Libro blanco: Conectores «board-to-conector» para sensores industriales y sistemas de cámaras
Más rápidos, más pequeños, más robustos: cuando se utilizan en sensores industriales y sistemas de cámaras, los conector deben cumplir cada vez más requisitos. La tendencia se orienta hacia la modularización. Con la ayuda de los conectores placa a placa, las placas de circuito impreso pueden combinarse entre sí de forma variable, lo que permite determinar de manera decisiva la funcionalidad del sensor. En la era de la Industria 4.0, los conectores no solo deben ser cada vez más pequeños y potentes: además de la miniaturización y la alta velocidad, su uso en entornos industriales suele exigir una robustez extrema. Esta guía tiene como objetivo ayudarle a encontrar el conector adecuado para su aplicación de visión artificial.
Hay tres requisitos que cobran especial importancia en el desarrollo de sensores y sistemas de cámaras modernos para aplicaciones industriales: la transmisión de datos a alta velocidad, la miniaturización y la robustez. Estos requisitos rara vez pueden considerarse de forma aislada; sin embargo, en función de las prioridades, es posible encontrar el conconector óptimo para su aplicación.
Transmisión de datos a alta velocidad
Los sensores y cámaras inteligentes en entornos industriales también necesitan una transmisión de datos segura y de alta velocidad en la era del big data, el IoT y el IIoT. Los conector para aplicaciones de alta velocidad deben contar con un diseño de contactos de alto rendimiento adecuado. Dado que un conector, debido a su geometría, supone un cierto factor de riesgo de fluctuaciones en la perfil de impedancia, en el desarrollo de conectores de alta velocidad se presta especial atención a la optimización del diseño de los contactos para controlar la impedancia. En este sentido, es importante reducir al mínimo, en la medida de lo posible, los cambios de sección transversal en el «conector», ya que estos provocan fluctuaciones de impedancia que, a su vez, dan lugar a pérdidas en la transmisión de la señal.
En el caso de estructuras miniaturizadas, los conector deberían contar además con un apantallamiento electromagnético, ya que las señales de alta frecuencia, en particular, son especialmente susceptibles a sufrir efectos electromagnéticos no deseados. En este caso, basta con un pequeño impulso para distorsionar la señal útil, de modo que el receptor ya no pueda interpretar con claridad los estados digitales.
Un conector (conector) puede desempeñar tanto el papel de sumidero de interferencias como el de fuente de interferencias; es decir, por un lado, puede verse afectado por otros componentes del conjunto y, por otro, puede ejercer él mismo un efecto electromagnético sobre los componentes circundantes. La inductancia de acoplamiento (inductancia mutua) LK, medida en picohenrios (pH), permite describir el conector en ambas funciones: como fuente y como sumidero. Un sencillo montaje de medición ayuda a los usuarios a determinar qué conector y qué disposición de pines son necesarios u óptimos para su aplicación concreta. Para ello, es necesario perturbar la señal útil mediante un generador de ráfagas y medir la inductancia mutua máxima admisible. Si se conocen la tensión inducida (Uind), la tensión del generador (UGen) y la constante del generador (kGen), se puede determinar para cada aplicación la inductancia mutua (L) máxima admisible específica mediante la siguiente fórmula:
L = Uind / (UGen * kGen)
La inductancia mutua, además, ayuda al usuario a definir el conector adecuado en cuanto a su compatibilidad electromagnética. De este modo, también se pueden evitar las costosas y laboriosas pruebas de ensayo y error en el CEM-Labor.
Además, es posible reducir la inductancia mutua de un conector mediante un apantallamiento. A continuación, un ejemplo de aplicación: para una señal HDMI, se determinó una inductancia de acoplamiento máxima específica para el caso de 47 pH a una tensión de 4,4 kV. Si el valor es superior, la señal ya no puede transmitirse sin interferencias. La siguiente ilustración muestra que la inductancia de acoplamiento se ha reducido significativamente mediante el uso de un sistema de apantallamientoinductancia mutua.
Un conector (conector) puede desempeñar tanto el papel de sumidero de interferencias como el de fuente de interferencias; es decir, por un lado, puede verse afectado por otros componentes del conjunto y, por otro, puede ejercer él mismo un efecto electromagnético sobre los componentes circundantes. La inductancia de acoplamiento (inductancia mutua) LK, medida en picohenrios (pH), permite describir el conector en ambas funciones: como fuente y como sumidero. Un sencillo montaje de medición ayuda a los usuarios a determinar qué conector y qué disposición de pines son necesarios u óptimos para su aplicación concreta. Para ello, es necesario perturbar la señal útil mediante un generador de ráfagas y medir la inductancia mutua máxima admisible. Si se conocen la tensión inducida (Uind), la tensión del generador (UGen) y la constante del generador (kGen), se puede determinar para cada aplicación la inductancia mutua (L) máxima admisible específica mediante la siguiente fórmula:
L = Uind / (UGen * kGen)
La inductancia mutua, además, ayuda al usuario a definir el conector adecuado en cuanto a su compatibilidad electromagnética. De este modo, también se pueden evitar las costosas y laboriosas pruebas de ensayo y error en el CEM-Labor.
Además, es posible reducir la inductancia mutua de un conector mediante un apantallamiento. A continuación, un ejemplo de aplicación: para una señal HDMI, se determinó una inductancia de acoplamiento máxima específica para el caso de 47 pH a una tensión de 4,4 kV. Si el valor es superior, la señal ya no puede transmitirse sin interferencias. La siguiente ilustración muestra que la inductancia de acoplamiento se ha reducido significativamente mediante el uso de un sistema de apantallamientoinductancia mutua.
Tanto los «boardlocks» como los contactos externos se conectaron a potencial de masa, tanto en la versión no apantallada como en la apantallada, mientras que se aplicó una señal a través de un par de contactos. Los valores de inductancia de acoplamiento medidos pueden demostrarse mediante gradientes de color del campo eléctrico y magnético. La simulación con un conector no apantallado (conector) ha demostrado que en este caso existe una inductancia mutua de hasta 196 pH. Con el valor límite determinado de 47 pH, ya no se garantizaría una transmisión de señal sin interferencias. En cambio, en el caso del conector apantallado, los valores de inductancia de acoplamiento oscilan entre 1 y 4 pH. Así pues, gracias al apantallamiento, estos valores se han podido reducir aproximadamente en un factor de 50, garantizando de este modo una transmisión sin interferencias. Con un mayor número de polos, es posible incluso una reducción de entre 100 y 200 veces.
Para el usuario, el apantallamiento presenta ventajas en dos aspectos: por un lado, el conector (conector) actúa así menos como fuente de interferencias; por otro, gracias al apantallamiento (apantallamiento), representa un sumidero de interferencias menor para las señales. Además, el uso de conectores apantallados permite ahora colocarlos más cerca de las fuentes y sumideros de interferencias en la placa de circuito impreso. Asimismo, se consigue una clase de rendimiento superior en las pruebas de ráfagas y picos de tensión prescritas para el aparato eléctrico.
Para el usuario, el apantallamiento presenta ventajas en dos aspectos: por un lado, el conector (conector) actúa así menos como fuente de interferencias; por otro, gracias al apantallamiento (apantallamiento), representa un sumidero de interferencias menor para las señales. Además, el uso de conectores apantallados permite ahora colocarlos más cerca de las fuentes y sumideros de interferencias en la placa de circuito impreso. Asimismo, se consigue una clase de rendimiento superior en las pruebas de ráfagas y picos de tensión prescritas para el aparato eléctrico.
miniaturización
A pesar de la creciente integración de funciones, el tamaño de los sensores y los sistemas de cámaras no debe aumentar. En la mayoría de los casos, la automatización industrial exige incluso una miniaturización constante para poder construir máquinas cada vez más compactas. Del mismo modo, la tendencia hacia estructuras modulares de sensores o cámaras exige el uso de conectores (conector) debidamente miniaturizados. Por ello, en las últimas décadas, los conectores se han reducido a una fracción de su tamaño original, manteniendo un rendimiento prácticamente idéntico.
Para aplicaciones con un espacio de montaje especialmente reducido, resulta ideal la tecnología de montaje en superficie (Surface-Mount-Technologie). Ahorra mucho espacio, ya que permite el montaje a doble cara de la placa de circuito impreso, así como un paso reducido. Con la técnica de tecnología press-fit, por ejemplo, no sería posible lograr un paso estrecho de tan solo 0,5 mm debido a las fuerzas físicas que actúan durante el proceso de inserción a presión, ni tampoco un montaje de PCB de la placa de circuito impreso por ambas caras. En el caso de las aplicaciones miniaturizadas, hay que tener en cuenta además otro criterio importante a la hora de elegir el conector adecuado: en estos casos, los componentes sensibles de un conjunto suelen estar muy próximos entre sí. Esto aumenta el riesgo de interferencias electromagnéticas mutuas entre los componentes. Por supuesto, la transmisión de datos en su aplicación no debe verse perturbada, alterada ni, mucho menos, impedida bajo ninguna circunstancia. Por este motivo, la protección contra interferencias electromagnéticas (EM) cobra cada vez más relevancia. Para evitar interferencias en la señal, se recomienda, al igual que en el caso de los conector de alta velocidad, optar también aquí por un conector apantallado.
Resistencia
Los sensores y los sistemas de cámaras que se utilizan cerca de la maquinaria están especialmente expuestos a condiciones ambientales adversas. Para proteger la electrónica de estas influencias externas, se puede encapsular todo el conjunto. Sin embargo, para ello se necesita una solución de conexión que sea igualmente compatible con el encapsulado. Los conector habituales se encuentran aquí en clara desventaja, ya que la vulnerable zona de acoplamiento debe protegerse de la resina de encapsulado. La tecnología de contacto de resorte y cuchilla utilizada en este caso no cumpliría con el grado de protección IP necesario para estos materiales.
Por lo tanto, a la hora de elegir el « conector » adecuado, hay que asegurarse de optar por una solución de conexión de una sola pieza, es decir, un « conector » que prescinda del tradicional « zona de acoplamiento ». De este modo, el « resina de encapsulado » ofrece una solución de conexión duradera y robusta, aunque no puede penetrar en la zona de contacto.
Si se desea comprobar la robustez de los componentes electrónicos, esto puede realizarse mediante ensayos de laboratorio. Para ello, el perfil de choque normalizado (profile) debe corresponder al estado nominal (control), es decir, a una aceleración de 50 g con una tolerancia del 20 % (high abort y low abort). Según la norma DIN EN 60068-2-27, se admite un tiempo de respuesta ( microcorte ) ≤ 1 µs.
Si se desea comprobar la robustez de los componentes electrónicos, esto puede realizarse mediante ensayos de laboratorio. Para ello, el perfil de choque normalizado (profile) debe corresponder al estado nominal (control), es decir, a una aceleración de 50 g con una tolerancia del 20 % (high abort y low abort). Según la norma DIN EN 60068-2-27, se admite un tiempo de respuesta ( microcorte ) ≤ 1 µs.
Si, en su aplicación, el conector está expuesto de forma extrema a influencias ambientales externas como vibraciones, golpes, humedad, suciedad, temperaturas extremas o fluctuaciones de temperatura, se requiere también una robustez extrema. El encapsulado de su módulo puede ayudar en este sentido, pero es aconsejable no confiar exclusivamente en ello. En su lugar, se recomienda una combinación de encapsulado y tecnología press-fit. Esta última ha demostrado su eficacia miles de millones de veces y se considera la opción de conexión más robusta y fiable, incluso en condiciones adversas. En la tecnología press-fit, la clavija (pin) del conector se presiona en un orificio de la placa de circuito impreso con contacto pasante, creando así una conexión tanto eléctrica como mecánica entre el conector y la placa de circuito impreso. Al mismo tiempo, esto permite lograr un ahorro de costes de hasta el 50 %, ya que se evitan los laboriosos trabajos de soldadura y las costosas soluciones de cableado. Al eliminarse la vulnerable zona de conexión (zona de acoplamiento), un conector (conector) combinado con la técnica de inserción a presión (tecnología press-fit) puede incluso soportar cargas de choque de entre 50 y 200 g sin que se produzca una interrupción del contacto (microcorte).
Cuando se necesitan personas polivalentes
En teoría, estos requisitos —transmisión de datos de alta velocidad, miniaturización y robustez— pueden considerarse de forma relativamente independiente entre sí. Sin embargo, como usuario, seguramente constatará que el conector que necesita rara vez tiene que cumplir únicamente uno de estos requisitos. Por este motivo, muchos conector cumplen varios de estos criterios con diferente peso. En algunos casos, también merece la pena echar un vistazo a los «conectores todoterreno». Por ejemplo, si se van a utilizar varios conector al mismo tiempo, es recomendable recurrir a una familia de productos que ofrezca una alta escalabilidad. De este modo, se evitan los largos y costosos procesos de homologación y, al mismo tiempo, se garantiza que todos los productos de una familia de conectores sean compatibles entre sí, independientemente de si son apantallado, no apantallado, rectos o acodado.
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