור קודי הפינים.

איור 1: מחברי סדרת ®Han‏ כוללים מספר מאפיינים משלימים העומדים בתנאי סביבה ברוטליים למדי. (מקור התמונה: Harting‏)

קודי IP עבור הגנת חדירות במחברים לפעולה מאומצת

זה גם די סטנדרטי עבור מחברים לפעולה מאומצת להעניק הגנת חדירות מפני נוזלים וחלקיקים מוצקים. הגנת החדירות של מחברים מדורגת באמצעות קודי הגנת חדירות (Ingress Protection‏ = IP‏) כמו עבור מארזים סגורים. הספרה הראשונה של קוד IP מציינת הגנה מפני אובייקטים מוצקים, עם ערכים הנעים בין 0 (המציין ללא הגנה) ל- 6 - המציין מבנה אטום לחלוטין לאבק. הספרה השנייה של קוד IP מציינת הגנה מפני נוזלים, עם ערכים הנעים בין 0 (ללא הגנה) ל- 8 (הגנה רצופה מפני מים בעומק של 1 מטר) או אפילו 9K‏ - המציין הגנה מפני סילונים בלחץ גבוה. לדוגמה, מחבר בדירוג IP67 הוא חסין מפני חדירת אבק וטבילה זמנית במים.

גירסות מחברים קנייניות - מדוע הן כל כך נפוצות?

עקב ההסתמכות הרבה של מחברים לפעולה מאומצת על סגירות מכניות ומאפייני איטום, אפשרויות רבות בשוק כיום הן של תכנים קנייניים או גירסות מחברים ספציפיות-ליישום. לדוגמה, תעשיות שלמות תקננו את המחברים לפעולה מאומצת המלבניים לפי חיבורי הספקת-כוח ובקרה של סדרת Han מבית Harting‏. למעשה, מותג המחברים עם השם המסחרי הרשום הזה נחשב לעיתים לשם נרדף למונח מחבר לפעולה מאומצת באופן כללי.

איור 2: מחברי סדרת Han (עם 4 ו- 26 פינים) הם במידה מסוימת סטנדרטיים בתעשייה - עומדים בדרישות שונות של חיבוריות והספקת-כוח בין V‏ 50‏ עד V‏ 5,000‏ ו- A‏ 3‏ עד A‏ 200‏ . סידורי הנעילה כוללים Han-Easy Lock‏ עם מנוף-יחיד עבור תפעול קל ביד אחת ו- Han-Easy Lock‏ עם מנוף-כפול - עבור נעילה אמינה יותר, הידוק בלחץ גבוה יותר, ושימוש בחיבורי כבל-לכבל. אפשרות חסונה נוספת היא נעילת בורג עבור הידוק בלחץ מקסימלי והפחתת הסיכון לשימוש לא-מורשה. (מקור התמונה: Harting‏)

מחברי סדרת Han‏ כוללים פינים המסודרים בתוך מעטה מלבני המתחבר לשקעים תואמים בתוך בית מלבני. המחברים מצוידים בדרך כלל במנופי נעילה המאפשרים למתקינים לסגור את המחבר בקלות ובבטחה - ומבטיחים שלא ניתן יהיה לנתק אותם ... גם כאשר מפעילים עומסי מתיחה ניכרים.

מעטים (כיסויי מחבר עם ברגים) הם סיומות כבלי כוח הנפוצות ביותר; הם זמינים בתצורות כניסה-מלמעלה וכניסה-מהצד. הבתים עשויים להיות בהרכבת בורג, הרכבה על משטח או בהרכבת דופן (Bulkhead‏) כדי לספק חיבור למכשור או למכונות. לחלופין, הבתים יכולים גם לסיים כבלים עבור חיבורי כבל-לכבל. המעטים והבתים מיוצרים בדרך כלל מסגסוגת יצוקה ... אך גם בתי פלב"ם ופלסטיק הם נפוצים. מספר יצרנים מציעים מחברים הניתנים להגדרת-תצורה שאפשר לקבץ ביחד בתוך מעטה או בית אחד. זה יכול לאפשר מספרי פינים גדולים יותר בכל המודולים השונים. מחברים כאלה זמינים תחת המותגים GWconnect HDC‏ מבית Molex‏ ו- HDC‏ מבית TE Connectivity‏.

מחברי כבלים חסונים עבור כבלי נתונים ואותות חיישנים הם שונים במעט. כאן, מחברי סדרת-M הם המובילים. הם מחברים חזקים המשמשים עבור חיבורי נתונים שונים (כולל אלה המבוססים על Ethernet‏) וכן בהעברות הספקת-כוח. מחברי סדרת-M‏ החסונים הם הנפוצים ביותר ביישומי רשתות תעשייתיות המערבות PROFINET‏, Fieldbus‏ ו- Ethernet תעשייתי לחיבור חיישנים, מתגים ובקרי PLC‏.

כפי שסוקר במאמרים קודמים של Digi-Key, מחברי סדרות M מורכבים ממחברי זכר ונקבה עגולים עם שרוולים סטנדרטיים עם תבריג מטרי העוטפים ומגנים על הפינים והשקעים הפנימיים. הגדלים הסטנדרטיים כוללים מחברי 5-מ"מ M5‏, 8-מ"מ M8‏, 12-מ"מ M12‏, 16-מ"מ M16‏ ו- 23-מ"מ M23‏. השרוולים עם תבריג מעניקים חיבורים חסונים ואמינים ביותר שאינם מתנתקים בקלות ומבטיחים חיבור חשמלי אמין ביותר ומקטינים למינימום אותות לסירוגין. השרוולים מעניקים למחברי סדרת-M גם רמת הגנת חדירות גבוהה העשויה, במקרים רבים, אפילו לאפשר שימוש בסביבות שטיפה וקורוזיביות. הגדלים הנפוצים ביותר הם מחברי M8 ו- M12, עם שניים, שלושה, ארבעה, חמישה, שמונה או 12 פינים. בדרך כלל, מחברי סדרת-M‏ עם שלושה או ארבעה פינים משרתים חיישנים והספקת-כוח; מחברי סדרת-M עם ארבעה או שמונה פינים משרתים התקני Ethernet ו- PROFINET; ומחברי סדרת-M עם ארבעה או חמישה פינים משרתים התקני Fieldbus‏, אפיק-CAN ואוטומציית DeviceNet.

איור 3‏: מחברי סדרת-M‏ עשויים מאלומיניום עם חוזק רב ויש להם בורג ראצ'ט עבור צימוד כבלים מהיר ומאובטח עם יד אחת. (מקור התמונה: LEMO‏)

חיבורי נתונים המשמשים ביישומים תעשייתיים כוללים Ethernet‏, ModbusTCP/IP, EtherCAT, Ethernet/IP ו- Profinet‏ ... כמו גם פורמטים קנייניים שונים. מחברי RJ הם הסטנדרט בכל המימושים של Ethernet‏ - אך הם אינם מספקים הגנת חדירות והם אינם חזקים במיוחד. למרות שלשונית פלסטיק בצד הזכר נלחצת בקליק לתוך השקע (כדי להחזיק יחדיו את שני חצאי המחבר), זה עדין למדי ... ומאפשר לתקעים להימשך החוצה מהשקעים אפילו במשיכה קלה. לפיכך מחברי סדרת-M הם אופציה מעולה אם התקנה אוטומטית נתונה לתנועה ולשימוש לרעה מקרי.

ועדיין, כאן המקום לאזהרה נוספת. בעוד שמחברי סדרת-M סטנדרטיים הם אופציה מתאימה עבור מחברים תעשייתיים, השגת חיבור אמין (ודירוג רמת הגנת חדירות) תלויה בהידוק נכון של תבריג המחבר. כמה ספקי מחברים התכוונו לטפל אפילו בנקודת כשל פוטנציאלית זו על ידי מכירת מחברי Push-Fit הננעלים באופן אוטומטי. אולי המבוססת ביותר מביניהן היא סדרת המחברים Brad‏ מבית Molex, המהווים תחליף ישיר למחברי M12 סטנדרטיים. אלה מבטלים את השרוול עם התבריג לטובת מנגנון דחיפה-לנעילה אמין ... כך שלחיצה פשוטה של שני חצאי המחבר ביחד מבטיחה נעילה מושלמת וחיבור אמין ללא סיכון של אותות לסירוגין או ניתוקים. מחברים אלו זמינים בתצורות שונות וכוללים מחברי לחיצה ודחיפה עם הגנת IP65.

איור 4: מחברי Ultra-Lock הם אפשרות דחיפה-לנעילה עם טבעות O כדי להעניק חיבורים חסיני-טעויות והגנת חדירות IP69K. (מקור התמונה: Molex)

כאשר הם משמשים עבור יישומי Ethernet‏, מחברי סדרת-M ו- מבית Molex Brad יכולים גם לשאת הספק באמצעות תקני (Power over Ethernet (PoE בשלוש תצורות - חלופה A, חלופה B ו- 4PPoE - כדי לתמוך ברמות רוחב-פס ויכולות הספק שונות.

מחברי הספקת-הכוח IEC‏ עבור דרישות הספק גבוה

ה-International Electrotechnical Commission‏ (IEC‏) מגדירה תקנים שונים עבור מחברי כוח המשמשים ביישומים תעשייתיים, מסחריים וביתיים. לדוגמה, IEC 60320‏ מכסה מחברים לא-ננעלים עם מתחים וזרמים של עד V‏ 250‏ ו- A‏ 16‏, בהתאמה. אלו כוללים C13/C14 גדולים אך לא מחוזקים לעמידות וכן מחברי C19/C20 גדולים יותר הנפוצים בציוד אלקטרוני עבור יישומים תעשייתיים - כולל ספקי כוח למחשבים ומארזי שרתים. מחברים אלו לא נחשבים באופן רגיל כמחברים לפעולה מאומצת.

לעומת זאת, המחברים הננעלים IEC 60309‏ הם מחוזקים לעמידות - ומיועדים לשימוש בכבלים תעשייתיים המעבירים מתח וזרמים של עד V‏ 1,000‏ ו- A‏ 800‏, בהתאמה. כל מחברי הנעילה IEC 60309 מעניקים מידה מסוימת של הגנת חדירות עם תצורות סטנדרטיות המוכיחות הגנות IP44 חסין-התזה, IP67 חסין-מים או IP66/67 חסין-סילון וחסין-מים.

התקן מאפשר גם שקעי אינטרלוק: מחברים עם מאפיין זה אינם מאפשרים את הפעלת הספקת-כוח אלא אם כן הם מחוברים עם תקע ... ולא ניתן להסיר את התקע עד לכיבוי הספקת-הכוח. קידוד הצבעים הבא מציין את המתח ותחום התדרים המותרים עבור המחברים.

  • צהוב מציין שמחברי כוח IEC 60309‏ מתאימים עבור V‏ 100‏ עד V‏ 130‏ ב- Hz‏ 50‏ או Hz‏ 60‏.
  • כחול מציין שמחברי כוח IEC 60309‏ מתאימים עבור V‏ 200 עד V‏ 250‏ ב- Hz‏ 50‏ או Hz‏ 60‏.
  • אדום מציין שמחברי כוח IEC 60309‏ מתאימים עבור V‏ 380 עד V‏ 480 ב- Hz‏ 50‏ עד Hz‏ 60‏ - לעיתים בתצורה תלת-פאזית.

איור 5‏: מחבר לפעולה מאומצת מקודד בצבע אדום זה עומד בתקן IEC 60309‏ עבור הספקת-כוח של V‏ 380‏ עד V‏ 480‏. (מקור התמונה: Wikimedia Commons)

סיכום

מחברים לפעולה מאומצת חייבים לעמוד בדרישות שונות. האם המחבר יצטרך לעמוד בפני כשל מהשפעת עומסים - או בפני משיכה החוצה? האם יש צורך בהגנת חדירות מפני אבק או מים? באילו טמפרטורות יצטרך המחבר לעמוד? האם המחבר לפעולה מאומצת יותקן בסביבות מהם יש חשש מפני דליקות?

יש לקחת בחשבון גם את מספר הפינים ואת המתח והזרם שיש לשאת על ידי כל אחד - ביחד עם כיוון כניסת הכבל ורמת הגנת הכבל. במכונות אוטומטיות שבהן הכבלים ומחבריהם נתונים לתנועה, יש לספק בלוטות ומהדקי כבלים מתאימים ... וזה יהיה נבון להוסיף התקנים נגד-פיתול.

עבור עומסים חשמליים קלים יחסית אך פועלים בסביבות קשות, מחברי סדרת-M ונגזרותיהם הם לעתים קרובות בחירות מתאימות. עבור עומסים חשמליים גבוהים יותר, מחברים מלבניים עשויים להיות פיתרון טוב יותר ... במיוחד מכיוון שניתן להגדיר את תצורתם כך שיתאימו כמעט לכל דרישה מורכבת עם כיווני אפשרויות הרכבה וכניסות-כבלים שונות, ובאופן כללי מבנים מודולריים שונים. אחרת, עבור חיבורי הספקת-כוח פשוטים להספקת-כוח AC‏ חד-פאזית או תלת-פאזית, המחברים התעשייתיים הננעלים IEC 60309 הם הבחירה המובילה (אם לא היחידה).

מיאון אחריות: דעות, אמונות ונקודות מבט המובעות על ידי מחברים שונים ו/או משתתפי פורום באתר אינטרנט זה לא בהכרח משקפות את הדעות, האמונות ונקודות המבט של חברת Digi-Key Electronics או את המדיניות הרשמית של חברת Digi-Key Electronics.

אודות כותב זה

Jody Muelaner

Dr. Jody Muelaner הוא מהנדס שתכנן מנסרות והתקנים רפואיים; התמודד עם אי-הוודאות במערכות ייצור בתעופה-וחלל; ויצר מכשירי לייזר חדשניים. הוא פרסם במספר רב של כתבי-עת של ביקורות-עמיתים וסיכומים ממשלתיים ... וכתב דוחות טכניים עבור Rolls-Royce‏, SAE International‏ ו- Airbus‏. כיום הוא מוביל פרויקט לפיתוח e-bike המפורט באתר betterbicycles.org. Muelaner מכסה גם פיתוחים הקשורים לטכנולוגיות לצמצום פחמן.

אודות מוציא לאור זה

Digi-Key's North American Editors