Richtlijnen voor het kiezen van connectoren

Bij het integreren van een willekeurig type elektronische of elektrische connector in een ontwerp moet een aantal fundamentele keuzes worden gemaakt – met name op het gebied van de elektrische en fysieke eigenschappen die de toepassing in kwestie vereist. Binder maakt industriële ronde connectoren, maar de basisaspecten van de connectorkeuze zijn van toepassing op alle meerpolige connectoren.

De stroomsterkte, spanning en het aantal contacten zijn, samen met de doorsnede van de kabel, de afschermingsgraad en de vereiste milieubescherming, allemaal direct van invloed op de keuze van de juiste connector. Dit geldt eveneens voor de fysieke kenmerken met betrekking tot de eindverbinding die de connector zal hebben, de manier van insteken en de beschikbare ruimte zowel in het product als extern.

De spanningsklasse van de connector

De nominale spanning en stootspanning of overspanningscategorie worden bepaald volgens IEC60664-1 ‘Isolatiecoördinatie voor apparatuur binnen zwakstroomsystemen’. Dit is een fundamentele veiligheidsnorm voor isolatiecoördinatie, het specificeren van vrije ruimten, kruipafstanden en vaste isolatie – waarbij rekening wordt gehouden met de spanning en piekspanning, evenals met de verwachte vervuilingsgraad.

Classificatie van isolatiematerialen gebeurt op basis van hun comparatieve tracking-index (CTI – het bijhouden van de weerstand) die de eigenschappen van het materiaal op het gebied van elektrische doorslag (tracking) aangeven. Drie duidelijke categorieën onderscheiden de overspanningsvereisten. Laagspanningsinstallaties waarbij zich geen overspanning voordoet vormen de eerste categorie. De tweede betreft installaties waarbij sprake kan zijn van wisselende overspanningswaarden, zoals bijvoorbeeld bij huishoudelijke apparaten. De derde categorie breidt dit uit naar secondaire circuits zoals relais, schakelaars en andere apparaten.

Figuur 2. De belastingsreductiekromme geeft de relatie weer tussen stroom, de gegenereerde temperatuurtoename en de omgevingstemperatuur. 

De verwachte vervuiling rond de connector is verdeeld in vier gradaties. De eerste betreft situaties zonder geleidende vervuiling, zoals je bijvoorbeeld binnenin een apparaat kunt aantreffen. De tweede omvat niet-geleidende vervuiling en tijdelijke condensatie zoals bij huishoudelijke apparaten. De derde gaat over geleidende vervuiling zoals die zich kan voordoen bij werktuigmachines. De vierde gradatie is hardnekkige geleidende vervuiling veroorzaakt door dingen zoals stof, regen of sneeuw bij voertuigen van het openbaar vervoer en andere toepassingen in veeleisende omgevingen. Deze factoren bepalen de afmetingen van de vrije ruimte en kruipafstanden die belangrijk zijn voor het bepalen van de fysieke afmetingen van de connector (zie figuur 1).

Stroombelastbaarheid

De stroom die continu en gelijktijdig door alle contacten kan gaan en die je bepaalt door testen, in overeenstemming met IEC60512-3, is de stroombelastbaarheid. De nominale stroom is altijd bij een gespecificeerde temperatuur, aangezien de thermische eigenschappen van de geleider en de isolatiematerialen de stroombelastbaarheid limiteren. Het totaal van de omgevingstemperatuur en de door de stroomdoorgang gecreëerde temperatuur mag de bovengrenstemperatuur van de connector niet overschrijden.

Dit betekent dat de stroombelastbaarheid geen vaste waarde is, maar afneemt bij een toenemende omgevingstemperatuur. De belastingsreductiekromme geeft de relatie weer tussen stroom, de gegenereerde temperatuurtoename en de omgevingstemperatuur (figuur 2). In de praktijk is het niet waarschijnlijk dat je alle contacten tegelijkertijd belast met de nominale stroom en daarom kunnen sommige contacten een hogere stroomsterkte hebben.

Bescherming, elektromagnetische compatibiliteit (EMC)

Doordat apparatuurfabrikanten steeds hogere eisen stellen aan afscherming tegen elektromagnetische interferentie (EMI), vereisen steeds meer toepassingen afgeschermde kabelsystemen die connectoren met goede afschermingseigenschappen nodig hebben. Voor optimale resultaten is 360°-afscherming nodig en aangezien de afname van afscherming in dB van de frequentie afhangt, zullen dergelijke connectoren een grote mate van afname vertonen over een brede frequentieband.

Bescherming tegen het binnendringen van stof en water en weerstand tegen chemicaliën
IEC60529 definieert de beschermingsklassen tegen indringing van externe invloeden zoals stof, vreemde voorwerpen, vocht en water. De IP-beschermingsgraad bestaat uit twee delen. Het eerste deel (0-6) geeft de weerstand aan tegen vaste voorwerpen en stof; het tweede deel (0-9K) geeft de weerstand tegen water aan. De meeste industriële connectoren hebben een IP-beschermingsgraad van IP65 en hoger. Veel hebben beschermingsgraad IP67 voor tijdelijke onderdompeling in water, of de ultieme norm IP69K voor bescherming tegen hoge waterdruk en stoomreiniging. Het is een veelvoorkomend misverstand dat IP68 een norm zou zijn voor alle toepassingen, maar IP68 betreft continue onderdompeling in water met een tussen de fabrikant en gebruiker overeengekomen test.

Contacten en eindverbindingsmethoden

Sterkte van het contact, veereigenschappen, elektrische geleiding en bedrijfstemperatuur worden bepaald door de materialen die je gebruikt. Hoogwaardige contacten maken gebruik van koperlegeringen voor de contacten zelf, messing voor de stekkers en fosforbrons voor de contactdozen, want deze zijn sterk, geleiden goed en bieden temperatuurstabiliteit. Fosforbrons heeft ook uitstekende veereigenschappen. Bovendien zorgt vergulding of verzilvering voor een hoog niveau van geleiding en weerstand tegen corrosie, en garandeert meer dan 500 insteekcycli. Vergulding zorgt tevens voor een contactweerstand van 3mΩ of minder, waardoor dit type connectoren bijzonder geschikt is voor laagspanningstoepassingen in het mA-bereik.

M12 ronde connectoren ontworpen voor buitengebruik.  

Denk ook goed na over hoe de eindverbinding van de kabel moet zijn. Dit hangt af van de toepassing en de productiehoeveelheden. Hoewel je met solderen de betrouwbaarste en beste elektrische verbindingen maakt, vereist dit het werk van vakmensen. Krimpafsluitingen zijn een snelle en eenvoudige methode, maar hiervoor is duur krimpgereedschap nodig. Schroefklemverbindingen zijn de beste oplossing voor veldbekabeling.

Materialen voor connectoren

Metalen connectoren van goede kwaliteit zijn van messing omdat dit materiaal sterk en goed bewerkbaar is. Om kosten en gewicht te verlagen gebruikt men steeds vaker gegoten zink of een aluminiumlegering, terwijl de metalen onderdelen vanwege corrosiebestendigheid of om esthetische redenen verchroomd, geanodiseerd of van nikkel kunnen zijn. Een laagje nikkel van tussen de 8 tot 10 micron biedt goede bescherming en voor veeleisende toepassingen is het gebruik van roestvrij staal het overwegen waard.

De huidige trend richt zich op goedkope, lichte en robuuste connectoren die geheel uit kunststof bestaan, zoals de binder-series 620, 720 en 770. Hiervoor gebruikt men bij voorkeur polyamide omdat het een stevig, niet-schurend materiaal is dat bestand is tegen oplosmiddelen en temperaturen tot 120°C.

Voor de vervaardiging van contactdragers en inzetstukken is polybutyleentereftalaat (PBT) het beste materiaal vanwege de isolerende eigenschappen, uitstekende chemische weerstand en vorm- en temperatuurstabiliteit tot 85°C.

Insteeksystemen

Hoe vaak je de connector moet insteken en de IP-vereisten zelf hebben een grote invloed op het soort insteeksysteem en de gekozen methode heeft weer een grote impact op de prijs van de connector.
Snap-in-connectoren kun je snel en eenvoudig op hun plaats insteken en zijn over het algemeen de goedkoopste oplossing. Door recente ontwikkelingen zijn deze nu verkrijgbaar met een beschermingsgraad tot IP67 en bieden zo een kostenbesparende oplossing met hoge prestaties. Bajonetconnectoren bieden een meer betrouwbare insteekmethode maar de manier waarop ze ontworpen zijn houdt in dat het beschermingsniveau meestal beperkt is tot IP40.

Metalen push-pull-connectoren kunnen duur zijn. De trend richting kunststofversies heeft echter geholpen om de kosten te verlagen en een snel-aansluitbare IP-67-connector is nu voorzien van enige bescherming tegen het per ongeluk losraken.

Connectoren voor ruwe omstandigheden.  

Schroefconnectoren bieden de beste bescherming tegen losraken en uitstekende IP-prestaties, maar helaas zijn ze vaak het duurste type connectoren, vooral de metalen uitvoeringen.

Maatwerk

Soms is de beste oplossing voor een bepaalde toepassing niet verkrijgbaar als standaard product en moet men een specifieke connector ontwikkelen. Hoe eerder de fabrikant van de connector bij het ontwerp betrokken is, hoe effectiever en rendabeler de oplossing zal zijn. Een maatoplossing kan gevonden worden door een standaard connector aan te passen of door een product geheel op maat te ontwerpen. Deze laatste optie is niet alleen de optimale oplossing, maar zorgt er ook voor dat het intellectuele eigendom van de klant beschermd is.

Er het allerbeste van maken

Hoewel ontwerpers connectoren vaak als bijzaak zien, zijn ze een cruciaal onderdeel van elk systeem. Een connector met het juiste formaat, de juiste elektrische eigenschappen, het juiste afschermingsniveau en de beste methode voor de eindverbinding en insteken, zal de prestaties en kosteneffectiviteit van elk systeem optimaliseren.

En tot slot moeten we niet vergeten dat, zoals geldt voor alle componenten van elk systeem, een connector niet alleen uit technisch oogpunt het juiste product moet zijn, maar ook onderhoud en ondersteuning vraagt, waar je die connector ook gebruikt. Derhalve moet het ontwerp hierop zijn afgestemd.