Whitepaper: Board-to-board-connectoren voor industriële sensoren en camerasystemen
Sneller, kleiner, robuuster: bij gebruik in industriële sensoren en camerasystemen moeten connectoren aan steeds meer eisen voldoen. De trend gaat in de richting van modularisering. Met behulp van board-to-board-connectoren kunnen printplaten op verschillende manieren met elkaar worden gecombineerd, waardoor de functionaliteit van de sensor in belangrijke mate kan worden bepaald. In tijden van Industrie 4.0 moeten de connectoren niet alleen steeds kleiner en krachtiger worden – naast miniaturisatie en hoge snelheid vereist het gebruik in een industriële omgeving vaak ook extreme robuustheid. Deze gids is bedoeld om u te helpen de juiste connector voor uw machine vision-toepassing te vinden.
Bij de ontwikkeling van moderne sensoren en camerasystemen voor industriële toepassingen staan drie eisen centraal: snelle gegevensoverdracht, miniaturisatie en robuustheid. Deze eisen kunnen zelden los van elkaar worden gezien – maar afhankelijk van de prioriteiten kan de optimale connector voor uw toepassing worden gevonden.
Snelle gegevensoverdracht
Slimme sensoren en camera’s in industriële omgevingen hebben in het tijdperk van big data, IoT en IIoT ook behoefte aan een veilige, snelle gegevensoverdracht. Connectoren voor hogesnelheidstoepassingen moeten beschikken over een bijbehorend hoogwaardig contactontwerp. Aangezien een connector vanwege zijn geometrie een zeker risico op schommelingen in het impedantieverloop met zich meebrengt, moet bij de ontwikkeling van hogesnelheidsconnectoren bijzondere aandacht worden besteed aan de optimalisatie van het contactontwerp om de impedantie te beheersen. Hierbij is het belangrijk om veranderingen in de doorsnede van de connector zoveel mogelijk tot een minimum te beperken, omdat deze leiden tot impedantieschommelingen, die op hun beurt weer leiden tot verliezen in de signaaloverdracht.
Bij geminiaturiseerde opstellingen moeten connectoren bovendien voorzien zijn van EM-afscherming, aangezien met name hoogfrequente signalen bijzonder gevoelig zijn voor ongewenste elektromagnetische effecten. Hier kan zelfs een kleine impuls al voldoende zijn om het bruikbare signaal te verstoren, waardoor de ontvanger de digitale toestanden niet meer eenduidig kan interpreteren.
Een connector kan daarbij zowel de rol van storingsput als van storingsbron vervullen, dat wil zeggen enerzijds onderhevig zijn aan de invloed van andere componenten van de module en anderzijds zelf elektromagnetisch inwerken op omliggende componenten. Met de koppelingsinductiviteit LK, gemeten in picohenry (pH), kan de connector in beide functies – bron en put – worden beschreven. Een eenvoudige meetopstelling helpt gebruikers om uit te zoeken welke connector en welke pinout voor hun specifieke toepassing noodzakelijk of optimaal is. Hiervoor moet het bruikbare signaal met behulp van een burstgenerator worden gestoord en moet de maximaal toegestane koppelingsinductiviteit worden gemeten. Als de geïnduceerde spanning (Uind), de spanning van de generator (UGen) en de generatorconstante (kGen) bekend zijn, kan voor elke toepassing de specifieke, maximaal toegestane koppelingsinductie (L) worden bepaald aan de hand van de volgende formule:
L = Uind / (UGen * kGen)
De koppelinductie helpt de gebruiker bovendien bij het bepalen van de juiste connector wat betreft de elektromagnetische compatibiliteit. Hierdoor kunnen ook kostbare en tijdrovende trial-and-error-tests in het EMC-laboratorium worden vermeden.
Daarnaast is het mogelijk om de koppelinductie van een connector te verlagen met behulp van een afscherming. Hier volgt een toepassingsvoorbeeld: voor een HDMI-signaal werd bij een spanning van 4,4 kV een casusspecifieke maximale koppelingsinductie van 47 pH vastgesteld. Ligt de waarde daarboven, kan het signaal niet meer storingsvrij worden overgedragen. De onderstaande afbeelding laat zien dat de koppelingsinductie door het gebruik van een afschermingsconcept aanzienlijk is verlaagd.
Een connector kan daarbij zowel de rol van storingsput als van storingsbron vervullen, dat wil zeggen enerzijds onderhevig zijn aan de invloed van andere componenten van de module en anderzijds zelf elektromagnetisch inwerken op omliggende componenten. Met de koppelingsinductiviteit LK, gemeten in picohenry (pH), kan de connector in beide functies – bron en put – worden beschreven. Een eenvoudige meetopstelling helpt gebruikers om uit te zoeken welke connector en welke pinout voor hun specifieke toepassing noodzakelijk of optimaal is. Hiervoor moet het bruikbare signaal met behulp van een burstgenerator worden gestoord en moet de maximaal toegestane koppelingsinductiviteit worden gemeten. Als de geïnduceerde spanning (Uind), de spanning van de generator (UGen) en de generatorconstante (kGen) bekend zijn, kan voor elke toepassing de specifieke, maximaal toegestane koppelingsinductie (L) worden bepaald aan de hand van de volgende formule:
L = Uind / (UGen * kGen)
De koppelinductie helpt de gebruiker bovendien bij het bepalen van de juiste connector wat betreft de elektromagnetische compatibiliteit. Hierdoor kunnen ook kostbare en tijdrovende trial-and-error-tests in het EMC-laboratorium worden vermeden.
Daarnaast is het mogelijk om de koppelinductie van een connector te verlagen met behulp van een afscherming. Hier volgt een toepassingsvoorbeeld: voor een HDMI-signaal werd bij een spanning van 4,4 kV een casusspecifieke maximale koppelingsinductie van 47 pH vastgesteld. Ligt de waarde daarboven, kan het signaal niet meer storingsvrij worden overgedragen. De onderstaande afbeelding laat zien dat de koppelingsinductie door het gebruik van een afschermingsconcept aanzienlijk is verlaagd.
Zowel bij de niet-afgeschermde als bij de afgeschermde uitvoering werden de boardlocks en de buitenste contacten op aardpotentiaal gezet, terwijl via een contactpaar een signaal werd ingevoerd. De gemeten koppelingsinductiewaarden kunnen worden geïllustreerd aan de hand van kleurverloopdiagrammen van het elektrische en magnetische veld. De simulatie met een niet-afgeschermde connector heeft aangetoond dat er hierbij een koppelingsinductiviteit van maximaal 196 pH aanwezig is. Bij de vastgestelde grenswaarde van 47 pH zou een storingsvrije signaaloverdracht daarmee niet meer gegarandeerd zijn. Bij de afgeschermde connector liggen de koppelingsinductiewaarden daarentegen tussen 1 en 4 pH. Deze konden dus door de afscherming met ongeveer een factor 50 worden verminderd, waardoor ook een storingsvrije overdracht werd gegarandeerd. Bij een hoger aantal polen is zelfs een vermindering met een factor 100 tot 200 mogelijk.
Voor de gebruiker heeft de afscherming in twee opzichten positieve eigenschappen: enerzijds fungeert de connector daardoor minder als storingsbron, anderzijds vormt hij door de afscherming een kleinere storingsput voor de signalen. Door het gebruik van afgeschermde connectoren kunnen deze nu bovendien dichter bij storingsbronnen en storingsputten op de printplaat worden geplaatst. Daarnaast wordt een hogere vermogensklasse bij de voorgeschreven burst- en surge-tests van het elektrische apparaat mogelijk gemaakt.
Voor de gebruiker heeft de afscherming in twee opzichten positieve eigenschappen: enerzijds fungeert de connector daardoor minder als storingsbron, anderzijds vormt hij door de afscherming een kleinere storingsput voor de signalen. Door het gebruik van afgeschermde connectoren kunnen deze nu bovendien dichter bij storingsbronnen en storingsputten op de printplaat worden geplaatst. Daarnaast wordt een hogere vermogensklasse bij de voorgeschreven burst- en surge-tests van het elektrische apparaat mogelijk gemaakt.
miniaturisatie
Ondanks de toenemende functie-integratie mogen sensoren en camerasystemen niet groter worden. In de industriële automatisering is er meestal zelfs vraag naar voortdurende miniaturisering, zodat machines steeds compacter kunnen worden gebouwd. Ook de trend naar modulaire opbouw van sensoren of camera’s vraagt om het gebruik van bijbehorende geminiaturiseerde connectoren. In de afgelopen decennia zijn de connectoren daarom, bij vrijwel identieke prestaties, teruggebracht tot een fractie van hun oorspronkelijke afmetingen.
Voor toepassingen met bijzonder beperkte inbouwruimte is de Surface-Mount-technologie zeer geschikt. Deze technologie is bijzonder ruimtebesparend, omdat ze een dubbelzijdige bestukking van de printplaat en kleine rasters mogelijk maakt. Met de inperstechniek zou een krappe rasterafstand van slechts 0,5 mm bijvoorbeeld niet haalbaar zijn vanwege de fysieke krachten die tijdens het inpersproces werken – en een dubbelzijdige printplaatmontage evenmin. Bij geminiaturiseerde toepassingen moet bovendien rekening worden gehouden met een ander belangrijk criterium bij de keuze van de juiste connector: in deze gevallen liggen gevoelige componenten van een module vaak zeer dicht bij elkaar. Hierdoor ontstaat een verhoogd risico op wederzijdse elektromagnetische beïnvloeding van de componenten. Uiteraard mag de gegevensoverdracht in uw toepassing onder geen enkele omstandigheid worden verstoord, vervormd of zelfs verhinderd. Om deze reden wint EM-bescherming steeds meer aan relevantie. Om signaalstoringen te voorkomen, wordt daarom, net als bij de high-speed-connector, ook hier de keuze voor een afgeschermde connector aanbevolen.
robuustheid
Sensoren en camerasystemen die dicht bij machines worden gebruikt, worden in bijzondere mate blootgesteld aan ruwe omgevingsinvloeden. Om de elektronica tegen deze externe invloeden te beschermen, kan de gehele module worden ingegoten. Hiervoor is echter een aansluitoplossing nodig die eveneens geschikt is voor ingieten. Gewone stekkerverbindingen zijn hier duidelijk in het nadeel, omdat het kwetsbare stekkergebied tegen de ingietmassa moet worden beschermd. De gebruikte veer-mes-contacttechnologie zou in dit geval niet de vereiste IP-beschermingsklasse voor deze materialen bieden.
Bij de keuze van de juiste connector moet er daarom op worden gelet dat er voor een eendelige aansluitoplossing wordt gekozen, dat wil zeggen een connector die het gebruikelijke steekgedeelte niet nodig heeft. Hierdoor zorgt de gietmassa voor een duurzame en robuuste aansluitoplossing, waarbij deze echter niet in het contactgebied kan binnendringen.
Als elektronische componenten op hun robuustheid moeten worden getest, is dit mogelijk in het kader van laboratoriumtests. Daarbij moet het genormeerde schokprofiel (profile) overeenkomen met de gewenste toestand (control), dus een versnelling van 50 g met een tolerantie van 20 procent (high abort en low abort). Volgens DIN EN 60068-2-27 is daarbij een contactonderbreking van ≤ 1 µs toegestaan.
Als elektronische componenten op hun robuustheid moeten worden getest, is dit mogelijk in het kader van laboratoriumtests. Daarbij moet het genormeerde schokprofiel (profile) overeenkomen met de gewenste toestand (control), dus een versnelling van 50 g met een tolerantie van 20 procent (high abort en low abort). Volgens DIN EN 60068-2-27 is daarbij een contactonderbreking van ≤ 1 µs toegestaan.
Als de connector in uw toepassing wordt blootgesteld aan extreme externe omgevingsinvloeden zoals trillingen, schokken, vocht, vuil, extreme temperaturen of temperatuurschommelingen, is ook een extreme robuustheid vereist. Het gieten van uw assemblage kan hierbij helpen, maar het is raadzaam om niet uitsluitend hierop te vertrouwen. In plaats daarvan wordt een combinatie van gieten en inperstechniek aanbevolen. Deze laatste heeft zich al miljarden keren bewezen en geldt als de meest robuuste en betrouwbare aansluitmogelijkheid – ook onder ongunstige omstandigheden. Bij de inperstechniek wordt de connectorpen (pin) in een doorlopend geperforeerd gat in de printplaat geperst, waardoor een elektrische en mechanische verbinding tussen de connector en de printplaat ontstaat. Tegelijkertijd kunnen zo kostenbesparingen tot 50 procent worden gerealiseerd, omdat omslachtig soldeerwerk en dure kabeloplossingen worden vermeden. Als het kwetsbare steekgedeelte wegvalt, kan een connector in combinatie met de inperstechniek zelfs schokbelastingen van 50 tot 200 g weerstaan zonder dat het contact wordt onderbroken.
Wanneer er behoefte is aan allrounders
In theorie kunnen deze eisen – hogesnelheidsdatatransmissie, miniaturisatie en robuustheid – relatief strikt van elkaar worden onderscheiden. Als gebruiker zult u echter ongetwijfeld merken dat de connector die u nodig hebt, zelden aan slechts één van deze eisen hoeft te voldoen. Daarom voldoen veel connectoren aan meerdere van deze criteria, in verschillende mate. In sommige gevallen loont het ook de moeite om eens te kijken naar de 'allrounders' onder de connectoren. Als er bijvoorbeeld meerdere connectoren tegelijk worden gebruikt, is het raadzaam om te kiezen voor een productfamilie die een hoge schaalbaarheid biedt. Zo kunnen tijdrovende en kostbare goedkeuringsprocessen worden voorkomen en wordt tegelijkertijd gegarandeerd dat alle producten van een connectorfamilie onderling compatibel zijn – of ze nu afgeschermd, niet-afgeschermd, recht of haaks zijn.
Zijn er vragen?
Als experts op het gebied van printplaatconnectoren en contacten delen wij onze kennis graag met u, bijvoorbeeld via webinars die speciaal op uw behoeften zijn afgestemd:
www.webinar.ept-group.de
Of neem rechtstreeks contact met ons op voor al uw vragen over connectoren!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, DUITSLAND
Telefoon +49 (0) 88 61 2501-0
Fax +49 (0) 88 61 2501-700
www.ept.de sales@ept.de
www.webinar.ept-group.de
Of neem rechtstreeks contact met ons op voor al uw vragen over connectoren!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, DUITSLAND
Telefoon +49 (0) 88 61 2501-0
Fax +49 (0) 88 61 2501-700
www.ept.de sales@ept.de