Risksiz yüksek hız
Büyük Veri ve benzeri teknolojiler, giderek daha yüksek veri aktarım hızları gerektiriyor. Aynı zamanda elektronik bileşenlerin sadece daha hızlı ve akıllı olmakla kalmayıp, aynı zamanda giderek daha küçük hale gelmesi de gerekiyor. Bu durum, veri aktarımında özel riskler doğuruyor ve dolayısıyla bağlantı teknolojisi için yeni zorluklar ortaya çıkarıyor. Sinyal bozulmalarını önlemek için konnektör'ınızda nelere dikkat etmelisiniz?

Endüstriyel Nesnelerin İnterneti, Endüstri 4.0, Akıllı Şebeke ve Akıllı Ev gibi tüm sektörlerdeki ilerleyen dijitalleşme, sensörden buluta kadar yüksek hızlı veri aktarımını gerektirir. Ancak bu durum sadece sensörler için değil, endüstriyel kontrol sistemleri ve kamera sistemleri, veri iletişimi ve sunucu uygulamaları için de geçerlidir: Sinyallerin 20 Gbit/s ve üzeri hızlarda güvenilir bir şekilde aktarılması gerekir. Yüksek hıza ek olarak, IIoT, Büyük Veri ve benzeri teknolojiler bir başka trendi de beraberinde getiriyor: Buna göre elektronik bileşenler sadece giderek daha hızlı ve akıllı olmakla kalmayıp, aynı zamanda giderek daha küçük hale gelmelidir. Bu ilerleyen minyatürleşme, geliştiricilerin Avrupa Direktifi’nin zorunlu EMC testlerini geçmesini zorlaştırmaktadır. Çünkü bir modüldeki elektronik bileşenler hem parazit alıcısı hem de parazit kaynağı olarak işlev görebilir ve hassas bileşenlerin birbirine yakın yerleştirilmesi, karşılıklı etkileşim riskini artırır.
araç elektrik sistemi Tanımı: Merkezi Olmayan, Etki Alanları ve Bölgeler Mimaris

Otomotiv sektöründeki klasik merkezi olmayan mimari, her bir elektronik kontrol ünitesine (elektronik kontrol ünitesi) tanımlanmış bir işlevin atandığı, 100 adede kadar elektronik kontrol ünitesinden oluşur: Motor kontrolü, hava yastığı, ABS / ESP, koltuk ayarı, iklimlendirme, … Her elektronik kontrol ünitesi bağımsız çalışır ve ağ geçitleri (Gateways) aracılığıyla diğer elektronik kontrol üniteleriyle iletişim kurar.
Geçtiğimiz on yıllar boyunca merkezi olmayan mimari tarihsel bir büyüme sürecinden geçti; her yeni işlev, bir başka “elektronik kontrol ünitesi” ile desteklendi. Ancak günümüzde bu mimari sınırlarına ulaşmış durumda: Artan işlevler, araç içindeki kurulum ve kablolama maliyetlerini önemli ölçüde artırmaktadır.
Etki alanı mimarisinde ise elektronik kontrol üniteleri farklı işlev alanları altında birleştirilir. Her bir alan, aracın belirli bir bölümünden sorumludur; örneğin tahrik, bilgi-eğlence veya güvenlik. Bir alanın üst düzey kontrolü, bağımsız bir Yüksek Performanslı Bilgisayar (HPC) tarafından yürütülür. Bu bilgisayar, kendi alanı içindeki elektronik kontrol ünitelerini koordine eder. Güvenlik işlev alanı için bu, örneğin sürücü destek sistemleri, ABS/ESP ve direksiyon sistemleri için elektronik kontrol üniteleri olabilir.
Merkezi olmayan mimariye kıyasla, monte edilen elektronik kontrol ünitelerinin sayısının daha az olması nedeniyle kablolama ve kurulum maliyetleri azalır. Böylece alan mimarisi, merkezi olmayan mimariye kıyasla maliyet ve ağırlığın azaltılmasına da etkili bir şekilde katkıda bulunabilir. Ayrıca, ek işlevler daha sonra az bir çabayla entegre edilebilir.
Bölge mimarisinde (bölgesel mimari), yapılandırma alanlara göre değil, yerel bölgelere göre yapılır. Örneğin, bir otomobilde bir bölge içinde birden fazla işlev bir araya getirilir. Buna göre, tahrik ve bilgi-eğlence gibi işlevler de bir bölge kontrol cihazında (bölge kontrol ünitesi) birleştirilip işlenebilir. Çeşitli bölge kontrol cihazlarının üst düzey kontrolü ise merkezi bir HPC tarafından gerçekleştirilir. Avantajı açıktır: Elektronik kontrol ünitelerinin ve kablolamanın yüzde 50’ye varan oranda azaltılması.
Geçtiğimiz on yıllar boyunca merkezi olmayan mimari tarihsel bir büyüme sürecinden geçti; her yeni işlev, bir başka “elektronik kontrol ünitesi” ile desteklendi. Ancak günümüzde bu mimari sınırlarına ulaşmış durumda: Artan işlevler, araç içindeki kurulum ve kablolama maliyetlerini önemli ölçüde artırmaktadır.
Etki alanı mimarisinde ise elektronik kontrol üniteleri farklı işlev alanları altında birleştirilir. Her bir alan, aracın belirli bir bölümünden sorumludur; örneğin tahrik, bilgi-eğlence veya güvenlik. Bir alanın üst düzey kontrolü, bağımsız bir Yüksek Performanslı Bilgisayar (HPC) tarafından yürütülür. Bu bilgisayar, kendi alanı içindeki elektronik kontrol ünitelerini koordine eder. Güvenlik işlev alanı için bu, örneğin sürücü destek sistemleri, ABS/ESP ve direksiyon sistemleri için elektronik kontrol üniteleri olabilir.
Merkezi olmayan mimariye kıyasla, monte edilen elektronik kontrol ünitelerinin sayısının daha az olması nedeniyle kablolama ve kurulum maliyetleri azalır. Böylece alan mimarisi, merkezi olmayan mimariye kıyasla maliyet ve ağırlığın azaltılmasına da etkili bir şekilde katkıda bulunabilir. Ayrıca, ek işlevler daha sonra az bir çabayla entegre edilebilir.
Bölge mimarisinde (bölgesel mimari), yapılandırma alanlara göre değil, yerel bölgelere göre yapılır. Örneğin, bir otomobilde bir bölge içinde birden fazla işlev bir araya getirilir. Buna göre, tahrik ve bilgi-eğlence gibi işlevler de bir bölge kontrol cihazında (bölge kontrol ünitesi) birleştirilip işlenebilir. Çeşitli bölge kontrol cihazlarının üst düzey kontrolü ise merkezi bir HPC tarafından gerçekleştirilir. Avantajı açıktır: Elektronik kontrol ünitelerinin ve kablolamanın yüzde 50’ye varan oranda azaltılması.
HPC ve konektörlerine (konnektör) yönelik gereksinimler

Bundan kaynaklanan HPC'ye yönelik gereksinimler oldukça büyüktür: Özellikle bilgi-eğlence alanında görüntüleme verilerinin işlenmesi veya otonom sürüş için kamera sistemleri, kısa gecikme sürelerinde güvenli ve yüksek hızlı veri aktarımını gerektirir. Aynı zamanda, sinyal aktarımında hiçbir koşulda kesinti yaşanmamalıdır – güvenilirliği her zaman garanti altına alınmalıdır.
Yüksek performans, hızlı ve özellikle de güvenilir veri aktarımı – bazen elverişsiz çevre koşulları altında bile – dolayısıyla, araçta kullanılan konnektör'lere yönelik gereksinimlerdir.
Bir sinyalin “okunabilirliği”, sözde göz diyagramı yardımıyla gösterilebilir. Bu diyagram, iletilen bir sinyalin alıcıda dijital durumlardan 1 veya 0’a kesin olarak atanıp atanamayacağını belirtir.
Bunun için bir sinyal, tanımlanmış bir iletim yolundan geçer ve bu sırada bir osiloskop tarafından kaydedilir, üst üste bindirilir ve görüntülenir. Böylelikle tüm olası sinyal eğrileri “üst üste” gösterilebilir. Teoride, mantıksal durumların geçişleri sonsuz derecede diktir ve sinyal çizgileri tam olarak üst üste gelir. Dış parazit faktörleri ve sinyal çiftlerinin içsel bozulmaları nedeniyle sinyalin tırmanışı düzleşir ve genlik seviyesi değişir. Böylece, adını aldığı “göz” şekli ortaya çıkar.
Yüksek performans, hızlı ve özellikle de güvenilir veri aktarımı – bazen elverişsiz çevre koşulları altında bile – dolayısıyla, araçta kullanılan konnektör'lere yönelik gereksinimlerdir.
Bir sinyalin “okunabilirliği”, sözde göz diyagramı yardımıyla gösterilebilir. Bu diyagram, iletilen bir sinyalin alıcıda dijital durumlardan 1 veya 0’a kesin olarak atanıp atanamayacağını belirtir.
Bunun için bir sinyal, tanımlanmış bir iletim yolundan geçer ve bu sırada bir osiloskop tarafından kaydedilir, üst üste bindirilir ve görüntülenir. Böylelikle tüm olası sinyal eğrileri “üst üste” gösterilebilir. Teoride, mantıksal durumların geçişleri sonsuz derecede diktir ve sinyal çizgileri tam olarak üst üste gelir. Dış parazit faktörleri ve sinyal çiftlerinin içsel bozulmaları nedeniyle sinyalin tırmanışı düzleşir ve genlik seviyesi değişir. Böylece, adını aldığı “göz” şekli ortaya çıkar.

Diyagramın ortasında, “Eye Mask” olarak adlandırılan bölüm görülebilir. Bu alanda sinyalin kesin bir şekilde eşleştirilmesi mümkün değildir.
Her iki göz diyagramı da, 16+ Gbit/s ve 10 Gbit/s versiyonlarındaki Colibri-konnektör'leri örnek alarak kablo uzunluğu ve empedansın etkilerini göstermektedir. Bu örnek, kontak tasarımının geliştirilmesi sayesinde sinyal bütünlüğü'sinde nasıl belirgin bir artış sağlandığını göstermektedir (bkz. Şekil XX). Daha kısa kablo uzunluğu ve 100 Ω empedans sayesinde, Colibri’nin 16+ Gbit/s varyantındaki göz şekli, 10 Gbit/s’lik önceki Colibri varyantına kıyasla daha net bir şekilde oluşmaktadır – sinyal çiftleri kesin olarak yorumlanabilmektedir.
Her iki göz diyagramı da, 16+ Gbit/s ve 10 Gbit/s versiyonlarındaki Colibri-konnektör'leri örnek alarak kablo uzunluğu ve empedansın etkilerini göstermektedir. Bu örnek, kontak tasarımının geliştirilmesi sayesinde sinyal bütünlüğü'sinde nasıl belirgin bir artış sağlandığını göstermektedir (bkz. Şekil XX). Daha kısa kablo uzunluğu ve 100 Ω empedans sayesinde, Colibri’nin 16+ Gbit/s varyantındaki göz şekli, 10 Gbit/s’lik önceki Colibri varyantına kıyasla daha net bir şekilde oluşmaktadır – sinyal çiftleri kesin olarak yorumlanabilmektedir.

Yüksek hızlı sinyaller elektromanyetik etkilere karşı özellikle hassas olduğundan, özel bir sinyal korumasına ihtiyaç duyarlar. Bir konektör (konnektör), bu durumda hem parazit kaynağı hem de parazit yutağı olarak işlev görebilir. Bu nedenle, hassas sinyalleri dış etkenlerden korumak için ekran levhası (ekranlama plakası) kullanılarak sinyal koruması sağlanması tavsiye edilir.
Şekil 4’ten, küçük bir elektriksel darbenin bile yararlı sinyali bozabileceği anlaşılmaktadır. Alıcı, 0,5 kV’luk kısa bir patlama darbesi sonrasında bile HDMI sinyalinin dijital durumlarını artık net bir şekilde yorumlayamazken, ekranlı konnektörün sinyal iletimi 4,4 kV’da bile istikrarlı bir şekilde devam eder.
Şekil 4’ten, küçük bir elektriksel darbenin bile yararlı sinyali bozabileceği anlaşılmaktadır. Alıcı, 0,5 kV’luk kısa bir patlama darbesi sonrasında bile HDMI sinyalinin dijital durumlarını artık net bir şekilde yorumlayamazken, ekranlı konnektörün sinyal iletimi 4,4 kV’da bile istikrarlı bir şekilde devam eder.

EMVsi (LK) EMC (EMC) parametresi olarak kullanıldığında, konektör hem kaynak hem de yük olarak her iki işlevdeki elektriksel koşullar göz önünde bulundurularak tanımlanabilir. Bunun için Henry birimi kullanılır. Bu, hem bağışıklık (parazit direnci) hem de elektromanyetik yayınım (parazit yayılımı) için geçerlidir. İndüklenen gerilim (Uind), jeneratör gerilimi (UGen) ve jeneratör sabiti (kGen) biliniyorsa, bir uygulama için ilgili spesifik maksimum izin verilen karşılıklı endüktans (L) aşağıdaki formül kullanılarak belirlenebilir:
LK = Uind / (UGen * kGen)
karşılıklı endüktans ayrıca, kullanıcının elektromanyetik uyumluluk açısından uygun konektörü (konnektör) belirlemesine yardımcı olur ve EMC-Labor’da maliyetli ve zaman alıcı deneme-yanılma testlerinden kaçınmasını sağlar. Buna ilişkin bir örnek: Bir HDMI sinyali için 4,4 kV gerilimde, duruma özgü maksimum karşılıklı endüktans 47 pikohenri (pH) olarak belirlenmiştir. Değer bu seviyenin üzerindeyse, sinyal artık parazitsiz bir şekilde iletilemez.
LK = Uind / (UGen * kGen)
karşılıklı endüktans ayrıca, kullanıcının elektromanyetik uyumluluk açısından uygun konektörü (konnektör) belirlemesine yardımcı olur ve EMC-Labor’da maliyetli ve zaman alıcı deneme-yanılma testlerinden kaçınmasını sağlar. Buna ilişkin bir örnek: Bir HDMI sinyali için 4,4 kV gerilimde, duruma özgü maksimum karşılıklı endüktans 47 pikohenri (pH) olarak belirlenmiştir. Değer bu seviyenin üzerindeyse, sinyal artık parazitsiz bir şekilde iletilemez.
Ancak yüksek hızlı sinyallerin iletimini tehlikeye atan sadece elektromanyetik etkiler değildir. Özellikle otomotiv uygulamalarında konektörler (konnektör), titreşim ve darbe gibi aşırı çevre koşullarına tekrar tekrar maruz kalır. Sinyal iletiminin zorlu ortamlarda bile kesintisiz bir şekilde gerçekleşmesi için konektörün özellikle sağlam olması gerekir. Bu konuda öncelikle kontak tasarımı, kontak sistemi ve bağlantı tekniği (bağlantı teknolojisi) belirleyici bir rol oynar.
Etkileyen faktör: Kontak sistemi

Klasik iki parçalı konektörler (konnektör), bir bıçak (Messer) ve bir yay (dişi kontak) kontaklarına sahiptir. Ancak şiddetli darbe etkisi durumunda bıçak sırası (erkek konnektör), yay sırasından (dişi konnektör) ayrılabilir. Böyle bir temas kesintisinin (kontak kesintisi) yaşanmaması için, çift taraflı bir yay sırası kullanılarak yedeklilik ve dolayısıyla temas güvenliği sağlanabilir; çünkü ikinci yay sayesinde sinyal iletimi her zaman en az bir temas noktası üzerinden garanti altına alınır (Şekil 5).

Burada hermafrodit kontak sistemi bulunan konektörler (konnektör) daha da sağlamdır. Buradaki özellik, fiş çiftlerinin (Plug ve Socket) kontak geometrilerinin aynı olmasıdır. Dolayısıyla her ikisi de hem bir yay hem de bir bıçağa sahiptir. Böylece her bir pin iki yay ile temas eder; fiş ve soket birbirine geçme şeklinde birleşir ve birbirinden ayrılmaz. Çift taraflı bir yaylı konektör (dişi konnektör), mekanik yük altında her zaman en az bir temas noktasını garanti ederken, cinsiyet ayrımı gözetmeyen temas sistemlerindeki iç içe geçmiş geometriler, sinyal aktarımının her zaman iki temas noktası üzerinden gerçekleşmesini sağlar. Bu yüksek yedeklilik, böylece maksimum temas güvenilirliğini mümkün kılar (Şekil 5).

Devre kartı ile konnektör arasında dayanıklı bir bağlantı sağlamak için bağlantı teknolojisi olarak Yüzey Monte Teknolojisi (SMT) önerilir. Bu işlemde, lehim pastası (lehim pastası) kullanılarak konektörler (konnektör), devre kartının tanımlanmış bağlantı pedleri olan lehim pedlerine (lehim pedleri) lehimlenir. Lehim, ancak “reflow fırını” adı verilen fırında eritilir ve ardından sertleştirilir. SMT sayesinde konektör ile devre kartı arasında sağlam bağlantılar kurulabilir. Ancak bunun için bazı kriterlerin karşılanması gerekir: Öncelikle, IPC-A-610 standardına uygun bir lehim noktası (lehim noktası) için lehim ayağı (lehim bacağı), lehim pedi (lehim pedi) ve lehim pastası (lehim pastası) arasında doğru oranın korunması gerekir. Ancak bu şekilde, IPC Sınıf 3'e uygun bir bağlantı sağlayan ve dolayısıyla yüksek performanslı elektronik uygulamaları için uygun olan yüksek kaliteli bir bağlantı kurulabilir. Bu sınıfta sinyal iletimindeki arızalar her zaman önlenmelidir. Optimum bir lehim bağlantısı, düzgün menisküs oluşumundan anlaşılır. Devre kartı üzerinde en iyi tutma kuvveti elde etmek için kontak, çevresel olarak lehim menisküsü ile çevrelenmiş olmalıdır. (Şekil 9).
Temas ayaklarının aynı düzlemde olması, mükemmel bir bağlantı için ön koşuldur; bu durum, üretim süreci boyunca %100 otomatik bir denetime tabi tutulur.
Sonuç

Otomotiv sektöründeki güncel gelişmeler, araçlara monte edilen konektörlere (konnektör) her zaman yeni gereksinimler getiriyor. İlk bakışta, elektronik kontrol ünitelerinin sayısının azalması nedeniyle monte edilen konektörlerin rolü arka planda kalıyor gibi görünüyor. Ancak daha yakından incelendiğinde, tam da bu değişim sayesinde HPC yoluyla merkezi veri işleme sürecinde konektörlerin rolünün önem kazandığı ortaya çıkıyor: Sinyal iletiminde güvenilirlik, bugün hiç olmadığı kadar önemli hale geldi.

