Mit abgedichteten Steckverbindern für raue Umgebungen entwickeln

Entwickler zwängen immer mehr Elektronik in immer unzugänglichere oder engere Räume, vor allem in Transportmitteln, Industriesystemen und intelligenten Haushaltsgeräten wie Waschmaschinen. In solchen Anwendungen kann die Verlegung von Verbindungen aufgrund von Staub, eindringender Feuchtigkeit, Temperaturextremen und mechanischer Beanspruchung zu zahlreichen Herausforderungen in Bezug auf die Zuverlässigkeit führen.

Selbst innerhalb desselben Systems können die Anforderungen der einzelnen Anschlüsse sehr unterschiedlich sein. Kabel, die digitale Niederspannungssignale übertragen, haben andere Verbindungsprobleme als dickere Leitungen, die hohe Spannungen für Motoren und die Energieverteilung übertragen. Die falsche Wahl des Steckverbinders kann zu vollständigen oder intermittierenden Signalausfällen, teuren Ausfallzeiten und Wartungsproblemen führen.

In diesem Artikel wird auf die Herausforderungen bei der Auswahl geeigneter robuster Kabelverbindungslösungen eingegangen, die für die Anwendung robust genug sind. Es wird erläutert, wie die angemessene Verwendung eines Kabelsteckersystems mit IP67-Zertifizierung und USCAR-2-Dichtungsklasse 2 zuverlässige Verbindungen gewährleisten kann, die zudem die Kosten für Wartung und Reparatur senken. Anschließend werden verschiedene Kabelverbindungslösungen von Molex mit Schutzart IP67 und USCAR-2 Dichtheitsklasse 2 vorgestellt und gezeigt, wie diese für eine Reihe von Anwendungsanforderungen eingesetzt werden können.

Überlegungen zum Entwurf industrieller Verbindungen

Entwickler von Geräten für industrielle Umgebungen müssen Verunreinigungen durch Partikel, Flüssigkeiten und extreme Temperaturen berücksichtigen. Darüber hinaus müssen industrielle Systeme darauf vorbereitet sein, mit unvorhersehbaren Bedingungen aufgrund von Änderungen in der Umgebung oder der Ausrüstung umzugehen.

Industrielle Einrichtungen wie Fabriken und Lagerhäuser verwenden eine Vielzahl von Verbindungslösungen, viele davon für hohe Belastungen. Auch Autos und Lastwagen gelten als bewegte Industrieumgebung. Es gibt allgemeine Richtlinien, die für diese Verbindungssituationen berücksichtigt werden müssen. Die grundlegendste ist die Beständigkeit gegen jede Art von Partikeln, von Eisenspänen und Metallfragmenten bis hin zu Staub und feinen Pulvern. Je feiner der Feinstaub ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass er sich in der Luft befindet. So können z. B. Staub, Ruß und andere Feinstaubpartikel von schweren Maschinen durch Ventilatoren und Lüftungsanlagen in der Luft gehalten werden und viele Meter von ihrer Quelle entfernt landen. Diese Partikel können in alle nicht abgedichteten Öffnungen eindringen, einschließlich eingesteckter Steckverbinder, und die Innenflächen verunreinigen. Dies kann zu Steckproblemen führen, die von intermittierenden Fehlfunktionen aufgrund von Verbindungswiderständen bis hin zum völligen Verlust des Kontakts reichen. Wenn die Partikel außerdem abrasiv oder korrosiv sind, können sie einen dauerhaften Ausfall des Steckers verursachen, der einen teuren und zeitaufwändigen Austausch erfordert.

Auch verschiedene Flüssigkeiten können in industrieller Umgebung vorkommen. Wasser, Benzin, Öle und verschiedene Chemikalien sind in industriellen Schwerlastumgebungen häufig anzutreffen. Das Eindringen dieser Flüssigkeiten als Flüssigkeit oder Dampf in ein gestecktes Stecksystem kann Kurzschlüsse verursachen und wiederum zu Geräteausfällen führen.

Steckverbindersysteme mit Schutzart IP67

Anstatt eine Vielzahl von Steckverbindern für unterschiedliche industrielle Umgebungsbedingungen herzustellen, hat sich die Industrie auf die Verwendung von Drähten, Kabeln und Steckverbindersystemen mit der Schutzart IP67 standardisiert. Während die beiden Buchstaben IP offiziell für die drei Wörter „International Protection Rating“ (Internationale Schutzklasse) stehen, ist es im Allgemeinen unter dem inoffiziellen, aber genaueren Begriff „Ingress Protection“ (Eindringschutz) bekannt. IP67 definiert die Widerstandsfähigkeit des Verbindungssystems gegenüber Partikeln und Fremdkörpern sowie die Widerstandsfähigkeit gegen das Eindringen von Wasser.

Die „6“ in IP67 bedeutet, dass eine Verbindung völlig undurchlässig für alle Partikel, einschließlich Feinstaub, ist. Dies wird vor allem durch eine hocheffiziente Abdichtung zwischen den Gegengehäusen der beiden gesteckten Steckverbinder erreicht. Die „7“ gibt an, dass ein IP67-Stecksystem bis zu 30 Minuten lang das Eintauchen in Wasser bis zu einer Tiefe von einem Meter übersteht. Dies ist gut genug für die meisten industriellen Umgebungen.

Die effiziente Abdichtung zwischen den zusammengesteckten Gehäusen der beiden Steckverbinder ist hilfreich, aber die Wasserbeständigkeit wird in erster Linie durch eine Steckverbinderdichtung erreicht, die typischerweise nicht nur gegen Wasser, sondern auch gegen viele Chemikalien beständig ist. Verschiedene Dichtungsmaterialien sind gegen unterschiedliche Chemikalien beständig, daher ist bei der Auswahl eines Verbindungssystems das verwendete Dichtungsmaterial eine wichtige Überlegung.

Anschluss von digitalen Signalen mit geringer Leistung

Natürlich haben nicht alle Kabel-Verbindungssysteme die gleichen Anforderungen. Verbindungslösungen für digitale Logiksignale tief im Inneren von IP67-zertifizierten Geräten müssen in der Regel nur 5 Volt oder weniger bei Strömen um 500 Milliampere (mA) verarbeiten. Diese Niederleistungssignale verwenden kleine, leichte Kabelsteckverbinder, die in der Regel nicht viel physische Beanspruchung erfahren. Die Steckverbinder müssen für eine schnelle Gerätemontage einfach zu verbinden und leicht genug sein, um die Schwachstromdrähte in der Kabelkonfektion nicht zu belasten. Für diese Verbindungsanwendungen bietet Molex das Draht-zu-Draht-Miniatursteckverbindersystem Mizu-P25 an. Diese wasserdichten, IP67-zertifizierten Steckverbinder halten Staub und Wasser von der gesteckten Baugruppe fern und befinden sich in einem praktischen, kompakten Gehäuse.

Ein Beispiel für ein gestecktes Paar von Mizu-P25-Steckverbindern der Schutzart IP67 sind die wasserdichten Steckersysteme 0521160240 und 0521170240 von Molex mit zwei Steckplätzen (Abbildung 1). Im gesteckten Zustand sind die beiden Steckverbinder nur 25,5 Millimeter (mm) lang und damit für kleine, beengte Gehäuse geeignet.

Abbildung 1: Das zweipolige Steckverbindersystems Mizu-P25 von Molex mit dem Stecker 0521160240 und der Buchse 0521170240 bietet einen soliden Schutz gegen Staub und Wasser. Die gesteckten Steckverbinder sind nur 25,5 mm lang und liefern ein solides, hörbares Klicken, wenn sie richtig gesteckt sind. (Bildquelle: Molex)

Das Gehäuse und die Kappe für jeden Steckverbinder bestehen aus Polyester, das eine ausgezeichnete Wasserbeständigkeit aufweist, schwer entflammbar ist und bei längerer Sonneneinstrahlung nicht ausbleicht oder reißt. Steckverbinder aus Polyester sind außerdem bruchfest und lassen sich bei normalem Gebrauch nicht verformen. Dies macht das Steckverbindersystem robust genug für die raue Handhabung beim Stecken während der Gerätemontage. Polyester-Steckverbinder haben auch eine ausgezeichnete Scherfestigkeit, ideal für den Gleitabrieb, der beim Stecken und Lösen von Steckverbindern auftritt.

Sowohl die Anschlussringdichtung als auch die Aderenddichtung verwenden Silikondichtungen, die eine luftdichte Abdichtung gegen Wasser und Staub gewährleisten. Silikondichtungen und -abdichtungen behalten ihre Flexibilität bei niedrigen Temperaturen, wodurch diese Steckverbinder perfekt für Geräte mit niedrigen Temperaturen, wie z. B. Kühlschränke und Kaltwettergeräte im Freien, geeignet sind. Diese Steckverbinder bieten zwei Positionen im Abstand von 5 mm, wodurch die beiden Signale sicher getrennt werden. Sie werden vom Anwender mit gecrimpten Stiften montiert, um die Montage zu erleichtern.

Das Steckverbindersystem ist für einfaches Stecken ausgelegt, unabhängig von den von den Systementwicklern gewählten Crimpkontakten. Wenn die Steckverbinder richtig eingesteckt sind, geben sie ein deutlich hörbares Klicken von sich, das anzeigt, dass die Steckverbinder fest eingesteckt sind. Dies hilft den Technikern bei der Systemmontage und gewährleistet eine dichte Steckverbindung.

Das Stecksystem Mizu-P25 von Molex ist für 250 Volt ausgelegt und bietet einen Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +105 °C. Dadurch eignet sich das Stecksystem Mizu-P25 von Molex mit dem Stecker 0521160240 und der Buchse 0521170240 für Haushaltsgroßgeräte und viele industrielle Kaltwetteranlagen. Die Schutzart IP67 zeigt den Geräteentwicklern an, dass das Steckverbindersystem sicher gegen Wasser und Staub ist und keine umfangreichen Umwelttests des Steckverbindersystems erforderlich sind.

Robuste und abgedichtete Verbindungen für die einfache Wartung

Manchmal müssen Steckverbindersysteme höhere Ströme verarbeiten und in rauen Umgebungen wartungsfreundlich sein. Das Verbindungssystem muss nicht nur eine sichere Verbindung bieten, die nicht versehentlich unterbrochen werden kann, sondern auch bei Wartungsarbeiten leicht zu trennen sein. Für diese Situationen können Entwickler das abgedichtete Draht-zu-Draht-Verbindungssystem Squba von Molex verwenden. Die Squba-Steckverbinder entsprechen ebenfalls der Schutzart IP67 und können mehr Leistung in einem kleineren Formfaktor liefern. Der Squba-Stecker 2042230004 und die Squba-Buchse 2042200004 von Molex zum Beispiel sind vierpolige Steckverbinder im Rastermaß von 1,80 mm, die eine zuverlässige Strom- und Signalübertragung gewährleisten (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der Squba-Stecker 2042230004 (links) und die Squba-Buchse 2042200004 (rechts) von Molex bieten ein vierpoliges Verbindungssystem, das einen soliden Schutz für hohe Ströme in nasser Umgebung bietet. (Bildquelle: Molex)

Diese Squba-Steckverbinder von Molex verwenden gecrimpte Anschlüsse und bieten ein hörbares Klicken, wenn sie richtig angeschlossen werden. Die Verriegelung an der Steckbuchse ist flach und minimiert so die Möglichkeit, sich an externen Elementen zu verfangen. Die Verriegelung bietet eine feste, sichere Verbindung, die bei Wartungsarbeiten leicht gelöst werden kann, indem entweder mit den Fingern eine feste Kraft nach oben ausgeübt wird oder indem ein Standard-Entriegelungswerkzeug verwendet wird.

Sowohl der Squba-Stecker als auch das Buchsengehäuse sind aus Nylon gefertigt, das außerordentlich stabil und gegen die meisten Industriechemikalien beständig ist. Dadurch eignet sich das Squba-Steckverbindersystem von Molex für jede Umgebung, in der die Steckverbinder bewegt, geschoben oder durch Geräte beeinträchtigt werden können. Das Verbindungssystem ist durch Silikondichtungen gegen Staub und Feuchtigkeit abgedichtet.

Jeder Stift des Steckverbinders kann 125 Volt AC oder DC übertragen. Empfohlene Drahtstärken sind 22 bis 24 AWG. Bei Verwendung von Stiften, die auf eine 22 AWG-Litze gecrimpt sind, kann jeder Stift maximal 5,25 Ampere (A) bei 30 °C für eine maximale Strombelastbarkeit von 21 A verarbeiten. Die maximale Strombelastbarkeit variiert mit der Temperatur, daher müssen Entwickler die Dokumentation des Steckverbinders genau beachten, um sicherzustellen, dass der vorgesehene Stromdurchsatz des Steckverbinders für die jeweiligen Bedingungen geeignet ist.

Die Betriebstemperatur liegt bei -40 °C bis +105 °C. Zusammen mit der Schutzart IP67 eignen sich die Steckverbinder für Umgebungen wie HLK-Systeme, Getränkeschankanlagen und Industrieanlagen, die in kalten oder nassen Umgebungen betrieben werden müssen.

Mehrkreisige tauchbare Verbindungen

Manchmal ist ein Verbindungssystem nicht so trivial wie das Verbinden der gleichen Signale auf einem Kabel. Gelegentlich müssen mehrere Schaltungstypen in derselben Verkabelung zusammengelegt werden, darunter Anschlüsse für digitale Signale, Hochstrom-Steuersignale und die Stromversorgung. Diese Situationen erfordern ein hybrides Verbindungssystem, das mit verschiedenen Kontaktgrößen umgehen kann. Für diese Anwendungen können Entwickler das Kabelkonfektions-Verbindungssystem MX150 Hybrid von Molex verwenden. Das MX150-Hybrid-System ist nach den Anforderungen der USCAR-2 Dichtheitsklasse 2 validiert, was der Schutzart IP67 entspricht. USCAR-2 Klasse 2 erfordert das Bestehen eines Druck-Vakuum-Tests unter Wasser.

Im montierten Zustand ist der MX150 Hybrid von Molex ein vollständig abgedichtetes Steckverbindersystem, das für Situationen geeignet ist, in denen die gesteckten Steckverbinder entweder untergetaucht werden können oder in einer sehr feuchten Umgebung eingesetzt werden, in der Flüssigkeiten und Hochdruck-Sprühwasser vorkommen.

Der 12-polige Stecker 1601126001 der Familie MX150 Hybrid von Molex sowie die zugehörige 12-polige Buchse 1601116006 (Abbildung 3) können eine Mischung aus bis zu zehn 1,5mm-Klemmen und bis zu zwei 2,5mm-Klemmen enthalten. Die 1,5mm-Klemmen können zur Übertragung von Logiksignalen mit niedrigen Pegeln verwendet werden, während die beiden 2,8mm-Blattklemmen zur Übertragung von bis zu 22 A verwendet werden können. Dadurch eignet sich dieses Verbindungssystem für Automobil- und Industrieanwendungen, bei denen ein einziger Kabelbaum sowohl Strom als auch Daten zu einer einzelnen Maschine übertragen muss.

Abbildung 3: Der 12-polige Stecker 1601126001 (links) der Familie MX150 Hybrid von Molex und sein Gegenstück, die Buchse 1601116006 (rechts), können eine Mischung aus 1,5mm- und 2,80mm-Klemmen in einem untertauchbaren Verbindungssystem sicher handhaben. (Bildquelle: Molex)

Im vollständig montierten und gesteckten Zustand ist das IP67-Verbindungssystem MX150 Hybrid immun gegen Kontaminationen durch Schmutz oder Staub. Es kann über den Temperaturbereich von -40 °C bis +125 °C betrieben werden. Das Steckverbindergehäuse ist eine Kombination aus Nylon und Glas, die sehr langlebig und resistent gegen grobe Handhabung und leichte Stöße ist. Dadurch eignet sich dieses Steckverbindersystem für raue Industrieumgebungen und viele Verbrauchsgeräte sowie für Anwendungen im Automobilbereich, bei denen der Steckverbinder extremen Temperaturen, Spritzwasser unter hohem Druck und harten Stößen durch schwere Gegenstände ausgesetzt ist.

Der MX150-Hybrid-Stecker 1601126001 von Molex und die Buchse 1601116006 müssen als Teil eines Kabels oder Kabelbaums montiert werden. Bei dieser Baugruppe müssen die Klemmen in den Stecker und die Buchse eingesetzt werden. Allerdings ist es möglich, dass Techniker die Klemmen manchmal nicht vollständig in das Steckergehäuse einführen, was zu unzuverlässigen Verbindungen führt. Für diese Situationen enthält jeder dieser Steckverbinder ein Gehäuse für die Endlagensicherung (TPA).

Bei erfolgreichem Einsetzen des Stifts in das TPA-Gehäuse spürt der Monteur, dass der Stift fest in der Position einrastet. Wenn die Klemme nicht richtig eingesteckt ist, rasten Stecker und Buchse beim Zusammenstecken nicht ein. Dies garantiert, dass die Stifte richtig eingesetzt sind, was die Zuverlässigkeit des Systems erhöht.

Fazit

Entwickler von Systemen für Industrie-, Transport- oder Haushaltsgeräte müssen sicherstellen, dass ihre Verbindungen den harten Bedingungen der Anwendung standhalten, einschließlich engen Räumen, Staub und Schmutz, Temperaturextremen, Flüssigkeiten und Ölen sowie anderen eindringenden Stoffen. Um den Konstruktionsprozess zu vereinfachen, können Entwickler nach speziell entwickelten Steckverbindern suchen, die der Schutzart IP67 entsprechen und sowohl das Eindringen von Staub und Schmutz als auch das Eindringen von Feuchtigkeit und Flüssigkeiten verhindern.

Wie gezeigt, gibt es eine Vielzahl von IP67-zertifizierten Steckverbindern, die für eine breite Palette von Anwendungsanforderungen geeignet sind, von digitalen Signalen mit niedrigem Pegel bis hin zur Stromversorgung mit hohen Strömen. Die Auswahl der richtigen IP67-konformen Steckerbaugruppe gewährleistet die Zuverlässigkeit des Systems und minimiert das Risiko teurer Ausfallzeiten oder Reparaturen.