Informe técnico: Conectores placa a placa para sensores industriales y sistemas de cámaras
Más rápidos, más pequeños, más resistentes: cuando se utilizan en sensores industriales y sistemas de cámaras, los conectores deben cumplir cada vez más requisitos. La tendencia se inclina hacia la modularización. Gracias a los conectores placa a placa, las placas de circuito impreso se pueden combinar de forma variable entre sí, lo que permite determinar en gran medida 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.
En el desarrollo de sensores y sistemas de cámaras modernos para aplicaciones industriales, hay tres requisitos fundamentales: transmisión de datos a alta velocidad, miniaturización y resistencia. Estos requisitos rara vez pueden considerarse de forma aislada; sin embargo, dependiendo de las prioridades, es posible encontrar el conector óptimo para su aplicación.
Transmisión de datos a alta velocidad
En la era del big data, el IoT y el IIoT, los sensores y cámaras inteligentes utilizados en entornos industriales también requieren una transmisión de datos segura y de alta velocidad. Los conectores para aplicaciones de alta velocidad deben contar con un diseño de contactos de alto rendimiento. Dado que, debido a su geometría, un conector supone un cierto factor de riesgo de fluctuaciones en la curva 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 los montajes miniaturizados, los conectores deben contar además con un apantallamiento electromagnético, ya que las señales de alta frecuencia, en particular, son especialmente susceptibles a los 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 puede actuar tanto como sumidero de interferencias como fuente de las mismas, es decir, puede verse afectado por otros componentes del conjunto y, al mismo tiempo, generar él mismo un efecto electromagnético sobre los componentes circundantes. La inductancia de acoplamiento LK, medida en picohenrios (pH), permite caracterizar al conector en ambas funciones: fuente y sumidero. Un montaje de medición sencillo ayuda a los usuarios a determinar qué conector y qué disposición de pines son necesarios u óptimos para su aplicación concreta. Para ello, se debe perturbar la señal útil con ayuda de un generador de ráfagas y medir la inductancia de acoplamiento máxima admisible. Si se conocen la tensión inducida (Uind), la tensión del generador (UGen) y la constante del generador (kGen), se puede determinar la inductancia de acoplamiento máxima admisible específica para cada aplicación mediante la siguiente fórmula:
L = Uind / (UGen * kGen)
La inductancia de acoplamiento ayuda además 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 laboratorio de CEM. Además
, es posible reducir la inductancia de acoplamiento 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 redujo significativamente mediante el uso de un concepto de apantallamiento.
Un conector puede actuar tanto como sumidero de interferencias como fuente de las mismas, es decir, puede verse afectado por otros componentes del conjunto y, al mismo tiempo, generar él mismo un efecto electromagnético sobre los componentes circundantes. La inductancia de acoplamiento LK, medida en picohenrios (pH), permite caracterizar al conector en ambas funciones: fuente y sumidero. Un montaje de medición sencillo ayuda a los usuarios a determinar qué conector y qué disposición de pines son necesarios u óptimos para su aplicación concreta. Para ello, se debe perturbar la señal útil con ayuda de un generador de ráfagas y medir la inductancia de acoplamiento máxima admisible. Si se conocen la tensión inducida (Uind), la tensión del generador (UGen) y la constante del generador (kGen), se puede determinar la inductancia de acoplamiento máxima admisible específica para cada aplicación mediante la siguiente fórmula:
L = Uind / (UGen * kGen)
La inductancia de acoplamiento ayuda además 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 laboratorio de CEM. Además
, es posible reducir la inductancia de acoplamiento 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 redujo significativamente mediante el uso de un concepto de apantallamiento.
Tanto los Boardlocks como los contactos externos se conectaron a masa, tanto en la versión sin blindaje como en la blindada, mientras que se aplicaba una señal a través de un par de contactos. Los valores de inductancia de acoplamiento medidos pueden demostrarse mediante representaciones cromáticas de los campos eléctrico y magnético. La simulación con un conector sin blindaje ha demostrado que existe una inductancia de acoplamiento 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 conector apantallado, los valores de inductancia de acoplamiento se sitúan entre 1 y 4 pH. Por lo tanto, estos pudieron reducirse en aproximadamente un factor de 50 gracias al apantallamiento, garantizando así una transmisión sin interferencias. Con un mayor número de polos, es incluso posible una reducción de un factor de 100 a 200.
Para el usuario, el apantallamiento tiene características positivas en dos aspectos: por un lado, el conector actúa menos como fuente de interferencias y, por otro, gracias al blindaje, representa un sumidero de interferencias menor para las señales. Además, el uso de conectores blindados 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 sobretensiones prescritas para el dispositivo eléctrico.
Para el usuario, el apantallamiento tiene características positivas en dos aspectos: por un lado, el conector actúa menos como fuente de interferencias y, por otro, gracias al blindaje, representa un sumidero de interferencias menor para las señales. Además, el uso de conectores blindados 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 sobretensiones prescritas para el dispositivo eléctrico.
miniaturización
A pesar de la creciente integración de funciones, el tamaño de los sensores y los sistemas de cámaras no debe aumentar. De hecho, en la automatización industrial se exige, en la mayoría de los casos, 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 debidamente miniaturizados. Por ello, en las últimas décadas, los conectores se han reducido a una fracción de su tamaño original, manteniendo prácticamente el mismo rendimiento.
La tecnología de montaje en superficie (SMT) es ideal para aplicaciones con un espacio de montaje especialmente reducido. Ahorra mucho espacio, ya que permite el montaje en ambas caras de la placa de circuito impreso (PCB), así como un paso entre pines muy pequeño. Con la técnica de inserción a presión, por ejemplo, no sería posible lograr un paso de solo 0,5 mm debido a las fuerzas físicas que actúan durante el proceso de inserción, ni tampoco el montaje de la placa de circuito impreso por ambas caras. En aplicaciones miniaturizadas, debe considerarse otro criterio fundamental a la hora de elegir el conector adecuado: en estos casos, los componentes sensibles de un conjunto suelen estar muy próximos entre sí, lo que incrementa el riesgo de interferencias electromagnéticas. Por ello, la protección contra interferencias electromagnéticas (EM) adquiere una importancia creciente. Para evitar interferencias en la señal, se recomienda, al igual que con los conectores de alta velocidad, optar también en este caso 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 conectores habituales se encuentran en clara desventaja en este caso, ya que es necesario proteger la zona de conexión, que es vulnerable, frente a la masa de encapsulado. La tecnología de contacto de resorte y cuchilla utilizada no cumpliría con el grado de protección IP necesario para estos materiales.
Por lo tanto, al seleccionar el conector adecuado, es necesario optar por una solución de conexión de una sola pieza, es decir, un conector que prescinda de la zona de acoplamiento convencional. De este modo, el compuesto de encapsulado permite una solución de conexión duradera y resistente, sin que, sin embargo, pueda penetrar en la zona de contacto.
Si es necesario comprobar la resistencia de los componentes electrónicos, esto puede hacerse mediante ensayos de laboratorio. En este caso, el perfil de choque normalizado (profile) debe corresponder al estado nominal (control), es decir, una aceleración de 50 g con una tolerancia del 20 % (high abort y low abort). Según la norma DIN EN 60068-2-27, se permite una interrupción del contacto ≤ 1 µs.
Si es necesario comprobar la resistencia de los componentes electrónicos, esto puede hacerse mediante ensayos de laboratorio. En este caso, el perfil de choque normalizado (profile) debe corresponder al estado nominal (control), es decir, una aceleración de 50 g con una tolerancia del 20 % (high abort y low abort). Según la norma DIN EN 60068-2-27, se permite una interrupción del contacto ≤ 1 µs.
Si el conector de su aplicación está expuesto a condiciones ambientales extremas, como vibraciones, golpes, humedad, suciedad, temperaturas extremas o fluctuaciones de temperatura, se requiere una robustez extrema. El encapsulado de su conjunto puede ayudar en este sentido, pero es aconsejable no confiar exclusivamente en él. En su lugar, se recomienda una combinación de encapsulado y técnica de inserción a presión. Esta última ya 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 técnica de inserción a presión, la clavija del conector se inserta a presión 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. Al mismo tiempo, se pueden lograr ahorros de costes de hasta un 50 %, ya que se evitan los laboriosos trabajos de soldadura y las costosas soluciones de cableado. Al eliminarse la zona de conexión vulnerable, un conector, en combinación con la técnica de inserción a presión, puede incluso soportar cargas de choque de 50 a 200 g sin que se interrumpa el contacto.
Cuando se necesitan personas polivalentes
En teoría, estos requisitos —transmisión de datos a alta velocidad, miniaturización y robustez— pueden considerarse de forma relativamente independiente. Sin embargo, en la práctica, el conector requerido suele cumplir varios de estos criterios con diferente grado de importancia. En algunos casos, también resulta conveniente considerar los modelos «todoterreno» entre los conectores. Si se van a emplear varios conectores simultáneamente, resulta aconsejable seleccionar una familia de productos que ofrezca alta escalabilidad. De este modo se evitan largos y costosos procesos de homologación y, al mismo tiempo, se garantiza la compatibilidad entre todos los productos de dicha familia, ya sean apantallados, sin apantallar, rectos o acodados.
¿Alguna pregunta?
Como expertos en conectores y contactos para placas de circuito impreso, ponemos a su disposición nuestros conocimientos mediante seminarios web personalizados:
www.webinar.ept-group.de.
Para cualquier consulta sobre conectores, contáctenos directamente.
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86971 Peiting, ALEMANIA
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