Whitepaper om Board-to-Board-kontaktdon för industriella sensorer och kamerasystem
Snabbare, mindre, robustare: När de används i industriella sensorer och kamerasystem måste kontaktdon uppfylla allt fler krav. Trenden går mot modularisering. Med hjälp av kort-till-kort-kontaktar kan kretskort kombineras på olika sätt och därmed avgörande påverka sensorns funktionalitet. I en tid präglad av Industri 4.0 måste kontakterna inte bara bli allt mindre och mer prestandastarka – förutom miniatyrisering och hög hastighet kräver användningen i industriella miljöer ofta extrem robusthet. Denna guide är avsedd att hjälpa dig att hitta rätt kontaktdon för din maskinvisionsapplikation.
Tre krav står i fokus vid utvecklingen av moderna sensorer och kamerasystem för industriella tillämpningar: höghastighetsdataöverföring, miniatyrisering och robusthet. Dessa krav kan i de allra sällsynta fallen betraktas separat – men beroende på vilken inriktning som väljs kan den optimala kontaktdon för just er tillämpning hittas.
Höghastighetsdataöverföring
Intelligenta sensorer och kameror i industriella miljöer kräver i en tid präglad av Big Data, IoT och IIoT även en säker höghastighetsdataöverföring. kontaktdon för höghastighetstillämpningar bör ha en kontaktkonstruktion med motsvarande hög prestanda. Eftersom en kontaktdon, på grund av sin geometri, utgör en viss riskfaktor för fluktuationer i impedansprofil, läggs särskild vikt vid optimering av kontaktdesignen för att styra impedansen vid utvecklingen av höghastighetskontaktdon. Här är det viktigt att i möjligaste mån minimera tvärsnittsförändringar i kontaktdon, eftersom dessa medför impedansvariationer som i sin tur leder till förluster i signalöverföringen.
Vid miniatyriserade konstruktioner bör kontaktdonen dessutom ha en EM-skärmning, eftersom framför allt högfrekventa signaler är särskilt känsliga för oönskade elektromagnetiska effekter. Här kan redan en liten impuls räcka för att förvränga brukssignalen, så att mottagaren inte längre kan tolka de digitala tillstånden entydigt.
En kontaktdon kan i detta sammanhang fungera både som störningssänka och störningskälla, det vill säga å ena sidan påverkas av andra komponenter i modulen och å andra sidan själv påverka omgivande komponenter elektromagnetiskt. Med hjälp av ömsesidig induktans LK, mätt i picohenry (pH), kan kontakten beskrivas i båda funktionerna – källa och sänka. En enkel mäuppställning hjälper användarna att ta reda på vilken kontakt och vilken pinout som är nödvändig respektive optimal för deras respektive tillämpning. För detta måste brukssignalen störas med hjälp av en burstgenerator och den maximalt tillåtna kömsesidig induktans mätas. Om den inducerade spänningen (Uind), generatorns spänning (UGen) samt generatorkonstanten (kGen) är kända, kan den specifika, maximalt tillåtna ömsesidig induktans (L) för varje tillämpning bestämmas med hjälp av följande formel:
L = Uind / (UGen * kGen)
ömsesidig induktans hjälper dessutom användaren att välja rätt kontaktdon med avseende på dess elektromagnetiska kompatibilitet. På så sätt kan man undvika kostsamma och tidskrävande trial-and-error-tester i EMC-Laboret.
Det är dessutom möjligt att sänka ömsesidig induktans hos en kontaktdon med hjälp av skärmning. Här följer ett tillämpningsexempel: För en HDMI-signal fastställdes vid en spänning på 4,4 kV en fallspecifik maximal kömsesidig induktans på 47 pH. Om värdet överstiger detta kan signalen inte längre överföras störningsfritt. Följande figur visar att kömsesidig induktans har sänkts avsevärt genom användning av ett avskärmningskoncept.
En kontaktdon kan i detta sammanhang fungera både som störningssänka och störningskälla, det vill säga å ena sidan påverkas av andra komponenter i modulen och å andra sidan själv påverka omgivande komponenter elektromagnetiskt. Med hjälp av ömsesidig induktans LK, mätt i picohenry (pH), kan kontakten beskrivas i båda funktionerna – källa och sänka. En enkel mäuppställning hjälper användarna att ta reda på vilken kontakt och vilken pinout som är nödvändig respektive optimal för deras respektive tillämpning. För detta måste brukssignalen störas med hjälp av en burstgenerator och den maximalt tillåtna kömsesidig induktans mätas. Om den inducerade spänningen (Uind), generatorns spänning (UGen) samt generatorkonstanten (kGen) är kända, kan den specifika, maximalt tillåtna ömsesidig induktans (L) för varje tillämpning bestämmas med hjälp av följande formel:
L = Uind / (UGen * kGen)
ömsesidig induktans hjälper dessutom användaren att välja rätt kontaktdon med avseende på dess elektromagnetiska kompatibilitet. På så sätt kan man undvika kostsamma och tidskrävande trial-and-error-tester i EMC-Laboret.
Det är dessutom möjligt att sänka ömsesidig induktans hos en kontaktdon med hjälp av skärmning. Här följer ett tillämpningsexempel: För en HDMI-signal fastställdes vid en spänning på 4,4 kV en fallspecifik maximal kömsesidig induktans på 47 pH. Om värdet överstiger detta kan signalen inte längre överföras störningsfritt. Följande figur visar att kömsesidig induktans har sänkts avsevärt genom användning av ett avskärmningskoncept.
Boardlocks samt de yttre kontakterna kopplades i detta sammanhang till jordpotential, både för den oskärmade och den skärmade utföringen, medan en signal matades in via ett kontaktpar. De uppmätta värdena för kopplingsinduktans kan illustreras med hjälp av färgförlopp för det elektriska och magnetiska fältet. Simuleringen med en oskärmad kontaktdon har visat att det här förekommer en ömsesidig induktans på upp till 196 pH. Med det fastställda gränsvärdet på 47 pH skulle en störningsfri signalöverföring därmed inte längre kunna garanteras. För den skärmade kontaktdon ligger däremot kopplingsinduktivitetsvärdena på 1 till 4 pH. Dessa kunde alltså minskas med ungefär en faktor 50 tack vare skärmning, vilket säkerställer en störningsfri överföring. Vid ett högre poltal är till och med en minskning med en faktor 100 till 200 möjlig.
För användaren har skärmning positiva egenskaper på två sätt: Å ena sidan fungerar kontaktdon därmed mindre som störningskälla, å andra sidan utgör den tack vare skärmning en mindre störningssänka för signalerna. Genom att använda skärmade kontaktdon kan dessa nu dessutom placeras närmare störningskällor och störningssänkor på kretskortet. Dessutom möjliggörs en högre effektklass vid de föreskrivna burst- och överspänningsprovningarna av den elektriska apparaten.
För användaren har skärmning positiva egenskaper på två sätt: Å ena sidan fungerar kontaktdon därmed mindre som störningskälla, å andra sidan utgör den tack vare skärmning en mindre störningssänka för signalerna. Genom att använda skärmade kontaktdon kan dessa nu dessutom placeras närmare störningskällor och störningssänkor på kretskortet. Dessutom möjliggörs en högre effektklass vid de föreskrivna burst- och överspänningsprovningarna av den elektriska apparaten.
miniatyrisering
Trots den ökande funktionsintegrationen får storleken på sensorer och kamerasystem inte öka. I den industriella automationen krävs oftast till och med en ständig miniatyrisering för att kunna bygga allt mer kompakta maskiner. På samma sätt kräver även trenden mot modulära uppbyggnader av sensorer eller kameror användning av motsvarande miniatyriserade kontaktdon. Under de senaste decennierna har kontaktdon därför, med nästan identisk prestanda, minskat till en bråkdel av sin ursprungliga storlek.
För tillämpningar med särskilt trånga monteringsutrymmen är ytmonteringstekniken (Surface-Mount-Technology) ett lämpligt val. Den är särskilt utrymmesbesparande eftersom den möjliggör bestückning på båda sidor av kretskortet samt små delning. Med press-fit-teknik skulle till exempel ett tätt delning på endast 0,5 mm inte vara möjligt på grund av de fysiska krafter som verkar under inpressningsprocessen – och inte heller en bestückning på båda sidor av kkretskortsmontering. När det gäller miniatyriserade tillämpningar finns det dessutom ytterligare ett viktigt kriterium att beakta vid valet av rätt kontaktdon: I dessa fall ligger känsliga komponenter i en modul ofta mycket nära varandra. Detta medför en ökad risk för ömsesidig elektromagnetisk påverkan mellan komponenterna. Naturligtvis får dataöverföringen i er applikation under inga omständigheter störas, förvanskas eller till och med förhindras. Av denna anledning blir EM-skyddet allt mer relevant. För att undvika signalstörningar rekommenderas därför, precis som vid höghastighetskontaktdon, att även här välja en skärmad kontaktdon.
Robusthet
Sensorer och kamerasystem som används i närheten av maskiner utsätts i särskilt hög grad för tuffa miljöförhållanden. För att skydda elektroniken mot dessa yttre påverkan kan hela enheten ingjutas. För detta krävs dock en anslutningslösning som är kompatibel med ingjutningen. Vanliga kontaktdon har här en klar nackdel, eftersom det känsliga insticksområde måste skyddas mot ingjutningsmassa. Den använda fjäder-kniv-kontakttekniken skulle i detta fall inte uppfylla den nödvändiga IP-kapslingsklass för dessa material.
När man väljer rätt kontaktdon bör man därför se till att välja en anslutningslösning i ett stycke, det vill säga en kontaktdon som klarar sig utan det traditionella insticksområde. På så sätt möjliggör ingjutningsmassa en hållbar och robust anslutningslösning, samtidigt som den inte kan tränga in i kontaktområdet.
Om elektroniska komponenter ska testas med avseende på deras robusthet är detta möjligt inom ramen för laboratorietester. Då måste den standardiserade stötprofilen (profile) överensstämma med referensvärdet (control), det vill säga en acceleration på 50 g med en tolerans på 20 procent (high abort och low abort). Enligt DIN EN 60068-2-27 är en kontaktavbrottstid (kontaktavbrott) på ≤ 1 µs tillåten.
Om elektroniska komponenter ska testas med avseende på deras robusthet är detta möjligt inom ramen för laboratorietester. Då måste den standardiserade stötprofilen (profile) överensstämma med referensvärdet (control), det vill säga en acceleration på 50 g med en tolerans på 20 procent (high abort och low abort). Enligt DIN EN 60068-2-27 är en kontaktavbrottstid (kontaktavbrott) på ≤ 1 µs tillåten.
Om kontaktdon i er applikation utsätts för extrema yttre miljöpåverkan som vibrationer, stötar, fukt, smuts, extrema temperaturer eller temperaturvariationer krävs även extrem robusthet. Att ingjutning er enhet kan hjälpa till, men det är ändå klokt att inte förlita sig enbart på detta. Istället rekommenderas en kombination av ingjutning och press-fit-teknik. Den senare har redan bevisat sin duglighet miljarder gånger och anses vara den mest robusta och pålitliga anslutningsmetoden – även under ogynnsamma förhållanden. Vid press-fit-teknik pressas kontaktstiftet (pin) in i ett genomgående hål i kretskortet, vilket skapar både en elektrisk och mekanisk förbindelse mellan kontaktdon och kretskortet. Samtidigt kan kostnadsbesparingar på upp till 50 procent uppnås, eftersom tidskrävande lödarbeten och dyra kabellösningar undviks. Om det sårbara anslutningsområdet (insticksområde) utelämnas kan en kontaktdon (kontaktdon) i kombination med inpressningstekniken (press-fit-teknik) till och med tåla stötbelastningar på 50 till 200 g utan att kontakten bryts (kontaktavbrott).
När det krävs mångsidiga medarbetare
I teorin kan dessa krav – höghastighetsdataöverföring, miniatyrisering och robusthet – betraktas relativt skarpt åtskilda från varandra. Som användare kommer du dock säkert att upptäcka att den kontaktdon (kontaktdon) du behöver i de allra sällsynta fallen endast behöver uppfylla ett av kraven. Av denna anledning uppfyller många kontaktdon flera av dessa kriterier i olika viktningar. I vissa fall lönar det sig också att ta en titt på ”allroundmodellerna” bland kontaktdonen. Om till exempel flera kontaktdon ska användas samtidigt är det rekommenderat att välja en produktfamilj som har hög skalbarhet. På så sätt kan man undvika tids- och kostnadskrävande godkännandeprocesser och samtidigt säkerställa att alla produkter inom en kontaktdonsfamilj är kompatibla med varandra – oavsett om de är skärmad, oskärmad, raka eller vinklad.
Några frågor?
Som experter på kretskortskontakter och kontaktdon delar vi gärna med oss av vår kunskap, t.ex. i webbseminarier skräddarsydda för just er:
webinar.ept-group.de
. Eller kontakta oss direkt med alla frågor som rör kontaktdon!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, TYSKLAND
Telefon +49 (0) 8861 2501 0
Fax +49 (0) 8861 2501 700
www.ept.de
sales@ept.de
webinar.ept-group.de
. Eller kontakta oss direkt med alla frågor som rör kontaktdon!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, TYSKLAND
Telefon +49 (0) 8861 2501 0
Fax +49 (0) 8861 2501 700
www.ept.de
sales@ept.de