Λευκή βίβλος: Συνδέσεις πλακέτας-προς-πλακέτα για βιομηχανικούς αισθητήρες και συστήματα καμερών
Ταχύτερα, μικρότερα, πιο ανθεκτικά: Όταν χρησιμοποιούνται σε βιομηχανικούς αισθητήρες και συστήματα καμερών, οι σύνδεσμοι πρέπει να ανταποκρίνονται σε όλο και περισσότερες απαιτήσεις. Η τάση κινείται προς τη modularization. Με τη βοήθεια των συνδέσμων board-to-board, οι πλακέτες κυκλωμάτων μπορούν να συνδυάζονται μεταξύ τους με ευελιξία, καθορίζοντας έτσι σε μεγάλο βαθμό τη λειτουργικότητα του αισθητήρα. Στην εποχή της Βιομηχανίας 4.0, οι σύνδεσμοι δεν πρέπει μόνο 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. Αυτός ο οδηγός έχει σκοπό να σας βοηθήσει να βρείτε τον κατάλληλο σύνδεσμο για την εφαρμογή μηχανικής όρασης που σας ενδιαφέρει.
Τρεις απαιτήσεις βρίσκονται στο επίκεντρο της ανάπτυξης σύγχρονων αισθητήρων και συστημάτων καμερών για βιομηχανικές εφαρμογές: η μεταφορά δεδομένων υψηλής ταχύτητας, η μικροποίηση και η ανθεκτικότητα. Αυτές οι απαιτήσεις σπάνια μπορούν να εξεταστούν ξεχωριστά – ωστόσο, ανάλογα με τις προτεραιότητές σας, μπορεί να βρεθεί ο βέλτιστος 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 σύνδεσμοι για εφαρμογές υψηλής ταχύτητας πρέπει να διαθέτουν σχεδιασμό επαφών αντίστοιχα υψηλής απόδοσης. Δεδομένου ότι ένας σύνδεσμος, λόγω της γεωμετρίας του, αποτελεί έναν ορισμένο παράγοντα κινδύνου για διακυμάνσεις στην πορεία της 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 μειωθούν στο ελάχιστο, στο μέτρο του δυνατού, οι αλλαγές στη διατομή του συνδετήρα, καθώς αυτές έχουν ως αποτέλεσμα διακυμάνσεις στην εμπέδηση, οι οποίες με τη σειρά τους οδηγούν σε απώλειες στη μετάδοση του σήματος.
Στην περίπτωση μικροσκοπικών συναρμολογήσεων, οι σύνδεσμοι πρέπει επιπλέον να διαθέτουν ηλεκτρομαγνητική θωράκιση, καθώς τα σήματα υψηλής συχνότητας είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα σε ανεπιθύμητα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα. Σε αυτή την περίπτωση, αρκεί ακόμη και ένας μικρός παλμός για να αλλοιώσει το σήμα, με αποτέλεσμα ο δέκτης να μην μπορεί πλέον να ερμηνεύσει με σαφήνεια τις ψηφιακές καταστάσεις.
Ένας σύνδεσμος μπορεί να αναλάβει τόσο το ρόλο του απορροφητή 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 επαγωγική συνδετική αντίσταση LK, που μετράται σε picohenry (pH), ο σύνδεσμος μπορεί να περιγραφεί και στις δύο λειτουργίες – πηγή και απορροφητής. Μια απλή διάταξη μέτρησης βοηθά τους χρήστες να προσδιορίσουν ποιος σύνδεσμος και ποια διάταξη ακροδεκτών είναι απαραίτητη ή βέλτιστη για τη συγκεκριμένη εφαρμογή τους. Για το σκοπό αυτό, το σήμα χρήσης πρέπει να διαταραχθεί με τη βοήθεια ενός γεννήτριας παλμών και να μετρηθεί η μέγιστη επιτρεπόμενη επαγωγική συνδεσιμότητα. 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 αντίσταση (L) με βάση τον ακόλουθο τύπο:
L = Uind / (UGen * kGen)
Η επαγωγική αντίσταση βοηθά επίσης τον χρήστη να καθορίσει τον κατάλληλο συνδετήρα όσον αφορά την ηλεκτρομαγνητική συμβατότητά του. Με αυτόν τον τρόπο μπορούν επίσης να αποφευχθούν οι δαπανηρές και χρονοβόρες δοκιμές δοκιμής και σφάλματος στο εργαστήριο ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας.
Επιπλέον, είναι δυνατό να μειωθεί η επαγωγική αντίσταση ενός συνδετήρα με τη βοήθεια μιας θωράκισης. Ακολουθεί ένα παράδειγμα εφαρμογής: Για ένα σήμα HDMI, σε τάση 4,4 kV, προσδιορίστηκε μια μέγιστη επαγωγική αντίσταση σύζευξης 47 pH για τη συγκεκριμένη περίπτωση. Εάν η τιμή είναι υψηλότερη, το σήμα δεν μπορεί πλέον να μεταδοθεί χωρίς παρεμβολές. Η παρακάτω εικόνα δείχνει ότι η επαγωγική αντίσταση σύζευξης μειώθηκε σημαντικά με τη χρήση ενός συστήματος θωράκισης.
Ένας σύνδεσμος μπορεί να αναλάβει τόσο το ρόλο του απορροφητή 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 επαγωγική συνδετική αντίσταση LK, που μετράται σε picohenry (pH), ο σύνδεσμος μπορεί να περιγραφεί και στις δύο λειτουργίες – πηγή και απορροφητής. Μια απλή διάταξη μέτρησης βοηθά τους χρήστες να προσδιορίσουν ποιος σύνδεσμος και ποια διάταξη ακροδεκτών είναι απαραίτητη ή βέλτιστη για τη συγκεκριμένη εφαρμογή τους. Για το σκοπό αυτό, το σήμα χρήσης πρέπει να διαταραχθεί με τη βοήθεια ενός γεννήτριας παλμών και να μετρηθεί η μέγιστη επιτρεπόμενη επαγωγική συνδεσιμότητα. 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 αντίσταση (L) με βάση τον ακόλουθο τύπο:
L = Uind / (UGen * kGen)
Η επαγωγική αντίσταση βοηθά επίσης τον χρήστη να καθορίσει τον κατάλληλο συνδετήρα όσον αφορά την ηλεκτρομαγνητική συμβατότητά του. Με αυτόν τον τρόπο μπορούν επίσης να αποφευχθούν οι δαπανηρές και χρονοβόρες δοκιμές δοκιμής και σφάλματος στο εργαστήριο ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας.
Επιπλέον, είναι δυνατό να μειωθεί η επαγωγική αντίσταση ενός συνδετήρα με τη βοήθεια μιας θωράκισης. Ακολουθεί ένα παράδειγμα εφαρμογής: Για ένα σήμα HDMI, σε τάση 4,4 kV, προσδιορίστηκε μια μέγιστη επαγωγική αντίσταση σύζευξης 47 pH για τη συγκεκριμένη περίπτωση. Εάν η τιμή είναι υψηλότερη, το σήμα δεν μπορεί πλέον να μεταδοθεί χωρίς παρεμβολές. Η παρακάτω εικόνα δείχνει ότι η επαγωγική αντίσταση σύζευξης μειώθηκε σημαντικά με τη χρήση ενός συστήματος θωράκισης.
Τα Boardlocks καθώς και οι εξωτερικές επαφές συνδέθηκαν στη γείωση τόσο στην μη θωρακισμένη όσο και στην θωρακισμένη έκδοση, ενώ εισήχθη σήμα μέσω ενός ζεύγους επαφών. Οι μετρηθείσες τιμές της επαγωγικής συνδετικής αντίστασης μπορούν να απεικονιστούν με τη βοήθεια χρωματικών διαβαθμίσεων του ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου. Η προσομοίωση με έναν μη θωρακισμένο συνδετήρα έδειξε ότι υπάρχει επαγωγική συνδεσιμότητα έως και 196 pH. Με την καθορισμένη οριακή τιμή των 47 pH, δεν θα ήταν πλέον εγγυημένη η χωρίς παρεμβολές μετάδοση σήματος. Αντίθετα, στον θωρακισμένο συνδετήρα, οι τιμές της επαγωγικής συνδεσιμότητας κυμαίνονται από 1 έως 4 pH. Αυτές μπόρεσαν, λοιπόν, να μειωθούν κατά περίπου 50 φορές χάρη στη θωράκιση, εξασφαλίζοντας έτσι μια μετάδοση χωρίς παρεμβολές. Σε υψηλότερο αριθμό πόλων είναι δυνατή ακόμη και μια μείωση κατά 100 έως 200 φορές.
Για τον χρήστη, η θωράκιση έχει θετικά χαρακτηριστικά από δύο απόψεις: Αφενός, ο σύνδεσμος λειτουργεί έτσι λιγότερο ως πηγή παρεμβολών, αφετέρου αποτελεί, χάρη στην θωράκιση, μικρότερη πηγή παρεμβολών για τα σήματα. Με τη χρήση θωρακισμένων συνδέσμων, αυτοί μπορούν πλέον να τοποθετηθούν πιο κοντά σε πηγές και πηγές παρεμβολών στην πλακέτα κυκλώματος. Επιπλέον, επιτρέπεται υψηλότερη κατηγορία απόδοσης στις προβλεπόμενες δοκιμές ριπής και υπερτάσεων της ηλεκτρικής συσκευής.
Για τον χρήστη, η θωράκιση έχει θετικά χαρακτηριστικά από δύο απόψεις: Αφενός, ο σύνδεσμος λειτουργεί έτσι λιγότερο ως πηγή παρεμβολών, αφετέρου αποτελεί, χάρη στην θωράκιση, μικρότερη πηγή παρεμβολών για τα σήματα. Με τη χρήση θωρακισμένων συνδέσμων, αυτοί μπορούν πλέον να τοποθετηθούν πιο κοντά σε πηγές και πηγές παρεμβολών στην πλακέτα κυκλώματος. Επιπλέον, επιτρέπεται υψηλότερη κατηγορία απόδοσης στις προβλεπόμενες δοκιμές ριπής και υπερτάσεων της ηλεκτρικής συσκευής.
μικροποίηση
Παρά την αυξανόμενη ενσωμάτωση λειτουργιών, 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 μηχανημάτων όλο και πιο συμπαγών. Ομοίως, η τάση προς τις αρθρωτές κατασκευές αισθητήρων ή καμερών απαιτεί τη χρήση αντίστοιχα μικροποιημένων συνδετήρων. Ως εκ τούτου, τις τελευταίες δεκαετίες οι σύνδεσμοι έχουν μειωθεί σε ένα κλάσμα του αρχικού τους μεγέθους, διατηρώντας σχεδόν την ίδια απόδοση.
Για εφαρμογές με ιδιαίτερα περιορισμένο χώρο εγκατάστασης, η τεχνολογία επιφανειακής συναρμολόγησης αποτελεί την ιδανική λύση. Εξοικονομεί ιδιαίτερα χώρο, καθώς επιτρέπει την τοποθέτηση εξαρτημάτων και στις δύο όψεις της πλακέτας καθώς και μικρά βήματα. Με την τεχνική εισαγωγής με πίεση, για παράδειγμα, δεν θα ήταν εφικτό ένα στενό πλέγμα μόλις 0,5 mm λόγω των φυσικών δυνάμεων που ασκούνται κατά τη διαδικασία εισαγωγής με πίεση – ούτε η τοποθέτηση εξαρτημάτων και στις δύο πλευρές της πλακέτας. Στην περίπτωση μικροσκοπικών εφαρμογών, πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη ένα ακόμη σημαντικό κριτήριο κατά την επιλογή του σωστού συνδετήρα: 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 επίδρασης των εξαρτημάτων. Φυσικά, η μεταφορά δεδομένων στην εφαρμογή σας δεν πρέπει σε καμία περίπτωση να διαταραχθεί, να αλλοιωθεί ή ακόμη και να εμποδιστεί. Για αυτόν τον λόγο, η προστασία από ηλεκτρομαγνητικές διαταραχές αποκτά όλο και μεγαλύτερη σημασία. Για να αποφευχθούν οι διαταραχές σήματος, συνιστάται, όπως και στην περίπτωση των συνδετήρων υψηλής ταχύτητας, η επιλογή ενός θωρακισμένου συνδετήρα.
Ανθεκτικότητα
Οι αισθητήρες και τα συστήματα καμερών που χρησιμοποιούνται κοντά σε μηχανήματα εκτίθενται σε ιδιαίτερα σκληρές περιβαλλοντικές συνθήκες. Για την προστασία των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων από αυτές τις εξωτερικές επιδράσεις, ολόκληρο το συγκρότημα μπορεί να εγκιβωτιστεί. Για τον σκοπό αυτό, ωστόσο, απαιτείται μια λύση σύνδεσης που να είναι εξίσου συμβατή με την εγκιβωτισμένη μάζα. Οι συνηθισμένοι σύνδεσμοι βρίσκονται σαφώς σε μειονεκτική θέση σε αυτή την περίπτωση, καθώς η ευαίσθητη περιοχή σύνδεσης πρέπει να προστατεύεται από την εγκιβωτισμένη μάζα. Η τεχνολογία επαφών με ελατήρια και λεπίδες που χρησιμοποιείται δεν θα παρείχε τον απαιτούμενο βαθμό προστασίας IP για αυτά τα υλικά.
Κατά την επιλογή του κατάλληλου συνδετήρα, πρέπει επομένως να δοθεί προσοχή στην επιλογή μιας λύσης σύνδεσης ενός τμήματος, δηλαδή ενός συνδετήρα που δεν απαιτεί τη συμβατική περιοχή σύνδεσης. Με αυτόν τον τρόπο, το υλικό σφράγισης εξασφαλίζει μια μόνιμη και ανθεκτική λύση σύνδεσης, χωρίς όμως να μπορεί να διεισδύσει στην περιοχή επαφής.
Εάν τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα πρέπει να ελεγχθούν 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 ≤ 1µs.
Εάν τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα πρέπει να ελεγχθούν 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 ≤ 1µs.
Εάν ο 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 του συγκροτήματός σας μπορεί να βοηθήσει σε αυτό, ωστόσο συνιστάται να μην βασίζεστε αποκλειστικά σε αυτήν. Αντ’ αυτού, συνιστάται ένας συνδυασμός εγκιβώτισης και τεχνικής εισαγωγής με πίεση. Η τελευταία έχει ήδη αποδειχθεί αποτελεσματική σε δισεκατομμύρια εφαρμογές και θεωρείται η πιο ανθεκτική και αξιόπιστη επιλογή σύνδεσης – ακόμη και υπό αντίξοες συνθήκες. Στην τεχνική πρεσαρίσματος, ο ακροδέκτης (pin) του συνδετήρα πρεσάρεται σε μια οπή της πλακέτας με διαμπερή επαφή, δημιουργώντας έτσι μια ηλεκτρική, αλλά και μηχανική, σύνδεση μεταξύ του συνδετήρα και της πλακέτας. Ταυτόχρονα, μπορούν να επιτευχθούν εξοικονομήσεις κόστους έως και 50 τοις εκατό, καθώς αποφεύγονται οι χρονοβόρες εργασίες συγκόλλησης και οι ακριβές λύσεις καλωδίωσης. Εάν δεν υπάρχει η ευάλωτη περιοχή σύνδεσης, ένας σύνδεσμος σε συνδυασμό με την τεχνική εισπίεσης μπορεί να αντέξει ακόμη και κραδασμούς από 50 έως 200 g χωρίς διακοπή της επαφής.
Όταν χρειάζονται πολυτάλαντοι άνθρωποι
Θεωρητικά, αυτές οι απαιτήσεις – μεταφορά δεδομένων υψηλής ταχύτητας, μικροποίηση και ανθεκτικότητα – μπορούν να εξεταστούν σχετικά ξεχωριστά. Ως χρήστες, ωστόσο, σίγουρα θα διαπιστώσετε ότι ο σύνδεσμος που χρειάζεστε σπάνια πρέπει να πληροί μόνο μία από αυτές τις απαιτήσεις. Για τον λόγο αυτό, πολλοί σύνδεσμοι πληρούν πολλά από αυτά τα κριτήρια με διαφορετική βαρύτητα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, αξίζει επίσης να ρίξετε μια ματιά στους «πολυτάλαντους» συνδετήρες. Εάν, για παράδειγμα, χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα πολλοί σύνδεσμοι, συνιστάται να επιλέξετε μια οικογένεια προϊόντων που διαθέτει υψηλή επεκτασιμότητα. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούν να αποφευχθούν χρονοβόρες και δαπανηρές διαδικασίες έγκρισης και ταυτόχρονα να διασφαλιστεί ότι όλα τα προϊόντα μιας οικογένειας συνδέσμων είναι συμβατά μεταξύ τους – ανεξάρτητα από το αν είναι θωρακισμένα, μη θωρακισμένα, ευθεία ή γωνιακά.
Ερωτήσεις;
Ως ειδικοί στους συνδετήρες και τις επαφές πλακετών τυπωμένων κυκλωμάτων, μοιραζόμαστε με χαρά τις γνώσεις μας, π.χ. μέσω διαδικτυακών σεμιναρίων προσαρμοσμένων στις ανάγκες σας:
www.webinar.ept-group.de
Ή επικοινωνήστε απευθείας μαζί μας για οποιοδήποτε θέμα σχετικά με τους συνδετήρες!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, ΓΕΡΜΑΝΙΑ
Τηλέφωνο +49 (0) 88 61 2501-0
Φαξ +49 (0) 88 61 2501-700
www.ept.de sales@ept.de
www.webinar.ept-group.de
Ή επικοινωνήστε απευθείας μαζί μας για οποιοδήποτε θέμα σχετικά με τους συνδετήρες!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, ΓΕΡΜΑΝΙΑ
Τηλέφωνο +49 (0) 88 61 2501-0
Φαξ +49 (0) 88 61 2501-700
www.ept.de sales@ept.de