Livre blanc : Connecteurs carte à carte pour capteurs industriels et systèmes de caméras
Plus rapides, plus petits, plus robustes : lorsqu’ils sont utilisés dans des capteurs industriels et des systèmes de caméras, les connecteurs doivent répondre à des exigences de plus en plus strictes. La tendance est à la modularisation. Grâce aux connecteurs carte à carte, les circuits imprimés peuvent être combinés de manière flexible, ce qui permet de définir de manière déterminante la fonctionnalité du capteur. À l'ère de l'Industrie 4.0, les connecteurs doivent non seulement être de plus en plus petits et performants, mais, outre la miniaturisation et la haute vitesse, leur utilisation en milieu industriel exige souvent une robustesse extrême. Ce guide a pour but de vous aider à trouver le connecteur adapté à votre application de vision industrielle.
Trois exigences sont au cœur du développement des capteurs et des systèmes de caméras modernes destinés aux applications industrielles : la transmission de données à haut débit, la miniaturisation et la robustesse. Ces exigences ne peuvent que très rarement être considérées indépendamment les unes des autres ; toutefois, en fonction de vos priorités, il est possible de trouver le connecteur le mieux adapté à votre application.
Transmission de données à haut débit
À l'ère du Big Data, de l'IoT et de l'IIoT, les capteurs et caméras intelligents utilisés dans les environnements industriels nécessitent également une transmission de données haut débit sécurisée. Les connecteurs destinés aux applications à haut débit doivent donc disposer d’une conception de contacts hautement performante. Étant donné qu’un connecteur présente, de par sa géométrie, un certain risque de variations de l’impédance, une attention particulière doit être accordée, lors du développement de connecteurs à haut débit, à l’optimisation de la conception des contacts afin de contrôler l’impédance. À cet égard, il est important de réduire au minimum, dans la mesure du possible, les variations de section transversale dans le connecteur, car celles-ci entraînent des fluctuations d'impédance qui, à leur tour, provoquent des pertes dans la transmission du signal.
Dans le cas de montages miniaturisés, les connecteurs doivent en outre être dotés d'un blindage électromagnétique, car les signaux à haute fréquence, en particulier, sont très sensibles aux interférences électromagnétiques indésirables. Dans ce cas, une simple impulsion, même minime, peut suffire à fausser le signal utile, de sorte que le récepteur ne soit plus en mesure d'interpréter clairement les états numériques.
Un connecteur peut alors jouer à la fois le rôle de puits de perturbation et de source de perturbation, c'est-à-dire d'une part subir l'influence d'autres composants du module et, d'autre part, exercer lui-même une influence électromagnétique sur les composants environnants. L'inductance de couplage LK, mesurée en picohenry (pH), permet de décrire le connecteur dans ses deux fonctions : source et puits. Un montage de mesure simple aide les utilisateurs à déterminer quel connecteur et quel brochage sont nécessaires, voire optimaux, pour leur application respective. Pour cela, le signal utile doit être perturbé à l'aide d'un générateur de rafales et l'inductance de couplage maximale admissible doit être mesurée. Si la tension induite (Uind), la tension du générateur (UGen) et la constante du générateur (kGen) sont connues, l'inductance de couplage maximale admissible (L) spécifique à chaque application peut être déterminée à l'aide de la formule suivante :
L = Uind / (UGen * kGen)
L’inductance de couplage aide également l’utilisateur à définir le connecteur approprié en termes de compatibilité électromagnétique. Cela permet également d’éviter les essais par tâtonnements, coûteux et chronophages, en laboratoire CEM.
Il est en outre possible de réduire l’inductance de couplage d’un connecteur à l’aide d’un blindage. Voici un exemple d'application : pour un signal HDMI, une inductance de couplage maximale de 47 pH a été déterminée pour une tension de 4,4 kV. Si la valeur est supérieure, le signal ne peut plus être transmis sans interférences. La figure suivante montre que l'inductance de couplage a été considérablement réduite grâce à l'utilisation d'un concept de blindage.
Un connecteur peut alors jouer à la fois le rôle de puits de perturbation et de source de perturbation, c'est-à-dire d'une part subir l'influence d'autres composants du module et, d'autre part, exercer lui-même une influence électromagnétique sur les composants environnants. L'inductance de couplage LK, mesurée en picohenry (pH), permet de décrire le connecteur dans ses deux fonctions : source et puits. Un montage de mesure simple aide les utilisateurs à déterminer quel connecteur et quel brochage sont nécessaires, voire optimaux, pour leur application respective. Pour cela, le signal utile doit être perturbé à l'aide d'un générateur de rafales et l'inductance de couplage maximale admissible doit être mesurée. Si la tension induite (Uind), la tension du générateur (UGen) et la constante du générateur (kGen) sont connues, l'inductance de couplage maximale admissible (L) spécifique à chaque application peut être déterminée à l'aide de la formule suivante :
L = Uind / (UGen * kGen)
L’inductance de couplage aide également l’utilisateur à définir le connecteur approprié en termes de compatibilité électromagnétique. Cela permet également d’éviter les essais par tâtonnements, coûteux et chronophages, en laboratoire CEM.
Il est en outre possible de réduire l’inductance de couplage d’un connecteur à l’aide d’un blindage. Voici un exemple d'application : pour un signal HDMI, une inductance de couplage maximale de 47 pH a été déterminée pour une tension de 4,4 kV. Si la valeur est supérieure, le signal ne peut plus être transmis sans interférences. La figure suivante montre que l'inductance de couplage a été considérablement réduite grâce à l'utilisation d'un concept de blindage.
Les Boardlocks ainsi que les contacts externes ont été mis à la masse, tant pour la version non blindée que pour la version blindée, tandis qu'un signal était appliqué via une paire de contacts. Les valeurs d'inductance de couplage mesurées peuvent être illustrées à l'aide de gradients de couleur représentant les champs électrique et magnétique. La simulation réalisée avec un connecteur non blindé a montré qu’il existe dans ce cas une inductance de couplage pouvant atteindre 196 pH. Avec la valeur limite déterminée de 47 pH, une transmission du signal sans interférences ne serait donc plus garantie. En revanche, avec le connecteur blindé, les valeurs d'inductance de couplage se situent entre 1 et 4 pH. Celles-ci ont donc pu être réduites d'un facteur 50 environ grâce au blindage, garantissant ainsi une transmission sans interférences. Avec un nombre de pôles plus élevé, une réduction d'un facteur 100 à 200 est même possible.
Pour l'utilisateur, le blindage présente des avantages à deux égards : d’une part, le connecteur génère moins de perturbations et, d’autre part, il constitue un puits de perturbations moindre pour les signaux. L’emploi de connecteurs blindés permet en outre de les positionner plus près des sources et des puits de perturbations sur le circuit imprimé. De plus, cette approche permet d’atteindre une classe de performance supérieure lors des essais de rafales et de surtensions prescrits pour l’appareil électrique.
Pour l'utilisateur, le blindage présente des avantages à deux égards : d’une part, le connecteur génère moins de perturbations et, d’autre part, il constitue un puits de perturbations moindre pour les signaux. L’emploi de connecteurs blindés permet en outre de les positionner plus près des sources et des puits de perturbations sur le circuit imprimé. De plus, cette approche permet d’atteindre une classe de performance supérieure lors des essais de rafales et de surtensions prescrits pour l’appareil électrique.
miniaturisation
Malgré l'intégration croissante des fonctions, la taille des capteurs et des systèmes de caméras ne doit pas augmenter. Dans la plupart des cas, l'automatisation industrielle exige même une miniaturisation constante afin de pouvoir construire des machines toujours plus compactes. De même, la tendance à la conception modulaire des capteurs ou des caméras impose l'utilisation de connecteurs miniaturisés en conséquence. Au cours des dernières décennies, les connecteurs ont donc vu leur taille réduite à une fraction de leur taille d'origine, tout en conservant des performances pratiquement identiques.
La technologie de montage en surface (SMT) est particulièrement adaptée aux applications où l'espace disponible est très restreint. Elle permet de gagner beaucoup de place, car elle permet un montage double face du circuit imprimé ainsi que des pas de montage très petits. Avec la technique d'insertion par pression, un pas étroit de seulement 0,5 mm ne serait par exemple pas réalisable en raison des forces physiques exercées lors du processus d'insertion – tout comme l'assemblage des deux faces du circuit imprimé. Dans le cas d'applications miniaturisées, il convient en outre de tenir compte d'un autre critère important lors du choix du connecteur approprié : dans ces cas-là, les composants sensibles d'un module sont souvent très proches les uns des autres. Il en résulte un risque accru d'interférences électromagnétiques entre les composants. La transmission de données au sein de votre application ne doit en aucun cas être perturbée, altérée ou empêchée. C’est pourquoi la protection contre les interférences électromagnétiques (EM) revêt une importance croissante. Afin d’éviter les interférences de signal, il est donc recommandé, comme pour les connecteurs haute vitesse, d’opter ici aussi pour un connecteur blindé.
robustesse
Les capteurs et les systèmes de caméras utilisés à proximité des machines sont particulièrement exposés à des conditions environnementales difficiles. Afin de protéger les composants électroniques contre ces influences extérieures, l'ensemble du module peut être encapsulé. Cela nécessite toutefois une solution de raccordement compatible avec l'encapsulation. Les connecteurs classiques présentent ici un désavantage évident, car la zone de connexion, particulièrement vulnérable, doit être protégée contre le mastic d'encapsulation. La technologie de contact à ressort et à lame utilisée ne présenterait pas l'indice de protection IP requis pour ces matériaux.
Lorsqu’il s’agit de choisir le connecteur approprié, il convient donc de privilégier une solution de raccordement monobloc, c’est-à-dire un connecteur qui ne comporte pas de zone d’insertion classique. Le mastic d’encapsulation permet ainsi d’obtenir une solution de raccordement durable et robuste, sans toutefois pouvoir pénétrer dans la zone de contact.
Si la robustesse des composants électroniques doit être testée, cela peut être réalisé dans le cadre d’essais en laboratoire. Le profil de choc normalisé (profile) doit alors correspondre à l'état de consigne (control), c'est-à-dire à une accélération de 50 g avec une tolérance de 20 % (high abort et low abort). Selon la norme DIN EN 60068-2-27, une interruption de contact ≤ 1 µs est admissible.
Si la robustesse des composants électroniques doit être testée, cela peut être réalisé dans le cadre d’essais en laboratoire. Le profil de choc normalisé (profile) doit alors correspondre à l'état de consigne (control), c'est-à-dire à une accélération de 50 g avec une tolérance de 20 % (high abort et low abort). Selon la norme DIN EN 60068-2-27, une interruption de contact ≤ 1 µs est admissible.
Si, dans votre application, le connecteur est exposé à des conditions environnementales extrêmes telles que les vibrations, les chocs, l'humidité, la saleté, les températures extrêmes ou les variations de température, une robustesse exceptionnelle est également requise. L'encapsulation de votre module peut y contribuer, mais il est conseillé de ne pas s'y fier exclusivement. Il est plutôt recommandé d'opter pour une combinaison d'encapsulation et de technique d'insertion par pression. Cette technologie a déjà fait ses preuves plusieurs milliards de fois et est reconnue comme la solution de connexion la plus robuste et la plus fiable, même dans des conditions difficiles. Dans la technique d’insertion par pression, la broche du connecteur est enfoncée dans un trou métallisé du circuit imprimé, créant ainsi une connexion à la fois électrique et mécanique entre le connecteur et le circuit imprimé. Parallèlement, cette approche permet de réaliser des économies pouvant atteindre 50 %, car elle évite les travaux de soudure fastidieux et les solutions de câblage coûteuses. En l'absence de zone de connexion vulnérable, un connecteur associé à la technique d'insertion par pression peut même résister à des chocs de 50 à 200 g sans interruption de contact.
Lorsqu’une solution polyvalente est requise
En théorie, ces exigences – transmission de données à haut débit, miniaturisation et robustesse – peuvent être considérées comme relativement distinctes les unes des autres. En tant qu'utilisateur, vous constaterez toutefois certainement que le connecteur dont vous avez besoin ne doit que très rarement répondre à une seule de ces exigences. C'est pourquoi de nombreux connecteurs satisfont à plusieurs de ces critères, avec des priorités variables. Dans certains cas, il vaut également la peine de s’intéresser aux connecteurs « polyvalents ». Si plusieurs connecteurs doivent être utilisés simultanément, il est conseillé d’opter pour une gamme de produits offrant une grande évolutivité. Cette approche permet d’éviter des cycles de validation longs et coûteux tout en garantissant que tous les produits d’une même gamme de connecteurs sont compatibles entre eux, qu’ils soient blindés, non blindés, droits ou coudés.
Des questions ?
En tant qu'experts en connecteurs pour circuits imprimés et en solutions de contactage, nous mettons à votre disposition notre savoir-faire, notamment au cours de webinaires sur mesure :
www.webinar.ept-group.de
. Vous pouvez également nous contacter directement pour toute question relative aux connecteurs.
ept GmbH
Bergwerkstr. 50
86971 Peiting, ALLEMAGNE
Tél. +49 (0) 88 61 2501-0
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