Teabeleht: plaadist-plaadile ühendused tööstuslikele anduritele ja kaamerasüsteemidele
Kiirem, väiksem, vastupidavam: tööstuslikes andurites ja kaamerasüsteemides kasutamisel peavad pistikühendused vastama üha enamale nõudmistele. Suundumus on modulaarseks muutumise poole. Plaadi-plaadi pistikühenduste abil saab trükkplaate omavahel paindlikult kombineerida ja seeläbi oluliselt mõjutada anduri funktsionaalsust. Tööstus 4.0 ajastul peavad pistikud olema mitte ainult üha väiksemad ja võimsamad – lisaks miniatuurseks muutumisele ja kiirusele nõuab kasutamine tööstuslikus keskkonnas sageli äärmist vastupidavust. Käesolev juhend aitab leida õige pistikühenduse teie masinavisi rakendusele.
Tänapäevaste andurite ja kaamerasüsteemide arendamisel tööstuslikuks kasutuseks on esikohal kolm nõuet: kiire andmeedastus, miniatuurseks muutmine ja vastupidavus. Neid nõudeid on harva võimalik üksteisest eraldi vaadelda – kuid sõltuvalt prioriteetidest on võimalik leida teie rakendusele optimaalne pistikühendus.
Kiire andmeedastus
Suurandmete, IoT ja IIoT ajastul vajavad tööstuskeskkonnas kasutatavad intelligentsed andurid ja kaamerad ka turvalist kiiret andmeedastust. Kiirühenduste jaoks mõeldud pistikühendustel peaks olema vastavalt kõrge jõudlusega kontaktide disain. Kuna pistikühendus kujutab oma geomeetria tõttu teatud riskifaktorit impedantsi kõikumiste jaoks, tuleb kiirühenduste arendamisel pöörata erilist tähelepanu kontaktide disaini optimeerimisele impedantsi juhtimiseks. Siinkohal on oluline vähendada pistikühenduse ristlõike muutusi võimalikult miinimumini, kuna need põhjustavad impedantsi kõikumisi, mis omakorda viivad signaaliülekande kadudeni.
Miniatuurseid konstruktsioone kasutades peaksid pistikühendused olema varustatud ka elektromagnetilise varjestusega, kuna eelkõige kõrgsagedussignaalid on eriti tundlikud soovimatute elektromagnetiliste mõjude suhtes. Siin võib juba väike impulss olla piisav, et moonutada kasulikku signaali, nii et vastuvõtja ei suuda digitaalseid seisundeid enam üheselt tõlgendada.
Pistikühendus võib siin täita nii häireneelu kui ka häireallika rolli, st ühelt poolt olla mõjutatud mooduli teiste komponentide poolt ja teiselt poolt ise elektromagnetiliselt mõjutada ümbritsevaid komponente. Sidestusinduktiivsuse LK abil, mida mõõdetakse pikohenrydes (pH), saab pistikut kirjeldada mõlemas funktsioonis – nii allika kui ka neeluna. Lihtne mõõteseade aitab kasutajatel välja selgitada, milline pistik ja milline pinout on nende konkreetseks rakenduseks vajalik või optimaalne. Selleks tuleb kasutus signaali häirida burst-generaatori abil ja mõõta maksimaalselt lubatud sidestusinduktiivsust. Kui indutseeritud pinge (Uind), generaatori pinge (UGen) ja generaatori konstant (kGen) on teada, saab iga rakenduse jaoks vastava maksimaalse lubatud sidestusinduktiivsuse (L) määrata järgmise valemi abil:
L = Uind / (UGen * kGen)
Kopplinduktants aitab kasutajal määratleda ka sobiva pistikühenduse elektromagnetilise ühilduvuse seisukohast. Nii on võimalik vältida kulukaid ja aeganõudvaid katse-eksituse teste EMC-laboris. Lisaks
on võimalik vähendada pistikühenduse kopplinduktantsi varjestuse abil. Siin on üks rakendusnäide: HDMI-signaali puhul määrati pingel 4,4 kV kindla juhtumi maksimaalseks sidestusinduktiivsuseks 47 pH. Kui väärtus on sellest suurem, ei saa signaali enam häireteta edastada. Järgnev joonis näitab, et sidestusinduktiivsust on varjestuse kasutamisega oluliselt vähendatud.
Pistikühendus võib siin täita nii häireneelu kui ka häireallika rolli, st ühelt poolt olla mõjutatud mooduli teiste komponentide poolt ja teiselt poolt ise elektromagnetiliselt mõjutada ümbritsevaid komponente. Sidestusinduktiivsuse LK abil, mida mõõdetakse pikohenrydes (pH), saab pistikut kirjeldada mõlemas funktsioonis – nii allika kui ka neeluna. Lihtne mõõteseade aitab kasutajatel välja selgitada, milline pistik ja milline pinout on nende konkreetseks rakenduseks vajalik või optimaalne. Selleks tuleb kasutus signaali häirida burst-generaatori abil ja mõõta maksimaalselt lubatud sidestusinduktiivsust. Kui indutseeritud pinge (Uind), generaatori pinge (UGen) ja generaatori konstant (kGen) on teada, saab iga rakenduse jaoks vastava maksimaalse lubatud sidestusinduktiivsuse (L) määrata järgmise valemi abil:
L = Uind / (UGen * kGen)
Kopplinduktants aitab kasutajal määratleda ka sobiva pistikühenduse elektromagnetilise ühilduvuse seisukohast. Nii on võimalik vältida kulukaid ja aeganõudvaid katse-eksituse teste EMC-laboris. Lisaks
on võimalik vähendada pistikühenduse kopplinduktantsi varjestuse abil. Siin on üks rakendusnäide: HDMI-signaali puhul määrati pingel 4,4 kV kindla juhtumi maksimaalseks sidestusinduktiivsuseks 47 pH. Kui väärtus on sellest suurem, ei saa signaali enam häireteta edastada. Järgnev joonis näitab, et sidestusinduktiivsust on varjestuse kasutamisega oluliselt vähendatud.
Nii varjestamata kui ka varjestatud versiooni puhul ühendati Boardlockid ja väliskontaktid maanduspotentsiaaliga, samal ajal kui ühe kontaktipaari kaudu sisestati signaal. Mõõdetud sidestusinduktiivsuse väärtusi saab demonstreerida elektrivälja ja magnetvälja värviliste kontuuride abil. Simulatsioon varjestamata pistikühendusega näitas, et siin esineb sidestusinduktiivsus kuni 196 pH. Määratud piirväärtuse 47 pH juures ei oleks seega häirimatu signaaliülekande tagamine enam võimalik. Varjestatud pistikühenduse puhul on sidestusinduktiivsuse väärtused aga 1 kuni 4 pH. Neid oli seega võimalik varjestuse abil vähendada umbes 50 korda ja tagada seeläbi häirevaba edastus. Suurema pooluste arvu korral on võimalik isegi vähendamine 100 kuni 200 korda.
Kasutaja jaoks on varjestusel kaks positiivset omadust: ühelt poolt mõjub pistikühendus selle tõttu vähem häireallikana, teiselt poolt kujutab see varjestuse tõttu signaalide jaoks väiksemat häireallikat. Varjestatud pistikühenduste kasutamise tõttu on neid nüüd võimalik paigutada trükkplaadil lähemale häireallikatele ja häireallikatele. Lisaks võimaldab see elektriseadme ettenähtud purske- ja pingetõusu katsetel saavutada kõrgemat võimsusklassi.
Kasutaja jaoks on varjestusel kaks positiivset omadust: ühelt poolt mõjub pistikühendus selle tõttu vähem häireallikana, teiselt poolt kujutab see varjestuse tõttu signaalide jaoks väiksemat häireallikat. Varjestatud pistikühenduste kasutamise tõttu on neid nüüd võimalik paigutada trükkplaadil lähemale häireallikatele ja häireallikatele. Lisaks võimaldab see elektriseadme ettenähtud purske- ja pingetõusu katsetel saavutada kõrgemat võimsusklassi.
miniaturiseerimine
Hoolimata funktsioonide üha suuremast integreerimisest ei tohi andurite ja kaamerasüsteemide mõõtmed suureneda. Tööstuslikus automatiseerimises nõutakse enamasti isegi pidevat miniaturiseerimist, et masinaid saaks ehitada üha kompaktsemaks. Samamoodi nõuab ka andurite ja kaamerate modulaarse ehituse trend vastavalt miniaturiseeritud pistikühenduste kasutamist. Seetõttu on pistikühendused viimastel aastakümnetel peaaegu sama jõudluse juures kahanenud murdosani oma algsest suurusest.
Eriti piiratud ruumiga rakenduste jaoks sobib hästi pinnapaigaldustehnoloogia. See on eriti ruumisäästlik, kuna võimaldab trükkplaadi kahepoolset komplekteerimist ning väikseid vahekaugusi. Survepaigaldustehnika puhul ei oleks näiteks võimalik saavutada vaid 0,5 mm suurust tihedat rasterit, kuna survepaigaldamisel mõjuvad füüsilised jõud – samuti ei oleks võimalik trükkplaadi mõlemapoolne paigaldamine. Miniatuurseadmete puhul tuleb õige pistikühenduse valimisel arvestada veel ühe olulise kriteeriumiga: sellistel juhtudel asuvad komponentide tundlikud osad sageli üksteisele väga lähedal. Seetõttu suureneb komponentide vastastikuse elektromagnetilise mõjutamise oht. Loomulikult ei tohi andmeedastus teie rakenduses mingil juhul häiruda, moonutuda ega isegi takistuda. Seetõttu muutub elektromagnetiline kaitse üha olulisemaks. Signaalihäirete vältimiseks on soovitatav valida ka siin, nagu kiirühenduse puhul, varjestatud pistikühendus.
Vastupidavus
Masinate läheduses kasutatavad andurid ja kaamerasüsteemid on eriti suurel määral avatud karmi keskkonna mõjudele. Elektroonika kaitsmiseks nende väliste mõjude eest on võimalik kogu moodul valada. Selleks on aga vaja ühenduslahendust, mis sobiks valamisega. Tavalised pistikühendused on siin selgelt ebasoodsas olukorras, kuna haavatavat pistikupesa tuleb valamismassi eest kaitsta. Kasutatav vedru-nuga-kontakttehnoloogia ei tagaks siin nende materjalide jaoks vajalikku IP-kaitseklassi.
Õige pistikühenduse valimisel tuleb seetõttu eelistada üheosalist ühenduslahendust, st pistikühendust, mis ei vaja tavapärast pistikupesa. Sel viisil tagab valumass püsiva ja vastupidava ühenduse, kuid ei pääse kontaktide piirkonda.
Kui elektrooniliste komponentide vastupidavust on vaja kontrollida, on see võimalik laborikatsete raames. Selle käigus peab standarditud löögiprofiil (profile) vastama ettenähtud seisundile (control), st kiirendusele 50 g tolerantsiga 20 protsenti (high abort ja low abort). Vastavalt standardile DIN EN 60068-2-27 on lubatud kontakti katkemine ≤ 1 µs.
Kui elektrooniliste komponentide vastupidavust on vaja kontrollida, on see võimalik laborikatsete raames. Selle käigus peab standarditud löögiprofiil (profile) vastama ettenähtud seisundile (control), st kiirendusele 50 g tolerantsiga 20 protsenti (high abort ja low abort). Vastavalt standardile DIN EN 60068-2-27 on lubatud kontakti katkemine ≤ 1 µs.
Kui teie rakenduses on pistikühendus äärmiselt tugevate väliste keskkonnamõjude, nagu vibratsioon, löögid, niiskus, mustus, äärmuslikud temperatuurid või temperatuurikõikumised, mõjule avatud, on vaja ka äärmist vastupidavust. Komplekti valamine võib selles osas aidata, kuid siiski on soovitatav mitte loota ainult sellele. Selle asemel on soovitatav kasutada valamise ja sissepressimise kombinatsiooni. Viimane on end juba miljardite kordade jooksul tõestanud ja seda peetakse kõige vastupidavamaks ja usaldusväärsemaks ühendusvõimaluseks – isegi ebasoodsates tingimustes. Survetehnika puhul surutakse pistikupesa kontakt (pin) läbivajutatud trükkplaadi avasse, luues seeläbi nii elektrilise kui ka mehaanilise ühenduse pistikupesa ja trükkplaadi vahel. Samal ajal on võimalik saavutada kuni 50-protsendilist kulude kokkuhoidu, kuna välditakse töömahukaid jootmistöid ja kalleid kaablilahendusi. Kui puudub haavatav pistikupesa, võib pistikühendus koos surumistehnikaga taluda isegi 50–200 g suuruseid löökkoormusi ilma kontakti katkemiseta.
Kui on vaja mitmekülgseid töötajaid
Teoreetiliselt võib neid nõudeid – kiire andmeedastus, miniatuurse ehitus ja vastupidavus – vaadelda üksteisest suhteliselt eraldiseisvana. Kasutajana märkate aga kindlasti, et teile vajalik pistikühendus peab harva vastama vaid ühele neist nõuetest. Seetõttu vastavad paljud pistikühendused mitmele neist kriteeriumidest erineva tähtsusega. Mõnel juhul tasub ka heita pilk pistikühenduste „universaalidele“. Kui näiteks kasutatakse mitut pistikühendust korraga, on soovitatav kasutada tooteperekonda, millel on suur skaleeritavus. Nii saab vältida aega ja raha nõudvaid heakskiitmistsükleid ning samal ajal tagada, et kõik pistikühenduste perekonna tooted on omavahel ühilduvad – olenemata sellest, kas need on varjestatud, varjestamata, sirged või nurgaga.
Kas on küsimusi?
Trükkplaatide pistikühenduste ja kontaktide valdkonna ekspertidena jagame oma teadmisi hea meelega, näiteks just teile kohandatud veebiseminaride kaudu:
www.webinar.ept-group.de
Või võtke meiega otse ühendust kõigi pistikühendustega seotud küsimustega!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, SAKSAMAA
Telefon +49 (0) 88 61 2501-0
Faks +49 (0) 88 61 2501-700
www.ept.de sales@ept.de
www.webinar.ept-group.de
Või võtke meiega otse ühendust kõigi pistikühendustega seotud küsimustega!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, SAKSAMAA
Telefon +49 (0) 88 61 2501-0
Faks +49 (0) 88 61 2501-700
www.ept.de sales@ept.de