Λευκή βίβλος: Συνδέσεις πλακέτας-προς-πλακέτα (Board-to-σύνδεσμος) για βιομηχανικούς αισθητήρες και συστήματα καμερών
Γρηγορότερα, μικρότερα, πιο ανθεκτικά: Όταν χρησιμοποιούνται σε βιομηχανικούς αισθητήρες και συστήματα καμερών, οι σύνδεσμος πρέπει να ανταποκρίνονται σε ολοένα και περισσότερες απαιτήσεις. Η τάση κινείται προς τη modularisierung. Με τη βοήθεια των σύνδεσμων board-to-board, οι πλακέτες κυκλωμάτων μπορούν να συνδυαστούν μεταξύ τους με ευελιξία, καθορίζοντας έτσι σε μεγάλο βαθμό τη λειτουργικότητα του αισθητήρα. Στην εποχή της Βιομηχανίας 4.0, οι σύνδεσμοι δεν πρέπει απλώς να γίνονται όλο και μικρότεροι και πιο ισχυροί – εκτός από τη μικροποίηση και την υψηλή ταχύτητα, η χρήση σε βιομηχανικό περιβάλλον απαιτεί συχνά εξαιρετική ανθεκτικότητα. Ο παρών οδηγός έχει ως στόχο να σας βοηθήσει να βρείτε τον κατάλληλο σύνδεσμο (σύνδεσμος) για την εφαρμογή σας στον τομέα της μηχανικής όρασης.
Τρεις απαιτήσεις βρίσκονται στο επίκεντρο της ανάπτυξης σύγχρονων αισθητήρων και συστημάτων καμερών για βιομηχανικές εφαρμογές: μεταφορά δεδομένων υψηλής ταχύτητας, μικροποίηση και ανθεκτικότητα. Αυτές οι απαιτήσεις σπάνια μπορούν να εξεταστούν ξεχωριστά – ωστόσο, ανάλογα με τις προτεραιότητές σας, μπορεί να βρεθεί ο βέλτιστος σύνδεσμος (σύνδεσμος) για την εφαρμογή σας.
Μεταφορά δεδομένων υψηλής ταχύτητας
Οι έξυπνοι αισθητήρες και οι κάμερες σε βιομηχανικά περιβάλλοντα απαιτούν, στην εποχή των Big Data, του IoT και του IIoT, επίσης ασφαλή μετάδοση δεδομένων υψηλής ταχύτητας. Οι συνδετήρες (σύνδεσμος) για εφαρμογές υψηλής ταχύτητας πρέπει να διαθέτουν σχεδιασμό επαφών αντίστοιχα υψηλής απόδοσης. Δεδομένου ότι ένας σύνδεσμος (σύνδεσμος) αποτελεί, λόγω της γεωμετρίας του, έναν ορισμένο παράγοντα κινδύνου για διακυμάνσεις στην πορεία της σύνθετης αντίστασης (προφίλ σύνθετης αντίστασης), κατά την ανάπτυξη συνδέσμων υψηλής ταχύτητας δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού των επαφών για τον έλεγχο της σύνθετης αντίστασης. Σε αυτό το πλαίσιο, είναι σημαντικό να μειώνονται στο ελάχιστο, στο μέτρο του δυνατού, οι αλλαγές στη διατομή του σύνδεσμος, καθώς αυτές προκαλούν διακυμάνσεις στην εμπέδηση, οι οποίες με τη σειρά τους οδηγούν σε απώλειες στη μετάδοση του σήματος.
Στην περίπτωση μικροσκοπικών κατασκευών, οι σύνδεσμος θα πρέπει επιπλέον να διαθέτουν ηλεκτρομαγνητική θωράκιση, καθώς κυρίως τα σήματα υψηλής συχνότητας είναι ιδιαίτερα ευάλωτα σε ανεπιθύμητα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα. Εδώ, ακόμη και ένας μικρός παλμός μπορεί να αρκεί για να αλλοιώσει το ωφέλιμο σήμα, με αποτέλεσμα ο δέκτης να μην μπορεί πλέον να ερμηνεύσει με σαφήνεια τις ψηφιακές καταστάσεις.
Ένας σύνδεσμος (σύνδεσμος) μπορεί να αναλάβει τόσο το ρόλο του αποδέκτη παρεμβολών όσο και της πηγής παρεμβολών, δηλαδή, αφενός, να υπόκειται στην επίδραση άλλων εξαρτημάτων του συγκροτήματος και, αφετέρου, να ασκεί ο ίδιος ηλεκτρομαγνητική επίδραση στα γύρω εξαρτήματα. Με την επαγωγικότητα σύζευξης (αμοιβαία επαγωγή) LK, που μετράται σε picohenry (pH), ο σύνδεσμος μπορεί να περιγραφεί και στις δύο λειτουργίες – ως πηγή και ως αποδέκτης. Μια απλή διάταξη μέτρησης βοηθά τους χρήστες να προσδιορίσουν ποιος σύνδεσμος και ποια διάταξη ακίδων (Pinout) είναι απαραίτητη ή βέλτιστη για τη συγκεκριμένη εφαρμογή τους. Για το σκοπό αυτό, το ωφέλιμο σήμα πρέπει να υποστεί παρεμβολή με τη βοήθεια ενός γεννήτρια παλμών (Burstgenerator) και να μετρηθεί η μέγιστη επιτρεπόμενη επαγωγική συνδεσιμότητα (αμοιβαία επαγωγή). Εάν είναι γνωστά η επαγόμενη τάση (Uind), η τάση του γεννήτρια (UGen) καθώς και η σταθερά του γεννήτρια (kGen), μπορεί να προσδιοριστεί για κάθε εφαρμογή η αντίστοιχη μέγιστη επιτρεπόμενη επαγωγική συνδεσιμότητα (αμοιβαία επαγωγή) (L) με βάση τον ακόλουθο τύπο:
L = Uind / (UGen * kGen)
Η επαγωγική αντίσταση σύζευξης (αμοιβαία επαγωγή) βοηθά επίσης τον χρήστη να καθορίσει τον κατάλληλο σύνδεσμο (σύνδεσμος) όσον αφορά την ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα του. Με αυτόν τον τρόπο μπορούν επίσης να αποφευχθούν οι δαπανηρές και χρονοβόρες δοκιμές με τη μέθοδο δοκιμής και σφάλματος (Trial-and-Error) στο ΗΜΣ-Labor.
Επιπλέον, είναι δυνατό να μειωθεί η επαγωγική αντίσταση σύζευξης ενός σύνδεσμου με τη βοήθεια θωράκισης (θωράκιση). Ακολουθεί ένα παράδειγμα εφαρμογής: Για ένα σήμα HDMI, σε τάση 4,4 kV, προσδιορίστηκε μια μέγιστη, ειδική για την περίπτωση, επαγωγικότητα σύζευξης (αμοιβαία επαγωγή) 47 pH. Εάν η τιμή είναι υψηλότερη, το σήμα δεν μπορεί πλέον να μεταδοθεί χωρίς παρεμβολές. Η παρακάτω εικόνα δείχνει ότι η επαγωγικότητα σύζευξης μειώθηκε σημαντικά χάρη στη χρήση ενός συστήματος θωράκισης.
Ένας σύνδεσμος (σύνδεσμος) μπορεί να αναλάβει τόσο το ρόλο του αποδέκτη παρεμβολών όσο και της πηγής παρεμβολών, δηλαδή, αφενός, να υπόκειται στην επίδραση άλλων εξαρτημάτων του συγκροτήματος και, αφετέρου, να ασκεί ο ίδιος ηλεκτρομαγνητική επίδραση στα γύρω εξαρτήματα. Με την επαγωγικότητα σύζευξης (αμοιβαία επαγωγή) LK, που μετράται σε picohenry (pH), ο σύνδεσμος μπορεί να περιγραφεί και στις δύο λειτουργίες – ως πηγή και ως αποδέκτης. Μια απλή διάταξη μέτρησης βοηθά τους χρήστες να προσδιορίσουν ποιος σύνδεσμος και ποια διάταξη ακίδων (Pinout) είναι απαραίτητη ή βέλτιστη για τη συγκεκριμένη εφαρμογή τους. Για το σκοπό αυτό, το ωφέλιμο σήμα πρέπει να υποστεί παρεμβολή με τη βοήθεια ενός γεννήτρια παλμών (Burstgenerator) και να μετρηθεί η μέγιστη επιτρεπόμενη επαγωγική συνδεσιμότητα (αμοιβαία επαγωγή). Εάν είναι γνωστά η επαγόμενη τάση (Uind), η τάση του γεννήτρια (UGen) καθώς και η σταθερά του γεννήτρια (kGen), μπορεί να προσδιοριστεί για κάθε εφαρμογή η αντίστοιχη μέγιστη επιτρεπόμενη επαγωγική συνδεσιμότητα (αμοιβαία επαγωγή) (L) με βάση τον ακόλουθο τύπο:
L = Uind / (UGen * kGen)
Η επαγωγική αντίσταση σύζευξης (αμοιβαία επαγωγή) βοηθά επίσης τον χρήστη να καθορίσει τον κατάλληλο σύνδεσμο (σύνδεσμος) όσον αφορά την ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα του. Με αυτόν τον τρόπο μπορούν επίσης να αποφευχθούν οι δαπανηρές και χρονοβόρες δοκιμές με τη μέθοδο δοκιμής και σφάλματος (Trial-and-Error) στο ΗΜΣ-Labor.
Επιπλέον, είναι δυνατό να μειωθεί η επαγωγική αντίσταση σύζευξης ενός σύνδεσμου με τη βοήθεια θωράκισης (θωράκιση). Ακολουθεί ένα παράδειγμα εφαρμογής: Για ένα σήμα HDMI, σε τάση 4,4 kV, προσδιορίστηκε μια μέγιστη, ειδική για την περίπτωση, επαγωγικότητα σύζευξης (αμοιβαία επαγωγή) 47 pH. Εάν η τιμή είναι υψηλότερη, το σήμα δεν μπορεί πλέον να μεταδοθεί χωρίς παρεμβολές. Η παρακάτω εικόνα δείχνει ότι η επαγωγικότητα σύζευξης μειώθηκε σημαντικά χάρη στη χρήση ενός συστήματος θωράκισης.
Τα Boardlocks καθώς και οι εξωτερικές επαφές τοποθετήθηκαν σε δυναμικό γείωσης τόσο στην μη θωρακισμένη όσο και στην θωρακισμένη έκδοση, ενώ εισήχθη σήμα μέσω ενός ζεύγους επαφών. Οι μετρηθείσες τιμές επαγωγικής σύζευξης μπορούν να αποδειχθούν με βάση τις χρωματικές διαβαθμίσεις του ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου. Η προσομοίωση με έναν μη θωρακισμένο συνδετήρα (σύνδεσμος) έδειξε ότι σε αυτή την περίπτωση υπάρχει συγχρονιστική επαγωγικότητα (αμοιβαία επαγωγή) έως και 196 pH. Με την προσδιορισμένη οριακή τιμή των 47 pH, δεν θα ήταν πλέον εγγυημένη η χωρίς παρεμβολές μετάδοση σήματος. Αντίθετα, στον θωρακισμένο συνδετήρα (σύνδεσμος), οι τιμές της επαγωγικής συνδεσιμότητας κυμαίνονται από 1 έως 4 pH. Αυτές μπόρεσαν, λοιπόν, να μειωθούν κατά περίπου τον συντελεστή 50 χάρη στη θωράκιση (θωράκιση), εξασφαλίζοντας έτσι μια μετάδοση χωρίς παρεμβολές. Σε περιπτώσεις με μεγαλύτερο αριθμό πόλων, είναι δυνατή ακόμη και μείωση κατά τον συντελεστή 100 έως 200.
Για τον χρήστη, η θωράκιση (θωράκιση) έχει θετικά χαρακτηριστικά από δύο απόψεις: Αφενός, ο συνδετήρας (σύνδεσμος) λειτουργεί έτσι λιγότερο ως πηγή παρεμβολών, αφετέρου, χάρη στην θωράκιση (θωράκιση), αποτελεί μικρότερη πηγή απορρόφησης παρεμβολών για τα σήματα. Με τη χρήση θωρακισμένων συνδετήρων, αυτοί μπορούν πλέον να τοποθετηθούν πιο κοντά σε πηγές και σημεία απορρόφησης παρεμβολών στην πλακέτα κυκλώματος. Επιπλέον, επιτρέπεται η επίτευξη υψηλότερης κατηγορίας απόδοσης στις προβλεπόμενες δοκιμές Burst και Surge της ηλεκτρικής συσκευής.
Για τον χρήστη, η θωράκιση (θωράκιση) έχει θετικά χαρακτηριστικά από δύο απόψεις: Αφενός, ο συνδετήρας (σύνδεσμος) λειτουργεί έτσι λιγότερο ως πηγή παρεμβολών, αφετέρου, χάρη στην θωράκιση (θωράκιση), αποτελεί μικρότερη πηγή απορρόφησης παρεμβολών για τα σήματα. Με τη χρήση θωρακισμένων συνδετήρων, αυτοί μπορούν πλέον να τοποθετηθούν πιο κοντά σε πηγές και σημεία απορρόφησης παρεμβολών στην πλακέτα κυκλώματος. Επιπλέον, επιτρέπεται η επίτευξη υψηλότερης κατηγορίας απόδοσης στις προβλεπόμενες δοκιμές Burst και Surge της ηλεκτρικής συσκευής.
μικροποίηση
Παρά την αυξανόμενη λειτουργική ολοκλήρωση, το μέγεθος των αισθητήρων και των συστημάτων καμερών δεν πρέπει να αυξάνεται. Στην πλειονότητα των περιπτώσεων, στον τομέα της βιομηχανικής αυτοματοποίησης απαιτείται μάλιστα συνεχής μικροποίηση, ώστε να είναι δυνατή η κατασκευή όλο και πιο συμπαγών μηχανών. Ομοίως, η τάση προς τις αρθρωτές κατασκευές αισθητήρων ή καμερών απαιτεί τη χρήση αντίστοιχα μικροποιημένων συνδετήρων (σύνδεσμος). Ως εκ τούτου, τις τελευταίες δεκαετίες, οι συνδετήρες έχουν συρρικνωθεί σε ένα κλάσμα του αρχικού τους μεγέθους, διατηρώντας σχεδόν την ίδια απόδοση.
Για εφαρμογές με ιδιαίτερα περιορισμένο χώρο εγκατάστασης, η τεχνολογία επιφανειακής συναρμολόγησης (Surface-Mount-Technologie) αποτελεί την ιδανική λύση. Εξοικονομεί ιδιαίτερα χώρο, καθώς επιτρέπει την αμφίπλευρη συναρμολόγηση της πλακέτας καθώς και μικρά βήμα. Με την τεχνική της πίεσης (τεχνολογία press-fit), για παράδειγμα, ένα στενό βήμα μόλις 0,5 mm δεν θα ήταν εφικτό λόγω των φυσικών δυνάμεων που ασκούνται κατά τη διαδικασία πίεσης – ούτε και η αμφίπλευρη συναρμολόγηση της πλακέτας (συναρμολόγηση πλακετών). Στην περίπτωση μικροσκοπικών εφαρμογών, πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη ένα ακόμη σημαντικό κριτήριο κατά την επιλογή του σωστού συνδεσμού: σύμφωνα με αυτό, τα ευαίσθητα εξαρτήματα ενός συγκροτήματος βρίσκονται σε αυτές τις περιπτώσεις συχνά πολύ κοντά το ένα στο άλλο. Αυτό δημιουργεί αυξημένο κίνδυνο αμοιβαίας ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής μεταξύ των εξαρτημάτων. Φυσικά, η μεταφορά δεδομένων στην εφαρμογή σας δεν πρέπει σε καμία περίπτωση να διαταραχθεί, να αλλοιωθεί ή ακόμη και να εμποδιστεί. Για τον λόγο αυτό, η ηλεκτρομαγνητική προστασία αποκτά ολοένα και μεγαλύτερη σημασία. Για την αποφυγή παρεμβολών στο σήμα, συνιστάται επομένως, όπως και στην περίπτωση των συνδετήρων υψηλής ταχύτητας (σύνδεσμος υψηλής ταχύτητας), η επιλογή ενός θωρακισμένου σύνδεσμου.
Ανθεκτικότητα
Οι αισθητήρες και τα συστήματα καμερών που χρησιμοποιούνται κοντά σε μηχανήματα εκτίθενται σε ιδιαίτερα σκληρές περιβαλλοντικές επιδράσεις. Για την προστασία των ηλεκτρονικών συστημάτων από αυτές τις εξωτερικές επιδράσεις, ολόκληρο το συγκρότημα μπορεί να εγκιβωτιστεί. Για το σκοπό αυτό, ωστόσο, απαιτείται μια λύση σύνδεσης που να είναι εξίσου συμβατή με την εγκιβωτιστική διαδικασία. Οι συνηθισμένοι σύνδεσμος (συνδετήρες) βρίσκονται εδώ σε σαφές μειονέκτημα, επειδή η ευάλωτη περιοχή σύνδεσης (περιοχή σύζευξης) πρέπει να προστατεύεται από την εγκιβωτιστική μάζα (υλικό εγκιβωτισμού). Η τεχνολογία επαφών με ελατήρια και λεπίδες που χρησιμοποιείται δεν θα πληρούσε την απαιτούμενη κατηγορία βαθμός προστασίας IP για αυτά τα υλικά.
Κατά την επιλογή του κατάλληλου συνδετήρα (σύνδεσμος), πρέπει επομένως να δοθεί προσοχή στην επιλογή μιας λύσης σύνδεσης ενός τμήματος, δηλαδή ενός συνδετήρα που δεν απαιτεί την παραδοσιακή περιοχή σύνδεσης (περιοχή σύζευξης). Με αυτόν τον τρόπο, το υλικό πλήρωσης (υλικό εγκιβωτισμού) επιτρέπει μια μόνιμη και ανθεκτική λύση σύνδεσης, χωρίς όμως να μπορεί να διεισδύσει στην περιοχή επαφής.
Εάν πρέπει να ελεγχθούν ηλεκτρονικά εξαρτήματα ως προς την ανθεκτικότητά τους, αυτό είναι δυνατό στο πλαίσιο εργαστηριακών δοκιμών. Σε αυτή την περίπτωση, το τυποποιημένο προφίλ κρούσης (profile) πρέπει να αντιστοιχεί στην επιθυμητή κατάσταση (control), δηλαδή σε επιτάχυνση 50 g με ανοχή 20 τοις εκατό (high abort και low abort). Σύμφωνα με το πρότυπο DIN EN 60068-2-27, επιτρέπεται διακοπή επαφής (ασυνέχεια επαφής) ≤ 1 µs.
Εάν πρέπει να ελεγχθούν ηλεκτρονικά εξαρτήματα ως προς την ανθεκτικότητά τους, αυτό είναι δυνατό στο πλαίσιο εργαστηριακών δοκιμών. Σε αυτή την περίπτωση, το τυποποιημένο προφίλ κρούσης (profile) πρέπει να αντιστοιχεί στην επιθυμητή κατάσταση (control), δηλαδή σε επιτάχυνση 50 g με ανοχή 20 τοις εκατό (high abort και low abort). Σύμφωνα με το πρότυπο DIN EN 60068-2-27, επιτρέπεται διακοπή επαφής (ασυνέχεια επαφής) ≤ 1 µs.
Εάν ο σύνδεσμος (σύνδεσμος) στην εφαρμογή σας εκτίθεται σε ακραίες εξωτερικές περιβαλλοντικές επιδράσεις, όπως κραδασμούς, κρούσεις, υγρασία, ρύπους, ακραίες θερμοκρασίες ή διακυμάνσεις θερμοκρασίας, απαιτείται επίσης εξαιρετική ανθεκτικότητα. Η εγκιβώτιση (εγκιβωτισμός) του συγκροτήματός σας μπορεί να βοηθήσει σε αυτό, ωστόσο συνιστάται να μην βασίζεστε αποκλειστικά σε αυτήν. Αντ' αυτού, συνιστάται ένας συνδυασμός εγκιβωτισμού (εγκιβωτισμός) και τεχνικής εισπίεσης (τεχνολογία press-fit). Η τελευταία έχει ήδη αποδειχθεί αποτελεσματική δισεκατομμύρια φορές και θεωρείται η πιο ανθεκτική και αξιόπιστη επιλογή σύνδεσης – ακόμη και υπό αντίξοες συνθήκες. Στην τεχνική εισπίεσης, ο ακροδέκτης (pin) του συνδετήρα εισάγεται με πίεση σε μια οπή της πλακέτας με διαμπερή επαφή, δημιουργώντας έτσι μια ηλεκτρική, αλλά και μηχανική, σύνδεση μεταξύ του συνδετήρα (σύνδεσμος) και της πλακέτας. Ταυτόχρονα, μπορεί να επιτευχθεί εξοικονόμηση κόστους έως και 50 τοις εκατό, καθώς αποφεύγονται οι χρονοβόρες εργασίες συγκόλλησης και οι ακριβές λύσεις καλωδίωσης. Εάν δεν υπάρχει η ευάλωτη περιοχή σύνδεσης (περιοχή σύζευξης), ένας σύνδεσμος (σύνδεσμος) σε συνδυασμό με την τεχνική της συμπίεσης (τεχνολογία press-fit) μπορεί ακόμη και να αντέξει κραδασμούς από 50 έως 200 g χωρίς διακοπή της επαφής (ασυνέχεια επαφής).
Όταν χρειάζονται πολυτάλαντοι άνθρωποι
Θεωρητικά, αυτές οι απαιτήσεις – μεταφορά δεδομένων υψηλής ταχύτητας, μικροποίηση και ανθεκτικότητα – μπορούν να εξεταστούν σχετικά ξεχωριστά. Ως χρήστης, ωστόσο, σίγουρα θα διαπιστώσετε ότι ο συνδετήρας (σύνδεσμος) που χρειάζεστε σπάνια πρέπει να πληροί μόνο μία από αυτές τις απαιτήσεις. Για τον λόγο αυτό, πολλοί συνδετήρες πληρούν πολλά από αυτά τα κριτήρια με διαφορετική στάθμιση. Σε ορισμένες περιπτώσεις, αξίζει επίσης να ρίξετε μια ματιά στους «πολυτάλαντους» σύνδεσμους. Εάν, για παράδειγμα, χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα πολλοί σύνδεσμος, συνιστάται να επιλέξετε μια οικογένεια προϊόντων που διαθέτει υψηλή επεκτασιμότητα. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούν να αποφευχθούν χρονοβόρες και δαπανηρές διαδικασίες έγκρισης, ενώ ταυτόχρονα διασφαλίζεται ότι όλα τα προϊόντα μιας οικογένεια συνδέσμων είναι συμβατά μεταξύ τους – ανεξάρτητα από το αν είναι θωρακισμένος, μη θωρακισμένος, gerade ή γωνιακός.
Ερωτήσεις;
Ως ειδικοί στην κατασκευή πλακετών κυκλωμάτων (Leiterplatten-σύνδεσμος ) και στις συνδέσεις (Kontaktierung), μοιραζόμαστε με χαρά τις γνώσεις μας, π.χ. σε διαδικτυακά σεμινάρια (Webinare) προσαρμοσμένα στις ανάγκες σας:
webinar.ept-group.de
Ή επικοινωνήστε απευθείας μαζί μας για οποιοδήποτε θέμα σχετικό με την τεχνολογία « σύνδεσμος »!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, ΓΕΡΜΑΝΙΑ
Τηλέφωνο +49 (0) 8861 2501 0
Φαξ +49 (0) 8861 2501 700
www.ept.de
sales@ept.de
webinar.ept-group.de
Ή επικοινωνήστε απευθείας μαζί μας για οποιοδήποτε θέμα σχετικό με την τεχνολογία « σύνδεσμος »!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, ΓΕΡΜΑΝΙΑ
Τηλέφωνο +49 (0) 8861 2501 0
Φαξ +49 (0) 8861 2501 700
www.ept.de
sales@ept.de