Guida alla selezione e all'applicazione di connettori ad alta affidabilità per SWaP-C

I progettisti di sistemi per la difesa e le applicazioni aerospaziali devono far fronte a requisiti sempre più stringenti per l'ottimizzazione di dimensioni, peso, potenza e costi (SWaP-C). Poiché i progetti diventano sempre più complessi e compatti, devono bilanciare questi requisiti con prestazioni e affidabilità elevate. I connettori tradizionali spesso faticano a soddisfare queste esigenze contrastanti, sfidando i progettisti a trovare alternative che rispondano ai requisiti di progettazione e alle prestazioni attese del sistema.

Questo articolo analizza il modo in cui le tecnologie avanzate dei connettori, progettate esplicitamente per i criteri SWaP-C, possono rispondere alle esigenze specifiche delle applicazioni di difesa e aerospaziali. Presenta quindi le soluzioni ad alta affidabilità di Harwin e mostra come applicarle in vari scenari di difesa e aerospaziali per prestazioni SWaP-C affidabili.

I fattori trainanti la miniaturizzazione dei connettori

Dai sistemi con periscopio sottomarino che passano all'imaging multispettrale agli aeromobili a pilotaggio remoto (APR) che trasportano array di sensori in continua espansione, i requisiti di elettronica sofisticata in spazi ristretti diventano ogni anno sempre più complessi. La miniaturizzazione dei componenti consente di aggiungere sensori e altre funzioni per potenziare le capacità del sistema e migliorarne le prestazioni aerodinamiche.

I connettori, tradizionalmente tra i componenti più ingombranti, sono fondamentali per la miniaturizzazione. Per ridurre le dimensioni dei connettori è necessario ridurre i passi dei contatti e il peso, mantenendo la stessa durata e garantendo prestazioni elettriche costanti in condizioni estreme.

Harwin ha risposto a queste sfide con famiglie complete di connettori progettati specificamente per l'ottimizzazione dei criteri SWaP-C. L'approccio dell'azienda si basa su tre principi di progettazione fondamentali:

1. Riduzione delle dimensioni del passo fino a 1,25 mm mantenendo un'elevata capacità di trasporto della corrente
2. Utilizzo di contatti multilamellari in rame-berillio per l'integrità del segnale in condizioni estreme
3. Utilizzo di alloggiamenti in materiale termoplastico per alte temperature con uso selettivo di metalli leggeri per garantire la durata

Questa filosofia di progettazione si estende a tutte le famiglie di prodotti ad alta affidabilità, dai connettori di segnale ad alta densità alle soluzioni a tecnologia mista e ad alta potenza.

L'impatto della riduzione del peso dei connettori sulla mobilità e sull'efficienza

La riduzione del peso è fondamentale nell'ottimizzazione SWaP-C, in particolare per le applicazioni aviotrasportate e mobili. Componenti più leggeri possono migliorare la durata di volo e la manovrabilità, consentendo di trasportare un maggior numero di apparecchiature.

I moderni connettori micro-miniaturizzati possono ridurre significativamente il peso rispetto ai connettori industriali tradizionali grazie alla scelta strategica dei materiali. Ad esempio, per gli alloggiamenti primari si possono utilizzare materiale termoplastico per alte temperature caricati a vetro. Allo stesso tempo, i progettisti possono impiegare selettivamente leghe di alluminio leggere solo dove è necessario il metallo per la protezione dalle interferenze elettromagnetiche (EMI) e in radiofrequenza (RFI) e per la durata meccanica.

Anche nelle applicazioni ad alta corrente, in cui i progetti tradizionali si affidano in larga misura a componenti metallici, queste combinazioni di materiali possono assicurare solide prestazioni elettriche e meccaniche, riducendo al minimo la massa del connettore.

Gestione dei costi dei connettori senza sacrificare l'affidabilità

Nei progetti SWaP-C, bilanciare la riduzione dei costi e l'alta affidabilità è una sfida costante per i progettisti di sistemi mission-critical. Per i connettori, ciò significa scegliere progetti e materiali che garantiscano una durata a lungo termine con costi minimi.

Una strategia chiave per la gestione dei costi consiste nel concentrarsi sul costo di proprietà totale anziché sul solo prezzo iniziale dei componenti. Sebbene i connettori ad alta affidabilità possano avere costi iniziali più elevati, la loro maggiore durata e la riduzione dei requisiti di manutenzione possono generare risparmi significativi a lungo termine. Questo è particolarmente importante nelle applicazioni in cui i connettori devono sopportare condizioni estreme, come vibrazioni elevate, fluttuazioni di temperatura e numerosi cicli di accoppiamento.

Inoltre, i design standardizzati e modulari dei connettori possono ridurre i costi di produzione e manutenzione grazie a una più facile integrazione e sostituzione. I connettori conformi ai comuni standard del settore consentono l'intercambiabilità e la gestione semplificata delle scorte, riducendo le spese lungo il ciclo di vita del prodotto.

Bilanciare la distribuzione dell'energia elettrica e le dimensioni

Anche i connettori svolgono un ruolo fondamentale nella gestione dell'alimentazione. La sfida consiste nello sviluppare connettori in grado di gestire carichi di potenza significativi mantenendo un fattore di forma compatto e garantendo una perdita di potenza minima. I connettori ad alta affidabilità devono supportare il trasferimento efficiente della potenza, ridurre al minimo la generazione di calore e prevenire gli archi elettrici, il tutto rispettando i vincoli di spazio e di peso dei sistemi moderni.

Per l'efficienza e l'affidabilità sono necessari materiali e design dei contatti che garantiscano una bassa resistenza. I connettori con una robusta placcatura dei contatti, un isolamento avanzato e una geometria dei contatti ottimizzata sono in grado di fornire una potenza stabile anche in condizioni operative estreme.

Una considerazione fondamentale è la combinazione di connessioni di segnale e di alimentazione in un unico connettore compatto. Se da un lato l'integrazione delle linee di segnale e di alimentazione riduce l'ingombro complessivo dei connettori e libera spazio prezioso, dall'altro crea problemi nella gestione delle potenziali interferenze tra i percorsi di alimentazione e di segnale.

Esempio applicativo: cabine di pilotaggio di un jet da combattimento

L'esame di casi d'uso tipici aiuta a illustrare come questi principi di progettazione si traducono nella pratica. Ad esempio, le unità di controllo dell'illuminazione (LCU) degli aerei da combattimento richiedono connettori affidabili per gestire l'illuminazione in diverse condizioni di volo e missioni. Questi sistemi controllano la cabina di pilotaggio, gli esterni, la visione notturna e l'illuminazione di emergenza, che richiedono componenti in grado di fornire intensità luminose variabili in ambienti molto densi. Lo spazio limitato di una LCU richiede componenti a profilo ribassato che si integrino efficacemente senza compromettere le prestazioni.

Con un passo di 1,25 mm, i connettori Gecko SL di Harwin sono una soluzione compatta e leggera, anche del 75% più leggera e del 45% più piccola rispetto ai connettori Micro-D. Ciò li rende particolarmente adatti agli ambienti densi come le LCU. Le caratteristiche principali della famiglia Gecko SL includono:

• 2,8 A per contatto in isolamento e 2,0 A su tutti i contatti simultaneamente
• Design a quattro contatti lamellari in rame-berillio per l'alta affidabilità
• Stampaggi in materiale termoplastico caricato a vetro UL94V-0 (senza alogeni e fosforo rosso)

La variante G125-MC10605M1-0150L presenta una spina a sei posizioni che termina con conduttori singoli (Figura 1). È disponibile un'ampia gamma di altri stili di assemblaggio, oltre a cappellotti in alluminio leggero che garantiscono una maggiore continuità elettrica, protezione dei cavi e un'efficace schermatura EMI/RFI.

Figura 1: I connettori Gecko SL sono utili in ambienti con vincoli di spazio, come le cabine di pilotaggio degli aerei a reazione. La variante G125-MC10605M1-0150L presenta una spina a sei posizioni che termina con conduttori singoli. (Immagine per gentile concessione di Harwin)

Oltre alle dimensioni compatte, i connettori Gecko SL sono eccezionalmente robusti. Resistono agli urti fino a 100 g per 6 ms e alle vibrazioni fino a 20 g per 6 ore, il che li rende ideali per gli ambienti aerospaziali. Con una durata di 1000 cicli di accoppiamento, questi connettori garantiscono l'affidabilità anche dopo ripetute connessioni e disconnessioni, un requisito comune nelle applicazioni che richiedono molta manutenzione.

Esempio applicativo: connettori APR a segnale misto

Un altro esempio sono gli APR che lavorano negli ambienti di difesa e richiedono connettori robusti e compatti per mantenere la loro funzionalità in condizioni difficili. Questi veicoli subiscono vibrazioni e urti significativi, che rendono l'integrità del segnale fondamentale per i sistemi di bordo.

I connettori Datamate Mix-Tek di Harwin affrontano queste sfide integrando linee di alimentazione e di segnale in un unico contenitore compatto. Questo design salvaspazio è caratterizzato da un passo di 2 mm che lascia ampio spazio sulla scheda a circuiti stampati per ulteriori componenti, migliorando in ultima analisi le capacità e le prestazioni dell'APR. Questi connettori riducono al minimo le perdite di potenza e di segnale grazie ai bassi valori di resistenza di contatto, pari a 6 mΩ per i contatti di segnale e a 25 mΩ per quelli di potenza. Classificati a 500 cicli di accoppiamento, garantiscono la durata in applicazioni che richiedono spesso la manutenzione e ricollegamenti frequenti.

Un esempio è il modello M80-5T10805M1-02-331-00-000, che combina due contatti di potenza da 20 A ciascuno con otto contatti di segnale da 3 A ciascuno (Figura 2). Questa configurazione supporta i requisiti di alimentazione dei sistemi critici e le esigenze di dati per il controllo e la comunicazione nella maggior parte delle applicazioni APR.

Figura 2: Il connettore M80-5T10805M1-02-331-00-000 combina due contatti di alimentazione e otto di segnale con un passo di 2 mm in un unico alloggiamento per applicazioni con vincoli di spazio come gli APR. (Immagine per gentile concessione di Harwin)

Esempio applicativo: batterie APR ad alta potenza

Gli APR per la difesa richiedono spesso una potenza notevole e funzionano con sistemi di batterie che erogano da decine a centinaia di chilowatt. I connettori che collegano queste batterie a componenti critici come i motori devono gestire in modo affidabile correnti elevate, riducendo al minimo le perdite di potenza.

I connettori ad alta affidabilità Kona di Harwin soddisfano queste esigenze gestendo 60 A e 3000 V per contatto. Il passo di 8,50 mm supporta carichi di potenza significativi, pur mantenendo una robustezza valida per le applicazioni di difesa. Una resistenza di contatto di 2 mΩ garantisce perdite di potenza minime.

Un buon esempio è il modello KA1-MV10205M1 (Figura 3), dotato di due pin di contatto maschio per una capacità di corrente massima combinata di 120 A. Questo connettore è adatto ai collegamenti di batterie APR che necessitano di una distribuzione dell'energia elettrica robusta e che soddisfano i requisiti SWaP-C.

Figura 3: I connettori KA1-MV10205M1 hanno una potenza nominale di 60 A e 3000 V per contatto e utilizzano un design a sei lamelle per garantire la stabilità in caso di forti urti. (Immagine per gentile concessione di Harwin)

I connettori Kona utilizzano contatti in rame-berillio con placcatura in oro, sono caratterizzati da un design a sei lamelle per garantire connessioni stabili in caso di forti urti e hanno un passo di 8,5 mm. I gusci in lega di alluminio e le chiusure a vite in acciaio inossidabile garantiscono un design leggero e resistente.

Conclusione

La scelta del connettore adatto è cruciale per bilanciare i diversi requisiti dell'ottimizzazione nell'ottica dei requisiti SWaP-C. Le soluzioni avanzate con i connettori di Harwin dimostrano che è possibile combinare compattezza, leggerezza, efficienza energetica e durata, consentendo ai progettisti di soddisfare le complesse esigenze delle applicazioni aerospaziali e di difesa.