Whitepaper: Board-to-Board-liitin-liittimet teollisille antureille ja kamerajärjestelmille
Nopeampia, pienempiä, kestävämpiä: teollisissa antureissa ja kamerajärjestelmissä käytettävien liittimien (liitin) on täytettävä yhä enemmän vaatimuksia. Suuntaus on kohti modulaarisuutta. Board-to-board-liitinten avulla piirilevyjä voidaan yhdistellä joustavasti keskenään, mikä määrittää merkittävästi anturin toiminnallisuuden. Teollisuus 4.0:n aikakaudella liittimien ei tarvitse vain tulla yhä pienemmiksi ja suorituskykyisemmiksi – miniatyrisoinnin ja suurten nopeuksien lisäksi käyttö teollisessa ympäristössä vaatii usein äärimmäistä kestävyyttä. Tämän oppaan tarkoituksena on auttaa sinua löytämään oikea liitin (liitin) koneenäkösovellukseesi.
Nykyaikaisten anturien ja kamerajärjestelmien kehittämisessä teollisiin sovelluksiin korostuvat kolme vaatimusta: nopea tiedonsiirto, miniatyrisointi ja kestävyys. Näitä vaatimuksia voidaan harvoin tarkastella erillään toisistaan – painopisteen mukaan voidaan kuitenkin löytää sovellukseenne optimaalinen liitin (liitin).
Nopea tiedonsiirto
Älykkäät anturit ja kamerat teollisuusympäristöissä tarvitsevat big datan, IoT:n ja IIoT:n aikakaudella myös turvallista suurten nopeuksien tiedonsiirtoa. Suurten nopeuksien sovelluksiin tarkoitetuissa liittimissä (liitin) tulisi olla vastaavasti erittäin suorituskykyinen kosketinrakenne. Koska liitin muodostaa geometriansa vuoksi tietyn riskitekijän impedanssin vaihteluille (impedanssiprofiili), suurnopeusliittien kehityksessä on kiinnitettävä erityistä huomiota kontaktisuunnittelun optimointiin impedanssin hallitsemiseksi. Tässä yhteydessä on tärkeää minimoida mahdollisuuksien mukaan poikkileikkauksen muutokset liittimessä (liitin), sillä ne aiheuttavat impedanssin vaihteluita, jotka puolestaan johtavat signaalinsiirron häviöihin.
Miniatyrisoitujen rakenteiden tapauksessa liittimien (liitin) tulisi lisäksi olla varustettu sähkömagneettisella suojauksella (EM-suojaus), sillä erityisesti korkeataajuiset signaalit ovat erityisen alttiita ei-toivotuille sähkömagneettisille vaikutuksille. Tällöin jo pieni impulssi voi riittää vääristämään hyödyllistä signaalia niin, että vastaanotin ei enää pysty tulkitsemaan digitaalisia tiloja yksiselitteisesti. liitin
-liitin voi toimia sekä häiriön vastaanottajana että lähteenä, eli se voi toisaalta olla alttiina kokoonpanon muiden komponenttien vaikutuksille ja toisaalta itse vaikuttaa sähkömagneettisesti ympäröiviin komponentteihin. keskinäisinduktanssi-arvolla LK, mitattuna pikohenryinä (pH), liitintä voidaan kuvata molemmissa rooleissa – lähteenä ja vastaanottajana. Yksinkertainen mittausjärjestely auttaa käyttäjiä selvittämään, mikä liitin ja mikä pinout-järjestys on tarpeellinen tai optimaalinen heidän sovellukselleen. Tätä varten käyttösignaalia on häirittävä purskegeneraattorin avulla ja mitattava suurin sallittu kytkentäinduktanssi (keskinäisinduktanssi). Jos indusoitu jännite (Uind), generaattorin jännite (UGen) sekä generaattorivakio (kGen) ovat tiedossa, voidaan jokaiselle sovellukselle määrittää sen oma suurin sallittu kytkentäinduktanssi (keskinäisinduktanssi, L) seuraavan kaavan avulla:
L = Uind / (UGen * kGen)
keskinäisinduktanssi auttaa käyttäjää myös määrittämään sopivan liitin sähkömagneettisen yhteensopivuuden kannalta. Näin voidaan välttää myös kalliit ja aikaa vievät kokeilu- ja virhemenetelmätestit EMC-Laborissa.
Lisäksi on mahdollista alentaa liittimen keskinäisinduktanssi suojaus avulla. Tässä on esimerkki sovelluksesta: HDMI-signaalille määritettiin 4,4 kV:n jännitteellä tapauskohtainen suurin sallittu kytkentäinduktanssi (keskinäisinduktanssi) arvoksi 47 pH. Jos arvo ylittää tämän rajan, signaalia ei voida enää siirtää häiriöttä. Seuraava kuva osoittaa, että kytkentäinduktanssia on onnistuttu alentamaan merkittävästi suojausratkaisun avulla.
-liitin voi toimia sekä häiriön vastaanottajana että lähteenä, eli se voi toisaalta olla alttiina kokoonpanon muiden komponenttien vaikutuksille ja toisaalta itse vaikuttaa sähkömagneettisesti ympäröiviin komponentteihin. keskinäisinduktanssi-arvolla LK, mitattuna pikohenryinä (pH), liitintä voidaan kuvata molemmissa rooleissa – lähteenä ja vastaanottajana. Yksinkertainen mittausjärjestely auttaa käyttäjiä selvittämään, mikä liitin ja mikä pinout-järjestys on tarpeellinen tai optimaalinen heidän sovellukselleen. Tätä varten käyttösignaalia on häirittävä purskegeneraattorin avulla ja mitattava suurin sallittu kytkentäinduktanssi (keskinäisinduktanssi). Jos indusoitu jännite (Uind), generaattorin jännite (UGen) sekä generaattorivakio (kGen) ovat tiedossa, voidaan jokaiselle sovellukselle määrittää sen oma suurin sallittu kytkentäinduktanssi (keskinäisinduktanssi, L) seuraavan kaavan avulla:
L = Uind / (UGen * kGen)
keskinäisinduktanssi auttaa käyttäjää myös määrittämään sopivan liitin sähkömagneettisen yhteensopivuuden kannalta. Näin voidaan välttää myös kalliit ja aikaa vievät kokeilu- ja virhemenetelmätestit EMC-Laborissa.
Lisäksi on mahdollista alentaa liittimen keskinäisinduktanssi suojaus avulla. Tässä on esimerkki sovelluksesta: HDMI-signaalille määritettiin 4,4 kV:n jännitteellä tapauskohtainen suurin sallittu kytkentäinduktanssi (keskinäisinduktanssi) arvoksi 47 pH. Jos arvo ylittää tämän rajan, signaalia ei voida enää siirtää häiriöttä. Seuraava kuva osoittaa, että kytkentäinduktanssia on onnistuttu alentamaan merkittävästi suojausratkaisun avulla.
Boardlockit sekä ulkoiset koskettimet asetettiin sekä suojaamattomassa että suojatussa mallissa maapotentiaaliin, kun taas signaali syötettiin yhden kosketinparin kautta. Mitatut kytkentäinduktanssiarvot voidaan havainnollistaa sähkö- ja magneettikentän värillisten jakaumien avulla. Simulointi suojaamattomalla liittimellä (liitin) osoitti, että tässä tapauksessa kytkentäinduktanssi (keskinäisinduktanssi) on jopa 196 pH. Määritetyn raja-arvon 47 pH ollessa kyseessä häiriötöntä signaalinsiirtoa ei enää voitaisi taata. Suojatun liittimen (liitin) kytkentäinduktanssiarvot ovat sen sijaan 1–4 pH. Suojaus (suojaus) on siis pystynyt vähentämään niitä noin 50-kertaisesti, mikä takaa häiriöttömän signaalinsiirron. Suuremmilla napalukuilla vähennys on jopa 100–200-kertainen.
Käyttäjälle suojauksella on kaksi positiivista ominaisuutta: Ensinnäkin liitin (liitin) toimii sen ansiosta vähemmän häiriölähteenä, ja toisaalta se muodostaa signaalien kannalta pienemmän häiriön vastaanottimen suojauksen (suojaus) ansiosta. Suojattujen liittimien käytön ansiosta ne voidaan nyt sijoittaa lähemmäksi piirilevyn häiriölähteitä ja häiriön vastaanottimia. Lisäksi se mahdollistaa korkeamman teholuokan sähkölaitteen määrättyissä purske- ja ylijännitetesteissä.
Käyttäjälle suojauksella on kaksi positiivista ominaisuutta: Ensinnäkin liitin (liitin) toimii sen ansiosta vähemmän häiriölähteenä, ja toisaalta se muodostaa signaalien kannalta pienemmän häiriön vastaanottimen suojauksen (suojaus) ansiosta. Suojattujen liittimien käytön ansiosta ne voidaan nyt sijoittaa lähemmäksi piirilevyn häiriölähteitä ja häiriön vastaanottimia. Lisäksi se mahdollistaa korkeamman teholuokan sähkölaitteen määrättyissä purske- ja ylijännitetesteissä.
miniatyrisointi
Toimintojen integroinnin lisääntymisestä huolimatta anturien ja kamerajärjestelmien koko ei saa kasvaa. Teollisessa automaatiossa vaaditaan useimmiten jopa jatkuvaa miniatyrisointia, jotta koneita voidaan rakentaa yhä kompaktimmiksi. Samoin suuntaus kohti anturien tai kameroiden modulaarisia rakenteita edellyttää vastaavasti miniatyrisoitujen liittimien (liitin) käyttöä. Viime vuosikymmeninä liittimien koko onkin pienentynyt murto-osaan alkuperäisestä koostaan, vaikka niiden suorituskyky on pysynyt lähes samana.
Pinta-asennustekniikka (Surface-Mount-Technologie) sopii erityisen ahtaisiin asennustiloihin. Se on erityisen tilaa säästävää, koska se mahdollistaa piirilevyn kaksipuolisen asennuksen sekä pienet jakoväli. Esimerkiksi press-fit-tekniikkaillä tiheää jakoväli, joka on vain 0,5 mm, ei voitaisi toteuttaa puristusprosessin aikana vaikuttavien fysikaalisten voimien vuoksi – eikä myöskään piirilevyn kaksipuolista asennusta (piirilevyn ladonta). Miniatyrisoitujen sovellusten tapauksessa on lisäksi otettava huomioon toinen tärkeä kriteeri oikean liittimen valinnassa: näissä tapauksissa kokoonpanon herkät komponentit sijaitsevat usein hyvin lähellä toisiaan. Tämä lisää komponenttien keskinäisen sähkömagneettisen häirinnän riskiä. Tietojen siirtoa sovelluksessanne ei tietenkään saa missään olosuhteissa häiritä, vääristää tai jopa estää. Tästä syystä sähkömagneettinen suojaus on yhä tärkeämpää. Signaalihäiriöiden välttämiseksi on siksi suositeltavaa valita tässäkin tapauksessa, kuten suurnopeusliitin -liittimissä, suojattu liitin.
Kestävyys
Koneiden läheisyydessä käytettävät anturit ja kamerajärjestelmät ovat erityisen alttiina ankarille ympäristövaikutuksille. Elektroniikan suojaamiseksi näiltä ulkoisilta vaikutuksilta koko kokoonpano voidaan valaa. Tähän tarvitaan kuitenkin yhtä lailla valukompatibelia liitäntäratkaisua. Tavalliset liittimet (liitin) ovat tässä selvästi epäedullisessa asemassa, koska haavoittuva liitäntäalue (liitosalue) on suojattava valumassalta (valumassa). Käytetty jousi-veitsi-kosketintekniikka ei tässä tapauksessa täyttäisi näille materiaaleille vaadittavaa IP-suojausluokkaa (kotelointiluokka).
Oikeaa liitintä (liitin) valittaessa on siksi huolehdittava siitä, että valitaan yksiosainen liitäntäratkaisu, eli liitin, joka ei vaadi perinteistä liitäntäaluetta (liitosalue). Tällöin valumassa (valumassa) mahdollistaa kestävän ja vankan liitäntäratkaisun, mutta se ei kuitenkaan voi tunkeutua kosketusalueelle.
Jos elektronisten komponenttien kestävyyttä halutaan testata, se on mahdollista laboratoriotestien puitteissa. Tällöin standardoidun iskuprofiilin (profile) on vastattava tavoitetilaa (control), eli 50 g:n kiihtyvyyttä 20 prosentin toleranssilla (high abort ja low abort). Standardin DIN EN 60068-2-27 mukaan yhteyden katkeaminen (kosketuskatkos) ≤ 1 µs on sallittua.
Jos elektronisten komponenttien kestävyyttä halutaan testata, se on mahdollista laboratoriotestien puitteissa. Tällöin standardoidun iskuprofiilin (profile) on vastattava tavoitetilaa (control), eli 50 g:n kiihtyvyyttä 20 prosentin toleranssilla (high abort ja low abort). Standardin DIN EN 60068-2-27 mukaan yhteyden katkeaminen (kosketuskatkos) ≤ 1 µs on sallittua.
Jos liitin (liitin) altistuu sovelluksessanne äärimmäisen voimakkaille ulkoisille ympäristövaikutuksille, kuten tärinälle, iskuille, kosteudelle, lialle, äärimmäisille lämpötiloille tai lämpötilanvaihteluille, tarvitaan myös äärimmäistä kestävyyttä. Kokoonpanon valaminen (valukapselointi) voi auttaa tässä, mutta on kuitenkin suositeltavaa, ettei luota pelkästään siihen. Sen sijaan suositellaan yhdistelmää, jossa käytetään sekä valua (valukapselointi) että puristustekniikkaa (press-fit-tekniikka). Jälkimmäinen on jo todistanut toimivuutensa miljardeja kertoja ja sitä pidetään kestävinä ja luotettavimpana liitäntätapana – myös epäsuotuisissa olosuhteissa. Puristustekniikassa liittimen nasta (pin) puristetaan läpivientireiän läpi piirilevyyn, jolloin muodostuu sekä sähköinen että mekaaninen liitos liittimen (liitin) ja piirilevyn välille. Samalla voidaan saavuttaa jopa 50 prosentin kustannussäästöjä, koska työläät juotostyöt ja kalliit kaapeliratkaisut vältetään. Kun haavoittuva liitäntäalue (liitosalue) poistuu, liitin (liitin) yhdistettynä puristustekniikkaan (press-fit-tekniikka) kestää jopa 50–200 g:n iskuja ilman, että yhteys katkeaa (kosketuskatkos).
Kun tarvitaan monitaitoisia työntekijöitä
Teoriassa näitä vaatimuksia – nopea tiedonsiirto, miniatyrisointi ja kestävyys – voidaan tarkastella suhteellisen selkeästi erillisinä. Käyttäjänä huomaatte kuitenkin varmasti, että tarvitsemanne liitin (liitin) täyttää harvoin vain yhden näistä vaatimuksista. Tästä syystä monet liittimet täyttävät useita näistä kriteereistä eri painotuksin. Joissakin tapauksissa kannattaa myös kiinnittää huomiota liitinten ”monitaitureihin”. Jos esimerkiksi käytössä on samanaikaisesti useita liittimiä (liitin), on suositeltavaa valita tuoteperhe, joka tarjoaa hyvän skaalautuvuuden. Näin voidaan välttää aikaa ja kustannuksia vieviä hyväksymiskierroksia ja samalla varmistaa, että kaikki liittimien tuoteperheen (liitinperhe) tuotteet ovat keskenään yhteensopivia – olivatpa ne sitten suojattu, suojaamaton, suorat tai kulmattu.
Onko kysyttävää?
Piirilevyjen valmistuksenliitin ja liitosten asiantuntijoina jaamme mielellämme tietämystämme, esimerkiksi juuri teille räätälöidyissä webinaareissa:
webinar.ept-group.de
Tai ota suoraan yhteyttä meihin kaikissa piirilevyjen valmistukseen ja liitännöihin liittyvissä asioissa liitin!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, SAKSA
Puhelin +49 (0) 8861 2501 0
Faksi +49 (0) 8861 2501 700
www.ept.de
sales@ept.de
webinar.ept-group.de
Tai ota suoraan yhteyttä meihin kaikissa piirilevyjen valmistukseen ja liitännöihin liittyvissä asioissa liitin!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, SAKSA
Puhelin +49 (0) 8861 2501 0
Faksi +49 (0) 8861 2501 700
www.ept.de
sales@ept.de