Considerações sutis sobre conectores em ambientes severos e extremos

Os conectores usados na produção da Indústria 4.0, robótica, equipamentos de logística, maquinário pesado, sistemas de transporte e operações como a produção de petróleo e gás são frequentemente expostos a ambientes severos e exigentes, como água e pulverizações de sal, poeira, umidade, níveis significativos de choque e vibração, temperaturas extremas e a necessidade de manter a compatibilidade eletromagnética (EMC). É necessária uma classe específica de conectores para lidar com esses requisitos extremos e garantir alta confiabilidade.

Dependendo da aplicação, esses conectores precisam atender a uma série de padrões da Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC), United States Council for Automotive Research LLC (USCAR), Society of Automotive Engineers (SAE), German AK Group e outros.

Este artigo começa com uma análise de algumas considerações sutis, como a diferença entre à prova de intempéries e à prova d'água, bem como os diferentes níveis de desempenho à prova d'água. Em seguida, ele examina as diferenças entre o teste de vibração USCAR-2 e o LV 214 alemão. O artigo termina apresentando uma série de conectores da Amphenol, como de fio-placa, USB Type-C®, ix, M12 push-pull, designs sub-D filtrados e soluções de baterias substituíveis projetadas para atender às demandas de ambientes severos e extremos.

À prova de intempéries vs. à prova d'água

Alguns conectores são apresentados como "à prova de intempéries", ou seja, do clima. De acordo com o Serviço Nacional de Meteorologia dos EUA, "o clima é definido como o estado da atmosfera em um determinado momento e local, com relação a variáveis como temperatura, umidade, velocidade e direção do vento e pressão barométrica". À prova de intempéries tem significados diferentes em meteorologia e conectores.

À prova de intempéries não é usada em padrões técnicos para conectores. As especificações do conector geralmente não discutem vários níveis de velocidade do vento ou pressão barométrica. A definição meteorológica de clima não faz referência à poeira ou a outras partículas que possam afetar o desempenho do conector e está incluída em normas como a IEC 60529, graus de proteção fornecidos pelos gabinetes (código IP), que se aplicam aos conectores.

Sistema de classificação de IP

Em geral, os conectores à prova de intempéries são projetados para uso externo e exposição ao clima. Normalmente, eles são classificados como IP65 ou acima e são fabricados com materiais resistentes a raios ultravioleta (UV) para suportar a exposição prolongada à luz solar. Os conectores à prova d'água têm classificação de IP67 ou superior. Embora possa ser útil identificar um conector como à prova de intempéries ou à prova d'água, é melhor determinar sua classificação IP específica.

A classificação mais baixa é IP11. Isso significa proteção contra a penetração de um objeto de 50 mm, como uma mão, mas a água pode penetrar. Os conectores geralmente têm classificações de IP muito mais altas. Por exemplo, os conectores à prova de intempéries classificados como IP65 não terão seu desempenho reduzido pela exposição à poeira por duas a oito horas e são protegidos contra jatos de água, sendo permitida a entrada limitada de água.

Os conectores à prova d'água com classificação IP67 são à prova de poeira e podem ser submersos a uma profundidade de 1 metro por 30 minutos sem penetração de água. Para aplicações mais exigentes, há classificações IP ainda mais altas para proteção contra água (Figura 1).

Figura 1: Definições de classificação de proteção contra ingresso. (Fonte da imagem: Amphenol)

Variações de vibração

Para garantir uma operação confiável, os conectores precisam ter contatos seguros. Isso pode ser um desafio em ambientes de alta vibração, como sistemas industriais, equipamentos pesados e aplicações de transporte. Duas normas de vibração comumente referenciadas para conectores são a LV214 e o USCAR-2.

Ambas fazem referência à série IEC 60068, SR (requisitos do sistema) para testes ambientais que abrangem uma série de condições, incluindo excitação senoidal, aleatória e de choque, além de calor e frio extremos. Fazem referência à norma IEC 60512-1-1, que especifica a inspeção visual durante o teste. Embora tenham muito em comum, a LV214 e a USCAR-2 são diferentes.

A AK Group de fabricantes de automóveis alemães desenvolveu a norma LV214. Ela se concentra na qualidade dos terminais, usando monitores de força de crimpagem. Os terminais devem atender a critérios específicos para as características de força de crimpagem. Os monitores de força medem a pressão aplicada durante o processo de crimpagem e garantem que ela atenda aos requisitos da norma.

A USCAR-2 é mais abrangente. Inclui testes em todos os estágios de desenvolvimento, bem como análise de campo de terminais, conectores e outros componentes em aplicações automotivas de alta tensão (60 V a 600 V).

Ambas as normas classificam a vibração em cinco níveis de intensidade. Na LV214, os níveis variam de S1, a vibração mais grave, geralmente perto dos pneus, a S5, a menos grave, geralmente na cabine de passageiros. O nível S2 seria encontrado em locais como o pacote de baterias de um veículo elétrico. As classificações USCAR-2 incluem V1 para o perfil de vibração do chassi e o perfil de vibração do motor V2, mais severo, e os níveis mais altos de teste de vibração incluem ciclos térmicos durante o teste. (Tabela 1).

Tabela 1: Os requisitos LV214 S2 e do USCAR2 V1 mostram diferenças nos testes de vibração aleatória, duração, ciclo de temperatura e choque de meia-senoide. (Fonte da tabela: Amphenol)

A Amphenol oferece uma ampla gama de soluções industriais. Por exemplo, os conectores WireLock de 1,8 mm de fio-placa da Amphenol são compatíveis com USCAR-2 V2 e LV214 S2. São projetados para aplicações automotivas, sistemas de gerenciamento de bateria, aplicações industriais e de instrumentação e robótica.

Os conectores WireLock têm um dimensionamento de corrente nominal de 3 A e suportam fios de bitola americana AWG (American Wire Gauge) de 22 a 26. Estão disponíveis modelos com até 40 posições em um design de fileira dupla e configurações verticais e horizontais de montagem em superfície e furo passante. Há quatro cores diferentes para codificação contra erros de acoplamento (Figura 2).

Figura 2: Os conectores WireLock têm até 40 posições e são compatíveis com USCAR2 V2 e LV214 S2. (Fonte da imagem: Amphenol)

USB Type-C robusto e à prova d'água

A conectividade USB Type-C é vital em muitas aplicações, inclusive em ambientes industriais e severos. Ela define um estilo de conector, não um protocolo, e pode suportar transferência de dados de até 10 Gigabits por segundo (Gb/s) e fornecimento de energia. Além de sua aplicação na conectividade USB, esses conectores podem ser usados para Thunderbolt, PCIe (interconexão expressa de componentes periféricos), HDMI (interface multimídia de alta definição), DisplayPort e outros protocolos.

Para suportar taxas de dados máximas, todas as peças metálicas nesses conectores, como os pinos, a trava e o laminado de EMC, são aterradas para reduzir a ressonância. O controle da ressonância limita a quantidade de diafonia e interferência eletromagnética (EMI) e contribui para melhorar o desempenho do conector.

A Amphenol oferece conectores USB Type-C em versões à prova d'água e robustas. Os conectores USB Type-C à prova d'água têm classificação IP68 e são protegidos contra imersão em água por longos períodos. A impermeabilização é obtida usando o processo de moldagem por injeção líquida (LIM) da empresa para fazer um anel de vedação de borracha à prova d'água na parte externa do conector, o que garante que a carcaça de aço inoxidável esteja completamente vedada. Esses conectores de 24 pinos são classificados para 10.000 ciclos de acoplamento.

Para algumas aplicações, a impermeabilização não é suficiente. Os projetistas podem recorrer ao conector USB Type-C robusto MUSBR para essas aplicações. Assim como as versões à prova d'água, esses conectores robustos são classificados para 10.000 ciclos de acoplamento.

Eles têm um capa de termoplástico preto com classificação UL94V-0 alojada em uma carcaça de liga de zinco fundido com revestimento de níquel que proporciona estabilidade para proteger contra choques, vibrações e impactos. A tampa traseira é de aço inoxidável e um selo de junta de borracha de silicone condutora suporta uma classificação IP67 e uma temperatura operacional de -40 °C a +105 °C (Figura 3).

Figura 3: A Amphenol oferece conectores USB Type-C nas versões à prova d'água (esquerda) e robustas (direita). (Fonte da imagem: Amphenol)

Ethernet à prova de intempéries

A Ethernet industrial permite vários protocolos que oferecem suporte ao controle em tempo real e ao determinismo nas instalações da Indústria 4.0, incluindo EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET, Modbus TCP e outros. A Amphenol fornece uma variedade de soluções de Ethernet industrial para atender às necessidades de aplicações específicas. Estão disponíveis com classificações de IP20 a IP67.

A interface de travamento industrial ix selada da série NDH é um conector push-pull retangular e uma solução de cabo à prova de intempéries com classificação de IP67 e com capa resistente a raios UV para uso em ambientes internos, externos e severos. São compatíveis com a conectividade Ethernet Cat6A, usando uma interface de acoplamento da norma IEC 61076-3-124. Os recursos incluem (Figura 4):

• Mecanismo push-pull de trava positiva
• Fator de forma pequeno e leve
• Disponível como kits de plugues termináveis em campo ou cabos de conexão pré-fabricados
• Acopla com receptáculos industriais padrão IP20 ix

Figura 4: Esse conector de Ethernet industrial à prova de intempéries (conjunto preto) tem classificação IP67 e está em uma capa resistente a raios UV. (Fonte da imagem: Amphenol)

M12 para ambientes severos

A Amphenol oferece uma gama de soluções de produtos para ambientes severos, incluindo os conectores push-pull MPronto-12 M12. O plugue MPronto-12 é compatível com todos os soquetes M12*1.0 e está em conformidade com a norma IEC 61076-2-101 de qualquer fabricante. Eles oferecem uma maneira rápida e direta de modernizar o desempenho do sistema em aplicações como automação industrial, equipamentos pesados, veículos elétricos e equipamentos de manuseio de materiais, pois atendem às classificações de proteção contra ingresso IP67, IP68 e IP69K e são compatíveis com os códigos M12 A, B, D, K, L, S, T e X. Os recursos adicionais incluem:

• Temperatura operacional de -20°C a +105°C
• Economiza mais de 80% do tempo de instalação
• O clique audível garante o acoplamento positivo
• Menor do que os conectores push-pull M12 da concorrência, que exigem um par de acoplamento

D-sub com filtro

Os conectores D-sub de filtro FCE17 protegem a integridade dos sinais de dados filtrando a interferência de EMI conduzida e irradiada. Eles são projetados para os setores automotivo, industrial, médico, de comunicação de dados e de energia.

A filtragem fornecida excede o desempenho dos mesmos componentes de filtro montados na placa de circuito impresso (PCI) do sistema, e a inclusão dos componentes de filtro no conector reduz o tamanho e o custo da solução. Esses conectores com filtros se encaixam na pegada dos conectores padrões não filtrados e permitem modernizações simples do desempenho em EMI.

Vários capacitores de chip de baixa impedância (dielétricos NP0 ou X7R) em valores padrões de 50 picoFarads (pf) a 47000 pf estão disponíveis para atender a uma ampla gama de necessidades de filtragem. Valores de capacitância personalizados também estão disponíveis.

A tecnologia isolada contra tensões mecânicas da Amphenol produz conectores com capacidades superiores em choque mecânico e térmico. A tensão mecânica no conector ou nos contatos não resultará em rachaduras nos elementos do filtro nem na quebra da conexão elétrica. Além disso, as emissões de radiações via ar e fios da EMI externa e do dispositivo são desviadas para o terra, melhorando o desempenho da EMC.

Baterias substituíveis para drones e robôs

Os projetistas de sistemas de baterias para drones, robôs e sistemas de mobilidade elétrica em armazéns e fábricas podem usar as soluções de conectores de baterias substituíveis DURASWAP. Estão disponíveis em duas configurações de potência e seis de sinal; também são oferecidos projetos personalizados. Podem conduzir correntes contínuas de 15 a 70 amperes (A) com dimensionamentos de 10.000 ciclos de acoplamento.

O acoplamento cego é suportado com uma flutuação de ±2 milímetros (mm). A tecnologia FMLB (first-mate last-break) permite que a conexão de aterramento seja estabelecida antes das conexões de alimentação, e que a conexão de aterramento seja mantida até depois que as conexões de alimentação forem interrompidas. A bucha metálica para fixação do painel pode suportar altas cargas de torque para uma vedação IP eficiente do painel. Outros recursos incluem (Figura 5):

• Pinos-guia para garantir o acoplamento adequado
• Classificação IP67 quando acoplado e desacoplado
• Materiais da carcaça com classificação UL94V-0
• Faixa de temperatura operacional de -20°C a +90°C

Figura 5: Esses conectores de energia incluem a tecnologia FMLB e suportam acoplamento cego com uma flutuação de ±2 mm. (Fonte da imagem: Amphenol)

Conclusão

Este artigo analisou algumas considerações sobre a especificação de conectores para uso em ambientes severos e extremos. Em alguns casos, é necessário distinguir entre os testes de vibração USCAR-2 e LV214. Como cada vez mais sistemas estão sendo usados em ambientes externos, é importante reconhecer a diferença entre à prova de intempéries e à prova d'água e os vários níveis de desempenho à prova d'água. Por fim, as considerações das aplicações específicas podem incluir o uso da tecnologia FMLB em conectores de energia e da filtragem EMI integrada em conectores de dados de alta velocidade.