Bela knjiga o »Board-to-Board« konektor za industrijske senzorje in kamerne sisteme
Hitrejši, manjši, robustnejši: pri uporabi v industrijskih senzorjih in kamerah morajo konektor izpolnjevati vedno več zahtev. Trend gre v smeri modularizacije. S pomočjo konektorjev board-to-board je mogoče tiskane vezje med seboj različno kombinirati in tako bistveno določiti funkcionalnost senzorja. V času Industrije 4.0 morajo biti konektorji ne le vedno manjši in zmogljivejši – poleg miniaturizacije in visoke hitrosti uporaba v industrijskem okolju pogosto zahteva tudi izjemno robustnost. Ta vodnik naj bi vam pomagal najti pravi konektor za vašo aplikacijo strojnega vida.
Pri razvoju sodobnih senzorjev in kamer za industrijske aplikacije so v ospredju tri zahteve: visokohitrostni prenos podatkov, miniaturizacija in robustnost. Te zahteve je le redko mogoče obravnavati ločeno druga od druge – vendar je mogoče glede na prednostne naloge najti optimalni konektor za vašo aplikacijo.
Visokohitrostni prenos podatkov
Pametni senzorji in kamere v industrijskih okoljih v času velikih podatkov (Big Data), interneta stvari (IoT) in industrijskega interneta stvari (IIoT) potrebujejo tudi varen visokohitrostni prenos podatkov. Konektorji (konektor) za visokohitrostne aplikacije morajo imeti ustrezno visoko zmogljivo zasnovo kontaktov. Ker priključni konektor zaradi svoje geometrije predstavlja določen dejavnik tveganja za nihanja v poteku impedanze (impedančni profil), je pri razvoju visokohitrostnih konektorjev posebna pozornost namenjena optimizaciji zasnove kontaktov za nadzor impedanze. Pri tem je pomembno, da se spremembe preseka v konektor po možnosti zmanjšajo na minimum, saj te povzročajo nihanja impedance, ki pa posledično vodijo do izgub pri prenosu signala.
V primeru miniaturiziranih sestavov morajo konektor poleg tega imeti elektromagnetno oklapljanje, saj so zlasti visokofrekvenčni signali še posebej občutljivi na neželene elektromagnetne učinke. Tukaj lahko že majhen impulz zadostuje, da se uporabni signal izkrivi, tako da sprejemnik ne more več nedvoumno razlagati digitalnih stanj. konektor
lahko pri tem prevzame vlogo tako odvodnika motenj kot tudi vira motenj, kar pomeni, da je na eni strani podvržen vplivu drugih komponent sklopka, na drugi strani pa sam elektromagnetno vpliva na okoliške komponente. S medsebojna induktivnost LK, izmerjeno v pikohenrih (pH), je mogoče konektor opisati v obeh vlogah – kot vir in kot odvodnik. Preprosta merilna postavitev uporabnikom pomaga ugotoviti, kateri konektor in katera razporeditev izvodov je potrebna oziroma optimalna za njihovo konkretno uporabo. Za to je treba uporabni signal motiti s pomočjo generatorja impulzov in izmeriti največjo dovoljeno medsebojna induktivnost. Če so znane indukcijska napetost (Uind), napetost generatorja (UGen) ter konstanta generatorja (kGen), je mogoče za vsako uporabo določiti specifično, največjo dovoljeno medsebojna induktivnost (L) s pomočjo naslednje formule:
L = Uind / (UGen * kGen)
medsebojna induktivnost pomaga uporabniku tudi pri izbiri ustreznega konektor glede na njegovo elektromagnetno združljivost. S tem se lahko izogne tudi dragim in časovno zahtevnim preskusom po metodi poskusov in napak v EMC-Laboru.
Poleg tega je mogoče medsebojna induktivnost konektorja zmanjšati s pomočjo oklapljanje. Tukaj je primer uporabe: za HDMI-signal je bila pri napetosti 4,4 kV ugotovljena največja medsebojna induktivnost, specifična za ta primer, v višini 47 pH. Če je vrednost višja, signala ni več mogoče prenašati brez motenj. Spodnja slika prikazuje, da se je medsebojna induktivnost z uporabo zasnove oklopa znatno zmanjšala.
lahko pri tem prevzame vlogo tako odvodnika motenj kot tudi vira motenj, kar pomeni, da je na eni strani podvržen vplivu drugih komponent sklopka, na drugi strani pa sam elektromagnetno vpliva na okoliške komponente. S medsebojna induktivnost LK, izmerjeno v pikohenrih (pH), je mogoče konektor opisati v obeh vlogah – kot vir in kot odvodnik. Preprosta merilna postavitev uporabnikom pomaga ugotoviti, kateri konektor in katera razporeditev izvodov je potrebna oziroma optimalna za njihovo konkretno uporabo. Za to je treba uporabni signal motiti s pomočjo generatorja impulzov in izmeriti največjo dovoljeno medsebojna induktivnost. Če so znane indukcijska napetost (Uind), napetost generatorja (UGen) ter konstanta generatorja (kGen), je mogoče za vsako uporabo določiti specifično, največjo dovoljeno medsebojna induktivnost (L) s pomočjo naslednje formule:
L = Uind / (UGen * kGen)
medsebojna induktivnost pomaga uporabniku tudi pri izbiri ustreznega konektor glede na njegovo elektromagnetno združljivost. S tem se lahko izogne tudi dragim in časovno zahtevnim preskusom po metodi poskusov in napak v EMC-Laboru.
Poleg tega je mogoče medsebojna induktivnost konektorja zmanjšati s pomočjo oklapljanje. Tukaj je primer uporabe: za HDMI-signal je bila pri napetosti 4,4 kV ugotovljena največja medsebojna induktivnost, specifična za ta primer, v višini 47 pH. Če je vrednost višja, signala ni več mogoče prenašati brez motenj. Spodnja slika prikazuje, da se je medsebojna induktivnost z uporabo zasnove oklopa znatno zmanjšala.
Pri tem so bili »boardlocks« ter zunanji kontakti tako pri neoklopljeni kot pri oklopljeni izvedbi povezani z masnim potencialom, medtem ko je bil prek para kontaktov vnesen signal. Izmerjene vrednosti induktivnosti sklopitve je mogoče prikazati s pomočjo barvnih potekov električnega in magnetnega polja. Simulacija s neoklopljenim konektor je pokazala, da pri tem obstaja medsebojna induktivnost do 196 pH. Pri ugotovljeni mejni vrednosti 47 pH ne bi bil več zagotovljen nemoten prenos signala. Pri oklopljenem konektor pa vrednosti induktivnosti sklopitve znašajo od 1 do 4 pH. Te so se torej z oklopom zmanjšale za približno faktor 50, s čimer je bil zagotovljen tudi prenos brez motenj. Pri večjem številu polov je mogoče celo zmanjšanje za faktor 100 do 200.
Za uporabnika ima oklop pozitivne lastnosti v dveh pogledih: po eni strani je zaradi tega konektor (konektor) manjši vir motenj, po drugi strani pa zaradi oklopa (oklapljanje) za signale predstavlja manjši sprejemnik motenj. Z uporabo oklopljenih konektorjev jih je zdaj mogoče namestiti tudi bližje virom motenj in sprejemnikom motenj na tiskanem vezju. Poleg tega omogoča višji razred zmogljivosti pri predpisanih preskusih električne naprave na kratkotrajne in prekomerne napetosti.
Za uporabnika ima oklop pozitivne lastnosti v dveh pogledih: po eni strani je zaradi tega konektor (konektor) manjši vir motenj, po drugi strani pa zaradi oklopa (oklapljanje) za signale predstavlja manjši sprejemnik motenj. Z uporabo oklopljenih konektorjev jih je zdaj mogoče namestiti tudi bližje virom motenj in sprejemnikom motenj na tiskanem vezju. Poleg tega omogoča višji razred zmogljivosti pri predpisanih preskusih električne naprave na kratkotrajne in prekomerne napetosti.
miniaturizacija
Kljub vse večji integraciji funkcij se velikost senzorjev in kamer ne sme povečati. V industrijski avtomatizaciji se večinoma celo zahteva nenehna miniaturizacija, da se stroji lahko izdelujejo vedno bolj kompaktno. Prav tako trend modularnih zgradb senzorjev ali kamer zahteva uporabo ustrezno miniaturiziranih konektor. V zadnjih desetletjih so se konektor zato pri skoraj enaki zmogljivosti zmanjšali na le delček svoje prvotne velikosti.
Za aplikacije s posebej omejenim prostori za vgradnjo je primerna tehnologija površinske montaže (Surface-Mount-Technologie). Ta je posebej prostorsko varčna, saj omogoča obojestransko opremljanje tiskanega vezja ter majhne raster. Z vtiskovalno tehnologijo (tehnologija press-fit) na primer ne bi bilo mogoče uresničiti ozke mreže (raster) le 0,5 mm zaradi fizikalnih sil, ki delujejo med vtiskovanjem – prav tako ne bi bilo mogoče obojestranskega opremljanja tiskanega vezja (montaža tiskanega vezja). Pri miniaturiziranih aplikacijah je treba pri izbiri pravega konektorja upoštevati še en pomemben kriterij: v takih primerih so občutljive komponente sklopov pogosto zelo blizu druga drugi. Zaradi tega obstaja povečano tveganje medsebojnega elektromagnetnega vpliva na komponente. Seveda prenos podatkov v vaši aplikaciji pod nobenim pogojem ne sme biti moten, izkrivljen ali celo preprečen. Zaradi tega zaščita pred elektromagnetnimi motnjami postaja vse pomembnejša. Da bi se izognili motnjam signala, je zato priporočljivo, tako kot pri visokohitrostnih konektorjih (visokohitrostni konektor), tudi v tem primeru izbrati oklopljen konektor.
trdnost
Senzorji in kamerne sisteme, ki se uporabljajo v neposredni bližini strojev, so v posebni meri izpostavljeni surovim vplivom okolja. Da bi elektroniko zaščitili pred temi zunanjimi vplivi, je mogoče celoten sklop zaliti. Za to pa je potrebna tudi rešitev priključkov, ki je združljiva z zalivanjem. Običajni konektor so tu v jasnem zaostanku, saj je treba ranljivi območje spajanja zaščititi pred zalivna masa. Uporabljena tehnologija vzmetno-nožnih kontaktov v tem primeru ne bi zagotavljala potrebne stopnje stopnja zaščite IP za te materiale.
Pri izbiri pravega konektor je zato treba paziti, da se izbere enodelna priključna rešitev, torej konektor, ki ne potrebuje običajnega območje spajanja. S tem zalivna masa omogoča trajno in robustno priključno rešitev, pri čemer pa ne sme prodreti v območje stikov.
Če je treba elektronske komponente preizkusiti glede njihove robustnosti, je to mogoče v okviru laboratorijskih testov. Pri tem mora standardizirani profil udarca (profile) ustrezati zahtevanemu stanju (control), torej pospešku 50 g s toleranco 20 odstotkov (high abort in low abort). V skladu z DIN EN 60068-2-27 je pri tem dovoljena prekinitev stika (prekinitev kontakta) ≤ 1 µs.
Če je treba elektronske komponente preizkusiti glede njihove robustnosti, je to mogoče v okviru laboratorijskih testov. Pri tem mora standardizirani profil udarca (profile) ustrezati zahtevanemu stanju (control), torej pospešku 50 g s toleranco 20 odstotkov (high abort in low abort). V skladu z DIN EN 60068-2-27 je pri tem dovoljena prekinitev stika (prekinitev kontakta) ≤ 1 µs.
Če je konektor (konektor) v vaši aplikaciji izpostavljen izjemno močnim zunanjim vplivom okolja, kot so vibracije, udarci, vlaga, umazanija, ekstremne temperature ali temperaturna nihanja, je potrebna tudi izjemna robustnost. Pri tem lahko pomaga zalivanje (zalivanje) vaše sestavne enote, vendar je priporočljivo, da se ne zanašate izključno na to. Namesto tega priporočamo kombinacijo zalivanje in tehnologija press-fit. Slednja se je že milijardokrat izkazala za uspešno in velja za najbolj robustno in zanesljivo možnost priključitve – tudi v neugodnih pogojih. Pri tehnologija press-fit se konektorjevi pin vtisne v luknjo na tiskanem vezju s skoznjim prevodom, s čimer se ustvari tako električna kot tudi mehanska povezava med konektor in tiskanim vezjem. Hkrati je mogoče doseči prihranke pri stroških do 50 odstotkov, saj se izogne zahtevnim spajkalnim delom in dragim kabelskim rešitvam. Če odpade občutljiv vstavni del (območje spajanja), lahko vtičnik (konektor) v kombinaciji s tehnologijo vtiskovanja (tehnologija press-fit) prenese celo udarne obremenitve od 50 do 200 g brez prekinitve stika (prekinitev kontakta).
Ko so potrebni vsestranski kadri
V teoriji je mogoče te zahteve – visokohitrostni prenos podatkov, miniaturizacija in robustnost – obravnavati relativno ločeno. Kot uporabnik pa boste zagotovo ugotovili, da mora konektor (konektor), ki ga potrebujete, le v redkih primerih izpolnjevati le eno od teh zahtev. Zaradi tega mnogi konektorji izpolnjujejo več teh meril v različnih razmerjih. V nekaterih primerih se splača pogledati tudi »vsestranske« konektorje. Če se na primer hkrati uporablja več konektor, je priporočljivo izbrati družino izdelkov, ki se ponaša z visoko skalabilnostjo. Tako se lahko preprečijo časovno in stroškovno zahtevni postopki odobritve, hkrati pa se zagotovi, da so vsi izdelki iz iste družina konektorjev med seboj združljivi – ne glede na to, ali so oklopljen, neoklopljen, ravni ali kotni.
Kakšno vprašanje?
Kot strokovnjaki za konektor in kontaktne povezave za tiskane vezje z veseljem delimo svoje znanje, npr. v spletnih seminarjih, prilagojenih vašim potrebam:
webinar.ept-group.de
Ali pa se obrnite neposredno na nas z vsemi vprašanji v zvezi s konektor!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, NEMČIJA
Telefon +49 (0) 8861 2501 0
Faks +49 (0) 8861 2501 700
www.ept.de
sales@ept.de
webinar.ept-group.de
Ali pa se obrnite neposredno na nas z vsemi vprašanji v zvezi s konektor!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, NEMČIJA
Telefon +49 (0) 8861 2501 0
Faks +49 (0) 8861 2501 700
www.ept.de
sales@ept.de