White paper sobre conectores placa a placa para sensores industriais e sistemas de câmaras
Mais rápidos, mais pequenos, mais robustos: quando utilizados em sensores industriais e sistemas de câmaras, os conectores têm de satisfazer cada vez mais requisitos. A tendência aponta para a modularização. Com a ajuda de conectores placa a placa, é possível combinar placas de circuito impresso de forma flexível, determinando assim de forma decisiva a funcionalidade do sensor. Na era da Indústria 4.0, os conectores não só têm de se tornar cada vez mais pequenos e potentes – além da miniaturização e da alta velocidade, a utilização em ambientes industriais exige frequentemente uma robustez extrema. Este guia tem como objetivo ajudar a encontrar o conector certo para a sua aplicação de visão artificial.
Três requisitos assumem um papel central no desenvolvimento de sensores e sistemas de câmaras modernos para aplicações industriais: transmissão de dados a alta velocidade, miniaturização e robustez. Estes requisitos raramente podem ser considerados isoladamente uns dos outros – no entanto, dependendo das prioridades definidas, é possível encontrar o conector ideal para a sua aplicação.
Transmissão de dados a alta velocidade
Em tempos de Big Data, IoT e IIoT, os sensores e câmaras inteligentes utilizados em ambientes industriais também necessitam de uma transmissão de dados segura e de alta velocidade. Os conectores para aplicações de alta velocidade devem possuir um design de contacto com o desempenho adequado. Uma vez que um conector, devido à sua geometria, representa um certo fator de risco para variações na curva de impedância, deve ser dada especial atenção, no desenvolvimento de conectores de alta velocidade, à otimização do design do contacto para controlar a impedância. Neste contexto, é importante reduzir ao mínimo, sempre que possível, as alterações na secção transversal do conector, uma vez que estas provocam variações de impedância que, por sua vez, conduzem a perdas na transmissão do sinal.
No caso de montagens miniaturizadas, os conectores devem, além disso, possuir blindagem eletromagnética, uma vez que os sinais de alta frequência, em particular, são especialmente suscetíveis a efeitos eletromagnéticos indesejados. Neste contexto, basta um pequeno impulso para distorcer o sinal útil, de modo que o recetor já não consiga interpretar os estados digitais de forma inequívoca.
Um conector pode assumir tanto o papel de sumidouro de interferências como o de fonte de interferências, ou seja, por um lado, estar sujeito à influência de outros componentes do conjunto e, por outro, exercer ele próprio um efeito eletromagnético sobre os componentes circundantes. Com a indutância de acoplamento LK, medida em picohenrys (pH), o conector pode ser descrito em ambas as funções – fonte e sumidouro. Uma configuração de medição simples ajuda os utilizadores a determinar qual o conector e qual a disposição dos pinos necessários ou ideais para a sua aplicação específica. Para tal, o sinal útil deve ser perturbado com a ajuda de um gerador de rajadas e deve ser medida a indutância de acoplamento máxima admissível. Se a tensão induzida (Uind), a tensão do gerador (UGen) e a constante do gerador (kGen) forem conhecidas, a indutância de acoplamento máxima admissível específica para cada aplicação (L) pode ser determinada através da seguinte fórmula:
L = Uind / (UGen * kGen)
A indutância de acoplamento ajuda ainda o utilizador a definir o conector adequado em termos de compatibilidade eletromagnética. Desta forma, é possível evitar testes de tentativa e erro dispendiosos e demorados no laboratório de EMC. Além disso
, é possível reduzir a indutância de acoplamento de um conector com a ajuda de uma blindagem. Eis um exemplo de aplicação: para um sinal HDMI, foi determinada uma indutância de acoplamento máxima específica de 47 pH a uma tensão de 4,4 kV. Se o valor for superior a este, o sinal já não pode ser transmitido sem interferências. A figura seguinte mostra que a indutância de acoplamento foi significativamente reduzida através da utilização de um conceito de blindagem.
Um conector pode assumir tanto o papel de sumidouro de interferências como o de fonte de interferências, ou seja, por um lado, estar sujeito à influência de outros componentes do conjunto e, por outro, exercer ele próprio um efeito eletromagnético sobre os componentes circundantes. Com a indutância de acoplamento LK, medida em picohenrys (pH), o conector pode ser descrito em ambas as funções – fonte e sumidouro. Uma configuração de medição simples ajuda os utilizadores a determinar qual o conector e qual a disposição dos pinos necessários ou ideais para a sua aplicação específica. Para tal, o sinal útil deve ser perturbado com a ajuda de um gerador de rajadas e deve ser medida a indutância de acoplamento máxima admissível. Se a tensão induzida (Uind), a tensão do gerador (UGen) e a constante do gerador (kGen) forem conhecidas, a indutância de acoplamento máxima admissível específica para cada aplicação (L) pode ser determinada através da seguinte fórmula:
L = Uind / (UGen * kGen)
A indutância de acoplamento ajuda ainda o utilizador a definir o conector adequado em termos de compatibilidade eletromagnética. Desta forma, é possível evitar testes de tentativa e erro dispendiosos e demorados no laboratório de EMC. Além disso
, é possível reduzir a indutância de acoplamento de um conector com a ajuda de uma blindagem. Eis um exemplo de aplicação: para um sinal HDMI, foi determinada uma indutância de acoplamento máxima específica de 47 pH a uma tensão de 4,4 kV. Se o valor for superior a este, o sinal já não pode ser transmitido sem interferências. A figura seguinte mostra que a indutância de acoplamento foi significativamente reduzida através da utilização de um conceito de blindagem.
Os Boardlocks, bem como os contactos externos, foram colocados em potencial de terra, tanto na versão não blindada como na blindada, enquanto era aplicado um sinal através de um par de contactos. Os valores de indutância de acoplamento medidos podem ser demonstrados através de gradientes de cor do campo elétrico e magnético. A simulação com um conector não blindado mostrou que existe aqui uma indutância de acoplamento de até 196 pH. Com o valor limite determinado de 47 pH, uma transmissão de sinal sem interferências já não estaria garantida. No conector blindado, por outro lado, os valores de indutância de acoplamento situam-se entre 1 e 4 pH. Estes puderam, assim, ser reduzidos em cerca de 50 vezes graças à blindagem, garantindo assim uma transmissão sem interferências. Com um número maior de pólos, é mesmo possível uma redução de 100 a 200 vezes.
Para o utilizador, a blindagem tem características positivas em dois aspetos: Por um lado, o conector atua assim menos como fonte de interferência; por outro, graças à blindagem, representa um sumidouro de interferência menor para os sinais. Com a utilização de conectores blindados, estes podem agora ser posicionados mais perto de fontes e sumidouros de interferência na placa de circuito impresso. Além disso, é possível obter uma classe de desempenho superior nos ensaios de picos e sobretensão prescritos para o equipamento elétrico.
Para o utilizador, a blindagem tem características positivas em dois aspetos: Por um lado, o conector atua assim menos como fonte de interferência; por outro, graças à blindagem, representa um sumidouro de interferência menor para os sinais. Com a utilização de conectores blindados, estes podem agora ser posicionados mais perto de fontes e sumidouros de interferência na placa de circuito impresso. Além disso, é possível obter uma classe de desempenho superior nos ensaios de picos e sobretensão prescritos para o equipamento elétrico.
miniaturização
Apesar da crescente integração de funções, as dimensões dos sensores e dos sistemas de câmaras não podem aumentar. Na maioria dos casos, a automação industrial exige mesmo uma miniaturização constante, para que as máquinas possam ser construídas de forma cada vez mais compacta. Da mesma forma, a tendência para estruturas modulares de sensores ou câmaras exige a utilização de conectores devidamente miniaturizados. Nas últimas décadas, os conectores reduziram-se, portanto, a uma fração do seu tamanho original, mantendo um desempenho praticamente idêntico.
Para aplicações com um espaço de montagem particularmente reduzido, a tecnologia de montagem em superfície é a solução ideal. Esta tecnologia poupa bastante espaço, uma vez que permite a montagem em ambos os lados da placa de circuito impresso, bem como um passo de montagem reduzido. Com a técnica de inserção por pressão, por exemplo, um passo estreito de apenas 0,5 mm não seria viável devido às forças físicas que atuam durante o processo de inserção – nem o montagem em ambos os lados da placa de circuito impresso. No caso de aplicações miniaturizadas, é ainda necessário ter em conta outro critério importante na escolha do conector adequado: nestes casos, os componentes sensíveis de um conjunto encontram-se frequentemente muito próximos uns dos outros. Isto aumenta o risco de interferência eletromagnética mútua entre os componentes. É claro que a transmissão de dados na sua aplicação não pode, em circunstância alguma, ser perturbada, distorcida ou mesmo impedida. Por este motivo, a proteção contra interferências eletromagnéticas (EM) está a ganhar cada vez mais relevância. Para evitar interferências de sinal, recomenda-se, tal como no caso dos conectores de alta velocidade, a escolha de um conector blindado.
Robustez
Os sensores e os sistemas de câmaras utilizados nas proximidades das máquinas estão particularmente expostos a condições ambientais adversas. Para proteger os componentes eletrónicos destes efeitos externos, todo o conjunto pode ser encapsulado. No entanto, para tal, é necessária uma solução de ligação que seja igualmente compatível com o encapsulamento. Os conectores convencionais apresentam aqui uma clara desvantagem, uma vez que a área vulnerável da ligação tem de ser protegida da massa de encapsulamento. A tecnologia de contacto mola-faca utilizada não apresentaria o grau de proteção IP necessário para estes materiais.
Ao escolher o conector adequado, é importante optar por uma solução de ligação de peça única, ou seja, um conector que não necessite da zona de encaixe convencional. Desta forma, a massa de encapsulamento permite uma ligação duradoura e robusta, sem, no entanto, poder penetrar na zona de contacto.
Se for necessário testar a robustez dos componentes eletrónicos, tal pode ser feito no âmbito de ensaios laboratoriais. Nesse contexto, o perfil de choque normalizado (profile) deve corresponder ao estado nominal (control), ou seja, uma aceleração de 50 g com uma tolerância de 20 por cento (high abort e low abort). De acordo com a norma DIN EN 60068-2-27, é admissível uma interrupção de contacto ≤ 1 µs.
Se for necessário testar a robustez dos componentes eletrónicos, tal pode ser feito no âmbito de ensaios laboratoriais. Nesse contexto, o perfil de choque normalizado (profile) deve corresponder ao estado nominal (control), ou seja, uma aceleração de 50 g com uma tolerância de 20 por cento (high abort e low abort). De acordo com a norma DIN EN 60068-2-27, é admissível uma interrupção de contacto ≤ 1 µs.
Se, na sua aplicação, o conector estiver exposto a influências ambientais extremas, tais como vibração, choques, humidade, sujidade, temperaturas extremas ou variações de temperatura, será necessária uma robustez extrema. O encapsulamento do seu conjunto pode ajudar nesse sentido, mas é aconselhável não confiar exclusivamente nisso. Em vez disso, recomenda-se uma combinação de encapsulamento e técnica de inserção por pressão. Esta última já provou o seu valor em milhares de milhões de aplicações e é considerada a opção de ligação mais robusta e fiável – mesmo em condições adversas. Na técnica de inserção por pressão, o pino do conector é inserido por pressão num orifício da placa de circuito impresso com contato passante, criando assim uma ligação tanto elétrica como mecânica entre o conector e a placa de circuito impresso. Ao mesmo tempo, é possível obter poupanças de custos de até 50 por cento, uma vez que se evitam trabalhos de soldadura dispendiosos e soluções de cablagem caras. Se a área de encaixe vulnerável for eliminada, um conector, em combinação com a técnica de inserção por pressão, pode até suportar cargas de choque de 50 a 200 g sem interrupção do contacto.
Quando se procuram profissionais versáteis
Em teoria, estes requisitos – transmissão de dados a alta velocidade, miniaturização e robustez – podem ser considerados de forma relativamente distinta uns dos outros. No entanto, enquanto utilizador, irá certamente constatar que, na maioria dos casos, o conector de que necessita não tem de satisfazer apenas um destes requisitos. Por este motivo, muitos conectores cumprem vários destes critérios com diferentes graus de prioridade. Em alguns casos, vale a pena dar uma olhada nos conectores «multifuncionais». Se, por exemplo, forem utilizados vários conectores em simultâneo, é recomendável recorrer a uma família de produtos que apresente uma elevada escalabilidade. Desta forma, é possível evitar ciclos de aprovação demorados e dispendiosos e, ao mesmo tempo, garantir que todos os produtos de uma família de conectores sejam compatíveis entre si – independentemente de serem blindados, não blindados, retos ou angulados.
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Como especialistas em conectores e contactos para placas de circuito impresso, temos todo o prazer em partilhar os nossos conhecimentos, por exemplo, em webinars personalizados para si:
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