Fehér könyv: Board-to-Board csatlakozók ipari érzékelőkhöz és kamerarendszerekhez
Gyorsabb, kisebb, strapabíróbb: az ipari érzékelőkben és kamerarendszerekben való alkalmazás során a csatlakozóknak egyre több követelménynek kell megfelelniük. A tendencia a modularizáció irányába mutat. A nyomtatott áramköri lapok közötti csatlakozók segítségével a nyomtatott áramköri lapok rugalmasan kombinálhatók egymással, így jelentősen meghatározva az érzékelő funkcionalitását. Az Ipar 4.0 korában a csatlakozóknak nemcsak egyre kisebbnek és teljesítményesebbnek kell lenniük – a miniatürizálás és a nagy sebesség mellett az ipari környezetben való alkalmazás gyakran rendkívüli robusztusságot is megkövetel. Ez az útmutató segít megtalálni a megfelelő csatlakozót a gépi látás alkalmazásához.
A modern érzékelők és kamerarendszerek ipari alkalmazásokhoz történő fejlesztése során három követelmény áll az előtérben: nagy sebességű adatátvitel, miniatürizálás és robusztusság. Ezeket a követelményeket csak ritkán lehet egymástól függetlenül kezelni – a prioritások függvényében azonban megtalálható az Ön alkalmazásához legmegfelelőbb csatlakozó.
Nagy sebességű adatátvitel
A nagy adathalmazok, az IoT és az IIoT korában az ipari környezetben használt intelligens érzékelőknek és kameráknak biztonságos, nagy sebességű adatátvitelre is szükségük van. A nagy sebességű alkalmazásokhoz szánt csatlakozóknak megfelelően nagy teljesítményű érintkező-kialakítással kell rendelkezniük. Mivel a csatlakozó geometriája miatt bizonyos kockázati tényezőt jelent az impedancia-változások szempontjából, a nagy sebességű csatlakozók fejlesztése során különös figyelmet kell fordítani az érintkező-kialakítás optimalizálására az impedancia szabályozása érdekében. Ennek során fontos, hogy a csatlakozó keresztmetszetének változásait lehetőség szerint a minimumra csökkentsék, mivel ezek impedanciaingadozásokat eredményeznek, amelyek viszont veszteségeket okoznak a jelátvitelben.
Miniatürizált szerelvények esetében a csatlakozóknak emellett elektromágneses árnyékolással is rendelkezniük kell, mivel elsősorban a nagyfrekvenciás jelek különösen érzékenyek a nem kívánt elektromágneses hatásokra. Ilyenkor már egy apró impulzus is elegendő lehet a hasznos jel torzításához, ami miatt a vevő már nem tudja egyértelműen értelmezni a digitális állapotokat.
Egy csatlakozó mind zavarelnyelő, mind zavarforrás szerepet betölthet, vagyis egyrészt a szerelvény más alkatrészeinek hatásának lehet kitéve, másrészt maga is elektromágneses hatást gyakorolhat a környező alkatrészekre. Az LK kapcsolási induktivitással, pikohenryben (pH) mérve, a csatlakozó mindkét funkciója – forrás és elnyelő – leírható. Egy egyszerű mérési felépítés segít a felhasználóknak kideríteni, melyik csatlakozó és melyik pin-kiosztás szükséges, illetve optimális az adott alkalmazáshoz. Ehhez a hasznos jelet egy burst-generátor segítségével meg kell zavarni, és meg kell mérni a maximálisan megengedett kapcsolási induktivitást. Ha az indukált feszültség (Uind), a generátor feszültsége (UGen) és a generátor állandója (kGen) ismertek, akkor minden alkalmazáshoz a következő képlet segítségével meghatározható a megfelelő, maximálisan megengedett kapcsolási induktivitás (L):
L = Uind / (UGen * kGen)
A kapcsolási induktivitás emellett segít a felhasználónak abban, hogy az elektromágneses kompatibilitás szempontjából meghatározza a megfelelő csatlakozót. Ezzel elkerülhetők a költség- és időigényes próbálkozás-hiba módszerű vizsgálatok az EMC laboratóriumban.
Ezen felül lehetséges a csatlakozó kapcsolási induktivitásának csökkentése árnyékolás segítségével. Ehhez egy alkalmazási példa: egy HDMI-jel esetében 4,4 kV feszültség mellett 47 pH-s esetspecifikus maximális kapcsolási induktivitást határoztak meg. Ha az érték ennél magasabb, a jel már nem továbbítható zavarmentesen. Az alábbi ábra azt mutatja, hogy a kapcsolási induktivitás egy árnyékolási koncepció alkalmazásával jelentősen csökkent.
Egy csatlakozó mind zavarelnyelő, mind zavarforrás szerepet betölthet, vagyis egyrészt a szerelvény más alkatrészeinek hatásának lehet kitéve, másrészt maga is elektromágneses hatást gyakorolhat a környező alkatrészekre. Az LK kapcsolási induktivitással, pikohenryben (pH) mérve, a csatlakozó mindkét funkciója – forrás és elnyelő – leírható. Egy egyszerű mérési felépítés segít a felhasználóknak kideríteni, melyik csatlakozó és melyik pin-kiosztás szükséges, illetve optimális az adott alkalmazáshoz. Ehhez a hasznos jelet egy burst-generátor segítségével meg kell zavarni, és meg kell mérni a maximálisan megengedett kapcsolási induktivitást. Ha az indukált feszültség (Uind), a generátor feszültsége (UGen) és a generátor állandója (kGen) ismertek, akkor minden alkalmazáshoz a következő képlet segítségével meghatározható a megfelelő, maximálisan megengedett kapcsolási induktivitás (L):
L = Uind / (UGen * kGen)
A kapcsolási induktivitás emellett segít a felhasználónak abban, hogy az elektromágneses kompatibilitás szempontjából meghatározza a megfelelő csatlakozót. Ezzel elkerülhetők a költség- és időigényes próbálkozás-hiba módszerű vizsgálatok az EMC laboratóriumban.
Ezen felül lehetséges a csatlakozó kapcsolási induktivitásának csökkentése árnyékolás segítségével. Ehhez egy alkalmazási példa: egy HDMI-jel esetében 4,4 kV feszültség mellett 47 pH-s esetspecifikus maximális kapcsolási induktivitást határoztak meg. Ha az érték ennél magasabb, a jel már nem továbbítható zavarmentesen. Az alábbi ábra azt mutatja, hogy a kapcsolási induktivitás egy árnyékolási koncepció alkalmazásával jelentősen csökkent.
Mind az árnyékolatlan, mind az árnyékolt kivitel esetében a Boardlock csatlakozókat és a külső érintkezőket földpotenciálra kapcsoltuk, miközben egy érintkezőpáron keresztül jelet vezettünk be. A mért kapcsolási indukciós értékek az elektromos és mágneses mező színes eloszlásával szemléltethetők. A nem árnyékolt csatlakozóval végzett szimuláció kimutatta, hogy ebben az esetben a kapcsolási induktivitás akár 196 pH is lehet. A megállapított 47 pH határérték mellett ezáltal a zavartalan jelátvitel már nem lenne garantálható. Az árnyékolt csatlakozó esetében viszont a kapcsolási induktivitás értékei 1 és 4 pH között mozognak. Ezeket tehát az árnyékolás révén körülbelül 50-szeresére lehetett csökkenteni, és így a zavarmentes átvitel is biztosíthatóvá vált. Magasabb pólusszám esetén akár 100-200-szoros csökkentés is lehetséges.
A felhasználó számára az árnyékolásnak két szempontból is vannak pozitív tulajdonságai: Egyrészt a csatlakozó így kevésbé jelent zavarforrást, másrészt az árnyékolásnak köszönhetően a jelek számára kisebb zavarelnyelőként működik. Az árnyékolt csatlakozók használatával ezeket most már közelebb lehet elhelyezni a nyomtatott áramköri lapon található zavarforrásokhoz és zavarelnyelőkhöz. Ezen felül lehetővé válik a magasabb teljesítményosztály elérése az elektromos készülék előírt burst- és túlfeszültség-vizsgálatai során.
A felhasználó számára az árnyékolásnak két szempontból is vannak pozitív tulajdonságai: Egyrészt a csatlakozó így kevésbé jelent zavarforrást, másrészt az árnyékolásnak köszönhetően a jelek számára kisebb zavarelnyelőként működik. Az árnyékolt csatlakozók használatával ezeket most már közelebb lehet elhelyezni a nyomtatott áramköri lapon található zavarforrásokhoz és zavarelnyelőkhöz. Ezen felül lehetővé válik a magasabb teljesítményosztály elérése az elektromos készülék előírt burst- és túlfeszültség-vizsgálatai során.
miniatürizálás
A funkciók egyre nagyobb mértékű integrációja ellenére az érzékelők és kamerarendszerek mérete nem növekedhet. Az ipari automatizációban legtöbbször éppen ellenkezőleg, folyamatos miniatürizálásra van szükség, hogy a gépeket egyre kompaktabbá lehessen építeni. Ugyanígy az érzékelők és kamerák moduláris felépítésére irányuló tendencia is megköveteli a megfelelően miniatürizált csatlakozók használatát. Az elmúlt évtizedekben ezért a csatlakozók teljesítményük szinte változatlanul maradva méretük töredékére csökkentek.
Különösen szűk beépítési térrel rendelkező alkalmazásokhoz a felületre szereléses technológia a legalkalmasabb. Különösen helytakarékos, mivel lehetővé teszi a nyomtatott áramköri lap mindkét oldalán történő szerelést, valamint a kis rácstávolságokat. A préselési technológiával például a préselési folyamat során fellépő fizikai erők miatt nem lenne megvalósítható a mindössze 0,5 mm-es szűk rács – és a nyomtatott áramköri lap kétoldalas szerelése sem. Miniatürizált alkalmazások esetén a megfelelő csatlakozó kiválasztásakor egy további fontos kritériumot is figyelembe kell venni: ilyen esetekben az alkatrészcsoport érzékeny komponensei gyakran nagyon közel helyezkednek el egymáshoz. Ez megnöveli az alkatrészek kölcsönös elektromágneses zavarásának kockázatát. Természetesen az Ön alkalmazásában az adatátvitel semmilyen körülmények között nem zavarható, torzítható vagy akár megakadályozható. Emiatt az EM-védelem egyre nagyobb jelentőségre tesz szert. A jelzavarok elkerülése érdekében ezért – akárcsak a nagy sebességű csatlakozók esetében – itt is ajánlott árnyékolt csatlakozó választása.
ellenállóképesség
A gépek közelében használt érzékelők és kamerarendszerek különösen ki vannak téve a zord környezeti hatásoknak. Az elektronika védelme érdekében a teljes szerelvényt be lehet öntözni. Ehhez azonban olyan csatlakozási megoldásra van szükség, amely szintén kompatibilis az öntéssel. A hagyományos csatlakozók ebben az esetben egyértelműen hátrányban vannak, mivel a sérülékeny csatlakozási területet meg kell védeni az öntőanyagtól. A használt rugós-késes érintkezőtechnológia nem felelne meg az ilyen anyagokhoz szükséges IP-védelmi osztálynak.
A megfelelő csatlakozó kiválasztásakor ezért ügyelni kell arra, hogy egyrészes csatlakozási megoldást válasszunk, vagyis olyan csatlakozót, amely nem igényel hagyományos dugaszoló részt. Így a betöltőanyag tartós és robusztus csatlakozási megoldást biztosít, ugyanakkor nem hatolhat be az érintkezőterületre.
Ha az elektronikus alkatrészeket robusztusságuk szempontjából kell ellenőrizni, ez laboratóriumi tesztek keretében lehetséges. Ennek során a szabványosított ütésprofilnak (profile) meg kell felelnie a kívánt állapotnak (control), azaz 50 g gyorsulásnak 20 százalékos tűréssel (high abort és low abort). A DIN EN 60068-2-27 szerint ekkor ≤ 1 µs-os érintkezőszakadás megengedett.
Ha az elektronikus alkatrészeket robusztusságuk szempontjából kell ellenőrizni, ez laboratóriumi tesztek keretében lehetséges. Ennek során a szabványosított ütésprofilnak (profile) meg kell felelnie a kívánt állapotnak (control), azaz 50 g gyorsulásnak 20 százalékos tűréssel (high abort és low abort). A DIN EN 60068-2-27 szerint ekkor ≤ 1 µs-os érintkezőszakadás megengedett.
Ha az Ön alkalmazásában a csatlakozó rendkívül erős külső környezeti hatásoknak van kitéve – mint például rezgés, ütés, nedvesség, szennyeződés, szélsőséges hőmérsékletek vagy hőmérséklet-ingadozások –, akkor rendkívüli robusztusságra is szükség van. A szerelvény öntése segíthet ebben, de tanácsos nem kizárólag erre támaszkodni. Ehelyett az öntés és a préselési technika kombinációja ajánlott. Ez utóbbi már milliárdszor bizonyított, és a legrobusztusabb és legmegbízhatóbb csatlakozási lehetőségnek számít – még kedvezőtlen körülmények között is. A préselési technológiánál a csatlakozócsapot (pin) egy átmenő furattal ellátott nyomtatott áramköri lapba préselik, így elektromos és mechanikus kapcsolatot hozva létre a csatlakozó és a nyomtatott áramköri lap között. Ezzel egyidejűleg akár 50 százalékos költségmegtakarítás is elérhető, mivel elkerülhetők a bonyolult forrasztási munkák és a drága kábelezési megoldások. A sérülékeny csatlakozási terület elmaradásával a csatlakozó a préselési technológiával kombinálva akár 50–200 g-os ütésterhelést is kibír anélkül, hogy a kapcsolat megszakadna.
Ha sokoldalú szakemberekre van szükség
Elméletileg ezeket a követelményeket – nagy sebességű adatátvitel, miniatürizálás és strapabíróság – viszonylag élesen el lehet különíteni egymástól. Felhasználóként azonban bizonyára észreveszi majd, hogy az Ön számára szükséges csatlakozónak csak ritkán kell csupán egy követelménynek megfelelnie. Ezért sok csatlakozó több ilyen kritériumot is teljesít, különböző súlyozással. Bizonyos esetekben érdemes megnézni a csatlakozók közül az „allroundereket” is. Ha például egyszerre több csatlakozót kell használni, ajánlatos olyan termékcsaládot választani, amely magas fokú skálázhatóságot biztosít. Így elkerülhetők az idő- és költségigényes jóváhagyási ciklusok, és egyúttal biztosítható, hogy a csatlakozócsalád összes terméke kompatibilis legyen egymással – függetlenül attól, hogy árnyékolt, árnyékolatlan, egyenes vagy hajlított.
Van kérdés?
A nyomtatott áramköri lapok csatlakozóinak és érintkezőinek szakértőiként szívesen megosztjuk tudásunkat, például az Önök igényeire szabott webináriumokon:
www.webinar.ept-group.de
Vagy forduljanak közvetlenül hozzánk minden, a csatlakozókkal kapcsolatos kérdéssel!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, NÉMETORSZÁG
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
Vagy forduljanak közvetlenül hozzánk minden, a csatlakozókkal kapcsolatos kérdéssel!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, NÉMETORSZÁG
Telefon +49 (0) 88 61 2501-0
Fax +49 (0) 88 61 2501-700
www.ept.de sales@ept.de