Militaire en ruimtevaarttoepassingen omvatten luchtvaartelektronica, onbemande luchtvaartuigen (UAV's), vliegtuigen, radars en satellieten, en vereisen veel strengere connectoren en interconnectoren dan consumenten-, medische en industriële toepassingen. Dit type militaire/luchtvaartconnector moet bestand zijn tegen verschillende elektrische, mechanische en omgevingsbelastingen en moet altijd voldoen aan de nominale prestatie-indicatoren, terwijl de prestaties van conventionele apparaten onder dezelfde omstandigheden zullen afnemen of zelfs beschadigd zullen raken.
Zeer betrouwbare interconnect-apparaten voor militaire/luchtvaarttoepassingen zijn zeker niet slechts één of een reeks contacten ingekapseld in een robuuste behuizing. Onderling verbonden apparaatlichamen, afdichtingen, contactkrachten en contactmaterialen moeten functioneren als een geïntegreerd systeem om bevredigende prestaties onder gespecificeerde omstandigheden te garanderen.
Dit artikel bespreekt de uitdagingen waarmee ontwerpers worden geconfronteerd bij het selecteren en gebruiken van interconnect-apparaten voor militaire/luchtvaarttoepassingen. De drie Molex-producten worden vervolgens als voorbeeld genomen om uit te leggen waarom deze apparaten deze uitdagingen helpen overwinnen.
Vereisten voor robuuste connectoren
Robuuste connectoren voldoen consequent aan de specificaties onder extreme mechanische, omgevings- en thermische belastingen. Deze stressbronnen variëren per werkomgeving, maar er is ook een grote mate van overlap. Bijvoorbeeld:
Connectoren in militaire systemen op het land moeten bestand zijn tegen zware trillingen, dikke afzettingen (stof, zand, gruis) en extreme hitte en kou.
De maritieme en diepzeeconnectoren moeten bestand zijn tegen langdurige blootstelling aan corrosieve zeewateromgevingen en bestand zijn tegen hoge drukdrukken.
De luchtvaartconnector moet bestand zijn tegen herhaaldelijk opstijgen, landen en trillingen van het vliegapparaat, met een extreem breed temperatuurbereik.
Ruimteconnectoren ervaren ernstigere temperatuurschommelingen, blootstelling aan vacuüm, ventilatie en sterke mechanische spanningen tijdens de lancering en terugkeer naar de atmosfeer.
Om aan de specificaties voor deze vereisten te voldoen, moet een verscheidenheid aan fysieke basisfactoren worden begrepen, waaronder:
Trillingen: connectoren in militaire voertuigen of gevechtsvliegtuigen zijn getest om een versnelling tot 20 g te weerstaan.
Impact: dit soort hoge impactkracht dat wordt gegenereerd tijdens snelle acceleratie of vertraging is anders dan trillingen. Tot 50 g impact voor standaardconnectoren en tot 100 g impact voor nano- en micro-ontwerpen; Zelfs gespecialiseerde normen voor ontploffingsomstandigheden hebben betrekking op de structurele trillingen met grote omvang, hoge frequentie en korte termijn die worden veroorzaakt door explosies van explosieven, die vaak voorkomen bij het scheiden van rakettrappen of het vrijgeven van de lading van raketten.
Extreme temperaturen: systemen op het land kunnen temperatuurschommelingen ervaren van -65 ° C tot 125 ° C, terwijl ruimtesystemen temperaturen tot 200 ° C kunnen ervaren. Afwisseling van hitte en kou zorgt ervoor dat het materiaal uitzet en samentrekt, waardoor het materiaal mogelijk verzwakt en de elektrische geleiding wordt aangetast. Bovendien kunnen verschillen in de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) tussen verschillende materialen binnen een connector mechanische spanningen veroorzaken op het materiaalgrensvlak, wat kan resulteren in verkeerde uitlijning of defecten gedurende langere gebruiksperioden.
Blootstelling aan verontreinigende stoffen: om een betrouwbare werking van de connector op lange termijn te garanderen, moeten maatregelen zoals de O-vormige ring, afdichtingspakking en beschermende draadhuls worden genomen om vocht, stof en andere verontreinigingen te voorkomen.
Corrosie: Dit is een voortdurend probleem dat wordt veroorzaakt door zoutnevel en oxidatie. Connectormaterialen moeten op de juiste manier worden geselecteerd en gebruikt om te voorkomen dat deze onvermijdelijke omstandigheden de integriteit van de connector vernietigen.
Wat is betrouwbaarheid?
In eenvoudige bewoordingen verwijst betrouwbaarheid op de lange termijn naar het vermogen om stabiele prestaties te behouden bij herhaald gebruik, blootstelling aan het milieu en mechanische belasting. Deze prestaties zijn niet alleen afhankelijk van de omstandigheden waaronder de connector voor het eerst wordt gebruikt, maar ook van de vraag of deze bestand is tegen herhaaldelijk koppelen en goed werkt. Veel connectoren, vooral I/O-connectoren, ondergaan honderden of zelfs duizenden paringsbewerkingen.
Een succesvol robuust ontwerp heeft twee onlosmakelijk met elkaar verbonden aspecten: het contact zelf en de behuizing (lichaam) van het stationaire contact (Fig. 1).
Contactmateriaal, geometrie en beplating zijn sleutelfactoren (klik om te vergroten)
Afbeelding 1. Contactmateriaal, geometrie en beplating zijn de sleutel tot het robuuste connectorontwerp. Afbeeldingsbron: Molex)
Het ontwerp van het contactoppervlak is essentieel om ervoor te zorgen dat de connector een lage insteekkracht behoudt en tegelijkertijd een betrouwbare verbinding tot stand brengt. Nauwkeurige bewerking van de contactgeometrie vermindert het vreten aan de verbinding en de vergulde (Au) laag op het contactoppervlak voorkomt oxidatie. Vergulden is doorgaans 50 micro-inch (µ in) dik en wordt aangebracht over een nikkel (Ni)-basiscoating, die wordt gebruikt om de hechting van de beplating te verbeteren en de corrosieweerstand verder te verbeteren.
Deze coatings bedekken het basismateriaal van de koper (Cu)-legering van het contact. De combinatie van goud- en vernikkeling is essentieel voor betrouwbaarheid op lange termijn in lucht- en ruimtevaart-, defensie- en ruimtevaarttoepassingen. Berylliumkoper (BeCu) wordt veel gebruikt als basismateriaal vanwege de uitstekende sterkte-gewichtsverhouding en uitstekende weerstand tegen vermoeidheid. Deze legering is bijzonder geschikt voor contacten van veerelementen waarbij elasticiteit en veerkracht na langdurige belasting onmisbaar zijn.
Fosforbrons (CuSnP) is een geschikt alternatief voor niet-veercontacten en biedt een balans tussen sterkte en geleidbaarheid. Dit materiaal is corrosiebestendig en heeft matige veereigenschappen en wordt vaak gebruikt in compacte connectoren met fijne steek die enige flexibiliteit vereisen maar geen continu buigen vereisen.
Het ontwerpen van een robuuste connector vereist een zorgvuldige afweging van veel factoren (Afbeelding 2):
Het handhaven van de normaalkracht is de sleutel tot het garanderen van betrouwbaarheid. Hoogwaardig veermateriaal behoudt de contactdruk en duurzaamheid.
Een betere contactkracht vermindert de luchtspleet, vermindert de weerstand en verbetert de signaalintegriteit. Geoptimaliseerde geometrie verdeelt de druk om een stabiele geleiding te garanderen.
Contactaangrijping is de axiale overlap tussen de pen en de houder, die kracht, continuïteit en mechanische stabiliteit combineert.
Het handhaven van normale krachten is van cruciaal belang voor de betrouwbaarheid
Figuur 2: Continue normaalkracht is de sleutelfactor om de betrouwbaarheid te garanderen (boven), terwijl grotere contactkrachten de luchtspleet verkleinen (onder), waardoor de weerstand wordt verminderd en de signaalintegriteit wordt verbeterd. Afbeeldingsbron: Molex)
Op microscopisch niveau is het passende contactgebied niet simpelweg een passing tussen twee gladde, vlakke oppervlakken. Integendeel, waar ohms contact wordt gevormd of verbroken, heeft de contactinterface microscopische ruwheid, oppervlaktepiek en een onregelmatige vorm. Hogere contactkrachten maken deze kleine uitsteeksels vlakker, waardoor de elektrische geleiding wordt verbeterd, de contactweerstand wordt verminderd en consistente prestaties worden gegarandeerd. Maar grotere contactkrachten hebben ook invloed op de inbreng- en terugtrekkingskrachten, waardoor de slijtage van het contactoppervlak toeneemt.
Een goed ontworpen contactsysteem balanceert de aangrijplengte en normaalkracht om losse verbindingen, overmatige slijtage en mechanische spanningen te voorkomen. Als de contactkracht te klein is, zal de contactweerstand toenemen en zal het signaal instabiel zijn. Omgekeerd versnellen excessieve contactkrachten de slijtage van de beplating en leiden tot voortijdige vermoeidheid van de contactstructuur.
In tegenstelling tot in de handel verkrijgbare connectoren met slechts één of twee contacten, maken robuuste connectoren gebruik van een systeem met meerdere contacten om mechanische belastingen als gevolg van trillingen of schokken te verdelen (Afbeelding 3). Deze contactsystemen voorkomen vonkoverslag of signaalverlies als gevolg van joggen en bieden redundante contactpaden voor kritische systemen.
Multicontact-ontwerp voor verbeterde stabiliteit en signaalintegriteit
Figuur 3: Ontwerp met meerdere contacten voor verbeterde stabiliteit en signaalintegriteit. Afbeeldingsbron: Molex)
Het contactsysteem kan ook veerelementen bevatten om in de loop van de tijd een consistente contactkracht te behouden. Veerbelaste contacten compenseren kleine veranderingen tijdens de contactuitlijning en zorgen tegelijkertijd voor een betrouwbare geleiding door herhaaldelijk aansluiten en loskoppelen. Overmatige krachten kunnen echter overmatige slijtage van de contactbeplating veroorzaken.
Meer dan alleen contacten: connectorbehuizing en beschermende behuizing
De kernprestaties van een robuuste connector beginnen bij het contact, maar de connectorbehuizing dient veel meer dan het elektrische contact dat de binnenkant omringt: hij is bestand tegen mechanische spanningen, extreme temperaturen, agressieve media en vocht, terwijl de balans tussen duurzaamheid en gewicht behouden blijft. Voor de ontwerper is er een breed scala aan behuizingsmaterialen beschikbaar:
Thermoplastische polymeren zoals polyether-etherketon (PEEK), polyfenyleensulfide (PPS) en polyetherimide-imide (PEI) bieden uitstekende mechanische sterkte, hittebestendigheid en chemische stabiliteit. Deze materialen absorberen effectief trillingen en schokken van lichtgewicht constructies.
Composieten zoals glasvezelversterkte polymeren en koolstofvezelcomposieten hebben uitstekende sterkte-gewichtsverhoudingen. Het ontwerp maakt optimalisatie mogelijk van specifieke eigenschappen van dergelijke materialen, waaronder treksterkte, slagvastheid of thermische stabiliteit.
Roestvrij staal en aluminiumlegeringen zijn de voorkeursmaterialen voor connectorbehuizingen vanwege de hoge impact, hoge trillingen en sterke elektromagnetische interferentie (EMI) in lucht- en ruimtevaart- en defensietoepassingen.
Roestvrijstalen connectorbehuizingen bieden uitstekende corrosieweerstand en mechanische sterkte, waardoor ze ideaal zijn voor maritieme, industriële en ruimtevaarttoepassingen die worden blootgesteld aan vocht, chemicaliën of zoutnevel. Aluminiumlegeringen bieden niet alleen een sterke EMI-afscherming, maar zijn ook licht van gewicht en gemakkelijk te verwerken, waardoor ze het voorkeursmateriaal zijn voor connectorbehuizingen in militaire voertuigen, luchtvaartelektronica en ruimtevaarttoepassingen.
Sommige robuuste connectoren maken gebruik van platte vergrendelingssystemen die stabiliteit en veilige koppeling bieden, terwijl de totale afmetingen worden verkleind. Een veervergrendeling of neerhoudinrichting zorgt bijvoorbeeld voor zowel mechanische betrouwbaarheid als bedieningsgemak van de connector onder slagveldomstandigheden.