Reduzca el tamaño y el peso a la vez que aumenta la potencia con los conectores industriales reforzados en miniatura.

A los diseñadores se les pide que introduzcan más funciones en espacios cada vez más incómodos y reducidos como parte de la optimización del tamaño, el peso, la potencia y el costo (SWaP-C). Esto es especialmente cierto en los dispositivos portátiles, los sistemas robóticos industriales y los sistemas de aviación, en los que las interconexiones dirigen tanto las señales de energía como las de datos en estrecha proximidad.

Si bien los diseñadores deben preocuparse por la fiabilidad y la integridad de la señal, también deben asegurarse de que el sistema de interconexión sea fácil de configurar para distintos tipos de pines y casos de uso, que pueda conectarse y desconectarse de forma fiable durante la configuración y que sea fácil de mantener cuando esté en uso.

Este artículo explicará cómo los diseñadores de sistemas electrónicos pueden garantizar una conectividad fiable utilizando la familia de conectores adecuada para situaciones de interconexión pequeñas y estrechas. Se discutirá cómo se puede lograr la optimización SWaP-C para una amplia gama de desafíos de interconexión mediante la estandarización de una familia de interconexión de Harwin. Se describirá la aplicación de dos soluciones de ejemplo destinadas a las interconexiones de sistemas pequeños.

Por qué el SWaP-C es necesario para los sistemas pequeños

Los diseñadores de sistemas electrónicos, como los dispositivos portátiles y los equipos de comunicaciones, tienen que exprimir más funciones en un espacio más reducido. Por ello, deben reducir el espacio necesario para los componentes existentes con el fin de reducir el tamaño del sistema y, al mismo tiempo, hacer lugar para más componentes en la misma zona. Además, el sistema de interconexión debe ser lo suficientemente resistente como para soportar una caída sobre un suelo duro sin que se rompa o dañe ninguna interconexión. Una caída fuerte puede hacer que un conector desarrolle problemas de conexión intermitente, que si no se diagnostican, pueden hacer que el dispositivo sea desechado, una consecuencia costosa tanto para el usuario como para la reputación del fabricante.

Los sistemas robóticos industriales son otro ejemplo en el que es deseable la optimización del SWaP-C. Aunque no parezca evidente que un sistema robótico pesado vaya a ganar mucho reduciendo el tamaño de unos pocos conectores, las verdaderas ganancias de SWaP-C no se consiguen con una sola optimización, sino con la optimización combinada de cientos de subsistemas. El menor peso y el menor tamaño de la robótica mejoran la eficiencia y se traducen en una menor necesidad de energía para mover un brazo o una apertura, lo que reduce los costos. Los brazos robóticos también suelen estar sometidos a arranques y paradas bruscas, lo que con el tiempo puede estresar los sistemas de interconexión, provocando fallos intermitentes. Los sistemas robóticos también necesitan transportar señales eléctricas y digitales en el mismo mazo de cables, lo que supone un reto de interconexión para transportar ambos tipos de señales en el mismo conector de forma fiable y sin interferencias.

Los sistemas de aviación son un área obvia en la que se necesita SWaP-C, ya que una interconexión que tenga un menor peso, un menor tamaño y pueda transferir más potencia da como resultado una aeronave más ligera con mayor eficiencia. Los sistemas de aviación también se someten a inspecciones periódicas en las que los conectores se desacoplan y acoplan con frecuencia. El sistema de interconexión debe ser capaz de resistir un gran número de ciclos de acoplamiento/desacoplamiento, a la vez que debe contar con una variedad de opciones de codificación para evitar un evento de acoplamiento incorrecto cuando hay muchos conectores en la misma zona.

La optimización SWaP-C es especialmente ventajosa para los diseños de drones, en los que cada gramo ahorrado puede suponer una notable mejora en la duración de la batería y el tiempo de vuelo. Los drones también son muy conscientes del tamaño. Cuanto más pequeño sea el dron, menor será la potencia necesaria para mantenerlo equilibrado en torno a su centro de gravedad.

Los electrodomésticos inteligentes son otro ámbito en el que es necesario optimizar el SWaP-C. Los electrodomésticos más pequeños y ligeros son siempre una ventaja para su instalación en espacios reducidos de la cocina. Se necesita un sistema de interconexión resistente para aparatos, como lavavajillas, lavadoras y secadoras de ropa en los que, con el tiempo, las vibraciones pueden hacer que el sistema de interconexión equivocado se desconecte. Los conectores también deben tener ciclos de acoplamiento/desacoplamiento fáciles y razonables para facilitar el mantenimiento.

Los requisitos de estas diversas aplicaciones han dado lugar a una variedad de enfoques de diseño de interconexión innovadores, muchos de los cuales pueden aplicarse juntos en una sola línea de interconexiones para garantizar un rendimiento óptimo, fiabilidad y facilidad de uso.

Interconexión con cierre de tornillo para las optimizaciones de SWaP-C

Por ejemplo, para facilitar su uso, los conectores deben ser fáciles de acoplar para un montaje rápido del equipo, fáciles de desacoplar para facilitar el mantenimiento, pero lo suficientemente resistentes para soportar golpes y vibraciones, y lo suficientemente ligeros para que no supongan una carga para los hilos de baja corriente del conjunto de cables. Para las optimizaciones de interconexión SWaP-C que requieren una interconexión sólida en cualquier situación, Harwin cuenta con el sistema de interconexión de bloqueo por tornillo Gecko SL de 1.25 milímetros (mm) de paso. Se trata de conectores de alta fiabilidad diseñados para ser hasta un 45% más pequeños y hasta un 75% más ligeros que el popular conector micro-D utilizado habitualmente en aplicaciones equivalentes.

Un ejemplo de un par de conectores Gecko SL acoplados es el receptáculo Harwin G125-2241096F1 de 10 posiciones y el enchufe G125-3241096M2 de 10 posiciones de Harwin para montaje en panel (Figura 1). La carcasa de la clavija de la derecha está empotrada y enchavetada en las superficies superior e inferior. Así se evita la inserción incorrecta de los receptáculos, que puede provocar fallos en los equipos. Los conectores Gecko-SL están disponibles con una variedad de configuraciones con llave para evitar inserciones incorrectas cuando se agrupan varios conectores en un sistema cerca unos de otros.

Figura 1: La carcasa del receptáculo de 10 posiciones Harwin G125-2241096F1 (a la izquierda) se acopla con la carcasa del enchufe de montaje en panel Harwin G125-3241096M2 de 10 posiciones (a la derecha). Las superficies de contacto están enchapadas en la parte superior e inferior, mientras que las marcas de contacto facilitan el acoplamiento de los conectores. (Fuente de la imagen: Harwin)

El sistema de interconexión Gecko SL utiliza contactos de engarce y tiene dos cierres de tornillo para asegurar los conectores en su lugar. Esto es una ventaja para los sistemas sometidos a vibraciones y choques de alto impacto en los que los conectores pueden desacoplarse con fuerza. Los cierres de tornillo de acero inoxidable garantizan una conexión firme en cualquier situación. El sistema de conectores utiliza un mecanismo de "acople antes del cierre" que proporciona una sólida conexión eléctrica incluso antes de que se fijen los dos tornillos. Esto permite a los técnicos acoplar temporalmente los conectores en situaciones de mantenimiento y pruebas. Como el sistema de interconexión parece simétrico en el eje horizontal, la parte superior de cada conector tiene una marca de contacto triangular para facilitar el acoplamiento a los técnicos. Los conectores tienen una capacidad nominal de 1000 operaciones de acoplamiento/desacoplamiento, lo que los hace apropiados para aplicaciones aeroespaciales en las que los conectores pueden desacoplarse durante la inspección y el mantenimiento regulares.

Cada una de las diez posiciones de las clavijas está preparada para manejar un máximo de 2.8 amperios (A) de forma aislada. Si todos los contactos se utilizan simultáneamente para transportar corriente, cada contacto puede manejar un máximo de 2.0 A. Con cinco contactos de potencia y cinco de tierra, esto da al conector una capacidad máxima de transferencia de energía de 10.0 A.

Una vez acoplado, el sistema de conectores tiene una gran resistencia al abuso y puede soportar un choque de 100 g y 6 milisegundos (ms), así como una vibración de 20 g durante seis horas, lo que lo hace apropiado para sistemas robóticos e industriales difíciles. Las carcasas están hechas de termoplástico relleno de vidrio que puede funcionar en un rango de temperaturas de -65 °C a +150 °C. Esto hace que los conectores sean adecuados para sistemas aeronáuticos que pueden ver temperaturas extremas, desde el calor de las pistas del desierto hasta el frío extremo de las grandes altitudes. Para los sistemas que pueden sufrir vibraciones de alta frecuencia, se recomienda aplicar un compuesto de engarce a los conjuntos de engarce para proporcionar un mayor refuerzo.

Interconexión de señales y energía para las optimizaciones de SWaP-C

En algunas situaciones, un sistema de interconexión necesita manejar tanto señales de control de alta corriente como conexiones de alimentación de corriente aún más alta en el mismo mazo de cables. Estas aplicaciones de interconexión requieren un sistema de conexión de diseño mixto que pueda manejar los dos tamaños de contactos que se necesitan. Para estos sistemas, Harwin suministra el sistema de interconexión de diseño mixto Gecko-MT de 1.25 mm de paso. Se trata de conectores muy pequeños y ligeros diseñados para transportar con seguridad señales mixtas de control y alimentación en la misma interconexión. Para estas aplicaciones, los diseñadores pueden utilizar el receptáculo G125-FV10805F3-2AB2ABP de Harwin con sus ocho conexiones de señal y cuatro de alimentación, junto con el correspondiente enchufe G125-32496M3-02-08-02 (Figura 2).

Figura 2: El receptáculo Gecko-MT G125-FV10805F3-2AB2ABP (izquierda) y el enchufe Gecko-MT G125-32496M3-02-08-02 (derecha) de Harwin forman un sistema de interconexión de 8 señales y 4 potencias que tiene una capacidad de 10 A por contacto de potencia y 2 A por contacto de señal. (Fuente de la imagen: Harwin)

Los ocho contactos de señal de este sistema de interconexión pueden manejar hasta 2 A cada uno, mientras que los cuatro contactos de potencia más grandes pueden manejar hasta 10 A por contacto. Esto proporciona flexibilidad de interconexión en los espacios reducidos que suelen encontrarse en los sistemas aeroespaciales, como los controles de aviónica. Además, la mayoría de los sistemas robóticos deben transferir una mezcla de señales de control y potencia a lo largo de los brazos robóticos y otros mecanismos controlados mecánicamente, lo que hace que este tipo de interconexión sea óptimo para esas aplicaciones.

Al igual que el Gecko-SL, el Gecko-MT de Harwin está codificado para evitar errores de inserción. Como se ve en la figura 2, el conector tiene una muesca estrecha en la parte inferior y una muesca muy ancha en la parte superior. Los conectores Gecko-MT están disponibles con una variedad de configuraciones con llave para garantizar que los conectores se inserten correctamente, junto con marcas de contacto triangulares para facilitar la inserción a los técnicos. El receptáculo de la izquierda de la Figura 2 está montado en una placa de circuito impreso con contactos de orificio pasante. El receptáculo se fija a la placa de circuito impreso con dos tornillos/tuercas en la parte inferior para un montaje seguro. Esto evita que el conector se retuerza o se desprenda de la placa en entornos con muchas vibraciones. La clavija se inserta en el receptáculo y se atornilla en los tomas de acero inoxidable del receptáculo.

El sistema de interconexión Gecko-MT también utiliza un sistema de "acople antes del cierre" para garantizar una conexión eléctrica sólida y facilitar las pruebas durante los eventos de mantenimiento. El sistema de interconexión tiene una capacidad nominal de 1000 ciclos de acoplamiento/desacoplamiento para una alta fiabilidad de conexión en situaciones de mantenimiento y reconfiguración.

El sistema de conectores Gecko-MT acoplado también puede soportar un choque de 100 g y 6 ms, así como una vibración de 20 g durante seis horas, lo que lo hace apropiado para aplicaciones robóticas e industriales en las que la señal y la alimentación deben ir juntas para ahorrar espacio. Las carcasas de termoplástico con relleno de vidrio pueden funcionar en un rango de temperaturas de -65 °C a +150 °C, lo que permite utilizarlas en aplicaciones aeronáuticas con temperaturas extremas.

Conclusión:

Los diseñadores de muchos sistemas electrónicos necesitan optimizar los sistemas nuevos y existentes para la SWaP-C con el fin de aumentar la eficiencia, reducir los costos y mejorar el rendimiento operativo. La elección correcta de los sistemas de interconexión puede ayudar a esta optimización SWaP-C. Además, los diseñadores de sistemas para dispositivos portátiles, sistemas robóticos industriales, sistemas de aviación y electrodomésticos inteligentes necesitan asegurarse de que sus conexiones puedan soportar las duras vibraciones de la aplicación y, al mismo tiempo, ser capaces de transportar altas corrientes a través de espacios reducidos. Para ayudar a simplificar el proceso de diseño, los diseñadores pueden estandarizar un sistema de interconexión para garantizar la fiabilidad del sistema y la facilidad de uso del conector.