열악한 극한 환경의 커넥터를 위한 세부적인 고려 사항

Industry 4.0 생산, 로봇 공학, 물류 장비, 중장비, 운송 시스템, 석유 및 가스 생산과 같은 작업에서 사용되는 커넥터는 물, 염수 분무, 먼지, 습도, 높은 수준의 충격 및 진동, 극한 온도, 전자파 적합성(EMC) 유지 필요성 등 열악하고 까다로운 환경에 노출되는 경우가 많습니다. 이러한 극단적인 요구 사항을 충족하고 높은 신뢰성을 보장하려면 특정 등급의 커넥터가 필요합니다.

응용 분야에 따라 이러한 커넥터는 국제 전자기술 위원회(IEC), 미국 자동차 연구 위원회 LLC(USCAR), 미국 자동차 공학회(SAE), 독일 AK 그룹 등의 다양한 표준을 충족해야 합니다.

이 기사에서는 내후성과 방수의 차이, 다양한 수준의 방수 성능 등 몇 가지 세부적인 고려 사항을 살펴본 다음 USCAR-2와 독일 LV 214 진동 테스트의 차이점을 알아봅니다. 마지막으로 열악한 극한 환경의 요구 사항을 충족하도록 설계된 전선 기판 간, USB Type-C®, ix, M12 푸시풀, 필터링된 D 서브 설계, 교체 가능한 배터리 솔루션과 같은 Amphenol의 일련의 커넥터를 소개합니다.

내후성과 방수의 차이

일부 커넥터는 '내후성'을 지원한다고 광고합니다. 미국 국립기상국에 따르면 '날씨란 온도, 습도, 풍속, 풍향, 기압 등의 변수와 관련하여 주어진 시간과 장소의 대기 상태로 정의된다'라고 합니다. 내후성은 기상학과 커넥터에서 다른 의미로 사용됩니다.

커넥터 기술 표준에는 내후성이 사용되지 않습니다. 일반적으로 커넥터 사양에는 다양한 풍속 수준이나 기압에 대한 설명이 없습니다. 날씨에 대한 기상학적 정의에서는 커넥터 성능에 영향을 줄 수 있는 먼지나 기타 입자를 언급하지 않으며, 커넥터에 적용되는 IEC 60529, 인클로저(IP 코드)에 의해 제공되는 보호 수준 등의 표준에 포함되어 있습니다.

IP 등급 시스템

일반적으로 내후성 커넥터는 실외용이며 날씨에 노출되도록 설계되었습니다. 이러한 커넥터는 대개 IP65 이상 등급을 가지며 자외선(UV) 내성 재료를 사용하여 햇빛에 장시간 노출되어도 견딜 수 있도록 제작됩니다. 방수 커넥터의 IP 등급은 IP67 이상입니다. 커넥터를 내후성 등급 또는 방수 등급으로 식별하는 것도 도움이 되지만, 특정 IP 등급을 결정하는 것이 좋습니다.

가장 낮은 등급은 IP11입니다. 즉, 50mm 물체(예: 손)는 차단되어 침투되지 않지만 물은 투과될 수 있습니다. 커넥터는 일반적으로 이보다 IP 등급이 훨씬 높습니다. 예를 들어 IP65 등급의 내후성 커넥터는 2시간 ~ 8시간 동안 먼지에 노출되어도 성능이 저하되지 않으며, 물의 침투가 일부 제한되어 물 분사로부터 보호됩니다.

IP67 등급의 방수 커넥터는 방진 기능이 있으며 수심 1m 침수 조건에서 30분 동안 물이 침투하지 않고 견딜 수 있습니다. 더 까다로운 응용 분야의 경우 더 높은 방수 IP 등급이 있습니다(그림 1).

그림 1: 침투 보호 등급 정의 (이미지 출처: Amphenol)

다양한 수준의 진동

안정적인 작동을 보장하려면 커넥터에 단단한 접점이 있어야 합니다. 산업용 시스템, 중장비, 운송 응용 분야와 같이 진동이 심한 환경에서는 단단한 접점을 확보하는 데 어려움이 있습니다. 커넥터에 대해 일반적으로 참조되는 두 가지 진동 표준은 LV214와 USCAR-2입니다.

두 표준 모두 사인파, 무작위 및 충격 여기, 극고온, 극저온 등 다양한 조건을 포괄하는 환경 테스트를 위해 IEC 60068, SR(시스템 요구 사항) 계열을 참조합니다. 또한 테스트 중 육안 검사를 규정하는 IEC 60512-1-1을 참조합니다. LV214와 USCAR-2는 공통점이 많지만 엄연히 다른 부분이 있습니다.

LV214는 자동차 제조업체인 독일 AK 그룹에서 개발했습니다. 이 표준에서는 크림프 압력 모니터를 사용하여 단자의 품질에 중점을 두고 있습니다. 단자는 크림프 압력 특성에 대한 특정 기준을 충족해야 합니다. 크림프 압력 모니터는 크림핑 공정 중에 가해지는 압력을 측정하여 단자가 표준의 요구 사항을 충족하는지 확인합니다.

USCAR-2는 더 광범위합니다. 모든 개발 단계 중 테스트는 물론 고전압(60V ~ 600V) 자동차 응용 분야의 단자, 커넥터 및 기타 부품에 대한 현장 분석이 포함됩니다.

두 표준은 모두 진동을 5가지 강도 수준으로 분류합니다. LV214에서 진동 수준은 가장 심한 S1(일반적으로 타이어 근처)부터 가장 약한 S5(일반적으로 승객석 내부)까지 다양합니다. 레벨 S2는 EV의 배터리 팩과 같은 위치에서 나타납니다. USCAR-2 등급에는 섀시 진동 프로파일에 대한 V1과 더 심한 V2 엔진 진동 프로파일이 포함되며, 더 높은 진동 테스트 수준에는 테스트 중 열 순환이 포함됩니다. (표 1).

표 1: LV214 S2 및 USCAR2 V1 요구 사항은 무작위 진동, 지속 시간, 온도 순환 및 사인 반파 충격 테스트에서의 차이점을 보여줍니다. (표 출처: Amphenol)

Amphenol은 다양한 산업용 솔루션을 제공합니다. 예를 들어 Amphenol의 WireLock 1.8mm 전선 기판 간 커넥터는 USCAR-2 V2 및 LV214 S2를 준수합니다. 이 커넥터는 자동차, 배터리 관리 시스템, 산업 및 계측 응용 분야, 로봇 공학용으로 설계되었습니다.

WireLock 커넥터는 정격 전류가 3A이고 22AWG ~ 26AWG(미국 전선 규격)의 전선 크기를 처리할 수 있습니다. 최대 40개 접점(2열 설계)과 세로 및 가로 스루홀 및 표면 실장 구성을 갖춘 모델이 제공됩니다. 잘못된 결합을 방지하기 위해 네 가지 색상으로 코딩됩니다(그림 2).

그림 2: WireLock 커넥터는 최대 40개 접점이 있으며 USCAR2 V2 및 LV214 S2를 준수합니다. (이미지 출처: Amphenol)

방수 및 강화 USB Type-C

USB Type-C 연결은 산업 환경과 열악한 환경을 포함한 많은 응용 분야에서 필수적입니다. 프로토콜이 아닌 커넥터 스타일을 정의하며 최대 10Gb/s의 데이터 전송과 전력 공급을 지원할 수 있습니다. USB 연결뿐만 아니라 Thunderbolt, PCIe(Peripheral Component Interconnect Express), HDMI(고화질 멀티미디어 인터페이스), DisplayPort 및 기타 프로토콜에도 사용할 수 있습니다.

최대 데이터 속도를 지원하기 위해 핀, 래치, EMC 시트 등 커넥터의 모든 접지 부품은 공진을 줄이기 위해 접지되어 있습니다. 공진 제어는 누화 및 전자파 장해(EMI)를 제한하고 커넥터 성능을 개선하는 데 기여합니다.

Amphenol은 방수 및 강화 버전의 USB Type-C 커넥터를 제공합니다. 방수 USB Type-C 커넥터는 IP68 등급으로 분류되며 장시간 침수로부터 보호됩니다. 방수 기능은 커넥터 외부에 방수 고무 O링을 만들어 스테인리스강 셸이 완전히 밀폐되도록 하는 Amphenol의 액상 사출 성형(LIM) 공정을 통해 이루어집니다. 이 24핀 커넥터의 정격 결합 주기는 10,000회입니다.

일부 응용 분야의 경우 방수 기능만으로는 충분하지 않습니다. 설계자는 이러한 응용 분야를 위해 MUSBR Rugged Type-C USB 커넥터를 사용할 수 있습니다. 방수 버전과 마찬가지로 이 강화된 커넥터의 정격 결합 주기는 10,000회입니다.

이 커넥터에는 충격, 진동으로부터 보호하는 안정성을 제공하는 니켈 도금 주물 아연 합금 셸에 UL94V-0 등급의 검은색 엔지니어링 열가소성 플라스틱 하우징이 실장되어 있습니다. 후면 덮개는 스테인리스강이며 전도성 실리콘 고무 개스킷 시일은 IP67 등급 및 -40°C ~ +105°C 작동 온도를 지원합니다(그림 3).

그림 3: Amphenol은 방수(왼쪽) 및 강화(오른쪽) 버전의 USB Type-C 커넥터를 제공합니다. (이미지 출처: Amphenol)

내후성 이더넷

산업용 이더넷은 Industry 4.0 시설에서 실시간 제어 및 결정론을 지원하는 여러 프로토콜(EtherCAT, 이더넷/IP, PROFINET, Modbus TCP 등)을 사용할 수 있습니다. Amphenol은 특정 응용 분야의 요구 사항에 적합한 다양한 산업용 이더넷 솔루션을 제공합니다. 이러한 솔루션의 IP 등급은 IP20 ~ IP67입니다.

NDH 계열 밀폐형 ix 산업용 래칭 인터페이스는 IP67 등급의 내후성을 갖춘 직사각형 푸시풀 커넥터 및 케이블 솔루션이며, 실내, 실외 및 열악한 환경에서 사용할 수 있도록 내UV성 하우징에 실장되어 있습니다. 또한 표준 IEC 61076-3-124 결합 인터페이스를 사용하여 Cat6A 이더넷 연결을 지원합니다. 기능은 다음과 같습니다(그림 4).

• 푸시풀 포지티브 잠금 래치 메커니즘
• 작고 가벼운 폼 팩터
• 현장 종단 가능 플러그 키트 또는 사전 제작된 케이블 조립품으로 제공
• 표준 IP20 ix 산업용 리셉터클과 결합

그림 4: 이 내후성 산업용 이더넷 커넥터(검은색 조립품)는 IP67 등급이며 자외선 차단 하우징에 실장되어 있습니다. (이미지 출처: Amphenol)

열악한 환경을 위한 M12

Amphenol은 MPronto-12 M12 푸시풀 커넥터를 포함하여 열악한 환경을 위한 다양한 제품 솔루션을 제공합니다. MPronto-12 플러그는 모든 M12*1.0 소켓과 결합되며 모든 제조업체의 IEC 61076-2-101을 준수합니다. 이러한 솔루션은 IP67, IP68, IP69K 침투 보호 등급을 충족하고 M12 A, B, D, K, L, S, T, X 코드를 지원하므로 산업 자동화, 중장비, 전기 차량, 자재 관리 장비와 같은 응용 분야에서 시스템 성능을 빠르고 쉽게 업그레이드할 수 있습니다. 추가적인 특징에는 다음이 포함됩니다.

• -20°C ~ +105°C의 작동 온도
• 설치 시간 80% 이상 절약
• 포지티브 결합을 보장하는 가청 클릭
• 결합 쌍을 필요로 하는 경쟁업체 M12 푸시풀 커넥터에 비해 크기가 작음

필터링 D 서브

FCE17 D 서브 필터 커넥터는 전도성 및 복사성 EMI의 전파 방해를 필터링하여 데이터 신호의 무결성을 보호합니다. 이 커넥터는 자동차, 산업, 의료, 데이터 통신 및 에너지 산업을 위해 설계되었습니다.

제공되는 필터링은 시스템 인쇄 회로 기판(PCB)에 실장된 동일한 필터 부품의 성능을 능가하며, 커넥터에 필터 부품을 결합하면 솔루션 크기와 비용을 줄일 수 있습니다. 이러한 필터링 커넥터는 비필터링 표준 커넥터의 실장 면적에 들어맞으며 간단한 EMI 성능 업그레이드를 지원합니다.

다양한 필터링 요구 사항을 충족하기 위해 표준 값 50pf에서 47000pf에 이르는 다양한 저임피던스 칩 커패시터(NP0 또는 X7R 유전체)를 사용할 수 있습니다. 맞춤형 정전 용량 값도 사용할 수 있습니다.

Amphenol의 응력 분리 기술은 기계적 충격 및 열 충격 성능이 뛰어난 커넥터를 생산합니다. 커넥터나 접점에 기계적 응력이 가해져도 필터 소자에 균열이 생기거나 전기 연결이 끊어지지 않습니다. 또한 외부 EMI와 장치에서 발생하는 복사 및 전도성 방출이 접지로 션트되어 EMC 성능이 향상됩니다.

드론 및 로봇의 교체형 배터리

창고와 공장의 드론, 로봇, e-모빌리티 시스템을 위한 교체형 배터리 시스템 설계자는 DURASWAP 교체형 배터리 커넥터 솔루션을 사용할 수 있습니다. 이러한 솔루션은 2가지 전력 및 6가지 신호 구성으로 제공되며 맞춤형 설계도 제공됩니다. 15A ~ 70A의 지속 전류를 전달할 수 있으며 정격 결합 주기는 10,000회입니다.

블라인드 결합은 ±2mm 플로트로 지원됩니다. FMLB(First-Mate Last-Break) 기술을 사용하면 전력 연결 전에 접지 연결이 형성되고 전력 연결이 끊어진 후에도 접지 연결이 유지됩니다. 패널 패스닝용 금속 부싱은 높은 토크 부하를 견딜 수 있어 패널 IP 밀봉에 적합합니다. 기타 기능은 다음과 같습니다(그림 5).

• 적절한 결합을 보장하는 가이드 핀
• 결합 및 분리 상태에서 IP67 등급
• UL94V-0 정격 하우징 소재
• 작동 온도 범위: -20°C ~ +90°C

그림 5: 이 전력 커넥터는 FMLB 기술을 포함하며 ±2mm 플로트를 통해 블라인드 결합을 지원합니다. (이미지 출처: Amphenol)

결론

이 기사에서는 열악한 극한 환경에서 사용하기 위한 커넥터를 지정할 때 고려해야 할 몇 가지 사항을 살펴봤습니다. USCAR-2와 LV214 진동 테스트를 구분해야 하는 경우도 있습니다. 점점 더 많은 시스템이 실외에서 사용됨에 따라 내후성과 방수의 차이와 다양한 수준의 방수 성능을 구분하는 것이 중요합니다. 마지막으로 응용 분야별 고려 사항에는 전력 커넥터에 FMLB 기술 사용, 고속 데이터 커넥터의 통합 EMI 필터링이 포함될 수 있습니다.