Leitfaden zur Auswahl und Anwendung von hochzuverlässigen Steckverbindern für SWaP-C

Entwickler von Systemen für Verteidigungs- sowie Luft- und Raumfahrtanwendungen sehen sich immer strengeren Anforderungen an die Optimierung von Größe, Gewicht, Leistung und Kosten (SWaP-C) gegenüber. Da ihre Designs immer komplexer und kompakter werden, müssen sie diese Anforderungen mit hoher Performance und Zuverlässigkeit in Einklang bringen. Herkömmliche Steckverbinder können diese widersprüchlichen Anforderungen oft nicht erfüllen, so dass die Konstrukteure nach Alternativen suchen müssen, um die Anforderungen an das Systemdesign und die Performance zu erfüllen.

In diesem Artikel wird untersucht, wie fortschrittliche Steckverbindertechnologien, die speziell für SWaP-C entwickelt wurden, die besonderen Anforderungen von Anwendungen in der Verteidigung und der Luft- und Raumfahrt erfüllen können. Anschließend werden hochzuverlässige Lösungen von Harwin vorgestellt und gezeigt, wie sie in verschiedenen Verteidigungs- und Luft- und Raumfahrtzenarien eingesetzt werden, um eine zuverlässige SWaP-C-Performance zu erzielen.

Die Faktoren, die die Miniaturisierung von Steckverbindern vorantreiben

Von U-Boot-Periskopsystemen, die auf multispektrale Bildgebung aufgerüstet werden, bis hin zu unbemannten Luftfahrzeugen (UAVs), die immer mehr Sensoren tragen, werden die Anforderungen an hochentwickelte Elektronik auf engstem Raum von Jahr zu Jahr komplexer. Die Minimierung der Bauteilgröße ermöglicht zusätzliche Sensoren und andere Funktionen, um die Systemfähigkeiten und die aerodynamische Performance zu verbessern.

Steckverbinder, die traditionell zu den sperrigeren Komponenten gehören, sind für eine erfolgreiche Miniaturisierung entscheidend. Die Verkleinerung von Steckverbindern erfordert eine Verkleinerung der Kontaktabstände und eine Gewichtsreduzierung bei gleichzeitiger Beibehaltung der Haltbarkeit und Gewährleistung einer gleichbleibenden elektrischen Performance unter extremen Bedingungen.

Harwin hat auf diese Herausforderungen mit umfassenden Steckverbinderfamilien reagiert, die speziell für die SWaP-C-Optimierung entwickelt wurden. Ihr Ansatz beruht auf drei zentralen Designprinzipien:

1. Verkleinerung des Rastermaßes auf bis zu 1,25 Millimeter (mm) bei gleichbleibend hoher Strombelastbarkeit
2. Verwendung von Berylliumkupferkontakten mit mehreren Fingern für Signalintegrität unter extremen Bedingungen
3. Verwendung von Hochtemperatur-Thermoplastgehäusen mit selektivem Einsatz von Leichtmetallen für eine lange Lebensdauer

Diese Designphilosophie erstreckt sich auf alle Produktfamilien mit hoher Zuverlässigkeit, von Signalsteckverbindern mit hoher Packungsdichte bis hin zu Lösungen für gemischte Technologien und hohe Leistungen.

Die Auswirkungen der Gewichtsreduzierung von Steckverbindern auf Mobilität und Effizienz

Gewichtsreduzierung ist bei der SWaP-C-Optimierung von entscheidender Bedeutung, insbesondere für luftgestützte und mobile Anwendungen. Leichtere Komponenten können die Flugdauer und die Manövrierfähigkeit verbessern und ermöglichen gleichzeitig die Mitnahme von mehr Ausrüstung.

Moderne Mikrominiatursteckverbinder können im Vergleich zu herkömmlichen Industriesteckverbindern durch eine strategische Materialauswahl das Gewicht erheblich reduzieren. So können beispielsweise glasgefüllte Hochtemperaturthermoplaste für Primärgehäuse verwendet werden. Gleichzeitig können die Konstrukteure leichte Aluminiumlegierungen selektiv dort einsetzen, wo Metall für den Schutz vor elektromagnetischen Störungen (EMI) und Hochfrequenzstörungen (RFI) sowie für die mechanische Haltbarkeit erforderlich ist.

Selbst bei Hochstromanwendungen, bei denen herkömmliche Konstruktionen stark auf Metallkomponenten angewiesen sind, können diese Materialkombinationen eine robuste elektrische und mechanische Leistung gewährleisten und gleichzeitig die Masse des Steckverbinders minimieren.

Reduzierung der Steckverbinderkosten ohne Abstriche bei der Zuverlässigkeit

Bei SWaP-C-Entwürfen stellt der Spagat zwischen Kostenreduzierung und hoher Zuverlässigkeit eine ständige Herausforderung für die Entwickler einsatzkritischer Systeme dar. Für Steckverbinder bedeutet dies die Auswahl von Designs und Materialien, die eine lange Lebensdauer bei minimalen Kosten gewährleisten.

Eine Schlüsselstrategie für das Kostenmanagement besteht darin, sich auf die Gesamtbetriebskosten zu konzentrieren und nicht nur auf den Anschaffungspreis der Komponenten. Hochzuverlässige Steckverbinder haben zwar höhere Anschaffungskosten, aber ihre längere Lebensdauer und der geringere Wartungsbedarf können langfristig zu erheblichen Einsparungen führen. Dies ist besonders wertvoll bei Anwendungen, bei denen die Steckverbinder extremen Bedingungen ausgesetzt sind, wie z. B. starken Vibrationen, Temperaturschwankungen und wiederholten Steckzyklen.

Darüber hinaus können standardisierte und modulare Steckerdesigns die Produktions- und Wartungskosten durch einfachere Integration und Austausch senken. Steckverbinder, die den gängigen Industriestandards entsprechen, ermöglichen die Austauschbarkeit und eine optimierte Bestandsverwaltung, wodurch die Kosten über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg gesenkt werden.

Gleichgewicht zwischen Leistung und Größe

Auch beim Energiemanagement spielen Steckverbinder eine entscheidende Rolle. Die Herausforderung besteht in der Entwicklung von Steckverbindern, die eine hohe Leistungsaufnahme bei gleichzeitig kompaktem Formfaktor und minimalem Leistungsverlust gewährleisten können. Hochzuverlässige Steckverbinder müssen eine effiziente Energieübertragung unterstützen, die Wärmeentwicklung minimieren und elektrische Lichtbögen verhindern, und das alles unter Berücksichtigung der Platz- und Gewichtsbeschränkungen des modernen Systemdesigns.

Um Effizienz und Zuverlässigkeit zu erreichen, sind Materialien und Kontaktdesigns erforderlich, die einen geringen Widerstand bieten. Steckverbinder mit robuster Kontaktbeschichtung, fortschrittlicher Isolierung und optimierter Kontaktgeometrie liefern auch unter extremen Betriebsbedingungen stabile Leistung.

Ein wichtiger Aspekt ist die Kombination von Signal- und Stromversorgungsanschlüssen in einem einzigen, kompakten Steckverbinder. Die Integration von Signal- und Stromleitungen reduziert zwar die Gesamtfläche des Steckverbinders und spart wertvollen Platz, bringt aber auch Herausforderungen bei der Bewältigung potenzieller Interferenzen zwischen Strom- und Signalwegen mit sich.

Anwendungsbeispiel: Cockpits von Kampfjets

Die Untersuchung typischer Anwendungsfälle hilft zu veranschaulichen, wie sich diese Designprinzipien in der Praxis auswirken. So benötigen beispielsweise Beleuchtungssteuerungseinheiten (LCUs) in Kampfflugzeugen zuverlässige Steckverbindungen, um die Beleuchtung unter verschiedenen Flugbedingungen und bei unterschiedlichen Einsätzen zu steuern. Diese Systeme steuern Cockpit-, Außen-, Nachtsicht- und Notbeleuchtungen, für die Komponenten erforderlich sind, die variable Beleuchtungsstärken auf engstem Raum liefern können. Der begrenzte Platz in der LCU erfordert flache Komponenten, die sich effektiv integrieren lassen, ohne die Performance zu beeinträchtigen.

Mit einem Raster von 1,25 mm bieten die Steckverbinder Gecko SL von Harwin eine kompakte und leichte Lösung, die 75 % leichter und 45 % kleiner als Micro-D-Steckverbinder sein kann. Dadurch eignen sie sich besonders gut für dichte Umgebungen wie LCUs. Die wichtigsten Merkmale der Familie Gecko SL sind:

• 2,8 A pro isoliertem Kontakt und 2,0 A an allen Kontakten simultan
• Vier-Finger-Beryllium-Kupfer-Kontaktdesign für eine hohe Zuverlässigkeit
• Formteile aus glasgefülltem UL94V-0-Thermoplast (frei von Halogenen und rotem Phosphor)

Die Variante G125-MC10605M1-0150L verfügt über einen sechspoligen Stecker, der in einzelne Adern mündet (Abbildung 1). Es ist eine große Auswahl an anderen Montagearten erhältlich, zusammen mit leichten Aluminiumhauben, die eine verbesserte elektrische Kontinuität, Kabelschutz und effektive EMI/RFI-Abschirmung bieten.

Abbildung 1: Die Steckverbinder Gecko SL eignen sich für Umgebungen mit begrenztem Platzangebot, wie z. B. Cockpits von Kampfflugzeugen. Die Variante G125-MC10605M1-0150L verfügt über einen sechspoligen Stecker, der in einzelne Adern mündet. (Bildquelle: Harwin)

Neben ihrer kompakten Größe sind die Steckverbinder Gecko SL außergewöhnlich robust. Sie widerstehen Stößen von bis zu 100 g für 6 Millisekunden (ms) und Vibrationen von bis zu 20 g für 6 Stunden und sind damit ideal für die Luft- und Raumfahrt geeignet. Mit einer Lebensdauer von 1000 Steckzyklen gewährleisten diese Steckverbinder Zuverlässigkeit bei wiederholtem Verbinden und Trennen, eine häufige Anforderung bei wartungsintensiven Anwendungen.

Anwendungsbeispiel: UAV-Mischsignal-Steckverbinder

Ein weiteres Beispiel sind unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs), die im Verteidigungsbereich eingesetzt werden und robuste und kompakte Steckverbinder benötigen, die auch unter rauen Bedingungen ihre Funktionalität beibehalten. Diese Fahrzeuge sind starken Vibrationen und Erschütterungen ausgesetzt, so dass die Signalintegrität für ihre Bordsysteme von entscheidender Bedeutung ist.

Die Steckverbinder Datamate Mix-Tek von Harwin stellen sich diesen Herausforderungen, indem sie Stromversorgungs- und Signalleitungen in einem kompakten Gehäuse integrieren. Dieses platzsparende Design verfügt über einen Abstand von 2 mm, der auf der Leiterplatte reichlich Platz für zusätzliche Komponenten bietet, was letztendlich die Fähigkeiten und die Performance der Drohne verbessert. Diese Steckverbinder minimieren Leistungs- und Signalverluste durch niedrige Kontaktwiderstandswerte von 6 Milliohm (mΩ) für Signalkontakte und 25 mΩ für Leistungskontakte. Sie sind für 500 Steckzyklen ausgelegt und gewährleisten Langlebigkeit bei Anwendungen, die häufige Wartung und häufiges Stecken/Trennen erfordern.

Ein Beispiel ist der M80-5T10805M1-02-331-00-000, der zwei Leistungskontakte mit je 20 A und acht Signalkontakte mit je 3 A kombiniert (Abbildung 2). Diese Konfiguration deckt den Energiebedarf kritischer Systeme und den Datenbedarf für Steuerung und Kommunikation in den meisten UAV-Anwendungen.

Abbildung 2: Der Steckverbinder M80-5T10805M1-02-331-00-000 vereint zwei Stromversorgungs- und acht Signalkontakte mit einem Raster von 2 mm in einem einzigen Gehäuse für platzbeschränkte Anwendungen wie z. B. UAVs. (Bildquelle: Harwin)

Anwendungsbeispiel: UAV-Batterien mit hoher Leistung

Verteidigungsdrohnen haben oft einen hohen Energiebedarf und werden mit Batteriesystemen betrieben, die Dutzende bis Hunderte von Kilowatt liefern. Die Steckverbinder, die diese Batterien mit kritischen Komponenten, wie z. B. Motoren, verbinden, müssen zuverlässig hohe Ströme verarbeiten und gleichzeitig den Leistungsverlust minimieren.

Die hochzuverlässigen Kona-Steckverbinder von Harwin erfüllen diese Anforderungen, denn sie halten 60 A und 3000 Volt pro Kontakt aus. Ihr Raster von 8,50 mm ermöglicht eine hohe Leistungsaufnahme bei gleichzeitiger Robustheit im Verteidigungsbereich. Ein Kontaktwiderstand von 2 mΩ sorgt für minimale Leistungsverluste.

Ein gutes Beispiel ist der KA1-MV10205M1 (Abbildung 3), der über zwei Kontaktstifte für eine kombinierte maximale Stromkapazität von 120 A verfügt. Dieser Steckverbinder eignet sich gut für UAV-Batterieverbindungen, die eine robuste Stromversorgung benötigen und gleichzeitig die SWaP-C-Anforderungen erfüllen.

Abbildung 3: Die Steckverbinder KA1-MV10205M1 sind für 60 A und 3000 Volt pro Kontakt ausgelegt und verfügen über ein Sechs-Finger-Kontaktdesign, das für Stabilität unter starken Erschütterungen sorgt. (Bildquelle: Harwin)

Die Kona-Steckverbinder verwenden Beryllium-Kupfer-Kontakte mit Goldbeschichtung, verfügen über ein Sechs-Finger-Kontaktdesign für stabile Verbindungen unter starken Erschütterungen und haben ein Rastermaß von 8,5 mm. Endgehäuse aus einer Aluminiumlegierung und Schraubsicherungen aus Edelstahl sorgen für ein leichtes und langlebiges Design.

Fazit

Die Auswahl eines geeigneten Steckverbinders ist entscheidend für die Einhaltung der verschiedenen Anforderungen der SWaP-C-Optimierung. Die fortschrittlichen Steckverbinderlösungen von Harwin zeigen, dass es möglich ist, Kompaktheit, geringes Gewicht, Leistungseffizienz und Langlebigkeit miteinander zu kombinieren, so dass die Konstrukteure die komplexen Anforderungen von Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungsanwendungen erfüllen können.