Kestävät minikokoiset teollisuusliittimet: pienempi koko ja paino, suurempi kapasiteetti

Suunnittelijoita pyydetään puristamaan yhä enemmän toimintoja entistä hankalampiin ja pienempiin tiloihin osana koon, painon, tehon ja kustannusten (SWaP-C) optimointia. Tämä koskee etenkin kannettavia laitteita, teollisuuden robotiikkajärjestelmiä ja ilmailualan järjestelmiä, joissa kytkentöjen kautta kulkee hyvin lähekkäin sekä virtaa että dataa.

Suunnittelijoiden täytyy varmistaa luotettavuuden ja signaalin eheyden lisäksi myös se, että kytkentäjärjestelmä on helppo konfiguroida eri jalkajärjestyksille ja käyttötapauksille. Lisäksi liitokset täytyy voida yhdistää ja irrottaa luotettavasti asennusvaiheessa ja kunnossapidon on oltava helppoa käyttövaiheessa.

Tässä artikkelissa kerrotaan, miten elektroniikkajärjestelmien suunnittelijat voivat varmistaa kytkentöjen luotettavuuden käyttämällä pienissä ja tiukoissa kytkentätilanteissa sopivaa liitinperhettä. Siinä kuvaillaan miten onnistua SWaP-C-optimoinnissa myös monenlaisten kytkentähaasteiden keskellä standardisoimalla liitännät käyttäen Harwin-yhtiön yhden kytkentäperheen tuotteita. Pienten järjestelmien kytkentöjä käsitellään kahden esimerkkiratkaisun avulla.

Miksi pienissä järjestelmissä tarvitaan SWaP-C-optimointia?

Kannettavien laitteiden ja tiedonsiirtovälineiden kaltaisten elektroniikkajärjestelmien suunnittelijat joutuvat puristamaan yhä enemmän toimintoja entistä pienemään tilaan. Nykyisten komponenttien tilantarvetta on pienennettävä, jotta samalle alueelle mahtuu enemmän komponentteja. Kytkentäjärjestelmän on oltava myös niin lujatekoinen, että se kestää putoamisen kovalle lattialle ilman minkään kytkennän säröilyä tai vaurioitumista. Kova isku voi aiheuttaa tilapäisiä kytkentäongelmia. Ellei niiden syytä pystytä selvittämään, laite joudutaan ehkä poistamaan käytöstä, mistä aiheutuu käyttäjälle kustannuksia ja valmistajan maine kärsii.

SWaP-C-optimoinnille on tarvetta myös teollisuuden robottijärjestelmissä. Muutaman liittimen pienentäminen ei ehkä äkkiseltään tunnu kovin tärkeältä raskaan robottijärjestelmän ollessa kyseessä. SWaP-C-optimoinnin hyöty ei kuitenkaan perustu vain yhden kohdan optimointiin, vaan satojen alijärjestelmien optimoinnin yhteisvaikutukseen. Keveys ja pienempi koko parantavat robottien tehokkuutta. Varren tai aukon liikutteluun tarvitaan vähemmän virtaa, mikä vähentää kustannuksia. Robottivarsille tyypilliset äkilliset käynnistykset ja pysäytykset voivat ajan mittaan kuormittaa myös kytkentäjärjestelmiä ja aiheuttaa tilapäisiä vikoja. Lisäksi robottijärjestelmissä samassa johtosarjassa kulkee sekä virtaa että digitaalisia signaaleja, jotka täytyy pystyä kytkemään saman kytkennän kautta luotettavasti ja ilman häiriöitä.

SWaP-C-optimointia tarvitaan tietenkin ilmailualan järjestelmissä, joissa ilma-aluksen painoa voidaan keventää ja tehokkuutta parantaa kevyemmillä ja pienemmillä kytkennöillä, joiden kautta voidaan siirtää enemmän tehoa. Ilmailualan järjestelmille tehdään myös säännöllisiä tarkastuksia, joissa kytkentöjä irrotetaan ja kytketään toistuvasti. Kytkentäjärjestelmän täytyy kestää lukuisia kytkentä- ja irrotussyklejä. Lisäksi tarvitaan useita muotoiluvaihtoehtoja, joiden avulla voidaan estää virheelliset kytkennät, kun samalla alueella on useita liittimiä.

SWaP-C-optimointi on erityisen hyödyllistä suunniteltaessa lennokkeja, joissa jokainen säästynyt gramma voi parantaa akun kestoa ja lentoaikaa huomattavasti. Myös lennokin koko on erittäin tärkeä tekijä: mitä pienempi lennokki on, sitä vähemmän tehoa tarvitaan sen pitämiseen tasapainossa massakeskipisteensä ympärillä.

Myös älykkäissä kotitalouslaitteissa tarvitaan SWaP-C-optimointia. Pienemmät ja kevyemmät laitteet mahtuvat paremmin pieniin keittiöihin. Lujatekoista kytkentäjärjestelmää tarvitaan esimerkiksi astianpesukoneissa, pesukoneissa ja kuivausrummuissa, joissa tärinä voi ajan mittaan irrottaa väärin valitun kytkentäjärjestelmän. Liittimet täytyy pystyä kytkemään helposti, ja niiden täytyy kunnossapidon helpottamiseksi kestää kohtuullinen määrä kytkentä- ja irrotussyklejä.

Tällaisten sovellusten vaatimukset ovat johtaneet monenlaisiin innovatiivisiin kytkentäratkaisuihin, joista monet voidaan yhdistää yhteen liitinvalikoimaan ihanteellisen suorituskyvyn, luotettavuuden ja helppokäyttöisyyden varmistamiseksi.

Ruuvilukittavat kytkennät SWaP-C-optimoinnissa

Helppokäyttöisyyden vaatimuksesta seuraa, että liittimien on oltava esimerkiksi helposti kytkettävissä, jotta laite voidaan koota nopeasti, helppoja irrottaa kunnossapidon helpottamiseksi, mutta siltikin riittävän lujia kestämään iskuja ja tärinää sekä riittävän kevyitä, jotteivat ne rasita kaapelikokoonpanon matalavirtaisia johtimia. Harwin tarjoaa Gecko SL ‑kytkentäjärjestelmän ratkaisuksi kytkentäoptimointiin, jossa kytkentä täytyy pystyä tekemään luotettavasti kaikissa tilanteissa. Liittimessä on ruuvilukitusjärjestelmä 1,25 millimetrin (mm) jaolla. Nämä erittäin luotettavat liittimet on suunniteltu jopa 45 % pienemmiksi ja peräti 75 % kevyemmiksi kuin vastaavissa sovelluksissa yleisesti käytetty micro-D-liitin.

Esimerkiksi yhteensopivasta Gecko SL ‑liitinparista käyvät Harwin G125-2241096F1, 10-paikkainen naarasliitin ja Harwin G125-3241096M2, 10-paikkainen paneeliin asennettava urosliitin (kuva 1). Oikealla esitetyn pistokkeen kotelossa on upotus ja pistokkeen ylä- sekä alapinnat on muotoiltu. Näin estetään väärän liittimen kytkeminen ja siitä seuraavat laiteviat. Gecko-SL-liittimistä on saatavana useita muotoiluvaihtoehtoja, joiden avulla vältetään virhekytkennät, kun lukuisia järjestelmän liittimiä sijoitetaan toistensa lähelle.

Kuva 1: Harwin G125-2241096F1, 10-paikkainen naarasliitin, sopii yhteen 10-paikkaisen paneeliin asennettavan Harwin G125-3241096M2 -urosliittimen kanssa (kuvassa oikealla). Liittimen ylä- ja alakontaktipinnat on muotoiltu, ja kontaktimerkit helpottavat liittimien kytkemistä. (Kuvan lähde: Harwin)

Gecko SL ‑kytkentäjärjestelmässä käytetään puristuskoskettimia, ja liittimet lukitaan kiinni kahdella ruuvilla. Tästä on hyötyä järjestelmissä, joissa liittimet saattavat irrota vahingossa järjestelmään kohdistuvan tärinän tai voimakkaiden iskujen vuoksi. Ruostumattomasta teräksestä valmistetut ruuvilukot takaavat luotettavan kytkennän kaikissa tilanteissa. Kytkentäjärjestelmän yhdistä-ja-lukitse-liittimet takaavat luotettavan sähköisen kytkennän jo ennen kahden ruuvin kiristystä, jolloin asentajat voivat kytkeä liittimet tilapäisesti kunnossapito- ja testaustilanteissa. Koska kytkentäjärjestelmä on leveyssuunnassa symmetrinen, jokaisen liittimen yläpinnassa on kytkemistä helpottava kolmiomainen kytkentämerkki. Liittimet kestävät vähintään 1000 kytkentä- ja irrotussykliä, joten ne sopivat ilmailualan sovelluksiin, joissa liittimiä saatetaan irrottaa säännöllisissä tarkastuksissa sekä kunnossapidon yhteydessä.

Jokainen kymmenestä kosketinnastasta on erikseen luokitettu 2,8 ampeerin (A) virralle. Jos virtaa syötetään samanaikaisesti kaikkien koskettimien kautta, kosketinkohtainen maksimivirta on 2,0 A. Jos viittä kosketinta käytetään virralle ja viittä maadoitukseen, liittimen maksimi virransiirtokapasiteetti on 10,0 A.

Kytkentäjärjestelmä kestää rasitusta hyvin. Se sietää 100 g:n 6 millisekuntia (ms) kestävän iskun ja 20 g:n kuusi tuntia kestävän tärinän, minkä ansiosta sitä voidaan käyttää vaativissa robotti- ja teollisuusjärjestelmissä. Kotelot on valmistettu lasilujitteisesta kestomuovista, joka kestää -65 °C...+150 °C:n toimintalämpötila-alueen. Näitä liittimiä voikin käyttää ilmailujärjestelmissä, jotka voivat altistua äärilämpötiloille autiomaan kiitoradan kuumuudessa tai korkealla lentämisen kylmyydessä. Jos järjestelmään saattaa kohdistua korkeataajuista tärinää, puristuskokoonpanojen takaosassa on suositeltavaa käyttää lisävahvistuksena valuseosta.

Signaali- ja virtakytkennät SWaP-C-optimoinnissa

Kytkentäjärjestelmän täytyy joissakin tilanteissa pystyä käsittelemään sekä suurtehoisia ohjaussignaaleja että vieläkin suurempitehoisia virransyöttökytkentöjä yhdessä ja samassa johtosarjassa. Tällaisiin kytkentöihin tarvitaan yhteiskytkentäkytkentäjärjestelmä, johon sopii molemman kokoiset kontaktit. Harwin tarjoaa tällaisiin järjestelmiin Gecko-MT ‑yhteiskytkentäjärjestelmät 1,25 mm:n jaolla. Nämä erittäin pienet ja kevyet liittimet on suunniteltu siirtämään sekä ohjaus- että virtasignaaleja turvallisesti saman kytkennän kautta. Suunnittelijat voivat valita tällaisiin sovelluksiin Harwinin G125-FV10805F3-2AB2ABP‑naarasliittimen, jossa on kahdeksan signaalikytkentää ja neljä virtakytkentää, sekä siihen sopivan G125-32496M3-02-08-02‑urosliittimen (kuva 2).

Kuva 2: Harwin Gecko-MT G125-FV10805F3-2AB2ABP ‑naarasliitin (vasemmalla) ja Gecko-MT G125-32496M3-02-08-02 ‑urosliitin (oikealla) muodostavat 8 signaalikoskettimen ja 4 virtakoskettimen kytkentäjärjestelmän, jonka kapasiteetti on 10 A/virtakosketin ja 2 A/signaalikosketin. (Kuvan lähde: Harwin)

Tämän kytkentäjärjestelmän kahdeksan signaalikosketinta kestävät jopa 2 A ja suuremmat virtakoskettimet jopa 10 A kosketinta kohden. Kytkennät voidaan tehdä joustavasti ilmailualan järjestelmille tyypillisissä ahtaissa tiloissa, kuten avioniikan hallintalaitteissa. Myös useimmissa robottijärjestelmissä robottien varsissa ja muissa mekaanisesti ohjatuissa mekanismeissa siirretään sekä ohjaussignaaleja että virtaa, joten tämä kytkentätyyppi sopii ihanteellisesti myös tällaisiin sovelluksiin.

Harwinin Gecko-MT muotoilu auttaa Gecko-SL:n tapaan estämään virhekytkentöjä. Kuten kuvassa 2 näytetään, liittimen pohjassa on kapea lovi ja yläpinnassa erittäin leveä lovi. Gecko-MT-liittimistä on saatavana useita erimuotoisia malleja, joilla varmistetaan liittimien kytkeminen oikein. Liittimissä on myös kytkemistä helpottavat kolmiomaiset kytkentämerkit. Kuvassa 2 vasemmalla esitetty naarasliitin asennetaan piirilevyyn läpiasennuksena. Naarasliitin kiinnitetään piirilevyyn luotettavasti kahdella levyn alapuolisella pultilla/mutterilla. Liitin ei tällöin pääse kiertymään eikä irtoamaan levystä ympäristöissä, joissa on voimakasta tärinää. Urosliitin asetetaan naarasliittimeen ja ruuvataan kiinni liittimen ruostumattomasta teräksestä valmistettuihin ruuvisyvennyksiin.

Gecko-MT-kytkentäjärjestelmän yhdistä-ja-lukitse-liittimet takaavat myös vakaan sähköliitoksen ja helpottavat kunnossapitoon liittyvää testausta. Kytkentäjärjestelmä on luokitettu 1000 kytkentä- ja irrotussyklille, joten kytkentä pysyy luotettavana myös kunnossapito- ja uudelleenkonfigurointitilanteissa.

Gecko-MT-kytkentäjärjestelmä kestää myös 100 g:n 6 ms kestävän iskun ja 20 g:n kuusi tuntia kestävän tärinän, minkä ansiosta sitä voidaan käyttää vaativissa robotti- ja teollisuusjärjestelmissä, joissa signaali ja virransyöttö joudutaan tilan säästämiseksi viemään samaa reittiä pitkin. Lasilujitteiset kestomuovikotelot kestävät -65 °C...+150 °C:n toimintalämpötila-alueen, minkä ansiosta ne soveltuvat äärilämpötiloille altistuviin ilmailualan sovelluksiin.

Yhteenveto

Monet elektroniikkajärjestelmien suunnittelijat joutuvat käyttämään uusissa ja olemassa olevissa järjestelmissä SWaP-C-optimointia tehokkuuden parantamiseksi, kustannusten laskemiseksi sekä suorituskyvyn parantamiseksi. Oikein valittu kytkentäjärjestelmä voi helpottaa SWaP-C-optimointia. Myös kannettavien laitteiden, teollisuuden robottijärjestelmien, ilmailualan järjestelmien ja älykkäiden kodinkoneiden suunnittelijoiden on varmistettava, että kytkennät kestävät niihin kohdistuvan voimakkaan tärinän ja pystyvät siirtämään suuria virtoja pienissä tiloissa. Suunnitteluprosessia voi yksinkertaistaa valitsemalla käyttöön yhden kytkentäjärjestelmän, joka varmistaa järjestelmän luotettavuuden ja liittimien helppokäyttöisyyden.