Bílá kniha: Konektory typu board-to-board pro průmyslové senzory a kamerové systémy
Rychlejší, menší, odolnější: při použití v průmyslových senzorech a kamerových systémech musí konektory splňovat stále více požadavků. Trend směřuje k modularizaci. Pomocí konektorů typu board-to-board lze desky plošných spojů variabilně kombinovat a tím podstatně určovat funkčnost senzoru. V době Průmyslu 4.0 musí být konektory nejen stále menší a výkonnější – kromě miniaturizace a vysoké rychlosti vyžaduje použití v průmyslovém prostředí často i extrémní odolnost. Tato příručka vám pomůže najít ten 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 zřídka posuzovat odděleně od sebe – v závislosti na tom, na co kladete největší důraz, však lze najít optimální konektor pro vaši aplikaci.
Vysokorychlostní přenos dat
Inteligentní senzory a kamery v průmyslovém prostředí vyžadují v době velkých dat, IoT a IIoT také bezpečný vysokorychlostní přenos dat. Konektory pro vysokorychlostní aplikace by měly mít odpovídající vysoce výkonný design kontaktů. Vzhledem k tomu, že konektor představuje kvůli své geometrii určitý rizikový faktor pro kolísání impedance, je při vývoji vysokorychlostních konektorů třeba věnovat zvláštní pozornost optimalizaci designu kontaktů pro řízení impedance. Zde je důležité co nejvíce omezit změny průřezu v konektoru, protože ty mají za následek kolísání impedance, které zase vede ke ztrátám při přenosu signálu.
V případě miniaturizovaných sestav by navíc konektory měly být vybaveny elektromagnetickým stíněním, protože zejména vysokofrekvenční signály jsou obzvláště náchylné k nežádoucím elektromagnetickým vlivům. V takovém případě může stačit i malý impuls k narušení užitečného signálu, takže přijímač již nedokáže jednoznačně interpretovat digitální stavy.
Konektor může přitom plnit roli jak přijímače rušení, tak zdroje rušení, tedy na jedné straně podléhat vlivu jiných komponent sestavy a na druhé straně sám elektromagneticky působit na okolní součástky. Pomocí vazební indukčnosti 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, respektive optimální. K tomu je třeba rušit užitečný signál pomocí generátoru burstů a změřit maximální přípustnou vazebnou indukčnost. Jsou-li známy indukované napětí (Uind), napětí generátoru (UGen) a konstanta generátoru (kGen), lze pro každou aplikaci určit příslušnou maximální přípustnou vazebnou indukčnost (L) pomocí následujícího vzorce:
L = Uind / (UGen * kGen)
Vazebná indukčnost navíc pomáhá uživateli definovat vhodný konektor z hlediska jeho elektromagnetické kompatibility. Tím lze také obejít nákladné a časově náročné testy metodou pokusů a omylů v laboratoři EMC. Kromě
toho je možné snížit vazebnou indukčnost konektoru pomocí stínění. Zde je příklad použití: Pro signál HDMI byla při napětí 4,4 kV stanovena maximální vazebná indukčnost 47 pH specifická pro daný případ. Pokud je hodnota vyšší, nelze signál přenášet bez rušení. Následující obrázek ukazuje, že vazebná indukčnost byla významně snížena použitím stínícího konceptu.
Konektor může přitom plnit roli jak přijímače rušení, tak zdroje rušení, tedy na jedné straně podléhat vlivu jiných komponent sestavy a na druhé straně sám elektromagneticky působit na okolní součástky. Pomocí vazební indukčnosti 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, respektive optimální. K tomu je třeba rušit užitečný signál pomocí generátoru burstů a změřit maximální přípustnou vazebnou indukčnost. Jsou-li známy indukované napětí (Uind), napětí generátoru (UGen) a konstanta generátoru (kGen), lze pro každou aplikaci určit příslušnou maximální přípustnou vazebnou indukčnost (L) pomocí následujícího vzorce:
L = Uind / (UGen * kGen)
Vazebná indukčnost navíc pomáhá uživateli definovat vhodný konektor z hlediska jeho elektromagnetické kompatibility. Tím lze také obejít nákladné a časově náročné testy metodou pokusů a omylů v laboratoři EMC. Kromě
toho je možné snížit vazebnou indukčnost konektoru pomocí stínění. Zde je příklad použití: Pro signál HDMI byla při napětí 4,4 kV stanovena maximální vazebná indukčnost 47 pH specifická pro daný případ. Pokud je hodnota vyšší, nelze signál přenášet bez rušení. Následující obrázek ukazuje, že vazebná indukčnost byla významně snížena použitím stínícího konceptu.
Boardlocky i vnější kontakty byly přitom jak u nestíněného, tak u stíněného provedení připojeny k potenciálu země, zatímco přes jeden pár kontaktů byl přiváděn signál. Naměřené hodnoty vazební indukčnosti lze demonstrovat pomocí barevných průběhů elektrického a magnetického pole. Simulace s nestíněným konektorem ukázala, že v tomto případě dochází ke vazebné indukčnosti až 196 pH. Při stanovené mezní hodnotě 47 pH by tak již nebyl zaručen nerušený přenos signálu. U stíněného konektoru 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 pólů je dokonce možné snížení o faktor 100 až 200.
Pro uživatele má stínění pozitivní vlastnosti ve dvou ohledech: zaprvé konektor působí méně jako zdroj rušení, zadruhé představuje díky stínění pro signály menší jímku rušení. Díky použití stíněných konektorů je nyní možné je umístit blíže ke zdrojům rušení a jímkám rušení na desce plošných spojů. Navíc je umožněna vyšší výkonová třída při předepsaných zkouškách elektrického zařízení na špičkové a přepěťové zatížení.
Pro uživatele má stínění pozitivní vlastnosti ve dvou ohledech: zaprvé konektor působí méně jako zdroj rušení, zadruhé představuje díky stínění pro signály menší jímku rušení. Díky použití stíněných konektorů je nyní možné je umístit blíže ke zdrojům rušení a jímkám rušení na desce plošných spojů. Navíc je umožněna vyšší výkonová třída při předepsaných zkouškách elektrického zařízení na špičkové a přepěťové zatížení.
miniaturizace
Navzdory rostoucí integraci funkcí se rozměry senzorů a kamerových systémů nesmí zvětšovat. 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. 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. Je mimořádně úsporná z hlediska místa, protože umožňuje oboustranné osazení desky plošných spojů i malé rozteče. S technologií lisování by například nebylo možné realizovat úzký roztečový rozestup pouhých 0,5 mm kvůli fyzikálním silám působícím při lisování – stejně tak ani oboustranné osazení desky plošných spojů. V případě miniaturizovaných aplikací je navíc třeba při výběru správného konektoru zohlednit další důležité kritérium: citlivé komponenty sestavy jsou v těchto případech často velmi blízko u sebe. Tím vzniká zvýšené riziko vzájemného elektromagnetického ovlivňování komponent. Samozřejmě nesmí být přenos dat ve vaší aplikaci za žádných okolností rušen, zkreslen nebo dokonce znemožněn. Z tohoto důvodu nabývá ochrana proti elektromagnetickému rušení stále většího významu. Aby se zabránilo rušení signálu, doporučuje se proto, stejně jako u vysokorychlostních konektorů, zvolit i zde stíněný konektor.
odolnost
Senzory a kamerové systémy, které se používají v bezprostřední blízkosti strojů, jsou ve zvýšené 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 konektory jsou v tomto ohledu jasně v nevýhodě, protože citlivá oblast konektoru musí být chráněna před zalévací hmotou. Použitá technologie pružinových a nožových kontaktů by v tomto případě nesplňovala požadovanou třídu ochrany IP pro tyto materiály.
Při výběru správného konektoru je proto třeba dbát na to, aby se zvolilo jednodílné připojovací řešení, tedy konektor, který se obejde bez obvyklé zásuvné části. Díky tomu zajišťovací hmota umožňuje trvalé a odolné připojení, přičemž však nemůže proniknout do oblasti kontaktů.
Pokud je třeba otestovat odolnost elektronických součástek, 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 ≤ 1 µs.
Pokud je třeba otestovat odolnost elektronických součástek, 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 ≤ 1 µs.
Pokud je konektor ve vaší aplikaci vystaven extrémním vnějším vlivům, jako jsou vibrace, nárazy, vlhkost, nečistoty, extrémní teploty nebo teplotní výkyvy, je nutná i extrémní odolnost. Pomocí zalití vaší sestavy lze tohoto dosáhnout, nicméně je vhodné nespoléhat se výhradně na tuto metodu. Místo toho se doporučuje kombinace zalití a technologie lisování. Ta se již osvědčila v miliardách případů a je považována za nejodolnější a nejspolehlivější možnost připojení – i za nepříznivých podmínek. Při lisovací technice se kolík konektoru (pin) vtlačí do průchozího otvoru desky 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 vyhnete náročným pájecím pracím a drahým kabelovým řešením. Pokud odpadne zranitelná zásuvná část, může konektor v kombinaci s technologií lisování vydržet dokonce nárazové zatížení od 50 do 200 g bez přerušení kontaktu.
Když je poptávka po všestranných pracovnících
Teoreticky lze tyto požadavky – vysokorychlostní přenos dat, miniaturizaci a odolnost – posuzovat relativně odděleně. Jako uživatel však jistě zjistíte, že konektor, který potřebujete, musí jen ve výjimečných 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 současně, doporučuje se sáhnout po produktové řadě, která vykazuje vysokou škálovatelnost. Tím lze zabránit časově a finančně náročným schvalovacím cyklům a zároveň zajistit, že všechny produkty jedné řady konektorů jsou vzájemně kompatibilní – ať už jsou stíněné, nestíněné, rovné nebo úhlové.
Nějaké dotazy?
Jako odborníci na konektory a kontaktní systémy pro desky plošných spojů rádi sdílíme své znalosti, například v rámci webinářů přizpůsobených vašim potřebám:
www.webinar.ept-group.de
Nebo se na nás obraťte přímo se všemi dotazy týkajícími se konektorů!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, NĚMECKO
Telefon +49 (0) 88 61 2501-0
Fax +49 (0) 88 61 2501-700
www.ept.de sales@ept.de
www.webinar.ept-group.de
Nebo se na nás obraťte přímo se všemi dotazy týkajícími se konektorů!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, NĚMECKO
Telefon +49 (0) 88 61 2501-0
Fax +49 (0) 88 61 2501-700
www.ept.de sales@ept.de