Réduire la taille et le poids tout en augmentant la puissance grâce à des connecteurs industriels miniatures renforcés

Les concepteurs doivent intégrer davantage de fonctionnalités dans des espaces de plus en plus restreints et difficiles d'accès pour optimiser la taille, le poids, la puissance et le coût (SWaP-C). Cela est particulièrement vrai dans les appareils portables, les systèmes robotiques industriels et les systèmes aéronautiques, dans lesquels les interconnexions acheminent à la fois les signaux d'alimentation et de données à proximité immédiate.

Si les concepteurs doivent accorder de l'importance à la fiabilité et à l'intégrité des signaux, ils doivent également s'assurer que le système d'interconnexion est facile à configurer pour différents brochages et cas d'utilisation, qu'il peut être connecté et déconnecté de manière fiable pendant la configuration et qu'il est facile à entretenir pendant le fonctionnement.

Cet article explique comment les concepteurs de systèmes électroniques peuvent garantir une connectivité fiable en utilisant la gamme de connecteurs appropriée pour des espaces d'interconnexion compacts et étroits. Il étudie comment l'optimisation SWaP-C peut être mise en œuvre pour de nombreux défis d'interconnexion en adoptant une gamme de produits d'interconnexion de Harwin. Il décrit ensuite l'application de deux solutions d'exemple ciblant les interconnexions pour les petits systèmes.

Importance de l'optimisation SWaP-C dans les petits systèmes

Les concepteurs de systèmes électroniques, tels que des appareils portables et des équipements de communications, ont pour mission d'intégrer davantage de fonctionnalités dans un espace plus restreint. Par conséquent, ils doivent réduire l'empreinte des composants existants pour diminuer la taille du système tout en libérant de la place pour davantage de composants dans le même espace. De plus, le système d'interconnexion doit être suffisamment robuste pour résister à une chute sur un sol dur sans se fissurer ni endommager une interconnexion. Une chute brutale peut entraîner le développement de problèmes de connexion intermittents, qui, s'ils ne sont pas diagnostiqués, peuvent conduire à la mise hors service de l'appareil, ce qui peut avoir des conséquences coûteuses pour l'utilisateur et la réputation du fabricant.

Les systèmes robotiques industriels sont un autre cas où l'optimisation SWaP-C est souhaitable. Bien qu'il ne semble pas évident qu'un système robotique lourd puisse gagner beaucoup en réduisant la taille de quelques connecteurs, les gains SWaP-C réels ne sont pas obtenus par une optimisation isolée mais par l'optimisation combinée de centaines de sous-systèmes. La réduction du poids et de la taille des robots améliore le rendement et se traduit par une diminution de l'énergie requise pour déplacer un bras ou une ouverture, ce qui réduit les coûts. Les bras robotiques sont également souvent soumis à des démarrages et des arrêts brusques, ce qui, à la longue, peut solliciter les systèmes d'interconnexion et entraîner des défaillances intermittentes. Les systèmes robotiques doivent également transmettre des signaux numériques et des signaux d'alimentation dans le même faisceau de câbles, ce qui pose un défi d'interconnexion pour transmettre ces deux types de signaux dans un même connecteur de manière fiable et sans interférence.

Les systèmes aéronautiques sont un domaine évident où l'optimisation SWaP-C est nécessaire, car une interconnexion plus légère, plus petite et capable de transférer plus d'énergie permet d'obtenir un avion plus léger et plus efficace. Les systèmes aéronautiques sont également soumis à des inspections régulières au cours desquelles les connecteurs sont fréquemment déconnectés et reconnectés. Le système d'interconnexion doit pouvoir résister à un grand nombre de cycles de connexion/déconnexion, tout en disposant d'une variété d'options de détrompage pour éviter un raccordement incorrect lorsque de nombreux connecteurs se trouvent dans la même zone.

L'optimisation SWaP-C est particulièrement bénéfique pour les conceptions de drones, où chaque gramme économisé peut se traduire par une amélioration notable de l'autonomie de la batterie et du temps de vol. Les dimensions constituent également un facteur critique pour les drones. Plus le drone est petit, moins il faut de puissance pour maintenir le drone en équilibre autour de son centre de gravité.

Les appareils électroménagers intelligents sont un autre domaine où l'optimisation SWaP-C est nécessaire. Des appareils plus petits et plus légers sont toujours un avantage pour une installation dans des espaces de cuisine exigus. Un système d'interconnexion robuste est nécessaire pour les appareils tels que les lave-vaisselle, les lave-linge et les sèche-linge, dans lesquels les vibrations, avec le temps, peuvent entraîner la déconnexion du système d'interconnexion. Les connecteurs doivent également présenter des cycles de connexion/déconnexion simples et raisonnables pour faciliter la maintenance.

Les exigences de ces diverses applications ont conduit à une variété d'approches de conception d'interconnexions innovantes, dont beaucoup peuvent être appliquées ensemble sur une seule ligne d'interconnexions pour garantir des performances, une fiabilité et une facilité d'utilisation optimales.

Interconnexion à vis pour optimisations SWaP-C

Par exemple, pour une plus grande simplicité d'utilisation, les connecteurs doivent être faciles à raccorder pour un assemblage rapide de l'équipement, faciles à déconnecter pour simplifier la maintenance, mais suffisamment solides pour résister aux chocs et aux vibrations, et suffisamment légers pour ne pas exercer de contrainte sur les fils à faible courant dans l'assemblage de câble. Pour les optimisations d'interconnexion SWaP-C exigeant une interconnexion solide dans toutes les situations, Harwin propose le système d'interconnexion à verrouillage à vis Gecko SL à pas de 1,25 millimètre (mm). Ces connecteurs haute fiabilité sont conçus pour être jusqu'à 45 % plus petits et jusqu'à 75 % plus légers que le célèbre connecteur micro-D fréquemment utilisé dans des applications équivalentes.

Un exemple de paire raccordée de connecteurs Gecko SL est la prise à 10 positions G125-2241096F1 de Harwin et la fiche à montage sur panneau à 10 positions G125-3241096M2 de Harwin (Figure 1). Le logement de la fiche de droite présente un renfoncement et un détrompeur sur les surfaces supérieure et inférieure. Cela permet d'éviter l'insertion incorrecte de prises, susceptible d'entraîner une défaillance de l'équipement. Les connecteurs Gecko-SL sont disponibles dans une variété de configurations de détrompeur pour éviter les insertions incorrectes lorsque plusieurs connecteurs d'un système sont regroupés à proximité les uns des autres.

Figure 1 : Le logement de prise à 10 positions G125-2241096F1 de Harwin (à gauche) se raccorde au logement de fiche à montage sur panneau à 10 positions G125-3241096M2 de Harwin (à droite). Les surfaces de contact ont un détrompeur sur les faces supérieure et inférieure, tandis que les marques de contact facilitent le raccordement des connecteurs. (Source de l'image : Harwin)

Le système d'interconnexion Gecko-SL utilise des contacts à sertir et dispose de deux vis pour fixer les connecteurs en place. C'est un avantage pour les systèmes exposés à des vibrations et à des chocs importants où les connecteurs peuvent être brutalement déconnectés. Les vis en acier inoxydable garantissent une connexion étanche dans toutes les situations. Le système de connexion utilise un mécanisme « mate-before-lock » (raccordement avant verrouillage) qui fournit une connexion électrique solide avant même que les deux vis ne soient serrées. Cela permet aux techniciens de coupler temporairement les connecteurs en situations de maintenance et de test. Comme le système d'interconnexion apparaît symétrique sur l'axe horizontal, la face supérieure de chaque connecteur comporte une marque de contact triangulaire afin de faciliter le raccordement. Les connecteurs sont répertoriés pour 1000 opérations de connexion/déconnexion, et ils conviennent aux applications aérospatiales dans lesquelles les connecteurs doivent être régulièrement déconnectés lors des opérations d'inspection et de maintenance.

Chacune des 10 positions de broche est répertoriée pour supporter un maximum de 2,8 ampères (A) en isolation. Si tous les contacts sont utilisés simultanément pour transporter du courant, chaque contact peut gérer un maximum de 2,0 A. Avec cinq contacts d'alimentation et cinq contacts de terre, cela donne au connecteur une capacité de transfert de courant maximum de 10,0 A.

Après raccordement, le système de connecteur affiche une haute résistance et peut supporter un choc de 100 g et 6 millisecondes (ms) et des vibrations de 20 g pendant six heures, ce qui le rend approprié pour les systèmes robotiques et industriels difficiles. Les logements sont fabriqués en thermoplastique chargé de fibres de verre pouvant fonctionner sur une plage de températures de -65°C à +150°C. Ces connecteurs conviennent donc aux systèmes aéronautiques exposés à des températures extrêmes, de la chaleur des pistes du désert au froid extrême des hautes altitudes. Pour les systèmes exposés à des vibrations haute fréquence, il est recommandé d'appliquer un composé d'enrobage sur les assemblages à sertir afin de les renforcer.

Interconnexion de signaux et d'alimentation pour les optimisations SWaP-C

Dans certaines situations, un système d'interconnexion doit gérer à la fois des signaux de commande à fort courant et des connexions d'alimentation à courant encore plus élevé dans le même faisceau de câbles. Ces applications d'interconnexion requièrent un système de connexion à configuration mixte capable de gérer les deux tailles de contacts nécessaires. Pour ces systèmes, Harwin fournit le système d'interconnexion à configuration mixte Gecko-MT à pas de 1,25 mm. Ces connecteurs très petits et légers sont conçus pour transporter en toute sécurité des signaux mixtes de commande et d'alimentation dans la même interconnexion. Pour ces applications, les concepteurs peuvent utiliser la prise G125-FV10805F3-2AB2ABP de Harwin avec ses huit connexions de signaux et ses quatre connexions d'alimentation, ainsi que la fiche correspondante G125-32496M3-02-08-02 (Figure 2).

Figure 2 : La prise Gecko-MT G125-FV10805F3-2AB2ABP (à gauche) et la fiche Gecko-MT G125-32496M3-02-08-02 (à droite) de Harwin forment un système d'interconnexion à 8 connexions de signaux et 4 connexions d'alimentation, avec une capacité de 10 A par contact d'alimentation et de 2 A par contact de signaux. (Source de l'image : Harwin)

Les huit contacts de signaux de ce système d'interconnexion peuvent chacun gérer jusqu'à 2 A, tandis que les quatre contacts d'alimentation plus grands peuvent chacun gérer jusqu'à 10 A par contact. Cela offre une flexibilité d'interconnexion dans les espaces restreints, fréquents dans les systèmes aéronautiques, tels que les commandes d'avionique. En outre, la plupart des systèmes robotiques doivent transférer un mélange de signaux de commande et d'alimentation le long de bras robotiques et d'autres mécanismes à commande mécanique, ce qui rend ce type d'interconnexion optimal pour ces applications.

Comme le Gecko-SL, le Gecko-MT de Harwin a un détrompeur pour prévenir les erreurs d'insertion. Comme on peut le voir à la Figure 2, le connecteur présente une encoche de détrompage étroite sur la partie inférieure et une encoche très large sur la partie supérieure. Les connecteurs Gecko-MT sont disponibles avec une variété de configurations de détrompage pour garantir que les connecteurs sont insérés correctement, et sont dotés de marques de contact triangulaires pour faciliter l'insertion. La prise à gauche de la Figure 2 se monte sur une carte à circuit imprimé avec des contacts à trous traversants. La prise est fixée au circuit imprimé à l'aide de deux boulons/écrous sur la face inférieure pour un montage sécurisé. Cela permet d'éviter que le connecteur ne soit tordu ou arraché de la carte dans des environnements à fortes vibrations. La fiche est insérée dans la prise et vissée dans les douilles à vis de la prise en acier inoxydable.

Le système d'interconnexion Gecko-MT utilise également un système mate-before-lock pour garantir une connexion électrique solide et faciliter les tests lors des opérations de maintenance. Le système d'interconnexion est répertorié à 1000 cycles de connexion/déconnexion pour une haute fiabilité de connexion dans les situations de maintenance et de reconfiguration.

Le système de connecteur Gecko-MT raccordé peut également résister à un choc de 100 g, 6 ms, ainsi qu'à des vibrations de 20 g pendant 6 heures, ce qui le rend approprié pour les applications robotiques et industrielles dans lesquelles le signal et l'alimentation doivent être routés ensemble pour économiser de l'espace. Les logements en thermoplastique chargé de fibres de verre peuvent fonctionner sur une plage de températures de -65°C à +150°C, ce qui leur permet d'être utilisés dans les applications aéronautiques exposées à des températures extrêmes.

Conclusion

Les concepteurs de nombreux systèmes électroniques doivent optimiser la taille, le poids, la puissance et le coût des systèmes nouveaux et existants afin d'accroître le rendement, de réduire les coûts et d'améliorer les performances opérationnelles. Une sélection appropriée du système d'interconnexion peut contribuer à cette optimisation SWaP-C. De plus, les concepteurs de systèmes pour les dispositifs portables, les systèmes robotiques industriels, les systèmes aéronautiques et les appareils électroménagers intelligents doivent s'assurer que leurs connexions peuvent résister aux fortes vibrations de l'application tout en étant capables de conduire des courants élevés dans des espaces restreints. Pour simplifier le processus de conception, les concepteurs peuvent s'appuyer sur un système d'interconnexion afin de garantir la fiabilité du système et la facilité d'utilisation des connecteurs.