Biela kniha: Konektory typu board-to-board pre priemyselné senzory a kamerové systémy
Rýchlejšie, menšie, odolnejšie: Pri použití v priemyselných senzoroch a kamerových systémoch musia konektory spĺňať čoraz viac požiadaviek. Trend smeruje k modularizácii. Pomocou konektorov typu board-to-board je možné dosky s plošnými spojmi variabilne kombinovať a tým podstatne ovplyvniť funkčnosť senzora. V ére priemyslu 4.0 musia byť konektory nielen stále menšie a výkonnejšie – okrem miniaturizácie a vysokej rýchlosti vyžaduje použitie v priemyselnom prostredí často aj extrémnu odolnosť. Táto príručka vám pomôže nájsť správny konektor pre vašu aplikáciu strojového videnia.
Pri vývoji moderných senzorov a kamerových systémov pre priemyselné aplikácie sú v popredí tri požiadavky: vysokorýchlostný prenos dát, miniaturizácia a odolnosť. Tieto požiadavky sa len málokedy dajú posudzovať oddelene – v závislosti od toho, na čo sa zameriate, však môžete nájsť optimálny konektor pre vašu aplikáciu.
Vysokorýchlostný prenos dát
Inteligentné senzory a kamery v priemyselnom prostredí vyžadujú v ére veľkých dát, IoT a IIoT aj bezpečný vysokorýchlostný prenos dát. Konektory pre vysokorýchlostné aplikácie by mali mať zodpovedajúci vysoko výkonný dizajn kontaktov. Keďže konektor vzhľadom na svoju geometriu predstavuje určitý rizikový faktor pre kolísanie impedancie, pri vývoji vysokorýchlostných konektorov sa venuje osobitná pozornosť optimalizácii dizajnu kontaktov na riadenie impedancie. Pri tom je dôležité, aby sa zmeny prierezu v konektore v čo najväčšej miere zredukovali na minimum, pretože tieto zmeny majú za následok kolísanie impedancie, čo zase vedie k stratám pri prenose signálu.
V prípade miniaturizovaných zostáv by konektory mali byť navyše vybavené elektromagnetickým tienením, pretože najmä vysokofrekvenčné signály sú obzvlášť citlivé na nežiaduce elektromagnetické vplyvy. V takomto prípade môže stačiť už aj malý impulz na skreslenie užitočného signálu, v dôsledku čoho prijímač už nedokáže jednoznačne interpretovať digitálne stavy.
Konektor môže pri tom plniť úlohu ako prijímača rušenia, tak aj zdroja rušenia, t. j. na jednej strane podliehať vplyvu iných komponentov zostavy a na druhej strane sám elektromagneticky pôsobiť na okolité komponenty. Pomocou spojovacej indukčnosti LK, meranej v picohenry (pH), je možné konektor opísať v oboch funkciách – ako zdroj aj ako prijímač. Jednoduchá meracie zostava pomáha používateľom zistiť, ktorý konektor a ktoré zapojenie pinov je pre ich konkrétnu aplikáciu potrebné, resp. optimálne. Na tento účel je potrebné rušiť užitočný signál pomocou generátora impulzov a zmerať maximálnu prípustnú indukčnosť. Ak sú známe indukované napätie (Uind), napätie generátora (UGen) a konštanta generátora (kGen), je možné pre každú aplikáciu určiť príslušnú špecifickú maximálne prípustnú indukčnosť (L) pomocou nasledujúceho vzorca:
L = Uind / (UGen * kGen)
Indukčnosť pomáha používateľovi tiež pri výbere vhodného konektora z hľadiska elektromagnetickej kompatibility. Týmto spôsobom je možné vyhnúť sa nákladným a časovo náročným testom metódou pokusov a omylov v laboratóriu EMC. Okrem
toho je možné znížiť indukčnosť konektora pomocou tienenia. Tu je príklad použitia: Pre signál HDMI bola pri napätí 4,4 kV stanovená maximálna indukčnosť prepojenia 47 pH špecifická pre daný prípad. Ak je hodnota vyššia, signál už nemožno prenášať bez rušenia. Nasledujúci obrázok ukazuje, že indukčnosť prepojenia bola výrazne znížená použitím koncepcie tienenia.
Konektor môže pri tom plniť úlohu ako prijímača rušenia, tak aj zdroja rušenia, t. j. na jednej strane podliehať vplyvu iných komponentov zostavy a na druhej strane sám elektromagneticky pôsobiť na okolité komponenty. Pomocou spojovacej indukčnosti LK, meranej v picohenry (pH), je možné konektor opísať v oboch funkciách – ako zdroj aj ako prijímač. Jednoduchá meracie zostava pomáha používateľom zistiť, ktorý konektor a ktoré zapojenie pinov je pre ich konkrétnu aplikáciu potrebné, resp. optimálne. Na tento účel je potrebné rušiť užitočný signál pomocou generátora impulzov a zmerať maximálnu prípustnú indukčnosť. Ak sú známe indukované napätie (Uind), napätie generátora (UGen) a konštanta generátora (kGen), je možné pre každú aplikáciu určiť príslušnú špecifickú maximálne prípustnú indukčnosť (L) pomocou nasledujúceho vzorca:
L = Uind / (UGen * kGen)
Indukčnosť pomáha používateľovi tiež pri výbere vhodného konektora z hľadiska elektromagnetickej kompatibility. Týmto spôsobom je možné vyhnúť sa nákladným a časovo náročným testom metódou pokusov a omylov v laboratóriu EMC. Okrem
toho je možné znížiť indukčnosť konektora pomocou tienenia. Tu je príklad použitia: Pre signál HDMI bola pri napätí 4,4 kV stanovená maximálna indukčnosť prepojenia 47 pH špecifická pre daný prípad. Ak je hodnota vyššia, signál už nemožno prenášať bez rušenia. Nasledujúci obrázok ukazuje, že indukčnosť prepojenia bola výrazne znížená použitím koncepcie tienenia.
Boardlocky aj vonkajšie kontakty boli pritom pri nestienenom aj stienenom vyhotovení pripojené na potenciál zeme, zatiaľ čo cez pár kontaktov bol privedený signál. Namerané hodnoty indukčnosti väzby je možné demonštrovať pomocou farebných priebehov elektrického a magnetického poľa. Simulácia s nestieneným konektorom ukázala, že v tomto prípade existuje indukčnosť väzby až do 196 pH. Pri zistenej hraničnej hodnote 47 pH by tak už nebolo zaručené nerušené prenášanie signálu. Naopak, pri tienenom konektore sa hodnoty indukčnosti dosahujú v rozmedzí 1 až 4 pH. Týmto tienením sa teda podarilo znížiť hodnoty približne 50-násobne a zabezpečiť tak prenos bez rušenia. Pri vyššom počte pólov je možné dosiahnuť zníženie dokonca 100- až 200-násobne.
Pre používateľa má tienenie dve pozitívne vlastnosti: na jednej strane konektor pôsobí menej ako zdroj rušenia, na druhej strane predstavuje vďaka tieneniu pre signály menšiu prijímaciu plochu rušenia. Vďaka použitiu tienených konektorov je teraz možné umiestniť ich bližšie k zdrojom rušenia a prijímacím plochám rušenia na doske s plošnými spojmi. Okrem toho sa umožňuje dosiahnuť vyššiu výkonovú triedu pri predpísaných skúškach elektrického zariadenia na impulzné a prepäťové zaťaženie.
Pre používateľa má tienenie dve pozitívne vlastnosti: na jednej strane konektor pôsobí menej ako zdroj rušenia, na druhej strane predstavuje vďaka tieneniu pre signály menšiu prijímaciu plochu rušenia. Vďaka použitiu tienených konektorov je teraz možné umiestniť ich bližšie k zdrojom rušenia a prijímacím plochám rušenia na doske s plošnými spojmi. Okrem toho sa umožňuje dosiahnuť vyššiu výkonovú triedu pri predpísaných skúškach elektrického zariadenia na impulzné a prepäťové zaťaženie.
miniaturizácia
Napriek rastúcej integrácii funkcií sa rozmery senzorov a kamerových systémov nesmú zväčšovať. V priemyselnej automatizácii sa väčšinou vyžaduje dokonca neustála miniaturizácia, aby bolo možné stroje vyrábať stále kompaktnejšie. Rovnako aj trend smerom k modulárnej konštrukcii senzorov alebo kamier si vyžaduje použitie zodpovedajúcich miniaturizovaných konektorov. V uplynulých desaťročiach sa preto konektory pri takmer identickej výkonnosti zmenšili na zlomok svojej pôvodnej veľkosti.
Pre aplikácie s mimoriadne obmedzeným montážnym priestorom je vhodná technológia povrchovej montáže. Je mimoriadne priestorovo úsporná, pretože umožňuje obojstranné osadenie dosky s plošnými spojmi, ako aj malé rozstupy. S technológiou vtláčania by napríklad nebolo možné realizovať úzke rozstupy iba 0,5 mm kvôli fyzikálnym silám pôsobiacim pri procese vtláčania – rovnako ako obojstranné osadenie dosky s plošnými spojmi. V prípade miniaturizovaných aplikácií je potrebné pri výbere správneho konektora zohľadniť aj ďalšie dôležité kritérium: citlivé komponenty zostavy sú v týchto prípadoch často umiestnené veľmi blízko seba. V dôsledku toho vzniká zvýšené riziko vzájomného elektromagnetického ovplyvňovania komponentov. Samozrejme, prenos dát vo vašej aplikácii nesmie byť za žiadnych okolností rušený, skreslený alebo dokonca zabránený. Z tohto dôvodu nadobúda ochrana proti elektromagnetickému rušeniu čoraz väčší význam. Aby sa predišlo rušeniu signálu, odporúča sa, rovnako ako v prípade vysokorýchlostných konektorov, zvoliť aj tu konektor so tienením.
Odolnosť
Senzory a kamerové systémy, ktoré sa používajú v blízkosti strojov, sú vo veľkej miere vystavené drsným vplyvom prostredia. Na ochranu elektroniky pred týmito vonkajšími vplyvmi je možné celú zostavu zaliať. Na tento účel je však potrebné riešenie pripojenia, ktoré je kompatibilné so zalievaním. Bežné konektory sú v tomto prípade jasne v nevýhode, pretože citlivá oblasť konektora musí byť chránená pred zalievacou hmotou. Použitá technológia pružinových a nožových kontaktov by v tomto prípade nespĺňala požadovanú triedu ochrany IP pre tieto materiály.
Pri výbere správneho konektora je preto potrebné zvoliť jednodielne pripojenie, teda konektor, ktorý sa zaobíde bez bežnej zásuvnej časti. Týmto spôsobom zabezpečuje zalievacia hmota trvalé a odolné pripojenie, pričom však nemôže preniknúť do oblasti kontaktov.
Ak je potrebné otestovať odolnosť elektronických komponentov, je to možné v rámci laboratórnych testov. Pri tom musí normalizovaný profil nárazu (profile) zodpovedať požadovanému stavu (control), teda zrýchleniu 50 g s toleranciou 20 percent (high abort a low abort). Podľa normy DIN EN 60068-2-27 je pritom prípustné prerušenie kontaktu ≤ 1 µs.
Ak je potrebné otestovať odolnosť elektronických komponentov, je to možné v rámci laboratórnych testov. Pri tom musí normalizovaný profil nárazu (profile) zodpovedať požadovanému stavu (control), teda zrýchleniu 50 g s toleranciou 20 percent (high abort a low abort). Podľa normy DIN EN 60068-2-27 je pritom prípustné prerušenie kontaktu ≤ 1 µs.
Ak je konektor vo vašej aplikácii vystavený extrémnym vonkajším vplyvom prostredia, ako sú vibrácie, nárazy, vlhkosť, nečistoty, extrémne teploty alebo teplotné výkyvy, je potrebná aj extrémna odolnosť. Pomôcť môže zalievanie vášho modulu, avšak neodporúča sa spoliehať sa výlučne na to. Namiesto toho sa odporúča kombinácia zalievania a techniky vtláčania. Tá sa už osvedčila v miliardách prípadov a považuje sa za najodolnejšiu a najspoľahlivejšiu možnosť pripojenia – aj za nepriaznivých podmienok. Pri technike vtláčania sa kolík konektora vtlačí do priechodného otvoru dosky plošných spojov, čím sa vytvorí elektrické aj mechanické spojenie medzi konektorom a doskou plošných spojov. Zároveň je možné dosiahnuť úspory nákladov až do výšky 50 percent, pretože sa vyhnete náročným spájkovacím prácam a drahým káblovým riešeniam. Ak sa vynechá citlivá zásuvná časť, konektor v kombinácii s technológiou vtláčania môže vydržať dokonca nárazové zaťaženie od 50 do 200 g bez prerušenia kontaktu.
Keď je potrebný všestranný pracovník
V teoretickej rovine je možné tieto požiadavky – vysokorýchlostný prenos dát, miniaturizácia a odolnosť – vnímať ako relatívne odlišné. Ako používateľ však určite zistíte, že konektor, ktorý potrebujete, len málokedy musí spĺňať iba jednu z týchto požiadaviek. Z tohto dôvodu mnoho konektorov spĺňa viaceré z týchto kritérií v rôznej miere. V niektorých prípadoch sa oplatí pozrieť aj na „všestranné“ konektory. Ak sa napríklad používa viacero konektorov súčasne, odporúča sa siahnuť po produktovej rodine, ktorá vykazuje vysokú škálovateľnosť. Takto je možné zabrániť časovo a nákladovo náročným schvaľovacím cyklom a zároveň zabezpečiť, že všetky produkty jednej rodiny konektorov sú navzájom kompatibilné – bez ohľadu na to, či sú tienené, netienené, rovné alebo ohnuté.
Máte nejaké otázky?
Ako odborníci na konektory a kontakty pre dosky s plošnými spojmi radi zdieľame naše znalosti, napríklad prostredníctvom webinárov prispôsobených vašim potrebám:
www.webinar.ept-group.de
Alebo sa na nás obráťte priamo so všetkými otázkami týkajúcimi sa konektorov!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, NEMECKO
Telefón +49 (0) 88 61 2501-0
Fax +49 (0) 88 61 2501-700
www.ept.de sales@ept.de
www.webinar.ept-group.de
Alebo sa na nás obráťte priamo so všetkými otázkami týkajúcimi sa konektorov!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, NEMECKO
Telefón +49 (0) 88 61 2501-0
Fax +49 (0) 88 61 2501-700
www.ept.de sales@ept.de