Whitepaper: Board-to-Board-konektor pro průmyslové senzory a kamerové systémy
Rychlejší, menší, odolnější: Při použití v průmyslových senzorech a kamerových systémech musí konektkonektor splňovat stále více požadavků. Trend směřuje k modularizaci. Pomocí konektorů typu „deska-deska“ lze desky plošných spojů variabilně kombinovat a tím významně určovat funkčnost senzoru. V éře Průmyslu 4.0 musí být konektory nejen stále menší a výkonnější – kromě miniaturizace a vysokých rychlostí vyžaduje použití v průmyslovém prostředí často i extrémní odolnost. Tato příručka vám pomůže najít správný konektor pro vaši aplikaci strojového vidění.
Při vývoji moderních senzorů a kamerových systémů pro průmyslové aplikace stojí v popředí tři požadavky: vysokorychlostní přenos dat, miniaturizace a odolnost. Tyto požadavky lze jen ve výjimečných případech posuzovat odděleně od sebe – v závislosti na prioritách však lze najít optimální konektor pro vaši aplikaci.
Vysokorychlostní přenos dat
Inteligentní senzory a kamery v průmyslovém prostředí vyžadují v době velkých dat (Big Data), internetu věcí (IoT) a průmyslového internetu věcí (IIoT) také bezpečný vysokorychlostní přenos dat. Konektory (konektor) pro vysokorychlostní aplikace by měly mít odpovídající vysoce výkonný design kontaktů. Vzhledem k tomu, že konektor (konektor) představuje kvůli své geometrii určitý rizikový faktor pro kolísání průběh impedance, je při vývoji vysokorychlostních konektorů třeba věnovat zvláštní pozornost optimalizaci konstrukce kontaktů za účelem řízení impedance. Zde je důležité co nejvíce omezit změny průřezu v konektor, protože ty způsobují kolísání impedance, které zase vede ke ztrátám při přenosu signálu.
V případě miniaturizovaných sestav by navíc konektor měly být vybaveny elektromagnetickým stínění, protože zejména vysokofrekvenční signály jsou obzvláště náchylné k nežádoucím elektromagnetickým vlivům. Zde může stačit i malý impuls k zkreslení užitečného signálu, takže přijímač již nedokáže jednoznačně interpretovat digitální stavy. konektor
(konektor) může přitom plnit roli jak přijímače rušení, tak i jeho zdroje, tedy na jedné straně podléhat vlivu jiných komponent sestavy a na druhé straně sám elektromagneticky působit na okolní součástky. Pomocí vzájemná indukčnost LK, měřené v picohenry (pH), lze konektor popsat v obou funkcích – jako zdroj i jako přijímač. Jednoduchá měřicí sestava pomáhá uživatelům zjistit, který konektor a jaké zapojení pinů je pro jejich konkrétní aplikaci nezbytné, resp. optimální. K tomu je třeba rušit užitečný signál pomocí generátoru burstů a změřit maximálně přípustnou vzájemná indukčnost. Jsou-li známy indukované napětí (Uind), napětí generátoru (UGen) a konstanta generátoru (kGen), lze pro každou aplikaci určit příslušnou specifickou, maximálně přípustnou vzájemná indukčnost (L) pomocí následujícího vzorce:
L = Uind / (UGen * kGen)
vzájemná indukčnost navíc pomáhá uživateli určit vhodný konektor z hlediska jeho elektromagnetické kompatibility. Tím lze také obejít nákladné a časově náročné testy metodou pokusů a omylů v EMC-Laboru pro elektromagnetickou kompatibilitu.
Kromě toho je možné snížit vzájemná indukčnost konektoru pomocí stínění. Zde je příklad použití: Pro signál HDMI byla při napětí 4,4 kV stanovena maximální vzájemná indukčnost hodnota 47 pH specifická pro daný případ. Pokud je hodnota vyšší, nelze signál přenášet bez rušení. Následující obrázek ukazuje, že vzájemná indukčnost byla díky použití stínícího řešení významně snížena.
(konektor) může přitom plnit roli jak přijímače rušení, tak i jeho zdroje, tedy na jedné straně podléhat vlivu jiných komponent sestavy a na druhé straně sám elektromagneticky působit na okolní součástky. Pomocí vzájemná indukčnost LK, měřené v picohenry (pH), lze konektor popsat v obou funkcích – jako zdroj i jako přijímač. Jednoduchá měřicí sestava pomáhá uživatelům zjistit, který konektor a jaké zapojení pinů je pro jejich konkrétní aplikaci nezbytné, resp. optimální. K tomu je třeba rušit užitečný signál pomocí generátoru burstů a změřit maximálně přípustnou vzájemná indukčnost. Jsou-li známy indukované napětí (Uind), napětí generátoru (UGen) a konstanta generátoru (kGen), lze pro každou aplikaci určit příslušnou specifickou, maximálně přípustnou vzájemná indukčnost (L) pomocí následujícího vzorce:
L = Uind / (UGen * kGen)
vzájemná indukčnost navíc pomáhá uživateli určit vhodný konektor z hlediska jeho elektromagnetické kompatibility. Tím lze také obejít nákladné a časově náročné testy metodou pokusů a omylů v EMC-Laboru pro elektromagnetickou kompatibilitu.
Kromě toho je možné snížit vzájemná indukčnost konektoru pomocí stínění. Zde je příklad použití: Pro signál HDMI byla při napětí 4,4 kV stanovena maximální vzájemná indukčnost hodnota 47 pH specifická pro daný případ. Pokud je hodnota vyšší, nelze signál přenášet bez rušení. Následující obrázek ukazuje, že vzájemná indukčnost byla díky použití stínícího řešení významně snížena.
Boardlocky i vnější kontakty byly přitom jak u nestíněného, tak u stíněného provedení připojeny na potenciál země, zatímco signál byl přiváděn přes jeden pár kontaktů. Naměřené hodnoty vazební indukčnosti lze demonstrovat pomocí barevných průběhů elektrického a magnetického pole. Simulace s nestíněným konektor ukázala, že v tomto případě dochází ke vzájemná indukčnost až 196 pH. Při stanovené mezní hodnotě 47 pH by tak již nebyl zaručen nerušený přenos signálu. U stíněného konektoru (konektor) se naopak hodnoty vazebné indukčnosti pohybují v rozmezí 1 až 4 pH. Tyto hodnoty se tedy díky stínění podařilo snížit přibližně o faktor 50, čímž byl zajištěn bezporuchový přenos. U konektorů s větším počtem kontaktů je dokonce možné snížení o faktor 100 až 200.
Pro uživatele má stínění pozitivní vlastnosti ve dvou ohledech: Zaprvé tím konektor (konektor) působí méně jako zdroj rušení, zadruhé díky stínění (stínění) představuje pro signály menší jímku rušení. Díky použití stíněných konektorů je nyní navíc možné je umístit blíže ke zdrojům rušení a jímkám rušení na desce plošných spojů. Navíc se tím umožňuje dosáhnout vyšší výkonnostní třídy při předepsaných zkouškách na špičkové a přepěťové zatížení elektrického zařízení.
Pro uživatele má stínění pozitivní vlastnosti ve dvou ohledech: Zaprvé tím konektor (konektor) působí méně jako zdroj rušení, zadruhé díky stínění (stínění) představuje pro signály menší jímku rušení. Díky použití stíněných konektorů je nyní navíc možné je umístit blíže ke zdrojům rušení a jímkám rušení na desce plošných spojů. Navíc se tím umožňuje dosáhnout vyšší výkonnostní třídy při předepsaných zkouškách na špičkové a přepěťové zatížení elektrického zařízení.
miniaturizace
Navzdory rostoucí integraci funkcí se nesmí zvětšovat rozměry senzorů a kamerových systémů. V průmyslové automatizaci se většinou dokonce vyžaduje neustálá miniaturizace, aby bylo možné stavět stále kompaktnější stroje. Stejně tak trend směřující k modulárnímu uspořádání senzorů nebo kamer vyžaduje použití odpovídajících miniaturizovaných konektorů (konektor). V uplynulých desetiletích se proto konektory při téměř identické výkonnosti zmenšily na zlomek své původní velikosti.
Pro aplikace s obzvláště omezeným montážním prostorem se hodí technologie povrchové montáže (Surface-Mount-Technologie). Je obzvláště úsporná z hlediska místa, protože umožňuje oboustranné osazení desky plošných spojů i malé rozteče (rozteč). S technologií lisování (technologie press-fit) by například nebylo možné realizovat úzkou rozteč pouhých 0,5 mm kvůli fyzikálním silám působícím při lisování – stejně tak ani oboustranné osazení desky plošných spojů (osazování desek plošných spojů). V případě miniaturizovaných aplikací je navíc třeba při výběru správného konektoru zohlednit další důležité kritérium: citlivé součásti sestavy jsou v těchto případech často umístěny velmi blízko u sebe. Tím vzniká zvýšené riziko vzájemného elektromagnetického rušení mezi součástkami. Přenos dat ve vaší aplikaci samozřejmě nesmí být za žádných okolností rušen, zkreslen nebo dokonce znemožněn. Z tohoto důvodu nabývá ochrana proti elektromagnetickému rušení stále většího významu. Aby se předešlo rušení signálu, doporučuje se proto, stejně jako u vysokorychlostních konektorů (vysokorychlostní konektor), zvolit i zde stíněný konektor.
odolnost
Senzory a kamerové systémy, které se používají v blízkosti strojů, jsou ve zvláštní míře vystaveny drsným vlivům prostředí. Aby byla elektronika před těmito vnějšími vlivy chráněna, lze celou sestavu zalít. K tomu je však zapotřebí řešení připojení, které je rovněž kompatibilní s zaléváním. Běžné konektor jsou zde jasně v nevýhodě, protože zranitelná oblast zasouvání musí být chráněna před zalévací hmota. Použitá technologie pružinových a nožových kontaktů by v tomto případě nesplňovala požadovanou stupeň krytí IP pro tyto materiály.
Při výběru správného konektor je proto třeba dbát na to, aby bylo zvoleno jednodílné připojovací řešení, tedy konektor, který se obejde bez tradiční oblast zasouvání. Díky tomu umožňuje zalévací hmota trvalé a robustní připojení, přičemž však nemůže proniknout do kontaktní oblasti.
Mají-li být elektronické součástky testovány z hlediska jejich odolnosti, je to možné v rámci laboratorních testů. Při tom musí normalizovaný profil nárazu (profile) odpovídat požadovanému stavu (control), tedy zrychlení 50 g s tolerancí 20 procent (high abort a low abort). Podle normy DIN EN 60068-2-27 je přitom přípustné přerušení kontaktu (přerušení kontaktu) ≤ 1 µs.
Mají-li být elektronické součástky testovány z hlediska jejich odolnosti, je to možné v rámci laboratorních testů. Při tom musí normalizovaný profil nárazu (profile) odpovídat požadovanému stavu (control), tedy zrychlení 50 g s tolerancí 20 procent (high abort a low abort). Podle normy DIN EN 60068-2-27 je přitom přípustné přerušení kontaktu (přerušení kontaktu) ≤ 1 µs.
Pokud je konektor (konektor) ve vaší aplikaci vystaven extrémním vnějším vlivům prostředí, jako jsou vibrace, nárazy, vlhkost, nečistoty, extrémní teploty nebo teplotní výkyvy, je nutná i extrémní odolnost. Pomocí může být zalití (zalévání) vaší sestavy, nicméně je vhodné nespoléhat se výhradně na to. Místo toho se doporučuje kombinace zalévání (zalévání) a lisovací techniky (technologie press-fit). Ta se již osvědčila v miliardách případů a je považována za nejodolnější a nejspolehlivější způsob připojení – i za nepříznivých podmínek. Při lisovací technice se kolík (pin) konektoru vtlačí do průchozího otvoru v desce plošných spojů, čímž se vytvoří elektrické i mechanické spojení mezi konektorem a deskou plošných spojů. Zároveň lze tímto způsobem dosáhnout úspory nákladů až 50 procent, protože se tak vyhnete náročným pájecím pracím a drahým kabelovým řešením. Pokud odpadne zranitelná zásuvná část (oblast zasouvání), může konektor v kombinaci s lisovací technikou (technologie press-fit) odolat dokonce nárazům o síle 50 až 200 g bez přerušení kontaktu (přerušení kontaktu).
Když je poptávka po všestranných pracovnících
Teoreticky lze tyto požadavky – vysokorychlostní přenos dat, miniaturizaci a odolnost – od sebe relativně jasně odlišit. Jako uživatel však jistě zjistíte, že konektor (konektor), který potřebujete, musí jen ve velmi vzácných případech splňovat pouze jeden z těchto požadavků. Z tohoto důvodu mnoho konektorů splňuje několik z těchto kritérií v různé míře. V některých případech se také vyplatí podívat se na „všestranné“ konektory. Pokud se například používá více konektorů (konektor) současně, doporučuje se sáhnout po produktové řadě, která se vyznačuje vysokou škálovatelností. Tím lze zabránit časově a finančně náročným schvalovacím cyklům a zároveň zajistit, že všechny produkty z jedné řady konektorů (rodina konektorů) jsou vzájemně kompatibilní – ať už se jedná o stíněný, nestíněný, rovné nebo úhlový.
Nějaké dotazy?
Jako odborníci na konektor a kontakty pro desky plošných spojů rádi sdílíme naše znalosti, např. v rámci webinářů přizpůsobených vašim potřebám:
webinar.ept-group.de
Nebo se na nás obraťte přímo se všemi dotazy týkajícími se konektor!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, NĚMECKO
Tel. +49 (0) 8861 2501 0
Fax +49 (0) 8861 2501 700
www.ept.de
sales@ept.de
webinar.ept-group.de
Nebo se na nás obraťte přímo se všemi dotazy týkajícími se konektor!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, NĚMECKO
Tel. +49 (0) 8861 2501 0
Fax +49 (0) 8861 2501 700
www.ept.de
sales@ept.de