Whitepaper om board-to-board-stik til industrielle sensorer og kamerasystemer
Hurtigere, mindre, mere robuste: Når de anvendes i industrielle sensorer og kamerasystemer, skal stik opfylde stadig flere krav. Tendensen går i retning af modularisering. Ved hjælp af board-to-board-stik kan printkort kombineres fleksibelt med hinanden og dermed i høj grad bestemme sensorens funktionalitet. I en tid præget af Industri 4.0 skal stikkene ikke blot blive stadig mindre og mere effektive – ud over miniaturisering og høj hastighed kræver anvendelsen i industrielle miljøer ofte ekstrem robusthed. Denne vejledning skal hjælpe dig med at finde den rigtige stikforbindelse (stik) til din maskinsynsapplikation.
Tre krav står i forgrunden ved udviklingen af moderne sensorer og kamerasystemer til industrielle anvendelser: højhastighedsdataoverførsel, miniaturisering og robusthed. Disse krav kan i de sjældneste tilfælde betragtes uafhængigt af hinanden – men afhængigt af prioriteringen kan den optimale stik til din anvendelse findes.
Hurtig dataoverførsel
Intelligente sensorer og kameraer i industrielle miljøer har i en tid præget af big data, IoT og IIoT også brug for en sikker højhastighedsdataoverførsel. stik til højhastighedsapplikationer bør have et tilsvarende højtydende kontaktdesign. Da en stik på grund af sin geometri udgør en vis risikofaktor for svingninger i impedansprofil, lægges der ved udviklingen af high-speed-stik særlig vægt på optimering af kontaktdesignet for at styre impedansen. Her er det vigtigt så vidt muligt at reducere ændringer i tværsnittet i stik til et minimum, da disse medfører impedansudsving, som igen fører til tab i signaloverførslen.
I tilfælde af miniaturiserede opbygninger bør stikforbindelser (stik) desuden være udstyret med elektromagnetisk afskærmning, da især højfrekvente signaler er særligt følsomme over for uønskede elektromagnetiske effekter. Her kan selv en lille impuls være nok til at forvrænge det nyttige signal, så modtageren ikke længere entydigt kan fortolke de digitale tilstande.
En stik kan i denne sammenhæng både fungere som støjdræn og støjkilde, dvs. at den på den ene side er udsat for påvirkning fra andre komponenter i konstruktionen og på den anden side selv udøver elektromagnetisk påvirkning på omgivende komponenter. Med gensidig induktans LK, målt i picohenry (pH), kan stikket beskrives i begge funktioner – som kilde og som dræn. Et simpelt måleopstilling hjælper brugerne med at finde ud af, hvilket stik og hvilken pinout der er nødvendig henholdsvis optimal for deres respektive anvendelse. Til dette formål skal brugsignalet forstyrres ved hjælp af en burstgenerator, og den maksimalt tilladte kgensidig induktans skal måles. Hvis den inducerede spænding (Uind), generatorens spænding (UGen) samt generatorkonstanten (kGen) er kendt, kan den specifikke, maksimalt tilladte gensidig induktans (L) for hver anvendelse bestemmes ved hjælp af følgende formel:
L = Uind / (UGen * kGen)
gensidig induktans hjælper desuden brugeren med at definere den passende stik med hensyn til dens elektromagnetiske kompatibilitet. Dermed kan man også undgå omkostnings- og tidskrævende trial-and-error-test i EMC-Laboret.
Det er desuden muligt at reducere en stiks gensidig induktans ved hjælp af en afskærmning. Her er et anvendelseseksempel: For et HDMI-signal blev der ved en spænding på 4,4 kV fastslået en tilfældespecifik maksimal kgensidig induktans på 47 pH. Ligger værdien højere, kan signalet ikke længere overføres uden forstyrrelser. Den efterfølgende figur viser, at kgensidig induktans er blevet reduceret markant ved anvendelse af et afskærmningskoncept.
En stik kan i denne sammenhæng både fungere som støjdræn og støjkilde, dvs. at den på den ene side er udsat for påvirkning fra andre komponenter i konstruktionen og på den anden side selv udøver elektromagnetisk påvirkning på omgivende komponenter. Med gensidig induktans LK, målt i picohenry (pH), kan stikket beskrives i begge funktioner – som kilde og som dræn. Et simpelt måleopstilling hjælper brugerne med at finde ud af, hvilket stik og hvilken pinout der er nødvendig henholdsvis optimal for deres respektive anvendelse. Til dette formål skal brugsignalet forstyrres ved hjælp af en burstgenerator, og den maksimalt tilladte kgensidig induktans skal måles. Hvis den inducerede spænding (Uind), generatorens spænding (UGen) samt generatorkonstanten (kGen) er kendt, kan den specifikke, maksimalt tilladte gensidig induktans (L) for hver anvendelse bestemmes ved hjælp af følgende formel:
L = Uind / (UGen * kGen)
gensidig induktans hjælper desuden brugeren med at definere den passende stik med hensyn til dens elektromagnetiske kompatibilitet. Dermed kan man også undgå omkostnings- og tidskrævende trial-and-error-test i EMC-Laboret.
Det er desuden muligt at reducere en stiks gensidig induktans ved hjælp af en afskærmning. Her er et anvendelseseksempel: For et HDMI-signal blev der ved en spænding på 4,4 kV fastslået en tilfældespecifik maksimal kgensidig induktans på 47 pH. Ligger værdien højere, kan signalet ikke længere overføres uden forstyrrelser. Den efterfølgende figur viser, at kgensidig induktans er blevet reduceret markant ved anvendelse af et afskærmningskoncept.
Boardlocks samt de ydre kontakter blev i denne sammenhæng sat til jordpotentiale både i den uafskærmede og den afskærmede udførelse, mens der blev tilført et signal via et kontaktpar. De målte koblingsinduktansværdier kan demonstreres ved hjælp af farveforløb for det elektriske og magnetiske felt. Simuleringen med en uafskærmet stik har vist, at der her foreligger en gensidig induktans på op til 196 pH. Med den fastlagte grænseværdi på 47 pH ville en forstyrrelsesfri signaloverførsel således ikke længere være garanteret. Ved det afskærmede stik (stik) ligger koblingsinduktivitetsværdierne derimod på 1 til 4 pH. Disse kunne altså reduceres med cirka en faktor 50 takket være afskærmningen, hvilket dermed også sikrer en forstyrrelsesfri transmission. Ved et højere polantal er en reduktion med en faktor på 100 til 200 endda mulig.
For brugeren har afskærmningen positive egenskaber på to måder: For det første fungerer stik dermed i mindre grad som en støjkilde, og for det andet udgør den takket være afskærmning en mindre støjdræn for signalerne. Ved anvendelse af afskærmede stik kan disse nu desuden placeres tættere på støjkilder og støjdræn på printkortet. Derudover muliggøres en højere effektklasse ved de foreskrevne burst- og overspændingsprøvninger af det elektriske apparat.
For brugeren har afskærmningen positive egenskaber på to måder: For det første fungerer stik dermed i mindre grad som en støjkilde, og for det andet udgør den takket være afskærmning en mindre støjdræn for signalerne. Ved anvendelse af afskærmede stik kan disse nu desuden placeres tættere på støjkilder og støjdræn på printkortet. Derudover muliggøres en højere effektklasse ved de foreskrevne burst- og overspændingsprøvninger af det elektriske apparat.
Miniaturisering
På trods af stigende funktionsintegration må størrelsen på sensorer og kamerasystemer ikke øges. I industriel automatisering kræves der oftest endda en konstant miniaturisering for at kunne bygge maskiner, der bliver stadig mere kompakte. Tilsvarende kræver tendensen mod modulære opbygninger af sensorer eller kameraer også anvendelsen af tilsvarende miniaturiserede stikforbindelser (stik). I de seneste årtier er stikforbindelserne derfor blevet reduceret til en brøkdel af deres oprindelige størrelse, samtidig med at ydeevnen er næsten identisk.
Til anvendelser med særligt begrænset monteringsplads er Surface-Mount-teknologien velegnet. Den er særligt pladsbesparende, fordi den muliggør bestykning på begge sider af printkortet samt små pitch. Med press-fit-teknologi ville et tæt pitch på kun 0,5 mm for eksempel ikke være realiserbart på grund af de fysiske kræfter, der virker under indpressningsprocessen – og det samme gælder bestykning på begge sider af printkortmontering. I forbindelse med miniaturiserede applikationer er der desuden et yderligere vigtigt kriterium, der skal tages i betragtning ved valget af det rigtige stik: I disse tilfælde ligger følsomme komponenter i en enhed ofte meget tæt på hinanden. Dette medfører en øget risiko for gensidig elektromagnetisk påvirkning af komponenterne. Naturligvis må dataoverførslen i din anvendelse under ingen omstændigheder forstyrres, forvrænges eller endog forhindres. Af denne grund får EM-beskyttelse stadig større betydning. For at undgå signalforstyrrelser anbefales det derfor, ligesom ved high-speed-stik, også her at vælge en afskærmet stik.
Robusthed
Sensorer og kamerasystemer, der anvendes tæt på maskiner, er i særlig høj grad udsat for barske miljøpåvirkninger. For at beskytte elektronikken mod disse ydre påvirkninger kan hele enheden støbes ind. Til dette formål kræves der dog en tilslutningsløsning, der er kompatibel med støbningen. Almindelige stikforbindelser (stik) er her klart i ulempe, fordi det sårbare stikområde (stikområde) skal beskyttes mod støbemassen (indstøbningsmasse). Den anvendte fjeder-kniv-kontaktteknologi ville i dette tilfælde ikke opfylde den nødvendige IP-kapslingsklasse for disse materialer.
Når man skal vælge den rigtige stik, skal man derfor sørge for at vælge en forbindelsesløsning i ét stykke, altså en stik, der klarer sig uden det traditionelle stikområde. Dermed muliggør indstøbningsmasse en holdbar og robust forbindelsesløsning, uden at den dog kan trænge ind i kontaktområdet.
Skal elektroniske komponenter testes med hensyn til deres robusthed, er dette muligt inden for rammerne af laboratorietests. Her skal det standardiserede stødprofil (profile) svare til måltilstanden (control), dvs. en acceleration på 50 g med en tolerance på 20 procent (high abort og low abort). I henhold til DIN EN 60068-2-27 er en kontaktafbrydelse på ≤ 1 µs tilladt.
Skal elektroniske komponenter testes med hensyn til deres robusthed, er dette muligt inden for rammerne af laboratorietests. Her skal det standardiserede stødprofil (profile) svare til måltilstanden (control), dvs. en acceleration på 50 g med en tolerance på 20 procent (high abort og low abort). I henhold til DIN EN 60068-2-27 er en kontaktafbrydelse på ≤ 1 µs tilladt.
Hvis stikforbindelsen (stik) i Deres anvendelse udsættes for ekstreme ydre miljøpåvirkninger som vibrationer, stød, fugt, snavs, ekstreme temperaturer eller temperatursvingninger, kræves der også ekstrem robusthed. Indstøbning (indstøbning) af Deres samling kan hjælpe her, men det er alligevel tilrådeligt ikke udelukkende at stole på dette. I stedet anbefales en kombination af indstøbning og press-fit-teknologi. Sidstnævnte har allerede bevist sit værd milliarder af gange og anses for at være den mest robuste og pålidelige tilslutningsmulighed – også under ugunstige forhold. Ved press-fit-teknologi presses stikbenet (pin) ind i et gennemgående hul i printkortet, hvorved der skabes en både elektrisk og mekanisk forbindelse mellem stik og printkortet. Samtidig kan der opnås omkostningsbesparelser på op til 50 procent, da omfattende loddearbejde og dyre kabelløsninger undgås. Uden det sårbare stikområde (stikområde) kan en stikforbindelse (stik) i kombination med indpressningsteknikken (press-fit-teknologi) endda modstå stødbelastninger på 50 til 200 g uden kontaktafbrydelse.
Når der er brug for allroundere
I teorien kan disse krav – højhastighedsdataoverførsel, miniaturisering og robusthed – betragtes relativt adskilt fra hinanden. Som bruger vil De dog sikkert opdage, at den stikforbindelse (stik), De har brug for, i de sjældneste tilfælde kun skal opfylde ét af disse krav. Af denne grund opfylder mange stikforbindelser flere af disse kriterier i forskellig vægtning. I nogle tilfælde kan det også betale sig at kigge nærmere på »allrounderne« blandt stikket. Hvis der for eksempel skal anvendes flere stik på samme tid, anbefales det at vælge en produktfamilie, der udviser høj skalerbarhed. På den måde kan man undgå tids- og omkostningskrævende godkendelsesprocesser og samtidig sikre, at alle produkter i en stikfamilie er kompatible med hinanden – uanset om de er afskærmet, uafskærmet, lige eller vinklet.
Nogen spørgsmål?
Som eksperter inden for printkortstik og -kontakter deler vi gerne vores viden, f.eks. i webinarer, der er skræddersyet til dig:
webinar.ept-group.de
Eller kontakt os direkte med alle dine spørgsmål vedrørende stik!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, TYSKLAND
Tlf. +49 (0) 8861 2501 0
Fax +49 (0) 8861 2501 700
www.ept.de
sales@ept.de
webinar.ept-group.de
Eller kontakt os direkte med alle dine spørgsmål vedrørende stik!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, TYSKLAND
Tlf. +49 (0) 8861 2501 0
Fax +49 (0) 8861 2501 700
www.ept.de
sales@ept.de