강화 미니어처 산업용 커넥터로 전력 증대 및 크기/무게 감소

크기, 무게, 전력 및 비용(SWaP-C) 최적화의 일환으로, 설계자는 더욱 좁고 밀폐된 공간에 더 많은 기능을 추가해야 하는 요구에 직면해 있습니다. 특히 상호 연결이 전력 및 데이터 신호 모두를 매우 가까이에서 라우팅하는 휴대용 장치, 산업용 로봇 시스템 및 항공 시스템의 경우 그렇습니다.

설계자는 상호 연결 시스템의 안정성 및 신호 무결성을 고려하는 동시에, 여러 다른 핀아웃 및 사용 사례를 위해 구성하기 쉽고, 설정 시 안정적으로 연결 및 연결 해제할 수 있으며, 사용 시 관리가 쉽도록 해야 합니다.

이 기사에서는 전자 시스템 설계자가 작고 좁은 상호 연결 상황에 적절한 커넥터 제품군을 사용하여 안정적인 연결을 보장하는 방법을 설명합니다. Harwin이 제공하는 하나의 상호 연결 제품군을 표준화하여, 광범위한 상호 연결 관련 문제에 대해 SWaP-C 최적화를 달성할 수 있는 방법을 설명합니다. 작은 크기의 시스템에서의 상호 연결을 위한 두 가지 샘플 솔루션의 응용 제품을 설명합니다.

작은 크기의 시스템에서 SWaP-C가 필요한 이유

휴대용 장치 및 통신 장비 등의 전자 시스템의 설계자는 더욱 작은 실장 면적에 더 많은 기능을 추가해야 하는 요구에 직면해 있습니다. 따라서 시스템의 크기를 줄이기 위해 기존의 부품을 위한 실장 면적을 줄이고, 또한 같은 공간에 또 다른 부품을 위한 공간을 만들어 내야만 합니다. 또한 상호 연결 시스템은 딱딱한 바닥에 떨어진 경우에도 상호 연결이 깨지거나 손상되지 않도록 충분히 견고해야 합니다. 제품의 심한 낙하는 간헐적인 연결 문제를 일으켜, 문제가 제대로 파악되지 않는 경우 장치의 고장을 초래하며, 이로 인해 사용자는 비용을 낭비하게 되고 제조업체의 평판에도 악영향을 미칩니다.

SWaP-C 최적화가 요구되는 곳의 또 다른 예로는 산업용 로봇 시스템이 있습니다. 무거운 로봇 시스템에서 단 몇 개의 커넥터의 크기를 줄임으로써 얻을 수 있는 이점이 무엇인지가 분명하지 않을 수도 있지만, 실제 SWaP-C 이득은 한 부분의 최적화가 아닌 수백 개의 하위 시스템의 최적화를 결합함으로써 달성됩니다. 로봇 공학에서 무게를 줄이고 사이즈를 감소시키는 일은 효율성을 향상시키고 암(로봇 암)이나 애퍼처를 움직이기 위해 필요한 전력을 줄이므로, 결과적으로 비용도 감소하게 됩니다. 또한 로봇 암은 보통 폭발성 시동과 중지가 특징이므로, 이는 시간이 지남에 따라 상호 연결 시스템에 무리를 주어 간헐적인 고장으로 이어지게 됩니다. 또한 로봇 시스템은 동일한 배선 하니스에서 전력 및 디지털 신호 둘 다를 전달해야 하므로, 동일한 커넥터에서 두 가지 유형의 신호를 간섭 없이 안정적으로 전달해야 하는 상호 연결 문제가 초래됩니다.

항공 시스템 역시 SWaP-C가 요구되는 분야인데, 더 가볍고 작으며 더 많은 전력을 제공하는 상호 연결은 경량 항공기의 효율성을 증대시키기 때문입니다. 또한 항공 시스템에서는 커넥터가 자주 결합 및 미결합되므로 정기적인 검사가 필요합니다. 상호 연결은 매우 높은 횟수의 결합/미결합 주기를 견딜 수 있어야 하며, 또한 동시에 여러 키 형식 옵션을 갖추어서 많은 커넥터가 동일한 위치에 있는 경우 잘못된 결합 이벤트를 방지할 수 있어야 합니다.

SWaP-C 최적화는 특히 드론 설계에서 유리한데, 드론에서는 아주 미세한 차이가 배터리 수명과 비행 시간에 유효하게 긍정적인 영향을 미칠 수 있기 때문입니다. 또한 드론에서는 크기가 매우 중요한 요소입니다. 드론이 작을수록 무게 중심을 기준으로 드론이 균형을 유지하는 데 필요한 전력이 줄어듭니다.

스마트 홈 가전 제품도 SWaP-C 최적화가 필요한 또 하나의 분야입니다. 비좁은 부엌 공간에서의 설치를 위해서는 더 작고 가벼운 가전 제품이 항상 더 유리합니다. 식기 세척기, 세탁기 및 건조기와 같은 가전 제품에서는 시간이 지남에 따라 진동으로 인해 견고하지 않은 상호 연결 시스템이 연결 해제될 수 있으므로, 견고한 상호 연결 시스템이 요구됩니다. 또한 커넥터는 관리의 용이성을 위해 간단하고 적절한 결합/비결합 주기를 갖춰야 합니다.

이러한 다양한 응용 제품에서의 요구 사항으로 인해 다양하고 혁신적인 상호 연결 설계 접근 방식이 개발되었으며, 이 중 대다수는 최적의 성능, 신뢰성 및 사용의 용이성을 보장하기 위해 단일 상호 연결 라인에 함께 적용할 수 있습니다.

SWaP-C 최적화를 위한 나사 잠금 상호 연결

예를 들어, 커넥터는 사용의 용이성을 위해 장비를 빠르게 조립할 수 있도록 결합하기 쉽고, 수월한 유지 보수를 위해 비결합이 쉬우면서도 그와 동시에 충격과 진동을 견딜 수 있을 정도로 견고하며, 케이블 조립품에서 저전류 전선에 스트레스를 주지 않을 정도로 가벼워야 합니다. 모든 경우에서 견고한 상호 연결이 요구되는 SWaP-C 상호 연결 최적화를 위해, Harwin은 Gecko SL 1.25mm 피치 나사 잠금 상호 연결 시스템을 제공합니다. 이 제품은 고신뢰성 커넥터로, 동등한 응용 제품에서 일반적으로 널리 사용되는 Micro-D 커넥터보다 최대 45% 더 작고 최대 75% 더 가볍도록 설계되었습니다.

Gecko SL 커넥터의 결합 쌍의 예로는 Harwin G125-2241096F1 10접점 리셉터클 및 Harwin G125-3241096M2 10접점 패널 실장 플러그입니다(그림 1). 오른쪽의 플러그 하우징은 함요형이며, 상단 및 하단 표면에 키 설치되어 있습니다. 이는 장비 고장으로 이어질 수 있는 잘못된 리셉터클 삽입을 방지합니다. Gecko-SL 커넥터는 시스템 내에서 여러 개의 커넥터가 서로 가까이에 함께 있을 경우 잘못된 삽입을 방지하기 위해 다양한 키 구성으로 제공됩니다.

그림 1: Harwin G125-2241096F1 10접점 리셉터클 하우징(왼쪽)은 Harwin G125-3241096M2 10접점 패널 실장 플러그 하우징(오른쪽)과 결합됩니다. 접점 표면이 상단 및 하단에 키 설치되며, 접점 표시를 통해 커넥터를 더 쉽게 결합할 수 있습니다. (이미지 출처: Harwin)

Gecko SL 상호 연결 시스템은 크림프 접점을 사용하며, 두 개의 나사 잠금으로 커넥터를 안정적으로 고정합니다. 이는 진동 및 큰 충격으로 커넥터의 결합이 손상되기 쉬운 시스템에서 매우 유용합니다. 스테인리스강 나사 잠금으로 어떤 상황에서도 확실한 연결이 보장됩니다. 이 커넥터 시스템은 잠금 전 결합 메커니즘을 사용하여 두 개의 나사가 고정되기 전에도 견고한 연결을 제공하므로, 기술자가 유지 보수 및 테스트 환경에서 커넥터를 일시적으로 결합할 수 있습니다. 상호 연결 시스템은 수평 축에서 대칭으로 표시되지만, 기술자가 쉽게 결합할 수 있도록 각 커넥터의 상단 면에 삼각형의 접점 표시가 있습니다. 이 커넥터는 1000번의 결합/비결합 작동으로 정격되었으므로, 정기 점검 및 유지 보수를 하는 동안 커넥터가 비결합될 수 있는 항공 우주 응용 제품을 위해 적합합니다.

각 10핀 접점은 최대 2.8A의 분리를 처리하도록 정격되었습니다. 모든 접점이 전류 전송을 위해 동시에 사용되는 경우, 각 접점은 최대 2.0A의 전류를 처리할 수 있습니다. 5개의 전원 및 5개의 접지 접점을 통해 커넥터가 최대 10.0A의 전류를 전송할 수 있습니다.

커넥터가 결합되면 오남용에 대한 높은 저항을 갖춰 100g,(6ms)의 충격 및 20g(6시간)의 진동을 견딜 수 있으므로, 열악한 로봇 공학 및 산업용 시스템에서의 사용에 적합합니다. 하우징은 유리 충전 열가소성 플라스틱으로 제작되며, -65°C ~ +150°C의 온도 범위에서 작동할 수 있습니다. 그러므로 이 커넥터는 뜨거운 사막 활주로의 열에서부터 높은 고도에서의 극심한 추위에 이르기까지 극한의 온도에 노출될 수 있는 항공 시스템에 적합합니다. 고주파수 진동이 특징인 시스템에서는, 추가적인 강화를 위해 크림프 조립품에 후면 포팅 화합물을 사용하는 것이 좋습니다.

SWaP-C 최적화를 위한 신호 및 전력 상호 연결

어떤 경우에는 상호 연결 시스템이 고전류 제어 신호를 처리해야 하며, 동일한 배선 하니스에서 더 놓은 전류의 전원 공급 장치 연결을 처리해야 하는 경우도 있습니다. 이러한 상호 연결 응용 제품에서는 필요한 두 가지 크기의 접점을 모두 처리할 수 있는 혼합 레이아웃 연결 시스템이 필요합니다. 이를 위해 Harwin은 Gecko-MT 1.25mm 피치 혼합 레이아웃 연결 시스템을 제공합니다. 동일한 상호 연결에서 혼합 제어 및 전력 신호를 안전하게 제공하도록 설계된 매우 작고 가벼운 커넥터입니다. 이러한 응용 제품을 위해 설계자는 8개의 신호 및 4개의 전력 연결이 포함된 Harwin G125-FV10805F3-2AB2ABP 리셉터클을 이에 상응하는 G125-32496M3-02-08-02 플러그와 함께 사용할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: Harwin Gecko-MT G125-FV10805F3-2AB2ABP 리셉터클(왼쪽) 및 Gecko-MT G125-32496M3-02-08-02 플러그(오른쪽)는 8신호, 4전력 상호 연결 시스템을 구성하며, 전력 접점당 10A, 신호 접점당 2A의 성능을 지닙니다. (이미지 출처: Harwin)

이 상호 연결 시스템에 있는 8개의 신호 접점은 각각 최대 2A를 처리할 수 있는 반면, 4개의 더 큰 전력 접점은 각 접점당 최대 10A를 처리할 수 ​​있습니다. 이는 일반적으로 공간이 협소한 항공 전자 공학과 같은 항공 우주 시스템에서 상호 연결 유연성을 제공합니다. 또한 대부분의 로봇 시스템은 로봇 암 및 기타 기계 제어 메커니즘에 혼합 제어 신호와 전력을 전송해야 하므로, 그러한 응용 제품에서 이러한 유형의 상호 연결은 최적입니다.

Gecko-SL과 마찬가지로 Harwin Gecko-MT는 잘못된 삽입을 방지하기 위해 키 설치되어 있습니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이, 커넥터의 하단에는 좁은 키 노치가, 상단에는 매우 넓은 키 노치가 있습니다. Gecko-MT 커넥터는 올바른 삽입을 보장하기 위해 다양한 키 구성으로 제공되며, 기술자가 쉽게 삽입할 수 있도록 삼각형의 접점 표시가 있습니다. 그림 2의 왼쪽에 보이는 리셉터클은 스루홀 접점을 통해 pc 기판에 실장되어 있습니다. 리셉터클은 견고한 마운팅을 위해 아래쪽에서 두 개의 볼트/너트로 PC 기판에 고정됩니다. 이는 심한 진동이 있는 환경에서 커넥터가 휘어지거나 기판으로부터 분리되는 것을 방지합니다. 플러그가 리셉터클에 삽입되어 스테인리스강 리셉터클 나사 소켓에 고정됩니다.

또한 Gecko-MT 상호 연결 시스템은 잠금 전 결합 시스템을 사용하여 견고한 전기적 연결을 보장하고 유지 보수 이벤트에서 테스팅을 수행할 수 있습니다. 이 상호 연결 시스템은 1000회의 결합/비결합 주기로 정격되어, 유지 보수 및 재구성의 상황에서 높은 연결 안정성을 보장합니다.

또한 결합된 Gecko-MT 커넥터 시스템은 100g(6ms)의 충격과 20g(6시간)의 진동을 견딜 수 있으므로, 공간 절약을 위해 신호 및 전력이 함께 라우팅되어야 하는 로봇 공학 및 산업용 응용 제품에 적합합니다. 유리 충전 열가소성 플라스틱 하우징은 -65°C ~ +150°C의 온도 범위에서 작동할 수 있어, 극한의 온도에 노출되는 항공 응용 제품에서의 사용이 가능합니다.

결론

다양한 전자 시스템의 설계자는 효율성을 높이고 비용을 낮추며 운영 성능을 향상시키기 위해 SWaP-C면에서 신규 및 기존 시스템을 최적화해야 합니다. 올바른 상호 연결 시스템을 선택하는 것은 이 SWaP-C 최적화에 도움이 될 수 있습니다. 또한 휴대용 장치, 산업용 로봇 시스템, 항공 시스템 및 스마트 가전을 위한 시스템 설계자는, 좁은 공간에서 높은 전류를 전달하면서 응용 제품의 심한 진동을 견딜 수 있는 연결을 구축해야만 합니다. 설계 공정의 단순화를 위해, 설계자는 시스템 안정성 및 커넥터 사용의 용이성을 보장하는 단일 상호 연결 시스템으로 표준화할 수 있습니다.