Whitepaper Board-to-Board-connector voor industriële sensoren en camerasystemen
Sneller, kleiner, robuuster: bij gebruik in industriële sensoren en camerasystemen moeten connector 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 het tijdperk 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 bij het vinden van de juiste connector voor uw machine vision-toepassing.
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 beschouwd – maar afhankelijk van de prioriteiten kan de optimale connector voor uw toepassing worden gevonden.
Snelle gegevensoverdracht
Intelligente sensoren en camera’s in industriële omgevingen hebben in tijden van big data, IoT en IIoT ook een veilige high-speed gegevensoverdracht nodig. connector voor high-speed-toepassingen moeten beschikken over een bijbehorend hoogwaardig contactontwerp. Aangezien een connector vanwege zijn geometrie een zeker risico vormt voor schommelingen in het impedantieprofiel, wordt bij de ontwikkeling van high-speed connectors bijzondere aandacht besteed aan de optimalisatie van het contactontwerp om de impedantie te beheersen. Hierbij is het belangrijk om veranderingen in de dwarsdoorsnede in de connector, waar mogelijk, tot een minimum te beperken, omdat deze impedantieschommelingen tot gevolg hebben, die op hun beurt weer leiden tot verliezen in de signaaloverdracht.
Bij geminiaturiseerde opstellingen moeten connector bovendien voorzien zijn van een EM-afscherming, aangezien vooral hoogfrequente signalen bijzonder gevoelig zijn voor ongewenste elektromagnetische effecten. Hier kan zelfs een kleine impuls al voldoende zijn om het bruikbare signaal te vervalsen, zodat 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 wederzijdse inductie LK, gemeten in picohenry (pH), kan de connector in beide functies – bron en put – worden beschreven. Een eenvoudige meetopstelling helpt gebruikers om te achterhalen 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 koppelwederzijdse inductie 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 koppelwederzijdse inductie (L) worden bepaald aan de hand van de volgende formule:
L = Uind / (UGen * kGen)
De wederzijdse inductie helpt de gebruiker bovendien bij het selecteren van de juiste connector wat betreft de elektromagnetische compatibiliteit. Hierdoor kunnen ook kostbare en tijdrovende trial-and-error-tests in het EMC-Labor worden vermeden.
Daarnaast is het mogelijk om de wederzijdse inductie 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 koppelwederzijdse inductie van 47 pH vastgesteld. Ligt de waarde daarboven, kan het signaal niet meer storingsvrij worden overgedragen. De onderstaande afbeelding laat zien dat de koppelwederzijdse inductie 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 wederzijdse inductie LK, gemeten in picohenry (pH), kan de connector in beide functies – bron en put – worden beschreven. Een eenvoudige meetopstelling helpt gebruikers om te achterhalen 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 koppelwederzijdse inductie 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 koppelwederzijdse inductie (L) worden bepaald aan de hand van de volgende formule:
L = Uind / (UGen * kGen)
De wederzijdse inductie helpt de gebruiker bovendien bij het selecteren van de juiste connector wat betreft de elektromagnetische compatibiliteit. Hierdoor kunnen ook kostbare en tijdrovende trial-and-error-tests in het EMC-Labor worden vermeden.
Daarnaast is het mogelijk om de wederzijdse inductie 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 koppelwederzijdse inductie van 47 pH vastgesteld. Ligt de waarde daarboven, kan het signaal niet meer storingsvrij worden overgedragen. De onderstaande afbeelding laat zien dat de koppelwederzijdse inductie door het gebruik van een afschermingsconcept aanzienlijk is verlaagd.
De boardlocks en de buitenste contacten worden daarbij zowel bij de onafgeschermde als bij de afgeschermde uitvoering op aardpotentiaal gezet, terwijl via een contactpaar een signaal werd ingevoerd. De gemeten koppelingsinductiewaarden kunnen worden gedemonstreerd aan de hand van kleurverloop van het elektrische en magnetische veld. De simulatie met een onafgeschermde connector heeft aangetoond dat er hierbij een wederzijdse inductie van maximaal 196 pH optreedt. Bij de vastgestelde grenswaarde van 47 pH zou een storingsvrije signaaloverdracht daarmee niet meer gegarandeerd zijn. Bij de afgeschermde connector liggen de koppelingsinductiviteitswaarden 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 gewaarborgd. 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 voor de signalen een kleinere storingsput. Door het gebruik van afgeschermde connector kunnen deze nu bovendien dichter bij storingsbronnen en storingsputten op de printplaat worden geplaatst. Daarnaast wordt een hogere prestatieklasse mogelijk bij de voorgeschreven burst- en surge-tests van het elektrische apparaat.
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 voor de signalen een kleinere storingsput. Door het gebruik van afgeschermde connector kunnen deze nu bovendien dichter bij storingsbronnen en storingsputten op de printplaat worden geplaatst. Daarnaast wordt een hogere prestatieklasse mogelijk bij de voorgeschreven burst- en surge-tests van het elektrische apparaat.
miniaturisatie
Ondanks de toenemende functie-integratie mogen de afmetingen van sensoren en camerasystemen niet toenemen. Meestal wordt in de industriële automatisering zelfs een voortdurende miniaturisatie vereist, om machines steeds compacter te kunnen bouwen. Ook de trend naar modulaire opbouw van sensoren of camera’s vereist het gebruik van overeenkomstig geminiaturiseerde connector. In de afgelopen decennia zijn de connector daarom, bij vrijwel identieke prestaties, teruggebracht tot een fractie van hun oorspronkelijke afmetingen.
Voor toepassingen met een bijzonder beperkte inbouwruimte is de Surface-Mount-technologie zeer geschikt. Deze is bijzonder ruimtebesparend, omdat ze een dubbelzijdige bestukking van de printplaat en kleine rastermaat mogelijk maakt. Met de press-fit-technologie zou een smal rastermaat van slechts 0,5 mm bijvoorbeeld niet haalbaar zijn vanwege de fysieke krachten die tijdens het inpersproces werken – een dubbelzijdige printplaatassemblage evenmin. Bij geminiaturiseerde toepassingen moet bovendien rekening worden gehouden met nog een 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 interferentie tussen 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 belang. Om signaalstoringen te voorkomen, is het daarom raadzaam om, net als bij de ‘high-speed connector’, ook hier te kiezen voor een afgeschermde connector.
robuustheid
Sensoren en camerasystemen die dicht bij machines worden ingezet, 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 connector zijn hier duidelijk in het nadeel, omdat het kwetsbare insteekzone tegen de gietmassa moet worden beschermd. De toegepaste veer-mes-contacttechnologie zou in dit geval niet de vereiste IP-beschermingsgraad voor deze materialen bieden.
Bij de keuze van de juiste connector moet er daarom op worden gelet dat een eendelige aansluitoplossing wordt gekozen, dat wil zeggen een connector die het zonder het traditionele insteekzone kan stellen. 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), dat wil zeggen 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 (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), dat wil zeggen 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 (contactonderbreking) van ≤ 1 µs toegestaan.
Als de connector bij uw toepassing in extreme mate wordt blootgesteld aan externe omgevingsinvloeden zoals trillingen, schokken, vocht, vuil, extreme temperaturen of temperatuurschommelingen, is ook een extreme robuustheid vereist. Het ingieten van uw module kan daarbij helpen, maar het is raadzaam om niet uitsluitend daarop te vertrouwen. In plaats daarvan wordt een combinatie van ingieten en press-fit-technologie aanbevolen. Deze laatste techniek heeft zich al miljarden keren bewezen en geldt als de meest robuuste en betrouwbare aansluitmogelijkheid – ook onder ongunstige omstandigheden. Bij de press-fit-technologie wordt de pin van de connector in een doorlopend geperforeerd gat in de printplaat geperst, waardoor zowel een elektrische als een mechanische verbinding tussen de connector en de printplaat tot stand komt. Tegelijkertijd kunnen hiermee kostenbesparingen tot wel 50 procent worden gerealiseerd, omdat omslachtige soldeerwerkzaamheden en dure kabeloplossingen worden vermeden. Als het kwetsbare insteekzone wegvalt, kan een connector in combinatie met de press-fit-technologie zelfs schokbelastingen van 50 tot 200 g weerstaan zonder contactonderbreking.
Wanneer er behoefte is aan allrounders
In theorie kunnen deze eisen – high-speed gegevensoverdracht, miniaturisatie en robuustheid – relatief scherp van elkaar worden onderscheiden. Als gebruiker zult u echter zeker merken dat de door u benodigde connector in de zeldzaamste gevallen slechts aan één van deze eisen hoeft te voldoen. Om deze reden voldoen veel connector 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. Moeten er bijvoorbeeld meerdere connector tegelijk worden gebruikt, dan is het raadzaam om te kiezen voor een productfamilie die een hoge schaalbaarheid biedt. Zo kunnen tijdrovende en kostbare goedkeuringsrondes worden voorkomen en wordt tegelijkertijd gewaarborgd dat alle producten uit een connectorfamilie onderling compatibel zijn – of ze nu afgeschermd, onafgeschermd, recht of gehoekt zijn.
Zijn er vragen?
Als experts op het gebied van printplaatconnector en contactvoering delen wij onze kennis graag, bijvoorbeeld in webinars die op uw behoeften zijn afgestemd:
webinar.ept-group.de
Of neem rechtstreeks contact met ons op voor al uw vragen over connector!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, DUITSLAND
Telefoon +49 (0) 8861 2501 0
Fax +49 (0) 8861 2501 700
www.ept.de
sales@ept.de
webinar.ept-group.de
Of neem rechtstreeks contact met ons op voor al uw vragen over connector!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, DUITSLAND
Telefoon +49 (0) 8861 2501 0
Fax +49 (0) 8861 2501 700
www.ept.de
sales@ept.de