Steckverbinder
SWaP-C-Anforderungen stets mitdenken
Um die Effizienz zu erhöhen, Kosten zu senken und die Betriebsleistung zu verbessern, müssen Entwickler neue und bestehende Elektroniksysteme für SWaP-C optimieren. Die richtige Auswahl von Verbindungstechnik, wie sie etwa der Hersteller Harwin liefert, kann hierbei helfen.
Elektronische Geräte werden in der Regel unter Berücksichtigung der SWaP-C-Kriterien (Size/Größe, Weight/Gewicht, Power/Leistung, Cost/Kosten) entwickelt. Diese Kriterien wirken sich dabei am meisten auf die Entwicklung von Konsumgütern wie Smartphones aus. Aber nicht nur tragbare, platzbeschränkte Systeme müssen hinsichtlich SWaP-C optimiert werden. Auch solche, die unter extremen Umgebungsbedingungen arbeiten, unterliegen einigen Aspekten oder all diesen Kriterien.
Ein Elektrofahrzeug (EV), insbesondere von einer Luxusmarke, hat vielleicht weniger Beschränkungen hinsichtlich Größe und Kosten, aber die Reichweitenangst ist ein wesentlicher Faktor, der die EV-Akzeptanz bremst. Aufgrund von Newtons zweitem Gesetz (F = m · a) gilt es, jedes überflüssige Gramm und jeden vermeidbaren Widerstand im System zu vermeiden. Zusätzliches Gewicht – vor allem, wenn es schlecht verteilt ist – kann sich auch auf das Fahrverhalten auswirken, die Beschleunigung verringern und den Einsatz stärkerer, teurerer und schwererer Komponenten etwa bei der Aufhängung erfordern.
Der kommerzielle Luft- und Raumfahrtsektor steht mit seinen knappen Budgets unter ähnlichem Druck. Um rentabel zu bleiben, müssen die Flugzeuge nicht nur Gewicht einsparen, um den Treibstoffverbrauch zu senken, sondern auch Leistung und Zuverlässigkeit auf dem Niveau der Luft-/Raumfahrt zu COTS-/Standardpreisen (Commercial Off the Shelf) bieten. In anderen Bereichen der Luft- und Raumfahrttechnik müssen taktische Drohnen bis zu 160 km weit fliegen. HALE-Überwachungsdrohnen (High Altitude, Long Endurance) haben noch höhere Ansprüche zu erfüllen: Sie müssen unentdeckbar, schnell und wendig sowie in der Lage sein, unter Vibration, bei Minusgraden und niedrigem Luftdruck zuverlässig funktionieren – und dabei so klein und leicht wie möglich sein.
Ein weiteres, extremes Beispiel sind Satelliten. Aufgrund der Betriebsbedingungen und Reparaturkosten sind für Entwickler die Kosten der Komponenten weniger wichtig als die EMI-Abschirmung oder der Betriebstemperaturbereich. Die Schwerelosigkeit bedeutet auch, dass das Gewicht die Funktion des Satelliten nicht beeinträchtigen darf. Dennoch spielt auch hier SWaP-C eine große Rolle, denn Satellitenentwickler müssen mit einem sehr knappen Energiebudget auskommen.
Die Energie für die Satelliten liefern ausschließlich Solarzellen, und die Systeme müssen auch dann betriebsbereit bleiben, wenn sie in den Erdschatten eintreten. Übermäßiges Gewicht führt dann zu deutlich höheren Startkosten. Im Jahr 2021 hätte es beispielsweise 66.000 US-Dollar gekostet, eine 1-Liter-Flasche Wasser in eine niedrige Erdumlaufbahn zu bringen. Der Wettbewerb und Mikro-Trägerraketen haben zwar zu sinkenden Preisen geführt, aber selbst mit dem Mikro-Träger von Rocket Lab würde der Transport dieser Flasche heute immer noch circa 10.000 US-Dollar kosten. Es kommt also auf jedes Gramm an.
Kurz gesagt: Unabhängig von der Branche stehen OEMs und Entwickler unter enormem Druck, hohe Leistung und Zuverlässigkeit zu liefern und gleichzeitig die SWaP-C-Kriterien einzuhalten.
Da elektromechanische Komponenten, Steckverbinder und die zugehörigen Kabelbaugruppen oft die größten und schwersten Teile auf der Leiterplatte sind, kann die sorgfältige Auswahl jeder dieser Komponenten die S-, W- und C-Elemente in SWaP-C – und in gewissem Maße auch das P-Element – maßgeblich beeinflussen.
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Verbindungstechnik entworfen für SWaP-C
Eine immer größere Zahl an Produkten der Verbindungstechnik wird mittlerweile unter Berücksichtigung von SWaP-C-Kriterien entworfen. Dabei werden neueste Entwicklungen in der Materialwissenschaft sowie alternative Layouts umgesetzt, um leichtere und/oder schlankere Verbindungen mit kleineren Abständen und besserer elektrischer Leitfähigkeit zu ermöglichen. Gleichzeitig werden die hohen Anforderungen in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrttechnik oder die Kostenanforderungen von Konsumelektronik erfüllt.
Fortschrittliche Werkstoffe – von Metalllegierungen bis hin zu verstärkten Verbundwerkstoffen und die Entwicklung leichter Thermoplaste – ermöglichen zusammen mit neuen Designtechniken kleinere, leichtere Gehäuse bei gleicher Leistungsfähigkeit. Außerdem kommen leitfähige Materialien zum Einsatz, um den Kontaktwiderstand zu verringern. Berylliumkupfer wird oft aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit in Verbindung mit zuverlässigen Federkräften für eine dauerhafte Steckleistung über einen breiten Temperaturbereich ausgewählt. Dünne Goldbeschichtungen oder andere leitfähige Metalle erhöhen die elektrische Leitfähigkeit und verhindern Korrosion bei minimalem zusätzlichem Gewicht.
Auch das Design/Layout entwickelt sich weiter, um den begrenzt zur Verfügung stehenden Platz besser auszunutzen. Diese Layouts reichen von ein- bis zweireihigen und abgewinkelten (vertikal zu vertikal oder vertikal zu horizontal) Steckverbindern bis hin zur Integration von Signal- und Stromleitungen, um die Zahl der Komponenten, die Größe und das Gewicht zu reduzieren und das Design weiter zu vereinfachen.
Das Angebot der Hersteller wächst daher in seiner Vielfalt, wobei SWaP-C-optimierte COTS-Steckverbinder auch für härteste Bedingungen ausgelegt sind und Kompromisse erübrigen, die Entwickler sonst bei der Wahl zwischen Gewicht und Robustheit eingehen müssen. Um auf das Satellitenbeispiel zurückzukommen: Entwickler können jetzt aus einem wachsenden Angebot kompakter, leichter COTS-Steckverbinder mit kleinem Raster wählen, die für Vibration, EMI-Schutz, Stöße, extreme Temperaturen und Ausgasungsverhalten im Zusammenhang mit Satellitenstarts und dem Betrieb im Vakuum ausgelegt sind (Bild 1).
Zusätzlich zu den neuen Produkten bieten Hersteller auch eine Reihe von Tools und Support für SWaP-C-optimierte Lösungen an. Diese erleichtern und beschleunigen die Auswahl und das Prototyping von Steckverbinderanwendungen. Ebenso stellen sie eine umfassende Dokumentation zur Verfügung, die von Produktspezifikationen über Zusammenfassungen von Testberichten und Produktschulungen bis hin zu Werkzeuganweisungen alles abdeckt. CAD-Modelle zum Download und technische Dienstleistungen, die von der Kabelkonfektionierung bis zum Rapid Prototyping reichen, runden das Angebot ab.
Ausblick auf zukünftige Entwicklungen
Die Hersteller von Steckverbindern werden weiter daran arbeiten, ihr Angebot zu optimieren, um SWaP-C durch den Fortschritt in der Materialwissenschaft in Verbindung mit Layout-Entwicklungen gerecht zu werden. Daraus werden Verbesserungen bei Größe, Gewicht und Leistung resultieren, während die Kosten unter Kontrolle bleiben.
Darüber hinaus werden strategische Partnerschaften mit Zulieferern, die neue SWaP-C-optimierte Lösungen anbieten, in Zukunft weiter zunehmen. Diese sind unerlässlich für Entwickler, die ständig steigende Anforderungen moderner Anwendungen erfüllen müssen – ganz gleich, ob sie einen Industrieroboter oder ein Elektrofahrzeug entwickeln.
Wie schon heute werden Elektronikkomponenten einschließlich Steckverbindern und zugehörigen Kabel auch in Zukunft einen beträchtlichen Teil des Gewichts, der Größe und der Kosten aller elektronischen Systeme ausmachen. Indem sie sich die Fortschritte im Bereich der Verbindungstechnik zunutze machen, stellen Systementwickler sicher, dass ihre Anwendungen effizient und zuverlässig sowie auch kosteneffizient und nachhaltig sind – selbst wenn weiterhin mehr Leistung in kleineren, leichteren und energieeffizienteren Gehäusen gefordert ist.
Die Autorin
Jessica Knight
ist Vice President Sales Americas bei Harwin.
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