Verminder afmeting en gewicht en verhoog tegelijkertijd het vermogen met robuuste, industriële miniatuurconnectors

Als onderdeel van de optimalisatie voor afmeting, gewicht, vermogen en kosten (SWaP-C) wordt ontwerpers gevraagd steeds meer functionaliteit in steeds lastiger en krappere ruimtes te proppen. Dit geldt vooral voor draagbare apparatuur, industriële robotsystemen en luchtvaartsystemen waar de interconnecties zowel voedings- als datasignalen in elkaars nabijheid geleiden.

Hoewel ontwerpers zich bekommeren om betrouwbaarheid en signaalintegriteit, moeten zij er ook voor zorgen dat het interconnectiesysteem gemakkelijk te configureren is voor verschillende pinouts en gebruikssituaties, dat het tijdens de installatie betrouwbaar kan worden aangesloten en losgekoppeld en dat het gemakkelijk te onderhouden is terwijl het in gebruik is.

In dit artikel wordt uitgelegd hoe ontwerpers van elektronicasystemen een betrouwbare connectiviteit kunnen garanderen door de juiste connectorfamilie te gebruiken voor kleine en krappe interconnectiesituaties. Er zal worden besproken hoe SWaP-C-optimalisatie kan worden bereikt voor een breed scala van interconnectie-uitdagingen door te standaardiseren op één interconnectiefamilie van Harwin. Hieronder wordt de toepassing van twee voorbeeldoplossingen die gericht zijn op interconnecties voor kleine systemen beschreven.

Waarom SWaP-C nodig is voor kleine systemen

Ontwerpers van elektronische systemen zoals draagbare apparaten en communicatieapparatuur moeten steeds meer functionaliteit in een kleinere ruimte persen. Als gevolg daarvan moeten zij de voetafdruk voor bestaande componenten verkleinen om de systeemgrootte te verkleinen en tegelijkertijd ruimte maken voor meer componenten op hetzelfde oppervlak. Bovendien moet het interconnectiesysteem robuust genoeg zijn om een val op een harde vloer te weerstaan zonder dat de interconnecties breken of beschadigen. Een harde val kan ertoe leiden dat een connector intermitterende verbindingsproblemen ontwikkelt, die, als ze niet worden gediagnosticeerd, ertoe kunnen leiden dat het apparaat wordt weggegooid. Dit is een kostbaar gevolg voor de gebruiker en de reputatie van de fabrikant.

Industriële robotsystemen zijn een ander voorbeeld waar SWaP-C-optimalisatie wenselijk is. Hoewel het misschien niet voor de hand ligt dat een zwaar robotsysteem veel baat zou hebben bij het verkleinen van een paar connectors, worden de ware SWaP-C-voordelen niet bereikt door één optimalisatie, maar door de gecombineerde optimalisatie van honderden subsystemen. Een lager gewicht en kleinere afmetingen in de robotica verbeteren de efficiëntie en leiden tot minder vermogen dat nodig is om een arm of diafragma te bewegen, waardoor de kosten dalen. Robotarmen worden ook vaak onderworpen aan harde starts en stops, waardoor de interconnectiesystemen na verloop van tijd onder druk komen te staan, met intermitterende storingen tot gevolg. Bovendien moeten robotsystemen zowel voedings- als digitale signalen overbrengen in dezelfde kabelboom, wat een interconnectie-uitdaging inhoudt om beide soorten signalen betrouwbaar en zonder interferentie in dezelfde connector over te brengen.

Luchtvaartsystemen zijn een voor de hand liggend gebied waar SWaP-C nodig is, aangezien een interconnectie met een lager gewicht en kleinere afmetingen en die meer vermogen kan overbrengen, resulteert in een lichter vliegtuig met een grotere efficiency. Luchtvaartsystemen worden ook regelmatig geïnspecteerd, waarbij connectors vaak worden losgekoppeld en weer aangekoppeld. Het interconnectiesysteem moet bestand zijn tegen een groot aantal koppel/loskoppel-cycli, terwijl het ook over verschillende sleutelmogelijkheden moet beschikken om een verkeerde paring te voorkomen wanneer veel connectors zich in dezelfde ruimte bevinden.

SWaP-C-optimalisatie is bijzonder voordelig voor droneontwerpen waar elke bespaarde gram een merkbare verbetering in de levensduur van de batterij en de vliegtijd kan opleveren. Drones zijn ook zeer omvanggevoelig. Hoe kleiner de drone, hoe minder kracht er nodig is om de drone rond zijn zwaartepunt in balans te houden.

Slimme huishoudelijke apparaten zijn een ander gebied waar SWaP-C moet worden geoptimaliseerd. Kleinere en lichtere toestellen zijn altijd een voordeel bij installatie in krappe keukenruimtes. Een robuust interconnectiesysteem is nodig voor apparaten zoals vaatwassers, wasmachines en wasdrogers, waar trillingen er na verloop van tijd toe kunnen leiden dat het verkeerde interconnectiesysteem losraakt. Connectors moeten ook snel en eenvoudig kunnen worden gekoppeld en losgekoppeld, zodat het onderhoud wordt vergemakkelijkt.

De eisen van deze verschillende toepassingen hebben geleid tot een verscheidenheid aan innovatieve interconnectie-ontwerpbenaderingen, waarvan er vele samen kunnen worden toegepast op één enkele interconnectielijn voor optimale prestaties, betrouwbaarheid en gebruiksgemak.

Schroefslot-interconnectie voor SWaP-C-optimalisaties

Voor gebruiksgemak moeten connectors bijvoorbeeld gemakkelijk te koppelen zijn voor een snelle assemblage van de apparatuur, gemakkelijk te demonteren voor onderhoudsgemak, en toch sterk genoeg zijn om schokken en trillingen te weerstaan en licht genoeg om geen stress te veroorzaken op draden voor lage stroom in de kabelassemblage. Voor SWaP-C interconnectie-optimalisaties die in elke situatie een solide interconnectie vereisen, heeft Harwin het Gecko SL-interconnectiesysteem met 1,25 millimeter (mm) pitch en schroefslot. Dit zijn zeer betrouwbare connectors die tot 45% kleiner en tot 75% lichter zijn dan de populaire micro-D-connector die gewoonlijk in vergelijkbare toepassingen wordt gebruikt.

Een voorbeeld van een gekoppeld paar Gecko SL-connectors is de Harwin G125-2241096F1 10-polige receptacle en de Harwin G125-3241096M2 10-polige paneelmontagestekker (Afbeelding 1). De stekkerbehuizing rechts is aan de boven- en onderzijde verzonken en voorzien van spieën. Dit voorkomt foutieve aansluitingen die kunnen leiden tot defecte apparatuur. Gecko-SL-connectors zijn verkrijgbaar met verschillende sleutelconfiguraties om verkeerde aansluitingen te voorkomen wanneer meerdere connectors in een systeem dicht bij elkaar zijn gegroepeerd.

Afbeelding 1: De Harwin G125-2241096F1 10-polige receptacle (links) past bij de Harwin G125-3241096M2 10-polige paneelmontagestekker (rechts). De contactvlakken zijn aan de boven- en onderzijde voorzien van spiebanen, terwijl contactmarkeringen het koppelen van de connectors vergemakkelijkt. (Bron afbeelding: Digilent)

Het Gecko SL-interconnectiesysteem maakt gebruik van krimpcontacten en heeft twee schroefsloten om de connectors op hun plaats te houden. Dit is een voordeel voor systemen die onderhevig zijn aan trillingen en grote schokken waarbij connectors met kracht kunnen worden losgekoppeld. De roestvrijstalen schroefsloten zorgen voor een stevige verbinding in elke situatie. Het connectorsysteem maakt gebruik van een 'mate-before-lock'-mechanisme dat zorgt voor een solide elektrische verbinding nog voordat de twee schroeven zijn vastgezet. Dit stelt technici in staat de connectors tijdens onderhouds- en testsituaties tijdelijk te koppelen. Aangezien het interconnectiesysteem horizontaal symmetrisch is, is de bovenzijde van elke connector voorzien van een driehoekige contactmarkering om het koppelen voor technici te vergemakkelijken. De connectors zijn geschikt voor 1000 koppel/ontkoppel-cycli, waardoor zij geschikt zijn voor ruimtevaarttoepassingen waar de connectors tijdens regelmatige inspectie en onderhoud kunnen worden losgemaakt.

Elk van de tien penposities is berekend op een maximum van 2,8 ampère (A) in isolatie. Als alle contacten gelijktijdig worden gebruikt om stroom te geleiden, kan elk contact maximaal 2,0 A verwerken. Met vijf stroom- en vijf massacontacten heeft de connector een maximale stroomoverdracht van 10,0 A.

Eenmaal gekoppeld, is het connectorsysteem zeer goed bestand tegen misbruik en kan het een schok van 100 g gedurende 6 milliseconden (ms) weerstaan, evenals een trilling van 20 g gedurende zes uur, waardoor het geschikt is voor ruwe robotica en industriële systemen. De behuizingen zijn gemaakt van glasgevuld thermoplastic dat geschikt is voor een temperatuurbereik van -65 °C tot +150 °C. Dit maakt de connectors geschikt voor luchtvaartsystemen die met extreme temperaturen te maken kunnen krijgen, van de hitte van start- en landingsbanen in de woestijn tot de extreme kou op grote hoogten. Voor systemen die te maken kunnen krijgen met hoogfrequente trillingen wordt aanbevolen een 'back-potting'-middel aan te brengen op de krimpsamenstellingen om deze verder te verstevigen.

Signaal- en voedingsinterconnectie voor SWaP-C-optimalisaties

In sommige situaties moet een interconnectiesysteem zowel besturingssignalen met hoge stroom als voedingsaansluitingen met nog hogere stromen in dezelfde kabelboom verwerken. Deze interconnectietoepassingen vereisen een verbindingssysteem met gemengde layout dat beide contactafmetingen die nodig zijn, aankan. Voor deze systemen levert Harwin het Gecko-MT-interconnectiesysteem met 1,25 mm pitch en gemengde layout. Dit zijn zeer kleine en lichte connectors die zijn ontworpen voor veilig gebruik van gemengde besturings- en voedingssignalen in dezelfde interconnectie. Voor deze toepassingen kunnen ontwerpers de Harwin G125-FV10805F3-2AB2ABP receptacle gebruiken met zijn acht signaal- en vier voedingsaansluitingen, samen met de overeenkomstige G125-32496M3-02-08-02 stekker (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De Harwin Gecko-MT G125-FV10805F3-2AB2ABP receptacle (links) en Gecko-MT G125-32496M3-02-08-02 stekker (rechts) vormen een interconnectiesysteem voor 8 signaal- en 4 voedingsaansluitingen met een capaciteit van 10 A per voedingscontact en 2 A per signaalcontact. (Bron afbeelding: Digilent)

De acht signaalcontacten in dit interconnectiesysteem kunnen elk tot 2 A verwerken, terwijl de vier grotere voedingscontacten elk tot 10 A per contact kunnen verwerken. Dit biedt interconnectieflexibiliteit in de krappe ruimten die vaak worden aangetroffen in ruimtevaartsystemen, zoals besturingsapparatuur in avionica. Ook moeten de meeste roboticasystemen een mengeling van besturingssignalen en voeding overbrengen langs robotarmen en andere mechanisch gestuurde mechanismen, waardoor dit type interconnectie optimaal is voor die toepassingen.

Net als de Gecko-SL is de Harwin Gecko-MT voorzien van een sleutel om foutieve invoer te voorkomen. Zoals in afbeelding 2 te zien is, heeft de connector een smalle spie-uitsparing aan de onderzijde en een zeer brede spie-uitsparing aan de bovenzijde. Gecko-MT-connectors zijn verkrijgbaar met verschillende sleutelconfiguraties om ervoor te zorgen dat de connectors correct worden ingebracht, samen met driehoekige contactmarkeringen om het inbrengen voor technici te vergemakkelijken. De receptacle links in afbeelding 2 wordt gemonteerd op een printplaat met doorgangsboring. De receptacle wordt met twee bouten/moeren aan de onderzijde van de printplaat gemonteerd voor een stevige bevestiging. Dit voorkomt dat de connector wordt verdraaid of van de printplaat wordt getrokken in omgevingen met veel trillingen. De stekker wordt in de receptacle gestoken en in de roestvrijstalen schroefbussen geschroefd.

Het Gecko-MT-interconnectiesysteem maakt ook gebruik van een 'mate-before-lock'-systeem voor een solide elektrische verbinding en om het testen tijdens onderhoudswerkzaamheden te vergemakkelijken. Het interconnectiesysteem is berekend op 1000 koppel/ontkoppel-cycli voor een hoge verbindingsbetrouwbaarheid in onderhouds- en herconfiguratiesituaties.

Het gekoppelde Gecko-MT-connectorsysteem is ook bestand tegen een schok van 100 g gedurende 6 ms en tegen trillingen van 20 g gedurende zes uur, waardoor het geschikt is voor robotica en industriële toepassingen waarbij signaal en voeding samen moeten worden geleid om ruimte te besparen. De glasgevulde thermoplastische behuizingen zijn geschikt voor een temperatuurbereik van -65 °C tot +150 °C, zodat ze kunnen worden gebruikt in luchtvaarttoepassingen die met extreme temperaturen te maken hebben.

Conclusie

Ontwerpers van veel elektronicasystemen moeten nieuwe en bestaande systemen optimaliseren voor SWaP-C om efficiëntie te verhogen, kosten te verlagen en operationele prestaties te verbeteren. De juiste keuze van interconnectiesysteem kan helpen bij deze SWaP-C-optimalisatie. Bovendien moeten ontwerpers van systemen voor draagbare apparatuur, industriële robotsystemen, luchtvaartsystemen en slimme huishoudelijke apparaten ervoor zorgen dat hun verbindingen bestand zijn tegen de zware trillingen van de toepassing en tegelijk hoge stromen door kleine ruimten kunnen voeren. Om het ontwerpproces te vereenvoudigen, kunnen ontwerpers op één interconnectiesysteem standaardiseren om zo de betrouwbaarheid van het systeem en het gebruiksgemak van de connector te garanderen.