Reduzierung von Größe und Gewicht bei gleichzeitiger Erhöhung der Leistung durch robuste Miniatur-Industriesteckverbinder

Im Rahmen der Optimierung von Größe, Gewicht, Leistung und Kosten (SWaP-C) wird von den Konstrukteuren verlangt, immer mehr Funktionalität auf immer engerem Raum unterzubringen. Dies gilt insbesondere für tragbare Geräte, industrielle Robotersysteme und Luftfahrtsysteme, bei denen die Verbindungen sowohl Strom- als auch Datensignale in unmittelbarer Nähe weiterleiten.

Während Designer auf Zuverlässigkeit und Signalintegrität achten müssen, müssen sie auch sicherstellen, dass das Verbindungssystem für verschiedene Pinbelegungen und Anwendungsfälle einfach zu konfigurieren ist, während der Einrichtung zuverlässig verbunden und getrennt werden kann und während des Betriebs einfach zu warten ist.

In diesem Artikel wird erläutert, wie Entwickler von Elektroniksystemen zuverlässige Verbindungen sicherstellen können, indem sie die geeignete Steckverbinderfamilie für kleine und enge Verbindungssituationen verwenden. Es wird erörtert, wie SWaP-C-Optimierung für eine breite Palette von verbindungstechnischen Herausforderungen durch Standardisierung auf eine Verbinderfamilie von Harwin erreicht werden kann. Die Anwendung von zwei Beispiellösungen, die auf Verbindungen für kleine Systeme abzielen, wird beschrieben.

Warum SWaP-C für kleine Systeme benötigt wird

Entwickler von elektronischen Systemen wie tragbaren Geräten und Kommunikationsanlagen stehen vor der Aufgabe, mehr Funktionalität in einen kleineren Footprint zu quetschen. Folglich müssen sie den Platzbedarf für die vorhandenen Komponenten reduzieren, um die Systemgröße zu verringern und gleichzeitig Platz für mehr Komponenten auf der gleichen Fläche zu schaffen. Außerdem muss das Verbindungssystem robust genug sein, um einen Sturz auf einen harten Boden zu überstehen, ohne dass es zu Rissen oder Schäden an den Verbindungen kommt. Ein harter Sturz kann dazu führen, dass ein Steckverbinder intermittierende Verbindungsprobleme entwickelt, die, wenn sie nicht diagnostiziert werden, dazu führen können, dass das Gerät ausgemustert wird, was sowohl für den Benutzer als auch für den Ruf des Herstellers eine kostspielige Folge sein kann.

Industrielle Robotersysteme sind ein weiteres Beispiel, bei dem eine SWaP-C-Optimierung wünschenswert ist. Es mag zwar nicht offensichtlich erscheinen, dass ein schweres Robotersystem durch die Verkleinerung einiger weniger Steckverbinder viel gewinnen würde, aber echte SWaP-C-Gewinne werden nicht durch eine einzige Optimierung erzielt, sondern durch die kombinierte Optimierung von Hunderten von Subsystemen. Geringeres Gewicht und kleinere Abmessungen in der Robotik verbessern die Effizienz und führen zu einem geringeren Energiebedarf für die Bewegung eines Arms oder einer Blende, was wiederum die Kosten senkt. Roboterarme sind außerdem oft harten Starts und Stopps ausgesetzt, die mit der Zeit die Verbindungssysteme belasten und zu intermittierenden Ausfällen führen können. Robotersysteme müssen außerdem sowohl Strom- als auch Digitalsignale im selben Kabelbaum übertragen, was eine Herausforderung für die Verbindung darstellt, um beide Arten von Signalen zuverlässig und störungsfrei im selben Steckverbinder zu übertragen.

Luftfahrtsysteme sind ein offensichtlicher Bereich, in dem SWaP-C benötigt wird, da eine Verbindung, die ein geringeres Gewicht und eine kleinere Größe hat und mehr Leistung übertragen kann, zu einem leichteren Flugzeug mit höherer Effizienz führt. Auch in der Luftfahrt gibt es regelmäßige Inspektionen, bei denen häufig Steckverbindungen gelöst und gesteckt werden. Das Verbindungssystem muss in der Lage sein, eine hohe Anzahl von Steckzyklen zu verkraften und gleichzeitig über eine Vielzahl von Codierungsoptionen zu verfügen, um ein falsches Steckereignis zu verhindern, wenn sich viele Steckverbinder im gleichen Bereich befinden.

Die SWaP-C-Optimierung ist besonders vorteilhaft für Drohnenkonstruktionen, bei denen jedes eingesparte Gramm eine spürbare Verbesserung der Akkulaufzeit und der Flugzeit bewirken kann. Drohnen sind zudem sehr größenabhängig. Je kleiner die Drohne ist, desto weniger Leistung ist erforderlich, um die Drohne um ihren Schwerpunkt herum im Gleichgewicht zu halten.

Intelligente Heimgeräte sind ein weiterer Bereich, in dem SWaP-C-Optimierung erforderlich ist. Kleinere und leichtere Geräte sind beim Einbau in beengten Küchenräumen immer von Vorteil. Ein robustes Verbindungssystem wird für Geräte wie Geschirrspüler, Waschmaschinen und Wäschetrockner benötigt, bei denen im Laufe der Zeit Vibrationen dazu führen können, dass sich das falsche Verbindungssystem abkoppelt. Steckverbinder müssen auch einfache und vernünftige Steckzyklen bieten, um die Wartung zu erleichtern.

Die Anforderungen dieser verschiedenen Anwendungen haben zu einer Vielzahl von innovativen Ansätzen für das Design von Verbindungen geführt, von denen viele zusammen auf einer einzigen Verbindungslinie angewendet werden können, um optimale Leistung, Zuverlässigkeit und Benutzerfreundlichkeit zu gewährleisten.

Schraubengesicherte Verbindungen für SWaP-C-Optimierungen

Zum Beispiel sollten Steckverbinder für eine einfache Verwendung leicht zu stecken sein, um eine schnelle Montage der Geräte zu ermöglichen, leicht zu trennen, um die Wartung zu erleichtern, und dennoch stark genug sein, um Stößen und Vibrationen standzuhalten, und leicht genug, um die Schwachstromdrähte in der Kabelkonfektion nicht zu belasten. Für SWaP-C-Verbindungsoptimierungen, die eine solide Verbindung in jeder Situation erfordern, bietet Harwin das Schraubensicherungssystem Gecko SL mit 1,25 Millimeter (mm) Raster an. Dabei handelt es sich um hochzuverlässige Steckverbinder, die bis zu 45 % kleiner und bis zu 75 % leichter sind als die beliebten Micro-D-Steckverbinder, die üblicherweise in entsprechenden Anwendungen eingesetzt werden.

Ein Beispiel für ein gepaartes Paar von Gecko-SL-Steckverbindern ist die 10-polige Steckbuchse G125-2241096F1 von Harwin und der zugehörige 10-polige Einbaustecker G125-3241096M2 von Harwin (Abbildung 1). Das Steckergehäuse auf der rechten Seite ist vertieft und auf der Ober- und Unterseite kodiert. Dadurch wird ein falsches Einstecken der Steckbuchse verhindert. Gecko-SL-Steckverbinder sind mit verschiedenen Kodierkonfigurationen erhältlich, um Fehlsteckungen zu vermeiden, wenn mehrere Steckverbinder in einem System nebeneinander gruppiert sind.

Abbildung 1: Das 10-polige Buchsengehäuse G125-2241096F1 von Harwin (links) passt zum 10-poligen Einbausteckergehäuse G125-3241096M2 von Harwin (rechts). Die Kontaktflächen sind auf der Ober- und Unterseite kodiert, Kontaktmarkierungen erleichtern das Stecken der Steckverbinder. (Bildquelle: Harwin)

Das Gecko-SL-Verbindungssystem verwendet Crimpkontakte und verfügt über zwei Schraubverschlüsse zur Sicherung der Steckverbinder. Dies ist ein Vorteil für Systeme, die Vibrationen und starken Stößen ausgesetzt sind, bei denen die Steckverbinder gewaltsam gelöst werden können. Die Schraubensicherungen aus Edelstahl sorgen in jeder Situation für eine feste Verbindung. Das Steckersystem verwendet einen „Mate-before-lock“-Mechanismus, der eine solide elektrische Verbindung herstellt, noch bevor die beiden Schrauben angezogen werden. Dies ermöglicht es Technikern, die Steckverbinder während Wartungs- und Testsituationen vorübergehend zu verbinden. Da das Verbindungssystem auf der horizontalen Achse symmetrisch erscheint, ist die Oberseite jedes Steckers mit einer dreieckigen Kontaktmarkierung versehen, um dem Techniker das Stecken zu erleichtern. Die Steckverbinder sind für 1000 Steckvorgänge ausgelegt und eignen sich daher für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, bei denen Steckverbinder bei regelmäßigen Inspektionen und Wartungsarbeiten getrennt werden können.

Jede der zehn Stiftpositionen ist für eine maximale Stromstärke von 2,8 Ampere (A) in Isolation ausgelegt. Wenn alle Kontakte gleichzeitig zur Stromübertragung genutzt werden, kann jeder Kontakt maximal 2,0 A übertragen. Bei fünf Strom- und fünf Massekontakten ergibt sich damit eine maximale Stromübertragungsfähigkeit des Steckverbinders von 10,0 A.

Im gesteckten Zustand weist das Steckverbindersystem eine hohe Widerstandsfähigkeit auf und hält einem Schock von 100 g für 6 Millisekunden (ms) sowie einer Vibration von 20 g für sechs Stunden stand, wodurch es für raue Roboter- und Industriesysteme geeignet ist. Die Gehäuse bestehen aus glasgefülltem Thermoplast und sind für einen Temperaturbereich von -65 °C bis +150 °C ausgelegt. Dadurch eignen sich die Steckverbinder für Systeme in der Luftfahrt, die extremen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind - von der Hitze auf der Landebahn in der Wüste bis hin zur extremen Kälte in großen Flughöhen. Bei Systemen, die hochfrequenten Schwingungen ausgesetzt sind, wird empfohlen, die Crimpverbindungen mit einer Vergussmasse zu verstärken.

Signal- und Leistungsverbindungen für SWaP-C-Optimierungen

In manchen Situationen muss ein Verbindungssystem sowohl Hochstrom-Steuersignale als auch Versorgungsanschlüsse für noch höhere Ströme im selben Kabelbaum enthalten. Diese Verbindungsanwendungen erfordern ein Anschlusssystem mit gemischtem Layout, das beide benötigten Kontaktgrößen enthalten kann. Für diese Systeme liefert Harwin das Verbindungssystem Gecko-MT für gemischte Layouts im Raster 1,25 mm. Dies sind sehr kleine und leichte Steckverbinder, die für die sichere Übertragung von gemischten Steuer- und Leistungssignalen in derselben Verbindung ausgelegt sind. Für diese Anwendungen kann der Entwickler die Harwin-Steckbuchse G125-FV10805F3-2AB2ABP mit ihren acht Signal- und vier Leistungsanschlüssen zusammen mit dem entsprechenden Stecker G125-32496M3-02-08-02 verwenden (Bild 2).

Abbildung 2: Die Gecko-MT-Steckbuchse G125-FV10805F3-2AB2ABP von Harwin (links) und der zugehörige Gecko-MT-Stecker G125-32496M3-02-08-02 (rechts) bilden ein Verbindungssystem mit 8 Signal- und 4-Stromversorgungskontakten mit einer Kapazität von 10 A pro Stromversorgungskontakt und 2 A pro Signalkontakt. (Bildquelle: Harwin)

Die acht Signalkontakte in diesem Verbindungssystem können jeweils bis zu 2 A verarbeiten, die vier größeren Leistungskontakte jeweils bis zu 10 A pro Kontakt. Dies ermöglicht eine flexible Verbindung in den engen Räumen, die häufig in Luft- und Raumfahrtsystemen zu finden sind, wie z.B. in der Avioniksteuerung. Außerdem müssen die meisten Robotersysteme eine Mischung aus Steuersignalen und Stromversorgung entlang von Roboterarmen und anderen mechanisch gesteuerten Mechanismen übertragen, was diese Art von Verbindung für diese Anwendungen optimal macht.

Wie der Gecko-SL ist auch der Gecko-MT von Harwin so kodiert, dass Fehlverbindungen vermieden werden. Wie in Abbildung 2 zu sehen ist, hat der Steckverbinder eine schmale Kerbe an der Unterseite und eine sehr breite Kerbe an der Oberseite. Gecko-MT-Steckverbinder sind mit verschiedenen Kodierkonfigurationen erhältlich, um sicherzustellen, dass die Steckverbinder richtig eingesteckt werden, sowie mit dreieckigen Kontaktmarkierungen, um dem Techniker das Einstecken zu erleichtern. Die Buchse links in Abbildung 2 wird auf einer Leiterplatte mit Durchgangslochkontakten montiert. Zur sicheren Montage wird die Buchse mit zwei Schrauben/Muttern auf der Unterseite an der Leiterplatte befestigt. Dadurch wird verhindert, dass der Steckverbinder in Umgebungen mit hohen Vibrationen verdreht oder von der Platine abgezogen wird. Der Stecker wird in die Steckbuchse gesteckt und in die Edelstahl-Schraubbuchsen der Steckbuchse eingeschraubt.

Das Gecko-MT-Verbindungssystem verwendet außerdem ein „Mate-before-lock“-System, um eine solide elektrische Verbindung zu gewährleisten und die Prüfung bei Wartungsarbeiten zu erleichtern. Das Verbindungssystem ist für 1000 Steckzyklen ausgelegt, um eine hohe Verbindungssicherheit bei Wartungs- und Rekonfigurationsarbeiten zu gewährleisten.

Im gesteckten Zustand weist das Steckverbindersystem eine hohe Widerstandsfähigkeit auf und hält einem Schock von 100 g für 6 Millisekunden (ms) sowie einer Vibration von 20 g für sechs Stunden stand, wodurch es für raue Roboter- und Industriesysteme geeignet ist. Die glasgefüllten Thermoplast-Gehäuse sind für einen Temperaturbereich von -65 °C bis +150 °C ausgelegt, so dass sie auch für Luftfahrtanwendungen mit extremen Temperaturen eingesetzt werden können.

Fazit

Entwickler vieler Elektroniksysteme müssen neue und bestehende Systeme für SWaP-C optimieren, um die Effizienz zu erhöhen, Kosten zu senken und die Betriebsleistung zu verbessern. Die richtige Auswahl von Verbindungssystemen kann bei dieser SWaP-C-Optimierung helfen. Darüber hinaus müssen Entwickler von Systemen für tragbare Geräte, industrielle Robotersysteme, Luftfahrtsysteme und intelligente Haushaltsgeräte sicherstellen, dass ihre Verbindungen den rauen Vibrationen der Anwendung standhalten und gleichzeitig in der Lage sind, hohe Ströme durch enge Räume zu leiten. Um den Entwicklungsprozess zu vereinfachen, können Entwickler auf ein einziges Verbindungssystem standardisieren, um die Zuverlässigkeit des Systems und die Benutzerfreundlichkeit der Steckverbinder zu gewährleisten.