ข้อควรพิจารณาอย่างละเอียดสำหรับตัวเชื่อมต่อในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

ตัวเชื่อมต่อที่ใช้ในการผลิตในอุตสาหกรรม 4.0, หุ่นยนต์, อุปกรณ์ลอจิสติกส์, เครื่องจักรกลหนัก, ระบบการขนส่ง, และการดำเนินงาน เช่น การผลิตน้ำมันและก๊าซ มักจะต้องเผชิญกับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงและอ่อนไหว เช่น สเปรย์น้ำและเกลือ ฝุ่น ความชื้น ระดับแรงกระแทกและการสั่นสะเทือนที่มีนัยสำคัญ อุณหภูมิสุดขั้ว และความจำเป็นในการรักษาความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) ต้องใช้ตัวเชื่อมต่อบางประเภทเพื่อรองรับความต้องการเหล่านั้นและรับประกันความน่าเชื่อถือสูง

ตัวเชื่อมต่อเหล่านั้นจำเป็นต้องเป็นไปตามมาตรฐานต่างๆ จาก International Electrotechnical Commission (IEC), United States Council for Automotive Research LLC (USCAR), Society of Automotive Engineers (SAE), German AK Group และอื่นๆ

บทความนี้เริ่มต้นด้วยการพิจารณาอย่างละเอียดถึงข้อควรคำนึงต่าง ๆ เช่น ความแตกต่างระหว่างการกันน้ำและทนต่อสภาพอากาศ รวมถึงประสิทธิภาพการกันน้ำในระดับต่างๆ จากนั้นจะตรวจสอบความแตกต่างระหว่างการทดสอบการสั่นสะเทือน USCAR-2 และ German LV 214 บทความนี้ปิดท้ายด้วยการนำเสนอชุดตัวเชื่อมต่อจาก Amphenol เช่น ตัวเชื่อมต่อกับบอร์ด, USB Type-C®, ix, M12 push-pull, การออกแบบ Sub-D แบบกรอง และโซลูชันแบตเตอรี่แบบถอดเปลี่ยนได้ที่ออกแบบมาเพื่อตอบสนองความต้องการของสภาพแวดล้อมที่รุนแรงและสุดขั้ว

ทนต่อสภาพอากาศ vs กันน้ำ

ตัวเชื่อมต่อบางตัวเป็นตัวเชื่อมต่อที่ "การทนต่อสภาพอากาศ" ตามรายงานของกรมอุตุนิยมวิทยาแห่งชาติของสหรัฐอเมริกา “สภาพอากาศถูกกำหนดให้เป็นสถานะของบรรยากาศ ณ เวลาและสถานที่ที่กำหนด โดยคำนึงถึงตัวแปรต่างๆ เช่น อุณหภูมิ ความชื้น ความเร็วและทิศทางลม และความกดอากาศ” โดยการทนต่อสภาพอากาศมีความหมายที่แตกต่างกันในด้านอุตุนิยมวิทยาและตัวเชื่อมต่อ

ซึ่งการทนต่อสภาพอากาศไม่ได้ใช้ในมาตรฐานทางเทคนิคสำหรับตัวเชื่อมต่อ ข้อมูลจำเพาะของตัวเชื่อมต่อโดยทั่วไปไม่ได้กล่าวถึงระดับความเร็วลมหรือความดันบรรยากาศต่างๆ โดยคำจำกัดความของสภาพอากาศด้านอุตุนิยมวิทยาไม่ได้อ้างอิงฝุ่นหรืออนุภาคอื่นๆ ที่อาจส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพของตัวเชื่อมต่อ และรวมอยู่ในมาตรฐาน เช่น IEC 60529 ระดับการป้องกันที่มีให้โดยกรอบหุ้ม (รหัส IP) ที่ใช้กับตัวเชื่อมต่อ

ระบบระดับ IP

โดยทั่วไป ตัวเชื่อมต่อที่ทนต่อสภาพอากาศได้รับการออกแบบสำหรับการใช้งานกลางแจ้งและการสัมผัสกับสภาพอากาศ โดยปกติแล้วตัวเชื่อมต่อจะมีระดับ IP65 ขึ้นไป และทำจากวัสดุที่ทนต่อรังสีอัลตราไวโอเลต (UV) เพื่อรับมือกับแสงแดดเป็นเวลานาน ตัวเชื่อมต่อกันน้ำมีระดับ IP อยู่ที่ IP67 หรือสูงกว่า แม้ว่าการระบุตัวเชื่อมต่อว่าทนต่อสภาพอากาศหรือกันน้ำจะเป็นประโยชน์ แต่ก็ควรพิจารณาระดับ IP เฉพาะของตัวเชื่อมต่อนั้นจะเจาะจงกว่า

ระดับต่ำสุดคือ IP11 นั่นหมายถึงการป้องกันจากวัตถุขนาด 50 มม. ที่มีขนาดเท่ากับมือและน้ำสามารถทะลุผ่านได้ โดยทั่วไปแล้วตัวเชื่อมต่อจะมีระดับ IP ที่สูงกว่ามาก ตัวอย่างเช่น ตัวเชื่อมต่อที่ทนต่อสภาพอากาศที่มีระดับ IP65 จะไม่มีประสิทธิภาพลดลงเนื่องจากการสัมผัสกับฝุ่นเป็นเวลาสองถึงแปดชั่วโมง และตัวเชื่อมต่อเหล่านี้ได้รับการปกป้องจากการฉีดน้ำโดยอนุญาตให้มีน้ำเข้าได้จำกัด

ตัวเชื่อมต่อกันน้ำระดับ IP67 กันฝุ่นและสามารถจมอยู่ใต้น้ำได้ลึก 1 เมตรเป็นเวลา 30 นาที โดยไม่มีน้ำซึมเข้าไป สำหรับการใช้งานที่เข้มงวดมากขึ้น ควรมีระดับ IP ที่สูงขึ้นสำหรับการป้องกันน้ำ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: คำจำกัดความของระดับการป้องกันน้ำและฝุ่น (แหล่งที่มาภาพ: Amphenol)

รูปแบบการสั่นสะเทือน

เพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานที่เชื่อถือได้ ตัวเชื่อมต่อจำเป็นต้องมีหน้าสัมผัสที่ปลอดภัย นั่นอาจเป็นเรื่องที่ท้าทายในสภาพแวดล้อมที่มีการสั่นสะเทือนสูง เช่น ระบบอุตสาหกรรม เครื่องจักรกลหนัก และการใช้งานด้านการขนส่ง มาตรฐานการสั่นสะเทือนที่อ้างอิงโดยทั่วไปสำหรับตัวเชื่อมต่อคือ LV214 และ USCAR-2

ทั้งสองซีรีส์อ้างอิง IEC 60068, SR (ข้อกำหนดของระบบ) สำหรับการทดสอบด้านสิ่งแวดล้อมที่ครอบคลุมสภาวะต่างๆ รวมถึงคลื่นไซน์ การกระตุ้นแบบสุ่มและการกระแทก ตลอดจนความร้อนและความเย็นจัด โดยอ้างอิง IEC 60512-1-1 ซึ่งระบุการตรวจสอบด้วยสายตาระหว่างการทดสอบ แม้ว่าจะมีอะไรที่เหมือนกันมาก แต่ LV214 และ USCAR-2 นั้นแตกต่างกัน

ผู้ผลิตรถยนต์สัญชาติเยอรมันกลุ่ม AK พัฒนา LV214 โดยมุ่งเน้นไปที่คุณภาพของเทอร์มินอลที่ใช้เครื่องตรวจวัดแรงย้ำสาย ตัวเชื่อมต่อต้องเป็นไปตามเกณฑ์เฉพาะสำหรับคุณลักษณะแรงย้ำสาย โดยเครื่องตรวจวัดแรงย้ำจะวัดแรงกดที่ใช้ในระหว่างกระบวนการย้ำและตรวจสอบให้แน่ใจว่าเป็นไปตามข้อกำหนดของมาตรฐาน

USCAR-2 นั้นครอบคลุมกว่า ประกอบด้วยการทดสอบในทุกขั้นตอนของการพัฒนา รวมถึงการวิเคราะห์ภาคสนามของขั้วต่อ ตัวเชื่อมต่อ และส่วนประกอบอื่นๆ ในการใช้งานยานยนต์ไฟฟ้าแรงสูง (60 V ถึง 600 V)

มาตรฐานทั้งสองแบ่งระดับการสั่นสะเทือนออกเป็นห้าระดับ ใน LV214 เริ่มตั้งแต่ S1 ซึ่งเป็นการสั่นสะเทือนที่รุนแรงที่สุด ซึ่งมักจะอยู่ใกล้ยาง ไปจนถึง S5 ซึ่งรุนแรงน้อยที่สุด ซึ่งมักจะอยู่ในห้องโดยสาร ระดับ S2 จะพบได้ในสถานที่ต่างๆ เช่น ชุดแบตเตอรี่ใน EV ระดับ USCAR-2 ประกอบด้วย V1 สำหรับรูปแบบการสั่นสะเทือนของแชสซี และรูปแบบการสั่นสะเทือนของเครื่องยนต์ V2 ที่รุนแรงยิ่งขึ้น และระดับการทดสอบการสั่นสะเทือนที่สูงขึ้นรวมถึงการหมุนเวียนด้วยความร้อนในระหว่างการทดสอบ (ตารางที่ 1)

ตารางที่ 1: ข้อกำหนด LV214 S2 และ USCAR2 V1 แสดงความแตกต่างในการสั่นสะเทือนแบบสุ่ม ระยะเวลา การหมุนเวียนของอุณหภูมิ และการทดสอบการกระแทกแบบคลื่นฮาล์ฟไซน์ (แหล่งที่มาตาราง: Amphenol)

Amphenol มีผลิตภัณฑ์หลากหลายประเภทโซลูชั่นอุตสาหกรรม ตัวอย่างเช่น ตัวเชื่อมต่อสายไฟกับบอร์ด WireLock 1.8 มม. จาก Amphenol เป็นไปตามข้อกำหนด USCAR-2 V2 และ LV214 S2 ซึ่งได้รับการออกแบบมาสำหรับยานยนต์ ระบบการจัดการแบตเตอรี่ การใช้งานทางอุตสาหกรรมและเครื่องมือวัด และหุ่นยนต์

ตัวเชื่อมต่อ WireLock มีพิกัดกระแสไฟปกติที่ 3 A และจัดการขนาดสายไฟตั้งแต่ 22 ถึง 26 American Wire Gauge (AWG) มีรุ่นที่มีตำแหน่งสูงสุด 40 ตำแหน่งในการออกแบบสองแถว รวมถึงรูปแบบแบบรูทะลุและยึดบนพื้นผิวในแนวตั้งและแนวนอน มีสี่สีที่แตกต่างกันสำหรับการเข้ารหัสเพื่อป้องกันการเชื่อมต่อที่ผิดพลาด (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: ตัวเชื่อมต่อ WireLock มีมากถึง 40 ตำแหน่งและสอดคล้องตามมาตรฐาน USCAR2 V2 และ LV214 S2 (แหล่งที่มาภาพ: Amphenol)

USB Type-C กันน้ำและทนทาน

การเชื่อมต่อ USB Type-C มีความสำคัญกับการใช้งานมากมาย รวมถึงอุตสาหกรรมและสภาพแวดล้อมที่รุนแรง โดยกำหนดรูปแบบตัวเชื่อมต่อ ไม่ใช่โปรโตคอล และสามารถรองรับการถ่ายโอนข้อมูลได้สูงสุด 10 กิกะบิตต่อวินาที (Gb/s) และการจ่ายพลังงาน นอกเหนือจากการใช้งานในการเชื่อมต่อ USB แล้ว ตัวเชื่อมต่อเหล่านี้ยังสามารถใช้กับ Thunderbolt, Peripheral Component Interconnect Express (PCIe), อินเทอร์เฟซมัลติมีเดียความละเอียดสูง (HDMI), DisplayPort และโปรโตคอลอื่นๆ

เพื่อรองรับอัตราข้อมูลสูงสุด ส่วนที่ต่อกับกราวด์ทั้งหมดในตัวเชื่อมต่อเหล่านี้ เช่น พิน สลัก และแผ่น EMC จะถูกต่อลงกราวด์เพื่อลดการเรโซแนนซ์ การเรโซแนนซ์จะจำกัดจำนวนครอสทอล์คและการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และมีส่วนทำให้ประสิทธิภาพของตัวเชื่อมต่อดีขึ้น

Amphenol นำเสนอตัวเชื่อมต่อ USB Type-C ในรุ่นที่กันน้ำและทนทาน ตัวเชื่อมต่อ USB Type-C กันน้ำ มีระดับ IP68 และป้องกันจากการแช่น้ำเป็นเวลานาน การกันน้ำทำได้โดยใช้กระบวนการฉีดขึ้นรูปแบบของเหลว (LIM) ของบริษัทเพื่อสร้างยางโอริงกันน้ำที่ด้านนอกของตัวเชื่อมต่อ ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ว่าตัวหุ้มสเตนเลสสตีลจะปิดผนึกสนิท ตัวเชื่อมต่อ 24 พินเหล่านี้ได้รับสามารถเชื่อมต่อได้สูงสุด 10,000 รอบ

สำหรับการใช้งานบางอย่าง การกันน้ำยังไม่เพียงพอ นักออกแบบสามารถหันมาใช้ตัวเชื่อมต่อ MUSBR USB Type-C ที่ทนทาน สำหรับการใช้งานเหล่านั้น เช่นเดียวกับรุ่นกันน้ำ ตัวเชื่อมต่อที่ทนทานเหล่านี้มีพิกัดการเชื่อมต่อได้ถึง 10,000 รอบ

ตัวหุ้มเป็นเทอร์โมพลาสติกวิศวกรรมสีดำมาตรฐาน UL94V-0 อยู่ในกล่องหุ้มภายนอกโลหะผสมสังกะสีหล่อขึ้นรูปพร้อมชุบนิกเกิลที่ให้ความเสถียรในการป้องกันการกระแทก การสั่นสะเทือน และการกระแทก ฝาครอบด้านหลังเป็นสแตนเลส และซีลปะเก็นยางซิลิโคนนำไฟฟ้าสำหรับการป้องกันระดับ IP67 และอุณหภูมิในการทำงานตั้งแต่ -40°C ถึง +105°C (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: Amphenol นำเสนอตัวเชื่อมต่อ USB Type-C ในแบบกันน้ำ (ซ้าย) และทนทาน (ขวา) (แหล่งที่มาภาพ: Amphenol)

อีเทอร์เน็ตทนต่อสภาพอากาศ

อีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมใช้งานโปรโตคอลหลายตัวที่รองรับการควบคุมแบบเรียลไทม์และการกำหนดระดับในโรงงานอุตสาหกรรม 4.0 รวมถึง EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET, Modbus TCP และอื่นๆ โดย Amphenol มีโซลูชันอีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมหลากหลาย เพื่อให้เหมาะกับความต้องการใช้งานเฉพาะด้าน มีระดับ IP ตั้งแต่ IP20 ถึง IP67

ซีรีส์ NDH อินเตอร์เฟซแล็ตชิ่งอุตสาหกรรม ix แบบปิดผนึกเป็นตัวเชื่อมต่อแบบพุชพูลสี่เหลี่ยมและโซลูชันสายเคเบิลที่ทนฝนและแดดด้วยระดับ IP67 และอยู่ในตัวเครื่องที่ทนต่อรังสียูวีสำหรับใช้ภายในอาคาร กลางแจ้ง และในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง รองรับการเชื่อมต่ออีเทอร์เน็ต Cat6A โดยใช้อินเทอร์เฟซการจับคู่มาตรฐาน IEC 61076-3-124 คุณสมบัติต่างๆ ได้แก่ (รูปที่ 4):

• กลไกสลักล็อคเชิงบวกแบบพุชพูล
• ฟอร์มแฟคเตอร์ขนาดเล็ก น้ำหนักเบา
• มีจำหน่ายทั้งแบบชุดปลั๊กแบบปิดภาคสนามหรือชุดสายเคเบิลสำเร็จรูป
• ใช้ร่วมกับเต้ารับอุตสาหกรรมมาตรฐาน IP20 ix

รูปที่ 4: ตัวเชื่อมต่ออีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรมที่ทนทานต่อสภาพอากาศ (ส่วนประกอบสีดำ) มีระดับ IP67 และอยู่ในตัวเรือนที่ทนต่อรังสียูวี (แหล่งที่มาภาพ: Amphenol)

M12 สำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง

Amphenol นำเสนอโซลูชั่นผลิตภัณฑ์ที่หลากหลายสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง รวมถึง MPronto-12 ที่เป็นตัวเชื่อมต่อแบบพุชพูล M12 ปลั๊ก MPronto-12 ใช้งานร่วมกับช่องเสียบ M12*1.0 ทั้งหมด และเป็นไปตาม IEC 61076-2-101 จากผู้ผลิตทุกราย มีวิธีที่รวดเร็วและตรงไปตรงมาในการอัปเกรดประสิทธิภาพของระบบในการใช้งานต่าง ๆ เช่น ระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม เครื่องจักรกลหนัก ยานพาหนะไฟฟ้า และอุปกรณ์ขนถ่ายวัสดุ เนื่องจากเป็นไปตามระดับการป้องกันน้ำเข้า IP67, IP68 และ IP69K และรองรับ M12 A, B, D, K, รหัส L, S, T และ X คุณสมบัติเพิ่มเติม ได้แก่

• อุณหภูมิในการทำงาน -20°C ถึง +105°C
• ประหยัดเวลาในการติดตั้งมากกว่า 80%
• การคลิกด้วยเสียงช่วยให้มั่นใจได้ถึงการเชื่อมต่อที่ถูกต้อง
• มีขนาดเล็กกว่าตัวเชื่อมต่อแบบพุชพูล M12 ของคู่แข่งที่ต้องใช้คู่เชื่อมต่อ

การกรอง D-sub

ตัวเชื่อมต่อตัวกรอง D-sub FCE17 ปกป้องความสมบูรณ์ของสัญญาณข้อมูลโดยการกรองสัญญาณรบกวนจาก EMI ที่เกิดขึ้นและจากการแผ่กระจาย ได้รับการออกแบบมาสำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์ อุตสาหกรรม การแพทย์ การสื่อสารข้อมูล และพลังงาน

การกรองที่ให้มานั้นมีประสิทธิภาพเกินประสิทธิภาพของส่วนประกอบตัวกรองเดียวกันที่ติดตั้งบนแผงวงจรพิมพ์ของระบบ (PCB) และการรวมส่วนประกอบตัวกรองในตัวเชื่อมต่อจะช่วยลดขนาดและต้นทุนของโซลูชัน ตัวเชื่อมต่อแบบกรองเหล่านี้พอดีกับขนาดตัวเชื่อมต่อมาตรฐานแบบไม่กรอง และรองรับการอัพเกรดประสิทธิภาพ EMI แบบธรรมดา

ตัวเก็บประจุชิปความต้านทานต่ำต่างๆ (ไดอิเล็กทริก NP0 หรือ X7R) ในค่ามาตรฐาน 50 พิโกฟารัด (pf) ถึง 47000 pf มีให้เลือกใช้เพื่อตอบสนองความต้องการในการกรองที่หลากหลาย ค่าความจุแบบกำหนดเองก็มีให้เช่นกัน

เทคโนโลยีแยกความเครียดของ Amphenol สร้างตัวเชื่อมต่อที่มีความสามารถในการกลและการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างเหนือชั้น ความเครียดเชิงกลบนตัวเชื่อมต่อหรือหน้าสัมผัสจะไม่ส่งผลให้เกิดการแตกร้าวขององค์ประกอบตัวกรองหรือการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าขาด นอกจากนี้ การแผ่รังสีและการปล่อยก๊าซเรือนกระจกที่ดำเนินการจาก EMI ภายนอกและจากอุปกรณ์จะถูกสับลงสู่พื้น ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของ EMC

แบตเตอรี่แบบถอดเปลี่ยนได้สำหรับโดรนและหุ่นยนต์

ผู้ออกแบบระบบแบตเตอรี่แบบถอดเปลี่ยนได้สำหรับโดรน หุ่นยนต์ และระบบการเคลื่อนที่ด้วยไฟฟ้าในคลังสินค้าและโรงงานสามารถใช้งานโซลูชันตัวเชื่อมต่อแบตเตอรี่แบบถอดเปลี่ยนได้ DURASWAP มีให้เลือกใช้งานสองแบบและหกรูปแบบสัญญาณ นอกจากนี้ยังมีการออกแบบที่กำหนดเอง สามารถส่งกระแสต่อเนื่องได้ตั้งแต่ 15 ถึง 70 แอมแปร์ (A) และมีพิกัดการเชื่อมต่อสูงสุด 10,000 รอบ

มีการรองรับการเชื่อมต่อแบบมองไม่เห็นด้วยการลอย ±2 มิลลิเมตร (มม.) เทคโนโลยี First-Mate Last-Break (FMLB) ช่วยให้สามารถสร้างการเชื่อมต่อกับกราวด์ก่อนที่จะเชื่อมต่อสายไฟและการเชื่อมต่อภาคพื้นดินจะยังคงอยู่จนกว่าการเชื่อมต่อสายไฟจะขาด บุชชิ่งโลหะสำหรับยึดแผงสามารถรับแรงบิดสูงเพื่อการซีล IP แผงที่มีประสิทธิภาพ คุณสมบัติอื่น ๆ ได้แก่ (รูปที่ 5):

• หมุดนำเพื่อให้แน่ใจว่าการเชื่อมต่อที่เหมาะสม
• ระดับ IP67 เมื่อเชื่อมต่อและไม่ได้เชื่อมต่อ
• วัสดุด้านนอกพิกัด UL94V-0
• ช่วงอุณหภูมิในการทำงาน -20°C ถึง +90°C

รูปที่ 5: ตัวเชื่อมต่อสำหรับจ่ายไฟเหล่านี้มีเทคโนโลยี FMLB และรองรับการเชื่อมต่อแบบมองไม่เห็นโดยมีการลอย ±2 มม. (แหล่งที่มาภาพ: Amphenol)

สรุป

บทความนี้ได้ทบทวนข้อควรพิจารณาบางประการสำหรับการเลือกตัวเชื่อมต่อสำหรับใช้ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงและสุดขั้ว ในบางกรณี จำเป็นต้องแยกแยะระหว่างการทดสอบการสั่นสะเทือน USCAR-2 และ LV214 เนื่องจากมีการใช้งานระบบกลางแจ้งมากขึ้นเรื่อยๆ สิ่งสำคัญคือต้องตระหนักถึงความแตกต่างระหว่างการกันน้ำและทนต่อสภาพอากาศ และประสิทธิภาพการกันน้ำในระดับต่างๆ สุดท้ายนี้ ข้อควรพิจารณาเฉพาะการใช้งานอาจรวมถึงการใช้เทคโนโลยี FMLB ในตัวเชื่อมต่อสำหรับจ่ายไฟและการกรอง EMI ในตัวในตัวเชื่อมต่อข้อมูลความเร็วสูง