Zaloguj
Złącza wysokonapięciowe
Jak wspomnieliśmy już poprzednio, niektóre złącza uniwersalne mogą pracować z napięciami rzędu 5 kV, co wymaga nie tylko przemyślanych rozwiązań w zakresie kształtu i wymiarów izolacji, ale także doboru odpowiednich materiałów, z których wykonane będą korpusy izolacyjne oraz elementy obudowy. W niektórych zastosowaniach konieczne jest jednak użycie gniazd i wtyków o znacznie wyższych ratingach napięciowych – wtedy z pomocą przychodzą specjalistyczne konektory o zakresie napięć roboczych rzędu kilkunastu i więcej kilowoltów.
Szczególnie interesującą ofertę w zakresie złączy HV opracowała niemiecka firma hivolt.de. Najnowsza seria ultrawysokonapięciowych komponentów, oznaczona numerem HC7, obejmuje modele o napięciu znamionowym od 10 kVDC do nawet 100 kVDC (!) – należy tutaj podkreślić, że mówimy o maksymalnym dopuszczalnym napięciu pracy, gdyż wszystkie produkty przeszły testy przy napięciu o 50% wyższym. W konstrukcji złączy uwagę zwracają silnie wysunięte izolatory teflonowe (fotografia 1), efektywnie zwiększające zarówno odstępy powierzchniowe, jak i powietrzne pomiędzy metalowym korpusem a środkowym przewodnikiem. Wtyki HC7 współpracują ze specjalistycznymi kablami HV o średnicy około 11...12 mm, również znajdującymi się w ofercie niemieckiego producenta.
Złącza o niższych napięciach nominalnych występują w wersji z mocowaniem bagnetowym i są silnie wzorowane na standardzie BNC – z tą różnicą, że (podobnie jak omówione wcześniej HC7) również zawierają wydłużone izolatory. Przykład zaprezentowano na fotografii 2 – złącza z serii 57 SHV mogą pracować z napięciem stałym do 5 kVDC lub przemiennym do 3,5 kVrms i zapewniają wysoki poziom bezpieczeństwa dotykowego dzięki cofnięciu „gorącego” przewodnika w głąb korpusu. Komponenty te są produkowane z myślą o aparaturze laboratoryjnej, wyposażeniu nuklearnym czy też wysokonapięciowych zasilaczach i wzmacniaczach. W ofercie hivolt.de znalazły się także 1-, 2- oraz 3-torowe złącza VP-CL o ratingu 13 kVDC, zawierające mocowanie zatrzas-
kowe (fotografia 3).
Podobne rozwiązania konstrukcyjne w zakresie koordynacji izolacji korpusów złączy są stosowane również przez innych producentów. Dobrym przykładem mogą być tutaj produkty z serii ST x1/BU x1, gdzie x oznacza liczbę pinów (5, 7 lub 9). Elementy te, dostarczane przez niemiecką markę SPS Electronic, mają napięcie nominalne 10 kVDC/7 kVAC, mogą przewodzić prąd o natężeniu do 30 A(AC) i bazują na teflonowych izolatorach. Wtyki męskie są przeznaczone do zarabiania na kablu, natomiast gniazda mają kołnierze z czterema otworami montażowymi (fotografia 4).
Złącza magnetyczne
W niektórych sytuacjach użyteczne okazuje się zastosowanie złącza magnetycznego. Tego rodzaju komponenty mają wbudowane (zwykle dwa) niewielkie magnesy neodymowe o ściśle określonym, powtarzalnym ułożeniu biegunów. Pozycjonowanie wtyku w gnieździe odbywa się zatem niejako samoczynnie – wystarczy jedynie zbliżyć wtyczkę do gniazda, a siły oddziaływań pomiędzy magnesami zajmą się resztą. Złącza magnetyczne – choć nie zdobyły jeszcze zbyt dużej popularności – można już spotkać w niektórych zastosowaniach konsumenckich. Dość powiedzieć o systemie ładowania gadżetów ubieralnych (np. opasek marki Xiaomi), wyposażonych w customowe, dwupinowe złącza samoczynnie pozycjonujące się do odpowiedniej polaryzacji (fotografie 5 i 6).
W sprzedaży detalicznej dostępne są także uniwersalne zestawy kabli USB z wymiennymi końcówkami według trzech najpopularniejszych standardów: microUSB, USB C i Lightning (fotografia 7) – warto dodać, że oprócz względów czysto ergonomicznych, tego typu rozwiązania mają także inne zalety.
Umieszczenie niskoprofilowej, miniaturowej końcówki na stałe w gnieździe urządzenia mobilnego częściowo zabezpiecza jego wnętrze przed dostawaniem się zabrudzeń i wilgoci, zmniejsza efekt zużycia mechanicznego w wyniku częstych cykli łączeniowych, a nade wszystko – zabezpiecza gniazdo i przewód przed uszkodzeniem w wyniku przypadkowego szarpnięcia.
Złącza magnetyczne są jednak dostępne także w wielu innych wykonaniach, przeznaczonych do rozmaitych aplikacji profesjonalnych: przemysłowych (automatyka i robotyka), medycznych (urządzenia monitorujące), a nawet motoryzacyjnych (lekkie pojazdy elektryczne).
Dość często jako potencjalne zastosowanie tego typu elementów wymienia się także… drony. Szeroką ofertę zróżnicowanych gniazd i wtyków magnetycznych można znaleźć w katalogu firmy Rosenberger.
Oprócz pokazanych na fotografii 8 złączy z serii RoPD, przeznaczonych do transferu dużej mocy (10...40 A/60 VDC) oraz danych (cztery piny 12-woltowe) i zapewniających zaskakująco wysoki poziom szczelności (IP67), producent oferuje także magnetyczną odmianę złączy „ethernetowych” 8P8C (fotografia 9).
W ofercie firmy Rosenberger można znaleźć ponadto mniejsze, uniwersalne złącza wielopinowe z serii MultiMag 15 (fotografia 10), zapewniające rating na poziomie 12 VDC/4,5 A i kontrolowaną impedancję par różnicowych na poziomie 100 Ω oraz MultiMag 6 (24 VDC/1 A).
W tym samym segmencie rynku znajdziemy rozmaite złącza obrotowe – i to zarówno przeznaczone do aplikacji zasilających, jak i przekazu danych. Do pierwszej kategorii można zaliczyć np. obrotowe złącze dwupinowe marki GT Contact (fotografia 11), zdolne do pracy z obciążeniem na poziomie 5 A/30 V.
Jeżeli dana aplikacja wymaga natomiast przesyłu danych (w tym także zgodnie z USB 2.0), warto rozważyć zastosowanie hermetycznych (IP68!) złączy z serii Stingray marki Amphenol o obciążalności styków do 3 A (prąd ciągły)/5 A (prąd udarowy). Złącze pokazane na fotografii 12 może pracować przy dowolnej orientacji wtyku względem gniazda, co zapewniają koncentryczne styki współpracujące z dociśniętymi sprężynowo pinami. Co więcej, jeden ze styków oferuje funkcję FMLB (first-mate-last-break), a to oznacza, że zostaje połączony jako pierwszy i rozłączony jako ostatni – więcej na ten temat pisaliśmy w pierwszej części artykułu (EP 06/2022). Złącza Stingray są przeznaczone do aplikacji ubieralnych, np. stymulatorów mięśni stosowanych do treningów EMS, wojskowych systemów telekomunikacyjnych, itp.
Złącza medyczne
Branża medyczna jest szczególnie wymagająca pod względem praktycznie każdego zagadnienia technicznego, które wiąże się z konstrukcją i oprogramowaniem aparatury diagnostycznej oraz terapeutycznej. Nie inaczej jest w przypadku złączy, które muszą spełniać rygorystyczne normy w zakresie wytrzymałości izolacji, bezpieczeństwa dotykowego, rezystancji połączeń, hermetyczności, odporności na środki dezynfekcyjne i temperaturę, czy też wreszcie możliwości sterylizacji. A to dopiero początek długiej listy wymagań stawianych gniazdom i wtykom stosowanym w urządzeniach medycznych. Aby pojąć ogromne zróżnicowanie tej gałęzi rynku, wystarczy wyszukać właściwie dowolne zdjęcie, figurujące w Internecie pod hasłem medical connectors (fotografia 13), a następnie uświadomić sobie, że niemal każdy duży gracz na rynku medycznym korzysta nie tylko z rozwiązań katalogowych, lecz także ze złączy przeznaczonych zaledwie do jednego lub kilku modeli produkowanych przez niego urządzeń. Z tego też powodu w artykule nie sposób zawrzeć systematycznego przeglądu złączy medycznych – zamiast tego skupimy się na kilku praktycznych zastosowaniach, prezentując wybrane rodziny komponentów.
Medyczne złącza jednorazowe
Zabiegi i procedury diagnostyczne wymagają zachowania rygorystycznych wymogów w zakresie ograniczania transmisji patogenów – bakterii, wirusów i grzybów – pomiędzy kolejnymi pacjentami. Medycy doskonale wiedzą, że najwięcej zakażeń przenosi się przez ręce, które z oczywistych przyczyn mają kontakt nie tylko z ciałem pacjenta, ale także setkami powierzchni dotykowych, do których należą m.in. elementy aparatury medycznej oraz akcesoria. Istnieją dwie metody zapobiegania przenoszeniu zakażeń: stosowanie produktów jednorazowych oraz dekontaminacja i sterylizacja wyposażenia wielorazowego użytku. Pierwsza z wymienionych technik sprawdza się doskonale nie tylko w przypadku strzykawek, igieł, środków opatrunkowych czy też rozmaitych drenów i cewników – jednorazowe bywają wszak liczne elementy elektryczne lub elektroniczne (zarówno ze względów epidemiologicznych, jak i czysto technicznych). Przykładowo, samoprzylepne czujniki pulsoksymetryczne (fotografia 14) – choć nie mają przecież kontaktu z płynami ustrojowymi – i tak nie mogłyby być używane wielokrotnie, gdyż warstwa klejąca jest nierozerwalnie zintegrowana z foliową „kieszonką” zawierającą elementy optoelektroniczne.
Złącza sterylizowalne
W przypadku inwazyjnych procedur medycznych konieczne jest zachowanie sterylności stosowanych narzędzi i wyposażenia – taka sytuacja ma miejsce nie tylko w szeroko pojętej chirurgii, ale także w przypadku rozmaitych zabiegów w obszarze kardiologii inwazyjnej, stomatologii bądź endoskopii. Co prawda istnieją jednorazowe urządzenia elektroniczne wymagające sterylizacji już na etapie produkcji, ale najczęściej mamy do czynienia z wyposażeniem wielorazowego użytku – dobrym przykładem mogą być tutaj chociażby noże elektrochirurgiczne, występujące w obydwu wymienionych odmianach.
Z punktu widzenia elektroniki liczba cykli mycia i sterylizacji ma duże znaczenie dla wytrzymałości zarówno kabli, jak i złączy – sterylizacja parowa w autoklawie wymaga zastosowania temperatur rzędu 120...130°C, co stanowi niemałe narażenie dla materiałów polimerowych i klejów stosowanych w wyposażeniu medycznym. Przykładowo, nóż elektrochirurgiczny Valleylab pokazany na fotografii 15 może przetrwać 30 cykli sterylizacji parowej w temperaturze do 134°C. W przypadku gdy dany przyrząd ma być sterylizowany razem z kablem i złączem, konieczne jest zatem dobranie takiego wtyku, który nie tylko spełni wszelkie wymagania pod względem bezpieczeństwa i parametrów elektrycznych (obciążalność prądowa, napięcie izolacji, rezystancja zestyku), ale też będzie w stanie zachować je po określonej liczbie procedur sterylizacji.
Marka ODU wprowadziła na rynek obszerną ofertę złączy medycznych. Rodzina okrągłych złączy ODU MINI-MED obejmuje rozwiązania miniaturowe, przeznaczone do sterylizacji tlenkiem etylenu (ETO) – przykład został pokazany na fotografii 16. Z kolei złącza z serii ODU MINI-SNAP (fotografia 17) mogą być sterylizowane w autoklawach nawet do 500 razy (!), co niebywale wydłuża czas eksploatacji intensywnie używanego wyposażenia medycznego.
Co ciekawe, firma opracowała także serię tworzywowych złączy ODU MEDI-SNAP, które również są w stanie znieść wiele cykli sterylizacji parowej. Dodatkowo producent oferuje usługę zalewania złączy nieprzywierającą powłoką silikonową (wraz z kompletnym montażem wiązek kablowych, a nawet indywidualnym znakowaniem laserowym – fotografia 19), co znacząco skraca czas wdrożenia końcowego produktu na rynek medyczny.
Warto dodać, że najnowsze portfolio firmy obejmuje także złącza hybrydowe, wyposażone – oprócz konwencjonalnych pinów – w sekcje koncentryczne, światłowodowe oraz płynowe (fotografia 20).
Złącza elektrodiagnostyczne i elektrostymulacyjne
Komitety normalizacyjne dawno już dostrzegły ryzyko, jakie niesie ze sobą nieprawidłowe użytkowanie odprowadzeń pacjenta (np. elektrod EKG) – nietrudno domyślić się na przykład, jak tragiczne w skutkach byłoby włożenie wtyku kabla, prowadzącego od elektrody podłączonej do klatki piersiowej pacjenta, do gniazda sieciowego… Ten efektowny przykład niebezpieczeństwa elektrycznego stanowi jednak zaledwie jedną z wielu sytuacji (i to chyba najmniej prawdopodobną), w których zagrożenie dla pacjenta może płynąć od przypadkowego kontaktu wolnego końca przewodu z przewodzącą powierzchnią – wyobraźmy sobie choćby wypadek, w którym styk złącza dotknie powierzchni uziemionej czy też pozostającej z jakichś względów pod napięciem. W celu zapobieżenia takim sytuacjom zalecenia zarówno obowiązującej normy 60601-1 (na gruncie polskim jest to PN-EN 60601-1:2011), jak i dość leciwego, ale wciąż aktywnego standardu DIN 42802 (dotyczącego bezpiecznych złączy przeznaczonych do aplikacji elektromedycznych) oraz amerykańskiej normy ANSI/AAMI EC53-1995 (bazującej na DIN 42802) jasno definiują kluczowe wymagania stawiane konstrukcji i wymiarom złączy.
Przykładowo, punkt 8.5.2.3 normy PN-EN 60601-1:2011 stawia wymaganie, by styk złącza był oddalony o przynajmniej 0,5 mm od płaskiej powierzchni, z którą może się ono zetknąć, zaś w przypadku, gdy możliwe jest włożenie wtyku do gniazda sieciowego, styk powinien być odseparowany od przewodzących elementów tegoż gniazda przynajmniej 1-milimetrowym odstępem powierzchniowym. Dodatkowo, izolacja powinna mieć wytrzymałość na poziomie co najmniej 1500 V, a tzw. znormalizowany palec probierczy (fotografia 21) – stosowany do badania bezpieczeństwa przewodzących części dostępnych urządzeń medycznych – nie może dotknąć styku nawet przy nacisku równym 10 N na krawędź otworu, w którym znajduje się styk. Nieco podobnie definiuje się także wymagania mechaniczno-elektryczne dotyczące gniazd, znajdujących się w obudowie urządzenia (w tym przypadku siła wywierana przez palec probierczy ma jednak wynosić 30 N).
Wtyki touch-proof są powszechnie spotykane m.in. w aparaturze EEG, gdzie – z uwagi na niewielkie wymiary i masę oraz dużą liczbę używanych elektrod – zastosowanie niewielkich wtyków i gniazd jest wysoce pożądane z praktycznego punktu widzenia. Przykładowe przewody zakończone tego typu złączami zostały pokazane na fotografii 22, zaś rysunek 1, zaczerpnięty z katalogu marki Multi-Contact (grupa Stäubli), pozwala zapoznać się z różnicami konstrukcyjnymi pomiędzy najczęściej spotykanymi złączami, określanymi potocznie jako 1,5-milimetrowe (i oznaczanymi w katalogach jako DIN 42802) oraz 2-milimetrowe (E-DIN 42802-2).
Złącza do głowic USG
Konstrukcja współczesnych głowic USG opiera się na zastosowaniu odpowiedniej matrycy miniaturowych przetworników ultradźwiękowych. Podczas gdy konwencjonalne głowice mają zwykle od 32 do 256 elementów, to najnowocześniejsze modele korzystają nawet.... z kilkudziesięciu tysięcy komórek – przykładowo, głowice Philips xMatrix typu XL14-3 (rysunek 2) mają dwuwymiarową matrycę złożoną z aż 56000 pól!
Tak duża liczba przetworników wymaga zastosowania odpowiednich złączy, które będą w stanie obsłużyć wymaganą przez system wiązkę przewodów. Rzecz jasna, nie mówimy tutaj o bezpośrednim wyprowadzeniu każdego pojedynczego elementu na osobny pin złącza (co byłoby niemożliwe w przypadku najbardziej rozbudowanych głowic), jednak nawet przy zastosowaniu technik redukcji liczby linii sygnałowych nie ulega wątpliwości, że aparatura ultrasonograficzna siłą rzeczy musi zawierać złącza o wyjątkowo dużej liczbie styków.
Złotym standardem w świecie ultrasonografii stały się złącza ZIF (fotografia 23), w których blokada mechaniczna – po wsunięciu wtyku do gniazda – jest realizowana poprzez obrócenie niewielkiej dźwigni, znajdującej się na zewnętrznej powierzchni obudowy wtyku (fotografia 24).
Złącza cewek MRI
Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI) stanowi jedną z kilku najważniejszych metod diagnostyki obrazowej współczesnej medycyny. Możliwość uzyskania nieinwazyjego wglądu we wszystkie obszary ludzkiego ciała, w ogromnej rozdzielczości i dowolnej płaszczyźnie, jest uzyskiwana dzięki zastosowaniu bardzo silnego, stałego pola magnetycznego o indukcji rzędu kilku tesli oraz szybkozmiennych, ale znacznie słabszych pól gradientowych. Warunki takie – choć z medycznego punktu widzenia praktycznie nieszkodliwe dla pacjenta (poza pewnymi wyjątkami), okazują się ogromnym utrudnieniem dla wszelkich komponentów i układów elektronicznych, a zwłaszcza cewek odbiorczych i nadawczo-odbiorczych, układanych pod ciałem pacjenta lub wokół niego (fotografia 25).
Konieczność unikania materiałów ferromagnetycznych w konstrukcji sprzętu przeznaczonego do pracy w bliskości tomografu MRI wynika przede wszystkim z obawy przed groźnymi skutkami oddziaływania silnego pola magnetycznego z materiałami o dużej podatności magnetycznej. Choć istotnie pole elektromagnesu nadprzewodnikowego jest na tyle silne, że bez problemu może przyciągnąć do gantry nawet duże urządzenia (np. wózki inwalidzkie czy łóżka szpitalne) – przykład na fotografii 26 – to w przypadku stosunkowo niewielkich elementów, jakimi są złącza cewek, główny powód unikania ferromagnetyków jest diametralnie inny [1]. Chodzi bowiem o zniekształcenia linii pola magnetycznego, jakie pojawiają się po umieszczeniu w ciele pacjenta (lub tuż koło niego) materiałów ferromagnetycznych – zaburzenie jednorodności pola powoduje powstawanie artefaktów utrudniających lub nawet uniemożliwiających przeprowadzenie diagnostyki.
Innym, niezwykle ważnym aspektem złączy stosowanych w cewkach MRI jest właściwa kontrola impedancji, gdyż cewki pracują z sygnałami radiowymi o częstotliwości rzędu od około 63 MHz do ponad 200 MHz (wartości te wynikają z częstotliwości precesji Larmora protonów, czyli jąder wodoru zawartych w cząsteczkach wody w płynach ustrojowych oraz tłuszczu). Dodatkowym wymogiem praktycznym jest także duża liczba cykli łączeniowych, gdyż ze sporym prawdopodobieństwem można założyć, że niemal przed każdym badaniem trzeba będzie zmienić cewkę na inną, odpowiadającą aktualnie obrazowanej okolicy anatomicznej pacjenta.
Szeroką ofertę złączy dopuszczonych do użytku w obszarze silnego pola magnetycznego MRI opracowała wspomniana już wcześniej wielokrotnie firma ODU. Oferowane przez markę złącza hybrydowe ODU-MAC (fotografia 27), oprócz sekcji koncentrycznych oraz różnicowych, przeznaczonych do szybkiej transmisji danych, mogą być wyposażone także w grube piny zasilania oraz zwykłe styki sygnałowe. Ponadto firma oferuje produkty do innych zastosowań w aparaturze MRI, w tym do wiązek kablowych umożliwiających dokowanie przesuwnego stołu pacjenta do głównego segmentu tomografu.
Złącza podwodne typu wet-mate
Na koniec naszej prezentacji zostawiliśmy interesujące rozwiązania złączy podwodnych. Logiczne wydaje się stwierdzenie, że wtyki i gniazda przeznaczone do pracy pod wodą powinny być wykonane z użyciem wielopoziomowych, solidnych uszczelnień i zapewniać doskonałą hermetyczność nawet w warunkach wysokiego ciśnienia hydrostatycznego. Szczelność miałaby chronić złącza przed zgubnym wpływem wody, gdyż dostanie się choćby niewielkiej jej ilości w rejon styków wiązałoby się z licznymi zagrożeniami – tak dla operatora (ryzyko porażenia), jak i systemu (zwarcia, przesłuchy pomiędzy liniami sygnałowymi, itd.). Niektórzy producenci opracowali jednak diametralnie inne rozwiązanie – złącza typu wet-mate, czyli zdolne do łączenia i rozłączania po… zalaniu przez otaczającą wodę.
W niektórych realizacjach stosowane są specjalne uszczelnienia i podwójne płaszcze olejowe, a także przemyślne rozwiązania mechaniczne, mające na celu odseparowanie powierzchni styków od wilgoci podczas zarówno łączenia, jak i rozłączania obu komponentów.
Doskonałym przykładem tak rozbudowanego rozwiązania są złącza Siemens digiTRON (rysunek 3, fotografia 28). Praktyczna zaleta płynąca z zastosowania elementów wet-mate jest oczywista – operatorzy mogą wykonywać instalacje podwodne w miejscu docelowym (np. na dnie oceanu) bez konieczności wynurzania w celu skręcenia złączy w suchym otoczeniu.
Firma iCONN Systems, LLC zastosowała jednak całkowicie inne rozwiązanie, wprowadzając na rynek serię złączy niobiCONN. Komponenty występują w różnych wersjach (fotografia 29), a ich wspólną cechą jest zastosowanie 150-nanometrowej warstwy niobu (metalu przejściowego o właściwościach zbliżonych do tantalu), która – nieco podobnie jak w przypadku styków z pokryciem cynowym – ulega tarciu podczas łączenia wtyku z gniazdem, co prowadzi do powstania stabilnego kontaktu elektrycznego.
W miejscach wystawionych na działanie wody – w czasie rzędu milisekund – wytwarza się natomiast cienka warstwa izolatora, która chroni zarówno same styki, jak i użytkownika (fotografia 30). Złącza mogą pracować z napięciem do 60 V, a ich niezaprzeczalną zaletą jest znacznie prostsza budowa w porównaniu do klasycznych komponentów klasy wet-mate, zawierających skomplikowane mechanizmy olejowe – w tym przypadku żadne uszczelnienia nie są bowiem konieczne.
Podsumowanie
Jak widać, rynek złączy obfituje w niezwykle interesujące, często nietuzinkowe rozwiązania, skrojone na miarę różnorodnych potrzeb wszystkich branż współczesnej techniki. Niezależnie od tego, czy mamy do czynienia z precyzyjną aparaturą elektrodiagnostyczną, zaawansowanymi systemami obrazowania medycznego, pojazdami i instalacjami podwodnymi, czy też 100-kilowoltowym wyposażeniem laboratoriów nuklearnych – każdy obszar rynku rządzi się swoimi prawami, a na konstrukcję i parametry złączy bezpośredni wpływ mają charakterystyczne konstelacje warunków środowiskowych, w jakich musi pracować dane urządzenie. Żywimy nadzieję, że zaprezentowane przykłady komponentów zachęcą naszych Czytelników do dalszych poszukiwań, co być może zaowocuje optymalnym doborem złączy podczas planowania kolejnych projektów.
inż. Przemysław Musz, EP
[1] Niezależnie od tego nie należy zapominać, że drobne przedmioty ferromagnetyczne (np. klucze czy narzędzia ręczne) także mogą z łatwością zostać przyciągnięte do wewnętrznej powierzchni gantry, co w przypadku cięższych obiektów może skutkować nawet jej uszkodzeniem
