Com'è fatto un connettore per impiego gravoso e come viene usato per la connettività industriale

Di Jody Muelaner

Contributo di Editori nordamericani di Digi-Key

Una vasta gamma di connettori è utilizzata nelle applicazioni industriali per portare la potenza elettrica, i segnali dei sensori e i dati di controllo sui cavi attraverso le loro giunzioni con i componenti di automazione. Un connettore per impiego gravoso (a volte abbreviato HDC nei nomi dei prodotti di connessione) dipende dall'applicazione... quindi è in qualche modo un termine relativo. Detto questo, c'è una netta differenza tra i connettori industriali rinforzati e i connettori RJ e IEC per impiego leggero che si trovano in applicazioni di automazione interne pulite con Ethernet di base e potenza leggera.

I connettori per impiego gravoso possono essere caratterizzati da una maggiore robustezza generale, così come da una maggiore protezione dalle infiltrazioni, una ridotta infiammabilità, un'ampia temperatura di funzionamento, interblocchi, schermatura a terra o semplicemente una connessione più affidabile con bloccaggio intrinseco.

Pressacavi per uso intensivo e connettori

I pressacavi (a volte chiamati serrafili) sono per lo più componenti meccanici che circondano i cavi quando questi passano attraverso i pannelli di controllo industriali, così come altri involucri, connettori e controller in lamiera e plastica dura. I pressacavi assolvono tre scopi, ossia:

  • Fissano il cavo
  • Prevengono lo sfregamento dei cavi e altre usure
  • Forniscono una tenuta intorno alla sezione del cavo per proteggere dall'ingresso di umidità e dal sifonamento nell'involucro

Il modo in cui i pressacavi ancorano i cavi previene i danni ai contatti elettrici dovuti a strattoni o altro. I pressacavi impediscono anche che le guaine sfreghino contro i bordi taglienti dei fori attraverso l'involucro, poiché i corpi dei pressacavi vengono a contatto con questi bordi. Senza pressacavi, i cavi soggetti anche al minimo movimento potrebbero essere tagliarsi per via dei bordi affilati dei fori dell'involucro fino a usurare completamente l'isolante esterno... e le anime dei cavi vanno in cortocircuito.

In contrasto con questi pressacavi (che circondano i cavi), vi sono i connettori che terminano i cavi - e generalmente permettono uno scollegamento e il ricollegamento più pratico, nonché l'unione di più componenti e sezioni di cavo. In genere, le varianti per impiego gravoso di questi connettori includono una o più caratteristiche di resistenza.

I connettori per cavi per impiego gravoso possono essere dotati di una protezione di ingresso sotto forma di un pressacavo universale, di un serracavo o di un dispositivo di tenuta e antitorsione. A prescindere dalla forma meccanica, questi fissano il cavo e impediscono che si distacchi dai terminali. La protezione di ingresso del cavo può anche prevenire l'usura del cavo, come fanno i pressacavi indipendenti. Si noti che gli inserti lamellari (premitreccia) sono comuni sui connettori moderatamente rinforzati, anche se questi inserti richiedono un serraggio regolare per garantire la protezione dalle infiltrazioni. I premitreccia con una guarnizione continua che si blocca intorno al cavo sono spesso una scelta più affidabile per le applicazioni d'uso intensivo.

Il cappellotto di alcuni connettori per cavi per impiego gravoso racchiude i conduttori elettrici della spina e fornisce l'isolamento e la protezione dalle infiltrazioni - così come un manicotto o una leva di bloccaggio per tenere insieme le metà del connettore.

Su molti connettori per cavi per impiego gravoso, l'inserto maschio include perni maschi e viti o terminali a crimpare dove le anime dei fili conduttori entrano in contatto con i pin. In tali connettori, l'inserto femmina include prese complementari e prese o terminali a crimpare dove le anime dei fili conduttori entrano in contatto con le prese.

Gli alloggiamenti rinforzati dei connettori per cavi per impiego gravoso sono forse la loro caratteristica più evidente - spesso includono isolante e protezione dalle infiltrazioni. Gli accessori possono includere coperture protettive aggiuntive e guide per i codici dei pin.

Figura 1: I connettori serie Han® includono diverse caratteristiche complementari per resistere a condizioni ambientali abbastanza brutali. (Immagine per gentile concessione di Harting)

Codici IP per la protezione dalle infiltrazioni nei connettori per impiego gravoso

È anche abbastanza standard per i connettori per impiego gravoso fornire una protezione contro l'ingresso di fluidi e particelle solide. La protezione dalle infiltrazioni dei connettori è classificata mediante gli stessi codici IP utilizzati per gli involucri. La prima cifra del codice indica il grado di protezione da particelle solide da 0 (nessuna protezione) a 6 (a tenuta di polvere). La seconda cifra indica la protezione contro i fluidi, con valori che vanno da 0 (nessuna protezione) a 8 (protezione continua contro l'acqua a 1 m di profondità) o anche 9K (protezione contro i getti ad alta pressione). Ad esempio, un connettore di grado IP67 resiste alla penetrazione della polvere e all'immersione temporanea in acqua.

Varianti di connettori proprietari - perché così comuni?

A causa della forte dipendenza dei connettori per impiego gravoso dalle caratteristiche di chiusura meccanica e di guarnizione, molte opzioni sul mercato oggi sono prodotti proprietari o varianti di connettori specifici per l'applicazione. Ad esempio, interi settori si sono standardizzati sui connettori rettangolari per impiego gravoso serie Han di Harting per le connessioni di potenza e controllo. Al punto che questo marchio di connettori è talvolta considerato sinonimo di connettore per impiego gravoso.

Figura 2: I connettori serie Han (con quattro e 26 pin) sono un po' uno standard del settore - soddisfano vari requisiti di connettività dati e potenza da 50 a 5.000 V e da 3 a 200 A. Le disposizioni di bloccaggio includono Han-Easy Lock a leva singola per una facile operazione con una sola mano e Han-Easy Lock a doppia leva per il bloccaggio più affidabile, una maggiore tenuta alla pressione e l'uso con collegamenti cavo-cavo. Un'altra opzione rinforzata è il bloccaggio a vite per la massima tenuta di pressione e un rischio ridotto di uso non autorizzato. (Immagine per gentile concessione di Harting)

I connettori serie Han hanno i pin disposti all'interno di un cappellotto rettangolare che si accoppiano con prese corrispondenti all'interno di un alloggiamento rettangolare. I connettori sono generalmente dotati di leve di bloccaggio che permettono agli installatori di chiudere facilmente e in modo sicuro il connettore - assicurando che non possa essere staccato... anche quando vengono applicati notevoli carichi di tensione.

I cappellotti (gusci di copertura dei connettori imbullonati) sono più comuni sulle terminazioni dei cavi di alimentazione; sono disponibili in configurazioni con ingresso dall'alto e laterale. Gli alloggiamenti possono essere montati a vite, a superficie o a paratia per fornire una connessione sulla strumentazione o sui macchinari. In alternativa, gli alloggiamenti possono anche terminare i cavi per le connessioni cavo-cavo. Cappellotti e alloggiamenti sono tipicamente prodotti in una lega pressofusa, ma sono comuni anche alloggiamenti in acciaio inossidabile e plastica. Alcuni produttori offrono connettori configurabili che possono essere raggruppati all'interno di un unico cappellotto o alloggiamento. Ciò può permettere una maggiore densità dei pin in tutti i moduli distinti. Tali connettori sono disponibili sotto i marchi GWconnect HDC di Molex e HDC di TE Connectivity.

I connettori dei cavi rinforzati per dati e i cavi per i segnali di sensori sono leggermente diversi. Qui, i connettori serie M fanno la parte del leone. Sono connettori robusti utili in varie situazioni di connessione dati (comprese quelle basate su Ethernet), così come per la trasmissione di energia elettrica. I connettori rinforzati serie M sono più comuni nelle applicazioni di rete industriali PROFINET, fieldbus e Industrial Ethernet per collegare sensori, interruttori e PLC.

Come illustrato nei precedenti articoli di Digi-Key, i connettori serie M consistono in connettori rotondi maschio e femmina con manicotti a filettatura metrica standard che racchiudono e proteggono i pin e le prese interne. Le dimensioni standard includono connettori da 5 mm M5, 8 mm M8, 12 mm M12, 16 mm M16 e 23 mm M23. Il manicotto filettato fornisce una connessione molto robusta e affidabile che non è facile da distaccare e che assicura una connessione elettrica molto affidabile, minimizzando i segnali intermittenti. Il manicotto dà anche ai connettori serie M un alto livello di protezione dalle infiltrazioni che, in molti casi, può anche consentire l'uso in ambienti bagnati e corrosivi. Le dimensioni più comuni sono i connettori M8 e M12, con due, tre, quattro, cinque, otto o 12 pin. Tipicamente, i connettori serie M a tre o quattro pin servono sensori e alimentatori; i connettori serie M a quattro o otto pin servono dispositivi Ethernet e PROFINET e i connettori serie M a quattro o cinque pin servono dispositivi di automazione Fieldbus, bus CAN e DeviceNet.

Figura 3: I connettori serie M sono realizzati in alluminio ad alta resistenza e sono dotati di una vite a cricchetto per un accoppiamento rapido e sicuro con una sola mano. (Immagine per gentile concessione di LEMO)

Le connessioni dati utilizzate nelle applicazioni industriali includono Ethernet, ModbusTCP/IP, EtherCAT, Ethernet/IP e Profinet ... così come vari formati proprietari. I connettori RJ sono lo standard per tutte le implementazioni di Ethernet - ma non forniscono protezione dalle infiltrazioni e non sono particolarmente robusti. Anche se una linguetta di plastica sul lato maschio scatta nella presa (per trattenere le metà del connettore) è un connettore piuttosto delicato... e non impedisce alle spine di distaccarsi dalle rispettive prese con uno strattone anche moderato. Ecco perché i connettori serie M sono un'opzione superiore se un'installazione automatizzata è soggetta a movimenti e abusi accidentali.

C'è qualcos'altro, però. Mentre i connettori standard serie M sono un'opzione adatta ai connettori industriali, una connessione affidabile (e un livello di protezione nominale) dipende dal corretto serraggio del filetto del connettore da parte del tecnico. Alcuni fornitori di connettori hanno cercato di affrontare anche questa potenziale pecca vendendo connettori a pressione che si bloccano automaticamente. Forse il più affermato di questi è la serie di connettori Molex Brad, un sostituto diretto dei connettori standard M12. Questi omettono il manicotto filettato per un affidabile meccanismo a pressione... così la semplice pressione delle metà del connettore insieme assicura un perfetto bloccaggio e una connessione affidabile senza rischio di segnali intermittenti o disconnessione. Questi connettori sono disponibili in varie configurazioni e includono connettori a pressione e a trazione con grado di protezione IP65.

Figura 4: I connettori Ultra-Lock sono un'opzione a pressione con anello toroidale per fornire connessioni infallibili e protezione IP69K. (Immagine per gentile concessione di MOLEX)

Quando sono usati per applicazioni Ethernet, i connettori serie M e Molex Brad possono anche trasportare la potenza sugli standard Power over Ethernet (PoE) in tre configurazioni - Alternative A, Alternative B e 4PPoE - per supportare vari livelli di larghezza di banda e capacità di potenza.

Connettori di alimentazione IEC per requisiti di alta potenza

La Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) definisce vari standard per i connettori di alimentazione usati nelle applicazioni domiciliari, commerciali e industriali. Ad esempio, IEC 60320 copre i connettori non bloccanti con tensioni e correnti fino a 250 V e 16 A rispettivamente. Questi includono accoppiatori C13/C14 grandi ma non rinforzati, così come accoppiatori C19/C20 più grandi, comuni su apparecchiature elettroniche per applicazioni industriali - compresi gli alimentatori per computer e gli involucri dei server. Questi accoppiatori non sono normalmente considerati connettori per impiego gravoso.

Invece, i connettori di bloccaggio IEC 60309 sono rinforzati - e destinati all'uso su cavi industriali che trasmettono tensioni e correnti fino a 1.000 V e 800 A rispettivamente. Tutti i connettori di bloccaggio IEC 60309 forniscono un certo grado di protezione dalle infiltrazioni con configurazioni standard che dimostrano una protezione IP44 resistente agli spruzzi, IP67 impermeabile o IP66/67 impermeabile e a prova di getto.

Lo standard permette anche prese interbloccate: i connettori con questa caratteristica non permettono la messa in tensione se non sono accoppiati con una spina... e la spina non può essere rimossa fino a quando l'alimentazione non è spenta. La seguente codifica a colori indica l'intervallo di tensione e il campo di frequenza per il connettore.

  • Il giallo indica che il connettore di alimentazione IEC 60309 è adatto a trasportare da 100 a 130 V a 50 o 60 Hz.
  • Il blu indica che il connettore di alimentazione IEC 60309 è adatto a trasportare da 200 a 250 V a 50 o 60 Hz.
  • Il rosso indica che il connettore di alimentazione IEC 60309 è adatto a trasportare da 380 a 480 V a 50 o 60 Hz... spesso in una configurazione trifase.

Figura 5: Questo connettore per impiego gravoso con codifica a colori rosso soddisfa lo standard IEC 60309 per l'alimentazione da 380 a 480 V (Immagine per gentile concessione di Wikimedia Commons)

Conclusione

I connettori per impiego gravoso devono soddisfare diversi requisiti. Il connettore dovrà resistere allo schiacciamento dovuto a carichi d'urto oppure allo scollegamento? È necessaria una protezione dalle infiltrazioni di polvere o acqua? A quali temperature dovrà resistere il connettore? Il connettore per impiego gravoso sarà installato in ambienti in cui l'infiammabilità è un problema?

Si devono anche considerare la densità dei pin, la tensione e la corrente da trasportare - insieme alla direzione di entrata del cavo e al livello di protezione. Sulle macchine automatizzate che sottopongono i cavi e i loro connettori al movimento, si devono prevedere premitreccia e serracavi adeguati... e preferibilmente anche dei dispositivi antitorsione.

Per i carichi elettrici relativamente leggeri ma che operano in ambienti difficili, i connettori serie M e i loro derivati sono spesso scelte adatte. Per carichi elettrici più elevati, i connettori rettangolari possono essere una soluzione migliore... soprattutto perché possono essere configurati per soddisfare qualsiasi requisito complesso con varie direzioni di ingresso dei cavi, opzioni di montaggio e costruzioni generalmente modulari. In tutti gli altri casi, per semplici connessioni di potenza a un'alimentazione monofase o trifase, i connettori industriali bloccanti IEC 60309 sono la scelta migliore (se non l'unica).

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Informazioni su questo autore

Jody Muelaner

Dr. Jody Muelaner è un ingegnere che ha progettato segherie e dispositivi medici; ha affrontato l'incertezza nei sistemi di produzione aerospaziale e ha creato strumenti laser innovativi. Ha pubblicato in numerose riviste peer-reviewed e sintesi governative ... e ha scritto rapporti tecnici per Rolls-Royce, SAE International e Airbus. Attualmente è a capo di un progetto per sviluppare una bicicletta elettrica, i cui dettagli si trovano su betterbicycles.org. Muelaner si occupa anche degli sviluppi relativi alle tecnologie di decarbonizzazione.

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