Ridurre le dimensioni e il peso aumentando la potenza con i connettori industriali miniaturizzati rinforzati

Ai progettisti viene chiesto di spremere più funzionalità in spazi sempre più ristretti come parte dell'ottimizzazione di dimensioni, peso, potenza e costi (SWaP-C). Questo è particolarmente vero nei dispositivi portatili, nei sistemi robotici industriali e nei sistemi per l'aviazione, dove le interconnessioni instradano sia segnali di dati e potenza in stretta prossimità.

Mentre i progettisti devono preoccuparsi dell'affidabilità e dell'integrità del segnale, devono anche assicurare che il sistema di interconnessione sia facile da configurare per piedinature diverse e casi d'uso, possa collegarsi e scollegarsi in modo affidabile durante la configurazione e sia facile da mantenere quando è in uso.

Questo articolo spiegherà come i progettisti di sistemi elettronici possono garantire una connettività affidabile utilizzando la famiglia di connettori appropriata per situazioni di interconnessione in spazi angusti. Discuterà come ottimizzare i criteri SWaP-C alla luce di molti problemi di interconnessione standardizzando su una famiglia di prodotti di Harwin. Verrà descritta l'applicazione di due soluzioni campione che mirano alle interconnessioni in sistemi compatti.

Perché pensare ai criteri SWaP-C per i sistemi compatti

I progettisti di sistemi elettronici come i dispositivi portatili e le apparecchiature di comunicazione hanno il compito di spremere più funzionalità in un ingombro più compatto. Di conseguenza, devono ridurre l'ingombro dei componenti esistenti per ridurre le dimensioni del sistema, creando spazio per un numero maggiore di componenti nella stessa area. Inoltre, il sistema di interconnessione deve essere abbastanza robusto da resistere alla caduta su una superficie dura senza incrinarsi o danneggiarsi. Una caduta violenta può portare a un funzionamento intermittente di un connettore, che se non diagnosticato, può far pensare che il dispositivo debba essere sostituito, una conseguenza costosa per l'utente ma anche per la reputazione del produttore.

I sistemi robotici industriali sono un altro esempio in cui l'ottimizzazione SWaP-C è auspicabile. Anche se può non sembrare ovvio che un sistema robotico pesante possa guadagnare molto dalla riduzione nelle dimensioni di alcuni connettori, i veri guadagni SWaP-C non si ottengono con una sola ottimizzazione, ma con l'ottimizzazione combinata di centinaia di sottosistemi. Un peso minore e dimensioni più piccole nella robotica migliorano l'efficienza e si traducono in minor potenza necessaria per muovere un braccio o aprire uno sportello, il che riduce i costi. I bracci robotici sono anche spesso sottoposti a bruschi avvii e arresti, che nel tempo possono sollecitare i sistemi di interconnessione, provocando guasti intermittenti. I sistemi robotici hanno anche bisogno di trasportare sia l'alimentazione che i segnali digitali nello stesso cablaggio, il che comporta un problema per il trasporto affidabile e privo di interferenze di entrambi i tipi di segnali nello stesso connettore.

I sistemi per l'aviazione sono un'altra applicazione ovvia in cui è necessario pensare a SWaP-C, poiché un'interconnessione che ha un peso inferiore, dimensioni più piccole e può trasferire più potenza si traduce in un aereo più leggero dalla maggiore efficienza. I sistemi aerei sono anche soggetti a ispezioni regolari in cui i connettori vengono spesso disaccoppiati e riaccoppiati. Il sistema di interconnessione deve essere in grado di sopportare un alto numero di cicli di accoppiamento/disaccoppiamento, avendo anche una varietà di opzioni di codifica per prevenire l'accoppiamento errato quando sono presenti molti connettori sono nella stessa area.

L'ottimizzazione SWaP-C è particolarmente vantaggiosa nei progetti di droni dove ogni grammo risparmiato può migliorare notevolmente la durata della batteria e il tempo di volo. I droni sono anche molto sensibili alle dimensioni. Più piccolo è il drone, minore è la potenza richiesta per mantenerlo in equilibrio attorno al suo centro di gravità.

Gli elettrodomestici intelligenti sono un'altra area in cui è necessario ottimizzare i criteri SWaP-C. Gli elettrodomestici più piccoli e leggeri sono sempre un vantaggio per l'installazione negli spazi ristretti della cucina. Un sistema di interconnessione robusto è necessario per apparecchi come lavastoviglie, lavatrici e asciugatrici dove, nel tempo, le vibrazioni possono causare la disconnessione del sistema di interconnessione. I connettori devono anche avere cicli di accoppiamento/disaccoppiamento facili e ragionevoli per facilitare la manutenzione.

I requisiti di queste varie applicazioni hanno portato a una varietà di innovativi approcci di progettazione delle interconnessioni, molti dei quali possono essere applicati insieme su una singola linea di interconnessioni per garantire prestazioni ottimali, affidabilità e facilità d'uso.

Interconnessione a vite per l'ottimizzazione SWaP-C

Ad esempio, per la facilità d'uso, i connettori dovrebbero essere facili da accoppiare per un rapido assemblaggio dell'apparecchiatura, facili da disaccoppiare per una facile manutenzione, eppure essere abbastanza forti da resistere a urti e vibrazioni e abbastanza leggeri da non sottoporre a sollecitazioni i fili a bassa corrente nel cavo assemblato. Per ottimizzare i criteri SWaP-C dove è richiesta un'interconnessione salda in qualsiasi situazione, Harwin offre il sistema di interconnessione Gecko SL con passo di 1,25 mm con chiusura a vite. Si tratta di connettori ad alta affidabilità che sono progettati per essere fino al 45% più piccoli e fino al 75% più leggeri del rinomato connettore micro-D comunemente usato in applicazioni equivalenti.

Un esempio di una coppia di connettori Gecko SL accoppiati è la presa a 10 posizioni G125-2241096F1 e la spina da pannello a 10 posizioni G125-3241096M2, entrambe di Harwin (Figura 1). L'alloggiamento della spina sulla destra è incassato e codificato sulle superfici superiore e inferiore. Questo previene l'inserimento errato della presa che può portare a un guasto dell'apparecchiatura. I connettori Gecko-SL sono disponibili con una varietà di configurazioni codificate per prevenire inserimenti errati quando in un sistema sono raggruppati più connettori l'uno vicino all'altro.

Figura 1: L'alloggiamento della presa G125-2241096F1 a 10 posizioni (a sinistra) si accoppia all'alloggiamento della spina a pannello G125-3241096M2 a 10 posizioni (a destra) di Harwin. Le superfici di contatto sono codificati in alto e in basso, mentre i segni di contatto semplificano l'accoppiamento dei connettori. (Immagine per gentile concessione di Harwin)

Il sistema di interconnessione Gecko SL utilizza contatti crimpati e ha due chiusure a vite per il fissaggio in posizione. Questo è un vantaggio per i sistemi soggetti a vibrazioni e urti ad alto impatto dove i connettori possono staccarsi con forza. Le chiusure a vite in acciaio inossidabile assicurano una connessione salda in qualsiasi situazione. Il sistema di connettori utilizza un meccanismo "accoppia e poi blocca" che fornisce una salda connessione elettrica anche prima che le due viti siano fissate. Ciò permette ai tecnici di accoppiare temporaneamente i connettori in situazioni di manutenzione e di collaudo. Poiché il sistema di interconnessione appare simmetrico sull'asse orizzontale, il lato superiore di ogni connettore ha un segno di contatto triangolare per facilitare ai tecnici l'accoppiamento. I connettori sono classificati per 1000 operazioni di accoppiamento/disaccoppiamento, il che li rende appropriati per le applicazioni aerospaziali dove i connettori possono essere sganciati durante l'ispezione e la manutenzione regolari.

Ciascuna delle dieci posizioni dei pin è capace di gestire un massimo di 2,8 A in isolamento. Se tutti i contatti sono usati simultaneamente per trasportare la corrente, ognuno può gestire un massimo di 2,0 A. Con cinque contatti di potenza e cinque di terra, questo dà al connettore una capacità massima di trasferimento di potenza di 10,0 A.

Una volta accoppiato, il sistema di connettori ha un'alta resistenza all'abuso e può sopportare shock di 100 g per 6 ms e vibrazioni di 20 g per sei ore, rendendolo appropriato per sistemi robotici e industriali difficili. Gli alloggiamenti termoplastici caricati a vetro, adatti per un intervallo di temperatura da -65 a +150 °C. Questo rende i connettori adatti ai sistemi aeronautici soggetti a temperature estreme, dal caldo delle piste di decollo nel deserto al freddo gelido delle alte quote. Per i sistemi che possono subire vibrazioni ad alta frequenza, si raccomanda di applicare un composto di rinforzo ai gruppi di crimpatura.

Interconnessione di segnale e potenza per l'ottimizzazione SWaP-C

In alcune situazioni, un sistema di interconnessione deve gestire nello stesso cablaggio sia segnali di controllo ad alta corrente, sia connessioni di alimentazione a corrente ancora più elevata. Queste applicazioni di interconnessione richiedono un sistema di connessione a layout misto che possa gestire entrambe le dimensioni dei contatti necessari. Per questi sistemi, Harwin propone il sistema di interconnessione a layout misto Gecko-MT con passo di 1,25 mm. Si tratta di connettori molto piccoli e leggeri progettati per trasportare in modo sicuro segnali misti di controllo e di potenza nella stessa interconnessione. Per queste applicazioni, i progettisti possono utilizzare la presa G125-FV10805F3-2AB2ABP con le sue otto connessioni di segnale e quattro di alimentazione, insieme alla corrispondente spina G125-32496M3-02-08-02, sempre di Harwin (Figura 2).

Figura 2: La presa Gecko-MT G125-FV10805F3-2AB2ABP (a sinistra) e la spina Gecko-MT G125-32496M3-02-08-02 (a destra) di Harwin formano un sistema con 8 connessioni di segnale e 4 di alimentazione con una capacità di 10 A per contatto di potenza e 2 A per contatto di segnale. (Immagine per gentile concessione di Harwin)

Gli otto contatti di segnale in questo sistema possono gestire fino a 2 A ciascuno, mentre i quattro contatti di alimentazione più grandi possono gestire fino a 10 A per contatto. Ciò offre flessibilità di interconnessione in spazi ristretti comuni nei sistemi aerospaziali, come i controlli avionici. Inoltre, la maggior parte dei sistemi di robotica deve trasferire un mix di segnali di controllo e potenza lungo i bracci robotici e altri meccanismi controllati meccanicamente, rendendo questo tipo di interconnessione ottimale per queste applicazioni.

Come Gecko-SL, anche Gecko-MT di Harwin è dotato di codifica per evitare errori di inserimento. Come si vede nella Figura 2, il connettore ha un intaglio stretto in basso e uno molto largo in alto. I connettori Gecko-MT sono disponibili con una varietà di configurazioni codificate per assicurare che i connettori siano inseriti correttamente, insieme a segni di contatto triangolari per semplificare ai tecnici l'inserimento. La presa sulla sinistra della Figura 2 è montata su una scheda CS con contatti a foro passante. La presa è fissata alla scheda CS con due bulloni/dadi sul lato inferiore per un montaggio sicuro. In questo modo si evita che il connettore si attorcigli o si distacchi dalla scheda in ambienti soggetti a forti vibrazioni. La spina è inserita nella presa e avvitata nelle sedi a vite in acciaio inossidabile.

Il sistema di interconnessione Gecko-MT utilizza anche un sistema "accoppia e poi blocca" per assicurare una salda connessione elettrica e per facilitare il collaudo durante interventi di manutenzione. Il sistema di interconnessione è classificato per 1000 cicli di accoppiamento/disaccoppiamento per un'alta affidabilità della connessione in caso di manutenzione e riconfigurazione.

Il sistema di connettori Gecko-MT accoppiati può anche resistere a shock di 100 g per 6 ms e a vibrazioni di 20 g per sei ore, rendendolo appropriato per la robotica e le applicazioni industriali dove il segnale e l'alimentazione devono essere instradati insieme per risparmiare spazio. Gli alloggiamenti termoplastici caricati a vetro sono adatti per un intervallo di temperatura da -65 a +150 °C, che consente loro di essere utilizzati per applicazioni aeronautiche in temperature estreme.

Conclusione

I progettisti di molti sistemi elettronici hanno bisogno di ottimizzare i sistemi nuovi ed esistenti in base ai criteri SWaP-C, al fine di aumentare l'efficienza, ridurre i costi e migliorare le prestazioni operative. La giusta scelta dei sistemi di interconnessione può aiutare nell'ottimizzazione di SWaP-C. Inoltre, i progettisti di sistemi per dispositivi portatili, sistemi robotici industriali, sistemi per l'aviazione ed elettrodomestici intelligenti devono assicurarsi che le loro connessioni possano resistere alle forti vibrazioni dell'applicazione ed essere in grado di trasportare correnti elevate in spazi ristretti. Per aiutare a semplificare il processo di progettazione, i progettisti possono standardizzare su un sistema di interconnessione che garantisce l'affidabilità del sistema e la facilità d'uso del connettore.