Biela kniha: Board-to-Board konektor pre priemyselné senzory a kamerové systémy
Rýchlejšie, menšie, odolnejšie: Pri použití v priemyselných senzoroch a kamerových systémoch musia konektory (konektor) 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 určovať funkčnosť senzora. V ére Priemyslu 4.0 musia byť konektory nielen stále menšie a výkonnejšie – okrem miniaturizácie a vysokej rýchlosti si použitie v priemyselnom prostredí často vyžaduje 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 vo veľmi zriedkavých prípadoch dajú posudzovať oddelene od seba – v závislosti od zamerania však možno nájsť optimálny konektor pre vašu aplikáciu.
Vysokorýchlostný prenos dát
Inteligentné senzory a kamery v priemyselnom prostredí vyžadujú v ére Big Data, IoT a IIoT aj bezpečný vysokorýchlostný prenos dát. Konektory (konektor) pre vysokorýchlostné aplikácie by mali mať zodpovedajúci vysoko výkonný dizajn kontaktov. Keďže konektor (konektor) vzhľadom na svoju geometriu predstavuje určitý rizikový faktor pre kolísanie priebehu impedancie (impedančný profil), pri vývoji vysokorýchlostných konektorov sa venuje osobitná pozornosť optimalizácii konštrukcie kontaktov s cieľom regulovať impedanciu. Pri tom je dôležité, aby sa zmeny prierezu v konektor v rámci možností zredukovali na minimum, pretože tieto zmeny spôsobujú kolísanie impedancie, čo zase vedie k stratám pri prenose signálu.
V prípade miniaturizovaných zostáv by mali konektory (konektor) navyše disponovať elektromagnetickým tienenie, keďže najmä vysokofrekvenčné signály sú obzvlášť náchylné 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 pritom plniť úlohu ako prijímača rušenia, tak aj zdroja rušenia, t. j. na jednej strane podlieha vplyvu iných komponentov zostavy a na druhej strane sám elektromagneticky pôsobí na okolité súčiastky. Pomocou vzájomná indukčnosť 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 maximálne prípustnú vzájomná indukčnosť. Ak sú známe indukované napätie (Uind), napätie generátora (UGen) a konštanta generátora (kGen), je možné pre každú aplikáciu určiť príslušnú špecifickú, maximálne prípustnú vzájomná indukčnosť (L) pomocou nasledujúceho vzorca:
L = Uind / (UGen * kGen)
konektor pomôže používateľovi navyše pri výbere vhodného konektor z hľadiska jeho elektromagnetickej kompatibility. Týmto spôsobom je možné vyhnúť sa aj nákladným a časovo náročným testom metódou pokusov a omylov v EMC-Laboru.
Okrem toho je možné znížiť vzájomná indukčnosť konektora pomocou tienenie. Tu je príklad použitia: Pre signál HDMI bola pri napätí 4,4 kV stanovená maximálna vzájomná indukčnosť 47 pH špecifická pre daný prípad. Ak je táto hodnota vyššia, signál už nemožno prenášať bez rušenia. Nasledujúci obrázok ukazuje, že vzájomná indukčnosť bola výrazne znížená použitím koncepcie tienenia.
môže pritom plniť úlohu ako prijímača rušenia, tak aj zdroja rušenia, t. j. na jednej strane podlieha vplyvu iných komponentov zostavy a na druhej strane sám elektromagneticky pôsobí na okolité súčiastky. Pomocou vzájomná indukčnosť 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 maximálne prípustnú vzájomná indukčnosť. Ak sú známe indukované napätie (Uind), napätie generátora (UGen) a konštanta generátora (kGen), je možné pre každú aplikáciu určiť príslušnú špecifickú, maximálne prípustnú vzájomná indukčnosť (L) pomocou nasledujúceho vzorca:
L = Uind / (UGen * kGen)
konektor pomôže používateľovi navyše pri výbere vhodného konektor z hľadiska jeho elektromagnetickej kompatibility. Týmto spôsobom je možné vyhnúť sa aj nákladným a časovo náročným testom metódou pokusov a omylov v EMC-Laboru.
Okrem toho je možné znížiť vzájomná indukčnosť konektora pomocou tienenie. Tu je príklad použitia: Pre signál HDMI bola pri napätí 4,4 kV stanovená maximálna vzájomná indukčnosť 47 pH špecifická pre daný prípad. Ak je táto hodnota vyššia, signál už nemožno prenášať bez rušenia. Nasledujúci obrázok ukazuje, že vzájomná indukčnosť bola výrazne znížená použitím koncepcie tienenia.
Boardlocky, ako aj vonkajšie kontakty boli pritom tak v netienenom, ako aj v tienenom 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 netieneným konektorom (konektor) ukázala, že v tomto prípade dochádza k indukčnému prepojeniu (vzájomná indukčnosť) až do hodnoty 196 pH. Pri zistenej hraničnej hodnote 47 pH by tak už nebolo zaručené rušenie-voľné prenášanie signálu. Naopak, v prípade teneného konektora (konektor) sa hodnoty indukčnosti väzby pohybujú v rozmedzí 1 až 4 pH. Tieto hodnoty sa teda vďaka tieneniu podarilo znížiť približne 50-násobne, čím sa zabezpečil aj prenos bez rušenia. Pri vyššom počte pólov je možné dosiahnuť zníženie dokonca 100- až 200-násobne.
Pre používateľa má tienenie pozitívne vlastnosti v dvoch ohľadoch: Na jednej strane pôsobí konektor (konektor) vďaka tomu menej ako zdroj rušenia, na druhej strane predstavuje vďaka tienenie 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 tým umožňuje dosiahnuť vyššiu výkonovú triedu pri predpísaných skúškach na impulzné a prepäťové zaťaženie elektrického zariadenia.
Pre používateľa má tienenie pozitívne vlastnosti v dvoch ohľadoch: Na jednej strane pôsobí konektor (konektor) vďaka tomu menej ako zdroj rušenia, na druhej strane predstavuje vďaka tienenie 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 tým umožňuje dosiahnuť vyššiu výkonovú triedu pri predpísaných skúškach na impulzné a prepäťové zaťaženie elektrického zariadenia.
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 čoraz kompaktnejšie. Rovnako aj trend smerom k modulárnej konštrukcii senzorov alebo kamier vyžaduje použitie zodpovedajúcich miniaturizovaných konektorov (konektor). V uplynulých desaťročiach sa preto konektory pri takmer identickej výkonnosti zmenšili na zlomok svojej pôvodnej veľkosti.
Pre aplikácie s obzvlášť obmedzeným montážnym priestorom sa hodí technológia povrchovej montáže (Surface-Mount-Technologie). Je mimoriadne priestorovo úsporná, pretože umožňuje obojstranné osadenie dosky s plošnými spojmi, ako aj malé rozstupy (rozteč). S technológiou vtláčania (technológia press-fit) by napríklad nebolo možné realizovať úzky rozstup iba 0,5 mm kvôli fyzikálnym silám pôsobiacim pri procese vtláčania – rovnako ako obojstranné osadenie dosky s plošnými spojmi (osadzovanie DPS). V prípade miniaturizovaných aplikácií je navyše potrebné zohľadniť ďalšie dôležité kritérium pri výbere správneho konektora: citlivé komponenty modulu sú v týchto prípadoch často umiestnené veľmi blízko seba. Tým vzniká zvýšené riziko vzájomného elektromagnetického rušenia komponentov. Samozrejme, prenos dát vo vašej aplikácii nesmie byť za žiadnych okolností rušený, skreslený ani dokonca znemožnený. Z tohto dôvodu nadobúda ochrana proti elektromagnetickému rušeniu čoraz väčší význam. Aby sa predišlo rušeniu signálu, odporúča sa preto, rovnako ako v prípade vysokorýchlostných konektorov (vysokorýchlostný konektor), zvoliť aj v tomto prípade vysokorýchlostný konektor.
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 rovnako kompatibilné so zalievaním. Bežné konektory (konektor) sú tu jasne v nevýhode, pretože citlivá oblasť zapojenia (oblasť spájania) musí byť chránená pred zalievacou hmotou (zalievacia hmota). Použitá technológia pružinovo-nožových kontaktov by v tomto prípade nespĺňala požadovanú stupeň ochrany IP pre tieto materiály.
Pri výbere správneho konektora (konektor) je preto potrebné dbať na to, aby sa zvolilo jednodielne pripojovacie riešenie, teda konektor, ktorý sa zaobíde bez tradičnej zásuvnej časti (oblasť spájania). Vďaka tomu umožňuje zalievacia hmota (zalievacia hmota) trvalé a robustné pripojenie, pričom však nemôže preniknúť do kontaktnej oblasti.
Ak sa majú elektronické súčiastky testovať z hľadiska ich odolnosti, 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 (prerušenie kontaktu) ≤ 1 µs.
Ak sa majú elektronické súčiastky testovať z hľadiska ich odolnosti, 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 (prerušenie kontaktu) ≤ 1 µs.
Ak je konektor (konektor) vo vašej aplikácii vystavený extrémnym vplyvom vonkajšieho prostredia, ako sú vibrácie, nárazy, vlhkosť, nečistoty, extrémne teploty alebo teplotné výkyvy, je potrebná aj extrémna odolnosť. Pomôcť môže zalievanie (zalievanie) vášho modulu, avšak odporúča sa nespoliehať sa výlučne na to. Namiesto toho sa odporúča kombinácia zalievania (zalievanie) a techniky vtláčania (technológia press-fit). 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 (pin) 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 (oblasť spájania), môže konektor v kombinácii s technológiou vtláčania (technológia press-fit) vydržať dokonca nárazové zaťaženie od 50 do 200 g bez prerušenia kontaktu (prerušenie kontaktu).
Keď je potrebný všestranný pracovník
V teorii je možné tieto požiadavky – vysokorýchlostný prenos dát, miniaturizácia a odolnosť – vnímať relatívne oddelene. Ako používateľ však určite zistíte, že konektor (konektor), ktorý potrebujete, len vo veľmi zriedkavých prípadoch musí spĺňať iba jednu z týchto požiadaviek. Z tohto dôvodu mnoho konektorov spĺňa viacero z týchto kritérií v rôznej miere. V niektorých prípadoch sa oplatí pozrieť sa aj na „všestranné“ konektory. Ak sa napríklad používa viacero konektorov (konektor) súčasne, odporúča sa siahnuť po produktovej rodine, ktorá vykazuje vysokú škálovateľnosť. Takto je možné predísť časovo a finančne náročným schvaľovacím cyklom a zároveň zabezpečiť, že všetky produkty z jednej rodiny konektorov (rodina konektorov) sú navzájom kompatibilné – bez ohľadu na to, či sú tienený, netienený, rovné alebo uhlový.
Máte nejaké otázky?
Ako odborníci na konektory a kontakty pre dosky s plošnými spojmi radi zdieľame naše znalosti, napr. v webinároch prispôsobených vašim potrebám:
webinar.ept-group.de
Alebo sa na nás priamo obráťte so všetkými otázkami týkajúcimi sa konektorov!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, NEMECKO
Telefón +49 (0) 8861 2501 0
Fax +49 (0) 8861 2501 700
www.ept.de
sales@ept.de
webinar.ept-group.de
Alebo sa na nás priamo obráťte so všetkými otázkami týkajúcimi sa konektorov!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, NEMECKO
Telefón +49 (0) 8861 2501 0
Fax +49 (0) 8861 2501 700
www.ept.de
sales@ept.de