Ein robuster Allrounder macht den Unterschied

Es gibt eine Vielzahl an Anwendungen in den unterschiedlichen Märkten, bei denen mit rauen Umgebungsbedingungen zu rechnen ist. Mobile medizintechnische Geräte stehen häufig unter Schock- und Vibrationseinflüssen. Ein einwandfreier Betrieb ist jedoch lebensnotwendig. Fällt ein Defibrillator beim Einsatz zu Boden, darf dies die Funktion nicht beeinträchtigen. Infusions- und Monitoring-Geräte im mobilen Einsatz – vom Krankenhausbett, der Transporttrage über den Krankentransportwagen (KTW) bis hin zum Helikoptereinsatz – sind ständig Schocks und Vibrationen ausgesetzt, müssen aber zuverlässig funktionieren.

Der Einsatz von Kameras und Sensorik in Drohnen zur Überwachung und Inspektion technischer Objekte und Einrichtungen wie zum Beispiel Windenergieanlagen ist längst Standard. Auch hier herrschen harsche Umgebungsverhältnisse. Die mechanischen und thermischen Einwirkungen auf die Elektronik dürfen jedoch keinen Kontaktausfall bewirken.

Im Prozess- und Automationsbereich laufen Motoren und Maschinen, werden Transportsysteme und Roboter betrieben, von denen Stöße und Vibrationen ausgehen können. Bereits bei der Entwicklung elektronischer Geräte und Module werden diese Umgebungsverhältnisse beurteilt und deren Einflüsse berücksichtigt.

Einfluss auf die Steckverbindung

Berücksichtigt man beim Geräte-Design den Einfluss harscher Umgebungsbedingungen auf Steckverbinder, denkt man sofort an die von außen sichtbaren Schnittstellen. Im Zusammenhang mit sogenannten „rugged“ oder „Heavy Duty“-Steckverbindern werden Stichworte genannt wie IP-Schutz, Steckrobustheit, Zugentlastung, Vibrations- und Schockstabilität. Hierfür gibt es eine Vielzahl an Produkten, die die entsprechenden Anforderungen erfüllen. Was aber ist mit den im Gerät verbauten Komponenten? Diese Steckverbinder können im Betrieb keine visuelle Rückmeldung über ihren Zustand geben und sollen zusätzlich toleranzabsorbierende Eigenschaften auf engstem Bauraum besitzen. Um die zuverlässige Funktionalität der Geräte sicherzustellen, müssen sie im Besonderen den vorgenannten Herausforderungen gewachsen sein. Eine zentrale Rolle dabei spielen Board-to-Board (BtB)-Steckverbinder.

Haupteinflüsse auf Board-to-Board-Steckverbinder im harschen Einsatz

Moderne BtB-Steckverbinder müssen hohe Datenraten übertragen, mechanischen Belastungen standhalten, Toleranzen ausgleichen, bauraumoptimiert sein und dabei zuverlässig in rauen Umgebungen funktionieren. Während man korrodierende Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit, Staub, Chemikalien und UV-Strahlung bei einem professionellen Gehäuse-Design im Geräteinneren weitestgehend vernachlässigen kann, hat man zum Beispiel mit Temperaturschwankungen sowie mechanischen Einflüssen immer zu rechnen. Mit steigenden Datenraten etwa bei der Bild-, Video- und Messwertübertragung in Echtzeit kommt eine weitere Herausforderung überlagernd hinzu, die einen besonderen Schutz vor elektromagnetischen Störungen (EMV) erfordert. Das betrifft sowohl die potenziellen Interferenzen, die von den High-Speed-Signalen innerhalb des Steckverbinders ausgehen können, als auch die Interferenzen, die in die Signalpfade des Steckverbinders selbst einwirken.

Eine Vielzahl der BtB-Steckverbinder am Markt sind „Spezialisten“ und für die unterschiedlichen Einsatzbereiche optimiert. Um Entwicklern jedoch maximale Freiheit beim Einsatz eines BtB-Steckverbinders zu ermöglichen, müssen alle diese Einflussfaktoren schon bei der Entwicklung geeigneter Systeme berücksichtigt werden. Phoenix Contact hat sich dieser Herausforderung gestellt und ein robustes, flexibles und kompaktes System entwickelt: FP 0,8 mit ScaleX-Technologie.

Die FP 0,8-Serie bietet eine Vielzahl von Kombinationen an, die aus Varianten wie AOI (Automatische Optische Inspektion) sowie den layoutkompatiblen Ausführungen SH (geschirmt) und SL (ungeschirmt) bestehen. Durchgängige Stapelhöhen von 6 mm bis 21 mm und die optionale Schirmung runden das Portfolio ab.

Was macht den FP 0,8 so besonders für den Einsatz auch in harscher Umgebung?

Grundsätzlich fängt Robustheit bereits beim ersten Fügen oder Blindstecken der BtB-Steckverbinder an. Dabei dürfen die Kontakte nicht beschädigt werden. Die Gehäuseform der Steckverbinder muss so gestaltet sein, dass sich die Steckerpaarung einfach findet und während des Steckens korrekt positioniert.

Mit Blick auf die Kontaktsicherheit hat ein Doppelkontakt (zwei Kontaktpunkte) generell Vorteile gegenüber einem Einzelkontakt (Single-Beam/ein Kontaktpunkt). Dieses wurde bei der Konzeption des ScaleX-Systems berücksichtigt. Zusätzlich zum marktgängigen Standard-Doppelkontakt, der einen Stiftkontakt (male) wie eine Pinzette umschließt (female), ist bei dem ScaleX-System ein weiterer Stiftkontakt hinzugefügt. Im Zusammenspiel mit der robusten Gehäusegeometrie führt diese Ausführung eines Doppelkontakts sogar zu einem x-y-z-Toleranzausgleich im gesteckten Zustand – obwohl es sich nicht um einen klassischen Floating-Steckverbinder handelt. In x-y-Richtung wird damit ein Toleranzausgleich von mindestens +/- 0,3 mm und in Steckrichtung (z-Richtung) eine Überstecklänge (wiping) von 1,5 mm erreicht. Bei Ausnutzung der gesamten Überstecklänge verbleibt eine komfortable Restkontaktüberdeckung von 0,8 mm.

Darüber hinaus wird eine Verwinkelung der durch FP 0,8 verbundenen Leiterplatten von +/- 5° im Betrieb ebenfalls kompensiert und gefährdet keinesfalls die zuverlässige Kontaktierung der Steckverbindung. Bedingt durch thermische und mechanische Einwirkung in harschen Umgebungen kann es auch im Betrieb zu einer Lageveränderung der Leiterplatten zueinander kommen. In dem o. g. Bereich sorgt das FP 0,8-ScaleX-System für eine zuverlässige elektrische Verbindung.

Durch die gewählte Vergoldung der Kontakte werden 500 Steckzyklen erreicht. Zudem wirkt diese sich in Bezug auf Schock und Vibrationen positiv auf die Kontaktsicherheit aus. Das gesamte FP 0,8-System ist nach IEC 60512 spezifiziert. Zusätzlich hat es die Vibrations- und Schock-Tests nach IEC 61373 (Cat 1 und CAT 2) bestanden. Die mechanischen Einflussgrößen sind mit FP 0,8 also weitestgehend kompensierbar.

Aber was ist mit elektromagnetischen Interferenzen? Hier bietet die FP 0,8-Serie ebenfalls eine Lösung durch optionale Schirmung. Wie bereits erwähnt weist die FP 0,8-Serie drei Versionen auf. Die AOI-Version ist die klassische, nicht geschirmte Ausführung. Bei dieser Variante werden die Lötstellen, ähnlich einem Small Outline-Gehäuse (SO) aus der Halbleitertechnik, seitlich nach außen geführt. Bei den SL-Versionen ist das Leiterplatten-Layout eher in der Form eines Land Grid Arrays (LGA) zu sehen, wobei die Schirmanbindung bei SH wiederum einen SO-Charakter hat. Um die Schirmfähigkeit zu optimieren, wurden so viele Schirmanbindungen (Lötstellen) wie sinnvoll platziert.

Mit dieser optimierten Schirmtechnik sind sowohl die schnellen Daten und Signale im Steckverbinder als auch dessen Außenwelt vor ESD-Einflüssen sicher. Durch das kombinierbare Design von SH und SL kann man mit dem SH-Layout starten und zu einem späteren Zeitpunkt entscheiden, ob man weiter die geschirmte Version (SH) oder die ungeschirmte (SL) einsetzen möchte. Zusätzlich bietet die galvanische Trennung der beiden Metallschirme die Möglichkeit, eine Spannungsversorgung über die Schirme zu führen, womit der FP 0,8 zu einem hybriden BtB-Steckverbinder wird. Eine klare Erleichterung im Design-Prozess.

Fazit

Moderne Geräte werden immer häufiger auch in harschen Umgebungen eingesetzt. Dabei spielen BtB-Steckverbinder eine zentrale Rolle. Auf der einen Seite müssen sie den mechanischen, thermischen und elektromagnetischen Einwirkungen trotzen. Auf der anderen Seite sollen sie genügend Flexibilität besitzen, um genau jene Eigenschaften anzubieten, die für die speziellen Einsatzgebiete notwendig sind. Die Serie FP 0,8 von Phoenix Contact bringt genau diese Flexibilität, Kompaktheit und Performance mit, um im rauen Einsatz zuverlässig zu funktionieren.