חידושים בתחום המחברים החשמליים הזעירים לשימוש צבאי, תעופתי וחלל

תקופת הקורונה גרמה לנזקים רבים בתחום הכלכלי ובמיוחד בתחום שרשראות האספקה עד כדי שיבוש רב שנתי של מערכות הייצור סביב הגלובוס.

בחברת Axon Cables, יצרן צרפתי של חוטים, כבלים מחברים זעירים ורתמות, החליטו להוציא את הטוב ביותר מהמצב ובמקום לצמצם, הפנו משאבים ומהנדסים רבים שנותרו ללא תעסוקה מספקת (בגלל ביטול הזמנות והאטת יצור) לפיתוח מואץ של מוצרים וחידושים. חלק מפיתוחים אלו היו בתכניות הפיתוח בעבר, וחלקם פיתוחים חדשים לגמרי שנועדו להצעיד קדימה את היעילות והפונקציונליות של מחברים שקיימים בשוק שנים רבות. התוצאה היא חידושים רבים בתחום המחברים, חוטים וכבלים. חלקם כבר יצאו לשוק וחלקם בגמר פיתוח.

מאחר ואקסון מייצרת בעיקר מחברים זעירים וקלי משקל ממשפחות ה- Micro-D וה-Nano-D הרי שמזעור הרכיבים הללו ומשקלם לא היו מוטיב מרכזי בפיתוח. הדגש היה יצירת יישומים חדשים, שיפור התפעול והגדלת טווח המחברים באופן משמעותי.

רקע על מחברי Micro & Nano-D

מעצם התכנון שלהם, מחברי ה-Micro-D עומדים בכל הדרישות של התעשייה הצבאית, תעופתית וחלל – חוסן, עמידות, התנגדות נמוכה, זרם גבוה, חוזק דיאלקטרי, רעידות, זעזועים וכו’. עם מירווח בין מגעים של 1.27 מ”מ (.050″), מחברים אלו הנם חצי מגודל מחברי D-sub והם פתרון אידאלי לחיסכון במשקל. הסדרה תואמת לתקן MIL-DTL-83513 , אך יש לה וריאנטים רבים להם אין כיום תו תקן אך משתמשים באותה טכנולוגיה ונבדקים באותם תנאים של התקן המחמיר. חברת Axon מציעה מחברים אלו עבור PCB, חוטים ומכלולי כבלים בגרסת מתכת ופלסטיק. המחברים מבוססים על טכנולוגיית מגע Twist Pin אמינה ביותר, אשר בזכות העיצוב והביצועים שלה מאפשרת למערכת לעמוד בדרישות תובעניות.

יש לזכור שתקני ה- MIL של צבא ארה”ב קפאו במקומם כבר לפני עשרות שנים, ותחומים רבים בהם נעשה שימוש בתקנים אלו לייצור משפחות מחברים חדשות כלל אינם עומדים בתקן, למשל: מיקרו וננו  די עגולים, מספר פינים שונה מהתקן, חיבורי SMT למעגל מודפס, מיקרו די שטוחים ועוד.

למעשה רוב המחברים מסוג זה שנמכרים כיום בחברות השונות אינם עומדים בתקן באופן מלא (אלא רק בביצועים הנדרשים על פיו), מה שנותן לגיטימיות לפתח על בסיס התקן פתרונות חיבור חדישים ומשופרים.

להלן דוגמאות למחברים כאלו שכבר נכנסו לשימוש רחב באירופה והסבר לצורך בהם:

מנגנון נעילה ושחרור מהירים עבור מחברי Micro-D ו-Nano-D: D click

מחברי המיקרו די אמנם אופטימליים לשימוש צבאי, תעופתי וחללי, אך תהליך ההרכבה שלהם יכול לקחת זמן עקב הברגים הדורשים חיבור במומנט סגירה מדוד והברגה מדורגת של הצדדים.

ה-“D-Click” הוא מחבר מיקרו די לכל דבר עם תוספת של פיני הובלה ומנגנון נעילה קפיצי המבטלים את הצורך בברגיי חיבור וצורך למדוד מומנט סגירה של הברגים. התוצאה היא מחבר מאובטח מפני פתיחה (2 מנגנוני הגנת פתיחה אקראית)  שזמן ההרכבה לחיבור זכר לנקבה הוא מספר שניות לעומת כמה דקות בשימוש בברגים.

הצורך בפיתוח כזה היה ברור מזה זמן רב כדי לחסוך שעות הרכבה יקרות למערכת גדולה, ונושא האבטחה כשבסגירה שאינה מדויקת ואינה מבוצעת על ידי איש מקצוע עלול המרכיב לעקם את אחד הפינים וכך לפגום במחבר. נושא החיבור המהיר החל באקסון לפני תקופה ארוכה, אבל לא נמצא מממן לפיתוח ולמבחני האישור.

כמה שישמע מוזר, הכמויות והפתרון נמצאו ביצרן חלל אשר נזקק לכמויות גדולות מהרגיל של מחברים ולשיטה מהירה, יעילה ובטוחה לחברם. לכן התקנים ומבחני האישור הראשונים למוצר בוצעו בשיתוף פעולה עם סוכנות החלל האירופית ESA. אקסון קיבלה הזמנה לחיווט 900 לוויני תקשורת בפרויקט One Web שנועדו לחיבור אינטרנט מהיר בפס רחב. בכל לווין כזה מדובר בכמה יחידות עד כמה עשרות מחברים, מה שהיה מתורגם לאלפי שעות הרכבה עם ברגים ולכן פותח המחבר החדש. מאז עבר זמן והמחבר עבר התאמה לרמה צבאית/תעופתית והמחיר ירד. בפועל, המחירים יחסית דומים לאלו של ה-Micro-D הסטנדרטי. בישראל כבר קיים צרכן גדול למוצר זה מהתעשיות הביטחוניות.

מחברי ה-D-Click נמכרים בעולם באופן נרחב, ומשולבים בפרויקטים רבים החל מתחום החלל (לווינים), תעופה (חיווט למטוסים וטילים) ואף בתחומים אזרחיים כמו חקר ומכונים מדעיים.

ובאם קיים פתרון שכזה, מדוע לא להרחיבו לטווח רחב יותר של מחברים? על כן, החלו בחברה לשלב את עקרונות החיבור המהיר גם עבור מחברי COMBO (מחברים הכוללים סיגנלים, POWER, Coax, ועוד). בנוסף למחברים ומכלולי מיקרו-D עגולים ומלבניים, אקסון מציעה מחברים מסוג Nano-D המבוססים על טכנולוגיית המגע Twist Pin האמינה ביותר. זאת כאשר נדרשים מזעור קיצוני, אמינות, חיסכון בחלל או במשקל. מחברים ננו-מיניאטוריים מבוססים על טכנולוגיית Nano-D עם מרווח מגע של 0.635 מ”מ (.025″ – חצי מהגודל של המיקרו). הביצועים של מחברי הננו-D המוצעים על ידי Axon’ מבוססים על מפרט MIL-DTL-32139 המהווה אחריות של יכולת החלפה או שילוב בין ספקים בטווח הסטנדרטי.

גם פה החידושים שנראה הנם פיני הובלה ומנגנון נעילה קפיצי שפועל גם כמנגנון שחרור, וחיסכון אדיר בזמן הרכבה –  זמן נעילה 2 שניות, זמן שחרור 4 שניות. למנגנון הפרוק יש שתי גרסאות: ידני ועם מפתח.

במוצר זעיר זה זמן ההרכבה עם ברגים היה גדול מאוד כיוון שמקדם הזהירות היה משמעותי מאין כמוהו – בפינים כה עדינים ומזעריים, הסיכוי לכופף או לשבור עולה כשההרכבה מבוצעת על ידי ידיים שאינן מיומנות. כך שמדובר בחסכון דגול בזמן הסגיר והפתיחה. ה-Nano-D מגיע גם בגרסת פלסטיק, שלא היתה קיימת בעבר בחברה ומתווספת לטווח המחברים הרחב שלה.

NESTY – הרכבה עצמית של מיקרו די על ידי הלקוח

אחת הדרישות בהן נתקלנו לאורך השנים היתה נושא ההתקנה העצמית שנדרש אצל חברות רבות על מנת לבצע Customization ולהבטיח תיקון קל ומהיר. מצד אחד, הלקוח מעוניין להשתמש במחברי Micro-D עקב יתרונותיהם הרבים, אך בניגוד למחברים אחרים בשוק (למשל D38999), אין ביכולתו לרכוש קיטים להרכבה עצמית. בנוסף, לא היתה לו אפשרות לתקן במידה והיה שבר במחבר, מה שדורש פירוק ורכישת מחבר חדש. עבור יצירת מחבר Custom, תחום המיקרו די לרוב הנו יקר יותר (שכן נדרשים בתי קונקטור, אינטרסים מיוחדים ומגוון של רכיבים Custom בכמויות קטנות שהפכו את הפתרון למשתלם פחות).

על מנת לענות על צורך זה יצרה אקסון את NESTY, מלשון NEST (קן לציפור), המאחד מגוון רחב של טכנולוגיות בתוך מחבר אחד המבוסס על טכנולוגיית המיקרו די. מדובר בפועל בבית קונקטור ללא פינים וחוטים, המותאם למודלים מגוונים של חיבורים. בבית הקונקטור ישנם פתחים ריבועיים לתוכם נכנסים מודולים מטכנולוגיות וחוטים שונים לפי בחירת לקוח – סיגנלים, Coax, זרם גבוה, תדר גבוה ואפילו אפשרות בפיתוח לשילוב – ETHERNET. טכנולוגיות דומות נמצאות בגרסה כזו או אחרת אצל יצרנים שונים, אולם החידוש במוצר של אקסון הנו בגודלו (גודל ממוזער ואופטימלי), בשימוש בטכנולוגיית המיקרו די (Twist Pin) ובמגוון הרחב של המודלים שהלקוח יכול להזמין בשיטת “עשה זאת בעצמך” (רכישה בחלקים והתאמה אישית לצרכי הפרויקט ללא צורך ברכיבי CUSTOM יקרים מאוד).

מחברים אטומים עם ביצועים של מיקרו די – לשיפור העבודה בדרישות אטימות גבוהות (HERMAX)

מחברים יכולים להיות נקודה “חלשה” בה ישנה דליפה או זליגה מתוך מערכת אטומה אל הסביבה החיצונית שלה או להיפך. מחברים אלו נועדו לבצע חיבורים במערכת משני צדדי הפאנל שתפקידו לאטום בסביבה של לחץ, לחות, גז ועוד. כל סביבה במערכת חייבת להיות מבודדת, אך נקודות התורפה עלולות להיות המגעים של המחבר, היציקה של הפינים ואפילו זליגה דרך החוטים עצמם. לכן, משתמשים במחברים אטומים לדרגות אטימה שונות בהתאם לצורך ולסביבת המערכת. בעוד שמחברים רבים ניתן לאטום עם חומר יציקה מיועד באחורי מחבר, ישנם לחצים שאינם מאפשרים אטימה שכזאת ובמקרה שיש צורך בהרמטיות גבוהה משתמשים לרוב ב-Glass seal. בעוד שאטימה זו הנה טובה, לרוב החומרים הנדרשים לשימוש בסוג מחבר זה מוליכים פחות, שבירים יותר ופחות נוחים לעבודה.

לכן, באקסון פיתחו את מחבר ה-HERMAX – מחבר אטום עד ל- < 1.10^-11 בגוף אלומיניום, המשתמש בזכוכית קרמית להתכה בטמפרטורה נמוכה ומאפשר אטימה מעולה. המוליכות של מגעי המחבר זהה לתקן המיקרו די (3 AMP per contact), נבדקת ב-100% ל-Leak Test, והולכת מעבר לסטנדרט הצבאי. הסדרה נבדקה במעל ל-400 Thermal Shock Cycles, ובטמפרטורות של 200- מעלות ועד 220°c. הסדרה מציעה גם חיבור לפאנל בכמה שיטות, ביניהן Laser Welding או עם O-Ring, והיא בעלת תאימות למגוון או-רינגים סטנדרטיים.

הדור החדש של העברת נתונים מהירה ל-Spacewire – MicroMach technology

כאשר מדברים על Spacewire, ברירת המחדל היא שימוש במחברי 9 פין בעלי אימפדנס מבוקר של 100 Ohm. אקסון נבחרה על ידי ESA, סוכנות החלל האירופאית, ללוות אותם בתהליך של יצירת הדור החדש להעברת נתונים מהירה ב-Spacewire וכך נולד ה-MicroMach. תואם לתקנים ESCC3902/003  ו-

ESCC3902/004, מדובר במחבר זעיר במידות דומות למחבר מיקרו די סטנדרטי של 9 פין, המיועד להעברת נתונים מהירה מאוד. אמנם רבים מהפיתוחים מתחילים את צעדיהם הראשונים בתחום החלל (עקב הקשר ההדוק בין אקסון לבין ESA ו-CNES), אך עד מהרה נוצרות גרסאות חלל ותעופה. מדובר בפתרון משופר, בעל

הגנת EMI מעולה על איכות האות בסיכוך היקפי של 360 מעלות, אימפדנס מבוקר 100 Ohm ו-Crosstalk נמוך במיוחד.

---

תמונת כותרת: Harnais Demo  קרדיט: Nissan Aviation