Livre blanc : Connecteurs « board-to-connecteur » 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 connecteur doivent répondre à des exigences de plus en plus nombreuses. La tendance est à la modularisation. Grâce aux connecteurs carte à carte, les circuits imprimés peuvent être combinés de manière variable, 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 devenir de plus en plus petits et performants, mais, outre la miniaturisation et la haute vitesse, leur utilisation dans un environnement industriel exige souvent une robustesse extrême. Ce guide a pour but de vous aider à trouver le connecteur (connecteur) adapté à votre application de vision industrielle.
Trois exigences sont au premier plan lors du développement de capteurs et de systèmes de caméras modernes destinés à des 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 des priorités fixées, il est possible de trouver le connecconnecteur optimal pour 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 des environnements industriels nécessitent également une transmission de données haut débit sécurisée. Les connecteur destinés aux applications haut débit doivent donc disposer d’une conception de contacts hautement performante. Étant donné qu’un connecteur, de par sa géométrie, présente un certain risque de variations dans la courbe profil d'impédance, une attention particulière doit être accordée, lors du développement de connecteurs haute vitesse, 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 au sein du «connecteur », car celles-ci entraînent des variations d’impédance qui, à leur tour, provoquent des pertes dans la transmission du signal.
Dans le cas de montages miniaturisés, les connecteurs (connecteur) doivent en outre disposer d’un blindage électromagnétique, car les signaux à haute fréquence, en particulier, sont particulièrement sensibles aux effets électromagnétiques indésirables. Dans ce cas, une simple petite impulsion peut suffire à fausser le signal utile, de sorte que le récepteur ne puisse plus interpréter clairement les états numériques.
Un connecteur (connecteur) peut alors jouer à la fois le rôle de puits de perturbations et de source de perturbations : d’une part, il peut être soumis à l’influence d’autres composants du module et, d’autre part, il peut lui-même exercer un effet électromagnétique sur les composants environnants. L’inductance mutuelle 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, il faut perturber le signal utile à l’aide d’un générateur de rafales et mesurer l’inductance mutuelle maximale admissible. Si la tension induite (Uind), la tension du générateur (UGen) et la constante du générateur (kGen) sont connues, l’inductance mutuelle (L) maximale admissible spécifique à chaque application peut être déterminée à l’aide de la formule suivante :
L = Uind / (UGen * kGen)
L’inductance mutuelle aide également l’utilisateur à définir le connecteur adapté en termes de compatibilité électromagnétique. Cela permet d’éviter les essais par tâtonnements, coûteux et chronophages, en CEM-Labor.
Il est par ailleurs possible de réduire l’inductance mutuelle d’un connecteur à l’aide d’un blindage. Voici un exemple d’application : pour un signal HDMI, une inductance mutuelle maximale spécifique au cas de 47 pH a été déterminée à une tension de 4,4 kV. Si la valeur est supérieure, le signal ne peut plus être transmis sans interférences. La figure ci-dessous montre que l’inductance mutuelle a été considérablement réduite grâce à la mise en œuvre d’un concept de blindage.
Un connecteur (connecteur) peut alors jouer à la fois le rôle de puits de perturbations et de source de perturbations : d’une part, il peut être soumis à l’influence d’autres composants du module et, d’autre part, il peut lui-même exercer un effet électromagnétique sur les composants environnants. L’inductance mutuelle 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, il faut perturber le signal utile à l’aide d’un générateur de rafales et mesurer l’inductance mutuelle maximale admissible. Si la tension induite (Uind), la tension du générateur (UGen) et la constante du générateur (kGen) sont connues, l’inductance mutuelle (L) maximale admissible spécifique à chaque application peut être déterminée à l’aide de la formule suivante :
L = Uind / (UGen * kGen)
L’inductance mutuelle aide également l’utilisateur à définir le connecteur adapté en termes de compatibilité électromagnétique. Cela permet d’éviter les essais par tâtonnements, coûteux et chronophages, en CEM-Labor.
Il est par ailleurs possible de réduire l’inductance mutuelle d’un connecteur à l’aide d’un blindage. Voici un exemple d’application : pour un signal HDMI, une inductance mutuelle maximale spécifique au cas de 47 pH a été déterminée à une tension de 4,4 kV. Si la valeur est supérieure, le signal ne peut plus être transmis sans interférences. La figure ci-dessous montre que l’inductance mutuelle a été considérablement réduite grâce à la mise en œuvre 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 injecté 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 avec un connecteur non blindé (connecteur) a montré qu’il existait dans ce cas une inductance mutuelle pouvant atteindre 196 pH. Compte tenu de la valeur limite déterminée de 47 pH, une transmission de signal sans perturbation ne serait donc plus garantie. En revanche, pour le connecteur blindé (connecteur), les valeurs d’inductance de couplage se situent entre 1 et 4 pH. Celles-ci ont donc pu être réduites d’un facteur d’environ 50 grâce au blindage, garantissant ainsi une transmission sans interférences. Avec un nombre de pôles plus élevé, une réduction d’un facteur de 100 à 200 est même possible.
Pour l’utilisateur, le blindage présente deux avantages : d'une part, le connecteur (connecteur) agit ainsi moins comme source de perturbations ; d'autre part, grâce à son blindage (blindage), il constitue un puits de perturbations moins important pour les signaux. L'utilisation de connecteurs blindés permet en outre de les positionner plus près des sources et des puits de perturbations sur le circuit imprimé. De plus, cela permet d'atteindre une classe de performance supérieure lors des essais de rafales (Burst) et de surtensions (Surge) prescrits pour l'appareil électrique.
Pour l’utilisateur, le blindage présente deux avantages : d'une part, le connecteur (connecteur) agit ainsi moins comme source de perturbations ; d'autre part, grâce à son blindage (blindage), il constitue un puits de perturbations moins important pour les signaux. L'utilisation de connecteurs blindés permet en outre de les positionner plus près des sources et des puits de perturbations sur le circuit imprimé. De plus, cela permet d'atteindre une classe de performance supérieure lors des essais de rafales (Burst) et de surtensions (Surge) 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 aux structures modulaires des capteurs ou des caméras impose l’utilisation de connecteurs (connecteur) miniaturisés en conséquence. Au cours des dernières décennies, les connecteurs ont donc vu leur taille réduite à une fraction de leur dimension d’origine, tout en conservant des performances pratiquement identiques.
La technologie de montage en surface (Surface-Mount-Technologie) est particulièrement adaptée aux applications où l’espace disponible est très restreint. Elle permet de gagner beaucoup de place, car elle autorise un montage des composants des deux côtés du circuit imprimé ainsi que des pas réduits. Avec la technique d’technologie press-fit, par exemple, un pas étroit de seulement 0,5 mm ne serait pas réalisable en raison des forces physiques exercées lors du processus d’technologie press-fit – pas plus qu’un assemblage de cartes électroniques des deux côtés 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 : en effet, les composants sensibles d’un module sont souvent très proches les uns des autres dans ces cas-là. Il en résulte un risque accru d’interférences électromagnétiques entre les composants. Bien entendu, la transmission des données dans votre application ne doit en aucun cas être perturbée, faussée, voire empêchée. C’est pourquoi la protection contre les interférences électromagnétiques (EM) revêt une importance croissante. Afin d’éviter les perturbations de signal, il est donc recommandé, comme pour les connecteurs à haute vitesse (connecteur 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 l’électronique contre ces influences extérieures, l’ensemble du module peut être encapsulé. Pour cela, il faut toutefois une solution de connexion également compatible avec l’encapsulation. Les connecteurs connecteur classiques sont ici clairement désavantagés, car la zone de connexion (zone d'accouplement) vulnérable doit être protégée de la résine d'enrobage d’encapsulation. La technologie de contact à ressort et à lame utilisée ne présenterait pas ici l’indice de protection IP requis pour ces matériaux.
Lorsqu’il s’agit de choisir le bon connecteur « connecteur », il convient donc de privilégier une solution de connexion monobloc, c’est-à-dire un connecteur « connecteur » qui se passe du « zone d'accouplement » traditionnel. La « résine d'enrobage » offre ainsi une solution de connexion durable et robuste, sans toutefois pouvoir pénétrer dans la zone de contact.
Si la robustesse des composants électroniques doit être testée, cela est possible dans le cadre d’essais en laboratoire. Le profil de choc normalisé (profile) doit alors correspondre à l’état de référence (control), c’est-à-dire à une accélération de 50 g avec une tolérance de 20 % (high abort et low abort). Conformément à la norme DIN EN 60068-2-27, une durée de choc ( microcoupure ) ≤ 1 µs est autorisée.
Si la robustesse des composants électroniques doit être testée, cela est possible dans le cadre d’essais en laboratoire. Le profil de choc normalisé (profile) doit alors correspondre à l’état de référence (control), c’est-à-dire à une accélération de 50 g avec une tolérance de 20 % (high abort et low abort). Conformément à la norme DIN EN 60068-2-27, une durée de choc ( microcoupure ) ≤ 1 µs est autorisée.
Si, dans votre application, le connecteur (connecteur) est exposé à des influences environnementales extrêmes telles que les vibrations, les chocs, l’humidité, la saleté, les températures extrêmes ou les variations de température, une robustesse extrême est également requise. L’enrobage 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 de « enrobage » et de « technologie press-fit ». Cette dernière a déjà fait ses preuves des milliards de fois et est considérée comme la solution de connexion la plus robuste et la plus fiable, même dans des conditions défavorables. Dans le cadre de la « technologie press-fit », 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, cela permet de réaliser des économies pouvant atteindre 50 %, car cela évite les travaux de soudure fastidieux et les solutions de câblage coûteuses. En l’absence de la zone de connexion vulnérable (zone d'accouplement), un connecteur (connecteur) associé à la technique d’insertion par pression (technologie press-fit) peut même résister à des chocs de 50 à 200 g sans interruption de microcoupure.
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 (connecteur) dont vous avez besoin ne doit que très rarement répondre à une seule de ces exigences. C’est pourquoi de nombreux connecteurs répondent à plusieurs de ces critères, avec des priorités variables. Dans certains cas, il peut également être intéressant de s’intéresser aux connecteurs « polyvalents ». Si, par exemple, plusieurs connecconnecteur doivent être utilisés simultanément, il est recommandé de se tourner vers une gamme de produits offrant une grande évolutivité. Cela permet d’éviter des cycles de validation longs et coûteux, tout en garantissant que tous les produits d’une même gamme de connecfamille de connecteurs sont compatibles entre eux, qu’ils soient blindé, non blindé, droits ou coudé.
Des questions ?
En tant qu’experts en connecteurs et contacts pour circuits imprimés, nous partageons volontiers notre savoir-faire, par exemple lors de webinaires sur mesure :
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. Vous pouvez également nous contacter directement pour toute question relative aux connecteur !
ept GmbH
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