밀폐형 커넥터를 사용하여 견고한 환경을 설계하는 방법
DigiKey 북미 편집자 제공
2021-01-05
설계자는 매우 불편하거나 한정된 공간에 많은 전자 장치를 끼워 넣고 있으며, 특히 교통, 산업용 시스템 및 스마트 가전(예: 세탁기)에서 그렇습니다. 이러한 응용 분야에서 상호 연결 라우팅은 먼지, 습기 유입, 극한 온도, 기계적 응력 등으로 인해 안정성 및 신뢰성과 관련한 많은 문제를 야기할 수 있습니다.
동일한 시스템 내에서도 개별 연결 요구 사항이 크게 차이 날 수 있습니다. 저전압 디지털 신호를 전달하는 케이블은 모터 및 전력 분배용 고전압을 전달하는 두꺼운 전선과 비교할 때 다른 상호 연결 문제를 가지고 있습니다. 잘못된 커넥터를 선택하면 전체 또는 간헐적인 신호 실패, 고비용 다운타임 및 유지보수 문제가 발생할 수 있습니다.
이 기사에서는 응용 분야에 적합한 견고한 상호 연결 솔루션을 선택하는 데 수반되는 문제점을 설명합니다. 그리고 IP67 등급 및 USCAR-2 밀봉 클래스 2 케이블 커넥터 시스템을 적절히 활용하여 유지보수 및 수리 비용을 절감하는 안정적인 상호 연결을 보장할 수 있는 방법을 설명합니다. 그런 다음 Molex의 다양한 IP67 등급 및 USCAR-2 밀봉 클래스 2 케이블 상호 연결 솔루션을 소개하고 해당 솔루션을 사용하여 광범위한 응용 분야의 요구 사항을 해결하는 방법을 보여줍니다.
산업용 상호 연결 설계 고려 사항
산업 환경용 장비 설계자는 미립자 오염 물질, 액체 및 극한 온도를 고려해야 합니다. 또한 산업용 시스템에서 환경 또는 장비 변경에 따른 예측할 수 없는 상황에 대처할 수 있도록 준비해야 합니다.
공장, 창고와 같은 산업 시설에서는 다양한 상호 연결 솔루션을 사용하며, 그중 대부분은 고강도로 사용됩니다. 자동차와 트럭도 움직이는 산업 환경으로 간주됩니다. 이러한 상호 연결 상황과 관련해 고려해야 할 일반적인 지침이 있습니다. 가장 기본적인 것은 쇳가루, 금속 파편, 먼지, 미세 분말 등 모든 유형의 미립자 물질에 대한 내성입니다. 미립자 물질이 미세할수록 공기 중에 떠다닐 가능성이 더 높습니다. 예를 들어 일반 먼지, 그을음 및 고강도 장비의 기타 미립자는 팬이나 환기 시스템에 의해 부유되어 원래 위치에서 멀리 떨어진 곳에 내려앉을 수 있습니다. 이러한 미립자가 결합된 커넥터를 비롯한 봉인되지 않은 개구부에 유입되어 내부 표면을 오염시킬 수 있습니다. 그러면 연결 저항으로 인한 간헐적인 오작동부터 전체 접점 손실까지 다양한 결합 문제가 발생할 수 있습니다. 또한 미립자 물질이 연마제 또는 부식제 역할을 할 경우 커넥터가 영구적으로 고장 나서 많은 비용과 시간을 들여 교체해야 할 수 있습니다.
또한 산업 환경에는 다양한 액체가 존재할 수 있습니다. 고강도 산업 환경에서는 물, 가솔린, 오일 및 다양한 화학 물질이 흔합니다. 이러한 액체가 결합된 커넥터 시스템에 유체 또는 증기로 유입되면 단락이 발생하여 장비 고장의 원인이 될 수 있습니다.
IP67 등급 상호 연결 시스템
산업 환경 조건별로 다르게 다양한 커넥터를 만드는 대신, 산업에서는 전선, 케이블 및 커넥터 시스템을 IP67 등급으로 표준화했습니다. IP라는 두 글자는 공식적으로 "국제 보호 등급(International Protection Rating)"이라는 세 단어를 나타냅니다. 그러나 가장 잘 알려진 것은 (비공식적이지만 더 정확한) "침투 보호(Ingress Protection)"입니다. IP67은 미립자, 외부 이물질 및 물 유입에 대한 상호 연결 시스템의 내성을 정의합니다.
IP67에서 "6"은 상호 연결 부위에서 미세 먼지를 비롯한 미립자 물질을 완벽히 차단한다는 것을 나타냅니다. 이렇게 하기 위해 주로 결합된 두 커넥터의 결합 하우징 사이를 밀봉합니다. "7"은 IP67 상호 연결 시스템이 1m 깊이에서 최대 30분 동안 침수를 견딜 수 있다는 것을 나타냅니다. 대부분의 산업 환경에서는 이 정도로 충분합니다.
두 커넥터의 결합 하우징 사이를 밀봉하는 것도 도움이 되지만, 방수 성능은 주로 물뿐 아니라 많은 화학 물질에 대한 내성이 있는 커넥터 개스킷에 의해 실현됩니다. 개스킷 물질마다 내성이 있는 화학 물질이 다르므로 상호 연결 시스템을 선택할 때 사용되는 개스킷 물질을 중요하게 고려해야 합니다.
저전력 디지털 신호 연결
물론 모든 케이블 상호 연결 시스템의 요구 사항이 다 같은 것은 아닙니다. IP67 등급 장비에 내장되는 디지털 논리 신호 깊이용 상호 연결 솔루션은 일반적으로 약 500mA 전류에서 5V 이하의 전압만 처리하면 됩니다. 이러한 저전력 신호는 일반적으로 물리적으로 크게 혹사되지 않는 소형 경량 케이블 커넥터를 사용합니다. 커넥터는 장비를 빠르게 조립할 수 있도록 결합하기 쉽고, 케이블 조립품에서 저전류 전선에 스트레스를 주지 않을 정도로 가벼워야 합니다. 이러한 상호 연결 응용 분야를 위해 Molex는 Mizu-P25 소형 전선 간 커넥터 시스템을 제공합니다. 이러한 IP67 인증 방수 커넥터는 편리하고 콤팩트한 하우징의 결합된 조립품에서 먼지와 물을 차단합니다.
IP67 등급 Mizu-P25 커넥터 결합 쌍의 예로는 Molex 0521160240 플러그와 Molex 0521170240 리셉터클 2위치 방수 커넥터 시스템(그림 1)이 있습니다. 두 커넥터는 완전히 결합된 상태에서 길이가 25.5mm에 불과하므로 협소한 소형 인클로저에 적합합니다.
그림 1: Molex Mizu-P25 0521160240 플러그 및 0521170240 리셉터클 2위치 결합 커넥터 시스템은 먼지와 물에 대한 견고한 보호 성능을 제공합니다. 결합된 커넥터는 길이가 25.5mm에 불과하며 올바르게 결합되면 딸깍 소리가 나면서 고정됩니다. (이미지 출처: Molex)
각 커넥터의 하우징과 캡은 방수성과 내염성이 뛰어나며 태양광에 장시간 노출되어도 바래거나 균열이 발생하지 않는 폴리에스테르로 제작됩니다. 또한 폴리에스테르 커넥터는 정상 작동 중에 구부러지므로 파손 및 변형에 대한 내성이 뛰어납니다. 따라서 커넥터 시스템은 결합될 경우 장비 조립 중에 거칠게 취급해도 견딜 수 있을 정도로 튼튼합니다. 또한 폴리에스테르 커넥터는 전단 저항이 우수하여 커넥터를 결합하거나 분리할 때 발생하는 미끄러짐 마모에 적합합니다.
커넥터 링 시일과 전선 끝 시일에서는 모두 물과 먼지에 대한 기밀 시일을 제공하는 실리콘 개스킷을 사용합니다. 실리콘 개스킷과 시일은 낮은 온도에서 유연성을 유지하므로, 이 커넥터는 냉장고, 추운 날씨의 실외 장비와 같은 저온 장비에 적합합니다. 이 커넥터에는 피치가 5mm인 두 위치가 있으므로 두 신호를 안전하게 분리합니다. 쉬운 조립을 위해 크림핑된 핀을 사용하여 사용자가 두 위치를 조립합니다.
이 커넥터 시스템은 시스템 개발자가 선택한 크림프 단자에 상관없이 쉽게 결합되도록 설계되었습니다. 올바르게 결합한 경우 커넥터는 딸깍 소리가 나면서 단단히 고정됩니다. 이는 시스템 조립 중에 기술자에게 도움이 되며 결합 부위의 밀봉을 보장합니다.
이 Molex Mizu-P25 커넥터 시스템의 정격 전압은 250V이고 작동 온도 범위는 -40°C ~ +105°C입니다. 따라서 Molex Mizu-P25 0521160240 플러그와 0521170240 리셉터클 커넥터 시스템은 백색 가전과 많은 추운 날씨용 산업 시스템에 적합합니다. IP67 등급은 커넥터 시스템이 방수 및 방진을 보장하므로 포괄적인 환경 테스트가 필요하지 않다는 것을 장비 설계자에게 알려줍니다.
쉬운 유지보수를 위한 견고하고 밀폐된 상호 연결
상호 연결 시스템은 때때로 높은 전류를 처리하고 열악한 환경에서 유지보수가 간편해야 합니다. 상호 연결 시스템은 실수로 분리되지 않는 보안 연결을 제공하면서 유지보수 활동 중에 쉽게 분리될 수 있어야 합니다. 이러한 상황에서 설계자는 Molex의 Squba 밀폐형 전선 간 상호 연결 시스템을 사용할 수 있습니다. 또한 Squba 커넥터는 IP67 등급이며 소형 폼 팩터에서 높은 전력을 공급할 수 있습니다. 예를 들어 Molex Squba 2042230004 플러그 및 2042200004 리셉터클은 전력과 신호를 안정적으로 공급하는 1.80mm 피치의 4위치 커넥터입니다(그림 2).
그림 2: Molex Squba 2042230004 플러그(왼쪽) 및 2042200004 리셉터클(오른쪽)은 습한 환경에서 높은 전류를 견고하게 보호하도록 설계된 4위치 상호 연결 시스템입니다. (이미지 출처: Molex)
이 Molex Squba 커넥터는 크림핑된 단자를 사용하며 올바르게 연결되면 딸깍 소리가 납니다. 리셉터클의 커넥터 래치가 낮으므로 외부 장비에 걸릴 가능성이 최소화됩니다. 래치는 견고하고 안전하게 연결되며, 유지보수 중에 손가락으로 힘을 가하여 위로 올리거나 표준 분리용 프라이 공구를 사용하여 쉽게 분리할 수 있습니다.
Squba 플러그와 리셉터클은 대부분의 산업용 화학 물질에 나일론으로 내성이 뛰어나고 매우 강력한 나일론으로 제작됩니다. 따라서 Molex Squba 상호 연결 시스템은 커넥터를 장비로 이동하거나, 누르거나, 충격을 가하는 환경에 적합합니다. 상호 연결 시스템은 실리콘 시일로 방진 및 방습 처리됩니다.
각 커넥터 핀은 125V AC 또는 DC를 공급할 수 있습니다. 권장 전선 게이지는 22AWG ~ 24AWG입니다. 연선 22AWG 전선에 크림핑된 핀을 사용하여, 각 핀은 21A의 최대 전류 용량을 위해 30°C에서 최대 5.25A를 처리할 수 있습니다. 최대 전류 용량은 온도에 따라 다르므로, 설계자는 커넥터의 설명서를 참조하여 커넥터의 전류 처리량이 해당 조건에 적합한지 확인해야 합니다.
정격 작동 온도가 -40°C ~ +105°C인 IP67 등급 커넥터는 저온 또는 습한 환경에서 작동해야 하는 HVAC 시스템, 음료 디스펜서, 산업용 장비와 같은 환경에 적합합니다.
다중 회로 잠수식 상호 연결
상호 연결 시스템이 하나의 케이블에서 동일한 신호를 상호 연결하는 것만큼 간단하지 않은 경우도 있습니다. 디지털 신호, 고전류 제어 신호, 전원 공급 장치 연결을 비롯하여 동일한 배선을 따라 여러 회로 유형을 전송해야 하는 경우도 있습니다. 이러한 상황에서는 다양한 크기의 접점을 처리할 수 있는 하이브리드 상호 연결 시스템이 필요합니다. 이러한 응용 분야에서 설계자는 Molex의 MX150 Hybrid 케이블 조립품 상호 연결 시스템을 사용할 수 있습니다. MX150 Hybrid 시스템은 IP67 등급과 유사한 USCAR-2 밀봉 클래스 2 요구 사항을 충족하는 것으로 검증되었습니다. USCAR-2 클래스 2는 물에 잠긴 상태로 압력 진공 테스트를 통과해야 합니다.
조립된 Molex MX150 Hybrid는 완전히 봉인된 커넥터 시스템으로, 결합된 커넥터가 물에 잠길 수 있는 경우나 유체 및 고압 물 분사가 일반적인 매우 습한 환경에 적합합니다.
Molex MX150 Hybrid 1601126001 12위치 플러그 및 1601116006 12위치 리셉터클(그림 3)은 최대 10개의 1.5mm 블레이드 단자와 최대 2개의 2.5mm 블레이드 단자를 함께 포함할 수 있습니다. 1.5mm 단자를 사용하여 낮은 수준의 논리 신호를 공급하고 두 2.8mm 블레이드 단자를 사용하여 최대 22A를 공급할 수 있습니다. 따라서 이 상호 연결 시스템은 단일 배선 하니스로 단일 기계에 전력과 데이터를 모두 전송해야 하는 자동차 및 산업 응용 분야에 적합합니다.
그림 3: Molex MX150 Hybrid 1601126001 12위치 플러그(왼쪽) 및 결합 1601116006 리셉터클(오른쪽)은 잠수식 상호 연결 시스템에서 혼합된 1.5mm 및 2.80mm 블레이드 단자를 안전하게 처리할 수 있습니다. (이미지 출처: Molex)
완전히 조립되어 결합된 MX150 IP67 Hybrid 상호 연결 시스템은 먼지에 대한 내성이 뛰어납니다. 또한 물속에 잠긴 상태로 -40°C ~ +125°C 온도에서 작동할 수 있습니다. 커넥터 하우징은 나일론과 유리를 조합하여 내구성이 뛰어나고 거친 취급과 중간 정도의 충격을 견딜 수 있습니다. 따라서 이 상호 연결 시스템은 커넥터가 극한 온도, 고압 물 분사, 무거운 물체의 강한 충격 등에 노출되는 자동차 엔진 응용 분야와 열악한 산업 환경 및 다양한 소비자 가전에 적합합니다.
Molex MX150 Hybrid 1601126001 플러그 및 1601116006 리셉터클은 케이블 또는 배선 하니스의 일부로 조립되어야 합니다. 이 조립품에서는 단자를 플러그와 리셉터클에 삽입해야 합니다. 하지만 조립 기술자가 단자를 커넥터 하우징에 완전히 삽입하지 않을 경우 연결이 불안정해질 수 있습니다. 이러한 경우 각 커넥터에는 단자 위치 보증(TPA) 하우징이 포함되어 있습니다.
조립 기술자가 핀을 TPA 하우징에 성공적으로 삽입한 경우 핀이 고정되었다는 느낌이 듭니다. 단자가 올바르게 삽입되지 않은 경우 플러그와 리셉터클이 래치에 결합되지 않습니다. 따라서 TPA는 핀의 올바른 삽입을 보장하여 시스템 신뢰성을 높입니다.
결론
산업, 교통 또는 가전용 시스템 설계자는 연결이 협소한 공간, 먼지, 극한 온도, 액체 및 오일, 기타 침투성 물질을 비롯한 응용 분야의 열악한 환경을 견딜 수 있는지 확인해야 합니다. 설계 공정을 간소화하기 위해 설계자는 먼지의 침투와 습기 및 액체 유입을 모두 해결하거나 IP67 등급으로 특별히 고안된 커넥터를 모색할 수 있습니다.
위에서 살펴본 바와 같이 낮은 수준 디지털 신호부터 고전류 전력 공급까지 광범위한 응용 분야의 요구 사항에 적합한 다양한 IP67 등급 커넥터가 있습니다. 올바른 IP67 등급 커넥터 조립품을 선택하면 시스템의 신뢰성이 보장되고 고비용 다운타임 또는 수리 위험이 최소화됩니다.

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