Whitepaper: Board-to-board-kontakt for industrielle sensorer og kamerasystemer
Raskere, mindre, mer robuste: Når de brukes i industrielle sensorer og kamerasystemer, må kontakt oppfylle stadig flere krav. Trenden går i retning av modularisering. Ved hjelp av kort-til-kort-kontakter kan kretskort kombineres på ulike måter, og dermed i stor grad bestemme sensorens funksjonalitet. I en tid preget av Industri 4.0 må kontaktene ikke bare bli stadig mindre og mer effektive – 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 kontakt 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 – avhengig av hva man legger vekt på, kan man imidlertid finne den optimale kontakt for din anvendelse.
Høyhastighets dataoverføring
Intelligente sensorer og kameraer i industrielle miljøer krever også sikker høyhastighets dataoverføring i en tid preget av big data, IoT og IIoT. kontakt for høyhastighetsapplikasjoner bør ha et tilsvarende høytytende kontaktdesign. Siden en kontakt på grunn av sin geometri utgjør en viss risikofaktor for svingninger i impedansprofil, må man ved utviklingen av høyhastighetskontakter legge særlig vekt på å optimalisere kontaktdesignet for å kontrollere impedansen. Her er det viktig å redusere endringer i tverrsnittet i kontakt til et minimum så langt det er mulig, da disse medfører svingninger i impedansen, som igjen fører til tap i signaloverføringen.
Når det gjelder miniatyriserte oppbygginger, bør kontakt dessuten ha elektromagnetisk skjerming, siden spesielt høyfrekvente signaler er svært utsatt for uønskede elektromagnetiske effekter. Her kan allerede en liten impuls være nok til å forvrenge brukssignalet, slik at mottakeren ikke lenger kan tolke de digitale tilstandene entydig.
En kontakt kan i denne sammenhengen fungere både som forstyrrelsesdempere og forstyrrelseskilde, 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 gjensidig induktans LK, målt i picohenry (pH), kan kontakten beskrives i begge funksjonene – som kilde og som demper. Et enkelt måleoppsett hjelper brukerne med å finne ut hvilken kontakt og hvilken pinout som er nødvendig, henholdsvis optimal, for deres respektive anvendelse. For dette må brukssignalet forstyrres ved hjelp av en burstgenerator, og den maksimalt tillatte gjensidig induktans måles. Hvis den induserte spenningen (Uind), generatorens spenning (UGen) og generatorkonstanten (kGen) er kjent, kan den spesifikke, maksimalt tillatte gjensidig induktans (L) for hver applikasjon bestemmes ved hjelp av følgende formel:
L = Uind / (UGen * kGen)
gjensidig induktans hjelper dessuten brukeren med å velge riktig kontakt med tanke på elektromagnetisk kompatibilitet. Dermed kan man også unngå kostbare og tidkrevende prøve-og-feil-tester i EMC-Labor.
Det er dessuten mulig å redusere gjensidig induktans 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 kgjensidig induktans på 47 pH. Ligger verdien over dette, kan signalet ikke lenger overføres uten forstyrrelser. Figuren nedenfor viser at kgjensidig induktans ble redusert betydelig ved bruk av et skjermingskonsept.
En kontakt kan i denne sammenhengen fungere både som forstyrrelsesdempere og forstyrrelseskilde, 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 gjensidig induktans LK, målt i picohenry (pH), kan kontakten beskrives i begge funksjonene – som kilde og som demper. Et enkelt måleoppsett hjelper brukerne med å finne ut hvilken kontakt og hvilken pinout som er nødvendig, henholdsvis optimal, for deres respektive anvendelse. For dette må brukssignalet forstyrres ved hjelp av en burstgenerator, og den maksimalt tillatte gjensidig induktans måles. Hvis den induserte spenningen (Uind), generatorens spenning (UGen) og generatorkonstanten (kGen) er kjent, kan den spesifikke, maksimalt tillatte gjensidig induktans (L) for hver applikasjon bestemmes ved hjelp av følgende formel:
L = Uind / (UGen * kGen)
gjensidig induktans hjelper dessuten brukeren med å velge riktig kontakt med tanke på elektromagnetisk kompatibilitet. Dermed kan man også unngå kostbare og tidkrevende prøve-og-feil-tester i EMC-Labor.
Det er dessuten mulig å redusere gjensidig induktans 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 kgjensidig induktans på 47 pH. Ligger verdien over dette, kan signalet ikke lenger overføres uten forstyrrelser. Figuren nedenfor viser at kgjensidig induktans ble redusert betydelig ved bruk av et skjermingskonsept.
Boardlocksene samt de ytre kontaktene ble i dette tilfellet satt til jordpotensial både for den uskjermede og den skjermede utførelsen, mens et signal ble tilført via et kontaktpar. De målte koblingsinduktivitetsverdiene kan demonstreres ved hjelp av fargede forløp av det elektriske og magnetiske feltet. Simuleringen med en uskjermet kontakt har vist at det her foreligger en gjensidig induktans på opptil 196 pH. Med den fastsatte grenseverdien på 47 pH ville en forstyrrelsesfri signaloverføring dermed ikke lenger være garantert. For skjermede kontakt ligger koblingsinduktivitetsverdiene på 1 til 4 pH. Disse kunne altså reduseres med omtrent en faktor 50 takket være skjerming, og dermed sikres også en forstyrrelsesfri overføring. Ved et høyere poltall er det til og med mulig å oppnå en reduksjon med en faktor på 100 til 200.
For brukeren har skjerming positive egenskaper på to måter: For det første fungerer kontakt dermed i mindre grad som en forstyrrelseskilde, og for det andre utgjør den, takket være skjerming, en mindre forstyrrelsesmottaker for signalene. Ved bruk av skjermede kontakter kan disse nå også plasseres nærmere forstyrrelseskilder og forstyrrelsesmottakere på kretskortet. I tillegg muliggjøres en høyere ytelsesklasse ved de foreskrevne burst- og overspenningsprøvene av det elektriske apparatet.
For brukeren har skjerming positive egenskaper på to måter: For det første fungerer kontakt dermed i mindre grad som en forstyrrelseskilde, og for det andre utgjør den, takket være skjerming, en mindre forstyrrelsesmottaker for signalene. Ved bruk av skjermede kontakter kan disse nå også plasseres nærmere forstyrrelseskilder og forstyrrelsesmottakere på kretskortet. I tillegg muliggjøres en høyere ytelsesklasse ved de foreskrevne burst- og overspenningsprøvene av det elektriske apparatet.
miniatyrisering
Til tross for økende funksjonsintegrasjon må ikke størrelsen på sensorer og kamerasystemer øke. I industriell automatisering kreves det for det meste til og med en kontinuerlig 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 kontakt. I løpet av de siste tiårene har kontakt derfor blitt redusert til en brøkdel av sin opprinnelige størrelse, samtidig som ytelsen har forblitt nesten identisk.
For anvendelser med spesielt trangt monteringsrom er overflatemonteringsteknologi (Surface-Mount-Technologie) et godt valg. Den er spesielt plassbesparende fordi den muliggjør montering på begge sider av kretskortet samt små pitch. Med innpressteknikk (press-fit-teknologi) ville for eksempel et tett pitch 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 (kretskortmontering). 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 nemlig følsomme komponenter i en enhet ofte svært tett inntil hverandre. Dette medfører en økt risiko for gjensidig elektromagnetisk påvirkning mellom 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, akkurat som ved høyhastighetskontakt, å velge en skjermet kontakt også her.
Robusthet
Sensorer og kamerasystemer som brukes i nærheten av maskiner, er i særlig grad utsatt 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 kontakt er her klart i underkant, fordi det sårbare innstikksområde må beskyttes mot støpemasse. Den anvendte fjær-kniv-kontaktteknologien ville i dette tilfellet ikke oppfylle den nødvendige IP-kapslingsgrad for disse materialene.
Når man skal velge riktig kontakt, må man derfor passe på å velge en tilkoblingsløsning i ett stykke, altså en kontakt som klarer seg uten det tradisjonelle innstikksområde. Dermed muliggjør støpemasse en varig og robust tilkoblingsløsning, uten at den imidlertid kan trenge inn i kontaktområdet.
Skal elektroniske komponenter testes med hensyn til robusthet, er dette mulig gjennom laboratorietester. Her må det standardiserte støtprofilen (profile) samsvare med referansetilstanden (control), det vil si 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 (kontaktbrudd) på ≤ 1 µs tillatt.
Skal elektroniske komponenter testes med hensyn til robusthet, er dette mulig gjennom laboratorietester. Her må det standardiserte støtprofilen (profile) samsvare med referansetilstanden (control), det vil si 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 (kontaktbrudd) på ≤ 1 µs tillatt.
Hvis kontakt 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 din kan bidra til dette, men det er likevel lurt å ikke stole utelukkende på dette. I stedet anbefales en kombinasjon av innstøping og press-fit-teknologi. 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 press-fit-teknologi presses kontaktstiften (pin) inn i et gjennomgående hull i kretskortet, og dermed opprettes en både elektrisk og mekanisk forbindelse mellom kontakt og kretskortet. Samtidig kan man oppnå kostnadsbesparelser på opptil 50 prosent, fordi man unngår tidkrevende loddearbeid og dyre kabelløsninger. Uten det sårbare innstikksområde kan en kontakt i kombinasjon med press-fit-teknologi til og med tåle støtbelastninger på 50 til 200 g uten kontaktbrudd.
Når det er behov for allsidige medarbeidere
I teorien kan disse kravene – høyhastighets dataoverføring, miniatyrisering og robusthet – betraktes relativt skarpt adskilt fra hverandre. Som bruker vil du imidlertid sikkert oppdage at den kontakt du trenger, i de aller sjeldneste tilfeller bare må oppfylle ett av kravene. Av denne grunn oppfyller mange kontakt flere av disse kriteriene i ulik vekting. I noen tilfeller lønner det seg også å ta en titt på «allrounderne» blant kontaktene. Dersom det for eksempel skal brukes flere kontakt 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 vinklet.
Noen spørsmål?
Som eksperter på kretskortkontakter og -koblinger deler vi gjerne vår kunnskap, for eksempel i webinarer skreddersydd for deg:
webinar.ept-group.de
Eller ta direkte kontakt med oss om alle spørsmål knyttet til kontakt!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, TYSKLAND
Telefon +49 (0) 8861 2501 0
Faks +49 (0) 8861 2501 700
www.ept.de
sales@ept.de
webinar.ept-group.de
Eller ta direkte kontakt med oss om alle spørsmål knyttet til kontakt!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, TYSKLAND
Telefon +49 (0) 8861 2501 0
Faks +49 (0) 8861 2501 700
www.ept.de
sales@ept.de