Minska storlek och vikt samtidigt som du ökar strömmen med robusta industriella miniatyrkontakter

Konstruktörer uppmanas att pressa in mer funktionalitet i allt mer besvärliga och trånga utrymmen som en del av optimeringen för storlek, vikt, kraft och kostnad (SWaP-C). Detta gäller i synnerhet för bärbara enheter, industriella robotsystem och flygplanssystem där sammankopplingarna förlägger både ström och datasignaler i närheten av varandra.

Medan konstruktörer behöver tänka på tillförlitlighet och signalintegritet, måste de också se till att systemet för sammankoppling är enkelt att konfigurera för olika stiftlayouter och användningsområden, kan kopplas i och ur på ett tillförlitligt sätt vid installationen och är lätt att underhålla när det är i drift.

Artikeln kommer att förklara hur konstruktörer av elektroniksystem kan garantera tillförlitliga anslutningar genom att använda en lämplig familj av anslutningar i små och täta sammankopplingar. Den kommer att diskutera hur optimering av SWaP-C kan uppnås för en stor mängd utmaningar inom sammankoppling genom att standardisera kring en familj kontakter frånHarwin . Tillämpningen av två exempellösningar som är avsedda för sammankopplingar i små system kommer att beskrivas.

Varför SWaP-C behövs i små system

Konstruktörer av elektroniska system som t.ex. bärbara enheter och kommunikationsutrustning får i uppdrag att pressa in mer funktionalitet i ett mindre storleksformat. Detta medför att de måste minska de mått som krävs för befintliga komponenter för att krympa systemets storlek, men samtidigt skapa utrymme för fler komponenter i samma område. Systemet för sammankoppling måste dessutom vara tillräckligt robust för att tåla att tappas på ett hårt golv utan att spricka eller skada någon sammankoppling. Ett hårt fall kan leda till att en kontakt utvecklar intermittenta anslutningsproblem, som om de inte diagnostiseras kan leda till att enheten kastas, en kostsam konsekvens för användaren såväl som tillverkarens anseende.

Industriella robotsystem är ett annat exempel där optimering av SWaP-C är önskvärd. Även om det kanske inte är helt uppenbart att ett tungt robotsystem skulle vinna mycket på att minska storleken på några kontakter, uppnår man inte verkliga fördelar med SWaP-C genom en enda optimering, utan genom den kombinerade optimeringen av hundratals delsystem. Lägre vikt och mindre storlek inom robotteknik förbättrar effektiviteten och medför att mindre kraft behövs för att flytta en arm eller bländare, vilket minskar kostnaderna. Robotarmar utsätts också ofta för hårda starter och stopp, vilket över tid kan skapa påfrestningar i systemet för sammankoppling, vilket kan medföra intermittenta fel. Robotsystem måste även förmedla både ström och digitala signaler i samma kabelstam, vilket resulterar i en utmaning vid sammankoppling när de båda typerna av signaler ska förmedlas i samma kontakt på ett tillförlitligt sätt utan störningar.

Flygplanssystem är ett uppenbart område där SWaP-C behövs, eftersom en sammankoppling med lägre vikt, mindre storlek som kan överföra mer ström innebär ett lättare flygplan med större effektivitet. Flygplanssystem är även föremål för regelbundna inspektioner där kontakter ofta kopplas i och ur. Systemet för sammankoppling måste tåla ett stort antal in-/urkopplingscykler, samtidigt som det har en mängd alternativ med styrstift för att förhindra felaktiga inkopplingar när många kontakter är placerade inom samma område.

Optimering för SWaP-C är särskilt fördelaktigt i drönarkonstruktioner där varje sparat gram kan medföra en märkbar förbättring av batteriets livslängd och därmed flygtiden. Storleken är också en viktig faktor för drönare. Ju mindre drönare desto mindre effekt krävs för att hålla drönaren balanserad kring sin tyngdpunkt.

Apparater för smarta hem är ett annat område där optimering av SWaP-C behövs. Mindre och lättare apparater är alltid en fördel vid installation i trånga köksutrymmen. Ett robust system för sammankopplings krävs för apparater som diskmaskiner, tvättmaskiner och torktumlare där vibrationer över tid kan leda till att fel typ av system för sammankoppling kan kopplas ur. Anslutningarna måste även ha enkla och rimliga i- och urkopplingscykler för att underlätta underhållet.

Kraven på dessa olika tillämpningar har resulterat i en mängd innovativa tillvägagångssätt för sammankoppling, där många kan tillämpas tillsammans i en enda rad av sammankopplingar för att garantera optimal prestanda, tillförlitlighet och användarvänlighet.

Sammankopplingar med skruvlås för optimering av SWaP-C

För att exempelvis underlätta användning, bör kontakterna vara lätta att sammankoppla för snabb montering av utrustningen, lätta att koppla ur för att underlätta underhåll, men ändå vara tillräckligt starka för att motstå stötar och vibrationer samt vara lätta för att inte skapa påfrestningar på lågströmskablarna i kabelstammen. För optimering av SWaP-C vid sammankoppling i alla situationer som kräver stabila kopplingar finns sammankopplingssystemet Gecko SL från Harwin som har ett skruvlås med 1,25 mm gängstigning. Det är kontakter med hög tillförlitlighet som har konstruerats för att vara upp till 45 % mindre och upp till 75 % lättare än den populära kontakten micro-D som vanligtvis används i likvärdiga tillämpningar.

Ett exempel på ett sammankopplat par av kontakterna Gecko SL är uttaget G125-2241096F1 med 10 kontaktstift från Harwin och kontakten G125-3241096M2 med 10 kontaktstift från Harwin som är avsedd för panelmontering (figur 1). Kontaktens kapsling till höger är infälld och har styrstift på de övre och nedre ytorna. Detta förhindrar felaktiga inkopplingar i uttaget som kan leda till fel på utrustningen. Kontakterna Gecko-SL finns med en mängd olika konfigurationer av styrstift för att förhindra felaktig anslutning när flera kontakter i ett system är grupperade i närheten av varandra.

Figur 1: Uttagshöljet G125-2241096F1 med 10 kontaktstift från Harwin som passar tillsammans med kontakten G125-3241096M2 med 10 kontaktstift från Harwin (till höger). Kontaktytorna har styrstift upp- och nedtill, medan markeringar på kontakten gör det enkelt att koppla samman kontakterna. (Bildkälla: Harwin)

Sammankopplingssystemet Gecko SL använder krimpkontakter och har två skruvlås för att låsa kontakterna på plats. Detta är en fördel för system som utsätts för vibrationer och kraftiga stötar där kontakterna kan komma att kopplas ur med kraft. De rostfria skruvlåsen garanterar en en tät anslutning i alla situationer. Anslutningssystemet använder en mekanism som kräver sammankoppling före låsning och ger en solid elektrisk anslutning redan innan de två skruvarna har dragits åt. Detta gör det möjligt för tekniker att koppla samman kontakterna tillfälligt i underhålls- och testsituationer. Eftersom systemet för sammankoppling är symmetriskt längs den horisontella axeln, har den övre delen av varje kontakt en triangulär markering för att underlätta sammankopplingen för tekniker. Kontakterna är klassade för 1000 i- och urkopplingar, vilket gör dem lämpliga för flyg och rymdtillämpningar där kontakterna behöver kopplas ur vid regelbunden inspektion och underhåll.

Vart och ett av de tio stiftpositionerna är klassificerat för att tåla maximalt 2,8 A isolerad ström. Om alla kontakter används samtidigt för att förmedla ström, kan respektive kontaktstift hantera maximalt 2 A. Med fem kontaktstift för ström och fem för jord ger detta kontakten en maximal strömöverföringsförmåga på 10 A.

När det är sammankopplat, har sammankopplingssystemet en hög motståndskraft mot misshandel och tål stötar på 100g, 6 ms samt en 20g vibration i sex timmar, vilket gör det lämpligt för tuffa robotsystem och industriella system. Höljena är tillverkade av glasfylld termoplast som kan arbeta i ett temperaturintervall från -65 °C till +150 °C. Det gör kontakterna lämpliga för flyg- och rymdsystem som kan utsättas för extrema temperaturer från varma start- och landningsbanor i öknen till extrem kyla på höga höjder. För system som kan utsättas för högfrekventa vibrationer är det rekommenderat att applicera tätningsmedel på krimpningarnas baksida för att ge ytterligare förstärkning.

Sammankoppling av signal och ström för optimering av SWaP-C

I vissa situationer måste ett system för sammankoppling hantera både anslutningar av styrsignaler med höga strömmar, och ännu högre strömförsörjningar i samma kabelstam. Dessa sammankopplingstillämpningar kräver ett anslutningssystem med blandad layout som kan hantera de båda storlekar av kontakter som krävs. För dessa system levererar Harwin sammankopplingssystemet Gecko-MT med blandad layout och 1,25 mm stiftavstånd. Detta är mycket små och lätta kontakter som är utformade för att förmedla blandade styr- och strömsignaler i samma sammankoppling på ett säkert sätt. För dessa tillämpningar kan konstruktörer använda uttaget G125-FV10805F3-2AB2ABP från Harwin med åtta anslutningar för signaler och fyra för ström, tillsammans med motsvarande kontakt G125-32496M3-02-08-02 (figur 2).

Bild 2: Uttaget Gecko-MT G125-FV10805F3-2AB2ABP (vänster) och kontakten Gecko-MT G125-32496M3-02-08-02 (höger) från Harwin bildar ett system för sammankoppling med 8 anslutningar för signaler och 4 för ström med en kapacitet på 10 A per strömkontakt och 2 A per signalkontakt. (Bildkälla: Harwin)

Respektive kontakt av de åtta signalkontakterna i detta sammankopplingssystem kan hantera upp till 2 A, medan de fyra större strömkontakterna kan hantera upp till 10 A per kontakt. Detta ger en flexibilitet vid sammankoppling i de trånga utrymmen som vanligtvis finns i flyg- och rymdsystem, såsom styranordningar för flygplan. De flesta robotsystem måste även överföra en blandning av styrsignaler och ström längs robotarmar och andra mekaniskt styrda mekanismer, vilket gör denna typ av sammankoppling optimal för dessa tillämpningar.

På samma sätt som Gecko-SL har Gecko-MT styrstift för att förhindra felaktig anslutning. Som framgår av figur 2 har kontakten en smal slits på undersidan och ett mycket brett styrspår på överdelen. Kontakterna Gecko finns med en mängd olika konfigurationer av styrspår för att garantera att kontakterna sätts i på rätt sätt, tillsammans med triangulära markeringar för att underlätta för tekniker. Uttaget till vänster i figur 2 är monterat på ett kretskort med genomgående hål. Uttaget är monterat på PC-kortet med två skruvar/muttrar på undersidan för säker montering. Det förhindrar att kontakten vrids eller slits loss från kretskortet i miljöer med höga vibrationer. Kontakten ansluts i uttaget och skruvas fast i det rostfria uttagets skruvhylsor.

Sammankopplingssystemet Gecko-MT använder även ett system för sammankoppling före låsning för att garantera en solid elektrisk anslutning och för att underlätta testning vid underhållshändelser. Systemet för sammankoppling är klassificerat för 1000 i- och urkopplingar för hög anslutningssäkerhet i underhållssituationer och omkonfigureringar.

Det sammankopplade kontaktdonssystemet Gecko-MT tål även stötar med 100g, 6 ms samt en 20g vibration i sex timmar, vilket gör det lämpligt för robotteknik och industriella tillämpningar där signal och ström måste förläggas tillsammans för att spara utrymme. Höljena av glasfylld termoplast kan arbeta i ett temperaturintervall från -65 °C till +150 °C, vilket gör att de kan användas för flygplanstillämpningar som utsätts för extrema temperaturer.

Slutsats

Konstruktörer av många elektroniksystem behöver optimera nya och befintliga system för SWaP-C för att öka effektiviteten, sänka kostnaderna och förbättra driftprestandan. Rätt val av sammankopplingssystem kan underlätta optimeringen av SWaP-C. Dessutom behöver konstruktörer av system för bärbara enheter, industriella robotsystem, flygplanssystem och apparater för smarta hem se till att deras anslutningar tål tillämpningens tuffa hårda vibrationer samtidigt som de måste kunna förmedla höga strömmar genom trånga utrymmen. För att förenkla konstruktionsprocessen kan konstruktörerna standardisera med ett sammankopplingssystem för att garantera systemets tillförlitlighet och lättanvända anslutning.