Hvitbok: Board-to-board-kontakter for industrielle sensorer og kamerasystemer
Raskere, mindre, mer robust: Når de brukes i industrielle sensorer og kamerasystemer, må kontaktene oppfylle stadig flere krav. Trenden går i retning av modularisering. Ved hjelp av board-to-board-kontakter kan kretskort kombineres på ulike måter, noe som i stor grad bestemmer sensorens funksjonalitet. I tider med Industri 4.0 må kontaktene ikke bare bli stadig mindre og kraftigere – i tillegg til miniatyrisering og høy hastighet krever bruk i industrielle miljøer ofte ekstrem robusthet. Denne veiledningen skal hjelpe deg med å finne den riktige kontakten for din maskinsynsapplikasjon.
Tre krav står i forgrunnen ved utviklingen av moderne sensorer og kamerasystemer for industrielle anvendelser: høyhastighets dataoverføring, miniatyrisering og robusthet. Disse kravene kan i svært sjeldne tilfeller betraktes uavhengig av hverandre – men avhengig av hva man prioriterer, kan man finne den optimale kontakten for din anvendelse.
Høyhastighets dataoverføring
I en tid preget av big data, IoT og IIoT trenger intelligente sensorer og kameraer i industrielle miljøer også sikker høyhastighets dataoverføring. Koblinger for høyhastighetsapplikasjoner bør ha et tilsvarende høytytende kontaktdesign. Siden en kobling på grunn av sin geometri utgjør en viss risikofaktor for svingninger i impedansforløpet, må man ved utviklingen av høyhastighetskoblinger legge særlig vekt på å optimalisere kontaktdesignet for å kontrollere impedansen. Her er det viktig å redusere endringer i tverrsnittet i kontakten til et minimum, da disse fører til svingninger i impedansen, som igjen fører til tap i signaloverføringen.
I tilfelle av miniatyriserte oppbygginger bør kontaktene dessuten ha elektromagnetisk skjerming, da særlig høyfrekvente signaler er svært utsatt for uønskede elektromagnetiske effekter. Her kan selv en liten impuls være nok til å forvrenge brukssignalet, slik at mottakeren ikke lenger kan tolke de digitale tilstandene entydig.
En kontakt kan både fungere som støydrener og støykilde, det vil si at den på den ene siden kan påvirkes av andre komponenter i enheten, og på den andre siden selv kan påvirke omkringliggende komponenter elektromagnetisk. Med koblingsinduktansen LK, målt i picohenry (pH), kan kontakten beskrives i begge funksjoner – kilde og drener. Et enkelt måleoppsett hjelper brukerne med å finne ut hvilken kontakt og hvilken pinout som er nødvendig eller optimal for deres respektive anvendelse. For dette må brukssignalet forstyrres ved hjelp av en burstgenerator, og den maksimalt tillatte koblingsinduktansen måles. Hvis den induserte spenningen (Uind), generatorens spenning (UGen) og generatorkonstanten (kGen) er kjent, kan den spesifikke, maksimalt tillatte koblingsinduktansen (L) for hver applikasjon bestemmes ved hjelp av følgende formel:
L = Uind / (UGen * kGen)
Koblingsinduktansen hjelper dessuten brukeren med å definere den passende kontakten med hensyn til elektromagnetisk kompatibilitet. Dermed kan man også unngå kostbare og tidkrevende prøve-og-feile-tester i EMC-laboratoriet.
Det er dessuten mulig å redusere koblingsinduktansen til en kontakt ved hjelp av skjerming. Her er et anvendelseseksempel: For et HDMI-signal ble det ved en spenning på 4,4 kV beregnet en tilfellespesifikk maksimal koblingsinduktans på 47 pH. Ligger verdien over dette, kan signalet ikke lenger overføres uten forstyrrelser. Figuren nedenfor viser at koblingsinduktansen ble redusert betydelig ved bruk av et skjermingskonsept.
En kontakt kan både fungere som støydrener og støykilde, det vil si at den på den ene siden kan påvirkes av andre komponenter i enheten, og på den andre siden selv kan påvirke omkringliggende komponenter elektromagnetisk. Med koblingsinduktansen LK, målt i picohenry (pH), kan kontakten beskrives i begge funksjoner – kilde og drener. Et enkelt måleoppsett hjelper brukerne med å finne ut hvilken kontakt og hvilken pinout som er nødvendig eller optimal for deres respektive anvendelse. For dette må brukssignalet forstyrres ved hjelp av en burstgenerator, og den maksimalt tillatte koblingsinduktansen måles. Hvis den induserte spenningen (Uind), generatorens spenning (UGen) og generatorkonstanten (kGen) er kjent, kan den spesifikke, maksimalt tillatte koblingsinduktansen (L) for hver applikasjon bestemmes ved hjelp av følgende formel:
L = Uind / (UGen * kGen)
Koblingsinduktansen hjelper dessuten brukeren med å definere den passende kontakten med hensyn til elektromagnetisk kompatibilitet. Dermed kan man også unngå kostbare og tidkrevende prøve-og-feile-tester i EMC-laboratoriet.
Det er dessuten mulig å redusere koblingsinduktansen til en kontakt ved hjelp av skjerming. Her er et anvendelseseksempel: For et HDMI-signal ble det ved en spenning på 4,4 kV beregnet en tilfellespesifikk maksimal koblingsinduktans på 47 pH. Ligger verdien over dette, kan signalet ikke lenger overføres uten forstyrrelser. Figuren nedenfor viser at koblingsinduktansen ble redusert betydelig ved bruk av et skjermingskonsept.
Både Boardlocks og de ytre kontaktene ble i denne sammenheng satt til jordpotensial, både for den uskjermede og den skjermede utførelsen, mens et signal ble tilført via et kontaktpar. De målte verdiene for koblingsinduktans kan illustreres ved hjelp av fargeforløp for det elektriske og magnetiske feltet. Simuleringen med en uskjermet kontakt har vist at det her foreligger en koblingsinduktivitet på opptil 196 pH. Med den fastsatte grenseverdien på 47 pH ville en forstyrrelsesfri signaloverføring dermed ikke lenger være garantert. For den skjermede kontakten ligger derimot koblingsinduktivitetsverdiene på 1 til 4 pH. Disse kunne altså reduseres med omtrent en faktor 50 ved hjelp av skjermingen, og dermed sikres en forstyrrelsesfri overføring. Ved høyere poltall er det til og med mulig å oppnå en reduksjon med en faktor på 100 til 200.
For brukeren har skjermingen positive egenskaper på to måter: For det første fungerer kontakten dermed mindre som en forstyrrelseskilde, og for det andre utgjør den gjennom skjermingen en mindre forstyrrelsesbrønn for signalene. Ved bruk av skjermede kontakter kan disse nå også plasseres nærmere forstyrrelseskilder og forstyrrelsesbrønner på kretskortet. I tillegg muliggjøres en høyere ytelsesklasse ved de foreskrevne burst- og surge-testene av det elektriske apparatet.
For brukeren har skjermingen positive egenskaper på to måter: For det første fungerer kontakten dermed mindre som en forstyrrelseskilde, og for det andre utgjør den gjennom skjermingen en mindre forstyrrelsesbrønn for signalene. Ved bruk av skjermede kontakter kan disse nå også plasseres nærmere forstyrrelseskilder og forstyrrelsesbrønner på kretskortet. I tillegg muliggjøres en høyere ytelsesklasse ved de foreskrevne burst- og surge-testene av det elektriske apparatet.
miniatyrisering
Til tross for økende funksjonsintegrasjon må ikke størrelsen på sensorer og kamerasystemer øke. I industriell automatisering er det ofte et krav om stadig miniatyrisering for å kunne bygge stadig mer kompakte maskiner. På samme måte krever trenden mot modulære oppbygginger av sensorer eller kameraer bruk av tilsvarende miniatyriserte kontakter. I løpet av de siste tiårene har derfor kontaktkonnektorene, med tilnærmet identisk ytelse, blitt redusert til en brøkdel av sin opprinnelige størrelse.
For applikasjoner med spesielt begrenset monteringsplass er overflatemonteringsteknologi et godt valg. Den er spesielt plassbesparende, fordi den muliggjør montering på begge sider av kretskortet samt små rasteravstander. Med innpressingsteknikken ville for eksempel et tett raster på bare 0,5 mm ikke være mulig på grunn av de fysiske kreftene som virker under innpressingsprosessen – og det samme gjelder montering på begge sider av kretskortet. Når det gjelder miniatyriserte applikasjoner, er det dessuten viktig å ta hensyn til et annet viktig kriterium ved valg av riktig kontakt: I slike tilfeller ligger sensitive komponenter i en enhet ofte svært nær hverandre. Dette medfører en økt risiko for gjensidig elektromagnetisk påvirkning av komponentene. Selvfølgelig må dataoverføringen i din applikasjon under ingen omstendigheter forstyrres, forvanskes eller til og med hindres. Av denne grunn blir EM-beskyttelse stadig mer relevant. For å unngå signalforstyrrelser anbefales det derfor, som ved høyhastighetskontakter, å velge en skjermet kontakt også her.
Robusthet
Sensorer og kamerasystemer som brukes i nærheten av maskiner, utsettes i særlig grad for tøffe miljøpåvirkninger. For å beskytte elektronikken mot disse ytre påvirkningene kan hele enheten støpes inn. Til dette kreves det imidlertid en tilkoblingsløsning som også er kompatibel med støpingen. Vanlige stikkontakter har her en klar ulempe, fordi det sårbare stikkområdet må beskyttes mot støpemassen. Den anvendte fjær-kniv-kontaktteknologien ville i dette tilfellet ikke oppfylle den nødvendige IP-beskyttelsesklassen for disse materialene.
Når man skal velge riktig kontakt, er det derfor viktig å velge en helhetlig tilkoblingsløsning, det vil si en kontakt som ikke har det vanlige stikkområdet. På denne måten sikrer støpemassen en varig og robust tilkoblingsløsning, uten at den trenger inn i kontaktområdet.
Dersom elektroniske komponenter skal testes med hensyn til robusthet, kan dette gjøres gjennom laboratorietester. Her må det standardiserte støtprofilen (profile) samsvare med målverdien (control), altså en akselerasjon på 50 g med en toleranse på 20 prosent (high abort og low abort). I henhold til DIN EN 60068-2-27 er en kontaktavbrudd på ≤ 1 µs tillatt.
Dersom elektroniske komponenter skal testes med hensyn til robusthet, kan dette gjøres gjennom laboratorietester. Her må det standardiserte støtprofilen (profile) samsvare med målverdien (control), altså en akselerasjon på 50 g med en toleranse på 20 prosent (high abort og low abort). I henhold til DIN EN 60068-2-27 er en kontaktavbrudd på ≤ 1 µs tillatt.
Hvis kontakten i din applikasjon utsettes for ekstreme ytre miljøpåvirkninger som vibrasjon, støt, fuktighet, smuss, ekstreme temperaturer eller temperatursvingninger, kreves det også ekstrem robusthet. Innstøping av komponentmodulen kan bidra til dette, men det er likevel lurt å ikke stole utelukkende på dette. I stedet anbefales en kombinasjon av innstøping og innpressingsteknikk. Sistnevnte har allerede vist seg å fungere i milliarder av tilfeller og regnes som den mest robuste og pålitelige tilkoblingsmuligheten – også under ugunstige forhold. Ved innpressingsteknikken presses kontaktstiften (pin) inn i et gjennomgående hull i kretskortet, og dermed opprettes en elektrisk og mekanisk forbindelse mellom kontakten og kretskortet. Samtidig kan man oppnå kostnadsbesparelser på opptil 50 prosent, fordi man unngår tidkrevende loddearbeid og dyre kabelløsninger. Uten det sårbare kontaktområdet kan en kontakt i kombinasjon med innpressingsteknikken til og med tåle støtbelastninger på 50 til 200 g uten at kontakten brytes.
Når det er behov for allsidige medarbeidere
I teorien kan disse kravene – høyhastighets dataoverføring, miniatyrisering og robusthet – betraktes som relativt adskilte størrelser. Som bruker vil du imidlertid sikkert oppdage at den kontakten du trenger, i de aller sjeldneste tilfeller bare må oppfylle ett av kravene. Av denne grunn oppfyller mange kontakter flere av disse kriteriene, med ulik vekting. I noen tilfeller er det også verdt å ta en titt på «allrounderne» blant kontaktene. Hvis det for eksempel skal brukes flere kontakter samtidig, anbefales det å velge en produktfamilie som har høy skalerbarhet. På denne måten kan man unngå tid- og kostnadskrevende godkjenningsprosesser og samtidig sikre at alle produktene i en kontaktfamilie er kompatible med hverandre – uansett om de er skjermet, uskjermet, rette eller vinklede.
Noen spørsmål?
Som eksperter på kretskortkontakter og kontaktløsninger deler vi gjerne vår kunnskap, for eksempel gjennom webinarer skreddersydd for deg:
www.webinar.ept-group.de
Eller ta direkte kontakt med oss hvis du har spørsmål om kontakter!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, TYSKLAND
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
Eller ta direkte kontakt med oss hvis du har spørsmål om kontakter!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, TYSKLAND
Telefon +49 (0) 88 61 2501-0
Faks +49 (0) 88 61 2501-700
www.ept.de sales@ept.de