Nowoczesne kable, złącza i osprzęt kablowy

W przemyśle do częstych zagrożeń dla okablowania zaliczyć można występowanie ekstremalnie niskich i wysokich temperatur, ognia, zaburzeń elektromagnetycznych i promieniowania. Specjalne wymagania dotyczą też kabli podziemnych (o tym więcej w ramce) oraz podwodnych. Od omówienia tej problematyki rozpoczynamy artykuł.

Wpływ niskich temperatur

Ekstremalnie niskie temperatury to w przypadku kabli istotne czynniki ryzyka wystąpienia problemów z użytkowaniem. W takich warunkach zmieniają się parametry elektryczne i właściwości fizyczne przewodów.

Skutkiem niskich temperatur jest zwiększenie rezystancji przewodnika, a to może prowadzić do kilku problemów. Wzrost rezystancji zwiększa spadki napięcia na całej długości kabla. To ma wpływ na wydajność przesyłu i dystrybucji mocy. Paradoksalnie również większa rezystancja powoduje, że w przewodniku pod wpływem przepływającego prądu wydzielać się będzie większa ilość ciepła. To może prowadzić do przegrzania kabla, jeśli przekroczona zostanie jego obciążalność prądowa.

Niskie temperatury powodują także, że materiał izolacyjny otaczający przewodnik staje się kruchy, przez co łatwo pęka i się łamie. Niektóre tworzywa, jak PVC, są bardziej podatne na ten efekt, zaś inne, jak usieciowany polietylen XLPE, mniej. Warto dodać, że często powtarzające się cykle spadków i wzrostów temperatur przyspieszają degradację izolacji. To prowadzi do jej jeszcze większej kruchości.

Ponieważ w niskich temperaturach tworzywa sztuczne tracą elastyczność, sztywne kable trudniej się układają, szczególnie w ciasnej przestrzeni i w narożnikach i łatwiej je uszkodzić podczas montażu. Poza tym w takich warunkach maleje wytrzymałość dielektryczna izolacji. Rośnie przez to ryzyko wyładowań i zwarć. Zimno sprzyja także absorpcji wilgoci, zwłaszcza gdy w izolacji albo osłonie kabla są otwory. To przyspiesza korozję. Ponadto woda, która wniknęła do środka, zamarzając, może kabel rozsadzić.

Kable do zastosowań podziemnych Rozwiązywanie problemów aplikacyjnych Kablom prowadzonym pod ziemią zagrażać mogą między innymi niewłaściwie prowadzone wykopy, ale też klęski żywiołowe – zwłaszcza powodzie czy rozległe pożary. Dlatego wymagają specjalnych rozwiązań konstrukcyjnych, zabezpieczających je przed wpływem wymienionych czynników. Niewątpliwie jednym z powyższych jest woda, która powoduje korozję metalowych ekranów i przewodów. Narażone są na nią kable zakopane w strefie zalewowej albo w bardzo wilgotnym gruncie pod drogą wodną. Przed wodą zabezpiecza się je wielostopniowo. Przykładem jest ochrona trzystopniowa składająca się z: taśmy półprzewodzącej, taśmy pęczniejącej pod wpływem wody oraz wodoodpornych włókien. Pierwsza stanowi podłoże z PET pokryte jedno- lub obustronnie półprzewodzącym polimerem. Oprócz tego, że zapobiega ona korozji elektrolitycznej metalowych części kabla, wyrównuje rozkład pola i zapewnia kontakt elektryczny z uziemieniem. Z kolei taśmy, które pęcznieją pod wpływem wody, mają za zadanie wchłonąć ją w miejscu przerwania izolacji i, dzięki szybkiemu wzrostowi swojej objętości, zablokować jej głębsze wnikanie. Ogranicza to rozwój uszkodzenia, zabezpiecza je i ułatwia jego zlokalizowanie oraz naprawę. Swoje właściwości tego typu taśmy zawdzięczają napyleniu proszków stanowiących mieszankę superchłonnych polimerów. Są to materiały, które są w stanie wchłonąć wodę w ilości od kilkuset do nawet tysiąca razy większej, niż same ważą. A co ważniejsze – nie uwalniają jej, nawet pod ciśnieniem. Superchłonnymi polimerami impregnuje się też włókna wodoodporne. Powyższe sposoby ochrony są zaliczane do kategorii suchych. Alternatywą jest uszczelnienie kabli nieprzepuszczalnym dla wody żelem, który wypełnia w nich wszystkie wolne przestrzenie. Jego ograniczenia to: "brudne" i wolniejsze łączenie przy instalacji oraz cięższy kabel.

Kable ognioodporne

Specjalnej uwagi wymagają instalacje, w których występuje zagrożenie pożarem. Korzysta się w nich z kabli ognioodpornych, które w razie zapalenia się zachowują swoją funkcję, tzn. dostarczają zasilanie albo transmitują sygnał. Jest to zagwarantowane przez określony czas. Taką wytrzymałość zapewniają specjalne materiały, z których wykonywane są ich komponenty.

Temperatura topnienia przewodników w kablach ognioodpornych musi przekraczać +800°C. Ten wymóg dyskwalifikuje aluminium, którego temperatura topnienia nie przekracza +700°C. Spełnia go natomiast miedź, która topi się dopiero w temperaturze powyżej +1000°C. Ważne, by przewodnik w kablu ognioodpornym miał odpowiednią grubość – zaleca się, by pole powierzchni jego przekroju przekraczało 1 mm². Cieńsze przewody łatwo pękają z powodu lokalnego przegrzania. Ponadto ze względu na możliwość uszkodzenia taśmy mikowej w kablach ognioodpornych nie jest zalecane układanie żył sektorowo, czyli w kształt wycinka koła, ale tak, by uformowały koło. Jeżeli z kolei chodzi o same taśmy mikowe, w kablach tego typu powinno się wykorzystywać te wykonane z miki syntetycznej, która jest odporniejsza na wysokie temperatury niż naturalna z flogopitu. Popularnymi materiałami izolacyjnymi w kablach ognioodpornych są PE i XLPE.

W instalacjach, w których występuje zagrożenie pożarowe, trzeba korzystać z kabli wykonanych z tworzyw bez halogenów stosowanych, aby uzyskać określone właściwości tworzyw sztucznych. Do tych zaliczanych jest pięć pierwiastków: fluor, chlor, brom, jod oraz astat. Materiały je zawierające łatwo można rozpoznać, gdyż pierwiastki te są częścią ich nazwy. Przykłady to: polichlorek winylu, kauczuk chloroprenowy, propylen fluoroetylenowy i fluoropolimery. Tworzywa te podczas spalania się wydzielają trujące i korozyjne gazy, które w połączeniu z wodą tworzą żrące ciecze. Stanowi to zagrożenia dla mienia i zdrowia ludzi.

Przewody wysokotemperaturowe Case study Firma używająca termopar do monitorowania wysokotemperaturowego procesu, na skutek wycofania się dotychczasowego dostawcy z rynku, straciła dotychczasowy dostęp do kabli do podłączania tych czujników do sterownika. Stosowane przewody wciąż można było rozpoznać po kolorze izolacji nawet przy pracy w temperaturach powyżej 600°C. Wypróbowane podczas testów kable z oferty innych producentów blakły już w temperaturze około 300°C. W efekcie rozpoznanie poszczególnych przewodów było trudne, a to wydłużało serwisowanie, powodowało błędy przy podłączaniu i w rezultacie przestoje. Aby temu zaradzić, zlecono zaprojektowanie niestandardowego okablowania. Jako materiał izolacji wybrano odporne na wysokie temperatury włókno szklane w kolorze białym, nadające się do impregnowania pigmentami. Te musiały mieć specjalny skład. Wymagany był również niestandardowy sposób ich aplikacji. Po zanurzeniu w nich włókna szklanego należało je poddać suszeniu etapami, zmieniając temperaturę. Utrwalone w ten sposób kolory nie blakły nawet w temperaturach powyżej 700°C.

Ekrany

Okablowanie może być źródłem, jak i odbiornikiem zaburzeń elektromagnetycznych pochodzących z innych kabli i urządzeń w sąsiedztwie, takich jak na przykład silniki i transformatory. Nie jest to korzystne, bo zakłóca szczególnie transmisję danych w systemach pomiarowych i sterowania. Aby temu zapobiec, przewody kabli, pojedynczo lub zbiorczo, ekranuje się. Osłony zwykle wykonuje się z folii metalizowanej. Mogą również mieć postać oplotu. Czasem, w celu zwiększenia efektywności tłumienia zaburzeń, wykorzystuje się jednocześnie oba typy ekranów.

Zalety folii metalizowanej to: możliwość pokrycia całej powierzchni kabla, dzięki małej grubości możliwość ekranowania kabli z wieloma żyłami, duża skuteczność ekranowania w zakresie dużych częstotliwości, niski koszt, elastyczność. Najważniejsze zalety ekranów w postaci oplotu to z kolei: giętkość, łatwość wykonania połączenia elektrycznego, większa wytrzymałość mechaniczna oraz skuteczność ekranowania w porównaniu do ekranów z folii metalizowanej. Plecionka nie pokrywa jednak kabla w całości. Ponadto jest grubsza i droższa. Słabe strony ekranów z folii metalizowanej to natomiast: niska wytrzymałość na zginanie i mała skuteczność ekranowania w zakresie niskich częstotliwości.

Kable wielożyłowe Case study W firmie produkującej siłowniki zmodernizowano system ich testowania. Obowiązująca do tej pory procedura wymagała podłączenia określonych przewodów systemu inspekcji do odpowiednich wejść siłownika. Dla usprawnienia tego zadania już od dekady w tym zakładzie był wykorzystywany ustalony kod kolorów przewodów. Aby zapobiec pomyłkom przyzwyczajonych do niego operatorów, trzeba było go odtworzyć w nowej konfiguracji. Wymagało to wykonania niestandardowego okablowania. W tym celu skonstruowano 34-żyłowy kabel. Składał się z dwóch indywidualnie izolowanych par ekranowanych i jednej wspólnie ekranowanej trójki przewodów do transmisji danych, dwudziestu trzech oddzielnych przewodów do przesyłania sygnałów sterujących i czterech przewodów zasilających. Wszystkie przewody zostały wykonane z miedzi cynowanej z izolacją PVC w kolorach zgodnych z obowiązującym kodem kolorów. Osłonę zewnętrzną również wykonano z PVC.

Skutki promieniowania

Na kable wpływa również promieniowanie. Przykładem jest promieniowanie UV, na które narażone jest okablowanie użytkowane na zewnątrz budynków. Wpływa ono negatywnie głównie na trwałość tworzyw sztucznych, z których wykonuje się osłony. Przyczyną tego jest zjawisko fotoutleniania (fotooksydacji). Jest ono skutkiem działania promieniowania UV w obecności tlenu. W jego wyniku napromieniowane cząsteczki materiału ulegają degradacji. To powoduje rozrywanie ich łańcuchów i powstawanie wolnych rodników, które jeszcze bardziej niszczą strukturę tworzywa sztucznego. W konsekwencji materiały osłon kabli starzeją się znacznie szybciej i stają się kruche.

Tworzywa sztuczne są w różnym stopniu podatne na szkodliwe oddziaływanie promieniowania UV. Przykładowo odporne na ten czynnik są: poliuretan, który co prawda może pod wpływem promieni słonecznych blaknąć, ale zachowuje elastyczność, różnego typu gumy oraz silikon. Do tej kategorii nie można natomiast zaliczyć tworzyw termoplastycznych, jak na przykład PVC. Główny sposób na zabezpieczenie tworzywa sztucznego przed wpływem promieniowania ultrafioletowego to dodanie do niego w procesie produkcji substancji absorbujących promienie UV. Popularnym sposobem jest na przykład zaczernienie materiału przez dodanie do niego sadzy.

W pewnych zastosowaniach uwzględnić trzeba również wpływ promieniowania jonizującego, które sprawia, że tworzywo sztuczne staje się kruche, sztywniejsze, zmienia się jego kolor, zapach i może pękać. Grozi to m.in. kablom w sprzętach, na przykład medycznych, poddawanych sterylizacji i tym w elektrowniach jądrowych. W tych ostatnich prognozowanie długoterminowej trwałości osłon z tworzyw sztucznych ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia bezpieczeństwa jądrowego. Wynika to stąd, że nawet w normalnych warunkach eksploatacji instalacji nuklearnej kable elektryczne są narażone na spore dawki promieniowania, a ich wymiana jest często trudna albo w ogóle niemożliwa.

Światłowody

W kablach światłowodowych informacja transmitowana jest w postaci impulsów świetlnych rozchodzących się wzdłuż rdzenia pokrytego płaszczem. Promienie ulegają wewnątrz kolejnym całkowitym odbiciom. Światłowody dzieli się na szklane, wykonywane z charakteryzującego się dużą przezroczystością szkła kwarcowego, i plastikowe. Produkuje się także kable, w których rdzeń jest szklany, a płaszcz jest wykonany z tworzywa sztucznego. Ze względu na sposób propagacji promieni świetlnych w rdzeniu wyróżnia się włókna jednomodowe oraz wielomodowe.

Kable światłowodowe mają budowę warstwową. Rdzeń i płaszcz otaczają powłoki ochronne, których liczba i typ zależą od przeznaczenia okablowania (do wykorzystania wewnątrz budynku, na zewnątrz, w nietypowych warunkach) i sposobu jego prowadzenia (pod ziemią, w kanale, jako kable samonośne, podwieszane).

Pierwszą warstwą jest zazwyczaj tuba z tworzywa sztucznego. Chroni ona włókno przed wpływem zewnętrznych czynników i wzmacnia konstrukcję kabla, zapobiegając powstawaniu mikropęknięć z czasem prowadzących do złamania światłowodu. Tubę wykonuje się jako szczelnie przylegającą do włókna światłowodu albo luźną, wypełnioną żelem o specjalnych właściwościach (na przykład tiksotropowym, czyli zmieniającym swoją lepkość pod wpływem mechanicznych oddziaływań). W tubie luźnej umieszcza się zwykle kilka włókien.

Kolejną warstwę stanowi taśma wchłaniająca wilgoć. Pokrywa się ją powłoką wzmacniającą, na przykład z kevlaru, która zwiększa wytrzymałość kabla na rozciąganie. W przypadku konstrukcji wzmocnionych następna jest wewnętrzna powłoka z tworzywa sztucznego, na którą nakłada się stalową siatkę zabezpieczającą na przykład przed pogryzieniem przez gryzonie. Ostatnią warstwą ochronną jest zewnętrzna koszulka z tworzywa sztucznego o odpowiednich właściwościach, na przykład odpornego na ścieranie, wpływ promieni ultrafioletowych, spełniającego wymagania norm przeciwpożarowych w zakresie nierozprzestrzeniania płomieni.

Zalety światłowodów

Istnieje kilka powodów, dla których światłowody stanowią alternatywę dla kabli miedzianych – szczególnie w wymagających zastosowaniach, takich jak przemysł. Istotna jest zwłaszcza ich duża odporność na czynniki powodujące pogorszenie jakości transmisji, na przykład skrajne temperatury, wilgotność i zjawiska atmosferyczne (śnieg, deszcz, formowanie się lodu), na które okablowanie jest narażone, jeżeli jest prowadzone na zewnątrz budynku.

Ponadto dzięki temu, że informacja jest przesyłana w postaci impulsów świetlnych, światłowody nie zakłócają pracy urządzeń w swoim otoczeniu ani nie są wrażliwe na zaburzenia elektromagnetyczne emitowane przez sąsiednie maszyny i przesłuchy od przewodów miedzianych prowadzonych w pobliżu.

Można je także bez obaw umieszczać w kanale kablowym w pobliżu przewodów zasilających. Brak sygnałów elektrycznych zapewnia również całkowitą separację galwaniczną między węzłami sieci światłowodowej. Minimalizuje to prawdopodobieństwo zniszczenia urządzeń sieciowych w wyniku przepięć powstałych przykładowo na skutek wyładowań atmosferycznych lub przebić od urządzeń pod napięciem.

Światłowody nie stwarzają także zagrożenia zapłonem wywołanym iskrą elektryczną, dzięki czemu jest to bezpieczne medium w rejonach zagrożonych wybuchem. Ponieważ praktycznie niemożliwe jest podłączenie się z zewnątrz do kabla tego typu, łącza światłowodowe gwarantują bezpieczną transmisję danych. W przypadku sieci o dużej liczbie przewodów istotna jest lekkość okablowania światłowodowego. Oprócz możliwości przesyłu danych na większych odległościach w porównaniu do kabli miedzianych, światłowody zapewniają też znacznie większą szybkość transmisji.

Przepusty kablowe

Złącza przemysłowe zbudowane są z następujących komponentów: dławnicy kablowej, obudowy wtyczki, wkładów męskiego i żeńskiego ze stykami oraz obudowy gniazda. Pierwsza pełni złożoną funkcję. Przede wszystkim dławnica kablowa pozwala na przeprowadzenie kabla przez otwory w obudowach maszyn lub innych urządzeń. Oprócz możliwości zamocowania zapewnia uszczelnienie wejścia kabla. Dzięki temu do urządzenia nie wnikają zanieczyszczenia, jak kurz, pyły, płyny, które mogłyby je uszkodzić. Dodatkowo chroni kabel przed skręcaniem się i nadmiernym zużyciem w wyniku częstego zginania, a jego końcówkę przed uszkodzeniem. Zabezpiecza go również przed przypadkowym wyciągnięciem albo wyrwaniem.

Główne komponenty dławnicy to: korpus, którym prowadzony jest kabel, uszczelki i mocowania (nakrętki). Korpus wykonuje się z materiałów odpornych na uszkodzenia mechaniczne i agresywne czynniki środowiskowe. Dostępne są dławnice z tworzyw sztucznych i metali. Pierwsze są tańsze i sprawdzają się w większości zastosowań. Przeważnie plastikowe korpusy dławnic wykonuje się z tworzyw sztucznych jak poliamid i nylon. Popularne metale w tym zastosowaniu to natomiast: stal nierdzewna, mosiądz niklowany galwanicznie, aluminium. Korpusy metalowe są trwalsze od tych z tworzyw sztucznych, ponieważ charakteryzuje je większa odporność na różnego rodzaju obciążenia mechaniczne, naprężenia oraz korozję.

Jak zamontować dławnicę?

Korpus składa się z części stykowej, która może mieć pierścienie uszczelniające, dzięki czemu nie są potrzebne dodatkowe uszczelki oraz części nagwintowanej. Dostępne są różne długości i rodzaje gwintów. Uszczelnienia wykonuje się z materiałów o różnych właściwościach, na przykład o dużej wytrzymałości na wysokie temperatury. Częścią dławnic są też nakrętki. Przykładem są te mocujące przewód, których dokręcenie powoduje zaciśnięcie się uszczelki i mechaniczne zamocowanie kabla w przepuście. Ich wewnętrzna strona może być ożebrowana. Ożebrowanie to zaczepia o skrzydełka na korpusie dławnicy. To zabezpiecza nakrętkę przed odkręceniem pod wpływem drgań. Poza tym skrzydełka dociskane nakrętką zaciskają na przewodzie gumową uszczelkę, co zwiększa stopień ochrony IP. Nakrętki słusłużą również do mocowania dławnicy w otworze niegwintowanym.

Przepusty kablowe montuje się w otworach gwintowanych albo przelotowych. Pierwsze podejście sprawdza się, jeżeli ściana obudowy wykonana jest z materiału grubszego, a zatem otwór w niej jest głębszy niż część nagwintowana dławnicy. Wlot ten musi być odpowiednio nagwintowany. Drugi sposób praktykuje się w przypadku, gdy ściana obudowy jest za cienka, by możliwe było wkręcenie dławnicy. Wówczas jest ona do niej przymocowywana za pomocą nakrętki.

Czasem trzeba zamontować dławnicę w otworze w obudowie za dużym lub zbyt małym w stosunku do jej rozmiarów. Ma to miejsce zazwyczaj w razie wymiany kabli na te o mniejszej albo większej średnicy w stosunku do tych wprowadzanych danym wlotem wcześniej. Wówczas korzysta się z adapterów, które wypełniają nadmiarową przestrzeń albo wpasowują się w tę ograniczoną, która jest dostępna. W obu przypadkach ich wewnętrzna średnica jest zgodna z rozmiarem dławnicy, którą wmontowuje się w adapter.

Jak dobierać korytka i prowadnice? Korytka są przeznaczone do zastosowań stacjonarnych. Kable nimi prowadzone są chronione przed zanieczyszczeniami lub wentylowane, w zależności od konstrukcji zamkniętej lub otwartej. Korytka pozwalają też separować różne typy kabli. Dostępne są w wykonaniu z różnych materiałów, m.in. stali nierdzewnej, aluminium, tworzywa sztucznego, włókna szklanego. Prowadnice przeznaczone są do zastosowań o dużej dynamice ruchu, jak roboty, obrabiarki i duże maszyny przemysłowe. Mogą wytrzymać ciężar dużej liczby kabli i ograniczają promień gięcia, a dzięki temu naprężenia z nim związane, zwykle ograniczając gięcie do jednej płaszczyzny. Chronią również okablowanie przed uszkodzeniem, zapobiegając jego splątaniu się, zgniataniu, zwisaniu, naciąganiu, zużyciu ściernemu i zaczepieniu o ruchome elementy maszyny. Kluczowe parametry przy wyborze prowadnicy to minimalny promień gięcia oraz wymiary. Jeżeli chodzi o pierwszy parametr, dla elektrycznych kabli zasilających i sygnałowych należy zastosować się do wskazówek producenta, przewodów pneumatycznych – trzeba dopilnować, by był on równy pięciokrotności ich średnicy, a w przypadku przewodów hydraulicznych zalecana wartość jest 7,5 razy większa niż ich średnica. Promień gięcia prowadnicy należy dobierać w odniesieniu do kabla / węża o największej średnicy, przyjmując zapas 10%, aby uwzględnić niespodziewane naprężenia. Margines bezpieczeństwa warto również uwzględnić, aby zapewnić luz między kablami wewnątrz prowadnicy. W tym celu należy ich średnice określić z zapasem 10% dla kabli elektrycznych, 15% dla przewodów pneumatycznych i 20% w przypadku tych hydraulicznych. Sumując ich wartości dla wszystkich kabli planowanych do umieszczenia w osłonie, uzyskuje się wymaganą szerokość wnęki prowadnicy. Jeśli chodzi o wysokość, to powinna ona wynieść tyle, ile średnica najgrubszego kabla powiększona o zapas odpowiedni dla jego typu. Ważny jest też wybór materiału wykonania. Dawniej prowadnice kablowe były wykonane głównie ze stali, a obecnie w większości zastosowań metalowe zostały zastąpione tymi z tworzyw sztucznych.

Kompatybilność elektromagnetyczna złączy

Złącza jako pasywne komponenty nie emitują zaburzeń elektromagnetycznych ani nie są wrażliwe na wpływ takich zaburzeń, które pochodzą ze źródeł zewnętrznych. Ponieważ jednak ich gniazda przerywają ciągłość obudowy (ekranu) mogą się okazać słabymi punktami, jeśli urządzenie, w które je wbudowano, nie zostało zaprojektowane z uwzględnieniem zasad EMC.

Poza tym źródłem zaburzeń elektromagnetycznych, wrażliwym również na te pochodzące ze źródeł zewnętrznych, są przewody prowadzone wewnątrz złączy. Ich kompatybilność elektromagnetyczna zależy od właściwości ekranujących obudowy wtyczki, obudowy gniazda, dławnicy kablowej, które warunkują stopień tłumienia zaburzeń w obu kierunkach.

Wpływ na właściwości ekranujące mają głównie: przewodność elektryczna materiału oraz grubość ekranu. Dlatego na przykład obudowy wykonywane są jako odlewy z metali. Ważna jest poza tym ciągłość połączeń między wymienionymi elementami złączy. Dlatego, by zwiększyć powierzchnię kontaktową na styku gniazda z wtykiem, m.in. wykonuje się je w taki sposób, żeby nachodziły na siebie. Korzysta się też z przewodzących uszczelnień. By ekranowanie było skuteczne, kompletując złącze, trzeba mieć pewność, że jego komponenty zapewnią zbliżony poziom tłumienia zaburzeń elektromagnetycznych.

Jak produkowane są złącza? Złącza stosowane zamiast połączeń stałych mają wiele zalet: usprawniają montaż i pozwalają na podłączanie i odłączanie sekcji sprzętu w celu konserwacji, naprawy, doraźnego użytkowania. Różnorodność typów złączy nie ułatwia jednak ich wyboru. W tym ostatnim pomocna jest znajomość funkcji poszczególnych elementów oraz materiałów i metod ich wykonania złączy. Główne komponenty złączy to obudowy i styki. Pierwsze chronią komponenty wewnątrz i wykonuje się je z tworzyw sztucznych albo metali. Z kolei styki są zazwyczaj miedziane, pokrywane cyną albo złotem w celu poprawy przewodności i trwałości połączenia. Niestety powłoki są podatne na korozję. W przypadku złota rozwija się ona, jeżeli jego warstwa jest za cienka, porowata, nieciągła. Wówczas pomiędzy metalem bazowym a środowiskowymi chemicznie agresywnymi czynnikami zachodzą reakcje, których produkty rozprzestrzeniają się (pełzają) po powierzchni powłoki z metalu szlachetnego. Zapobiega temu pokrycie styków niklem przed nałożeniem złota. Powłoki z cyny z kolei ulegają korozji ciernej na skutek tarcia spowodowanego mikroruchami styków w zamkniętym złączu pod wpływem wibracji. Zapobiega jej ich lepsze dopasowanie. Obudowy z tworzywa sztucznego są zazwyczaj formowane wtryskowo. W procesie tym wypełnia się formę stopionym plastikiem. Uzyskuje on w niej określony kształt, który utrwala się przez jego schłodzenie. Obudowy metalowe wykonuje się jako odlewy ciśnieniowe albo obrabia maszynowo z metalu bazowego. Ich powierzchnię wygładza się, a następnie powleka – na przykład kadmem albo niklem, w celu poprawy odporności na korozję i ścieranie. Na koniec poddaje się je kontroli jakości, aby wykryć nierównomiernie naniesione powłoki, pęknięcia, wżery, pęcherze. Wkładka z nieprzewodzącego materiału utrzymuje styki w określonym położeniu i separuje je od obudowy. W obudowach z metalu jest to oddzielny komponent, niezbędny, by zapobiec problemom elektrycznym. W tych z tworzyw sztucznych jest wykonywana jako integralna część obudowy w procesie jej formowania wtryskowego. Kontrola jakości wkładek pozwala wykryć takie wady jak: nadmierne naprężenia wewnętrzne, nierównomierna grubość, odkształcenia i zatkane gniazda. Styki z kolei są tłoczone lub obrabiane maszynowo z metalu bazowego. Montaż to ostatni etap produkcji złącza elektrycznego. Oprócz kontroli jakości komponentów składowych poddaje się jej też gotowe złącza.

Złącza hermetyczne

Jeżeli złącza będą użytkowane w warunkach, w których czynniki środowiskowe mogą przenikać do wnętrza obudowy, by do tego nie dopuścić, korzysta się z modeli z uszczelnieniem. W tym zakresie można wybrać, w zależności od konkretnych wymagań, złącza wodoodporne i pyłoszczelne albo hermetyczne.

Wodoodporność i pyłoszczelność zapewniają uszczelnienia z tworzyw sztucznych. Ich skuteczność charakteryzuje dwucyfrowy stopień ochrony IP. Pierwsza cyfra w jego zapisie, z przedziału od 0 do 6, opisuje pyłoszczelność, zaś druga, z zakresu od 0 do 9, charakteryzuje wodoszczelność przy różnym nasileniu oddziaływania wody, od pojedynczych kropel, przez polewanie strugą, aż po zanurzenie. Na przykład stopień ochrony IP67 w porównaniu z IP68 oznacza, że choć złącza są pyłoszczelne, pierwsze jest odporne na krótkotrwałe zanurzenie w wodzie, a drugie pozostanie szczelne nawet przy ciągłym zanurzeniu.

W złączach hermetycznych z kolei izolację kontaktów wykonuje się ze szkła, ceramiki albo żywicy. Są one zaprojektowane tak, aby wytrzymywały wysokie ciśnienie. Gazoszczelność wymagana jest zwykle w zastosowaniach specjalnych, na przykład w wojsku, lotnictwie i zadaniach realizowanych na dużych głębokościach, na przykład w eksploracji dna morskiego.

Dużą popularnością cieszy się zwłaszcza pierwszy z wymienionych materiałów. Wśród zalet złączy hermetycznych z uszczelnieniem ze szkła wymienić należy: trwałość, wytrzymałość mechaniczną i wysoką temperaturę pracy. Proces uzyskiwania gazoszczelności polega na topieniu szkła w piecu do czasu, aż wypełni ono przestrzeń między kontaktami i obudową wkładki, a pomiędzy szkłem i metalem wytworzą się trwałe wiązania. Wtedy temperatura jest obniżana, aż do czasu schłodzenia wkładów. Aby zapewnić szeroki zakres temperatur pracy, szkło i metal muszą charakteryzować się podobnymi współczynnikami rozszerzalności cieplnej. Zapobiega to powstawaniu niekontrolowanych naprężeń i przesunięć komponentów wkładki przy zmianach temperatury.

Technika obtrysku

Złącza i przewody wykonywane metodą obtrysku (overmolding) stanowią jedną część. Formuje się je wtryskowo. W tym celu zespół elementów umieszcza się w formie, którą zalewa się stopionym tworzywem sztucznym. Po ostygnięciu plastik zastyga, przyjmując kształt formy wokół połączenia pomiędzy złączem a przewodem, które jest szczelne, a zarazem elastyczne. Kluczowy jest wybór materiału obtrysku. Wymagana jest kompatybilność między nim a tworzywem osłony kabla. W tym zastosowaniu popularnych jest kilka materiałów.

PVC jest trwały, odporny na warunki atmosferyczne, chemikalia, rozciąganie, ścieranie. Sztywnieje w niskich temperaturach. Polipropylen to tworzywo tanie, uniwersalne, elastyczne, wytrzymałe na rozciąganie, kwasy i zasady. Z drugiej strony nie jest odporne na promieniowanie UV ani wysokie temperatury. W niskich staje się kruche. ABS jest tani, nie kurczy się, ale jest mało odporny na czynniki pogodowe oraz rozpuszczalniki. Paląc się, silnie dymi. Termoplastyczny poliuretan TPU wyróżnia odporność na ścieranie, elastyczność, niskie temperatury, oleje, smary i rozpuszczalniki. Jest droższy. Kauczuk termoplastyczny TPR jest odporny na czynniki atmosferyczne, elastyczny, ale łatwo ulega odkształceniom. Politereftalan butylenu PBT jest odporny na oleje, rozpuszczalniki, wysokie temperatury.

Obtrysk ma liczne zalety. Chroni kabel i złącze przed ingerencją z zewnątrz, zużyciem, wpływem czynników z otoczenia i wibracjami. Ułatwia montaż i odłączanie. W ten sposób zabezpiecza się kable i złącza narażone na ekstremalne warunki pogodowe, mycie pod wysokim ciśnieniem, częstą dezynfekcję, naprężanie, zginanie.

Złącza hybrydowe, modułowe i kastomizowane

rynku dostępne są złącza w wersjach hybrydowych, a więc takich, w których do jednej obudowy podłącza się przewody zasilające i sygnałowe, elektryczne i optyczne – i to w różnych konfiguracjach. Zmniejszają one liczbę punktów połączeń, ułatwiają organizację okablowania oraz jego montaż i zajmują mniej miejsca niż oddzielne złącza dla różnych kabli.

Komponenty złączy są też dostępne jako oddzielne moduły. Różnorodność wersji obudów, wkładów oraz styków pozwala na złożenie złączy odpowiednich do potrzeb aplikacji, a w razie konieczności także na ich rekonfigurację i rozbudowę. Systemy modułowe są korzystnym rozwiązaniem też dla dostawców, którzy mogą zapewnić klientom dużą liczbę kombinacji wykonań złączy, utrzymując zarazem w ofercie stosunkowo niewielką liczbowo grupę standaryzowanych podzespołów.

Ponieważ złącza są często wybierane na koniec projektu, stawia im się nietypowe wymagania, na przykład w związku z koniecznością ich wpasowania w dostępną przestrzeń lub ze względu na limit wagi. Jeżeli modele oferowane na rynku ich nie spełniają, zamawia się złącza niestandardowe. Na potrzeby aplikacji zmodyfikować można ich różne cechy. Są to: materiały wykonania obudowy, styków, wkładek, kształt obudowy, jej rozmiary, gęstość upakowania styków, układ przewodów, ich średnica i sposób montażu, parametry elektryczne. Oprogramowanie do modelowania 3D i techniki wytwarzania addytywnego do szybkiego prototypowania przyspieszają projektowanie i testy złącz. Złącza niestandardowe projektuje się od podstaw albo dostosowując istniejący projekt. To drugie podejście jest tańsze i szybsze. Często złącza projektowane na zamówienie są później włączane do ogólnodostępnej oferty na stałe, choć czasem klienci zastrzegają sobie prawo do danego projektu.

Centrum dystrybucyjne Case study W centrum dystrybucyjnym zmodernizowano okablowanie systemu kontroli dostępu do pomieszczeń magazynowych. W dotychczasowym rozwiązaniu na każde z 50 drzwi przypadało od 3 do 5 kabli, co oznaczało, że należało rozprowadzić ich łącznie około 250, doprowadzając je do paneli sterowania rozmieszczonych w różnych częściach obiektu. Choć kable były oznakowane, nie uniknięto błędów spowodowanych nieprawidłowymi etykietami i nieuwagą monterów. W efekcie uruchomienie systemu kontroli dostępu opóźniało się, a jego konserwacja była żmudna i droga. Aby ten problem rozwiązać, przewody postanowiono pogrupować, umieszczając je we wspólnej dla kilku osłonie. Dzięki temu liczba pojedynczo prowadzonych kabli zmniejszyła się aż o 80%. Dodatkowo osłony zostały oznaczone kolorami według określonego schematu, co jeszcze ułatwiło instalację i serwisowanie.

Złącza bezstykowe

Tytułowe złącza wykorzystujące nadajnik i odbiornik na częstotliwościach radiowych to nowość – transmitują zasilanie i dane bez ryzyka zużywania się i uszkadzania wyprowadzeń. Te tradycyjne, ze stykami, wymagają ostrożnej obsługi, w przeciwnym razie ich wyprowadzenia mogą się wygiąć. Oprócz tego powłoki styków z czasem się zużywają, a przestrzenie pomiędzy nimi zanieczyszczają. Jeżeli dane zastosowanie wymaga częstego łączenia i rozłączania, zwiększa się ryzyko awarii i wymagana jest częstsza konserwacja. Złącza bezstykowe są alternatywą zwłaszcza dla tych "zwykłych", montowanych w trudnych warunkach środowiskowych, takich jak wibracje osłabiające standardowe połączenia, w pomieszczeniach czystych (clean roomach) i miejscach trudno dostępnych, ponieważ ich podłączenie nie wymaga interwencji człowieka. Sprawdzają się również w stacjach ładowania akumulatorów urządzeń autonomicznych, które dzięki nim mogą się naładować bez konieczności fizycznego dokowania. Ich zaletą jest ponadto możliwość połączenia bez dopasowania powierzchni styku. Pierwotne i wtórne strony złącza można ustawiać pod dowolnym kątem względem siebie, w odległości, umieszczać między nimi różne materiały (szkło, papier, plastik). Transmisja jest nawet wtedy możliwa, gdy się obracają.

Złącza światłowodowe

Wyróżnia się dwa typy złączy światłowodowych: PC (Physical Contact) i EB (Expanded Beam). W pierwszych włókna światłowodów stykają się i umieszcza się je w tulejkach (ferrulach) – na przykład z ceramiki, mocując je żywicą epoksydową. Końcówki ferruli poleruje się, żeby transmisji światła w miejscu styku towarzyszyły jak najmniejsze straty optyczne. Ferrule są wycentrowane za pomocą tulei wyrównującej oraz dociśnięte do siebie sprężyną. Jest to najpopularniejszy sposób łączenia światłowodów.

Główne parametry złączy optycznych to tłumienie (straty) wtrąceniowe (insertion loss) i tłumienie odbiciowe (reflection loss). Dla PC wynoszą one typowo odpowiednio 0,3 dB i –40 do –65 dB – i w tym zakresie złącza przewyższają te rodzaju EB.

Tłumienie wtrąceniowe jest większe, jeżeli między czołami ferruli tworzy się szczelina powietrzna, w której światło ulega rozproszeniu. Dzieje się to na skutek niedokładności montażu złącza. Znaczenie ma również precyzja wymiarów ferruli (wewnętrznej i zewnętrznej średnicy) oraz ich nakierowania na siebie. Wymagane jest wyrównanie tulejek i wycentrowanie ich wewnętrznych średnic. Ze względu na małe rozmiary włókien światłowodów (mają średnice rzędu mikrometra) ważne jest, aby miejsce ich styku było czyste. Zabrudzenia nie tylko powodują straty wtrąceniowe, ale również uszkadzają światłowód.

Złącza światłowodowe Porównanie złączy PC oraz EB: Straty wtrąceniowe i odbiciowe w złączach APC wynoszą 0,3 dB i –65 dB, a w złączach EB odpowiednio 1,5 dB i –30 dB. Skutki wpływu wstrząsów mechanicznych, wibracji i ekstremalnych temperatur są podobne. Złącza PC, jak też EB wymagają specjalnych rozwiązań konstrukcyjnych, aby go redukować. Jeżeli w złączu EB zastosowano powłoki antyrefleksyjne, zakres możliwych długości fal jest ograniczony. W przypadku sygnałów o zmiennej długości fali albo o szerokim widmie preferowane są złącza PC. Brud i kurz w mniejszym stopniu wpływają na złącza EB niż PC, odwrotnie niż wilgoć, która jest usuwana podczas łączenia złączy PC, natomiast w EB rozprasza światło. Złącza PC mają mniejsze tulejki i odstępy między ich końcami, co zapewnia większą gęstość połączeń. Złącza PC są tańsze, ale EB są łatwiejsze do czyszczenia i charakteryzuje je większa liczba cykli łączenia.

Co wyróżnia złącza EB?

Niewycentrowanie ferruli i zanieczyszczenia na ich zakończeniach zwiększają też straty odbiciowe. Decydujący wpływ ma na nie jednak jakość wykończenia powierzchni styku tulejek, od którego zależy różnica współczynników odbicia. Optymalne rozwiązanie to zeszlifowanie końcówek ferruli pod kątem 8° lub 9°. W ten sposób wykonuje się złącza typu APC (Angle PC).

W złączach EB wykorzystuje się soczewki, dzięki którym włókna światłowodowe się nie stykają. Zmniejsza to straty sygnału spowodowane przez zanieczyszczenia w miejscu ich kontaktu i zużycie, co zwiększa liczbę cykli łączenia. Złącza tego rodzaju są droższe, przez co są rzadko używane w telekomunikacji. Sprawdzają się za to w sprzęcie wojskowym, przemyśle, sprzęcie medycznym i innych zastosowaniach, w których częste łączenie naraża złącza optyczne na zabrudzenia.

Na tłumienie wtrąceniowe w złączach EB wpływa głównie niewspółosiowość boczna i kątowa. Na przykład przesunięcie włókien w bok względem osi optycznej o zaledwie 2 mikrometry skutkuje stratą 1 dB, podobnie jak odchylenie kątowe o jedynie 0,08°. Ze względu na obecność szczeliny powietrznej złącza EB mają duże tłumienie odbiciowe. Zmniejsza się je, pokrywając soczewki powłokami antyrefleksyjnymi, co jednak wpływa na zakres obsługiwanych długości fali. Oprócz tego wilgoć na soczewkach rozprasza światło. W ramce porównujemy złącza EB i PC.

Typy złączy PC

Popularne typy złączy PC to: SC, LC, ST i FC. Pierwsze wyróżnia mechanizm blokujący push-pull ułatwiający montaż i użytkowanie. Są one dostępne w wersji jednomodowej i wielomodowej. Złącza SC mają małe tłumienie wtrąceniowe, typowo poniżej 0,5 dB, co jest ważne w transmisji na duże odległości. Złącza LC są kompaktowe, mają zatrzaskowy mechanizm blokujący, który zapewnia stabilne połączenie i dużą gęstość połączeń, dzięki czemu sprawdzą się w warunkach ograniczonej przestrzeni. Są również dostępne w wersji jednomodowej i wielomodowej. Ich straty wtrąceniowe też typowo nie przekraczają 0,5 dB.

Złącza ST były jednym z pierwszych typów złączy światłowodowych i nadal są szeroko stosowane. Mają blokadę bagnetową i są preferowane, jeżeli priorytetem są trwałość oraz niezawodność połączenia – na przykład w zastosowaniach przemysłowych. Dodatkowo złącza te są relatywnie tanie. Z kolei wersje FC z gwintem są zaprojektowane do obsługi transmisji o dużej szybkości, a także pod kątem dużej trwałości, aby wytrzymywały częste łączenie i rozłączanie.

Monika Jaworowska