Steckverbinder in Embedded- und industriellen Systemen

Autor: John Feaster, Harwin

Industrielle und eingebettete Systeme werden unter erheblichem Kostendruck entwickelt und müssen heutzutage unter deutlich strengeren Toleranzen sowie unter härteren Bedingungen als in der Vergangenheit arbeiten. Zusätzliche Faktoren, insbesondere der zur Verfügung stehende Platz und das Aufkommen des IIoT (mit seinen erhöhten Datenmengen), sorgen dafür, dass die Integrität und Haltbarkeit von Steckverbindern von entscheidender Bedeutung geworden sind.

Die rasante Entwicklung erfordert sorgfältige Überlegungen hinsichtlich der Veränderungen, die sich im Verlauf der Lebensdauer eines Systems auf den Betrieb auswirken werden. In diesem Beitrag werden fünf wichtige Trends und Aspekte, um Anwendungen zukunftssicher zu machen, beleuchtet - insbesondere wenn die Budgets knapp sind. 

1. Vibrationsfestigkeit

Überwachungs- und Automatisierungssysteme sind heute oft höheren Belastungen ausgesetzt als früher. Steckverbinder müssen unter den vorgegebenen Bedingungen eine zuverlässige Funktion gewährleisten. Vibrationsfestigkeit ist kein Luxus mehr, der vernachlässigt werden kann.

Die für die Entwicklung hochzuverlässiger (HRI) Steckverbinder in extremen Umgebungen entwickelten Techniken (z. B. Datamate von Harwin) werden auch auf Steckverbinder für industrielle und Embedded-Systeme übergehen. 

Ein Beispiel ist die Kontrol-Steckverbinderserie von Harwin, die für hohe Vibrationsbelastungen ausgelegt ist. Deren Komponenten wurden daraufhin getestet, 12 Stunden lang einer Belastung von 20 G standzuhalten. Auch Merkmale wie ummantelte Stifte und sichere Verriegelungsmechanismen sind gefordert, um eine sichere Verbindung bei Vibrationen zu gewährleisten.

2. Mehr Steckzyklen

Im Hinblick auf die Haltbarkeit hat sich die Anzahl der Steckzyklen, denen Steckverbinder heutzutage standhalten müssen, in den letzten Jahren erheblich erhöht. 

Wie bei der Vibrationsfestigkeit finden die von fortschrittlichen Steckverbinderlieferanten für HRI-Serien entwickelten Techniken auch Eingang in die preisgünstigeren BBi-Steckverbinderserien. So sind die BBi-Steckverbinder der Kontrol-Serie von Harwin für 500 Steckzyklen ausgelegt, was für eine industrielle Komponente sehr hoch ist.

Dennoch sollten Entwickler die wahrscheinliche Anzahl der Steckvorgänge berechnen, die während der Lebensdauer des Systems erforderlich sind. Dabei lässt sich klären, ob ein Standard-Handelsstecker geeignet ist oder ob ein dediziertes HRI-Modell benötigt wird. 

3. Weniger Platz für das System

Moderne Systeme müssen immer mehr Funktionen auf kleinerem Raum unterbringen. Steckverbinder sind sperrige Komponenten auf der Platine und entscheidend für die Miniaturisierung. Selbst in die BBi-Reihe wurden kleinere Steckverbinder mit niedrigerem Profil für kostengünstigere Anwendungen aufgenommen. Der Trend der Miniaturisierung trifft auch auf die Raster- und Stiftkonfigurationen zu – mit mehr Stiften in kleineren Steckverbindern, die bessere Layouts verwenden.

Kleinere Steckverbinder sind nicht die einzige Lösung zur Reduzierung der Leiterplattengröße. Entwickler sollten das Gesamtsystem prüfen: Ist jeder Pin wichtig? Kann er entfernt werden? 

Eine weitere Möglichkeit, das Design auf Systemebene zu verkleinern, sind gemischte Layouts und Hybridsteckverbinder, die Strom- und Signaloptionen in einem einzigen Stecker kombinieren.

4. Elektromagnetische Störungen (EMI)

Je komplexer und dichter gepackt die Geräte werden, desto größer ist auch das Risiko, dass ungeschützte Systeme durch EMI beeinträchtigt werden. 

Um zukunftssicher zu sein, muss daher die (eventuell störbehaftete) Betriebsumgebung eines Systems über die gesamte Lebensdauer berücksichtigt werden. Daher sind Maßnahmen zu ergreifen, um aktuelle und zukünftige EMI-Werte zu minimieren. 

Entwickler müssen das Layout prüfen, ob es einen Standard-Board-to-Board-Steckverbinder wie Kontrol zulässt oder ob Hardware zur EMI-Minderung (Endgehäuse und geflochtene Kabelbaugruppen) sinnvoll ist.

5. Engere Fertigungstoleranzen

Ein Nachteil der Miniaturisierung von Leiterplatten mit zahlreichen Steckverbindern und kleinem Rastermaß besteht darin, dass die Fertigungsgenauigkeit entsprechend erhöht werden muss. Selbst kleine Ausrichtungsfehler während der Herstellung machen das Board unbrauchbar, insbesondere bei Systemen, die mehrere Steckzyklen erfordern.

Weniger Steckverbinder auf dem Board verringern das Risiko einer Fehlausrichtung eines einzelnen Steckverbinderpaares. Aber auch neuere Designs versuchen, dieses Problem zu lösen. So bieten schwimmende (Floating) Steckverbinder (wie die Flecto-Serie von Harwin) eine zusätzliche Toleranz und kombinieren Strom- und Signalsteckverbinder in einem einzigen Bauteil. Die Spezifikationen variieren je nach Anbieter. Die Flecto-Board-to-Board-Steckverbinder mit feinem Raster und hoher Pinzahl gleichen bis zu ±0,5 mm Fehlausrichtung in der X- und Y-Achse aus, um neben schneller Datenübertragung und gemischten Signal- und Stromversorgungsoptionen eine größere Ausrichtungstoleranz zu bieten.