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為工業、運輸和采礦等嚴苛環境應用選擇合適的連接器

時間 : 2019-07-02

在所有系統中,最薄弱的環節是什么?

如果您正在針對一些惡劣環境進行設計,那么最薄弱的環節很可能是低調的連接器。這適用于任何需要堅固組件的應用,無論是工業、采礦、運輸還是其他任何領域。在安全關鍵的系統中,任何故障都可能非常嚴重,并且可能是致命的。

無論連接器用來處理模擬信號、數字信號還是提供電源,都是所有設計的重要組成部分。在許多系統中,連接器必須連接多個傳感器和執行器,以及多個子系統。

在本文中,我們將介紹可能導致連接器故障的環境因素,可以耐受惡劣條件的不同類型連接器(包括相關的IP等級),以及如何為您的應用選擇合適的連接器,而不會因為規格過度浪費空間和成本。

防塵防潮

連接器故障的最可能原因之一是水分或污染物的進入,例如灰塵或污垢。水可以因為天氣原因進入連接器,或者在用軟管或其他流動水源進行清潔時進入。清潔還可能引入化學物質或表面活性劑,這些會腐蝕電導體,因此至少會降低它們傳輸電流的能力,并可能導致故障。

潮濕環境中的冷凝也會導致水分,特別是當設備從寒冷的環境移動到溫暖的環境時更容易出現這種情況。不可避免地,水和電不能很好地在一起相處,結果可能是破壞性的短路。

進入連接器的污垢或灰塵會隨著時間的推移而形成絕緣層,這可能導致連接器的連接質量變差。灰塵或污垢也會導致過熱。

入侵保護(IP)由IEC的IP標準IEC 605029界定,該標準已被廣泛使用,它是使用兩位數字來表示設備對固體物體(第一位數字)和液體(第二位數字)的防護,如表1所示。

例如,IP67意味著設備完全防塵并且能夠防護暫時浸入水中。這種保護是通過加強型(heavy-duty)密封件和墊圈實現,通常由硅樹脂制成。多重密封可以提供密封冗余,因此即使一個密封失效也能保持侵入防護。


表1:IEC IP等級

除了IEC IP等級外,另一種常用的侵入保護系統是美國國家電氣制造商協會(NEMA)等級。IEC IP和NEMA等級通常在連接器和機箱的產品數據中提供。

其他環境危害

除了灰塵和濕氣外,極端溫度也會對連接器造成損害,例如許多工業過程中遇到的高溫,或者采礦中的地下高環境溫度會致使連接器處在極端情況。在許多應用中可能發生的溫度從低到高頻繁循環也會引起問題。

在低于零度的溫度下,還存在需要處理結冰的問題。當水凍結時,體積會膨脹,這會導致很大的膨脹力,可能會損壞連接器和電纜。冰的額外重量也會對連接器造成應力。

在確定連接器時,需要查清其擴展的溫度范圍。例如,對于光纜,Molex的LC2 金屬光學連接器使用了可耐受達150℃高溫的金屬體。


圖1:Molex LC2連接器。 (來源:Molex)

連接器也可能受到物理損壞,或許是受到沖擊,也可能是來自振動的影響,這會導致機械故障或電氣連接損壞。全金屬機身可以提高承受沖擊的強度,而熱塑性外殼可以抵抗腐蝕,同時具有阻燃和耐化學腐蝕等特性。

金屬結構還可以確保連接器提供足夠的保護,以防止靜電放電(ESD)和電磁干擾(EMI)。要考慮的另一個機械設計是應力消除,以便施加到電纜或連接器外部的任何力都不能傳遞到電氣連接。許多連接器都把應變消除作為一項標準。

具備合適堅固性的連接器可提供免受振動影響的能力,這些由諸如MIL-STD-202等標準定義。例如,TE Connectivity的CeeLok FAS-T 千兆以太網連接器可以耐受高度振動,并達到IP67等級,工作溫度范圍為-65℃~+175℃。

圖2:TE Connectivity 的CeeLok FAS-T連接器。 (來源:TE Connectivity)

選擇正確的連接器

在選擇連接器時,不言而喻,第一步是了解目標應用和可能的環境條件。從最壞的情況考慮,因此就可確信連接器可以承受任何可能的影響。

一旦有了具體目標,就應該在連接器的數據手冊上檢查如IP67等所有必要的認證,數據手冊一般也會說明工作溫度范圍。還要考慮所需的其他標準,例如在南非,南非標準局(SABS)已制定了多個與連接器相關的標準。

推薦選擇那些具有能夠承受振動的安全鎖定機構,并提供接合確認的連接器,接合確認或者是可聽見的聲音或觸覺反應。連接器有許多種鎖定方法,因此務必要確保選擇一個適當的鎖定方法,也需要規劃在其生命周期中斷開和連接的頻率次數。輔助鎖定(通常稱為楔形鎖)能夠確保觸點牢固地保持在一起。

建議選擇那些經過相關標準(如MIL-STD-202)測試的組件,以確保它們在整個生命周期內提供所需的穩健性,這一點非常重要。基于標準的測試會使用諸如“高加速度壽命測試”(HALT)等技術來精確模擬真實世界的條件,從而確保產品的可靠性。

另一方面,也要確保不要走得太遠。選擇連接器時的一種誘惑是指定過高規格的產品,但這可能由于使用龐大笨拙的部件導致不必要地浪費成本和空間。當額定值較低且價格較低時,您可能會受到具有最高IP等級連接器的誘惑。類似,塑料連接器可能優于更昂貴的金屬連接器。

結論

雖然有時在系統設計中連接器最后才考慮,但它們是必不可少的重要組件,需要正確選擇連接器產品。在考慮所有可能的連接器產品后,會有很多可供選擇的選項,您最好的選擇或許是與能夠提供專家技術建議的經銷商交流。


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