Технически доклад: Съединители „платка-платка“ за индустриални сензори и камерни системи
По-бързи, по-малки, по-здрави: при използването им в индустриални сензори и камерни системи съединителите трябва да отговарят на все повече изисквания. Тенденцията е към модулизация. С помощта на съединители „платка към платка“ печатните платки могат да се комбинират по различен начин, което позволява да се определи в значителна степен функционалността на сензора. В ерата на Индустрия 4.0 конекторите трябва не само да стават все по-малки и по-мощни – освен миниатюризация и висока скорост, използването в индустриална среда често изисква изключителна здравина. Този наръчник има за цел да ви помогне да намерите подходящия конектор за вашата машинно-визуална система.
При разработването на съвременни сензори и камерни системи за промишлени приложения на преден план стоят три изисквания: високоскоростно предаване на данни, миниатюризация и издръжливост. Тези изисквания рядко могат да се разглеждат изолирано едно от друго – в зависимост от приоритетите обаче може да се намери оптималният конектор за Вашето приложение.
Високоскоростен трансфер на данни
В ерата на Big Data, IoT и IIoT интелигентните сензори и камери в индустриални среди се нуждаят и от сигурно високоскоростно предаване на данни. Конекторите за високоскоростни приложения трябва да разполагат с подходящ високопроизводителен дизайн на контактите. Тъй като конекторът, поради своята геометрия, представлява определен рисков фактор за колебания в импедансната крива, при разработването на високоскоростни конектори се обръща специално внимание на оптимизацията на дизайна на контактите за контрол на импеданса. При това е важно промените в напречното сечение на съединителя да се сведат до минимум, тъй като те водят до колебания в импеданса, което от своя страна води до загуби при предаването на сигнала.
При миниатюрни конструкции съединителите трябва освен това да разполагат с електромагнитно екраниране, тъй като най-вече високочестотните сигнали са особено податливи на нежелани електромагнитни ефекти. В този случай дори малък импулс може да бъде достатъчен, за да изкриви полезния сигнал, така че приемникът да не може повече да интерпретира еднозначно цифровите състояния. При това
един конектор може да играе както ролята на поглъщател на смущения, така и на източник на смущения, т.е. от една страна да бъде подложен на влиянието на други компоненти от модула, а от друга страна сам да въздейства електромагнитно върху околните компоненти. С помощта на индуктивността на свързване LK, измервана в пикохенри (pH), конекторът може да бъде описан и в двете функции – източник и поглъщател. Една проста измервателна схема помага на потребителите да установят кой конектор и коя конфигурация на изводите е необходима или оптимална за съответното им приложение. За целта полезният сигнал трябва да бъде смутен с помощта на генератор на импулси и да се измери максимално допустимата индуктивност на свързване. Ако индуцираното напрежение (Uind), напрежението на генератора (UGen) и константата на генератора (kGen) са известни, за всяко приложение може да се определи съответната специфична, максимално допустима индуктивност на връзката (L) по следната формула:
L = Uind / (UGen * kGen)
Свързващата индуктивност помага на потребителя също така да определи подходящия конектор по отношение на неговата електромагнитна съвместимост. По този начин могат да се избегнат скъпите и отнемащи време изпитания по метода на проба и грешка в лабораторията за електромагнитна съвместимост. Освен това е
възможно да се намали свързващата индуктивност на конектора с помощта на екраниране. Ето един пример за приложение: За HDMI сигнал при напрежение от 4,4 kV беше определена максимална индуктивност на връзката от 47 pH за конкретния случай. Ако стойността е по-висока, сигналът вече не може да се предава без смущения. Следващата илюстрация показва, че индуктивността на връзката е била значително намалена чрез използването на концепция за екраниране.
един конектор може да играе както ролята на поглъщател на смущения, така и на източник на смущения, т.е. от една страна да бъде подложен на влиянието на други компоненти от модула, а от друга страна сам да въздейства електромагнитно върху околните компоненти. С помощта на индуктивността на свързване LK, измервана в пикохенри (pH), конекторът може да бъде описан и в двете функции – източник и поглъщател. Една проста измервателна схема помага на потребителите да установят кой конектор и коя конфигурация на изводите е необходима или оптимална за съответното им приложение. За целта полезният сигнал трябва да бъде смутен с помощта на генератор на импулси и да се измери максимално допустимата индуктивност на свързване. Ако индуцираното напрежение (Uind), напрежението на генератора (UGen) и константата на генератора (kGen) са известни, за всяко приложение може да се определи съответната специфична, максимално допустима индуктивност на връзката (L) по следната формула:
L = Uind / (UGen * kGen)
Свързващата индуктивност помага на потребителя също така да определи подходящия конектор по отношение на неговата електромагнитна съвместимост. По този начин могат да се избегнат скъпите и отнемащи време изпитания по метода на проба и грешка в лабораторията за електромагнитна съвместимост. Освен това е
възможно да се намали свързващата индуктивност на конектора с помощта на екраниране. Ето един пример за приложение: За HDMI сигнал при напрежение от 4,4 kV беше определена максимална индуктивност на връзката от 47 pH за конкретния случай. Ако стойността е по-висока, сигналът вече не може да се предава без смущения. Следващата илюстрация показва, че индуктивността на връзката е била значително намалена чрез използването на концепция за екраниране.
При това както Boardlocks, така и външните контакти бяха свързани към потенциала на масата както при неекранирания, така и при екранирания вариант, докато чрез двойка контакти беше подаден сигнал. Измерените стойности на индуктивността на свързване могат да бъдат демонстрирани чрез цветни графики на електрическото и магнитното поле. Симулацията с неекраниран конектор показа, че в този случай има индуктивност на връзката до 196 pH. При определената гранична стойност от 47 pH безпрепятственото предаване на сигнала вече не би било гарантирано. При екранирания конектор, от друга страна, стойностите на индуктивността на връзката са между 1 и 4 pH. Те са били намалени с около 50 пъти благодарение на екранирането, като по този начин е осигурено и предаване без смущения. При по-голям брой полюси е възможно дори намаление с фактор 100 до 200.
За потребителя екранирането има положителни свойства в две отношения: от една страна, конекторът действа по-малко като източник на смущения, а от друга страна, благодарение на екранирането, той представлява по-малък приемник на смущения за сигналите. Чрез използването на екранирани конектори те могат да бъдат позиционирани по-близо до източници и приемници на смущения върху печатната платка. Освен това се постига по-висок клас на мощност при предписаните тестове за импулсни и преходни напрежения на електрическото устройство.
За потребителя екранирането има положителни свойства в две отношения: от една страна, конекторът действа по-малко като източник на смущения, а от друга страна, благодарение на екранирането, той представлява по-малък приемник на смущения за сигналите. Чрез използването на екранирани конектори те могат да бъдат позиционирани по-близо до източници и приемници на смущения върху печатната платка. Освен това се постига по-висок клас на мощност при предписаните тестове за импулсни и преходни напрежения на електрическото устройство.
миниатюризация
Въпреки нарастващата функционална интеграция, размерите на сензорите и камерите не трябва да се увеличават. В повечето случаи в индустриалната автоматизация дори се изисква постоянна миниатюризация, за да могат машините да се произвеждат все по-компактни. По същия начин тенденцията към модулни конструкции на сензори или камери налага използването на съответно миниатюрни съединители. През последните десетилетия съединителите са се намалили до една малка част от първоначалния си размер, като са запазили почти идентична производителност.
За приложения с особено ограничено пространство за монтаж е подходяща технологията за повърхностен монтаж. Тя спестява много място, тъй като позволява двустранно монтаж на печатната платка, както и малки разстояния между елементите. При технологията за впресване например не би било възможно да се реализира тясна решетка от само 0,5 mm поради физическите сили, действащи по време на процеса на впресване – както и двустранно монтиране на печатната платка. В случая на миниатюрни приложения трябва да се има предвид и още един важен критерий при избора на подходящия конектор: в тези случаи чувствителните компоненти на дадена модулна система често са разположени много близо един до друг. Това води до повишен риск от взаимно електромагнитно влияние върху компонентите. Разбира се, при вашето приложение предаването на данни не трябва при никакви обстоятелства да бъде нарушавано, изкривявано или дори възпрепятствано. Поради тази причина защитата от електромагнитни смущения придобива все по-голямо значение. За да се избегнат смущения в сигнала, се препоръчва, както при високоскоростните съединители, и тук да се избере екраниран съединител.
Здравина
Сензорите и камерите, които се използват в непосредствена близост до машините, са изложени в особено голяма степен на сурови външни влияния. За да се защити електрониката от тези външни въздействия, целият модул може да бъде залит с смола. За целта обаче е необходимо решение за свързване, което също е съвместимо с заливането. Обикновените съединители са в явно неравностойно положение тук, тъй като уязвимата зона на съединението трябва да бъде защитена от заливната маса. Използваната технология с пружинно-ножови контакти не би осигурила необходимия клас на защита IP за тези материали.
При избора на подходящ съединител е важно да се избере еднокомпонентно решение за свързване, т.е. съединител, който не се нуждае от традиционната зона за закрепване. По този начин запълващата маса осигурява трайно и устойчиво решение за свързване, без обаче да може да проникне в зоната на контактите.
Ако е необходимо да се провери устойчивостта на електронните компоненти, това може да се направи чрез лабораторни тестове. При това стандартизираният профил на удара (profile) трябва да съответства на желаното състояние (control), т.е. ускорение от 50 g с толеранс от 20 процента (high abort и low abort). Съгласно DIN EN 60068-2-27 при това е допустимо прекъсване на контакта ≤ 1µs.
Ако е необходимо да се провери устойчивостта на електронните компоненти, това може да се направи чрез лабораторни тестове. При това стандартизираният профил на удара (profile) трябва да съответства на желаното състояние (control), т.е. ускорение от 50 g с толеранс от 20 процента (high abort и low abort). Съгласно DIN EN 60068-2-27 при това е допустимо прекъсване на контакта ≤ 1µs.
Ако при вашето приложение съединителят е изложен на екстремни външни въздействия като вибрации, удари, влага, замърсявания, екстремни температури или температурни колебания, се изисква и изключителна здравина. Заливането на вашия модул може да помогне в този случай, но е препоръчително да не разчитате единствено на това. Вместо това се препоръчва комбинация от заливане и техника на впресване. Последната вече е доказала себе си милиарди пъти и се счита за най-здравата и надеждна възможност за свързване – дори при неблагоприятни условия. При техниката на впресване щифтът (пина) на конектора се впресва в отвор с проходни контакти в печатната платка, като по този начин се създава както електрическа, така и механична връзка между конектора и печатната платка. Същевременно по този начин могат да се постигнат икономии на разходи до 50 процента, тъй като се избягват трудоемките спояващи работи и скъпите кабелни решения. При отпадане на уязвимата зона на съединението, един конектор в комбинация с технологията за впресване може дори да издържи ударни натоварвания от 50 до 200 g без прекъсване на контакта.
Когато се търсят универсални специалисти
На теория тези изисквания – високоскоростен пренос на данни, миниатюризация и издръжливост – могат да се разглеждат относително ясно и отделно едно от друго. Като потребител обаче със сигурност ще установите, че необходимият Ви конектор в редки случаи трябва да отговаря само на едно от тези изисквания. Поради тази причина много конектори отговарят на няколко от тези критерии с различна степен на приоритет. В някои случаи си заслужава да обърнете внимание и на „универсалните“ конектори. Ако например се използват няколко конектора едновременно, препоръчително е да се прибегне до продуктова серия, която се отличава с висока мащабируемост. По този начин могат да се избегнат отнемащите време и средства цикли на одобрение и в същото време да се гарантира, че всички продукти от една серия конектори са съвместими помежду си – независимо дали са екранирани, неекранирани, прави или ъглови.
Има ли въпроси?
Като експерти в областта на съединителите и контактите за печатни платки, с удоволствие споделяме знанията си, например чрез уебинари, съобразени с вашите нужди:
www.webinar.ept-group.de
Или се свържете директно с нас по всички въпроси, свързани със съединителите!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, GERMANY
Телефон +49 (0) 88 61 2501-0
Факс +49 (0) 88 61 2501-700
www.ept.de sales@ept.de
www.webinar.ept-group.de
Или се свържете директно с нас по всички въпроси, свързани със съединителите!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, GERMANY
Телефон +49 (0) 88 61 2501-0
Факс +49 (0) 88 61 2501-700
www.ept.de sales@ept.de