Handleiding voor selectie en toepassing van zeer betrouwbare connectors voor SWaP-C

Ontwerpers van systemen voor defensie- en ruimtevaarttoepassingen worden geconfronteerd met steeds strengere eisen voor optimalisatie van omvang, gewicht, vermogen en kosten (SWaP-C). Naarmate hun ontwerpen complexer en compacter worden, moeten ze deze vereisten in evenwicht brengen met hoge prestaties en betrouwbaarheid. Traditionele connectoren hebben vaak moeite om aan deze tegenstrijdige eisen te voldoen, waardoor ontwerpers op zoek moeten naar alternatieven om aan het systeemontwerp en de prestatie-eisen te voldoen.

In dit artikel wordt onderzocht hoe geavanceerde connectortechnologieën die expliciet zijn ontworpen voor SWaP-C kunnen voorzien in de unieke behoeften van defensie- en ruimtevaarttoepassingen. Vervolgens worden hoogbetrouwbare oplossingen van Harwin geïntroduceerd en wordt getoond hoe deze worden toegepast in verschillende defensie- en ruimtevaartscenario's om betrouwbare SWaP-C-prestaties te bereiken.

De factoren die miniaturisatie van connectors stimuleren

Van onderzeeër-periscoopsystemen die upgraden naar multispectrale beeldvorming tot onbemande luchtvaartuigen (UAV's) met steeds meer sensors, de vereisten voor geavanceerde elektronica in kleine ruimtes worden elk jaar complexer. Door het minimaliseren van de componentgrootte zijn extra sensoren en andere functies mogelijk om de mogelijkheden van het systeem te vergroten en de aerodynamische prestaties te verbeteren.

Connectors, traditioneel een van de omvangrijkere componenten, zijn cruciaal voor succesvolle miniaturisatie. Om de afmetingen van connectoren te verkleinen, moeten de contactafstanden worden verkleind en het gewicht worden verlaagd, terwijl de duurzaamheid moet worden gehandhaafd en consistente elektrische prestaties onder extreme omstandigheden moeten worden gegarandeerd.

Harwin heeft op deze uitdagingen gereageerd met uitgebreide connectorfamilies die speciaal zijn ontworpen voor SWaP-C-optimalisatie. Hun aanpak is gebaseerd op drie belangrijke ontwerpprincipes:

1. Verkleinen van pitchmaten tot slechts 1,25 millimeter (mm) met behoud van hoge stroomvoerende capaciteit
2. Gebruik van berylliumkoperen contacten met meerdere vingers voor signaalintegriteit onder extreme omstandigheden
3. Gebruik van thermoplastische behuizingen voor hoge temperaturen met selectief gebruik van lichtgewicht metalen voor duurzaamheid

Deze ontwerpfilosofie strekt zich uit over hun productfamilies met hoge betrouwbaarheid, van signaalconnectoren met hoge dichtheid tot oplossingen met gemengde technologie en hoog vermogen.

De invloed van gewichtsvermindering van connectors op mobiliteit en efficiëntie

Gewichtsreductie is cruciaal bij het optimaliseren van SWaP-C, vooral voor mobiele toepassingen en toepassingen in de lucht. Lichtere onderdelen kunnen de vluchtduur en manoeuvreerbaarheid verbeteren, terwijl er meer uitrusting kan worden meegenomen.

Moderne micro-miniatuurconnectors kunnen het gewicht aanzienlijk verlagen ten opzichte van traditionele industriële connectoren door een strategische materiaalkeuze. Glasgevulde thermoplasten voor hoge temperaturen kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt voor primaire behuizingen. Tegelijkertijd kunnen ontwerpers lichtgewicht aluminiumlegeringen selectief alleen gebruiken waar metaal nodig is voor bescherming tegen elektromagnetische interferentie (EMI) en radiofrequentie-interferentie (RFI) en mechanische duurzaamheid.

Zelfs in toepassingen met hoge stromen waar traditionele ontwerpen zwaar leunen op metalen componenten, kunnen deze materiaalcombinaties robuuste elektrische en mechanische prestaties behouden terwijl de massa van de connector tot een minimum wordt beperkt.

Koppelingskosten beheersen zonder aan betrouwbaarheid in te boeten

Bij SWaP-C-ontwerpen vormt het vinden van een balans tussen kostenreductie en hoge betrouwbaarheid een voortdurende uitdaging voor ontwerpers van missiekritische systemen. Voor connectors betekent dit dat ze ontwerpen en materialen moeten kiezen die een lange levensduur garanderen tegen minimale kosten.

Een belangrijke strategie om de kosten te beheersen is zich te richten op de totale eigendomskosten in plaats van alleen de prijs van de onderdelen vooraf. Hoewel zeer betrouwbare connectors hogere initiële kosten met zich meebrengen, kunnen hun langere levensduur en lagere onderhoudsvereisten aanzienlijke besparingen opleveren op de lange termijn. Dit is vooral waardevol in toepassingen waar connectors extreme omstandigheden moeten doorstaan, zoals hoge trillingen, temperatuurschommelingen en herhaalde paringscycli.

Bovendien kunnen gestandaardiseerde en modulaire connectorontwerpen de productie- en onderhoudskosten verlagen door eenvoudigere integratie en vervanging. Connectors die voldoen aan gemeenschappelijke industrienormen maken uitwisselbaarheid en gestroomlijnd voorraadbeheer mogelijk, waardoor de kosten gedurende de levenscyclus van het product afnemen.

Vermogensafgifte in balans brengen met grootte

Connectors spelen ook een cruciale rol in energiebeheer. De uitdaging ligt in het ontwikkelen van connectors die aanzienlijke stroombelastingen aankunnen en tegelijkertijd een compacte vormfactor behouden en minimaal stroomverlies garanderen. Betrouwbare connectors moeten een efficiënte stroomoverdracht ondersteunen, warmteontwikkeling minimaliseren en vlamboogvorming voorkomen, terwijl ze tegelijkertijd voldoen aan de ruimte- en gewichtseisen van het moderne systeemontwerp.

Om efficiëntie en betrouwbaarheid te bereiken, zijn materialen en contactontwerpen nodig die een lage weerstand bieden. Connectors met robuuste contactbeplating, geavanceerde isolatie en geoptimaliseerde contactgeometrie kunnen een stabiel vermogen leveren, zelfs onder extreme bedrijfsomstandigheden.

Een belangrijke overweging is het combineren van signaal- en voedingsaansluitingen in een enkele, compacte connector. Hoewel de integratie van signaal- en stroomkabels het totale oppervlak van de connector verkleint en waardevolle ruimte vrijmaakt, zorgt het ook voor uitdagingen bij het beheren van mogelijke interferentie tussen stroom- en signaalroutes.

Toepassingsvoorbeeld: cockpits van straaljagers

Het bekijken van typische use cases helpt om te illustreren hoe deze ontwerpprincipes in de praktijk werken. Verlichtingsregelunits (LCU's) in straaljagers hebben bijvoorbeeld betrouwbare connectors nodig om de verlichting in verschillende vluchtomstandigheden en missies te beheren. Deze systemen besturen cockpit-, buiten-, nachtzicht- en noodverlichting, waarvoor componenten nodig zijn die variabele verlichtingssterkten kunnen leveren in een dicht opeengepakte omgeving. De beperkte ruimte van de LCU vereist componenten met een laag profiel die effectief integreren zonder afbreuk te doen aan de prestaties.

Met een steek van 1,25 mm bieden de Gecko SL-connectors van Harwin een compacte en lichte oplossing die 75% lichter en 45% kleiner kan zijn dan Micro-D-connectors. Hierdoor zijn ze bijzonder geschikt voor dichte omgevingen zoals LCU's. De belangrijkste kenmerken van de Gecko SL-familie zijn:

• 2,8 ampère (A) per contact in isolatie en 2,0 A op alle contacten tegelijk
• Berylliumkoperen contactontwerp met vier vingers voor hoge betrouwbaarheid
• Gietstukken van glasgevuld thermoplast UL94V-0 (halogeen- en rode fosforvrij)

De G125-MC10605M1-0150L-variant heeft een plug met zes posities die eindigt in individuele draadsnoeren (Afbeelding 1). Er is een breed scala aan andere montagestijlen beschikbaar, samen met lichtgewicht aluminium kappen die een verbeterde elektrische continuïteit, kabelbescherming en effectieve EMI/RFI-afscherming bieden.

Afbeelding 1: De Gecko SL-connectors zijn handig voor omgevingen met weinig ruimte, zoals cockpits van straalvliegtuigen. De G125-MC10605M1-0150L-variant heeft een stekker met zes posities die eindigt in individuele draadsnoeren. (Bron afbeelding: Harwin)

Naast hun compacte formaat zijn Gecko SL-connectors uitzonderlijk robuust. Ze zijn bestand tegen schokken tot 100 g gedurende 6 milliseconden (ms) en trillingen tot 20 g gedurende 6 uur, waardoor ze ideaal zijn voor omgevingen in de ruimtevaart. Met een duurzaamheid van 1000 paringscycli garanderen deze connectors betrouwbaarheid bij herhaaldelijk aansluiten en loskoppelen, een veel voorkomende vereiste in onderhoudsintensieve toepassingen.

Toepassingsvoorbeeld: mixed-signal UAV-connectors

Een ander voorbeeld: UAV's die in defensieomgevingen werken, hebben robuuste en compacte connectors nodig die onder zware omstandigheden goed blijven functioneren. Deze voertuigen hebben te maken met aanzienlijke trillingen en schokken, waardoor signaalintegriteit cruciaal is voor hun boordsystemen.

Datamate Mix-Tek-connectors van Harwin pakken deze uitdagingen aan door voedings- en signaallijnen in één compact pakket te integreren. Dit ruimtebesparende ontwerp heeft een pitch van 2 mm die voldoende ruimte op de printplaat (pc-bord) biedt voor extra componenten, waardoor de mogelijkheden en prestaties van de UAV uiteindelijk worden verbeterd. Deze connectors minimaliseren stroom- en signaalverlies door lage contactweerstandswaarden van 6 milliohms (mΩ) voor signaalcontacten en 25 mΩ voor voedingscontacten. Ze zijn berekend op 500 koppelcycli en garanderen duurzaamheid in toepassingen die veelvuldig onderhoud en heraansluitingen vereisen.

Een voorbeeld is de M80-5T10805M1-02-331-00-000, die twee voedingscontacten van elk 20 A combineert met acht signaalcontacten van elk 3 A (Afbeelding 2). Deze configuratie ondersteunt de stroomvereisten van kritieke systemen en de gegevensvereisten van controle en communicatie in de meeste UAV-toepassingen.

Afbeelding 2: De M80-5T10805M1-02-331-00-000-connector combineert twee voedings- en acht signaalcontacten met een pitch van 2 mm in één behuizing voor toepassingen met beperkte ruimte, zoals UAV's. (Bron afbeelding: Harwin)

Toepassingsvoorbeeld: UAV-batterijen met hoog vermogen

Defensiegerichte UAV's hebben vaak veel energie nodig en werken met batterijsystemen die tientallen tot honderden kilowatts leveren. De connectors die deze batterijen verbinden met kritieke onderdelen, zoals motors, moeten op betrouwbare wijze hoge stromen aankunnen en tegelijkertijd het stroomverlies minimaliseren.

De uiterst betrouwbare Kona-connectors van Harwin voldoen aan deze eisen door 60 A en 3000 volt per contact aan te kunnen. Hun pitch van 8,50 mm ondersteunt aanzienlijke vermogensbelastingen met behoud van robuustheid op defensiegebied. Een contactweerstand van 2 mΩ zorgt voor minimaal vermogensverlies.

Een goed voorbeeld is de KA1-MV10205M1 (Afbeelding 3), die twee mannelijke contactpinnen heeft voor een gecombineerde maximale stroomcapaciteit van 120 A. Deze connector is zeer geschikt voor UAV-batterijen die een robuuste stroomtoevoer nodig hebben en tegelijkertijd moeten voldoen aan de SWaP-C-eisen.

Afbeelding 3: De KA1-MV10205M1-connectors zijn berekend op 60 A en 3000 volt per contact en maken gebruik van een contactontwerp met zes vingers voor stabiliteit onder zware schokken. (Bron afbeelding: Harwin)

De Kona-connectors maken gebruik van berylliumkoper contacten met vergulde laag, hebben een contactontwerp met zes vingers voor stabiele verbindingen onder zware schokken en hebben een pitch van 8,5 mm. Achterschalen van aluminiumlegering en roestvrijstalen schroefsloten zorgen voor een lichtgewicht en duurzaam ontwerp.

Conclusie

Het kiezen van een geschikte connector is cruciaal voor het in evenwicht brengen van de verschillende vereisten van SWaP-C-optimalisatie. De geavanceerde connectoroplossingen van Harwin laten zien dat het mogelijk is om compactheid, lichtgewicht ontwerp, energiezuinigheid en duurzaamheid te combineren, zodat ontwerpers kunnen voldoen aan de complexe eisen van luchtvaart- en defensietoepassingen.