Guia para seleção e aplicação de conectores de alta confiabilidade para SWaP-C

Os projetistas de sistemas para aplicações aeroespaciais e de defesa enfrentam requisitos cada vez mais rigorosos de otimização de SWaP-C (sigla inglesa para tamanho, peso, potência e custo). À medida que seus projetos se tornam mais complexos e compactos, eles precisam equilibrar esses requisitos com alto desempenho e confiabilidade. Os conectores tradicionais geralmente têm dificuldade em atender a essas demandas conflitantes, desafiando os projetistas a encontrar alternativas para atender aos requisitos de projeto e desempenho do sistema.

Este artigo explora como as tecnologias avançadas de conectores concebidas explicitamente para SWaP-C podem responder às demandas específicas das aplicações aeroespaciais e de defesa. Em seguida, apresenta as soluções de alta confiabilidade da Harwin e mostra como elas são aplicadas em várias situações aeroespaciais e de defesa para obter um desempenho confiável do SWaP-C.

Os fatores que impulsionam a miniaturização do conector

Desde a atualização de sistemas de periscópio submarino até imagens multiespectrais e veículos aéreos não tripulados (VANTs) que transportam conjuntos crescentes de sensores, os requisitos de eletrônica sofisticada em espaços confinados se tornam mais complexos a cada ano. A minimização do tamanho dos componentes permite que sensores adicionais e outras caraterísticas aumentem as capacidades do sistema e melhorem o desempenho aerodinâmico.

Os conectores, tradicionalmente entre os componentes mais volumosos, são fundamentais para uma miniaturização bem sucedida. A redução do tamanho do conetor requer a diminuição dos passos de contato e a redução do peso, mantendo a durabilidade e assegurando um desempenho elétrico consistente em condições extremas.

A Harwin respondeu a estes desafios com famílias de conectores abrangentes, concebidas especificamente para a otimização SWaP-C. Sua abordagem se concentra em três princípios fundamentais de design:

1. Diminuição do tamanho dos passos para apenas 1,25 milímetros (mm), mantendo uma elevada capacidade de transporte de corrente
2. Utilização de contatos de cobre-berílio com vários pontos para integridade do sinal em condições extremas
3. Utilização de capas termoplásticas de alta temperatura com uso seletivo de metais leves para maior durabilidade

Essa filosofia de design se estende por suas famílias de produtos de alta confiabilidade, desde conectores de sinal de alta densidade até soluções de tecnologia mista e alta potência.

O impacto da redução do peso dos conectores na mobilidade e na eficiência

A redução do peso é crucial na otimização de SWaP-C, particularmente para aplicações aeronáuticas e móveis. Os componentes mais leves podem melhorar a duração do voo e a capacidade de manobra, além de permitir o transporte de mais equipamentos.

Os conectores modernos em micro-miniatura podem reduzir significativamente o peso em comparação com os conectores industriais tradicionais por meio da seleção estratégica de materiais. Por exemplo, termoplásticos de alta temperatura preenchidos com vidro podem ser usados em capas primárias. Ao mesmo tempo, os projetistas podem empregar seletivamente ligas leves de alumínio, somente quando o metal for necessário para proteção contra interferência eletromagnética (EMI), interferência de radiofrequência (RFI) e para durabilidade mecânica.

Mesmo em aplicações de alta corrente, nas quais os projetos tradicionais dependem fortemente de componentes metálicos, essas combinações de materiais podem manter um desempenho elétrico e mecânico robusto e, ao mesmo tempo, minimizar a massa do conector.

Gerenciando os custos dos conectores sem sacrificar a confiabilidade

Nos projetos SWaP-C, equilibrar a redução de custos e a alta confiabilidade representa um desafio contínuo para os projetistas de sistemas de missão crítica. Para os conectores, isto significa selecionar designs e materiais que garantam uma durabilidade a longo prazo com um custo mínimo.

Uma estratégia fundamental para gerenciar custos é focar no custo total de propriedade, em vez de apenas no preço inicial do componente. Embora conectores de alta confiabilidade possam ter custos iniciais mais altos, sua vida útil prolongada e requisitos de manutenção reduzidos podem gerar economias significativas a longo prazo. Isto é particularmente valioso em aplicações onde os conectores têm de suportar condições extremas, incluindo vibrações elevadas, flutuações de temperatura e ciclos de acoplamento repetidos.

Além disso, os designs padronizados e modulares dos conectores podem reduzir os custos de produção e manutenção mediante uma integração e substituição mais fáceis. Os conectores que atendem aos padrões comuns do setor permitem a intercambialidade e o gerenciamento simplificado do estoque, reduzindo as despesas durante o ciclo de vida do produto.

Equilibrando o fornecimento de energia com o tamanho

Os conectores também desempenham um papel crucial no gerenciamento de energia. O desafio reside no desenvolvimento de conectores que possam suportar cargas de energia significativas, mantendo um fator de forma compacto e garantindo uma perda mínima de energia. Os conectores de alta confiabilidade devem oferecer suporte à transferência eficiente de energia, minimizar a geração de calor e evitar a formação de arcos elétricos, ao mesmo tempo, em que atendem às restrições de espaço e peso do design moderno do sistema.

Alcançar eficiência e confiabilidade requer materiais e designs de contato que ofereçam baixa resistência. Os conectores com metalização robusta do contato, isolação avançada e geometria de contacto optimizada podem fornecer energia estável, mesmo em condições operacionais extremas.

Uma consideração fundamental é a combinação de conexões de sinal e de alimentação num único conetor compacto. Embora a integração das linhas de sinal e de alimentação reduza a pegada total do conetor e liberte espaço valioso, também cria desafios na gestão de potenciais interferências entre as vias de alimentação e de sinal.

Exemplo de aplicação: cabines de aeronaves de caça a jato

Examinar casos de uso típicos ajuda a ilustrar como esses princípios de design funcionam na prática. Por exemplo, unidades de controle de iluminação (LCUs) em aeronaves de caça a jato exigem conectores confiáveis para gerenciar a iluminação em diferentes condições de voo e missões. Esses sistemas controlam a cabine, o exterior, a visão noturna e a iluminação de emergência, que exigem componentes que possam fornecer intensidades de iluminação variáveis em ambientes apertados. O espaço limitado da LCU requer componentes de baixo perfil que se integrem eficazmente sem comprometer o desempenho.

Com um passo de 1,25 mm, os conectores Gecko SL da Harwin oferecem uma solução compacta e leve que pode ser 75% mais leve e 45% menor do que os conectores Micro-D. Isso os torna particularmente adequados para ambientes densos, como LCUs. As principais caraterísticas da família Gecko SL incluem:

• 2,8 amperes (A) por contacto em isolação e 2,0 A em todos os contatos simultaneamente
• Design de contacto de cobre-berílio com quatro pontos para uma elevada confiabilidade
• Moldagens feitas de termoplástico UL94V-0 preenchido com vidro (sem halogênio e fósforo vermelho)

A variante G125-MC10605M1-0150L apresenta um plugue de seis posições que termina em fios individuais (Figura 1). Está disponível uma vasta gama de outros estilos de montagem, juntamente com capôs de alumínio leve que proporcionam uma melhor continuidade elétrica, proteção de cabos e blindagem EMI/RFI eficaz.

Figura 1: Os conectores Gecko SL são úteis para ambientes com restrições de espaço, como as cabines dos aviões a jato. A variante G125-MC10605M1-0150L apresenta um plugue de seis posições que termina em fios individuais. (Fonte da imagem: Harwin)

Para além do seu tamanho compacto, os conectores Gecko SL são excepcionalmente robustos. Suportam choques de até 100 g durante 6 milissegundos (ms) e vibrações de até 20 g durante 6 horas, o que os torna ideais para ambientes aeroespaciais. Com uma classificação de durabilidade de 1000 ciclos de acoplamento, esses conectores garantem a confiabilidade por meio de conexões e desconexões repetidas, um requisito comum em aplicações de manutenção intensiva.

Exemplo de aplicação: conectores de sinal misto para VANT

Como outro exemplo, os VANTs que operam em ambientes de defesa exigem conectores robustos e compactos que mantenham a funcionalidade em condições adversas. Estes veículos sofrem vibrações e choques significativos, tornando a integridade do sinal crucial para os seus sistemas de bordo.

Os conectores Datamate Mix-Tek da Harwin respondem a estes desafios integrando as linhas de alimentação e de sinal num único invólucro compacto. Este design eficiente em termos de espaço apresenta um passo de 2 mm que permite um amplo espaço na placa de circuito impresso (PCI) para componentes adicionais, melhorando assim as capacidades e o desempenho do VANT. Estes conectores minimizam a perda de potência e de sinal mediante valores baixos de resistência de contato de 6 miliohms (mΩ) para contatos de sinal e 25 mΩ para contatos de potência. Dimensionados para 500 ciclos de acoplamento, asseguram a durabilidade em aplicações que exigem manutenção e reconexões frequentes.

Um exemplo é o M80-5T10805M1-02-331-00-000, que combina dois contatos de alimentação de 20 A cada um com oito contatos de sinal de 3 A cada (Figura 2). Essa configuração suporta os requisitos de energia de sistemas críticos e as necessidades de dados de controle e comunicação na maioria das aplicações de VANT.

Figura 2: O conector M80-5T10805M1-02-331-00-000 combina dois contatos de alimentação e oito contatos de sinal com um passo de 2 mm numa única capa para aplicações com restrições de espaço, tais como VANTs. (Fonte da imagem: Harwin)

Exemplo de aplicação: baterias de alta potência para VANT

Os VANTs destinados para a defesa necessitam frequentemente de potência substancial, funcionando com sistemas de baterias que fornecem dezenas a centenas de quilowatts. Os conectores que ligam essas baterias a componentes críticos, como motores, devem lidar com altas correntes de forma confiável e, ao mesmo tempo, minimizar a perda de energia.

Os conectores de alta confiabilidade Kona da Harwin atendem a essas demandas lidando com 60 A e 3000 volts por contato. O seu passo de 8,50 mm suporta cargas de energia significativas, mantendo a robustez do grau de defesa. Uma resistência de contato de 2 mΩ garante perdas mínimas de energia.

Um bom exemplo é o KA1-MV10205M1 (Figura 3), que possui dois pinos machos de contato para uma capacidade de corrente máxima combinada de 120 A. Este conector é adequado para conexões de baterias de VANT que necessitam de um fornecimento de energia robusto, além de cumprir as exigências de SWaP-C.

Figura 3: Os conectores KA1-MV10205M1 são dimensionados para 60 A e 3000 volts por contato e utilizam um design de contato de seis pontos para estabilidade em condições de choque elevado. (Fonte da imagem: Harwin)

Os conectores Kona usam contatos de cobre-berílio com metalização de ouro, apresentam um design de contato de seis pontos para conexões estáveis sob condições de choque elevado e têm um passo de 8,5 mm. As carcaças superiores em liga de alumínio e as travas de parafuso em aço inoxidável proporcionam um design leve e duradouro.

Conclusão

A seleção de um conetor adequado é crucial para equilibrar os diversos requisitos da otimização SWaP-C. As soluções avançadas de conectores da Harwin demonstram que é possível combinar compacidade, design leve, eficiência energética e durabilidade, permitindo que os projetistas satisfaçam as exigências complexas das aplicações aeroespaciais e de defesa.