Reduser størrelse og vekt, og øk samtidig strømstyrken med robuste industrielle miniatyrkontakter

Konstruktører blir bedt om å inkludere mer funksjonalitet i stadig mer besværlige og begrensede rom, som en del av optimaliseringen av størrelse, vekt, strøm og kostnad (SWaP-C). Dette gjelder spesielt for bærbare enheter, industrielle robotsystemer og luftfartssystemer der sammenkoblingene dirigerer både strøm og datasignaler i nærheten av hverandre.

Selv om konstruktører må være opptatt av pålitelighet og signalintegritet, må de også sørge for at sammenkoblingssystemet er enkelt å konfigurere for forskjellige uttakspinner og brukstilfeller, kan pålitelig kobles til og fra under oppsett og er enkelt å vedlikeholde når det er i bruk.

Denne artikkelen vil forklare hvordan konstruktører av elektronikksystemer kan sikre pålitelig konnektivitet ved å bruke den egnede kontaktfamilien for små og tette sammenkoblingssituasjoner. Den vil ta for seg hvordan SWaP-C-optimalisering kan oppnås for et bredt spekter av utfordringer relatert til sammenkobling ved å standardisere med én sammenkoblingsfamilie fra Harwin. Anvendelsen av to prøveløsninger som er rettet mot sammenkoblinger for små systemer, blir beskrevet.

Derfor er SWaP-C nødvendig for små systemer

Konstruktører av elektroniske systemer som bærbare enheter og kommunikasjonsutstyr får i oppgave å presse mer funksjonalitet inn i en mindre fysisk størrelse. Som et resultat må de redusere den fysiske størrelsen som er nødvendig for eksisterende komponenter for å krympe systemstørrelsen, samtidig som de gjør plass til flere komponenter i samme område. I tillegg må sammenkoblingssystemet være robust nok til å tåle fall mot harde gulv uten å sprekke eller skade noen av sammenkoblingene. Et hardt fall kan føre til at en kontakt utvikler periodiske tilkoblingsproblemer, noe som kan føre til at enheten tas ut av bruk hvis det ikke diagnostiseres. Dette er en kostbar konsekvens for brukeren og produsentens omdømme.

Industrielle robotsystemer er et annet eksempel hvor SWaP-C-optimalisering er ønskelig. Selv om det kanskje ikke virker åpenbart at et tungt robotsystem vil oppnå mye ved å redusere størrelsen på noen få kontakter, oppnås ikke reelle SWaP-C-fordeler med én enkelt optimalisering, men ved hjelp av den kombinerte optimaliseringen av hundrevis av delsystemer. Lavere vekt og mindre størrelse innen robotikk forbedrer effektivitet, noe som resulterer i mindre strømforbruk når en arm eller åpning flyttes, og dermed reduserte kostnader. Robotarmer utsettes også ofte for harde starter og stopper, noe som over tid kan belaste sammenkoblingssystemer, og dermed resultere i periodiske feil. Robotsystemer må også transportere både strøm og digitale signaler i samme ledningsnett, noe som resulterer i en utfordring for sammenkoblinger som må transportere begge signaltypene i samme kontakt på en pålitelig måte, uten interferens.

Luftfartssystemer er et åpenbart område hvor SWaP-C er nødvendig, ettersom en sammenkobling med lavere vekt, mindre fysisk størrelse og evne til å overføre mer strøm resulterer i et lettere, mer effektivt luftfartøy. Luftfartssystemer er også gjenstand for regelmessige inspeksjoner hvor kontaktene kobles hyppig til og fra. Sammenkoblingssystemet må kunne motstå et høyt antall tilkobling/frakobling-sykluser, og må samtidig ha en rekke låsealternativer slik at feilparing hindres når mange kontakter er plassert i samme område.

SWaP-C-optimalisering er spesielt fordelaktig for dronekonstruksjoner der hvert eneste gram spart kan ha en merkbar forbedring i batterilevetiden og flytiden. Droner er også svært størrelsesbevisste. Jo mindre dronen er, desto mindre strømforbruk kreves for å holde dronen balansert rundt tyngdepunktet.

Smarte husholdningsapparater er et annet område hvor SWaP-C-optimalisering er nødvendig. Mindre og lettere konstruksjoner er alltid en fordel for installasjon i trange kjøkkenområder. Et robust sammenkoblingssystem er nødvendig for apparater som oppvaskmaskiner, vaskemaskiner og tørketromler der vibrasjoner over tid kan føre til at et feil sammenkoblingssystem frakobles. Koblinger må også ha enkle og fornuftige tilkobling/frakobling-sykluser for å lette vedlikeholdet.

Kravene til disse ulike bruksområdene har resultert i en rekke innovative tilnærminger til sammenkoblingskonstruksjoner, hvorav mange av disse kan anvendes sammen på en enkelt linje med sammenkoblinger for å sikre optimal ytelse, pålitelighet og brukervennlighet.

Skruelåssammenkobling for SWaP-C-optimeringer

For å oppnå brukervennlighet bør for eksempel kontaktene være enkle å koble sammen for å gi rask utstyrsmontering og være enkle å koble fra hverandre for å lette vedlikehold, men likevel være sterke nok til å motstå støt og vibrasjoner og lette nok til at de ikke belaster lavstrømsledningene i kabelmodulen. For SWaP-C-optimeringer som krever robuste sammenkoblinger i alle situasjoner, tilbyr Harwin sammenkoblingssystemet Gecko SL med skruelås og en pinneavstand på 1,25 millimeter (mm). Dette er svært pålitelige kontakter som er konstruert for å være opptil 45 % mindre og opptil 75 % lettere enn den populære mikro-D-kontakten som vanligvis brukes i tilsvarende konstruksjoner.

Et eksempel på et sammenkoblet par med Gecko SL-kontakter er Harwin 10-posisjons stikkontakt G125-2241096F1 og Harwin 10-posisjons panelmonteringsplugg G125-3241096M2 (figur 1). Plugghuset til høyre er forsenket og uthult på øvre og nedre overflater. Dette forhindrer feilinnsetting av stikkontakter, noe som kan føre til utstyrsfeil. Gecko-SL-kontakter er tilgjengelige i en rekke uthulte konfigurasjoner for å forhindre feilinnsetting når flere kontakter i et system er gruppert i nærheten av hverandre.

Figur 1: Harwin G125-2241096F1 10-posisjons stikkontakthus (til venstre) pares med Harwin G125-3241096M2 10-posisjons plugghus for panelmontering (til høyre). Kontaktflatene er uthult på toppen og bunnen, mens kontaktmerker gjør det enklere å pare kontaktene. (Bildekilde: Harwin)

Gecko SL-sammenkoblingssystemet bruker kontakter med klemforbindelse, og det har to skruelåser for å sikre kontaktene på plass. Dette er en fordel for systemer som er utsatt for vibrasjoner og støt med høy slagkraft, der kontaktene kan frakobles med kraft. Skruelåsene i rustfritt stål sikrer tette tilkoblinger i alle situasjoner. Kontaktsystemet bruker en pare-før-lås (mate-before-lock)-mekanisme som gir en solid elektrisk tilkobling, selv før de to skruene er fastlåst. Dette gjør det mulig for teknikere å midlertidig sammenkoble kontaktene i situasjoner relatert til vedlikehold og testing. Ettersom sammenkoblingssystemet fremstår symmetrisk på den horisontale aksen, har oversiden av hver kontakt et trekantet kontaktmerke for å gjøre sammenkoblingen enklere for teknikere. Kontaktene er klassifisert for 1000 tilkobling/frakobling-sykluser, noe som gjør dem gunstige for luftfartsrelaterte konstruksjoner der kontakter kan frakobles under inspeksjoner og vedlikehold.

Hver av de ti pinneposisjonene er klassifisert for maksimalt 2,8 ampere (A) isolert. Hvis alle kontaktene brukes samtidig til å føre strøm, kan hver kontakt håndtere maksimalt 2,0 A. Med fem strømkontakter og fem jordkontakter gir dette kontakten en maksimal strømkapasitet på 10,0 A.

Kontaktsystemet tåler mye misbruk når det er sammenkoblet og kan motstå støt på 100 g i 6 millisekunder (ms) samt en vibrasjon på 20 g i seks timer, noe som gjør det egnet for tøffe robotiske og industrielle systemer. Husene er laget av glassfylt termoplast som kan fungere over et temperaturområde fra –65 °C til +150 °C. Dette gjør kontaktene egnet for luftfartssystemer som kan oppleve ekstreme temperaturer, fra varme rullebaner i ørkenen til ekstrem kulde i høyen. For systemer som kan oppleve høyfrekvente vibrasjoner, anbefales det å påføre en støpemasse på baksiden av krympemodulene for å gi ytterligere forsterkning.

Signal- og strømsammenkobling for SWaP-C-optimeringer

I noen situasjoner må et sammenkoblingssystem håndtere både styringssignaler med høy strøm og strømforsyningstilkoblinger med enda høyere strøm i samme ledningsnett. Disse sammenkoblingskonstruksjonene krever et tilkoblingssystem med blandet arrangement som kan håndtere begge kontaktstørrelsene som trengs. For disse systemene leverer Harwin sammenkoblingssystemet Gecko-MT med en pinneavstand på 1,25 mm og blandet arrangement. Disse er svært små og lette kontakter som er utviklet for å føre blandede styrings- og strømsignaler i den samme sammenkoblingen på en trygg måte. For disse konstruksjonene kan utviklere bruke Harwin G125-FV10805F3-2AB2ABP-stikkontakten med åtte signaltilkoblinger og fire strømtilkoblinger, sammen med den korresponderende G125-32496M3-02-08-02-pluggen (figur 2).

Figur 2: Harwin Gecko-MT G125-FV10805F3-2AB2ABP-stikkontakten (venstre) og Gecko-MT G125-32496M3-02-08-02-pluggen (høyre) danner et sammenkoblingssystem med åtte signalkontakter og fire strømkontakter, som har en kapasitet på 10 A per strømkontakt og 2 A per signalkontakt. (Bildekilde: Harwin)

De åtte signalkontaktene i dette sammenkoblingssystemet kan håndtere opptil 2 A per kontakt, mens de fire større strømkontaktene kan håndtere opptil 10 A per kontakt. Dette gir sammenkoblingsfleksibilitet i de trange rommene som vanligvis er å finne i luft- og romfartssystemer, for eksempel flyelektronikkstyringer. De fleste robotsystemer må også overføre en blanding av styresignaler og strøm langs robotarmer og andre mekanisk styrte mekanismer, noe som gjør denne typen sammenkobling optimal for disse bruksområdene.

I likhet med Gecko-SL, er Harwin Gecko-MT uthult for å forhindre feilinnsettinger. Som vist på figur 2 har kontakten et smalt uthult hakk på bunnen og et veldig bredt uthult hakk øverst. Gecko-MT-kontakter er tilgjengelige med en rekke uthulte konfigurasjoner for å sikre at kontaktene settes riktig inn, sammen med trekantede kontaktmerker for å gjøre innsettinger enklere for teknikere. Stikkontakten på venstre side av figur 2 er montert på et kretskort med hullmonterte kontakter. Beholderen er festet til kretskortet med to bolter/muttere på undersiden for å gi sikker montering. Dette forhindrer at kontakten blir vridd eller trukket ut av kortet i omgivelser med høye vibrasjoner. Pluggen settes inn i stikkontakten og skrus inn i skruekontaktene av rustfritt stål.

Gecko-MT-sammenkoblingssystemet bruker også et pare-før-lås-system for å gi solid elektrisk tilkobling og for å legge til rette for testing under vedlikehold. Sammenkoblingssystemet er klassifisert for 1000 tilkobling/frakobling-sykluser for å gi høy tilkoblingspålitelighet i situasjoner med vedlikehold og rekonfigurasjon.

Det sammenkoblede Gecko-MT-kontaktsystemet tåler også et støt på 100 g i 6 ms og en vibrasjon på 20 g i seks timer, noe som gjør det gunstig for roboter og industrielle konstruksjoner der signal og strøm må rutes sammen for å spare plass. De glassfylte termoplastiske husene kan fungere over et temperaturområde fra –65 °C til +150 °C, noe som gjør at de kan brukes i luftfartsinstallasjoner som opplever ekstreme temperaturer.

Konklusjon

Konstruktører av mange elektronikksystemer har behov for å optimalisere nye og eksisterende systemer for SWaP-C for å øke effektivitet, redusere kostnader og forbedre driftsytelse. Det riktige valget av sammenkoblingssystemer kan bidra til denne SWaP-C-optimaliseringen. I tillegg må konstruktører av systemer for bærbare enheter, industrielle robotsystemer, luftfartssystemer og smarte husholdningsapparater sørge for at tilkoblingene til disse tåler de tøffe vibrasjonene i konstruksjonen, samtidig som de må kunne føre stor strøm gjennom trange rom. For å forenkle konstruksjonsprosessen kan konstruktører standardisere med ett sammenkoblingssystem for å sikre systemets pålitelighet og kontaktens brukervennlighet.