Индустриални конектори

04.07.2012   |   Начало»Статии

Редактор
Пепа Петрунова

Редактор
Пепа Петрунова

Сигурността на електрическите връзки между индустриалните устройства, техните товари и системи за управление е сред основните фактори за нормалното протичане на производствените процеси. Същото е в сила и за връзките между отделните блокове на устройствата. Неслучайно много производители споделят мисълта, че “твърде често тежестта на добрата връзка е по-голяма от теглото й в злато”. За осъществяване на връзките се използват индустриални конектори (Industrial Connector), на основните видове и конструкции на които е посветена настоящата статия.

Основни сведения
Класическото разбиране е, че индустриалните конектори трябва да могат да работят с достатъчно големи напрежения и да провеждат значителни токове, което определя един от използваните английски термини Heavy-Duty Industrial Connector с подходящ български превод мощни конектори. Твърде голяма част от съвременните индустриални устройства съдържат електронни блокове за управление, които обменят помежду си и/или с външни системи данни, реално представляващи малки напрежения и токове. За връзка помежду им се използват индустриалните конектори за данни (Industrial Data Connector), значителна част от които са предназначени за осъществяване на връзки в съответствие с даден интерфейс. Съществена особеност на индустриалните системи е и все по-масовото използване на сензори и изпълнителни механизми (маломощни електродвигатели, различни типове задвижвания, релета и др). Връзката им с устройствата се извършва чрез сравнително маломощни сигнали и се осъществява чрез категорията конектори за сензори и изпълнителни механизми (Sensor/Actuator Connector), които могат да бъдат наречени по-просто конектори на сигнали. Последните два вида нямат принципни различия от  използваните в областта на комуникациите и сензорната техника, а само някои конструктивни особености и няма да бъдат обект на самостоятелно разглеждане тук. Значително разпространение имат конектори, които могат да бъдат наречени комбинирани, тъй като едновременно изпълняват функциите на мощни, за данни и/или за сигнали. За действието им като мощни те притежават силови щифтове, а останалите са маломощни. Всички щифтове се включват и изключват едновременно.

Най-общо съществуват три конструктивни разновидности – конектори за монтаж към кабели, такива за монтаж върху лицев, заден или някой от страничните панели на устройството и за непосредствено свързване (без кабели) на две устройства или два възела в тях (най-често печатни платки). От друга гледна точка на конструкцията съществуват две групи – екранирани (Shielded Connector) и неекранирани (Unshielded Connector) конектори. Освен класическите прави конектори (Straight Connector), пример за какъвто е даден на фиг. 1а има и ъглови конектори (Angled Connector) – фиг.1б. Независимо, че са добре познати, трябва да се споменат разновидностите - женски (Female Connector) и мъжки (Male Connector) конектори. В зависимост от формата на контактите същo има две големи групи – цилиндрични конектори (Circular Connector), пример за каквито са тези на фиг. 1а, б и правоъгълни конектори (Rectangular Connector), като част от тях реално са квадратни. Пример за структурата на мъжки и женски цилиндричен конектор е даден на фиг. 1в, като ясно се виждат контактите с формата на плътни щифтове на първия и тези с отвори на втория. Сравнително по-рядко се използват конектори с пластини (Blade) вместо щифтове (фиг. 1г). Производителите предлагат и конектори, монтирани на жични и оптични кабели (обикновено има разновидности с различна дължина на кабела, типично между 1 m и 10 m).

Не са редки практическите случаи, когато един параметър на подходящ във всяко друго отношение конектор не отговаря на изискванията. Има производители, които предлагат възможността за осигуряване чрез заявка на желана стойност на даден параметър, при това в сравнително кратък срок.

В зависимост от използваните материали за направата на конекторите те се разделят на две групи. Първата и по-евтина ползва негорящи пластмаси (поликарбонати, полиамиди) за корпуса и като изолатор между проводящите части. Към класическите й приложения за конектори, монтирани върху печатни платки и в битови апаратури, се прибавят все повече индустриални конектори. Втората група ползва метален корпус (поцинкована стомана, цинкови и алуминиеви сплави), а изолацията е от естествен или изкуствен каучук, стъкло или висококачествена пластмаса. Твърде често производителите предлагат две разновидности на конектор с определени размери и структура на тоководещите части – едната е с пластмасов корпус, а другата е с метален. Материалите за изработка на токопроводящите части са в зависимост от типа на конектора и приложенията му, като се използва мед, никел, медни и никелови (алумел и хромел) сплави и стомана.

Една специфична и все още рядко използвана възможност е подобряване на охлаждането на устройствата чрез металните корпуси на конекторите. Това е възможно само в случаите, когато корпусът има добра топлинна връзка с нагретия блок (най-често захранването). Логично е, че в случая при изчисляването на топлинните съпротивления трябва да се взимат предвид материалът и размерите на конектора.

Водоустойчивите конектори са най-общо две разновидности. Едната издържа на пръскане с вода (Spray-waterproof Connector) и обикновено е в съответствие с IP65. Втората позволява потопяване на конектора във вода (Waterproof Connector) до определено нейно налягане и за не повече от определено време, например 1 bar и 12 часа.

Основни параметри
Във всички каталози задължително присъстват електрическите параметри (Electrical Data). Максималният ток (Rated Current, Current) Imax намалява с увеличаване на температурата на тоководещите части, но тази важна зависимост не винаги се дава в каталозите. Един пример за два различни конектора е показан на фиг. 2, като по абсцисата е околната температура, а по ординатата – токът. Обикновено Imax се дава при околна температура 20 °С - например за конектор №1 от фигурата той е 87 А, докато при нарастването й на 70 °С стойността му намалява на 63 А. При липса на такива графики те могат да се снемат в съответствие със стандарта EN 60512-5. Твърде често производителите дават друга зависимост – на температурата на тоководещите части на конектора от стойността на протичащия през тях ток. Тази температура се задава по два начина – със своята абсолютна стойност или с превишаването й над околната температура, като в стандарта EIA-364-70 се препоръчва то да не е по-голямо от 30 °С. Независимо от тази препоръка твърде често се допуска по-голяма разлика.

Например конкретен конектор при ток 35 А определя температура 80 °С, докато при 50 А тя вече нараства на 150 °С. Нерядко производителите дават графика на превишаването на температурата (по ординатата на фиг. 3) на токопроводящите части от тока (по абсцисата). По принцип стойностите на Imax на мощните конектори са в границите между 10 А и малко над 2 kA, а тези на конекторите за данни и сигнали типично са до 1 А и рядко - до 4 А.

Стойността на Imax в конекторите с пластини обикновено се дава поотделно за всяка пластина. Интересна особеност е, че някои производители на правоъгълни конектори свързват стойността на Imax с дължината им в параметър максимален ток на линеен сантиметър или линеен инч (Ampеrеs per linear centimeter/inch). В някои каталози се дава и максималният ток при късо съединение във веригата на конектора (Short-Circuit Current) при определена негова продължителност. Най-често тя е 1 s, при което токът е 10-30 пъти по-голям от Imax или 3 s (ток с няколко десетки процента по-малък от предния).

Важно е да се има предвид, че при свързване на кабел към конектор трябва Imax на конектора да не надхвърля този на кабела. Освен това според стандарта ЕN 61 984 съединяването и разединяването на конектори не трябва да се прави под напрежение (при свързани външни вериги).

Друг параметър е работното постоянно или променливо напрежение (Working Voltage, Rated Voltage Conductor - Conductor), което може да бъде прилагано неограничено дълго време между съседни щифтове или пластини. Типичните му стойности за мощни конектори са между 230 V и 5000 V. За проверка на изолацията се използва максималното напрежение (Dielectric Withstanding Voltage, Admissible Operating Voltage), което може да бъде издържано обикновено за 1 минута и за мощните конектори типично е от 50 V до 4,2 kV постоянно и 15 kV променливо, а при тези за данни и сигнали е до около 100 V. Някои производители предпочитат вместо него да използват класическия тестов импулс 1,2/50 ms, чиято максимална амплитуда представлява максималното импулсно напрежение (Impulse Withstand Voltage).

Понякога като параметър се дава и изолационното съпротивление (Insulation Resistance) между две съседни тоководещи части с типични стойности между няколко стотици МW и няколко десетки GW. Параметърът контактно съпротивление (Contact Resistance per Contact) е между двойка тоководещи части при свързването на мъжки и женски конектор. Типичните му стойности за мощните конектори са от 6-7 mW до няколко десети от mW, като по-малките са на конектори за големи Imax. При конекторите за данни и сигнали типичните съпротивления са между няколко mW и няколко десетки mW. В някои каталози се дава графичната зависимост на напрежението върху съединените тоководещи части от тока през тях (V-drop). Максимално допустимото напрежение е определено от споменатия стандарт EIA-364-70 – фиг. 4, по чиято абсциса е токът, а по ординатата е напрежението.

Максималната работна температура на мощните конектори типично е с долна граница -40 °С или -55 °С и горна граница +125 °С, но има модели, които могат да работят до +320 °С, докато тези за данни и сигнали са с по-тесен обхват, например от -30 °С до +80 °С.

Освен геометричните размери конекторите притежават и множество други механични параметри. Сред тях са броят на изводите (от 1 до над 200) и допустимият брой на осъществяваните съединения (Mating Cycle, Durability). Последният е в много широки граници в зависимост от предназначението на конекторите. За тези, които реално осъществяват връзката само при производството на апаратурата и по време на експлоатацията й не се разединяват броят на съединенията е между 5 и 500, докато при предназначените за постоянно включване и изключване той може да достигне до 106. Важен механичен параметър е необходимата сила за съединяване (Mating Force) на два конектора, която е правопропорционална на големината на щифтовете и пластините и съответно на Imax. За мощни конектори тя е между няколко стотици грама и 3 килограма, а за конектори за данни и сигнали – около 100 грама. Силата на разединяване (Un-mating Force, Separating Force) е 2 до 5 пъти по-малка. Понякога като параметър присъства и максималната сила, при която конекторите остават съединени без да променят положението на тоководещите си части (Contact Retention), която е най-малко 5 пъти по-малка от тази на разединяване. За конекторите, които се закрепват и чрез винтова връзка, като параметър се дава необходимият момент на затягане (Tightening Torque).

Често в каталозите се дава видът на покритието на щифтовете и пластините и неговата дебелина, например 3 mm никел, върху който е нанесено злато 2 mm или сребро 3 mm. По подобен начин се дава и покритието на наличните изводи за запояване, например калай с дебелина не по-малка от 5 mm. В процеса на експлоатация покритието на щифтовете и пластините изтънява и контактното съпротивление нараства. Затова в някои каталози като допълнителен параметър се дава стойността му след извършване на допустимия брой съединения (End Life), която е 2-3 пъти по-голяма от тази на нов контактор.

На конекторите, предвидени за свързване към кабели, се дава възможният вид (едно- или многожилен) на проводника и неговото сечение, като има конектори за сечение до 240 mm2.

Мощни конектори
В зависимост от вида, в който се предлагат, има два основни вида. Първият са изцяло сглобени и готови за употреба, докато при втория вид отделно се закупуват корпусите и контактите с форма на щифтове. Това определя недостатъка от необходимостта от сглобяване на конекторите и предимството, че в корпусите могат да се поставят само желан брой щифтове (например в 6-полюсен корпус се поставят 5 щифта).

Закрепване на проводниците към конектора. Съществуват няколко разновидности в зависимост от начина на установяване на добър електрически контакт между проводниците и щифтовете. Класическата е чрез затягане с винтче (Screw Connection) чрез отвертка, като в каталога на конектора се указва необходимото усилие (обикновено между 0,5 N и 1,2 N, като по-големите стойности са за по-дебели проводници). Самото закрепване се извършва сравнително бавно, но е устойчиво на вибрации и в щифта могат да се поставят повече от един проводника. Най-често това закрепване се използва за проводници със сечение между 1,5 mm2 и 16 mm2, но е подходящо за проводници до 240 mm2. Силата на изтръгване на закрепения проводник е между 40 N и 100 N.

Втората разновидност е закрепване чрез пристягане със скоба (Clamp Connection) с аналогични свойства на предното и сравнително малко приложения. За ускоряване на монтажа се използва вариантът Spring Clamp, при който поставянето на проводника в щифта огъва пластинка (или две пластинки), която ги притиска един към друг. Изваждането на проводника се прави чрез пъхане на отвертка в специален отвор.

При следващата разновидност (Crimp Connection) проводникът се поставя в щифта и със специални клещи последният леко се смачква (кримпва) за осигуряване на електрически контакт. Клещите често се предлагат от производителите на конектори и се намират в техните каталози. Качеството на електрическия контакт е както при запояване, но без използване на вредни вещества. Правилното осъществяване на това свързване гарантира липсата на корозия на установения електрически контакт по време на експлоатацията, но изисква правилен избор на диаметъра на проводника и на клещите, както и подходяща сила на притискане. Най-добре е да се използват клещи със специален профил, предназначени специално за индустриални конектори, с което се осигурява и по-голяма механична здравина. Силата зависи от сечението на проводника и се дава в каталозите на конекторите. Например за сечение 2,5 mm2 се препоръчва сила 230 N.

Сравнително рядко електрическият контакт се осъществява чрез репинговане – изпълнение на 6-7 стегнати навивки на проводника около щифта (Wrap Connection). Тук неудобство създава необходимостта от специални инструменти.

Сравнително нова е комбинацията на закрепване с винтче и смачкване (Axial Screw Terminal). Винтчето с конусовиден връх забива в проводника, който при това се разширява и плътно прилепва до тоководещите части, свързани с щифта. Същевременно на последния чрез смачкване може да се прикрепи втори проводник. Предимствата на това свързване са възможността за по-плътен монтаж и необходимостта само от отвертка.

Квадратни конектори. Те са със сравнително малки размери, като твърде често даден модел се предлага в пластмасов и метален корпус, без това да променя електрическите му параметри. Броят на изводите на тези конектори е между 2 и 20, стойността на Imax варира между 10 А и 100 А, а работното напрежение е с минимална стойност 50 V променливо и 120 V постоянно и максимална стойност, достигаща съответно 2900 V и 5000 V. Важно е да се има предвид, че в значителна част от конекторите един от полюсите е свързан като маса, означаван със символа на фиг. 5а. Например 8-полюсен конектор от този тип в каталога се означава като 7 +  . Пример за последния е даден на фиг. 5б, като на женския вдясно се вижда водещият щифт, предпазващ от грешно свързване. На фиг. 5в е даденото в каталога разположение на изводите. Съществуват конектори с означение Quick Lock, които имат специални закопчалки за автоматично закрепване.

За предпазване на конекторите от външни въздействия производителите предлагат в каталозите различни видове капаци (Hood) и кутии (Housing), като към последните често се дават и различни уплътнителни рамки. Съществуват и китове, които включват всички тези елементи.

Последната разновидност са модулите, за които се предлагат различни видове кутии, във всяка от които може да се монтира желан набор от квадратни и/или правоъгълни конектори. Пример е даден на фиг. 6, като трябва да се подчертае наличието на голямо разнообразие на конектори и кутии, предлагани в каталозите за модули, както и че в тях могат да се поставят и високоволтови конектори. Веднага трябва да се отбележи, че поради конструктивни ограничения не се правят конектори с повече от 108 извода, поради което тези с повече изводи реално представляват два еднакви и механично свързани конектора.

На фиг. 7 е показан външният вид на конектор с 216 извода, състоящ се от два с по 108 извода. По принцип щифтовете се разполагат в 2 до 6 реда, като и тук щифтът за заземяване е задължителен и обикновено е с формата на пластинка, отдалечена от останалите щифтове.

Правоъгълни конектори. Формата на тези конектори създава принципната възможност да имат повече изводи, чиито брой достига 216.

По-големият брой щифтове е важна предпоставка за разширяване на приложенията, които са значително по-многобройни от тези на квадратните конектори. Това е и причината за по-голямото разнообразие на кутии, включително такива за работа в тежки експлоатационни условия, например в металообработващата и хранително-вкусовата промишленост. Като пример на фиг. 8 е показана стоманена кутия с антикорозионно покритие и двойна закопчалка с уплътнение между двете части, предвидена за работа в агресивна среда. В нея са двата свързани конектора, които чрез кабел се съединяват с други устройства.

Максималният ток на правоъгълните конектори типично е 10 А и 16 А (на всеки щифт), като изключение правят тези с 3-6 щифта, при които той достига 40 А. И при последните се използва описаният подход за реализация чрез механично свързване на два еднакви конектора – например такъв с 12 извода и максимален ток 35 А се реализира чрез два конектора с по 6 извода. Работното напрежение е между 250 V и 830 V, а импулсното – 6 kV или 8 kV. По-малките стойности на тока и работното напрежение се дължат на по-големия брой изводи, разстоянието между които е по-малко (830 V се осигуряват само от конектори с до десетина извода). Също по-малък е и максималният диаметър на свързваните към конекторите проводници – той обикновено не надхвърля 4 mm2, докато долната му граница започва от около 0,14 mm2 (при по-малко сечение не може да се осигури достатъчно здраво стягане). Поради неголемите токове в тези конектори не е необходимо да се осигурява много малко контактно съпротивление – обикновено се гарантира, че то няма да надхвърля 1 mW (при токове 40 А горната граница е 0,3 mW), но има, макар и рядко, модели с допустима стойност 3 mW.

Специфичен вид са конекторите с голяма плътност (High Density Connector), които по своите параметри заемат междинно място между мощните и сигналните. Типичен пример е конектор с 25 извода - стойността на Imax е 5 А, работното напрежение е 50 V и допустимото импулсно напрежение е 800 V.

За реализацията на правоъгълни конектори за по-големи токове и по-високи напрежения отново се използват модули с до 10 щифта, стойности на Imax до 650 А, работно напрежение до 4000 V и импулсно напрежение до 18 kV. На фиг. 9 е показан външният вид на подобен модул, към който могат да се свързват проводници със сечение между 70 mm2 и 185 mm2, а осигуряваното контактно съпротивление от посребрените медни щифтове не надхвърля 0,2 mW.

Съществуват и китове с правоъгълни конектори за максимални токове 10 А и 16 А, работни напрежения между 250 V и 500 V и импулсни напрежения 4 kV. Типичен подобен кит с 16 извода е предназначен за проводници със сечение между 1 mm2 и 2,5 mm2 и Imax=16 А (за всеки извод).

Кръгли конектори. Първата и по-голяма група са конекторите с неизолиран метален корпус и брой на изводите между 2 и 37 (фиг. 10а). Стойността на Imax при тях е в границите 5-75 А на един извод, но това не означава, че през всички изводи едновременно може да протича този ток. Ограничението е, че не трябва да се надхвърля максималната температура на конектора (типичните й граници са от -55 °С до +125 °С). Работните напрежения обикновено са между 50 V и 250 V, а контактното съпротивление е от порядъка на 5 mW.

По отношение на конструкцията има два основни типа, първият от които е за монтиране върху кабели (Cable Connecting), като закрепването на мъжките с женските може да се прави главно по два начина – байонетна връзка, пример за която е даден на фиг. 10б и чрез завинтване, показан на фиг. 10в. Освен добре познатото класическо поставяне на конектора върху кабела се използва и закрепване със скоба (фиг. 10г), което осигурява по-голяма механична здравина и съответно по-сигурна работа по време на експлоатацията. Всяка конструкция на конектор има множество разновидности с различен брой щифтове, като към всяка с определен брой има десетина варианта с различни геометрични размери.

Съществуват и Г-образни конектори (90° Plug), за които е в сила всичко казано за разновидностите на предните конектори. Пример за такъв конектор е даден на фиг. 10д.

Вторият тип са конекторите за закрепване върху стените на устройства или върху измервателни и контролни табла (Wall Mounting). Закрепванията на мъжките и женските конектори помежду им и с кабела са както при предните, а разликата са плочките с отвори за фиксиране на конектора. Един пример е даден на фиг. 11.

Изолираните кръгли конектори обикновено са с един щифт (вторият проводник е металният им корпус) и се използват главно за големи токове (до 800 А), имат по-високи работни напрежения (до 1000 V) и импулсни напрежения до 8 kV, като обикновено позволяват свързването на проводници със сечение 100-400 mm2. На фиг. 12 е даден пример за двойка такива конектори.

Комбинирани конектори
В рамките на техния корпус има силови щифтове и такива за сигнали, което очевидно улеснява свързването (вместо два конектора се ползва един). Тъй като по принцип сигналните вериги са за по-слаби токове, техните щифтове са с малък диаметър. Например серия от модели на такива конектори от даден производител може да има между 4 и 10 силови силови щифта и между 12 и 40 сигнални щифта. И двата вида са с работно напрежение 250 V, но Imax на първите е 30 А, а на вторите – 1 А. Логична е разликата в контактните им съпротивления – 0,5 mW за силовите и 6 mW за сигналните. Като пример на фиг. 13 са показани конектори за електродвигатели, чиито три силови контакта са с Imax=40 А, а четирите сигнални – с 10 А.

Ключови думи: електроапаратура   Инженеринг ревю   статии   конектори   мощни конектори   кабели  

Област: Електроапаратура