คำแนะนำในการเลือกและใช้งานขั้วต่อความน่าเชื่อถือสูงสำหรับ SWaP-C

นักออกแบบระบบสำหรับการใช้งานด้านการป้องกันและการบินอวกาศต้องเผชิญกับข้อกำหนดที่เข้มงวดมากขึ้นในเรื่องขนาด น้ำหนัก พลังงาน และต้นทุนในการเพิ่มประสิทธิภาพ (SWaP-C) เมื่อการออกแบบมีความซับซ้อนและกะทัดรัดมากขึ้น พวกเขาจะต้องสร้างสมดุลให้กับข้อกำหนดเหล่านี้ด้วยประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือที่สูง ขั้วต่อแบบดั้งเดิมมักจะประสบปัญหาในการตอบสนองความต้องการที่ขัดแย้งเหล่านี้ ซึ่งทำให้ผู้ออกแบบต้องเผชิญกับความท้าทายในการค้นหาทางเลือกอื่นเพื่อตอบสนองความต้องการด้านการออกแบบและประสิทธิภาพของระบบ

บทความนี้จะเจาะลึกว่าเทคโนโลยีตัวเชื่อมต่อขั้นสูงที่ออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับ SWaP-C สามารถตอบสนองความต้องการเฉพาะตัวของแอปพลิเคชันด้านการป้องกันประเทศและการบินอวกาศได้อย่างไร จากนั้นจะแนะนำ โซลูชันความน่าเชื่อถือสูง จาก Harwin และแสดงให้เห็นถึงการนำไปใช้ในสถานการณ์การป้องกันประเทศและการบินอวกาศต่างๆ เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพ SWaP-C ที่เชื่อถือได้

ปัจจัยที่ผลักดันให้ขั้วต่อมีขนาดเล็กลง

ตั้งแต่ระบบปริทรรศน์ใต้น้ำที่ได้รับการอัพเกรดเป็นการถ่ายภาพแบบมัลติสเปกตรัมไปจนถึงยานบินไร้คนขับ (UAV) ที่มีชุดเซ็นเซอร์ที่เพิ่มมากขึ้น ความต้องการอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ซับซ้อนในพื้นที่จำกัดก็มีความซับซ้อนมากขึ้นทุกปี การลดขนาดส่วนประกอบให้เหลือน้อยที่สุดจะทำให้สามารถใช้เซ็นเซอร์และคุณลักษณะอื่นๆ เพิ่มเติมเพื่อเพิ่มความสามารถของระบบและปรับปรุงประสิทธิภาพทางอากาศพลศาสตร์ได้

โดยทั่วไปแล้ว ขั้วต่อเป็นส่วนประกอบที่มีขนาดใหญ่และมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการย่อส่วนให้ประสบความสำเร็จ การลดขนาดขั้วต่อต้องลดระยะห่างระหว่างหน้าสัมผัสและลดน้ำหนัก โดยยังคงความทนทานและรับรองประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่สม่ำเสมอภายใต้สภาวะที่รุนแรง

Harwin ตอบสนองต่อความท้าทายเหล่านี้ด้วยกลุ่มผลิตภัณฑ์ตัวเชื่อมต่อที่ครอบคลุมซึ่งออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพ SWaP-C แนวทางของพวกเขามุ่งเน้นไปที่หลักการออกแบบที่สำคัญสามประการ:

1. การลดขนาดพิทช์ลงเหลือเพียง 1.25 มิลลิเมตร (mm) ในขณะที่ยังคงความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้าสูง
2. การใช้หน้าสัมผัสทองแดงเบริลเลียมหลายนิ้วเพื่อความสมบูรณ์ของสัญญาณภายใต้สภาวะที่รุนแรง
3. การใช้โครงเทอร์โมพลาสติกทนอุณหภูมิสูงพร้อมการใช้โลหะน้ำหนักเบาอย่างพิถีพิถันเพื่อความทนทาน

ปรัชญาการออกแบบนี้ขยายไปสู่กลุ่มผลิตภัณฑ์ที่มีความน่าเชื่อถือสูง ตั้งแต่ขั้วต่อสัญญาณความหนาแน่นสูงไปจนถึงโซลูชันเทคโนโลยีผสมผสานและกำลังไฟสูง

ผลกระทบของการลดน้ำหนักของขั้วต่อต่อความคล่องตัวและประสิทธิภาพ

การลดน้ำหนักเป็นสิ่งสำคัญในการปรับให้เหมาะสมของ SWaP-C โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานบนเครื่องบินและแบบเคลื่อนที่ ส่วนประกอบที่เบากว่าสามารถปรับปรุงระยะเวลาการบินและความคล่องตัวได้ พร้อมทั้งสามารถบรรทุกอุปกรณ์ได้มากขึ้น

ขั้วต่อไมโครขนาดจิ๋วสมัยใหม่สามารถลดน้ำหนักได้อย่างมากเมื่อเทียบกับขั้วต่ออุตสาหกรรมแบบดั้งเดิม ผ่านการเลือกวัสดุอย่างมีกลยุทธ์ ตัวอย่างเช่น เทอร์โมพลาสติกที่ทนอุณหภูมิสูงที่เติมแก้วสามารถนำไปใช้เป็นโครงหลักได้ ในเวลาเดียวกัน นักออกแบบสามารถเลือกใช้โลหะผสมอะลูมิเนียมน้ำหนักเบาได้เฉพาะในกรณีจำเป็นต้องใช้โลหะเพื่อป้องกันการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) และการรบกวนความถี่วิทยุ (RFI) รวมถึงความทนทานเชิงกล

แม้ในแอพพลิเคชั่นที่มีกระแสไฟสูงซึ่งการออกแบบดั้งเดิมนั้นพึ่งพาส่วนประกอบโลหะเป็นหลัก การผสมผสานวัสดุเหล่านี้ก็สามารถรักษาประสิทธิภาพทางไฟฟ้าและทางกลที่แข็งแกร่งได้ในขณะที่ลดมวลของขั้วต่อให้เหลือน้อยที่สุด

การจัดการต้นทุนขั้วต่อโดยไม่ต้องเสียสละความน่าเชื่อถือ

ในการออกแบบ SWaP-C การรักษาสมดุลระหว่างการลดต้นทุนและความน่าเชื่อถือสูงเป็นความท้าทายอย่างต่อเนื่องสำหรับนักออกแบบระบบที่สำคัญต่อภารกิจ สำหรับขั้วต่อ นั่นหมายถึงการเลือกการออกแบบและวัสดุที่จะช่วยให้มีความทนทานในระยะยาวและมีต้นทุนที่ต่ำที่สุด

กลยุทธ์สำคัญในการจัดการต้นทุนคือการมุ่งเน้นไปที่ต้นทุนรวมของการเป็นเจ้าของมากกว่าราคาส่วนประกอบเบื้องต้นเพียงอย่างเดียว แม้ว่าขั้วต่อที่มีความน่าเชื่อถือสูงอาจมีต้นทุนเริ่มต้นที่สูงกว่า แต่อายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้นและความต้องการการบำรุงรักษาที่ลดลงสามารถทำให้ประหยัดได้อย่างมากในระยะยาว สิ่งนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งโดยเฉพาะในแอปพลิเคชั่นที่ขั้วต่อต้องทนต่อสภาวะที่รุนแรง เช่น การสั่นสะเทือนสูง ความผันผวนของอุณหภูมิ และรอบการเชื่อมต่อซ้ำๆ

ยิ่งไปกว่านั้น การออกแบบขั้วต่อแบบมาตรฐานและแบบโมดูลาร์สามารถลดต้นทุนการผลิตและการบำรุงรักษาได้ผ่านการบูรณาการและการเปลี่ยนที่ง่ายกว่า ขั้วต่อที่ตรงตามมาตรฐานอุตสาหกรรมทั่วไปช่วยให้สามารถใช้แทนกันได้และปรับปรุงการจัดการสินค้าคงคลัง จึงลดค่าใช้จ่ายตลอดวงจรชีวิตผลิตภัณฑ์

การสร้างสมดุลระหว่างการส่งกำลังกับขนาด

ขั้วต่อยังมีบทบาทสำคัญในการจัดการพลังงานด้วย ความท้าทายอยู่ที่การพัฒนาขั้วต่อที่สามารถรองรับภาระไฟฟ้าจำนวนมากได้ ในขณะที่ยังคงรูปลักษณ์ที่กะทัดรัด และรับรองการสูญเสียพลังงานให้น้อยที่สุด ขั้วต่อที่มีความน่าเชื่อถือสูงจะต้องรองรับการถ่ายโอนพลังงานที่มีประสิทธิภาพ ลดการเกิดความร้อนให้เหลือน้อยที่สุด และป้องกันการเกิดไฟฟ้าลัดวงจร ทั้งนี้ต้องเป็นไปตามข้อจำกัดด้านพื้นที่และน้ำหนักของการออกแบบระบบสมัยใหม่ด้วย

การบรรลุประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือต้องอาศัยวัสดุและการออกแบบการสัมผัสที่ให้ความต้านทานต่ำ ขั้วต่อที่มีคุณสมบัติการชุบสัมผัสที่แข็งแรง ฉนวนขั้นสูง และรูปทรงการสัมผัสที่เหมาะสมที่สุด สามารถจ่ายพลังงานที่เสถียรแม้ภายใต้สภาวะการทำงานที่รุนแรง

สิ่งที่ต้องพิจารณาหลักคือการรวมการเชื่อมต่อสัญญาณและพลังงานไว้ในขั้วต่อตัวเดียวที่กะทัดรัด ในขณะที่การรวมสายสัญญาณและสายไฟเข้าด้วยกันจะช่วยลดพื้นที่เชื่อมต่อโดยรวมและเพิ่มพื้นที่อันมีค่า แต่ก็ทำให้เกิดความท้าทายในการจัดการสัญญาณรบกวนที่อาจเกิดขึ้นระหว่างเส้นทางสายไฟและสัญญาณด้วยเช่นกัน

ตัวอย่างการใช้งาน: ห้องนักบินของเครื่องบินขับไล่ไอพ่น

การตรวจสอบกรณีการใช้งานทั่วไปจะช่วยแสดงให้เห็นว่าหลักการออกแบบเหล่านี้มีผลในทางปฏิบัติอย่างไร ตัวอย่างเช่น หน่วยควบคุมไฟ (LCU) ในเครื่องบินขับไล่ไอพ่นจำเป็นต้องมีขั้วต่อที่เชื่อถือได้เพื่อจัดการการส่องสว่างในสภาวะการบินและภารกิจที่แตกต่างกัน ระบบเหล่านี้ควบคุมห้องนักบิน ภายนอก ระบบมองเห็นตอนกลางคืน และไฟฉุกเฉิน ซึ่งต้องใช้อุปกรณ์ที่สามารถให้ความเข้มแสงที่ปรับได้ภายในสภาพแวดล้อมที่คับแคบ พื้นที่จำกัดของ LCU ต้องใช้ส่วนประกอบโปรไฟล์ต่ำที่สามารถบูรณาการได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่กระทบประสิทธิภาพการทำงาน

ด้วยระยะห่าง 1.25mm ขั้วต่อ Gecko SL ของ Harwin จึงเป็นโซลูชันที่กะทัดรัดและน้ำหนักเบาซึ่งมีน้ำหนักเบากว่าขั้วต่อ Micro-D ถึง 75% และเล็กกว่าถึง 45% ซึ่งทำให้เหมาะเป็นอย่างยิ่งสำหรับสภาพแวดล้อมหนาแน่นเช่น LCU คุณสมบัติหลักของตระกูล Gecko SL ได้แก่:

• 2.8 แอมแปร์ (A) ต่อหน้าสัมผัสแบบแยก และ 2.0A บนหน้าสัมผัสทั้งหมดพร้อมกัน
• การออกแบบหน้าสัมผัสทองแดงเบริลเลียมสี่นิ้วเพื่อความน่าเชื่อถือสูง
• งานหล่อจากเทอร์โมพลาสติก UL94V-0 เติมแก้ว (ปราศจากฮาโลเจนและฟอสฟอรัสแดง)

รุ่น G125-MC10605M1-0150L มีปลั๊ก 6 ตำแหน่งที่สิ้นสุดในสายไฟแต่ละเส้น (รูปที่ 1) มีรูปแบบการประกอบแบบอื่นๆ ให้เลือกมากมาย พร้อมด้วยฝาครอบอะลูมิเนียมน้ำหนักเบาที่ให้ความต่อเนื่องทางไฟฟ้าที่ดีขึ้น ป้องกันสายเคเบิล และป้องกัน EMI/RFI ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

รูปที่ 1: ขั้วต่อ Gecko SL มีประโยชน์สำหรับสภาพแวดล้อมที่มีพื้นที่จำกัด เช่น ห้องนักบินของเครื่องบินเจ็ท รุ่น G125-MC10605M1-0150L มีปลั๊ก 6 ตำแหน่งที่ต่อปลายสายแต่ละเส้น (แหล่งที่มาของภาพ: Harwin)

นอกเหนือจากขนาดที่กะทัดรัดแล้ว ขั้วต่อ Gecko SL ยังมีความทนทานเป็นพิเศษ ทนต่อแรงกระแทกสูงสุด 100 g เป็นเวลา 6 มิลลิวินาที (ms) และการสั่นสะเทือนสูงสุด 20 g เป็นเวลา 6 ชั่วโมง จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับสภาพแวดล้อมทางอวกาศ ขั้วต่อเหล่านี้มีระดับความทนทาน 1,000 รอบการเชื่อมต่อ จึงรับประกันความน่าเชื่อถือผ่านการเชื่อมต่อและการตัดการเชื่อมต่อซ้ำๆ ซึ่งเป็นข้อกำหนดทั่วไปในแอปพลิเคชันที่ต้องมีการบำรุงรักษาเข้มข้น

ตัวอย่างการใช้งาน: ขั้วต่อ UAV สัญญาณผสม

ตัวอย่างอีกประการหนึ่งคือ UAV ที่ทำงานในสภาพแวดล้อมด้านการป้องกันประเทศต้องมีขั้วต่อที่แข็งแรงและกะทัดรัดซึ่งสามารถรักษาการทำงานได้ภายใต้สภาวะที่รุนแรง ยานพาหนะเหล่านี้ต้องประสบกับแรงสั่นสะเทือนและแรงกระแทกอย่างมาก ซึ่งทำให้ความสมบูรณ์ของสัญญาณมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อระบบออนบอร์ด

ตัวเชื่อมต่อ Datamate Mix-Tek จาก Harwin ช่วยแก้ไขปัญหาเหล่านี้โดยการรวมสายไฟและสายสัญญาณไว้ในแพ็คเกจขนาดกะทัดรัดหนึ่งเดียว การออกแบบที่ประหยัดพื้นที่นี้โดดเด่นด้วยระยะห่างระหว่างแผ่นวงจรพิมพ์ 2mm ที่ให้พื้นที่เพียงพอบนแผงวงจรพิมพ์ (แผงวงจรหลัก) สำหรับใส่ส่วนประกอบเพิ่มเติม ช่วยเพิ่มความสามารถและประสิทธิภาพของ UAV อย่างแท้จริง ขั้วต่อเหล่านี้ช่วยลดการสูญเสียพลังงานและสัญญาณให้เหลือน้อยที่สุดด้วยค่าความต้านทานการสัมผัสต่ำที่ 6 มิลลิโอห์ม (mΩ) สำหรับหน้าสัมผัสสัญญาณและ 25mΩ สำหรับหน้าสัมผัสไฟฟ้า ได้รับการจัดอันดับให้รองรับรอบการเชื่อมต่อได้ 500 รอบ ช่วยให้มั่นใจได้ถึงความทนทานในการใช้งานที่ต้องมีการบำรุงรักษาและการเชื่อมต่อบ่อยครั้ง

ตัวอย่างคือ M80-5T10805M1-02-331-00-000 ซึ่งรวมหน้าสัมผัสไฟฟ้า 2 หน้าที่รองรับกระแสไฟ 20 A เข้ากับหน้าสัมผัสสัญญาณ 8 หน้าที่รองรับกระแสไฟ 3A ต่อ 1 หน้า (รูปที่ 2) การกำหนดค่านี้รองรับความต้องการด้านพลังงานของระบบที่สำคัญและความต้องการข้อมูลของการควบคุมและการสื่อสารในแอพพลิเคชั่น UAV ส่วนใหญ่

รูปที่ 2: ขั้วต่อ M80-5T10805M1-02-331-00-000 รวมขั้วต่อไฟฟ้า 2 ขั้วและขั้วต่อสัญญาณ 8 ขั้วที่มีระยะห่าง 2mm เข้าไว้ในตัวเรือนเดียวสำหรับการใช้งานในพื้นที่จำกัด เช่น UAV (แหล่งที่มาของภาพ: Harwin)

ตัวอย่างการใช้งาน: แบตเตอรี่ UAV กำลังสูง

UAV ที่เน้นการป้องกันประเทศมักต้องใช้พลังงานจำนวนมาก โดยทำงานจากระบบแบตเตอรี่ที่ส่งพลังงานได้หลายสิบถึงหลายร้อยกิโลวัตต์ ขั้วต่อที่เชื่อมต่อแบตเตอรี่เหล่านี้กับส่วนประกอบที่สำคัญ เช่น มอเตอร์ จะต้องรองรับกระแสไฟฟ้าสูงได้อย่างน่าเชื่อถือพร้อมลดการสูญเสียพลังงานให้น้อยที่สุด

ขั้วต่อ Kona ที่มีความน่าเชื่อถือสูงของ Harwin ตอบสนองความต้องการเหล่านี้ด้วยการรองรับ 60A และ 3,000 โวลต์ต่อหน้าสัมผัส ระยะห่างระหว่างล้อขนาด 8.50mm รองรับพลังงานได้มากในขณะที่ยังคงความแข็งแกร่งในระดับการป้องกัน ค่าความต้านทานการสัมผัส 2mΩ ช่วยให้สูญเสียพลังงานน้อยที่สุด

ตัวอย่างที่ดีคือ KA1-MV10205M1 (รูปที่ 3) ซึ่งมีพินสัมผัสตัวผู้ 2 พินสำหรับความจุกระแสไฟฟ้ารวมสูงสุด 120A ขั้วต่อนี้เหมาะสำหรับการเชื่อมต่อแบตเตอรี่ UAV ที่ต้องการการจ่ายพลังงานที่เสถียรในขณะที่ต้องปฏิบัติตามข้อกำหนด SWaP-C

รูปที่ 3: ขั้วต่อ KA1-MV10205M1 ได้รับการจัดอันดับที่ 60A และ 3,000 โวลต์ต่อหน้าสัมผัส และใช้การออกแบบหน้าสัมผัส 6 นิ้วเพื่อความเสถียรภายใต้สภาวะแรงกระแทกสูง (แหล่งที่มาของภาพ: Harwin)

ขั้วต่อ Kona ใช้หน้าสัมผัสเบริลเลียม-ทองแดงชุบทอง ออกแบบให้มีหน้าสัมผัส 6 นิ้วมือ เพื่อการเชื่อมต่อที่เสถียรภายใต้สภาวะแรงกระแทกสูง และมีระยะห่าง 8.5mm โครงด้านหลังที่ทำจากโลหะผสมอะลูมิเนียมและตัวล็อคสกรูสแตนเลสทำให้มีการออกแบบที่น้ำหนักเบาและทนทาน

บทสรุป

การเลือกขั้วต่อที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการสร้างสมดุลให้กับความต้องการที่หลากหลายของการเพิ่มประสิทธิภาพ SWaP-C โซลูชันขั้วต่อขั้นสูงของ Harwin แสดงให้เห็นว่าการผสมผสานความกะทัดรัด การออกแบบน้ำหนักเบา ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน และความทนทานนั้นเป็นไปได้ ช่วยให้นักออกแบบสามารถตอบสนองความต้องการที่ซับซ้อนของการใช้งานในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศและการป้องกันประเทศได้