Bela knjiga: konektori pločica za industrijske senzore i sustave kamera
Brže, manje, robusnije: kada se koriste u industrijskim senzorima i kamerama, konektori moraju zadovoljiti sve veći broj zahtjeva. Trend je ka modularizaciji. Konektori za povezivanje tiskanih pločica omogućuju kombiniranje tiskanih pločica na razne načine, čime se značajno određuje funkcionalnost senzora. U eri industrije 4.0 konektori ne moraju samo postajati sve manji i snažniji – uz miniaturizaciju i veliku brzinu, uporaba u industrijskim okruženjima često zahtijeva iznimnu robusnost. Ovaj vodič osmišljen je da vam pomogne pronaći pravi konektor za vašu primjenu u strojnom vidu.
Tri ključna zahtjeva su od presudne važnosti u razvoju modernih senzora i kamera za industrijsku primjenu: brzi prijenos podataka, miniaturizacija i robusnost. Ti se zahtjevi rijetko mogu razmatrati odvojeno – no, ovisno o vašim prioritetima, može se odrediti idealan konektor za vašu primjenu.
Brzi prijenos podataka
U doba velikih podataka, IoT-a i IIoT-a, pametni senzori i kamere u industrijskim okruženjima također zahtijevaju sigurnu, brzu prijenos podataka. Konektori za primjene visokih brzina trebali bi imati dizajn kontakata s odgovarajućim visokim performansama. Budući da geometrija konektora predstavlja određeni rizik od fluktuacija u impedanskom odgovoru, tijekom razvoja konektora za visoke brzine treba posvetiti posebnu pozornost optimizaciji dizajna kontakata kako bi se kontrolirala impedansa. U tom kontekstu važno je, gdje god je to moguće, minimizirati promjene presjeka unutar konektora, jer one dovode do fluktuacija impedancije, što zauzvrat uzrokuje gubitke u prijenosu signala.
U slučaju miniaturiziranih sklopova, konektori bi također trebali imati elektromagnetsko oklopljenje, budući da su visokofrekventni signali osobito podložni neželjenim elektromagnetskim smetnjama. Čak i mali impuls može biti dovoljan da izobliči korisni signal, što znači da primatelj više ne može nedvosmisleno tumačiti digitalna stanja.
Konektor može djelovati i kao prijamnik i kao izvor smetnji; drugim riječima, može biti pod utjecajem drugih komponenti u sklopu, a istovremeno i sam vršiti elektromagnetski utjecaj na okolne komponente. Spojna indukancija LK, mjereno u pikohensima (pH), može se koristiti za opis konektora u obje funkcije – kao izvora i kao prijamnika. Jednostavna ispitna postavka pomaže korisnicima odrediti koji je konektor i koja pinout rasporeda potrebni ili optimalni za njihovu specifičnu primjenu. Da bi se to postiglo, korisni signal mora se ometati pomoću generatora impulsa, a maksimalna dopuštena induktancija spojke mora se izmjeriti. Ako su poznati inducirani napon (Uind), napon generatora (UGen) i konstanta generatora (kGen), specifična, maksimalno dopuštena induktancija spajanja (L) za svaku primjenu može se odrediti pomoću sljedeće formule:
L = Uind / (UGen * kGen)
Induktivnost spajanja također pomaže korisniku pri odabiru odgovarajućeg priključka s obzirom na njegovu elektromagnetsku kompatibilnost. To također omogućuje izbjegavanje skupih i dugotrajnih ispitivanja metodom pokušaja i pogreške u EMC laboratoriju.
Također je moguće smanjiti induktivnost spajanja priključka korištenjem oklopa. Evo primjera primjene: za HDMI signal, za slučaj specifičnog kućišta, određena je maksimalna induktivnost spajanja od 47 pH pri naponu od 4,4 kV. Ako vrijednost premaši tu granicu, signal se više ne može prenositi bez smetnji. Slika u nastavku pokazuje da je induktivnost spajanja značajno smanjena primjenom koncepta oklopa.
Konektor može djelovati i kao prijamnik i kao izvor smetnji; drugim riječima, može biti pod utjecajem drugih komponenti u sklopu, a istovremeno i sam vršiti elektromagnetski utjecaj na okolne komponente. Spojna indukancija LK, mjereno u pikohensima (pH), može se koristiti za opis konektora u obje funkcije – kao izvora i kao prijamnika. Jednostavna ispitna postavka pomaže korisnicima odrediti koji je konektor i koja pinout rasporeda potrebni ili optimalni za njihovu specifičnu primjenu. Da bi se to postiglo, korisni signal mora se ometati pomoću generatora impulsa, a maksimalna dopuštena induktancija spojke mora se izmjeriti. Ako su poznati inducirani napon (Uind), napon generatora (UGen) i konstanta generatora (kGen), specifična, maksimalno dopuštena induktancija spajanja (L) za svaku primjenu može se odrediti pomoću sljedeće formule:
L = Uind / (UGen * kGen)
Induktivnost spajanja također pomaže korisniku pri odabiru odgovarajućeg priključka s obzirom na njegovu elektromagnetsku kompatibilnost. To također omogućuje izbjegavanje skupih i dugotrajnih ispitivanja metodom pokušaja i pogreške u EMC laboratoriju.
Također je moguće smanjiti induktivnost spajanja priključka korištenjem oklopa. Evo primjera primjene: za HDMI signal, za slučaj specifičnog kućišta, određena je maksimalna induktivnost spajanja od 47 pH pri naponu od 4,4 kV. Ako vrijednost premaši tu granicu, signal se više ne može prenositi bez smetnji. Slika u nastavku pokazuje da je induktivnost spajanja značajno smanjena primjenom koncepta oklopa.
U nezaštićenoj i zaštićenoj verziji, ploča i vanjski kontakti bili su spojeni na potencijal zemlje, dok je signal primijenjen preko para kontakata. Mjereni vrijednosti induktance vezanja mogu se prikazati pomoću bojenih gradijenata električnog i magnetskog polja. Simulacija pomoću nezaštićenog konektora pokazala je da je prisutna induktivnost spajanja do 196 pH. S obzirom na utvrđenu graničnu vrijednost od 47 pH, neometani prijenos signala stoga više ne bi bio zajamčen. Međutim, kod oklopljenog konektora vrijednosti uzajamne indukancije kreću se od 1 do 4 pH. Zbog oklopa smanjene su za faktor od približno 50, čime se osigurava prijenos bez smetnji. Kod većeg broja polova moguće je smanjenje za faktor od 100 do 200.
Za korisnika, oklopljenost nudi prednosti u dva pogleda: Prvo, konektor manje djeluje kao izvor smetnji; drugo, oklop znači da predstavlja niži ulaz za signale. Korištenjem oklopljenih konektora, oni se sada mogu postaviti bliže izvorima i odredištima smetnji na tiskanoj pločici. Nadalje, to omogućuje postizanje više klase performansi u propisanim testovima isprekidanih i kratkotrajnih prenaponskih udara električnog uređaja.
Za korisnika, oklopljenost nudi prednosti u dva pogleda: Prvo, konektor manje djeluje kao izvor smetnji; drugo, oklop znači da predstavlja niži ulaz za signale. Korištenjem oklopljenih konektora, oni se sada mogu postaviti bliže izvorima i odredištima smetnji na tiskanoj pločici. Nadalje, to omogućuje postizanje više klase performansi u propisanim testovima isprekidanih i kratkotrajnih prenaponskih udara električnog uređaja.
miniaturizacija
Unatoč sve većoj funkcionalnoj integraciji, fizička veličina senzora i kamera ne smije rasti. U većini slučajeva industrijska automatizacija zapravo zahtijeva stalnu miniaturizaciju kako bi se strojevi mogli graditi sve kompaktnije. Slično tome, trend prema modularnim dizajnima senzora i kamera zahtijeva upotrebu odgovarajuće miniaturiziranih konektora. Tijekom proteklih desetljeća konektori su stoga smanjeni na djelić svoje izvorne veličine, a pritom su zadržali gotovo identične performanse.
Tehnologija površinskog montažiranja idealna je za primjene s osobito ograničenim prostorom. Posebno štedi prostor jer omogućuje dvostranu montažu tiskanih pločica i malu razmaknicu. Primjerice, kod tehnike umetanja uski razmak od samo 0,5 mm ne bi bio izvediv zbog fizikalnih sila koje djeluju tijekom procesa umetanja – kao ni montaža dvostrane tiskane pločice. U slučaju minijaturiziranih primjena postoji još jedan važan kriterij koji treba uzeti u obzir pri odabiru pravog konektora: u takvim slučajevima osjetljive komponente unutar sklopovine često su smještene vrlo blizu jedna drugoj. To stvara povećan rizik od međusobnog elektromagnetskog ometanja između komponenti. Naravno, prijenos podataka u vašoj primjeni ni u kojem slučaju ne smije biti ometen, iskrivljen ili čak spriječen. Iz tog je razloga zaštita od elektromagnetskog smetanja (EMC) sve važnija. Kako bi se izbjeglo ometanje signala, stoga je preporučljivo, kao i kod visokobrzinskih konektora, odabrati i ovdje oklopljeni konektor.
robusnost
Senzori i kameranski sustavi koji se koriste u neposrednoj blizini strojeva osobito su izloženi teškim uvjetima okoline. Kako bi se elektronika zaštitila od tih vanjskih utjecaja, cijela se sklopovina može inkapsulirati. Međutim, to zahtijeva rješenje za povezivanje koje je jednako kompatibilno s procesom inkapsulacije. Standardni konektori ovdje su očito u nepovoljnom položaju jer se osjetljivo područje za spajanje mora zaštititi od inkapsulanta. Upotrijebljena tehnologija kontakta s opružnim listićima ne bi pružila potrebnu IP zaštitnu ocjenu za ove materijale.
Prilikom odabira odgovarajućeg konektora stoga je potrebno paziti na odabir jednodijelnog rješenja za spajanje – to jest konektora koji ne zahtijeva konvencionalno područje za spajanje. To omogućuje da smola za ulijevanje osigura trajnu i robusnu vezu, istovremeno osiguravajući da ne može prodrijeti u kontaktno područje.
Ako se elektroničke komponente trebaju testirati na robusnost, to se može provesti laboratorijskim testiranjem. U tim testovima standardizirani profil udarca mora odgovarati ciljanom stanju, tj. ubrzanju od 50 g s tolerancijom od 20 posto (visoki prekid i niski prekid). Prema normi DIN EN 60068-2-27, dopušten je prekid kontakta od ≤ 1 µs.
Ako se elektroničke komponente trebaju testirati na robusnost, to se može provesti laboratorijskim testiranjem. U tim testovima standardizirani profil udarca mora odgovarati ciljanom stanju, tj. ubrzanju od 50 g s tolerancijom od 20 posto (visoki prekid i niski prekid). Prema normi DIN EN 60068-2-27, dopušten je prekid kontakta od ≤ 1 µs.
Ako je konektor u vašoj primjeni izložen ekstremnim vanjskim utjecajima okoliša kao što su vibracije, udari, vlaga, prljavština, ekstremne temperature ili temperaturne fluktuacije, potrebna je i iznimna robusnost. Encapsulacija vašeg sklopa može pomoći, ali preporučljivo je ne oslanjati se isključivo na to. Umjesto toga, preporučuje se kombinacija encapsulacije i press-fit tehnologije. Ova potonja tehnologija već se milijarde puta dokazala i smatra se najrobusnijom i najpouzdanijom opcijom povezivanja – čak i u nepovoljnim uvjetima. Kod press-fit tehnologije, kontakt konektora se utiskuje u prolaznu rupu na tiskanoj pločici, čime se stvara i električna i mehanička veza između konektora i tiskane pločice. Istovremeno se može postići ušteda troškova do 50 posto, jer se izbjegavaju složeni radovi lemljenja i skupa kabelska rješenja. Eliminiranjem osjetljivog područja utikača, konektor koji koristi press-fit tehniku može izdržati i udarne opterećenja od 50 do 200 g bez ikakvog gubitka kontakta.
Kada su svestrani igrači traženi
U teoriji se ovi zahtjevi – brzi prijenos podataka, miniaturizacija i robusnost – mogu razmatrati relativno izolirano jedni od drugih. Kao korisnik, međutim, bez sumnje ćete ustanoviti da konektor koji vam je potreban rijetko mora ispuniti samo jedan od tih zahtjeva. Iz tog razloga mnogi konektori u različitoj mjeri ispunjavaju nekoliko tih kriterija. U nekim slučajevima vrijedi pogledati i "sveznadare" među konektorima. Ako se, na primjer, istovremeno koriste nekoliko konektora, preporučljivo je odabrati obitelj proizvoda koja nudi visoku skalabilnost. To pomaže izbjeći dugotrajne i skupe cikluse odobrenja, istovremeno osiguravajući kompatibilnost svih proizvoda unutar obitelji konektora – bez obzira na to jesu li oklopljeni, neoklopljeni, ravni ili kutni.
Imate li pitanja?
Kao stručnjaci za PCB konektore i kontaktnu tehnologiju, rado ćemo podijeliti svoje znanje, na primjer putem webinara prilagođenih vašim potrebama:
www.webinar.ept-group.de
Ili nas izravno kontaktirajte s bilo kakvim upitima koje imate u vezi s konektorima!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, NJEMACKA
Telefon +49 (0) 88 61 2501-0
Faks +49 (0) 88 61 2501-700
www.ept.de sales@ept.de
www.webinar.ept-group.de
Ili nas izravno kontaktirajte s bilo kakvim upitima koje imate u vezi s konektorima!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, NJEMACKA
Telefon +49 (0) 88 61 2501-0
Faks +49 (0) 88 61 2501-700
www.ept.de sales@ept.de