Reducer størrelse og vægt, samtidig med at du øger effekten med robuste industrielle miniaturekontakter

Designere bliver bedt om at presse mere funktionalitet ind i stadig mere akavede og trange rum som led i optimering af størrelse, vægt, effekt og omkostninger (SWaP-C). Dette gælder især i bærbare enheder, industrielle robotsystemer og luftfartssystemer, hvor forbindelserne leder både strøm- og datasignaler tæt på hinanden.

Mens designere skal være opmærksomme på pålidelighed og signalintegritet, skal de også sikre, at forbindelsessystemet er let at konfigurere til forskellige pinouts og anvendelsestilfælde, at det kan tilsluttes og frakobles pålideligt under opsætningen og er let at vedligeholde, når det er i brug.

I denne artikel forklares det, hvordan designere af elektroniske systemer kan sikre pålidelige forbindelser ved at bruge den rette stikfamilie til små og snævre forbindelsessituationer. Der vil blive diskuteret, hvordan SWaP-C-optimering kan opnås for en bred vifte af interconnect-udfordringer ved at standardisere på en interconnect-familie fra Harwin. Anvendelsen af to eksempler på løsninger, der er rettet mod forbindelser til små systemer, vil blive beskrevet.

Hvorfor SWaP-C er nødvendig for små systemer

Designere af elektroniske systemer som f.eks. bærbare enheder og kommunikationsudstyr har til opgave at presse mere funktionalitet ind på mindre plads. Derfor skal de reducere det nødvendige fodaftryk for eksisterende komponenter for at reducere systemets størrelse og samtidig skabe plads til flere komponenter på det samme område. Desuden skal forbindelsessystemet være robust nok til at kunne tåle at blive tabt på et hårdt gulv uden at knække eller beskadige nogen af forbindelserne. Et hårdt fald kan resultere i, at et stik udvikler forbindelsesproblemer, som, hvis de ikke diagnosticeres, kan resultere i, at enheden kasseres, hvilket kan være en dyr konsekvens for brugeren og producentens omdømme.

Industrielle robotsystemer er et andet eksempel, hvor SWaP-C-optimering er ønskelig. Selv om det måske ikke virker indlysende, at et tungt robotsystem kan vinde meget ved at reducere størrelsen af nogle få stik, opnås de reelle SWaP-C-gevinster ikke ved en enkelt optimering, men ved en kombineret optimering af hundredvis af undersystemer. Lavere vægt og mindre størrelse i robotteknologi forbedrer effektiviteten og betyder mindre strøm til at bevæge en arm eller en åbning, hvilket reducerer omkostningerne. Robotarme udsættes også ofte for hårde starter og stop, hvilket med tiden kan belaste forbindelsessystemerne og resultere i intermitterende fejl. Robotsystemer skal også transportere både strøm og digitale signaler i det samme ledningsnet, hvilket medfører en udfordring for forbindelsen, når begge typer signaler skal transporteres pålideligt og uden interferens i det samme stik.

Luftfartssystemer er et indlysende område, hvor der er behov for SWaP-C, da en sammenkobling, der har en lavere vægt, mindre størrelse og kan overføre mere kraft, resulterer i et lettere fly med større effektivitet. Luftfartssystemer er også genstand for regelmæssige inspektioner, hvor forbindelsesdele ofte af- og påmonteres. Forbindelsessystemet skal kunne modstå et stort antal sammenkoblings-/afkoblingscyklusser, samtidig med at det skal have en række forskellige muligheder for at forhindre en forkert sammenkobling, når mange stik er i samme område.

SWaP-C-optimering er særlig fordelagtig for dronedesigns, hvor hver eneste gram, der spares, kan give en mærkbar forbedring af batterilevetiden og flyvetiden. Droner er også meget størrelsesbevidste. Jo mindre dronen er, jo mindre kraft kræves der for at holde dronen i balance omkring dens tyngdepunkt.

Intelligente husholdningsapparater er et andet område, hvor der er behov for SWaP-C-optimering. Mindre og lettere apparater er altid en fordel, når de skal installeres i trange køkkenrum. Der er behov for et robust forbindelsessystem til apparater som opvaskemaskiner, vaskemaskiner og tørretumblere, hvor vibrationer med tiden kan få det forkerte forbindelsessystem til at afbryde forbindelsen. For at lette vedligeholdelsen skal forbindelserne også have nemme og rimelige parrings- og afmonteringscyklusser.

Kravene til disse forskellige applikationer har resulteret i en række innovative designmetoder for interkonnektorer, hvoraf mange kan anvendes sammen på en enkelt serie af interkonnektorer for at sikre optimal ydeevne, pålidelighed og brugervenlighed.

Skruelåsforbindelse til SWaP-C-optimeringer

For at gøre det nemt at bruge stikkene skal de f.eks. være nemme at sætte sammen til hurtig samling af udstyret, nemme at afmontere for at lette vedligeholdelsen, men stadig være stærke nok til at modstå stød og vibrationer og lette nok til ikke at belaste de svagt strømførende ledninger i kabelsamlingen. Til SWaP-C-interconnect optimeringer, der kræver solid interconnect i enhver situation, har Harwin Gecko SL 1,25 millimeter (mm) benafstand med skruelås interconnect system. Det er stik med høj pålidelighed, der er designet til at være op til 45 % mindre og op til 75 % lettere end det populære micro-D-stik, der almindeligvis anvendes i tilsvarende applikationer.

Et eksempel på et par sammenkoblede Gecko SL-stik er Harwin G125-2241096F1 10-positionsstik og Harwin G125-3241096M2 10-positionsstik til panelmontering (Figur 1). Stikhuset til højre er forsænket og med kile på den øverste og nederste overflade. Dette forhindrer forkert indsættelse af stikkontakter, hvilket kan føre til fejl på udstyret. Gecko-SL-stik fås med en række forskellige konfigurationer med nøgle for at forhindre ukorrekte indsættelser, når flere stik i et system er grupperet i nærheden af hinanden.

Figur 1: Harwin G125-2241096F1 10-positioner stikdåsehus (til venstre) passer til Harwin G125-3241096M2 10-positioner panelmonteret stikhus (til højre). Kontaktfladerne er nøglefastsat på toppen og bunden, mens kontaktmærker gør det lettere at parre stikkene. (Billedkilde: Harwin)

Gecko SL-forbindelsessystemet bruger crimpkontakter og har to skruelåse til at fastgøre stikkene på plads. Dette er en fordel i systemer, der udsættes for vibrationer og kraftige stød, hvor stikkene kan blive afmonteret ved voldsom kraft. Skruelåsene i rustfrit stål sikrer en tæt forbindelse i enhver situation. Forbindelsessystemet anvender en mate-before-lock-mekanisme, der giver en solid elektrisk forbindelse, allerede inden de to skruer er fastgjort. Dette gør det muligt for teknikere at parre stikkene midlertidigt i forbindelse med vedligeholdelse og test. Da forbindelsessystemet er symmetrisk på den vandrette akse, har oversiden af hvert stik et trekantet kontaktmærke for at gøre det nemmere for teknikerne at parre det. Stikkene er klassificeret til 1000 sammenkoblings-/afkoblingsoperationer, hvilket gør dem velegnede til rumfartsapplikationer, hvor stikkene kan blive afkoblet under regelmæssig inspektion og vedligeholdelse.

Hver af de ti pinpositioner er beregnet til at kunne håndtere maksimalt 2,8 ampere (A) i isolation. Hvis alle kontakter bruges samtidigt til at overføre strøm, kan hver kontakt maksimalt håndtere 2,0 A. Med fem strøm- og fem jordkontakter giver dette stikket en maksimal strømoverførselskapacitet på 10,0 A.

Når det er sat sammen, har stiksystemet en høj modstandsdygtighed over for misbrug og kan modstå et stød på 100 g, 6 millisekunder (ms), samt en vibration på 20 g i seks timer, hvilket gør det velegnet til barske robot- og industrisystemer. Husene er fremstillet af glasfyldt termoplast, der kan fungere i et temperaturområde fra -65 °C til +150 °C. Dette gør stikkene velegnede til flysystemer, der kan udsættes for ekstreme temperaturer fra varm ørkenvarme på landingsbanen til ekstrem kulde i høj højde. For systemer, der kan udsættes for højfrekvente vibrationer, anbefales det at påføre en back-potting-masse på krympesamlingerne for at give yderligere forstærkning.

Signal- og strømforbindelse til SWaP-C-optimeringer

I nogle situationer skal et forbindelsessystem håndtere både styresignaler med høj strømstyrke og strømforsyningsforbindelser med endnu højere strømstyrke i det samme ledningsnet. Disse sammenkoblingsapplikationer kræver et system med blandet layout, der kan håndtere begge størrelser af kontakter, der er nødvendige. Til disse systemer leverer Harwin Gecko-MT 1,25 mm pitch mixed layout interconnect-systemet. Det er meget små og lette stik, der er designet til sikkert at transportere blandede kontrol- og strømforsyningssignaler i den samme forbindelse. Til disse anvendelser kan designere bruge Harwin G125-FV10805F3-2AB2ABP-bøsningen med otte signal- og fire strømtilslutninger sammen med det tilsvarende G125-32496M3-02-08-02-stik (Figur 2).

Figur 2: Harwin Gecko-MT G125-FV10805F3-2AB2ABP-bøsningen (til venstre) og Gecko-MT G125-32496M3-02-08-02-stikket (til højre) udgør et 8-signal, 4-power-forbindelsessystem med en kapacitet på 10 A pr. strømkontakt og 2 A pr. signalkontakt. (Billedkilde: Harwin)

De otte signalkontakter i dette sammenkoblingssystem kan hver håndtere op til 2 A, mens de fire større strømkontakter hver kan håndtere op til 10 A pr. kontakt. Dette giver fleksibilitet i forbindelserne på de trange steder, der ofte findes i rumfartssystemer, f.eks. i flyelektronikstyringssystemer. Desuden skal de fleste robotsystemer overføre en blanding af styresignaler og strøm langs robotarme og andre mekanisk styrede mekanismer, hvilket gør denne type sammenkobling optimal til disse applikationer.

Ligesom Gecko-SL er Harwin Gecko-MT forsynet med en nøgle for at forhindre fejlindsættelser. Som det fremgår af figur 2, har stikket et smalt nøglehul i bunden og et meget bredt nøglehul i toppen. Gecko-MT-stik fås med en række forskellige konfigurationer med nøglekonfigurationer for at sikre, at stikkene indsættes korrekt, sammen med trekantede kontaktmærker for at gøre indsættelsen lettere for teknikere. Beholderen til venstre i figur 2 er monteret på en printplade med gennemgående kontakter. Beholderen er fastgjort til pc-pladen med to bolte/møtrikker på undersiden for sikker montering. Dette forhindrer, at stikket bliver snoet eller trukket af printkortet i miljøer med høje vibrationer. Stikproppen sættes i stikkontakten og skrues ind i de rustfrie skrueudtag i rustfrit stål.

Gecko-MT-forbindelsessystemet anvender også et mate-before-lock-system for at sikre en solid elektrisk forbindelse og for at lette testning under vedligeholdelseshændelser. Forbindelsessystemet er beregnet til 1000 parrings/afparringscyklusser for at sikre høj forbindelsessikkerhed i vedligeholdelses- og omkonfigurationssituationer.

Det sammenkoblede Gecko-MT-stiksystem kan også modstå et stød på 100 g, 6 ms, samt en vibration på 20 g i seks timer, hvilket gør det velegnet til robotteknologi og industrielle applikationer, hvor signal og strøm skal ledes sammen for at spare plads. De glasfyldte termoplasthuse kan fungere i et temperaturområde fra -65 °C til +150 °C, hvilket gør det muligt at bruge dem til flyapplikationer, hvor der er ekstreme temperaturer.

Konklusion

Designere af mange elektroniske systemer har brug for at optimere nye og eksisterende systemer med henblik på SWaP-C for at øge effektiviteten, sænke omkostningerne og forbedre den operationelle ydeevne. Det rigtige valg af sammenkoblingssystemer kan hjælpe med denne SWaP-C-optimering. Desuden skal designere af systemer til bærbare enheder, industrielle robotsystemer, flysystemer og smarte husholdningsapparater sikre, at deres forbindelser kan modstå de hårde vibrationer, der forekommer i applikationen, samtidig med at de kan transportere høje strømme gennem snævre rum. For at forenkle designprocessen kan designere standardisere på ét forbindelsessystem for at sikre systemets pålidelighed og brugervenlighed for stik.