Johtosarjan liittimien valinta

Kun rakennetaan tai korjataan ajoneuvon johtosarjaa, oikean liitintyypin valinta on kriittistä. Liittimet varmistavat, että sähkö kulkee moitteetta johdolta laitteelle ja takaisin, ja että kytkennät kestävät auton vaativat olosuhteet. Tässä tekstissä käymme läpi, mitä seikkoja liittimen valinnassa on otettava huomioon: käyttötarkoitus, pinnimäärä, virran suuruus, johdon paksuus – sekä miten nämä kaikki liittyvät laitteen virrankulutukseen. Tarkoitus on pitää asiat ymmärrettävinä, mutta kuitenkin teknisesti täsmällisinä.

Liittimen valinta eri käyttötarkoituksiin

Eri sovelluksissa tarvitaan erilaisia liittimiä. Missä olosuhteissa liitin toimii? Moottoritilassa liittimen on kestettävä lämpöä, kosteutta, likaa ja tärinää, joten valitaan yleensä vesitiivis ja lukkiutuva liitin. Esimerkiksi monet nykyaikaiset autoliittimet ovat IP67/IP68-suojattuja eli täysin pöly- ja vesitiiviitä, jotta ne toimivat moitteetta rankoissakin oloissa​

. Ohjaamon sisällä tai suojatuissa koteloissa voidaan joskus käyttää yksinkertaisempia ei-tiiviitä liittimiä, mutta auton sähköjärjestelmissä yleisesti suositaan suojattuja liittimiä luotettavuuden takaamiseksi.

Kuva 1: Kaksinapainen vesitiivis liitinsarja (Delphi Weather Pack -tyyppinen). Tällaiset liittimet on suunniteltu kestämään kosteutta ja tärinää moottoritilassa. Mukana näkyvät liittimen muovikuoret, kumitiivisteet johtojen ympärille sekä metalliset puristuspinnit johtimille.

Liittimen käyttötarkoitus määrittää myös sen mekaaniset ominaisuudet. Tärinä ja iskujen sieto on tärkeää ajoneuvoissa – liittimessä on yleensä lukitusklipsi, joka estää sitä irtoamasta vahingossa kovan tärinän alla. Lisäksi on erikoisempia tarpeita: esimerkiksi polttoainejärjestelmässä liittimien materiaalien on kestettävä polttoainehöyryjä, ja anturisignaalien liittimissä kontaktit on suunniteltu antamaan luotettava yhteys hyvin pienille jännitteille ja virroille (jotta heikko signaali ei katkeile). Vastaavasti esim. auton viihdejärjestelmän ja navigoinnin antennikaapeleissa käytetään kokonaan omanlaisiaan koaksiaali- ja FAKRA-liittimiä, jotka on viritetty korkeille taajuuksille – mutta tässä keskitymme enemmän perinteisiin johtosarjaliittimiin.

Yhteenvetona: Valitse liitin käyttökohteen mukaan. Ulkotiloihin ja moottoritilaan – vesitiiviit ja kestävät mallit; sisätiloihin voidaan käyttää kevyempiäkin liittimiä, kunhan virta- ja pinnivaatimukset täyttyvät.

Pinnimäärä ja liittimen koko

Kuinka monta sähköjohtoa täytyy kytkeä? Liittimen pinnimäärä (eli napojen lukumäärä) on toinen keskeinen valintaperuste. Pieni kaksinapainen liitin riittää esim. yksinkertaiselle anturille tai toimilaitteelle, kun taas moottorinohjainyksikön monimutkaiset johtosarjat käyttävät jopa kymmeniä pinnejä sisältäviä liitinrunkoja. Yhdistämällä useita johtoja yhteen moninapaiseen liittimeen saadaan siisti ja varma kytkentä: liittimen runko pitää kaikki pinnit kohdakkain ja suojassa. Suuri kontaktimäärä voi myös tarjota vähän ylimääräisiä napoja tulevaa laajennustarvetta varten – samaan liittimeen voi varata varapinnejä, jos myöhemmin halutaan lisätä laitteita johtosarjaan​

Kuva 2: Esimerkki moninapaisesta liittimestä. Kuvassa 40-napainen suorakaide-liitinrunko, jollaisia käytetään esimerkiksi ohjainyksiköissä yhdistämään suuri määrä johtoja kerralla​

.Korkea pinnimäärä mahdollistaa useiden signaalien ja virtajohtojen kulkemisen yhdessä liittimessä.

Pinnimäärän vaikutus näkyy myös liittimen fyysisessä koossa. Mitä enemmän pinnejä, sitä isompi liitinrunko (ja sitä vaikeampi löytää tilaa sille ajoneuvon rakenteissa). Suunnittelussa pyritään kompaktimpaan suuntaan: uudet liittimet voivat olla hyvinkin pienikokoisia ja tiheästi pakattuja, kuitenkaan signaalin eheyttä tai virrankestoa unohtamatta. On myös hybridiliittimiä, joissa samassa rungossa on sekä isompia virtaa kestäviä pinnejä että pienempiä signaalipinnejä sekaisin – tällä tavoin voidaan yhdistää sekä paksut että ohuet johdot yhteen modulaariseen liitinpakettiin.

Virran merkitys liitintä valittaessa

Miksi virrankesto on olennainen juttu liittimissä? No, jos liittimen läpi kulkee enemmän virtaa kuin mihin se on suunniteltu, liitoskohdan resistanssi aiheuttaa lämpenemistä​

. Liian suuri virta voi kuumentaa liitintä niin, että muovikuoret pehmenevät tai pinnit hapettuvat – pahimmillaan seurauksena on liittimen sulaminen tai jopa tulipalo. Siksi jokaisella liittimellä ja erityisesti sen pinneillä on määritelty maksimi jatkuva virta, jonka ne kestävät turvallisesti. Esimerkiksi pieni elektroniikassa käytetty 8-napainen JST XH -liitin on arvioitu vain noin 3 ampeerin virralle per pinni (AWG22 johdolla)​, kun taas tyypilliset auton moottoritilassa käytettävät liittimet kestävät helposti 10–20 ampeeria tai ylikin per johdin. Yhdessä AMP Superseal -sarjan 2-napaisessa liittimessä jokainen napapinni on nimellisesti noin 14 A kestävää tyyppiä ja sopii 0,75–1,5 mm² johdinpoikkipinnoille​

. Vastaavasti Delphi/Metri-Pack -sarjan 2-napainen harmaa liitin on speksattu noin 20 ampeerille​

. Nämä arvot kertovat, paljonko virtaa liittimen yksittäinen pinni kestää jatkuvasti ilman että lämpeneminen nousee liikaa.

On kuitenkin huomioitava, että moninapaisessa liittimessä kaikki pinnit eivät välttämättä voi yhtä aikaa kuljettaa maksimivirtaansa. Tiiviissä liitinrungossa usean vierekkäisen pinnin yhtäaikainen kuormittaminen aiheuttaa lämpökuormien summautumista, jolloin jokaisen pinnin sallittua virtaa joudutaan hieman rajoittamaan. Liittimien katalogeissa ilmoitetut virrankestot on usein mitattu yksittäiselle pinnille vapaassa ilmassa​. Normaalissa autokäytössä tämä tosin harvoin tulee ongelmaksi.. Todellisessa käytössä, muovikuoren sisällä usean kuormitetun johdon ympäröimänä, kontakti jää lämpimämpään – aivan kuten jos niputtaa monta lämmintä johtoa yhteen, ne pitävät toisensa lämpiminä. Yleensä valmistajat antavat ns. derating-kertoimia: esimerkiksi jos puolet liittimen 10 pinnistä kantaa kukin isoa virtaa, voi turvallinen virta per pinni olla vaikkapa ~70 % yksittäisen pinnin maksimiarvosta​. Käytännössä tämä tarkoittaa: jätetään suunnittelussa vähän ylimääräistä marginaalia virtoihin. Jos esim. liittimen tyyppikilvessä lukee 10 A per pinni, sitä ei kannata kuormittaa jokaisesta pinnistä 10 ampeerilla samaan aikaan jatkuvasti.

Yhteenvetona: varmista liittimen virrankesto riittäväksi ja mielellään hieman ylikin suunniteltuun käyttökohteeseen. Tarvittaessa jaa kuormitusta usealle johdolle tai pinneille. Liian pienelle virralle mitoitettu liitin on vaaran paikka – onneksi autojen vakioliittimet on yleensä standardoitu kestämään yleisten laitteiden virrat.

Johdon paksuuden vaikutus liittimen valintaan

Liittimen ja johdon muodostama kokonaisuus on ajateltava yhdessä. Johtimen paksuus (poikkipinta-ala) määrää, paljonko virtaa itse johto pystyy kuljettamaan turvallisesti.

. Paksummalla esimerkiksi 2,5 mm² johdolla voi kuljettaa isompia virtoja (15–20 A) ilman liiallista lämpenemistä, ja ohuemmalla 0,5 mm² johdolla taas vain muutamia amppeereja. Liitin pitää sovittaa käytettävän johtimen paksuuteen. Liittimen metallikoskettimet (pinnit) on suunniteltu tietylle johdinalueelle, jotta ne voidaan puristaa (krimpata) kunnolla kiinni johtimen säikeisiin. Esimerkiksi edellä mainitussa AMP Superseal -liittimessä naaraspinnit on tarkoitettu 0,75–1,5 mm² johtimille – eli noin AWG18–AWG15 paksuudelle. Jos yrität tunkea liian paksun kaapelin liian pieneen liittimeen, puristusliitos ei toimi oikein: kaikki säikeet eivät mahdu kunnolla puristusholkkiin ja liitos jää heikoksi. Näin voi käydä vaikkapa Deutsch-liittimissä, joissa on erilaisia pinnikokoja; on varmistettava, että valitset oikean kokoisen pinnin haluamallesi johdolle. Liian suuri AWG-johto pienessä liitinterminaalissa on vaarallinen yhdistelmä – vaikka johto itsessään kestäisi virran, liittimen heikko puristus voi alkaa kuumentua​

Samoin liian ohut johto liian isossa pinnissä on ongelma: puristus voi jäädä löysäksi, kun metallikieli ei pääsekään pureutumaan tarpeeksi pieneen johtoon. Tähän on olemassa yleensä ratkaisuja, kuten johtimen päätteen taittelu kaksin kerroin tai soviteholkit, mutta paras ratkaisu on käyttää oikeaa pinnikokoa oikealle johdolle. Kaikissa laadukkaissa liittimissä on valmistajan ilmoittama johdinalue, jota tulee noudattaa. Tämä takaa, että liittimen mekaaninen ja sähköinen liitos on optimaalinen.

Johdon paksuus ja virrankesto kulkevat käsi kädessä myös liitintä valittaessa. Usein tietyn virran kestävä liitin edellyttää tietyn paksuista johtoa, jotta kokonaisuus toimii. Esimerkki: Jos virtapiirissä virrankulutus on 20A ja käytetään ~2,5 mm² johtoa, joten valitaan liitin, jonka pinnit sekä kestävät 20 A että joihin saa puristettua 2,5 mm² johdon. Jos sopivaa moninapaista liitintä ei löydy näin paksulle johdolle, voi harkita jakamista useampaan liittimeen tai käyttämään erillisiä napaliittimiä (esim. rengas- tai pulttikiinnitteisiä kaapelikenkäliittimiä) isommille virtajohtimille.

Kokonaisuus ja virrankulutus – esimerkit

Lopulta kaikki edellä mainitut tekijät on sovitettava yhteen laitteen virrankulutuksen kanssa. Johtosarjaa suunniteltaessa kartoitetaan kunkin sähkölaitteen virran tarpeet (sekä jatkuva että hetkellinen huippuvirta) ja valitaan niiden perusteella sopiva johdinpaksuus sekä liitin. Kannattaa miettiä sekä yksittäisen laitteen vaatimusta että kokonaisuutta: montako laitetta on kytketty samaan liittimeen ja kulkevatko ne yhtä aikaa.

Esimerkiksi sähköinen jäähdytyspuhallin voi ottaa jopa parikymmentä ampeeria virtaa käynnistyessään. Sille vedetään yleensä oma paksuhko johtonsa releeltä ja käytetään vahvaa 2-napaista liitintä, joka on tehty tätä virtaa varten. Toisaalta vaikkapa jäähdytysnesteen lämpötila-anturi kuluttaa häviävän pientä virtaa – sen kahdelle ohuelle signaalijohdolle riittää pienikin liitin. Monesti suunnittelussa yhdistelläänkin laitteita samaan liittimeen vain jos niiden yhteinen virrankulutus pysyy liittimen rajoissa. Suuri virtasyöppö saa oman liittimen, pienet voidaan niputtaa. Esimerkiksi signaalimaalle voi hyvinkin vetää vain yhden johdon ja haaroittaa vasta moottoritilan puolella, sen sijaan että laitettaisiin jokaiselle anturille oma maadoitusjohtonsa

On myös otettava huomioon laitteen toiminnan luonne. Esimerkiksi sytytyspuolat ovat laite, jonka virrankulutus on pulssittaista. Nykyaikaisissa coil-on-plug -sytytyspuolissa kulkee hetkellisesti jopa noin 6 ampeerin virta per puola​ sytytyshetkellä, mutta kaikki puolat eivät muodosta kipinää samaan aikaan. Nelisylinterisessä moottorissa kullakin puolalla on oma liittimensä, joten yhden liittimen kautta menee kerralla vain yhden puolan virta. Puolat muodostavat kipinän sytytysjärjestyksessä vuorotellen, joten vaikka yksittäisen puolan piikki on 6 A, keskimääräinen virta per liitin on pienempi, ja auton sähköjärjestelmä näkee ehkä vain yhden tai kaksi puolan virran kerrallaan (riippuen onko kyseessä hukkakipinäjärjestelmä tms.). Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että liittimeksi voisi valita ihan mitättömän pientä – huippuvirta määrää sen, ettei liitin saa kuumentua edes pulssin aikana. Tyypillinen sytytyspuolan liitin onkin vastaava kuin polttoainesuutinten liitin, kestoltaan noin 8–10 A jatkuvaa virtaa, mikä riittää hyvin 6 A pulsseille ja tuo varmuusmarginaalia. Yleensä suunnittelussa pyritään siihen, että myös hetkellinen huippu mahtuu liittimen kapasiteettiin.

Alla on koottu esimerkkitietoja eräiden autoissa yleisesti esiintyvien laitteiden virrankulutuksista. Taulukkoon on kerätty arvioitu virtahaarukka tavallisissa tilanteissa. Nämä luvut auttavat ymmärtämään, millaisista virroista puhumme – ja miksi liitin- ja johdinvalinnat ovat tärkeitä. (Huomaa, että osa laitteista toimii harvoin kaikki yhtä aikaa; esim. usean sytytyspuolan järjestelmässä puolat aktivoituvat vuorotellen, ei samanaikaisesti.)

LaiteTyypillinen virrankulutus

Sytytyspuola (coil-on-plug)~6 A (huippu per puola)​

Polttoainesuutin (yksittäinen)~4–6 A huippu, ~1 A ylläpito​

Polttoainepumppu (sähköinen)~5–15 A (riippuu kuormasta)​

Jäähdytyspuhallin (flekti)~10–30 A (moottorin koosta riippuen)​

Halogeeniajovalot (2 x H7/H4)~8–10 A yhteensä​

LED-ajovalot (2 kpl)~1–2 A yhteensä​

Pieni merkkivalopolttimo~0,3 A​

Starttimoottori200–350 A (käynnistyspiikki)​

Kuten taulukosta nähdään, erot eri laitteiden välillä ovat valtavia. Pieni kojelaudan polttimo vie alle puoli ampeeria, kun taas starttimoottori imaisee satoja amppeereja hetkellisesti. Johtosarjan liittimillä ei onneksi tarvitse välittää starttivirroista – startin paksut kaapelit on pultattu akkuun ja solenoidiin erikseen – mutta jo esimerkiksi jäähdytysfanin 30 A tai polttoainepumpun 10 A ovat arvoja, joille liittimet ja johdot on ehdottomasti mitoitettava oikein. Yllä olevat arvot edustavat tyypillisiä suuruusluokkia henkilöautossa; tarkat lukemat vaihtelevat ajoneuvon ja komponentin mukaan.

Lopuksi

Yhteenvetona: hyvän johtosarjaliitoksen suunnittelussa on huomioitava sekä sähkö että mekaniikka. Valitse liitin käyttökohteen ympäristöolosuhteiden mukaan, varmista että siinä on riittävästi napoja kaikille johdoille, tarkista että liittimen ja pinnien virrankesto ylittää piirin vaatimukset, ja käytä sopivan paksuista johtoa yhdessä liittimen kanssa. Kun nämä kaikki osa-alueet ovat tasapainossa, lopputuloksena on luotettava liitos, joka ei kuumene, hapetu eikä irtoile tärinässä.

Tutustu ehdottomasti liittimen, ja tarvittaessa johtimen datasheetiin, josta on nähtävissä virrankesto yms tiedot

Johtosarjavalmistuksessa pieniltä tuntuvilla valinnoilla on suuria vaikutuksia: Oikein valittu liitin varmistaa, että virrat kulkevat turvallisesti ja signaalit paikasta toiseen. Se helpottaa myös asennusta ja huoltoa – standardikomponentit ovat saatavilla ja korvattavissa tarvittaessa. Kun seuraavan kerran liität uutta lisävaloa, anturia tai moottorinohjainta johtosarjaan, muista pysähtyä hetkeksi miettimään liitintä: onko se varmasti oikea juuri tähän tarkoitukseen?