Redukcja rozmiarów i wagi przy jednoczesnym zwiększeniu mocy dzięki wytrzymałym miniaturowym złączom przemysłowym

W ramach optymalizacji rozmiarów, wagi, mocy i kosztów, od projektantów wymaga się zmieszczenia większej liczby funkcji w coraz bardziej ograniczonych i ciasnych przestrzeniach. Dotyczy to zwłaszcza urządzeń przenośnych, przemysłowych systemów robotycznych i instalacji lotniczych, w których połączenia przekazują zarówno prąd, jak i sygnały danych w bliskiej odległości.

Podczas gdy projektanci muszą dbać o niezawodność i integralność sygnałów, muszą również zadbać o to, aby system połączeniowy był łatwy do skonfigurowania dla różnych wyprowadzeń i przypadków użycia, niezawodnie zapewniał łączenie i rozłączanie podczas konfiguracji i był łatwy w utrzymaniu podczas użytkowania.

W niniejszym artykule wyjaśnimy, w jaki sposób projektanci układów elektronicznych mogą zapewnić niezawodność połączenia w przypadku małych i ciasnych przestrzeni, używając odpowiedniej grupy złączy. Mowa będzie o tym, w jaki sposób można osiągnąć optymalizację rozmiarów, wagi, mocy i kosztu w szerokim zakresie wyzwań związanych z połączeniami poprzez standaryzację na jednej grupie produktów połączeniowych firmy Harwin. Omówione zostanie zastosowanie dwóch przykładowych rozwiązań przeznaczonych do połączeń w małych układach.

Dlaczego małe układy wymagają optymalizacji rozmiarów, wagi, mocy i kosztu

Projektanci układów elektronicznych, takich jak urządzenia przenośne i sprzęt komunikacyjny, mają za zadanie zmieścić więcej funkcji na mniejszej powierzchni. W rezultacie muszą zmniejszyć powierzchnię zajmowaną przez dotychczasowe komponenty, aby zmniejszyć rozmiary układu, jednocześnie robiąc miejsce dla większej liczby komponentów na tej samej powierzchni. Ponadto system połączeń musi być wystarczająco mocny, aby wytrzymać upadek na twardą podłogę, nie powodując pęknięcia ani uszkodzenia jakiegokolwiek połączenia. Gwałtowny upadek może doprowadzić do problemów z pewnością połączenia, które, jeśli nie zostaną zdiagnozowane, mogą spowodować, że urządzenie przestanie działać, niosąc kosztowne konsekwencje dla użytkownika, jak również dla reputacji producenta.

Systemy robotów przemysłowych to kolejny przykład, w którym optymalizacja rozmiarów, wagi, mocy i kosztów jest pożądana. Chociaż może nie być takie oczywiste, że ciężki system robotyczny zyskałby wiele dzięki zmniejszeniu rozmiaru kilku złączy, rzeczywiste korzyści z optymalizacji rozmiarów, wagi, mocy i kosztów są osiągane nie przez optymalizację pojedynczego elementu, ale przez łączną optymalizację setek podsystemów. Niższa waga i mniejsze rozmiary w robotyce poprawiają wydajność i przekładają się na mniejszą moc potrzebną do poruszania ramieniem lub aperturą, co zmniejsza koszty. Ramiona robotów również często gwałtownie ruszają i zatrzymują się, co z biegiem czasu może obciążać układy połączeń, powodując awarie w postaci przerwanych połączeń. Instalacje robotyczne muszą również przenosić zarówno sygnały zasilające, jak i cyfrowe w tej samej wiązce przewodów, co niesie wyzwania związane z niezawodnym i wolnym od zakłóceń przesyłaniem obu rodzajów sygnałów w tym samym złączu.

Układy lotnicze są oczywistym obszarem, w którym potrzebna jest optymalizacja rozmiarów, wagi, mocy i kosztów, gdyż zoptymalizowane połączenie może przenosić większe moce z wyższą sprawnością w lżejszym samolocie. Systemy lotnicze podlegają również regularnym przeglądom, w ramach których złącza są często rozłączane i łączone. System połączeniowy musi być w stanie wytrzymać dużą liczbę cykli łączenia/rozłączania, a także mieć różne opcje kluczowania, co ma zapobiegać nieprawidłowemu podłączaniu, gdy w tym samym obszarze znajduje się wiele złączy.

Optymalizacja rozmiarów, wagi, mocy i kosztów jest szczególnie korzystna w przypadku projektowania dronów, gdzie każdy zaoszczędzony gram może dawać zauważalne wydłużenie czasu pracy baterii i lotu. Także w przypadku dronów duże znaczenie mają rozmiary. Im mniejszy dron, tym mniej energii potrzeba do utrzymania jego równowagi względem środka ciężkości.

Kolejnym obszarem, w którym potrzebna jest optymalizacja rozmiarów, wagi, mocy i kosztów to inteligentne urządzenia AGD/RTV. W ciasnych przestrzeniach kuchennych istotną przewagę będą zawsze mieć mniejsze i lżejsze urządzenia. Wytrzymałe systemy połączeniowe są potrzebne w takich urządzeniach jak zmywarki, pralki i suszarki do ubrań, w których z czasem drgania mogą powodować rozłączenie niewłaściwego systemu połączeniowego. Złącza muszą również dawać się łatwo i sprawnie podłączać oraz rozłączać, aby ułatwić konserwację.

Wymagania tych różnych zastosowań zaowocowały różnymi innowacyjnymi podejściami do projektowania połączeń, z których wiele można stosować jednocześnie na jednej linii połączeń, aby zapewnić optymalne parametry działania, niezawodność i łatwość użytkowania.

Połączenie z blokadą śrubową do optymalizacji rozmiarów, wagi, mocy i kosztów (SWaP-C)

Przykład: z myślą o łatwym użytkowaniu złącza powinny być łatwe do łączenia, aby umożliwić szybki montaż sprzętu, łatwe do odłączenia w celu ułatwienia konserwacji, a jednocześnie powinny być wystarczająco mocne, aby wytrzymać wstrząsy i drgania oraz na tyle lekkie, aby nie obciążały przewodów niskoprądowych w zespole kablowym. Na potrzeby optymalizacji rozmiarów, wagi, mocy i kosztów połączeń, które muszą być solidne w każdej sytuacji, firma Harwin oferuje system połączeniowy z blokadą śrubową Gecko SL o rastrze 1,25mm. Są to złącza o wysokiej niezawodności, które zostały zaprojektowane tak, aby były nawet 45% mniejsze i nawet 75% lżejsze od popularnych złączy micro-D powszechnie używanych w równoważnych zastosowaniach.

Przykładową parą współpracujących złącz Gecko SL firmy Harwin jest 10-pozycyjne gniazdo G125-2241096F1 i 10-pozycyjna wtyczka G125-3241096M2 do montażu tablicowego (ilustracja 1). Obudowa wtyczki po prawej stronie ma wgłębienia, a w powierzchniach górnej i dolnej - wypusty. Zapobiega to nieprawidłowemu włożeniu wtyczki do gniazda, co mogłoby prowadzić do awarii sprzętu. Złącza Gecko-SL są dostępne w różnych wariantach kluczowania, aby zapobiec nieprawidłowemu podłączeniu, np. w sytuacjach, gdy w instalacji jest zgrupowanych blisko siebie wiele złączy.

Ilustracja 1: 10-pozycyjna obudowa gniazda G125-2241096F1 firmy Harwin (po lewej) łączy się z 10-pozycyjną obudową wtyczki do montażu panelowego G125-3241096M2 firmy Harwin (po prawej). Powierzchnie stykowe mają wypusty na górze i na dole, a łączenie złączy ułatwiają specjalne oznaczenia styków. (Źródło ilustracji: Harwin)

System połączeniowy Gecko SL wykorzystuje styki zagniatane i posiada dwie blokady śrubowe zabezpieczające złącza na miejscu. Jest to zaleta w przypadku instalacji narażonych na drgania i silne uderzenia, w których złącza mogłyby się rozłączyć pod wpływem działającej siły. Blokady śrubowe ze stali nierdzewnej zapewniają ciasne połączenie w każdej sytuacji. W systemie złączy wykorzystano mechanizm połączenia przed zablokowaniem, który zapewnia solidne połączenie elektryczne nawet przed dokręceniem dwóch wkrętów. Pozwala to technikom na tymczasowe łączenie złączy podczas czynności konserwacyjnych i testowych. Ponieważ system połączeniowy wydaje się symetryczny względem osi poziomej, górna strona każdego złącza ma trójkątne oznaczenie styku, aby ułatwić technikom wykonywanie połączeń. Złącza są przystosowane do 1000 cykli łączenia/odłączania, dzięki czemu są odpowiednie do zastosowań lotniczych, w których złącza bywają odłączane podczas regularnych przeglądów i konserwacji.

Każda z dziesięciu pozycji styków jest przystosowana do obsługi maksymalnego natężenia prądu 2,8A oddzielnie. Jeśli wszystkie styki są używane jednocześnie do przewodzenia prądu, każdy styk może przenosić maksymalnie 2,0A. Pięć styków zasilania i pięć styków masy zapewnia złączu maksymalną zdolność przenoszenia energii 10,0A.

Po połączeniu system złączy ma wysoką odporność na niekorzystne warunki i może wytrzymywać wstrząsy 100g przez 6ms oraz drgania rzędu 20g przez sześć godzin, dzięki czemu nadaje się do wymagających systemów robotycznych i przemysłowych. Obudowy wykonane są z termoplastu wypełnionego włóknem szklanym, którego zakres temperatur roboczych wynosi od -65°C do +150°C. To sprawia, że złącza nadają się do systemów lotniczych, w przypadku których mogą występować ekstremalne temperatury, od upału panującego na pustynnym pasie startowym, po ekstremalne zimno panujące na dużych wysokościach. W przypadku systemów, w których występują drgania o wysokiej częstotliwości, zaleca się nałożenie na zespoły zagniatane masy wypełniającej, aby zapewnić dodatkowe wzmocnienie.

Połączenie sygnałowe i zasilające dla optymalizacji rozmiarów, wagi, mocy i kosztów (SWaP-C)

W niektórych sytuacjach system połączeniowy musi obsługiwać zarówno wysokoprądowe sygnały sterujące, jak i połączenia zasilania o jeszcze wyższym prądzie w tej samej wiązce przewodów. Takie zastosowania połączeń wymagają systemu połączeniowego o mieszanym układzie, który obsługiwałby oba potrzebne rozmiary styków. Do tych systemów firma Harwin oferuje system połączeniowy o mieszanym układzie Gekon-MT o rastrze 1,25mm. Są to bardzo małe i lekkie złącza zaprojektowane do bezpiecznego przenoszenia mieszanych sygnałów sterujących i zasilających w tym samym połączeniu. Do takich zastosowań projektanci mogą wykorzystać gniazdo G125-FV10805F3-2AB2ABP firmy Harwin z ośmioma połączeniami sygnałowymi i czterema połączeniami zasilania, wraz z odpowiednią wtyczką G125-32496M3-02-08-02 (ilustracja 2).

Ilustracja 2: gniazdo Gecko-MT G125-FV10805F3-2AB2ABP (po lewej) i wtyczka Gecko-MT G125-32496M3-02-08-02 (po prawej) firmy Harwin tworzą system połączeniowy z 8 stykami sygnałowymi i 4 stykami mocy obsługujący prąd o natężeniu 10A na styk mocy i 2A na styk sygnałowy. (Źródło ilustracji: Harwin)

Każdy z ośmiu styków sygnałowych w tym systemie połączeniowym może obsłużyć prąd o natężeniu do 2A, podczas gdy cztery większe styki zasilania mogą obsłużyć prąd o natężeniu do 10A na styk. Zapewnia to elastyczność połączeń w ciasnych przestrzeniach powszechnie występujących w systemach lotniczych, takich jak awioniczne elementy sterownicze. Ponadto większość systemów robotycznych musi przesyłać mieszankę sygnałów sterujących i mocy wzdłuż ramion robotycznych i innych mechanizmów sterowanych mechanicznie, dzięki czemu ten rodzaj połączenia jest optymalny do tych zastosowań.

Podobnie jak złącze Gecko-SL, złącze Gecko-MT firmy Harwin ma na celu zapobieganie błędnemu podłączaniu. Jak widać na ilustracji 2, złącze ma wąskie wycięcie na wypust na dole i bardzo szerokie wycięcie na wypust na górze. Złącza Gecko-MT są dostępne w różnych wersjach kluczowania, zawierają trójkątne oznaczenia stykowe, aby zapewnić możliwość prawidłowego podłączenia złączy i ułatwić technikom instalację. Gniazdo po lewej stronie na ilustracji 2 jest zamontowane na płytce drukowanej za pomocą styków przelotowych. Gniazdo jest przymocowane do płytki drukowanej za pomocą dwóch śrub/nakrętek na spodzie zapewniających bezpieczny montaż. Zapobiega to skręcaniu złącza lub jego wyciąganiu z płytki w środowiskach, w których występują duże drgania. Wtyczkę wkłada się do gniazda i wkręca w wykonane ze stali nierdzewnej gniazda śrubowe tego gniazda.

W systemie połączeniowym Gecko-MT wykorzystano również system łączenia przed zablokowaniem, który zapewnia solidne połączenie elektryczne i ułatwia testowanie podczas czynności konserwacyjnych. System połączeniowy przewidziano na 1000 cykli łączenia i rozłączania, co zapewnia wysoką niezawodność połączenia w czasie konserwacji i ponownej konfiguracji.

Po połączeniu system złączy jest w stanie wytrzymać wstrząsy 100g przez 6ms oraz drgania rzędu 20g przez sześć godzin, dzięki czemu nadaje się do wymagających systemów robotycznych i przemysłowych, w których sygnały i zasilanie są prowadzone wspólnie z uwagi na oszczędność przestrzeni. Obudowy wykonane z tworzywa termoplastycznego wypełnionego włóknem szklanym mają zakres temperatur roboczych od -65°C do +150°C, co pozwala na ich zastosowanie w aeronautyce, gdzie mamy do czynienia z ekstremalnymi temperaturami.

Podsumowanie

Projektanci wielu układów elektronicznych muszą zoptymalizować nowe i istniejące systemy pod względem rozmiarów, wagi, mocy i kosztów w celu zwiększenia ich wydajności, obniżenia kosztów i poprawy parametrów działania. W takiej optymalizacji może pomóc odpowiedni dobór systemów połączeniowych. Ponadto projektanci układów do urządzeń przenośnych, robotów przemysłowych, samolotów, a także inteligentnych urządzeń AGD i RTV muszą zapewnić, że ich połączenia będą w stanie wytrzymać silne drgania, a jednocześnie będą w stanie przenosić prąd o wysokim natężeniu w ciasnych przestrzeniach. Aby uprościć proces projektowania, projektanci mogą dążyć do standaryzacji jednego systemu połączeniowego, zapewniając niezawodność systemu i łatwość użytkowania złącza.