Endüstriyel sensörler ve kamera sistemleri için Board-to-Board konnektör (kart-kart konektörleri) teknik raporu
Daha hızlı, daha küçük, daha sağlam: Endüstriyel sensörlerde ve kamera sistemlerinde kullanıldığında, konnektörler (konnektör) giderek daha fazla gereksinimi karşılamak zorundadır. Trend, modülerleşmeye doğru ilerlemektedir. Karttan-karta konnektörler sayesinde devre kartları birbirleriyle esnek bir şekilde birleştirilebilir ve böylece sensörün işlevselliği büyük ölçüde belirlenebilir. Endüstri 4.0 çağında, konektörlerin sadece giderek daha küçük ve daha yüksek performanslı olması gerekmez; minyatürleştirme ve yüksek hızın yanı sıra, endüstriyel ortamlarda kullanım genellikle aşırı derecede sağlamlık gerektirir. Bu kılavuz, makine görüşü uygulamanız için doğru konektörü (konnektör) bulmanıza yardımcı olmayı amaçlamaktadır.
Endüstriyel uygulamalar için modern sensörlerin ve kamera sistemlerinin geliştirilmesinde üç gereklilik ön plandadır: Yüksek hızlı veri aktarımı, minyatürleştirme ve dayanıklılık. Bu gereklilikler nadiren birbirinden bağımsız olarak değerlendirilebilir; ancak odak noktasına göre uygulamanız için en uygun konnektör bulunabilir.
Yüksek hızlı veri aktarımı
Büyük Veri, IoT ve IIoT çağında, endüstriyel ortamlardaki akıllı sensörler ve kameralar da güvenli bir yüksek hızlı veri aktarımına ihtiyaç duyar. Yüksek hızlı uygulamalar için konektörler (konnektör), buna uygun yüksek performanslı bir kontak tasarımına sahip olmalıdır. Bir konnektör, geometrisi nedeniyle empedans profili'deki dalgalanmalar açısından belirli bir risk faktörü oluşturduğundan, yüksek hızlı konnektörlerin geliştirilmesinde, impedansı kontrol etmek için kontak tasarımının optimizasyonuna özel önem verilir. Bu bağlamda, konnektör’deki kesit değişikliklerini mümkün olduğunca en aza indirmek önemlidir; zira bu değişiklikler empedans dalgalanmalarına yol açar ve bu dalgalanmalar da sinyal iletiminde kayıplara neden olur.
Minyatürleştirilmiş yapılar söz konusu olduğunda, konektörlerin (konnektör) ayrıca bir EM ekranlama'ına sahip olması gerekir; zira özellikle yüksek frekanslı sinyaller, istenmeyen elektromanyetik etkilere karşı son derece hassastır. Bu durumda, yararlı sinyali bozacak kadar küçük bir darbe bile yeterli olabilir; böylece alıcı, dijital durumları artık kesin olarak yorumlayamaz.
Bir konektör (konnektör), bu süreçte hem parazit alıcısı hem de parazit kaynağı rolünü üstlenebilir; yani bir yandan devre kartındaki diğer bileşenlerin etkisine maruz kalırken, diğer yandan çevredeki bileşenler üzerinde elektromanyetik etki yaratabilir. Pikohenry (pH) cinsinden ölçülen LK bağlantı indüktansı (karşılıklı endüktans) ile konektör, hem kaynak hem de alıcı olarak her iki işlevi açısından tanımlanabilir. Basit bir ölçüm düzeneği, kullanıcıların kendi uygulamaları için hangi konektörün ve hangi pin diziliminin gerekli veya en uygun olduğunu belirlemelerine yardımcı olur. Bunun için, bir patlama üreteci yardımıyla kullanım sinyaline parazit eklenmeli ve izin verilen maksimum karşılıklı endüktans değeri ölçülmelidir. İndüklenen gerilim (Uind), jeneratörün gerilimi (UGen) ve jeneratör sabiti (kGen) biliniyorsa, her uygulama için kendine özgü, izin verilen maksimum karşılıklı endüktans (L) değeri aşağıdaki formül kullanılarak belirlenebilir:
L = Uind / (UGen * kGen)
karşılıklı endüktans, ayrıca kullanıcının elektromanyetik uyumluluk açısından uygun konnektör'i belirlemesine yardımcı olur. Böylelikle, EMC-Labor'da maliyetli ve zaman alıcı deneme-yanılma testlerinden de kaçınılabilir.
Ayrıca, bir ekranlama yardımıyla bir karşılıklı endüktans'in karşılıklı endüktans değerini düşürmek de mümkündür. Buna ilişkin bir uygulama örneği: Bir HDMI sinyali için 4,4 kV gerilimde, duruma özgü maksimum karşılıklı endüktans değeri 47 pH olarak belirlenmiştir. Değer bu seviyenin üzerine çıkarsa, sinyal artık parazitsiz bir şekilde iletilemez. Aşağıdaki şekil, bir ekranlama konseptinin kullanılmasıyla karşılıklı endüktans'nin önemli ölçüde düşürüldüğünü göstermektedir.
Bir konektör (konnektör), bu süreçte hem parazit alıcısı hem de parazit kaynağı rolünü üstlenebilir; yani bir yandan devre kartındaki diğer bileşenlerin etkisine maruz kalırken, diğer yandan çevredeki bileşenler üzerinde elektromanyetik etki yaratabilir. Pikohenry (pH) cinsinden ölçülen LK bağlantı indüktansı (karşılıklı endüktans) ile konektör, hem kaynak hem de alıcı olarak her iki işlevi açısından tanımlanabilir. Basit bir ölçüm düzeneği, kullanıcıların kendi uygulamaları için hangi konektörün ve hangi pin diziliminin gerekli veya en uygun olduğunu belirlemelerine yardımcı olur. Bunun için, bir patlama üreteci yardımıyla kullanım sinyaline parazit eklenmeli ve izin verilen maksimum karşılıklı endüktans değeri ölçülmelidir. İndüklenen gerilim (Uind), jeneratörün gerilimi (UGen) ve jeneratör sabiti (kGen) biliniyorsa, her uygulama için kendine özgü, izin verilen maksimum karşılıklı endüktans (L) değeri aşağıdaki formül kullanılarak belirlenebilir:
L = Uind / (UGen * kGen)
karşılıklı endüktans, ayrıca kullanıcının elektromanyetik uyumluluk açısından uygun konnektör'i belirlemesine yardımcı olur. Böylelikle, EMC-Labor'da maliyetli ve zaman alıcı deneme-yanılma testlerinden de kaçınılabilir.
Ayrıca, bir ekranlama yardımıyla bir karşılıklı endüktans'in karşılıklı endüktans değerini düşürmek de mümkündür. Buna ilişkin bir uygulama örneği: Bir HDMI sinyali için 4,4 kV gerilimde, duruma özgü maksimum karşılıklı endüktans değeri 47 pH olarak belirlenmiştir. Değer bu seviyenin üzerine çıkarsa, sinyal artık parazitsiz bir şekilde iletilemez. Aşağıdaki şekil, bir ekranlama konseptinin kullanılmasıyla karşılıklı endüktans'nin önemli ölçüde düşürüldüğünü göstermektedir.
Bu süreçte, hem ekransız hem de ekranlı versiyonlarda Boardlock’lar ve dış kontaklar toprak potansiyeline bağlanırken, bir kontak çifti aracılığıyla bir sinyal verilmiştir. Ölçülen kuplaj endüktans değerleri, elektrik ve manyetik alanın renkli dağılımları aracılığıyla gösterilebilir. Ekransız bir konnektör ile yapılan simülasyon, bu durumda 196 pH'a kadar bir karşılıklı endüktans'in mevcut olduğunu göstermiştir. Belirlenen 47 pH sınır değeri göz önüne alındığında, bu durumda parazitsiz sinyal iletimi artık garanti edilemez. Buna karşılık, ekranlı konnektör'de kuplaj endüktans değerleri 1 ila 4 pH arasındadır. Dolayısıyla bu değerler, ekranlama sayesinde yaklaşık 50 kat azaltılabilmiş ve böylece parazitsiz iletim de sağlanabilmiştir. Daha yüksek pin sayılarında, 100 ila 200 kat arasında bir azalma bile mümkündür.
Kullanıcı açısından ekranlama'in iki açıdan olumlu özellikleri vardır: Bir yandan, konnektör bu sayede daha az parazit kaynağı olarak işlev görür; diğer yandan ise sinyaller için ekranlama sayesinde daha az parazit yuvası oluşturur. Ekranlı konnektörlerin kullanılmasıyla, bunlar artık devre kartı üzerinde parazit kaynaklarına ve parazit yuvalarına daha yakın konumlandırılabilir. Ayrıca, elektrikli cihazın zorunlu Burst ve Surge testlerinde daha yüksek bir performans sınıfına ulaşılması mümkün hale gelir.
Kullanıcı açısından ekranlama'in iki açıdan olumlu özellikleri vardır: Bir yandan, konnektör bu sayede daha az parazit kaynağı olarak işlev görür; diğer yandan ise sinyaller için ekranlama sayesinde daha az parazit yuvası oluşturur. Ekranlı konnektörlerin kullanılmasıyla, bunlar artık devre kartı üzerinde parazit kaynaklarına ve parazit yuvalarına daha yakın konumlandırılabilir. Ayrıca, elektrikli cihazın zorunlu Burst ve Surge testlerinde daha yüksek bir performans sınıfına ulaşılması mümkün hale gelir.
Minyatürleştirme
Artan işlev entegrasyonuna rağmen, sensörlerin ve kamera sistemlerinin boyutları artmamalıdır. Çoğu durumda, makineleri giderek daha kompakt hale getirebilmek için endüstriyel otomasyonda sürekli bir minyatürleştirme gerekliliği söz konusudur. Aynı şekilde, sensörlerin veya kameraların modüler yapılarına yönelik eğilim de buna uygun şekilde minyatürleştirilmiş konektörlerin (konnektör) kullanılmasını gerektirmektedir. Bu nedenle, geçtiğimiz on yıllarda konektörler, neredeyse aynı performans seviyesini korurken, orijinal boyutlarının sadece bir kısmına indirgenmiştir.
Özellikle dar montaj alanına sahip uygulamalar için Yüzey Montaj Teknolojisi (SMT) idealdir. Bu teknoloji, devre kartının her iki yüzüne de bileşen yerleştirilmesine ve küçük pin aralığı'lara olanak tanıdığı için özellikle yer tasarrufu sağlar. Örneğin press-fit teknolojisi (baskı tekniği) ile, baskı işlemi sırasında etki eden fiziksel kuvvetler nedeniyle sadece 0,5 mm’lik dar bir pin aralığı (ızgara aralığı) gerçekleştirilemez – iki taraflı PCB dizgisi (baskılı devre kartı montajı) da aynı şekilde mümkün değildir. Minyatürleştirilmiş uygulamalarda ise doğru konnektörün seçiminde dikkate alınması gereken bir başka önemli kriter daha vardır: Bu durumlarda, bir montaj grubundaki hassas bileşenler genellikle birbirine çok yakındır. Bu da bileşenler arasında karşılıklı elektromanyetik etkileşim riskini artırır. Elbette, uygulamanızdaki veri aktarımı hiçbir koşulda bozulmamalı, tahrif edilmemeli veya hatta engellenmemelidir. Bu nedenle EM koruması giderek daha fazla önem kazanmaktadır. Sinyal bozulmalarını önlemek için, yüksek hızlı konnektörlerde (yüksek hızlı konnektör) olduğu gibi, burada da ekranlı bir konnektör seçilmesi tavsiye edilir.
Dayanıklılık
Makinelere yakın olarak kullanılan sensörler ve kamera sistemleri, özellikle zorlu çevre koşullarına maruz kalır. Elektroniği bu dış etkenlerden korumak için tüm montaj grubu kalıplanabilir. Ancak bunun için kalıplama ile uyumlu bir bağlantı çözümü gereklidir. Geleneksel konnektör bu durumda açıkça dezavantajlıdır, çünkü hassas geçme bölgesi'in dolgu reçinesi'den korunması gerekir. Kullanılan yaylı bıçaklı kontak teknolojisi, bu malzemeler için gerekli IP koruma sınıfı'a sahip olmazdı.
Bu nedenle doğru konektör (konnektör) seçimi söz konusu olduğunda, tek parçalı bir bağlantı çözümünün, yani geleneksel geçme bölgesi'den yoksun bir konektörün tercih edilmesine dikkat edilmelidir. Böylelikle dolgu maddesi (dolgu reçinesi), kalıcı ve sağlam bir bağlantı çözümü sağlar; ancak temas alanına giremez.
Elektronik bileşenlerin sağlamlığı açısından test edilmesi gerekiyorsa, bu laboratuvar testleri kapsamında mümkündür. Bu testlerde, standartlaştırılmış şok profili (profile), hedef duruma (control) uygun olmalıdır; yani %20 toleransla (high abort ve low abort) 50 g'lik bir ivme değerine karşılık gelmelidir. DIN EN 60068-2-27 standardına göre, bu durumda 1 µs'den az bir kontak kesintisi izin verilir.
Elektronik bileşenlerin sağlamlığı açısından test edilmesi gerekiyorsa, bu laboratuvar testleri kapsamında mümkündür. Bu testlerde, standartlaştırılmış şok profili (profile), hedef duruma (control) uygun olmalıdır; yani %20 toleransla (high abort ve low abort) 50 g'lik bir ivme değerine karşılık gelmelidir. DIN EN 60068-2-27 standardına göre, bu durumda 1 µs'den az bir kontak kesintisi izin verilir.
Uygulamanızda konektör (konnektör), titreşim, darbe, nem, kir, aşırı sıcaklıklar veya sıcaklık dalgalanmaları gibi aşırı derecede dış çevresel etkenlere maruz kalıyorsa, aşırı derecede sağlamlık da gereklidir. Modülünüzün kaplanması (reçine dolgu) bu konuda yardımcı olabilir, ancak yalnızca buna güvenmemeniz tavsiye edilir. Bunun yerine, “reçine dolgu” ile “press-fit teknolojisi” (basma tekniği) yöntemlerinin bir kombinasyonu önerilir. Basma tekniği, milyarlarca kez kendini kanıtlamıştır ve zorlu koşullar altında bile en sağlam ve en güvenilir bağlantı yöntemi olarak kabul edilir. Basma tekniğinde, konektör pimi (pin) delik içinden geçen iletken bir devre kartı deliğine bastırılarak, konnektör ile devre kartı arasında hem elektriksel hem de mekanik bir bağlantı oluşturulur. Aynı zamanda, zahmetli lehimleme işleri ve pahalı kablo çözümlerinden kaçınıldığı için yüzde 50’ye varan maliyet tasarrufu sağlanabilir. Hassas bağlantı bölgesi (geçme bölgesi) ortadan kalktığında, konnektör, press-fit teknolojisi ile birlikte kullanıldığında 50 ila 200 g’lik darbe yüklerine bile kontak kesintisi kesintisi olmadan dayanabilir.
Çok yönlü çalışanlara ihtiyaç duyulduğunda
Teorik olarak bu gereksinimler – yüksek hızlı veri aktarımı, minyatürleştirme ve sağlamlık – birbirinden nispeten net bir şekilde ayrılabilir. Ancak bir kullanıcı olarak, ihtiyaç duyduğunuz konektörün (konnektör) nadiren sadece bu gereksinimlerden birine uyması gerektiğini fark edeceksiniz. Bu nedenle birçok konektör, bu kriterlerin birçoğunu farklı ağırlıklarla karşılar. Bazı durumlarda, konnektörler arasında “çok yönlü” olanlara da göz atmak faydalı olabilir. Örneğin, aynı anda birden fazla konektör (konnektör) kullanılması durumunda, yüksek ölçeklenebilirliğe sahip bir ürün ailesine başvurmanız tavsiye edilir. Böylelikle, zaman ve maliyet açısından yoğun onay süreçleri önlenebilir ve aynı zamanda, ister ekranlı ister ekransız, ister düz ister açılı olsun, bir konektör ailesindeki (konnektör ailesi) tüm ürünlerin birbiriyle uyumlu olması garanti altına alınabilir.
Sorusu olan var mı?
Devre kartıkonnektör ve konektörleme konusunda uzmanlar olarak, bilgimizi memnuniyetle paylaşıyoruz; örneğin, size özel olarak hazırlanmış web seminerlerinde:
webinar.ept-group.de
Ya da baskılı devre kartı konnektör ile ilgili tüm sorularınız için doğrudan bizimle iletişime geçin!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, ALMANYA
Telefon +49 (0) 8861 2501 0
Faks +49 (0) 8861 2501 700
www.ept.de
sales@ept.de
webinar.ept-group.de
Ya da baskılı devre kartı konnektör ile ilgili tüm sorularınız için doğrudan bizimle iletişime geçin!
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, ALMANYA
Telefon +49 (0) 8861 2501 0
Faks +49 (0) 8861 2501 700
www.ept.de
sales@ept.de