O que constitui um conector de trabalho pesado e onde são utilizados para a conectividade industrial

Uma ampla gama de conectores é usada em aplicações industriais para levar a energia elétrica, sinais de sensores e dados de controle em cabos através de suas junções de saída e entrada dos componentes de automação. O que constitui um conector de trabalho pesado (às vezes abreviado HDC em nomes de produtos de conectores) depende da aplicação... assim é um pouco relativo. Dito isto, há uma diferença distinta entre os conectores industriais robustos e os conectores RJ e IEC para serviços leves encontrados em aplicações de automação interna limpa envolvendo Ethernet básica e energia de baixo consumo.

Os conectores de trabalho pesado podem apresentar maior robustez em geral, bem como maior proteção de entrada, inflamabilidade reduzida, temperatura de operação ampla, intertravamentos, blindagem de terra ou simplesmente conexão mais confiável com travamento positivo.

Prensa-cabos de trabalho pesado versus conectores

Os prensa-cabos (às vezes chamados de gaxetas de cabo) são, em sua maioria, componentes mecânicos que circundam os cabos à medida que estes últimos passam pelos limites dos painéis de controle industrial, bem como outros gabinetes, conectores e corpos controladores feitos de chapa metálica e plástico duro. Os prensa-cabos servem a três propósitos. Eles:

• Fixam o cabo
• Evitam atrito de cabos e outros desgastes
• Fornecem uma vedação ao redor da seção do cabo para proteger contra a entrada de umidade e sifonagem para dentro do gabinete

A forma como os prensa-cabos ancoram os cabos evita danos aos contatos elétricos, caso o cabo seja rebocado ou perturbado de outra forma. Os prensa-cabos também impedem que as bainhas dos cabos se esfreguem contra as arestas afiadas dos orifícios através do gabinete à medida que os corpos das gaxetas se preenchem e se soltam ao redor dessas bordas. Sem os prensa-cabos, os cabos sujeitos ao mais leve movimento poderiam ser rapidamente cortados pelas bordas afiadas dos orifícios do gabinete até que sua isolação externa fosse completamente serrada... e os núcleos dos cabos fossem cortados.

Em contraste com estes prensa-cabos (que circundam os cabos), estão os conectores que terminam os cabos — e geralmente permitem uma desconexão e reconexão mais conveniente, bem como a união de múltiplos componentes e seções de cabos. Tipicamente, as variações de trabalho pesado desses conectores incluem uma ou mais características de robustez.

Os conectores de cabos de trabalho pesado podem apresentar proteção contra entrada de cabos na forma de um prensa-cabos universal, grampo de cabo ou dispositivo de vedação e antitorção. Não importa a forma mecânica, estes prendem o cabo e impedem que ele saia dos terminais. A proteção contra entrada de cabos também pode evitar o desgaste dos cabos, assim como os prensa-cabos independentes fazem. Observe que os insertos lamelares (gaxetas com vários dedos) são comuns em conectores moderadamente robustos, embora os insertos exijam um reaperto regular para garantir a proteção contra ingresso. Gaxetas com uma vedação contínua que prendem ao redor do cabo são muitas vezes uma escolha mais confiável para aplicações em trabalhos pesados.

O capô em alguns conectores de cabo de trabalho pesado envolve os condutores elétricos do plugue enquanto fornece isolação e proteção contra ingresso — assim como alguma manga ou alavanca de fechamento ou travamento para manter as metades do conector juntas.

Em muitos conectores de cabos de trabalho pesado, o inserto macho inclui pinos machos, bem como parafusos ou terminais crimpados onde os núcleos de fios condutores entram em contato com os pinos. Em tais conectores, o inserto fêmea inclui soquetes complementares, bem como receptáculos ou terminais de crimpagem onde os núcleos de fios condutores entram em contato com os soquetes.

As capas robustas dos conectores de cabos de trabalho pesado são talvez sua característica mais visível — muitas vezes incluindo isolação e proteção contra ingresso. Os acessórios podem incluir tampas de proteção adicionais e guias para códigos de pinos.

Figura 1: Os conectores da série Han® incluem várias características complementares para resistir a condições ambientais bastante brutais. (Fonte da imagem: Harting)

Códigos IP para proteção contra ingresso em conectores de trabalho pesado

Também é bastante padrão para conectores de trabalho pesado fornecer proteção contra ingresso de fluidos e partículas sólidas. A proteção contra ingresso dos conectores é classificada usando os mesmos códigos de proteção contra ingresso (IP) dos gabinetes. O primeiro dígito de um código IP denota proteção contra objetos sólidos, com valores que variam de 0 (indicando sem proteção) a 6 — indicando uma construção totalmente à prova de poeira. O segundo dígito do código IP indica proteção contra fluidos, com valores que vão de 0 (para nenhuma proteção) a 8 (para proteção contínua contra água a uma profundidade de 1 m) ou mesmo 9K — indicando proteção contra jatos de alta pressão. Por exemplo, um conector com grau de proteção IP67 resiste à penetração de poeira e à imersão temporária na água.

Variações proprietárias de conectores — por que tão comuns?

Devido à forte dependência de conectores de trabalho pesado em características de fechamento mecânico e vedação, muitas opções no mercado hoje em dia são projetos proprietários ou variações de conectores específicos da aplicação. Por exemplo, indústrias inteiras padronizaram os conectores retangulares de trabalho pesado para conexões de energia e controle da série Harting Han. Na verdade, esta marca registrada de conectores é às vezes considerada sinônimo do termo conector de trabalho pesado em geral.

Figura 2: Os conectores da série Han (com quatro e 26 pinos) são de certa forma um padrão industrial — satisfazendo vários requisitos de conectividade de dados e de energia de 50 a 5.000 V e 3 a 200 A. Os dispositivos de travamento incluem uma trava Han-Easy de uma alavanca para facilitar a operação com uma só mão e uma trava Han-Easy de duas alavancas — para um travamento mais confiável, maior estanqueidade à pressão e uso com conexões de cabo a cabo. Outra opção robusta é o travamento por parafuso para máxima estanqueidade à pressão e redução do risco de uso não autorizado. (Fonte da imagem: Harting)

Os conectores da série Han têm pinos dispostos dentro de um capô retangular que acoplam com os soquetes correspondentes dentro de uma capa retangular. Os conectores são geralmente equipados com alavancas de travamento para permitir que o pessoal de instalação feche o conector com facilidade e segurança — garantindo que ele não possa ser puxado para fora... mesmo quando cargas de tensão consideráveis são aplicadas.

Os capôs (carcaças de conectores aparafusadas) são mais comuns em terminações de cabos de energia; estão disponíveis em configurações de entrada superior e de entrada lateral. As capas podem ser montagem por parafuso, de superfície ou de anteparo para fornecer uma conexão em instrumentação ou máquinas. Alternativamente, as capas também podem terminar cabos para conexões de cabo a cabo. Os capôs e capas são tipicamente produzidos a partir de liga fundida... mas também são comuns as capas de aço inoxidável e de plástico. Alguns fabricantes oferecem conectores configuráveis que podem ser agrupados dentro de um único capô ou capa. Isto pode permitir uma maior quantidade de pinos em todos os módulos distintos. Tais conectores estão disponíveis sob as marcas Molex GWconnect HDC e TE Connectivity HDC.

Os robustos conectores de cabos para cabos de dados e de sinais de sensores são ligeiramente diferentes. Aqui, os conectores da série M predominam. São conectores robustos que servem em várias conexões de dados (inclusive aquelas baseadas em Ethernet), bem como em transmissões de energia elétrica. Os conectores robustos da série M são mais comuns em aplicações de redes industriais envolvendo PROFINET, Fieldbus e Ethernet industrial para conectar sensores, interruptores e CLPs.

Conforme divulgado em artigos anteriores da DigiKey, os conectores da série M consistem em conectores redondos macho e fêmea com mangas roscadas métricas padrões que encapsulam e protegem os pinos e receptáculos internos. Os tamanhos padrões incluem conectores de 5-mm M5, 8-mm M8, 12-mm M12, 16-mm M16 e 23-mm M23. A manga roscada proporciona uma conexão muito robusta e confiável que não pode ser facilmente desmontada e que garante uma conexão elétrica muito confiável, minimizando os sinais intermitentes. A manga também confere aos conectores da série M um alto nível de proteção contra ingresso que pode, em muitos casos, permitir até mesmo o uso em lavagens e ambientes corrosivos. Os tamanhos mais comuns são os conectores M8 e M12, com dois, três, quatro, cinco, oito ou 12 pinos. Tipicamente, conectores de três ou quatro pinos da série M servem para sensores e fontes de alimentação; conectores de quatro ou oito pinos da série M servem para dispositivos Ethernet e PROFINET; e conectores de quatro ou cinco pinos da série M servem para dispositivos de automação Fieldbus, barramento CAN e DeviceNet.

Figura 3: Os conectores da série M são feitos de alumínio de alta resistência e possuem um parafuso de catraca para acoplamento rápido e seguro do cabo com uma mão. (Fonte da imagem: LEMO)

As conexões de dados utilizadas em aplicações industriais incluem Ethernet, ModbusTCP/IP, EtherCAT, Ethernet/IP e Profinet... bem como vários formatos proprietários. Os conectores RJ são o padrão para todas as implementações de Ethernet — mas não oferecem proteção contra ingresso e não são particularmente robustos. Embora uma aba plástica do lado macho se encaixe no soquete (para segurar as metades do conector), ela é bastante delicada... e permite que os plugues sejam puxados de seus soquetes até mesmo com um puxão moderado. É por isso que os conectores série M são uma opção superior se uma instalação automatizada estiver sujeita a movimentos e abusos incidentais.

No entanto, há aqui mais uma advertência. Enquanto os conectores padrões da série M são uma opção adequada para conectores industriais, a obtenção de uma conexão confiável (e com nível de proteção contra ingresso) depende do aperto correto da rosca do conector por parte do técnico. Alguns fornecedores de conectores têm o objetivo de resolver até mesmo este ponto de falha potencial, vendendo conectores de encaixe de pressão que travam automaticamente. Talvez o mais estabelecido deles seja a série Brad de conectores Molex, que são um substituto direto dos conectores M12 padrão. Estes omitem a manga roscada para um mecanismo confiável de empurrar-para-travar... assim, a simples pressão das metades do conector garante um travamento perfeito e uma conexão confiável sem risco de sinais intermitentes ou desconexão. Estes conectores estão disponíveis em várias configurações e incluem conectores push-on (de pressão) e pull-off (de tração) com proteção IP65.

Figura 4: Os conectores Ultra-Lock são uma opção de empurrar para travar com anel de vedação para fornecer conexões infalíveis e proteção contra ingresso IP69K. (Fonte da imagem: MOLEX)

Quando usados para aplicações Ethernet, os conectores Brad Molex e série M também podem transportar energia usando os padrões PoE (Alimentação via Ethernet) em três configurações — Alternativa A, Alternativa B e 4PPoE — para suportar diferentes níveis de largura de banda e capacidade de potência.

Conectores de energia IEC para requisitos de alta potência

A Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) define várias normas para conectores de energia usados em aplicações domésticas, comerciais e industriais. Por exemplo, a IEC 60320 abrange conectores sem travamento com tensões e correntes de até 250 V e 16 A, respectivamente. Estes incluem acopladores C13/C14 grandes mas não robustos, assim como acopladores C19/C20 maiores comuns em equipamentos eletrônicos para aplicações industriais — incluindo fontes de alimentação de computadores e gabinetes de servidores. Estes acopladores não são normalmente considerados conectores de trabalho pesado.

Em contraste, os conectores de travamento IEC 60309 são robustos — e destinados ao uso em cabos industriais que transmitem tensões e correntes de até 1.000 V e 800 A, respectivamente. Todos os conectores de travamento IEC 60309 fornecem algum grau de proteção contra ingresso com configurações padrões comprovando proteção IP44 à prova de respingos, IP67 à prova d'água, ou proteção IP66/67 à prova de jatos e à prova d'água.

O padrão também permite tomadas de soquetes intertravados: Conectores com esta característica não permitem a energização a menos que sejam acoplados com um plugue... e o plugue não pode ser removido até que a energia seja desligada. A seguinte codificação por cores indica a voltagem e a faixa de frequência permitidas para o conector.

• O amarelo indica que o conector de alimentação IEC 60309 é adequado para conduzir de 100 a 130 V a 50 ou 60 Hz.
• O azul indica que o conector de alimentação IEC 60309 é adequado para conduzir de 200 a 250 V a 50 ou 60 Hz.
• O vermelho indica que o conector de alimentação IEC 60309 é adequado para conduzir de 380 a 480 V a 50 ou 60 Hz... muitas vezes em uma configuração trifásica.

Figura 5: Este conector vermelho codificado por cores para trabalho pesado satisfaz a norma IEC 60309 para fornecimento de 380 a 480 V. (Fonte da imagem: Wikimedia Commons)

Conclusão

Os conectores de trabalho pesado devem satisfazer vários requisitos. Será que o conector precisará resistir ao esmagamento de cargas de impacto — ou ser puxado para fora? É necessária proteção contra ingresso de poeira ou água? Quais temperaturas o conector precisará suportar? O conector de trabalho pesado será instalado em ambientes onde a inflamabilidade é uma preocupação?

O número de pinos e a tensão e corrente a serem conduzidas por cada um também devem ser considerados — juntamente com a direção de entrada do cabo e o nível de proteção do cabo. Em máquinas automatizadas que sujeitam os cabos e seus conectores a movimentos, devem ser fornecidos prensa-cabos e grampos de cabos adequados... e dispositivos antitorção também podem ser prudentes.

Para cargas elétricas relativamente leves, mas que operam em ambientes agressivos, os conectores da série M e seus derivados são muitas vezes escolhas adequadas. Para cargas elétricas maiores, conectores retangulares podem ser uma solução melhor... especialmente porque eles podem ser configurados para atender praticamente qualquer exigência complexa com várias direções de entrada de cabos, opções de montagem e, em geral, construções modulares. Caso contrário, para conexões de energia simples a uma fonte de alimentação ca monofásica ou trifásica, os conectores industriais de travamento IEC 60309 são a principal (se não a única) escolha.