Présentation des connecteurs à usage intensif et de leur utilisation pour la connectivité industrielle

Par Jody Muelaner

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de Digi-Key

Une grande variété de connecteurs est utilisée dans les applications industrielles pour acheminer l'énergie électrique, les signaux de capteurs et les données de contrôle sur les câbles à travers leurs jonctions, vers les composants d'automatisation. Ce qui constitue un connecteur à usage intensif (parfois abrégé en HDC dans les noms de produits de connecteurs) dépend de l'application … et il s'agit donc d'un terme quelque peu relatif. Cela étant, il y a une nette différence entre les connecteurs industriels robustes et les connecteurs RJ et CEI à usage modéré utilisés dans les applications d'automatisation en intérieur propres avec Ethernet de base et basse puissance.

Les connecteurs à usage intensif peuvent présenter une plus grande robustesse globale ainsi qu'une meilleure protection contre les infiltrations, une inflammabilité réduite, une température de fonctionnement élevée, des verrous, un blindage à la terre ou simplement une connexion plus fiable avec un verrouillage positif.

Connecteurs et presse-étoupes à usage intensif

Les presse-étoupes (parfois appelés serre-câbles) sont pour la plupart des composants mécaniques qui entourent les câbles lorsque ceux-ci traversent des panneaux de commande industriels ou d'autres boîtiers, connecteurs et contrôleurs en tôle et en plastique dur. Les presse-étoupes ont trois fonctions, à savoir :

  • Sécuriser le câble
  • Empêcher le frottement des câbles et d'autres formes d'usure
  • Fournir un joint autour de la section du câble afin d'offrir une protection contre la pénétration d'humidité et le siphonnement dans le boîtier

La manière dont les presse-étoupes ancrent les câbles permet d'éviter d'endommager les contacts électriques si le câble est tiré ou déplacé. Les presse-étoupes empêchent également les gaines des câbles de frotter contre les bords tranchants des trous traversant le boîtier, car le corps des presse-étoupes s'évase autour de ces bords. Sans presse-étoupe, les câbles exposés au moindre mouvement peuvent être rapidement coupés par les bords tranchants des trous des boîtiers jusqu'à ce que leur isolant extérieur soit complètement sectionné … et que les conducteurs du câble soient court-circuités.

Par contraste avec ces presse-étoupes (qui entourent les câbles), les connecteurs terminent les câbles — et permettent généralement une déconnexion et une reconnexion plus pratiques, ainsi que la jonction de plusieurs composants et sections de câbles. En général, les variantes à usage intensif de ces connecteurs incluent une ou plusieurs fonctionnalités robustes.

Les connecteurs de câble à usage intensif peuvent être dotés d'une protection d'entrée de câble sous la forme d'un presse-étoupe universel, d'un serre-câble ou d'un joint et d'un dispositif anti-torsion. Quelle que soit leur forme mécanique, ils sécurisent le câble et l'empêchent de se dégager des bornes. La protection d'entrée de câble peut également prévenir l'usure des câbles, tout comme le font les presse-étoupes autonomes. Notez que les inserts lamellaires (presse-étoupes à lames multiples) sont courants sur les connecteurs modérément renforcés, bien que les inserts exigent d'être régulièrement resserrés pour garantir la protection contre les infiltrations. Les presse-étoupes avec un joint continu qui se fixe autour du câble constituent souvent un choix plus fiable pour les applications à usage intensif.

Le capot de certains connecteurs de câble à usage intensif protège les conducteurs électriques de la fiche tout en assurant l'isolation et la protection contre les infiltrations — et un manchon ou un levier de verrouillage ou de blocage permet de maintenir les deux parties du connecteur ensemble.

Sur de nombreux connecteurs de câble à usage intensif, l'insert mâle inclut des broches mâles ainsi que des vis ou des bornes à sertir à l'endroit où les fils conducteurs entrent en contact avec les broches. Dans ces connecteurs, l'insert femelle comprend des douilles complémentaires ainsi que des prises ou des bornes à sertir là où les fils conducteurs entrent en contact avec les douilles.

Les boîtiers renforcés des connecteurs de câble à usage intensif sont peut-être leur caractéristique la plus visible — incluant souvent une isolation et une protection contre les infiltrations. Les accessoires incluent des couvercles de protection supplémentaires et des guides pour les codes de broches.

Figure 1 : Les connecteurs série Han® présentent plusieurs fonctionnalités complémentaires pour résister à des conditions environnementales assez rudes. (Source de l'image : Harting)

Codes IP pour la protection contre les infiltrations dans les connecteurs à usage intensif

Il est également assez courant pour les connecteurs à usage intensif de fournir une protection contre l'infiltration de fluides et de particules solides. La protection contre les infiltrations des connecteurs est répertoriée en utilisant les mêmes codes de protection contre les infiltrations (IP) que ceux utilisés pour les boîtiers. Le premier chiffre d'un code IP indique la protection contre les particules solides, avec des valeurs allant de 0 (aucune protection) à 6 (étanchéité à la poussière). Le deuxième chiffre du code IP indique la protection contre les fluides, avec des valeurs allant de 0 (aucune protection) à 8 (protection continue contre l'eau à une profondeur de 1 m) ou même 9K (protection contre les jets à haute pression). Par exemple, un connecteur répertorié IP67 résiste à la pénétration de la poussière et à l'immersion temporaire dans l'eau.

Variantes de connecteurs propriétaires — Pourquoi si fréquentes ?

Les connecteurs à usage intensif dépendant fortement des fonctionnalités de verrouillage mécanique et d'étanchéité, de nombreuses options sur le marché actuel sont soit des conceptions propriétaires, soit des variantes de connecteurs spécifiques à une application. Par exemple, des industries entières ont adopté les connecteurs rectangulaires à usage intensif de la série Han de Harting pour les connexions de commande et d'alimentation. À tel point que cette marque déposée de connecteurs est parfois considérée comme synonyme du terme connecteur à usage intensif en général.

Figure 2 : Les connecteurs série Han (à 4 et 26 broches) constituent en quelque sorte une norme industrielle. Ils répondent à diverses exigences de connectivité de données et d'alimentation de 50 V à 5000 V et de 3 A à 200 A. Les configurations de verrouillage incluent la version Han-Easy Lock à un levier pour l'utilisation aisée d'une seule main et la version Han-Easy Lock à deux leviers pour un verrouillage plus fiable, une étanchéité à la pression plus élevée et une utilisation avec des connexions câble-à-câble. Une autre option renforcée est le verrouillage par vis pour une étanchéité maximale à la pression et un risque réduit d'utilisation non autorisée. (Source de l'image : Harting)

Les connecteurs série Han sont dotés de broches disposées à l'intérieur d'un capot rectangulaire qui se raccordent aux douilles correspondantes dans un boîtier rectangulaire. Les connecteurs sont généralement équipés de leviers de verrouillage qui permettent aux installateurs de fermer facilement et solidement le connecteur — garantissant qu'il ne puisse pas se désolidariser … même lorsque des forces de traction importantes sont appliquées.

Les capots (couvercles de connecteurs boulonnés) sont les plus utilisés sur les terminaisons de câbles d'alimentation ; ils sont disponibles dans des configurations à entrée supérieure ou latérale. Les boîtiers peuvent être montés par vis, en surface ou en traversée pour fournir une connexion sur les instruments ou les machines. Les boîtiers peuvent également terminer les câbles pour les connexions câble-à-câble. Les capots et les boîtiers sont généralement fabriqués en alliage moulé ... mais les boîtiers en acier inoxydable et en plastique sont également courants. Certains fabricants proposent des connecteurs configurables qui peuvent être assemblés dans un seul capot ou boîtier. Cela permet un plus grand nombre de broches dans tous les modules distincts. De tels connecteurs sont disponibles sous les marques GWconnect HDC de Molex et HDC de TE Connectivity.

Les connecteurs de câbles renforcés pour les câbles de données et de signaux de capteurs sont légèrement différents. Ici, les connecteurs de la série M sont prédominants. Il s'agit de connecteurs robustes utilisés dans diverses connexions de données (y compris celles basées sur Ethernet) ainsi que dans les transmissions d'alimentation électrique. Les connecteurs série M renforcés sont les plus utilisés dans les applications de réseaux industriels impliquant PROFINET, les bus de terrain et Industrial Ethernet pour connecter des capteurs, des commutateurs et des PLC.

Comme décrit dans un article précédent de Digi-Key, les connecteurs série M sont des connecteurs ronds, mâles et femelles, dotés de manchons à filetage métrique standard qui enferment et protègent les broches et les douilles internes. Les tailles standard incluent les connecteurs M5 de 5 mm, M8 de 8 mm, M12 de 12 mm, M16 de 16 mm et M23 de 23 mm. Le manchon fileté fournit une connexion très robuste et fiable qui ne peut pas être facilement déconnectée et qui garantit une connexion électrique très fiable, minimisant les signaux intermittents. Le manchon confère également aux connecteurs série M un niveau élevé de protection contre les infiltrations qui, dans de nombreux cas, peut même permettre une utilisation dans les environnements exposés aux lavages et à la corrosion. Les tailles les plus courantes sont les connecteurs M8 et M12, avec 2, 3, 4, 5, 8 ou 12 broches. En général, les connecteurs série M à 3 ou 4 broches sont destinés aux capteurs et aux alimentations ; les connecteurs série M à 4 ou 8 broches sont destinés aux dispositifs Ethernet et PROFINET ; et les connecteurs série M à 4 ou 5 broches sont destinés aux dispositifs d'automatisation de types bus de terrain, bus CAN et DeviceNet.

Figure 3 : Les connecteurs série M sont fabriqués en aluminium haute résistance et sont dotés d'une vis à cliquet pour un couplage rapide et sécurisé des câbles d'une seule main. (Source de l'image : LEMO)

Les connexions de données utilisées dans les applications industrielles incluent Ethernet, Modbus TCP/IP, EtherCAT, Ethernet/IP et Profinet … ainsi que divers formats propriétaires. Les connecteurs RJ sont la norme pour toutes les implémentations Ethernet, mais ils n'offrent pas de protection contre les infiltrations et ne sont pas particulièrement robustes. Bien qu'une languette en plastique côté mâle s'enclenche dans la douille (pour maintenir les deux parties du connecteur ensemble), cette languette est plutôt fragile … et elle n'empêche pas les fiches de sortir de leur douille, même avec une faible traction. C'est pourquoi les connecteurs série M constituent une option supérieure si une installation automatisée est exposée à des abus ou des mouvements accidentels.

Cependant, une mise en garde s'impose. Si les connecteurs série M standard constituent une option appropriée pour les connexions industrielles, l'obtention d'une connexion fiable (et répertoriée à un niveau de protection contre les infiltrations) dépend du serrage correct du connecteur par le technicien. Certains fournisseurs de connecteurs ont voulu remédier à ce point de défaillance potentiel en vendant des connecteurs push-fit à enfoncer qui se verrouillent automatiquement. Les plus connus d'entre eux sont sans doute les connecteurs série Brad de Molex, qui remplacent directement les connecteurs M12 standard. Ils éliminent le manchon fileté pour offrir un mécanisme fiable de verrouillage par pression. Il suffit donc de presser les deux parties du connecteur l'une contre l'autre pour obtenir un verrouillage parfait et une connexion fiable sans risque de signaux intermittents ou de déconnexion. Ces connecteurs sont disponibles dans différentes configurations et incluent des versions à connexion par pression (push-on) et à déconnexion par traction (pull-off) avec une protection IP65.

Figure 4 : Les connecteurs Ultra-Lock offrent une option de verrouillage par pression avec des joints toriques pour garantir des connexions fiables et une protection contre les infiltrations IP69K. (Source de l'image : MOLEX)

Lorsqu'ils sont utilisés dans des applications Ethernet, les connecteurs série M et les connecteurs Brad de Molex peuvent également transmettre l'alimentation en utilisant les normes Power over Ethernet (PoE) dans trois configurations — Alternative A, Alternative B et 4PPoE — pour prendre en charge différents niveaux de bande passante et de capacité d'alimentation.

Connecteurs d'alimentation CEI pour les exigences haute puissance

La Commission électrotechnique internationale (CEI) définit diverses normes pour les connecteurs d'alimentation utilisés dans les applications domestiques, commerciales et industrielles. Par exemple, la norme CEI 60320 couvre les connecteurs sans verrouillage avec des tensions et des courants allant jusqu'à 250 V et 16 A respectivement. Il s'agit notamment de grands coupleurs C13/C14 non renforcés, et de coupleurs C19/C20 plus grands, fréquents sur les équipements électroniques des applications industrielles — notamment les alimentations d'ordinateurs et les boîtiers de serveurs. Ces coupleurs ne sont pas normalement considérés comme des connecteurs à usage intensif.

En revanche, les connecteurs à verrouillage CEI 60309 sont renforcés, et destinés à être utilisés sur des câbles industriels qui transmettent des tensions et des courants jusqu'à 1000 V et 800 A respectivement. Tous les connecteurs à verrouillage CEI 60309 offrent un certain degré de protection contre les infiltrations, avec les configurations standard offrant une protection IP44 contre les éclaboussures, une étanchéité à l'eau IP67 ou une protection IP66/67 contre l'eau et les jets d'eau.

La norme autorise également les prises verrouillées : les connecteurs dotés de cette fonctionnalité ne peuvent être mis sous tension que s'ils sont raccordés à une fiche … et la fiche ne peut être retirée qu'une fois l'alimentation coupée. Le codage couleur suivant indique la tension admissible et la gamme de fréquences pour le connecteur.

  • Le jaune indique que le connecteur d'alimentation CEI 60309 est adapté pour transporter de 100 V à 130 V à 50 Hz ou 60 Hz.
  • Le bleu indique que le connecteur d'alimentation CEI 60309 est adapté pour transporter de 200 V à 250 V à 50 Hz ou 60 Hz.
  • Le rouge indique que le connecteur d'alimentation CEI 60309 est adapté pour transporter de 380 V à 480 V à 50 Hz ou 60 Hz ... souvent dans une configuration triphasée.

Figure 5 : Ce connecteur à usage intensif à code couleur rouge est conforme à la norme CEI 60309 pour une alimentation de 380 V à 480 V. (Source de l'image : Wikimedia Commons)

Conclusion

Les connecteurs à usage intensif doivent répondre à diverses exigences. Le connecteur devra-t-il résister à l'écrasement dû à des charges d'impact, ou à l'arrachement ? Une protection contre l'infiltration d'eau ou de poussière est-elle nécessaire ? Quelles températures le connecteur devra-t-il supporter ? Le connecteur à usage intensif sera-t-il installé dans des environnements où l'inflammabilité est un problème ?

Le nombre de broches ainsi que la tension et le courant que chacune d'entre elles doit transporter doivent également être pris en compte, tout comme le sens d'entrée du câble et le niveau de protection du câble. Sur les machines automatisées où les câbles et leurs connecteurs sont exposés à des mouvements, il convient de prévoir des presse-étoupes et des serre-câbles appropriés … ainsi que des dispositifs anti-torsion.

Pour les charges électriques relativement légères mais fonctionnant dans des environnements difficiles, les connecteurs série M et leurs dérivés sont souvent des choix appropriés. Pour des charges électriques plus élevées, les connecteurs rectangulaires peuvent constituer une meilleure solution … d'autant qu'ils peuvent être configurés pour répondre à presque toutes les exigences complexes avec différents sens d'entrée de câble, diverses options de montage et des constructions généralement modulaires. Dans tous les autres cas, pour les connexions simples à une alimentation CA monophasée ou triphasée, les connecteurs industriels à verrouillage CEI 60309 constituent le premier (voire l'unique) choix.

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À propos de l'auteur

Jody Muelaner

Le Dr Jody Muelaner est un ingénieur qui a conçu des scieries et des dispositifs médicaux, qui a abordé l'incertitude dans les systèmes de fabrication aérospatiale et qui a créé des instruments laser innovants. Il a publié des articles dans de nombreux bilans gouvernementaux et journaux évalués par des pairs ... et a rédigé des rapports techniques pour Rolls-Royce, SAE International et Airbus. Il dirige actuellement un projet de développement de vélo à assistance électrique, détaillé sur betterbicycles.org. Muelaner traite également les développements liés aux technologies de décarbonation.

À propos de l'éditeur

Rédacteurs nord-américains de Digi-Key