Side 60

KONNEKTORER/HI-REL Hvordan vælger man stik og kabler til aerospace? I løbet af det seneste årti er rumfartøjer til kredsløb omkring Jorden blevet en vigtig industri. Det har resulteret i opsendelse af et stort antal satellitter til en lang række forskellige missioner i lave, mellemhøje og geostationære kredsløb (LEO, MEO, GEO). Uanset størrelse, kilde eller mission har alle disse satellitter én fælles faktor for deres BOM, nemlig behovet for mange elektriske stik og kabler til signaler og strømforsyning Af Rolf Horn, applikationsingeniør, Digi-Key Selv om kabler og konnek- torer måske ikke har samme glamourfaktor som den aktive elektronik om bord eller den bredere satellitmission, så er deres ydelse, pålidelighed og konsistente kvalitet afgørende for satellitdesignet og applika- tionens levetid. Derfor er valg og anvendelse af passende forbindelsesteknik en vigtig faktor for missionens succes. Kabler og konnektorer skal levere grundlæggende funk- tionalitet, minimere størrelse og vægt, og samtidig skal de opfylde de unikke krav til på- lidelighed og robusthed, der kræves til opsendelse i rum- met. Når NASA’s missioner med esoteriske rumfartøjer eller kommunikations- og naviga- tionssatellitter tidligere pri- mært var NASA-missioner, er opsendelser af LEO-, MEO- og GEO-satellitter blevet næsten rutinebegivenheder. Nogle af disse opsendelser resulterer i opsendelse af et dusin el- ler flere satellitter, herunder de små, populære Cubesat- enheder, der er udviklet på universiteter, i visse gymnasier og endda af videnskabelige amatørgrupper. Rummet er imidlertid et hårdt Figur 1: Det populære CubeSat-satellitdesign er baseret på et lille standardmodulformat, der gør det muligt at stable forskellige længder i forskellige trin. (Billedkilde: Harwin). miljø for alle typer elektroni- ske komponenter. Potentielle problemområder omfatter afbrydende forbindelser, yde- evne under specifikationerne og endda direkte fejl. Disse problemer begynder med vibrationer ved opsendelsen og fortsætter gennem kulden og vakuummet under brug i kredsløb og videre ud over det. Disse spørgsmål stiller mange krav til forbindelsernes yde- evne og begrænser forbindel- sernes design og implemente- A A D D AD C A u D tA C p u S tApS Finla F n i d n s la g n a d d s e g 2 a 9 de 29 4690 46 H 9 a 0 sle H v aslev 56 37 56 03 37 45 03 45 info@ in a fo d @ cu a t. d d c k ut.dk www w .a w d w cu .a t. d d c k ut.dk Kabling og formontering af jeres produkter frigør vigtig tid i industrien og hos installatøren. Kontakt os på www.adcut.dk ring. De er alle forenet af det brede begreb pålideligheds- prioriteter og den upraktiske eller reelt umulige mulighed for reparation eller udskift- ning under flyvning. Ud over størrelse, vægt, stød og vi- brationer er der også andre spørgsmål som udgasning, restmagnetisme, ekstreme temperaturer og termiske cyklusser, kosmisk stråling, flashover og stikorientering: • Vægt og størrelse (volumen): Et rumfartøj og dets satellit er stærkt begrænset i begge disse faktorer af hensyn til brændstofeffektivitet og det faktum, at hver kubikcenti- meter volumen er værdifuld i et rumdesign med begrænset volumen. • Acceleration, vibrationer og stød: Den hårde opsendelsesfase resulterer i titusindvis af g på tværs af en lang række fre- kvenser. Af denne grund er der i ruminddelte stik normalt angivet jackskruer eller låse- designs, når det er muligt, for at sikre en sikker forbindelse. • Udgasning: Varmen og vakuumforholde- ne i rummet øger hastigheden af udgasning fra konnektorer. Materialer som elastomerer og plast kan langsomt frigive flygtige organiske forbindel- ser (VOC’er), som er opløst, fanget, frosset eller absorbe- ret i materialet som gas eller www w . w a w dc .a u d t. c d u k t.dk Figur 2: Mix-Tek Datamate-serien understøtter kombinationer af signal (3A), strøm (20A) og koaksialstik (6GHz). (Billedkilde: Harwin). damp. Selv epoxy- og andre almindelige klæbemidler kan frigive disse VOC’er, hvilket kræver særlige klæbemidler. VOC’er kan resultere i forure- ning, som kan påvirke ydelsen af missionskritisk udstyr alvor- ligt ved at forstyrre sarte in- strumenter og optiske overfla- der. For et space-klassificeret stik ”drives VOC’er ud” af ma- terialet ved at bage stikkene ved en forhøjet temperatur i en vakuumtæt ovn. • Restmagnetisme: Kan forstyrre effektiviteten af nærliggende kredsløb og undersystemer og forårsage vildledende aflæsninger fra præcisionssensorer. For at minimere dette kan det være nødvendigt at anvende ikke- magnetiske materialer, hvor det er muligt som kobberle- geringer. • Temperaturområde: Det udvidede område for rumklassificerede konnekto- rer er normalt -65⁰C til +150⁰C. Termisk cykling er imidlertid også et problem: Gentagne belastninger, der opstår ved sådanne cykliske belastninger, kan fremkalde mikrorevner og i sidste ende træthedsbrud. Nogle satellitter er designet til at rotere for at udligne de- res gennemsnitstemperatur mellem solvendte og sol- beskyggede sider. Dette er en utilstrækkelig løsning for større satellitter, da overfla- den og undergrunden stadig kan være udsat for betydelige termiske cyklusser sammen- lignet med det dybere indre. I små satellitter, som for eksem- pel CubeSats, er næsten alle komponenter relativt tæt på overfladen. • Kosmisk stråling: Øges i takt med at satellittens driftshøjde stiger, og Jordens beskyttende atmosfære bli- ver tyndere. Virkningerne af denne uundgåelige stråling ligner på nogle måder virk- ningerne af elektromagne- tisk interferens (EMI). Selv om rumfartøjets metalkabinet gi- ver en vis beskyttelse, kan det være nødvendigt at medtage yderligere afskærmning på printplader eller kabler, der er udsat for strålingspåvirkning. • Flashover: Det er en kontinuerlig elek- trisk udladning med høj strøm fra en leder til den nærmeste metaloverflade. Flashover opstår ved forskellige spæn- dingsværdier afhængigt af luftmolekylernes tæthed med vakuum i rummet som det ekstreme tilfælde, så stik skal have en spændingsværdi, der passer til højden. • Fysiske overvejelser: Det er afgørende, hvordan stikket og dets kabel er orien- teret. Satellitter er naturligvis tæt pakket, og de populære, men små Cubesats bringer denne tæthed op på et nyt niveau (figur 1) . En enkelt Cu- beSat-enhed (U) er standar- diseret til 10×10×10cm, og en komplet CubeSat-satellit kan have en størrelse på 1U, 2U, 3U, 6U eller 12U. Hvis stikket er udformet, såle- des at kablerne er orienteret lodret vinkelret på printkortet, kan printpladerne i CubeSat- satellitten ikke være tæt place- ret, da stikket og kablet vil gri- be ind i hinanden. Horisontale stik og matchende kabelsam- linger løser imidlertid dette problem ved at føre kablerne fra kanten af printkortet side- læns rundt om stakkanten og derved reducere den nødven- dige afstand over printet. One-fits-all eksisterer ikke De forskellige spændinger, strømme, frekvenser og andre krav til ydeevne for de forskel- lige forbindelser betyder, at en enkelt stikfamilie vil være alvorligt under- eller overspe- cificeret i mange situationer, og ingen af disse forhold er acceptable, om end af forskel- lige årsager. Desuden findes der ikke en enkelt ”standard”, som definerer et space-klassi- ficeret stik. I stedet er der stan- darder for specifikke præsta- tionsegenskaber som udgas- ning. NASA’s liste over reser- vedele (NPSL) anvendes som 28 nr. 10 | oktober 2022 -

Side 61

KONNEKTORER/HI-REL en vejledning til specifikation af komponenter til rumtek- nologier, og komponenter på disse kvalificerede reservedel- slister (QPL) er specifikke for space-applikationer. I Europa er konnektorer af rumkvalitet godkendt af Den Europæiske Rumorganisation (ESA/ESCC). En konstruktør, der vælger stik, skal finde en balance mellem stikdimensioner og kritiske missioner. Overspecifi- cering af stik kan føre til alvor- lige problemer med omkost- ninger og tilgængelighed/ ledtid. Samtidig ville det være uheldigt og frustrerende, hvis en Cubesat mislykkedes for tidligt på grund af utilstrække- lige eller dårligt forståede for- bindelsesproblemer. Derfor er det vigtigt at give et realistisk perspektiv på projektkrav i forhold til mulighederne for stik og kabler. For at give designere mulig- hed for at skræddersy deres valg optimalt i forhold til kra- vene om pladsbegrænsning tilbyder leverandører som Harwin flere stikfamilier. Hver familie har igen flere varia- tioner i kontakttype og -antal, parringssammensætning, fastholdelsesmuligheder og andre funktioner. Blandt de re- levante Harwin-stikfamilier er: Mix-Tek Datamate-serien tilbyder et bredt udvalg af konfigurationer for signal-, strøm- og koaksialstik, så in- geniørerne kan vælge de sti- karrangementer, der passer til deres applikationer (figur 2). Strømkontakterne er norme- ret til op til 20 ampere (A), sig- nalkontakterne klarer 3A, og koaksialkontakterne giver 6 gigahertz (GHz) ydeevne med en impedans på 50 ohm (Ω). Den høje pålidelighed skyldes brugen af drejede kontakter i forbindelse med Harwins berylliumkobber-kontaktclips med fire fingre. Mix-Tek-stik er tilgængelige i en række forskellige lednings- og print- pladekonfigurationer med maksimalt 50 lavfrekvenskon- takter eller 12 specialkontak- ter (koaksial- og strømkontak- ter). Stikkene med en pitch på 2mm kan blandes og matches med næsten enhver kombina- tion af signal-, strøm- og koak- sialkontakter. Kona-stikfamilien med høj på- lidelighed med 8,5mm benaf- stand giver en højkvalitetsfor- bindelse med høj strømstyrke til krævende miljøer (figur 3) . Individuelt afskærmede kon- takter kan yde 60A kontinu- erlig strøm ved 3.000 volt pr. kontakt med en holdbarhed på 250 matings (parringscyk- lusser). Kontaktdesignet med seks fingre er fremstillet af beryllium-kobber og forgyldt for at opretholde den elektri- ske kontinuitet under kraftige stød og vibrationer og er til- gængelig i en kompakt enkel- trækkepakke i kabel-til-kort- konfigurationer. M300-strømkontakterne til- byder en række med høj påli- delighed og ydeevne og giver en kompakt strømforbindelse med op til 10A pr. kontakt, hvilket giver en let og robust løsning med en dokumenteret erfaring under ekstreme for- hold (figur 4). Stikkene beskyt- ter mod vibrationer og stød med monterede jackskruer i rustfrit stål. Det gennemprøvede fire-fin- Figur 3: Kona-serien af stik med 8,5mm benafstand understøtter op til 60A kontinuerlig strøm og 3.000 volt pr. kontakt. (Billedkilde: Harwin). nektor med otte signal- og to strømkontakter, hvilket gør det muligt at bruge et enkelt stik til begge funktioner. • Gecko-Latch (originalt design): Hanstik i denne familie kan udstyres med latches, som let kan adskilles (bevidst) for sik- ker sammenkobling med bøs- ningen. G125-FS12005LOR, et 20-positioner, overflade- monteret stik med koblings- stik, er et eksempel på Gecko Latch-designet. Gecko-SL- og Latch-serierne tilbyder mel- lem seks og 50 kontakter i en dobbelt række-konfiguration. Stikhuse er polariserede for at forhindre forkert sammen- kobling og har kontaktnum- mer angivet på ydersiden af husene. Der findes valgfrie metalbag- sider, der er kompatible med både Gecko-SL- og Gecko- MT-stik, som giver mekanisk beskyttelse, beskyttelse mod radiostøj, eksempelvis G125- 9702002-bagside (hætte) til Gecko-SL-stik med 20 positio- ner. Ved at gøre backshells valgfrie kan konstruktioner, der ikke kræver en sådan beskyttelse, ikke belastes med vægten af et stik med et metalkabinet. For at opnå yderligere fleksibi- litet er backshellerne fastgjort til printkortet i stedet for til stikket. Glem ikke kablet og monteringen Valget af stik er kun en del af historien om konnektivitet, da kablingen til stikket er lige så vigtig. Blandt valgmuligheder- ne for forbindelsesledninger, der er dikteret af signaltypen og installationen, er alminde- lige ledninger, parsnoede par- ledninger, skærmet ledning og koaksialkabler. Designere har fem valgmuligheder, når de skal anskaffe sig en kabel- konfektionering: • Gør-det-selv (intern fremstil- ling). • Fortrykte kontakter og led- ninger. • Færdige kabelsamlinger. • En komplet, specialfremstil- let applikationsspecifik stan- dardkabelsamling. • En fuldt tilpasset kabelsam- ling, der er fremstillet speci- fikt til formålet. På grund af den brede an- vendelse af Gecko-stik er mange af de nødvendige ka- belsamlinger tilgængelige som standardiserede, færdige produkter, hvilket reduce- rer leveringstiden og usik- kerheden. Det kunne være G125-FC11205F0-0150F0, en kabelsamling med 12 positio- ner, der er 150mm lang og er beregnet til rektangulære stik- til-stik-forbindelser. Konklusion Det er vigtigt at søge efter stik, der er så små og lette som mu- ligt til den ønskede ydeevne og ikke at overspecificere, hvor strammere tal eller mål er unødvendige. Det gælder især på Cubesat-markedet, da disse miniaturesatellitter er designet til at blive stablet i en raket, hvor både plads og vægt er af stor betydning. Figur 4: M300-strømkontakterne giver en kompakt strømforbindelse med op til 10A pr. kontakt. (Billedkilde: Harwin). ger-kontaktdesign oprethol- der den elektriske kontinuitet på trods af høje vibrationer og stød i miljøer. Disse printpla- destik med 3mm benafstand, crimpede kabelstik og fær- dige kabelsamlinger kan tåle -65°C til +175°C og er holdbare i 1000 matings. Cubesats bag udvikling af en særlig familie Gecko-familien af stik og kon- fektionerede kabler er desig- net til at opfylde de relativt store mængder og mindre strenge krav i nogle dimensio- ner til Cubesat-applikationer (figur 5) . Disse stik giver en lav profil, kabel-til-kort- og kort- til-kort-forbindelsesløsning og er særligt velegnede til sta- bling og kabeltilslutning i om- råder, hvor der er begrænset plads på printet. Gecko-stik er rektangulære stik med 1,25mm benafstand og høj pålidelighed, og de kan leveres som stikhuse med kundespecificerede kontakter. Stikkene er tilgængelige i han- og hunudgaver, vertikale og horisontale typer og til både leadede og SMT-monterede typer beregnet til kabel- kabel-, kabel-print- og print- print-forbindelser. Gecko-stikkene er op til 45 procent mindre og op til 75 procent lettere end de eksi- sterende tilsvarende indus- tristandardkontakter og Mi- cro-D-stik med en typisk vægt på ca. 1 gram (g). De tilbydes i tre varianter, som ikke er ind- byrdes kompatible: • Gecko-SL (Screw-Lok) stikserie: Et stik har flydende skruer for sikker sammenkobling med sin modpart. Screw-Loks kan også have tavle- eller panel- monteringsbolte til sikker be- fæstning til print eller kabinet- ter. Kontakterne er normeret til 2,8A pr. kontakt isoleret og 2,0A for alle kontakter samti- digt. Disse stik tilbydes både som horisontale stik og mat- chende kabelsamlinger til stabling af printkort med høj tæthed. G125-3241696M2 er for eksempel et rektangulært Gecko-SL-stik med 16 kontak- ter til panelmontering med en benafstand på 1,25mm. • Gecko-MT (blandet teknologi): Disse stik er en version med blandet layout af Gecko-SL- serien. Ved at supplere data- kontakterne med to eller fire 10A strømkontakter i strøm/ data-konfigurationer på en- ten 1+8+1 eller 2+8+2 giver Gecko-MT-produkterne mu- lighed for betydelige plads- og vægtreduktioner i elektronisk hardware. De er tilgængelige i kabel- eller gennemgående hulkonfigurationer, med de samme Screw-Lok-fastgø- relsesvarianter som Gecko- SL-stik og i en række forskel- lige signal- (dobbelt række) og strømkonfigurationer (en- kelt række). G125-FV10805F1- 1AB1ABP er en 10-position Gecko-MT koblingsstik-kon- Figur 5: Gecko-familien af lavprofilkontakter er tilgængelig i en lang række forskellige stilarter, konfigurationer og kontaktantal. (Billedkilde: Harwin). Avanceret fejlanalyse kan spare dig tid og penge Røntgen Inspektion Elektron Mikroskopi • Lever dit produkt op til kundens forventninger? • Kan dit produkt produceres uden fejl? • Har du styr på design regler og brug af standarder? » Vil du producere avanceret elektronik, kræves der dokumenterede og styrede processer. Mikroslib PCB Kvalitet Kontakt os for at høre om mulighederne for din virksomhed! - nr. 10 | oktober 2022 29
    ...