Dokument techniczny: Złącza typu board-to-board do przemysłowych czujników i systemów kamer
Szybsze, mniejsze, bardziej wytrzymałe: w zastosowaniach w przemysłowych czujnikach i systemach kamerowych złącza muszą spełniać coraz więcej wymagań. Trend zmierza w kierunku modularyzacji. Dzięki złączom typu board-to-board można w różnorodny sposób łączyć ze sobą płytki drukowane, co pozwala w znacznym stopniu określać funkcjonalność czujnika. W dobie Przemysłu 4.0 złącza muszą być nie tylko coraz mniejsze i wydajniejsze – oprócz miniaturyzacji i dużej prędkości, zastosowanie w środowisku przemysłowym często wymaga ekstremalnej wytrzymałości. Niniejszy przewodnik ma pomóc w znalezieniu odpowiedniego złącza do Państwa zastosowania w dziedzinie wizji maszynowej.
Przy opracowywaniu nowoczesnych czujników i systemów kamer do zastosowań przemysłowych na pierwszym planie znajdują się trzy wymagania: szybka transmisja danych, miniaturyzacja i wytrzymałość. Wymagania te rzadko można rozpatrywać w oderwaniu od siebie – jednak w zależności od priorytetów można znaleźć złącze optymalne dla danego zastosowania.
Szybka transmisja danych
W dobie Big Data, IoT i IIoT inteligentne czujniki i kamery stosowane w środowiskach przemysłowych wymagają również bezpiecznej transmisji danych z dużą prędkością. Złącza do zastosowań szybkich powinny mieć odpowiednio wydajną konstrukcję styków. Ponieważ ze względu na swoją geometrię złącze stanowi pewien czynnik ryzyka dla wahań impedancji, podczas projektowania złączy szybkich szczególną uwagę należy zwrócić na optymalizację konstrukcji styków w celu kontrolowania impedancji. W tym przypadku ważne jest, aby w miarę możliwości zminimalizować zmiany przekroju poprzecznego w złączu, ponieważ powodują one wahania impedancji, co z kolei prowadzi do strat w transmisji sygnału.
W przypadku miniaturyzowanych układów złącza powinny ponadto posiadać ekranowanie elektromagnetyczne, ponieważ zwłaszcza sygnały o wysokiej częstotliwości są szczególnie podatne na niepożądane zakłócenia elektromagnetyczne. Wystarczy tu nawet niewielki impuls, aby zafałszować sygnał użytkowy, przez co odbiornik nie będzie już w stanie jednoznacznie zinterpretować stanów cyfrowych.
Złącze może pełnić zarówno rolę pochłaniacza zakłóceń, jak i ich źródła, tzn. z jednej strony podlegać wpływowi innych elementów zespołu, a z drugiej strony samo oddziaływać elektromagnetycznie na otaczające elementy. Za pomocą indukcyjności sprzężenia LK, mierzonej w pikohenrach (pH), można opisać złącze w obu funkcjach – źródła i pochłaniacza. Prosta konfiguracja pomiarowa pomaga użytkownikom ustalić, które złącze i które rozłożenie pinów jest niezbędne lub optymalne dla danego zastosowania. W tym celu należy zakłócić sygnał użytkowy za pomocą generatora impulsów i zmierzyć maksymalną dopuszczalną indukcyjność sprzężenia. Jeśli znane są napięcie indukowane (Uind), napięcie generatora (UGen) oraz stała generatora (kGen), dla każdego zastosowania można określić odpowiednią, maksymalną dopuszczalną indukcyjność sprzężenia (L) na podstawie następującego wzoru:
L = Uind / (UGen * kGen)
Indukcyjność sprzężenia pomaga użytkownikowi również w doborze odpowiedniego złącza pod kątem jego kompatybilności elektromagnetycznej. Dzięki temu można uniknąć kosztownych i czasochłonnych testów metodą prób i błędów w laboratorium EMC. Ponadto
możliwe jest obniżenie indukcyjności sprzężenia złącza za pomocą ekranowania. Oto przykład zastosowania: dla sygnału HDMI przy napięciu 4,4 kV określono maksymalną indukcyjność sprzężenia wynoszącą 47 pH. Jeśli wartość ta jest wyższa, sygnał nie może być już przesyłany bez zakłóceń. Poniższy rysunek pokazuje, że indukcyjność sprzężenia została znacznie zmniejszona dzięki zastosowaniu koncepcji ekranowania.
Złącze może pełnić zarówno rolę pochłaniacza zakłóceń, jak i ich źródła, tzn. z jednej strony podlegać wpływowi innych elementów zespołu, a z drugiej strony samo oddziaływać elektromagnetycznie na otaczające elementy. Za pomocą indukcyjności sprzężenia LK, mierzonej w pikohenrach (pH), można opisać złącze w obu funkcjach – źródła i pochłaniacza. Prosta konfiguracja pomiarowa pomaga użytkownikom ustalić, które złącze i które rozłożenie pinów jest niezbędne lub optymalne dla danego zastosowania. W tym celu należy zakłócić sygnał użytkowy za pomocą generatora impulsów i zmierzyć maksymalną dopuszczalną indukcyjność sprzężenia. Jeśli znane są napięcie indukowane (Uind), napięcie generatora (UGen) oraz stała generatora (kGen), dla każdego zastosowania można określić odpowiednią, maksymalną dopuszczalną indukcyjność sprzężenia (L) na podstawie następującego wzoru:
L = Uind / (UGen * kGen)
Indukcyjność sprzężenia pomaga użytkownikowi również w doborze odpowiedniego złącza pod kątem jego kompatybilności elektromagnetycznej. Dzięki temu można uniknąć kosztownych i czasochłonnych testów metodą prób i błędów w laboratorium EMC. Ponadto
możliwe jest obniżenie indukcyjności sprzężenia złącza za pomocą ekranowania. Oto przykład zastosowania: dla sygnału HDMI przy napięciu 4,4 kV określono maksymalną indukcyjność sprzężenia wynoszącą 47 pH. Jeśli wartość ta jest wyższa, sygnał nie może być już przesyłany bez zakłóceń. Poniższy rysunek pokazuje, że indukcyjność sprzężenia została znacznie zmniejszona dzięki zastosowaniu koncepcji ekranowania.
W tym przypadku zarówno złącza Boardlock, jak i styki zewnętrzne zostały podłączone do potencjału masy zarówno w wersji nieekranowanej, jak i ekranowanej, podczas gdy sygnał był podawany przez parę styków. Zmierzone wartości indukcyjności sprzężenia można zilustrować za pomocą kolorowych wykresów pola elektrycznego i magnetycznego. Symulacja z użyciem nieekranowanego złącza wykazała, że indukcyjność sprzężenia wynosi w tym przypadku do 196 pH. Przy ustalonej wartości granicznej wynoszącej 47 pH nie można by już zagwarantować niezakłóconej transmisji sygnału. Natomiast w przypadku złącza ekranowanego wartości indukcyjności sprzężenia wynoszą od 1 do 4 pH. Dzięki ekranowaniu udało się je zatem zmniejszyć około 50-krotnie, zapewniając w ten sposób bezzakłóceniową transmisję. Przy większej liczbie biegunów możliwe jest nawet zmniejszenie o współczynnik 100 do 200.
Dla użytkownika ekranowanie ma pozytywne właściwości pod dwoma względami: z jednej strony złącze działa dzięki temu w mniejszym stopniu jako źródło zakłóceń, z drugiej strony stanowi ono dzięki ekranowaniu mniejszy punkt pochłaniania zakłóceń dla sygnałów. Dzięki zastosowaniu ekranowanych złączy można je teraz umieszczać bliżej źródeł zakłóceń i punktów pochłaniania zakłóceń na płytce drukowanej. Dodatkowo umożliwia to uzyskanie wyższej klasy wydajności w wymaganych testach impulsowych i przepięciowych urządzenia elektrycznego.
Dla użytkownika ekranowanie ma pozytywne właściwości pod dwoma względami: z jednej strony złącze działa dzięki temu w mniejszym stopniu jako źródło zakłóceń, z drugiej strony stanowi ono dzięki ekranowaniu mniejszy punkt pochłaniania zakłóceń dla sygnałów. Dzięki zastosowaniu ekranowanych złączy można je teraz umieszczać bliżej źródeł zakłóceń i punktów pochłaniania zakłóceń na płytce drukowanej. Dodatkowo umożliwia to uzyskanie wyższej klasy wydajności w wymaganych testach impulsowych i przepięciowych urządzenia elektrycznego.
miniaturyzacja
Pomimo coraz większej integracji funkcji rozmiar czujników i systemów kamerowych nie może się zwiększać. W automatyce przemysłowej zazwyczaj wymagana jest wręcz ciągła miniaturyzacja, aby maszyny mogły być coraz bardziej kompaktowe. Podobnie trend w kierunku modułowej budowy czujników lub kamer wymaga stosowania odpowiednio zminiaturyzowanych złączy. W ostatnich dziesięcioleciach złącza zmniejszyły się zatem do ułamka swoich pierwotnych rozmiarów, zachowując niemal identyczną wydajność.
W zastosowaniach, gdzie przestrzeń montażowa jest szczególnie ograniczona, sprawdzi się technologia montażu powierzchniowego. Jest ona wyjątkowo oszczędna pod względem miejsca, ponieważ umożliwia montaż elementów po obu stronach płytki drukowanej oraz stosowanie niewielkich odstępów. W przypadku technologii wciskania nie byłoby możliwe uzyskanie wąskiego rasteru wynoszącego zaledwie 0,5 mm ze względu na siły fizyczne działające podczas procesu wciskania – podobnie jak obustronne montaż elementów na płytce drukowanej. W przypadku zastosowań miniaturyzowanych należy również wziąć pod uwagę kolejne ważne kryterium przy wyborze odpowiedniego złącza: w takich przypadkach wrażliwe komponenty modułu często znajdują się bardzo blisko siebie. Powoduje to zwiększone ryzyko wzajemnego oddziaływania elektromagnetycznego między komponentami. Oczywiście transmisja danych w Państwa zastosowaniu nie może pod żadnym pozorem być zakłócana, zniekształcana, a tym bardziej uniemożliwiana. Z tego powodu ochrona przed zakłóceniami elektromagnetycznymi zyskuje coraz większe znaczenie. Aby uniknąć zakłóceń sygnału, zaleca się zatem, podobnie jak w przypadku złączy szybkich, wybór złącza ekranowanego.
wytrzymałość
Czujniki i systemy kamer stosowane w bezpośrednim sąsiedztwie maszyn są w szczególnym stopniu narażone na działanie trudnych warunków środowiskowych. Aby chronić elektronikę przed tymi czynnikami zewnętrznymi, można zalewać cały zespół. Wymaga to jednak zastosowania rozwiązania połączeniowego, które jest kompatybilne z zalewaniem. Zwykłe złącza wtykowe mają tu wyraźną wadę, ponieważ wrażliwy obszar styku musi być chroniony przed masą zalewową. Zastosowana technologia styków sprężynowo-nożowych nie zapewniałaby w tym przypadku wymaganego stopnia ochrony IP dla tych materiałów.
Wybierając odpowiednie złącze, należy zatem zwrócić uwagę na rozwiązanie jednoczęściowe, czyli takie, które nie wymaga tradycyjnego obszaru wtykowego. Dzięki temu masa zalewowa zapewnia trwałe i wytrzymałe połączenie, nie wnikając jednak w obszar styków.
Jeśli konieczne jest sprawdzenie wytrzymałości elementów elektronicznych, można to zrobić w ramach testów laboratoryjnych. W tym przypadku znormalizowany profil wstrząsu (profile) musi odpowiadać stanowi docelowemu (control), czyli przyspieszeniu 50 g z tolerancją 20 procent (high abort i low abort). Zgodnie z normą DIN EN 60068-2-27 dopuszczalne jest przy tym przerwanie kontaktu ≤ 1 µs.
Jeśli konieczne jest sprawdzenie wytrzymałości elementów elektronicznych, można to zrobić w ramach testów laboratoryjnych. W tym przypadku znormalizowany profil wstrząsu (profile) musi odpowiadać stanowi docelowemu (control), czyli przyspieszeniu 50 g z tolerancją 20 procent (high abort i low abort). Zgodnie z normą DIN EN 60068-2-27 dopuszczalne jest przy tym przerwanie kontaktu ≤ 1 µs.
Jeśli złącze w Państwa zastosowaniu jest narażone na ekstremalne czynniki środowiskowe, takie jak wibracje, wstrząsy, wilgoć, zanieczyszczenia, ekstremalne temperatury lub wahania temperatury, konieczna jest również wyjątkowa wytrzymałość. Pomocne może być zalanie zespołu, jednak nie należy polegać wyłącznie na tym rozwiązaniu. Zamiast tego zaleca się połączenie zalania z techniką wciskania. Ta ostatnia sprawdziła się już miliardy razy i jest uważana za najbardziej wytrzymałą i niezawodną metodę połączenia – nawet w trudnych warunkach. W technice wciskania styk złącza (pin) jest wciskany w przelotowy otwór płytki drukowanej, tworząc w ten sposób połączenie elektryczne i mechaniczne między złączem a płytką drukowaną. Jednocześnie pozwala to osiągnąć oszczędności kosztów nawet do 50 procent, ponieważ unika się pracochłonnych prac lutowniczych i kosztownych rozwiązań kablowych. Bez wrażliwego obszaru wtykowego złącze w połączeniu z techniką wciskania może wytrzymać nawet obciążenia udarowe od 50 do 200 g bez przerwania kontaktu.
Kiedy potrzebni są wszechstronni pracownicy
W teorii wymagania te – szybka transmisja danych, miniaturyzacja i wytrzymałość – można rozpatrywać jako stosunkowo odrębne kwestie. Jednak jako użytkownik z pewnością zauważysz, że potrzebne Ci złącze rzadko kiedy musi spełniać tylko jedno z tych wymagań. Z tego powodu wiele złączy spełnia kilka z tych kryteriów w różnym stopniu. W niektórych przypadkach warto również zwrócić uwagę na „wszechstronne” złącza. Jeśli na przykład ma być używanych jednocześnie kilka złączy, zaleca się skorzystanie z rodziny produktów, która charakteryzuje się wysoką skalowalnością. Pozwala to uniknąć czasochłonnych i kosztownych cykli zatwierdzania, a jednocześnie zapewnia kompatybilność wszystkich produktów z danej rodziny złączy – niezależnie od tego, czy są one ekranowane, nieekranowane, proste czy kątowe.
Jakieś pytania?
Jako eksperci w dziedzinie złączy i styków do płytek drukowanych chętnie dzielimy się naszą wiedzą, np. podczas webinarów dostosowanych do Państwa potrzeb:
www.webinar.ept-group.de.
Można też skontaktować się z nami bezpośrednio w każdej sprawie związanej ze złączami!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, NIEMCY
Tel. +49 (0) 88 61 2501-0
Faks +49 (0) 88 61 2501-700
www.ept.de sales@ept.de
www.webinar.ept-group.de.
Można też skontaktować się z nami bezpośrednio w każdej sprawie związanej ze złączami!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, NIEMCY
Tel. +49 (0) 88 61 2501-0
Faks +49 (0) 88 61 2501-700
www.ept.de sales@ept.de