Projektowanie połączeń dla zastosowań militarnych

© WB Electronics

W miarę jak technologie wkraczają do nowych środowisk, coraz większego znaczenia nabiera staranne planowanie i analiza, które muszą zapewnić, że zarówno sam projekt jak i dobór materiałów dla tych zaawansowanych systemów wytrzyma trudne warunki, którym będą musiały stawić czoła. Przykładowo, elektronika nawigacyjna, wykorzystywana w samochodach do poruszania się po ulicach naszych miast, obecnie odgrywa istotną rolę w eksploracji kosmosu. W dzisiejszych warunkach rynkowych do dyspozycji projektantów pozostaje szeroka gama systemów złączy i kabli wspierających akwizycję, przetwarzanie i przesyłanie danych w zaawansowanych aplikacjach. Często złącza i wiązki kablowe są narażone na ekstremalne warunki środowiskowe otaczające aplikację: czujniki zewnętrzne, systemy kamer czy robotyczne ramiona często działają poza główną strukturą sprzętu.

W procesie planowania i budowy systemów elektronicznych pomóc mogą doświadczeni projektanci złącz, zapewniających wydajność i trwałość całego urządzenia. Kolejne kroki planowania powinny obejmować dogłębną świadomość zagrożeń środowiskowych, jakie mogą napotkać finalne produkty. Proces ten powinien obejmować przegląd norm środowiskowych NEMA, w tym standard IP250, opisujące zagrożenia środowiskowe. Natomiast produkty przeznaczone na rynek militarny muszą zapewnić dodatkową niezawodność. Niewielkie, wytrzymałe i niezawodne złącza klasy Micro-D zgodna MIL-DTL-83513 są bardzo popularnym wyborem do zastosowań w trudnych warunkach środowiskowych. Subminiaturowe złącza Micro-D z rozstawem między pinami wynoszącym 0,050” (1,27 mm) zapewniają wydajne połączenia w bardzo małym formacie. Innym popularnym wyborem dla tworzenia małych i lekkich połączeń jest Nano-D zgodny z MIL-DTL-32139 , nanominiaturowe,  prostokątne złącza z rozstawem między pinami wynoszącym 0,025” (0,635 mm). W warunkach rynku USA, ogólna specyfikacja dla komponentów pracujących w trudnych warunkach jest wymieniona jako MIL-STD-790 i w miarę rozwoju technologii jest opracowywania przez U.S. Defense Labs.

Tabela: Specyfikacja klasy militarnej dla złącz Micro-D oraz Nano-D. Źródło: Design Planning Guidelines and Check Lists Insure Performance in Harsh Environment © Omnetics

Konstrukcje złączy przeznaczonych do trudnych warunków środowiskowych opierają się na wytrzymałych materiałach, trwałej konstrukcji i interfejsach, chroniących styk złącza z gniazdem w przypadku silnych wstrząsów i wibracji oraz innych oddziaływań środowiskowych. Wraz z rozwojem elektroniki także konektory muszą stawać się coraz mniejsze i działać szybciej przy niskich napięciach i prądach. Ze względu na lekką konstrukcję i zdolność pochłaniania silnych wibracji i wstrząsów, złącza mikro i nano stają się standardowym interfejsem kabel/PCB.

W wielu przypadkach nowy sprzęt działający w ekstremalnych środowiskach wykrywa, gromadzi i przetwarza ogromne ilości danych bez udziału człowieka, przy przesyle przekraczającym 10 Gb/s. Aby osiągnąć tak wysokie prędkości, sygnał cyfrowy musi charakteryzować się bardzo krótkim czasem narastania. Jest to możliwe dzięki szybszym technologiom układów scalonych, takim jak GaAs i azotek galu, które dobrze sprawują się również przy niższych napięciach. W rezultacie krótkiego czasu narastania sygnału i niskiego napięcia, rozchodzący się sygnał ma bardzo niewielką długość i minimalną wysokość. Te nowe ‘minisygnały’ cyfrowe muszą być starannie chronione przed zakłóceniami, zarówno w sensie fizycznym, jak i elektrycznym. Przykładowo, okablowanie jest często zaprojektowane do przenoszenia dodatnich i ujemnych sygnałów cyfrowych na oddzielnych parach przewodów, które biegną równolegle z ich przewodem masowym. Każdy zestaw sygnałowy jest chroniony i owinięty izolacją, a następnie ekranowany przed zewnętrznymi elementami elektrycznymi.

Kable cyfrowe używane w ekstremalnych warunkach mogą być chronione polimerowymi osłonami, odpornymi na cykle zmian temperatury. Poprzez dodanie metalowego oplotu ekranującego, kable mogą być chronione fizycznie i ekranowane przed zakłóceniami sygnału elektronicznego.

W zastosowaniach o ograniczonej przestrzeni, w których występuje powtarzalny ruch, kabel musi  mieć małą średnicę, a jednocześnie być mocny, sprężysty i wystarczająco elastyczny, aby dostosować się do ciągłego zginania i składanie. Przykładem są szybkie roboty montażowe, wykonujące obecnie wiele zadań montażowych w przemyśle motoryzacyjnym - jeśli kabel i złącze nie są w nich odpowiednio zaprojektowane, zużycie połączenia może zatrzymać całą linię montażową.

Przed wyborem złącza i kabla projektanci powinni przeanalizować potencjalne zagrożenia. Lista kontrolna tego typu procesu może składać się z następujących działań:

1. Podejmij współpracę z firmą zajmującą się złączami w standardzie MIL, która ma doświadczenie w podobnych zastosowaniach i może zaoferować doradztwo w procesie projektowania. Firma, która może interaktywnie wykorzystywać modelowanie przestrzenne, może pomóc dopracować istniejące projekty.
2. Przedyskutuj wymagania dotyczące trudnych warunków środowiskowych z dostawcą złączy i kabli, aby wybrać odpowiedni kabel, elementy metalowe i plastikowe czy też wykończenie, pasujące do aplikacji (np. poziom odgazowania epoksydów musi spełniać specyfikacje NASA, jeśli komponent jest używany w zastosowaniach kosmicznych itp.).
3. Gdy pierwsze modele bryłowe będą gotowe, wykonaj prototyp 3D, aby mieć pewność, że zarówno kabel, jak i złącza pasują do projektu.
4. Gdy złącze zostanie zatwierdzone pod względem rozmiaru, kształtu, materiałów i konstrukcji, zbuduj kilka zestawów służących testowaniu niezawodności w trudnych warunkach.
5. Przeprowadź testy pracy w trudnych warunkach w laboratorium testowym, które ma wieloletnie doświadczenie na polu odtwarzania ekstremalnego otoczenia. Należy przeprowadzić szeroki zakres testów środowiskowych, w tym oddziaływanie mieszaniny reaktywnych gazów, wilgotność, temperaturę, mgłę solną, kurz i temperaturę, a także wstrząsów i wibracji.

Testowanie komponentów pod kątem reakcji korozyjnych, odporności na wilgoć, temperatur panujących na wysokości i trwałości wykończenia pomaga upewnić się, że produkt będzie działał niezawodnie w oczekiwanych warunkach operacyjnych.

Artykuł oparto na materiałach udostępnianych na stronie internetowej firmy © Omnetics