Whitepaper Board-to-Board Steckverbinder für industrielle Sensoren und Kamerasysteme
Schneller, kleiner, robuster: Beim Einsatz in industriellen Sensoren und Kamerasystemen müssen Steckverbinder immer mehr Anforderungen gerecht werden. Der Trend geht in Richtung Modularisierung. Mithilfe von Board-to-Board-Steckverbindern lassen sich Leiterplatten variabel miteinander kombinieren und somit die Funktionalität des Sensors maßgeblich festlegen. In Zeiten von Industrie 4.0 müssen die Stecker dabei nicht nur immer kleiner und leistungsfähiger werden – neben Miniaturisierung und Highspeed erfordert der Einsatz im industriellen Umfeld oftmals eine extreme Robustheit. Dieser Leitfaden soll helfen, den richtigen Steckverbinder für Ihre Machine-Vision-Anwendung zu finden.
Drei Anforderungen stehen bei der Entwicklung moderner Sensoren und Kamerasysteme für industrielle Anwendungen im Vordergrund: Highspeed-Datenübertragung, Miniaturisierung und Robustheit. Diese Anforderungen lassen sich in den seltensten Fällen losgelöst voneinander betrachten – je nach Schwerpunktsetzung kann jedoch der optimale Steckverbinder für Ihre Anwendung gefunden werden.
Highspeed Datenübertragung
Intelligente Sensoren und Kameras in Industrieumgebungen benötigen in Zeiten von Big Data, IoT und IIoT auch eine sichere Highspeed-Datenübertragung. Steckverbinder für Highspeed-Anwendungen sollten über ein entsprechend hochperformantes Kontaktdesign verfügen. Da ein Steckverbinder aufgrund seiner Geometrie einen gewissen Risikofaktor für Schwankungen im Impedanzverlauf darstellt, gilt ein besonderes Augenmerk bei der Entwicklung von Highspeed-Steckverbindern der Optimierung des Kontaktdesigns zur Steuerung der Impedanz. Hierbei ist es wichtig, Querschnittsänderungen im Steckverbinder nach Möglichkeit auf ein Minimum zu reduzieren, denn diese haben Impedanzschwankungen zur Folge, welche wiederum zu Verlusten in der Signalübertragung führen.
Im Falle von miniaturisierten Aufbauten sollten Steckverbinder darüber hinaus eine EM-Schirmung aufweisen, da vor allem hochfrequente Signale besonders störungsanfällig für ungewollte elektromagnetische Effekte sind. Hier kann schon ein kleiner Impuls ausreichen, um das Nutzsignal zu verfälschen, sodass der Empfänger die digitalen Zustände nicht mehr eindeutig interpretieren kann.
Ein Steckverbinder kann dabei sowohl die Rolle der Störsenke als auch der Störquelle einnehmen, also zum einen dem Einfluss durch andere Komponenten der Baugruppe unterliegen und zum anderen selbst elektromagnetisch auf umliegende Bauteile einwirken. Mit der Koppelinduktivität LK, gemessen in picohenry (pH), kann der Stecker in beiden Funktionen – Quelle und Senke – beschrieben werden. Ein einfacher Messaufbau hilft Anwendern dabei, herauszufinden, welcher Stecker und welches Pinout für ihre jeweilige Anwendung notwendig, beziehungsweise optimal ist. Hierzu muss das Nutzsignal mithilfe eines Burstgenerators gestört und die maximal zulässige Koppelinduktivität gemessen werden. Sind die induzierte Spannung (Uind), die Spannung des Generators (UGen) sowie die Generatorkonstante (kGen) bekannt, kann für jede Anwendung die jeweils spezifische, maximal zulässige Koppelinduktivität (L) anhand folgender Formel bestimmt werden:
L = Uind / (UGen * kGen)
Die Koppelinduktivität hilft dem Anwender außerdem dabei, den passenden Steckverbinder bezüglich seiner elektromagnetischen Verträglichkeit zu definieren. Damit können auch kosten- sowie zeitintensive Trial-and-Error-Prüfungen im EMV-Labor umgangen werden.
Es ist darüber hinaus möglich, die Koppelinduktivität eines Steckverbinders mithilfe einer Schirmung zu senken. Hierzu ein Anwendungsbeispiel: Für ein HDMI-Signal wurde bei einer Spannung von 4,4 kV eine fallspezifisch maximale Koppelinduktivität von 47 pH ermittelt. Liegt der Wert darüber, kann das Signal nicht mehr störungsfrei übertragen werden. Die nachfolgende Abbildung zeigt, dass die Koppelinduktivität durch den Einsatz eines Schirmkonzeptes signifikant gesenkt wurde.
Ein Steckverbinder kann dabei sowohl die Rolle der Störsenke als auch der Störquelle einnehmen, also zum einen dem Einfluss durch andere Komponenten der Baugruppe unterliegen und zum anderen selbst elektromagnetisch auf umliegende Bauteile einwirken. Mit der Koppelinduktivität LK, gemessen in picohenry (pH), kann der Stecker in beiden Funktionen – Quelle und Senke – beschrieben werden. Ein einfacher Messaufbau hilft Anwendern dabei, herauszufinden, welcher Stecker und welches Pinout für ihre jeweilige Anwendung notwendig, beziehungsweise optimal ist. Hierzu muss das Nutzsignal mithilfe eines Burstgenerators gestört und die maximal zulässige Koppelinduktivität gemessen werden. Sind die induzierte Spannung (Uind), die Spannung des Generators (UGen) sowie die Generatorkonstante (kGen) bekannt, kann für jede Anwendung die jeweils spezifische, maximal zulässige Koppelinduktivität (L) anhand folgender Formel bestimmt werden:
L = Uind / (UGen * kGen)
Die Koppelinduktivität hilft dem Anwender außerdem dabei, den passenden Steckverbinder bezüglich seiner elektromagnetischen Verträglichkeit zu definieren. Damit können auch kosten- sowie zeitintensive Trial-and-Error-Prüfungen im EMV-Labor umgangen werden.
Es ist darüber hinaus möglich, die Koppelinduktivität eines Steckverbinders mithilfe einer Schirmung zu senken. Hierzu ein Anwendungsbeispiel: Für ein HDMI-Signal wurde bei einer Spannung von 4,4 kV eine fallspezifisch maximale Koppelinduktivität von 47 pH ermittelt. Liegt der Wert darüber, kann das Signal nicht mehr störungsfrei übertragen werden. Die nachfolgende Abbildung zeigt, dass die Koppelinduktivität durch den Einsatz eines Schirmkonzeptes signifikant gesenkt wurde.
Die Boardlocks sowie die äußeren Kontakte wurden dabei sowohl bei der ungeschirmten als auch der geschirmten Ausführung auf Massepotenzial gelegt, während über ein Kontaktpaar ein Signal eingebracht wurde. Die gemessenen Koppelinduktivitätswerte lassen sich anhand von farblichen Verläufen des elektrischen und magnetischen Feldes demonstrieren. Die Simulation mit einem ungeschirmten Steckverbinder hat gezeigt, dass hierbei eine Koppelinduktivität von bis zu 196 pH vorliegt. Bei dem ermittelten Grenzwert von 47 pH wäre damit eine ungestörte Signalübertragung nicht mehr gewährleistet. Beim geschirmten Steckverbinder hingegen liegen die Koppelinduktivitätswerte bei 1 bis 4 pH. Diese konnten also durch die Schirmung etwa um den Faktor 50 reduziert und somit auch eine störungsfreie Übertragung sichergestellt werden. Bei höheren Polzahlen ist sogar eine Reduktion um den Faktor 100 bis 200 möglich.
Für den Anwender hat die Schirmung in zweierlei Hinsicht positive Eigenschaften: Zum einen wirkt der Steckverbinder dadurch weniger als Störquelle, zum anderen stellt er durch die Abschirmung für die Signale eine geringere Störsenke dar. Durch den Einsatz von geschirmten Steckverbindern können diese nun außerdem näher an Störquellen und Störsenken auf der Leiterplatte positioniert werden. Zusätzlich wird eine höhere Leistungsklasse bei den vorgeschriebenen Burst- und Surge-Prüfungen des elektrischen Gerätes ermöglicht.
Für den Anwender hat die Schirmung in zweierlei Hinsicht positive Eigenschaften: Zum einen wirkt der Steckverbinder dadurch weniger als Störquelle, zum anderen stellt er durch die Abschirmung für die Signale eine geringere Störsenke dar. Durch den Einsatz von geschirmten Steckverbindern können diese nun außerdem näher an Störquellen und Störsenken auf der Leiterplatte positioniert werden. Zusätzlich wird eine höhere Leistungsklasse bei den vorgeschriebenen Burst- und Surge-Prüfungen des elektrischen Gerätes ermöglicht.
Miniaturisierung
Trotz zunehmender Funktionsintegration darf die Baugröße von Sensoren und Kamerasystemen nicht zunehmen. Zumeist wird in der industriellen Automation sogar eine stete Miniaturisierung gefordert, um Maschinen immer kompakter bauen zu können. Genauso verlangt auch der Trend zu modularen Aufbauten von Sensoren oder Kameras den Einsatz entsprechend miniaturisierter Steckverbinder. In den vergangenen Jahrzehnten haben sich die Steckverbinder daher bei nahezu identischer Leistungsfähigkeit auf einen Bruchteil ihrer ursprünglichen Baugröße reduziert.
Für Anwendungen mit besonders engem Bauraum bietet sich die Surface-Mount-Technologie an. Sie ist besonders platzsparend, weil sie eine beidseitige Bestückung der Leiterplatte sowie kleine Raster ermöglicht. Mit der Einpresstechnik wäre ein enges Raster von nur 0,5 mm aufgrund der beim Einpressvorgang wirkenden physikalischen Kräfte beispielsweise nicht realisierbar – eine beidseitige Leiterplattenbestückung ebenso wenig. Im Falle von miniaturisierten Anwendungen gilt es außerdem, ein weiteres wichtiges Kriterium bei der Wahl des richtigen Steckverbinders zu beachten: Demnach liegen sensible Komponenten einer Baugruppe in diesen Fällen häufig sehr nah beieinander. Dadurch entsteht ein erhöhtes Risiko gegenseitiger elektromagnetischer Beeinflussung der Bauteile. Natürlich darf die Datenübertragung bei Ihrer Anwendung unter keinen Umständen gestört, verfälscht oder gar verhindert werden. Aus diesem Grund gewinnt der EM-Schutz immer mehr an Relevanz. Um Signalstörungen zu vermeiden, empfiehlt sich daher, wie beim Highspeed-Steckverbinder, auch hier die Wahl eines geschirmten Steckverbinders.
Robustheit
Sensoren und Kamerasysteme, die maschinennah eingesetzt werden, sind in besonderem Ausmaß rauen Umwelteinflüssen ausgesetzt. Um die Elektronik vor diesen äußeren Einwirkungen zu schützen, kann die gesamte Baugruppe vergossen werden. Hierzu wird jedoch eine ebenso vergusskompatible Anschlusslösung benötigt. Gewöhnliche Steckverbinder sind hier klar im Nachteil, weil der vulnerable Steckbereich vor der Vergussmasse geschützt werden muss. Die eingesetzte Feder-Messer-Kontakttechnologie würde hierbei nicht die nötige IP-Schutzart für diese Werkstoffe aufweisen.
Bei der Frage nach dem richtigen Steckverbinder ist daher darauf zu achten, eine einteilige Anschlusslösung zu wählen, also einen Steckverbinder, der ohne den herkömmlichen Steckbereich auskommt. Dadurch ermöglicht die Vergussmasse eine dauerhafte und robuste Anschlusslösung, wobei sie jedoch nicht in den Kontaktbereich eindringen kann.
Sollen elektronische Bauteile hinsichtlich ihrer Robustheit geprüft werden, ist dies im Rahmen von Labortests möglich. Dabei muss das normierte Schockprofil (profile) dem Soll-Zustand (control) entsprechen, also einer Beschleunigung von 50 g mit einer Toleranz von 20 Prozent (high abort und low abort). Der DIN EN 60068-2-27 zufolge ist dabei eine Kontaktunterbrechung ≤ 1µs zulässig.
Sollen elektronische Bauteile hinsichtlich ihrer Robustheit geprüft werden, ist dies im Rahmen von Labortests möglich. Dabei muss das normierte Schockprofil (profile) dem Soll-Zustand (control) entsprechen, also einer Beschleunigung von 50 g mit einer Toleranz von 20 Prozent (high abort und low abort). Der DIN EN 60068-2-27 zufolge ist dabei eine Kontaktunterbrechung ≤ 1µs zulässig.
Ist der Steckverbinder bei Ihrer Anwendung im extremen Ausmaß äußeren Umwelteinflüsse wie Vibration, Schock, Feuchtigkeit, Schmutz, Extremtemperaturen oder Temperaturschwankungen ausgesetzt, wird auch eine extreme Robustheit erforderlich. Der Verguss Ihrer Baugruppe kann dabei helfen, dennoch ist es ratsam, nicht ausschließlich darauf zu vertrauen. Stattdessen empfiehlt sich eine Kombination aus Verguss und Einpresstechnik. Letztere hat sich bereits milliardenfach bewährt und gilt als robusteste und zuverlässigste Anschlussmöglichkeit – auch unter widrigen Bedingungen. Bei der Einpresstechnik wird der Steckverbinderstift (Pin) in ein durchkontaktiertes Leiterplattenloch eingepresst und somit eine elektrische, wie auch mechanische, Verbindung zwischen Steckverbinder und Leiterplatte erzeugt. Gleichzeitig können somit Kostenersparnisse von bis zu 50 Prozent erzielt werden, weil aufwendige Lötarbeiten und teure Kabellösungen vermieden werden. Entfällt der vulnerable Steckbereich, kann ein Steckverbinder in Kombination mit der Einpresstechnik sogar Schockbelastungen von 50 bis 200 g ohne Kontaktunterbrechung standhalten.
Wenn Allrounder gefragt sind
In der Theorie lassen sich diese Anforderungen – Highspeed-Datenübertragung, Miniaturisierung und Robustheit – relativ trennscharf voneinander betrachten. Als Anwender werden Sie jedoch sicherlich feststellen, dass der von Ihnen benötigte Steckverbinder in den seltensten Fällen nur einer der Anforderungen gerecht werden muss. Aus diesem Grund erfüllen viele Steckverbinder mehrere dieser Kriterien in unterschiedlichen Gewichtungen. In einigen Fällen lohnt es sich auch, einen Blick auf die „Allrounder“ unter den Steckverbindern zu werfen. Sollten beispielsweise mehrere Steckverbinder zugleich zum Einsatz kommen, ist es empfehlenswert, auf eine Produktfamilie zurückzugreifen, die eine hohe Skalierbarkeit aufweist. So können zeit- und kostenintensive Freigabeschleifen verhindert und zugleich sichergestellt werden, dass alle Produkte einer Steckverbinderfamilie miteinander kompatibel sind – egal, ob geschirmt, ungeschirmt, gerade oder gewinkelt.
Noch Fragen?
Als Experten für Leiterplatten-Steckverbinder und -Kontaktierung teilen wir unser Wissen gern, z.B. in auf Sie zugeschnittenen Webinaren:
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86971 Peiting, GERMANY
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