הקטן גודל ומשקל תוך כדי הגדלת הספק עם מחברים תעשייתיים זעירים מוקשחים

מתכננים נדרשים לדחוס יותר פונקציונליות לתוך חללים יותר ויותר מוזרים ומוגבלים כחלק ממיטוב גודל, משקל, הספק ועלות (SWaP-C). זה נכון במיוחד בהתקנים ניידים, מערכות רובוטיות תעשייתיות ומערכות תעופה בהם החברורים מנתבים הספק כמו גם אותות נתונים בקרבה רבה.

בעוד מתכננים חייבים לדאוג לאמינות ושלמות אותות, הם חייבים גם להבטיח שמערכת החברור היא קלה לשינוי תצורה עבור מערכי פינים ובתי מחבר שונים, ניתנת לחיבור וניתוק באופן אמין בזמן הרכבה וקלה לתחזוקה כשבשימוש.

מאמר זה יסביר כיצד מתכננים של מערכות אלקטרוניות יכולים להבטיח חיבוריות אמינה על ידי שימוש במשפחת מחברים מתאימה עבור מצבי חברור קטנים והדוקים. הוא ידון בשאלה כיצד ניתן להשיג מיטוב SWaP-C עבור מגוון רחב של אתגרי חברור על ידי שימוש סטנדרטי במשפחה אחת של רכיבי חברור מבית Harwin. יתוארו היישומים של שני פתרונות דוגמה המתמקדים ברכיבי חברור עבור מערכות קטנות.

מדוע דרוש SWaP-C עבור מערכות קטנות

מתכננים של מערכות אלקטרוניות כגון התקנים ניידים וציוד תקשורת מתמודדים עם המשימה לדחוס יותר פונקציונליות בחתימת שטח קטנה יותר. כתוצאה מכך, הם חייבים להקטין את חתימת השטח הדרושה עבור רכיבים קיימים כדי לכווץ גודל מערכת, תוך כדי גם עשיית מקום עבור רכיבים נוספים באותו השטח. בנוסף, מערכת החברור חייבת להיות מוקשחת מספיק כדי לעמוד בנפילה על רצפה קשיחה מבלי להיסדק או לגרום נזק לחברור כלשהו. נפילה קשה יכולה לגרום למחבר לפתח בעיות של חיבור מקוטע, שבאם לא מאובחן, יכול להסתיים בכך שההתקן נזרק לפח, תוצאה יקרה למשתמש כמו גם לשמו הטוב של היצרן.

מערכות רובוטיות תעשייתיות הן דוגמה נוספת להיכן שרצוי מיטוב SWaP-C. בעוד שלא נראה ברור שמערכת רובוטית כבדה תפיק תועלת רבה על ידי הקטנת הגודל של מספר מחברים, מושגים יתרונות SWaP-C אמיתיים לא על ידי מיטוב יחיד אלא על ידי שילוב המיטוב של מאות תת-מערכות. משקל נמוך יותר וגודל קטן יותר ברובוטיקה משפרים נצילות ומתורגם לדרישת הספק נמוכה יותר כדי להניע זרועה או צמצם, דבר שמקטין עלויות. זרועות רובוטיות נתונות לעיתים גם לתנועות ועצירות פתאומיות, שעם הזמן יכולות לאמץ מערכות חברור, וכתוצאה מכך לגרום לתקלות מקוטעות. מערכות רובוטיות גם נדרשות לשאת הספק ואותות דיגיטליים באותה רתמת חוטים, והתוצאה מכך היא אתגר חברור בנשיאת שני סוגי האותות באותו מחבר באמינות וללא הפרעות.

מערכות תעופה הן תחום ברור שבו דרוש SWaP-C, מאחר וחברור במשקל נמוך יותר, בגודל קטן יותר ובעל יכולת להעביר יותר הספק מביא לתוצאה של מטוס קל יותר עם יעילות גבוהה יותר. מערכות תעופה גם נתונות לבדיקות סדירות בהן מחברים מנותקים ומחוברים תכופות. מערכת החברור חייבת להיות מסוגלת לעמוד במספר גבוה של מחזורי חיבור/ניתוק, כמו גם להיות בעלת מגוון אפשרויות קידוד כדי למנוע ארוע של חיבור שגוי כאשר ישנם מחברים רבים באותו האזור.

מיטוב SWaP-C מועיל במיוחד עבור תכני רחפן, בהם כל משקל קטן שנחסך יכול לגרום לשיפור בולט בחיי סוללה וזמן מעוף. רחפנים הם גם בעלי מודעות גדולה לגודל. ככל שהרחפן קטן יותר, כך דרוש הספק נמוך יותר כדי להחזיק את הרחפן מאוזן סביב מרכז הכובד שלו.

מכשירי חשמל ביתיים חכמים הם תחום נוסף בו נדרש מיטוב SWaP-C. מכשירי חשמל קטנים יותר וקלים יותר הם תמיד עדיפים להתקנה בחללי מטבח קטנים. מערכת חברור מוקשחת נדרשת עבור מכשירי חשמל כגון מדיחי כלים, מכונות כביסה ומיבשי כביסה, היכן שעם הזמן, רעידות יכולות לגרום לנתק במערכת החברור הלא מתאימה. מחברים חייבים גם להיות בעלי מחזורי חיבור/ניתוק סבירים וקלים עבור תחזוקה קלה.

הדרישות של מגוון יישומים אלה הניבו מספר גישות תכנון חברור חדשניות, רבות מהן ניתנות ליישום ביחד על קו יחיד של רכיבי חברור, כדי להבטיח ביצועים, אמינות וקלות שימוש אופטימליים.

חברור נעילת בורג עבור מיטוב SWaP-C

לדוגמה, עבור קלות שימוש, מחברים חייבים להיות קלים לחיבור עבור הרכבת ציוד מהירה, קלים לניתוק עבור תחזוקה, אבל עדיין חזקים מספיק כדי לעמוד בזעזועים ורעידות וקלי משקל כך שלא יהוו כל מאמץ על חוטי זרם-נמוך במכלול הכבל. עבור מיטוב חברור SWaP-C הדורש חברור סולידי בכל מצב, ל-Harwin יש את מערכת החברור Gecko SL בעלת נעילת בורג ופסיעה של 1.25 מילימטר (מ"מ). אלה מחברי אמינות-גבוהה המתוכננים להיות עד 45% קטנים יותר ועד 75% קלים יותר ממחבר ה-micro-D הנפוץ המשמש בדרך כלל ביישומים שקולים.

דוגמה לזוג מזווג של מחברי Gecko SL היא מחבר השקע 10-חיבורים Harwin G125-2241096F1 ומחבר התקע להרכבה-על-לוח, 10-חיבורים, Harwin G125-3241096M2 (איור 1). בית-מחבר התקע בצד ימין שקוע ומקודד במשטח העליון והתחתון. זה מונע החדרה שגויה של מחבר השקע, דבר שיכול לגרום לתקלה בציוד. מחברי Gecko-SL זמינים עם מגוון תצורות קידוד כדי למנוע החדרה שגויה כשמחברים מרובים במערכת מתקבצים קרוב אחד לשני.

איור 1: מחבר השקע 10-חיבורים Harwin G125-2241096F1 (בצד שמאל) מתחבר עם מחבר התקע להרכבה-על-לוח, 10-חיבורים, Harwin G125-3241096M2 (בצד ימין). משטחי המגעים מקודדים בחלקם העליון והתחתון, בעוד סימוני מגע מקלים על חיבור המחברים. (מקור תמונה: Harwin)

מערכת החברור Gecko SL משתמשת במגעי לחיצה ויש לה שני סגרי בורג כדי לקבע את המחברים במקומם. זה מהווה יתרון עבור מערכות הנתונות לרעידות וזעזועי הלם חזקים בהם מחברים יכולים להתנתק בכח. סגרי בורג הפלב"ם מבטיחים חיבור הדוק בכל מצב. מערכת המחברים משתמשת במנגנון חבר-לפני-נעילה המספק חיבור חשמלי יציב אפילו לפני הברגת שני הברגים. זה מאפשר לטכנאים חיבור מחברים זמני בזמן תחזוקה ובדיקת מצבים. מאחר ומערכת החברור נראית סימטרית ביחס לציר האופקי, בחלק העליון של כל מחבר יש סימון מגע משולש כדי להקל על חיבור המחברים על ידי טכנאים. המחברים מדורגים ל-1000 פעולות חיבור/ניתוק, דבר העושה אותם מתאימים עבור יישומי תעופה וחלל, בהם מחברים יכולים להיות מנותקים בזמן בדיקה ותחזוקה סדירה.

כל אחד מעשרת פיני המגע מדורג לטפל בזרם מקסימלי של 2.8 אמפר (A) בנפרד. אם כל המגעים משמשים סימולטנית לשאת זרם, כל מגע יכול לטפל בזרם מקסימלי של ‎2.0 A. עם חמישה מגעי הספק וחמישה מגעי הארקה, זה מעניק למחבר יכולת העברת הספק מקסימלית של ‎10.0 A.

במצב מחובר, מערכת המחברים היא בעלת התנגדות גבוהה לפגיעה ויכולה לעמוד בהלם של ‎100 g,‏ 6 מילישניות (ms), כמו גם ברעידות של 20‎ g במשך שש שעות, תכונות ההופכות אותה למתאימה עבור מערכות רובוטיות ותעשייתיות לתנאי סביבה קשים. בתי המחברים עשויים מחומר תרמופלסטי עם מילוי זכוכית שיכול לעבוד בתחום טמפרטורות מ-65°C- עד ‎150°C+. זה עושה את המחברים למתאימים עבור מערכות תעופה, שיכולות להיות נתונות לטמפרטורות קיצוניות, ממסלול המראה חם במדבר עד לקור קיצוני של גובה רב. עבור מערכות שיכולות להיות נתונות לרעידות בתדר-גבוה, מומלץ להוסיף יציקת חומר עוטף-אוטם (back-potting) למכלולי הכיווץ כדי לספק חיזוק נוסף.

חברור אותות והספק עבור מיטוב SWaP-C

במצבים מסוימים, מערכת חברור חיייבת לטפל באותות בקרה זרם-גבוה כמו גם בחיבורי ספק-כוח בעלי זרם עוד יותר גבוה באותה רתמת חווט. יישומי חברור אלה דורשים מערכת חיבורים עם מערך מגעים מעורב המסוגל לטפל בשתי מידות המגעים הדרושות. עבור מערכות אלו, Harwin מספקת את ה-Gecko-MT, פסיעה 1.25 מ"מ, מערכת חברור בעלת מערך מגעים מעורב. אלה מחברים קטנים וקלים מאוד המתוכננים לשאת בביטחון אותות הספק ובקרה מעורבים באותה מערכת חברור. עבור יישומים אלה, מתכננים יכולים להשתמש במחבר שקע Harwin G125-FV10805F3-2AB2ABP עם חיבורים של שמונה אותות וארבעה הספק, ביחד עם התקע המתאים G125-32496M3-02-08-02 (איור 2).

איור 2: מחבר השקע Harwin Gecko-MT G125-FV10805F3-2AB2ABP (שמאל) והתקע Gecko-MT G125-32496M3-02-08-02 (ימין) יוצרים מערכת חברור של 8 אותות ו-4 הספק בעלת קיבולת של ‎10 A למגע הספק ו-‎2 A למגע אותות. (מקור תמונה: Harwin)

שמונה מגעי האותות במערכת חברור זו יכולים לטפל בזרם של עד ‎2 A כל אחד, בעוד שארבעת מגעי ההספק הגדולים יותר יכולים לטפל בזרם של עד ‎10 A כל אחד. זה מספק גמישות חברור בחללים הצפופים המצויים בדרך כלל במערכות תעופה וחלל, כגון בקרות אוויוניקה. כמו כן, מרבית מערכות הרובוטיקה חייבות להעביר תערובת של אותות בקרה והספק לאורך זרועות רובוטיקה ומנגנונים אחרים מבוקרים מכנית, דבר ההופך חברור מסוג זה לאופטימלי עבור יישומים אלה.

כמו ה-Gecko-SL,‏ ה-Harwin Gecko-MT מקודד כדי למנוע תקיעה שגויה. כפי שנראה באיור 2, למחבר חריץ קידוד צר בחלקו התחתון וחריץ רחב מאוד בחלקו העליון. מחברי Gecko-MT זמינים עם מגוון תצורות קידוד כדי להבטיח שהמחברים נתקעים כראוי, יחד עם סימוני מגע משולש כדי להקל על תחיבות על ידי טכנאים. בית השקע בצד שמאל של איור 2 מורכב על מעגל מודפס בעזרת מגעי חור-עובר. בית השקע מקובע ללוח המעגל המודפס בעזרת שני ברגים/אומים בצד התחתון עבור הרכבה בטוחה. זה מונע את פיתול או תלישת המחבר מהלוח בתנאי סביבה של רעידות חזקות. התקע נתקע אל תוך השקע ומוברג אל תוך שקע הבורג העשוי מפלדת אל-חלד.

מערכת החברור Gecko-MT גם משתמשת במערכת חבר-לפני-נעילה כדי להבטיח חיבור חשמלי סולידי ולסייע בבדיקה בזמן תחזוקה. מערכת החברור מדורגת ב-1000 מחזורי חיבור/ניתוק עבור אמינות חיבור גבוהה במצבי תחזוקה ושינוי תצורה.

מערכת המחבר Gecko-MT במצב מחובר יכולה גם לעמוד בהלם של ‎100 g,‏ 6 מילישניות (ms), כמו גם ברעידות של ‎20 g במשך שש שעות, תכונות ההופכות אותה למתאימה עבור יישומי רובוטיקה ותעשייה בהם אותות והספק צריכים להיות מנותבים ביחד כדי לחסוך מקום. בתי המחבר העשויים מחומר תרמופלסטי עם מילוי זכוכית יכולים לעבוד בתחום טמפרטורות מ-65°C- עד ‎150°C+, דבר המאפשר את השימוש בהם ביישומי תעופה הכרוכים בטמפרטורות קיצוניות.

מסקנה

מתכננים של מערכות אלקטרוניקה רבות צריכים למטב מערכות חדשות וקיימות מבחינת SWaP-C כדי להגדיל יעילות, להוריד עלויות ולשפר ביצועי עבודה. הבחירה הנכונה של מערכות חברור יכולה לעזור במיטוב SWaP-C זה. נוסף לכך, מתכנני מערכות עבור התקנים נישאים, מערכות רובוטיות תעשייתיות, מערכות תעופה ומכשירי חשמל ביתיים חכמים חייבים להבטיח שהחיבורים שלהם יכולים לעמוד ברעידות החזקות של היישום תוך יכולת לשאת זרמים גבוהים דרך חללים צרים. כדי לעזור לפשט את תהליך התכנון, מתכננים יכולים לאמץ סטנדרט מערכת אחד כדי להבטיח אמינות מערכת וקלות שימוש במחבר.