Considérations subtiles pour les connecteurs dans les environnements difficiles et extrêmes

Les connecteurs utilisés dans la production de l'Industrie 4.0, la robotique, les équipements logistiques, les machines lourdes, les systèmes de transport et les exploitations telles que la production pétrolière et gazière sont souvent exposés à des environnements difficiles et exigeants comme les projections d'eau et les brouillards salins, la poussière, l'humidité, les chocs et les vibrations intenses, les températures extrêmes et la nécessité de maintenir la compatibilité électromagnétique (CEM). Une catégorie particulière de connecteurs est requise pour répondre à ces exigences extrêmes et garantir une haute fiabilité.

Selon l'application, ces connecteurs doivent répondre à un ensemble de normes émanant de la CEI (Commission électrotechnique internationale), de l'USCAR (United States Council for Automotive Research LLC), de la SAE (Society of Automotive Engineers), du groupe allemand AK et autres.

Cet article commence par un aperçu de quelques considérations subtiles, comme la différence entre résistance aux intempéries et étanchéité à l'eau, et des différents niveaux de performances d'étanchéité. Il examine ensuite les différences entre les tests de vibrations USCAR-2 et LV214. L'article se termine par la présentation d'une série de connecteurs d'Amphenol, comme les conceptions fil-à-carte, USB Type-C®, ix, M12 push-pull, D-sub à filtre, et de solutions de batteries interchangeables conçues pour répondre aux exigences des environnements difficiles et extrêmes.

Résistance aux intempéries ou étanchéité à l'eau

Certains connecteurs sont présentés comme « résistants aux intempéries ». Selon le National Weather Service aux États-Unis, « le temps est défini comme l'état de l'atmosphère à un moment et un lieu donnés, en fonction de variables telles que la température, l'humidité, la vitesse et la direction du vent et la pression barométrique ». La résistance aux intempéries a différentes significations en météorologie et en connectique.

La résistance aux intempéries n'est pas utilisée dans les normes techniques pour les connecteurs. Les spécifications des connecteurs ne mentionnent généralement pas les différents niveaux de vitesse du vent ou la pression barométrique. La définition météorologique du temps ne fait pas référence à la poussière ou à d'autres particules susceptibles d'avoir un impact sur les performances des connecteurs et qui sont incluses dans des normes telles que la norme CEI 60529, degrés de protection procurés par les enveloppes (code IP), qui s'appliquent aux connecteurs.

Système de classification IP

En général, les connecteurs résistants aux intempéries sont conçus pour une utilisation en extérieur et une exposition aux intempéries. Ils sont généralement répertoriés IP65 et plus, et fabriqués à partir de matériaux résistants aux ultraviolets (UV) pour supporter une exposition prolongée au soleil. Les connecteurs étanches à l'eau ont des indices de protection IP67 ou supérieurs. Bien qu'il puisse être utile d'identifier un connecteur comme résistant aux intempéries ou étanche à l'eau, il est préférable de déterminer son indice IP spécifique.

L'indice le plus faible est IP11. Cela signifie une protection contre la pénétration d'un objet de 50 mm comme une main, mais l'eau peut pénétrer. Les connecteurs présentent généralement des indices IP beaucoup plus élevés. Par exemple, les connecteurs résistants aux intempéries répertoriés IP65 ne verront pas leurs performances réduites par une exposition à la poussière pendant deux à huit heures, et ils sont protégés contre les jets d'eau avec une pénétration d'eau limitée.

Les connecteurs étanches à l'eau avec un indice IP67 sont étanches à la poussière et peuvent être immergés jusqu'à une profondeur de 1 mètre pendant 30 minutes sans que l'eau ne pénètre. Pour les applications plus exigeantes, il existe des indices IP encore plus élevés pour la protection contre l'eau (Figure 1).

Figure 1 : Définitions des indices de protection IP. (Source de l'image : Amphenol)

Variations de vibrations

Pour garantir un fonctionnement fiable, les connecteurs doivent avoir des contacts sécurisés. Cela peut s'avérer difficile dans les environnements exposés à de hautes vibrations, tels que les systèmes industriels, les équipements lourds et les applications de transport. Deux normes relatives aux vibrations fréquemment référencées pour les connecteurs sont LV214 et USCAR-2.

Les deux normes font référence à la série SR (exigences du système) CEI 60068, pour les tests environnementaux qui couvrent une gamme de conditions, notamment l'excitation sinusoïdale, aléatoire et de choc, ainsi que la chaleur et le froid extrêmes. Elles font référence à la norme CEI 60512-1-1, qui spécifie l'inspection visuelle pendant les tests. Les normes LV214 et USCAR-2 partagent de nombreux points communs mais se distinguent néanmoins.

Le groupe AK de constructeurs automobiles allemands a développé la norme LV214. Elle est axée sur la qualité des bornes à l'aide de moniteurs de force de sertissage. Les bornes doivent répondre à des critères spécifiques concernant les caractéristiques de force de sertissage. Les moniteurs de force de sertissage mesurent la pression appliquée pendant le processus de sertissage et garantissent la conformité aux exigences de la norme.

La norme USCAR-2 va plus loin. Elle inclut des tests à toutes les étapes du développement ainsi qu'une analyse sur le terrain des bornes, connecteurs et autres composants dans les applications automobiles haute tension (60 V à 600 V).

Les deux normes classent les vibrations en cinq niveaux d'intensité. Dans la norme LV214, les niveaux s'étendent de S1, le type de vibration le plus élevé, généralement près des pneus, à S5, le type le plus faible, généralement dans l'habitacle. Le niveau S2 s'applique à des endroits tels que le bloc-batterie d'un véhicule électrique. Les niveaux USCAR-2 incluent V1 pour le profil de vibrations du châssis et V2, plus strict, pour le profil de vibrations du moteur, et les niveaux supérieurs des tests de vibrations incluent le cyclage thermique pendant le test. (Tableau 1).

Tableau 1 : Les exigences LV214 S2 et USCAR-2 V1 affichent des différences en termes de tests de vibrations aléatoires, de durée, de cycles de températures et de choc demi-sinusoïdal. (Source du tableau : Amphenol)

Amphenol propose une large gamme de solutions industrielles. Par exemple, les connecteurs fil-à-carte 1,8 mm WireLock d'Amphenol sont conformes aux normes USCAR-2 V2 et LV214 S2. Ils sont conçus pour l'industrie automobile, les systèmes de gestion de batterie, les applications industrielles et d'instrumentation, et la robotique.

Les connecteurs WireLock ont un courant nominal de 3 A et acceptent des fils de 22 à 26 AWG. Des modèles avec jusqu'à 40 positions dans une conception à double rangée et des configurations verticales et horizontales à montage traversant et en surface sont disponibles. Il existe quatre couleurs différentes pour le codage contre les erreurs de raccordement (Figure 2).

Figure 2 : Les connecteurs WireLock ont jusqu'à 40 positions et sont conformes à USCAR-2 V2 et LV214 S2. (Source de l'image : Amphenol)

Connecteurs USB Type-C étanches à l'eau et renforcés

La connectivité USB Type-C est vitale dans de nombreuses applications, y compris les environnements industriels et difficiles. Elle définit un style de connecteur, et non un protocole, et peut prendre en charge un transfert de données atteignant 10 gigabits par seconde (Gb/s) et la distribution d'alimentation. En plus de leur application dans la connectivité USB, ces connecteurs peuvent être utilisés pour Thunderbolt, PCIe, HDMI, DisplayPort et d'autres protocoles.

Pour prendre en charge des débits de données maximum, tous les composants mis à la terre de ces connecteurs, comme les broches, le loquet et la feuille CEM, sont mis à la terre pour réduire la résonance. Le contrôle de la résonance limite la diaphonie et les interférences électromagnétiques (EMI), et contribue à améliorer les performances des connecteurs.

Amphenol propose des connecteurs USB Type-C dans des versions étanches à l'eau et renforcées. Les connecteurs USB Type-C étanches à l'eau sont répertoriés IP68 et sont protégés contre l'immersion dans l'eau pendant de longues périodes. L'étanchéité à l'eau est obtenue à l'aide du processus de moulage par injection de liquide (LIM) de l'entreprise pour fabriquer un joint torique en caoutchouc étanche à l'eau à l'extérieur du connecteur, garantissant que le capot en acier inoxydable est complètement scellé. Ces connecteurs à 24 broches sont répertoriés pour 10 000 cycles de raccordement.

Pour certaines applications, l'étanchéité à l'eau ne suffit pas. Les concepteurs peuvent se tourner vers le connecteur USB Type-C renforcé MUSBR pour ces applications. Comme les versions étanches à l'eau, ces connecteurs renforcés sont répertoriés pour 10 000 cycles de raccordement.

Ils sont dotés d'un boîtier en thermoplastique technique noir répertorié UL94V-0, logé dans un capot en alliage de zinc moulé sous pression avec placage en nickel offrant la stabilité requise pour la protection contre les chocs, les vibrations et les impacts. Le couvercle arrière est en acier inoxydable et un joint d'étanchéité en caoutchouc de silicone conducteur supporte un indice IP67 et une température de fonctionnement de -40°C à +105°C (Figure 3).

Figure 3 : Amphenol propose des connecteurs USB Type-C en versions étanches à l'eau (à gauche) et renforcées (à droite). (Source de l'image : Amphenol)

Ethernet résistant aux intempéries

L'Industrial Ethernet permet plusieurs protocoles prenant en charge le contrôle et le déterminisme en temps réel dans les installations de l'Industrie 4.0, notamment EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET, Modbus TCP et autres. Amphenol fournit une variété de solutions Industrial Ethernet pour répondre aux besoins spécifiques des applications. Elles sont disponibles avec des indices de protection IP20 à IP67.

L'interface de verrouillage ix Industrial étanche série NDH offre une solution de câble et de connecteur push-pull rectangulaire résistante aux intempéries avec un indice de protection IP67 et constitue un boîtier résistant aux UV pour une utilisation en intérieur, en extérieur et en environnements difficiles. Les dispositifs prennent en charge la connectivité Ethernet Cat6A à l'aide d'une interface de raccordement CEI 61076-3-124. Les fonctionnalités incluent (Figure 4) :

• Mécanisme de loquet à verrouillage positif push-pull
• Facteur de forme compact et léger
• Disponibilité sous forme de kits de fiches connectables sur le terrain ou d'assemblages de câbles pré-façonnés
• Raccordement avec les prises ix Industrial IP20 standard

Figure 4 : Ce connecteur Industrial Ethernet résistant aux intempéries (assemblage noir) est répertorié IP67 et fourni en boîtier résistant aux UV. (Source de l'image : Amphenol)

M12 pour environnements difficiles

Amphenol propose une gamme de solutions de produits pour environnements difficiles, notamment les connecteurs push-pull M12 MPronto-12. La fiche MPronto-12 est compatible avec toutes les prises M12*1.0 et elle est conforme à la norme CEI 61076-2-101, quel que soit le fabricant. Ces solutions offrent un moyen simple et rapide d'améliorer les performances systèmes dans les applications telles que l'automatisation industrielle, les équipements lourds, les véhicules électriques et les équipements de manutention, car elles répondent aux indices de protection IP67, IP68 et IP69K et prennent en charge les codes M12 A, B, D, K, L, S, T et X. Les fonctionnalités supplémentaires incluent :

• Température de fonctionnement de -20°C à +105°C
• Réduction de plus de 80 % du temps d'installation
• Un clic audible garantit le raccordement positif
• Dispositifs plus petits que les connecteurs push-pull M12 concurrents qui nécessitent une paire de raccordement

D-sub à filtre

Les connecteurs D-sub à filtre FCE17 protègent l'intégrité des signaux de données en filtrant les interférences des EMI conduites et rayonnées. Ils sont destinés aux secteurs automobiles, industriels, médicaux, des communications de données et de l'énergie.

Le filtrage fourni dépasse les performances des mêmes composants de filtre montés sur le circuit imprimé du système, et l'intégration des composants de filtre dans le connecteur réduit la taille et le coût de la solution. Ces connecteurs à filtre s'adaptent à l'empreinte des connecteurs sans filtre standard et permettent des mises à niveau simples des performances EMI.

Divers condensateurs pavés à faible impédance (diélectriques NP0 ou X7R) dans des valeurs standard de 50 picoFarads (pf) à 47 000 pf sont disponibles pour satisfaire un large éventail de besoins de filtrage. Des valeurs de capacité personnalisées sont également disponibles.

La technologie d'isolation des contraintes d'Amphenol produit des connecteurs dotés de capacités supérieures en matière de chocs mécaniques et thermiques. Les contraintes mécaniques sur le connecteur ou les contacts n'entraîneront pas la fissuration des éléments de filtre ni l'interruption de la connexion électrique. De plus, les émissions rayonnées et conduites provenant des EMI externes et du dispositif sont dérivées vers la terre, améliorant ainsi les performances CEM.

Batteries interchangeables pour drones et robots

Les concepteurs de systèmes de batteries interchangeables pour drones, robots et systèmes d'électromobilité dans les entrepôts et les usines peuvent utiliser les solutions de connecteurs de batteries interchangeables DURASWAP. Ces connecteurs sont disponibles en deux configurations d'alimentation et six configurations de signaux ; des conceptions personnalisées sont également proposées. Ils peuvent transporter des courants continus de 15 à 70 ampères (A) et ils sont répertoriés pour 10 000 cycles de raccordement.

Le raccordement aveugle est pris en charge avec un flottement de ±2 millimètres (mm). La technologie FMLB (First-Mate Last-Break) permet d'établir la connexion à la terre avant les connexions d'alimentation et de maintenir la connexion à la terre jusqu'à l'interruption des connexions d'alimentation. La douille métallique pour la fixation sur panneau peut supporter des charges de couple élevées pour une étanchéité IP efficace du panneau. Les autres fonctionnalités incluent (Figure 5) :

• Broches de guidage pour garantir un raccordement correct
• Indice IP67 après raccordement ou non raccordé
• Matériaux du boîtier répertoriés UL94 V-0
• Plage de températures de fonctionnement de -20°C à +90°C

Figure 5 : Ces connecteurs d'alimentation sont dotés de la technologie FMLB et prennent en charge le raccordement aveugle avec un flottement de ±2 mm. (Source de l'image : Amphenol)

Conclusion

Cet article a passé en revue certains aspects à prendre en compte lors de la spécification de connecteurs destinés à être utilisés en environnements difficiles et extrêmes. Dans certains cas, il est nécessaire de faire la distinction entre les tests de vibrations USCAR-2 et LV214. Alors que de plus en plus de systèmes sont utilisés en extérieur, il est important de connaître la différence entre résistance aux intempéries et étanchéité à l'eau, ainsi que les différents niveaux de performances d'étanchéité. Enfin, les considérations spécifiques à l'application peuvent inclure l'utilisation de la technologie FMLB dans les connecteurs d'alimentation et le filtrage EMI intégré dans les connecteurs de données haut débit.