Allrounder-Board-to-BoardSteckverbinder für die All Electric Society
High-Speed-Datenübertragung und elektromagnetische Kompatibilität
Die Vernetzung der Welt auf dem Weg zur All Electric Society verlangt von Geräten und Schnittstellen immer schnellere Datenübertragungen. Dies erfordert Verbindungen, die Signale und Daten möglichst schnell und möglichst sicher zwischen den entsprechenden PCBs hin und her leiten. Ein umfassendes Board-to-Board-Steckverbinder-Programm bietet verschiedene Lösungen für schnelle Datenübertragung sowie für höchste EMV-Anforderungen.
Bild 1 | Design-in-Support für eine optimale Steckverbinderkombination und Kontaktbelegung mit Arndt Schafmeister
Bild 1 | Design-in-Support für eine optimale Steckverbinderkombination und Kontaktbelegung mit Arndt SchafmeisterBild: Phoenix Contact GmbH & Co. KG

Leiterplattenklemmen müssen Multitalente sein. Sie übertragen sowohl Daten als auch Signale und stellen die Leistungsversorgung für die jeweilige Applikation sicher. Gleichzeitig ergeben sich je nach konkreter Anwendung weitere Anforderungen – beispielsweise Robustheit, Variabilität oder eine möglichst geringe Baugröße. Das Spektrum an entsprechenden Board-to-Board-Steckverbindern umfasst sowohl hochspezialisierte Lösungen als auch Allrounder, die für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet sind. Bei der Entwicklung solcher Allrounder entstehen konkurrierende Herausforderungen – zum Beispiel mechanische Robustheit und Signalintegrität der Datenübertragung. Ein solches Allrounder-System bietet Phoenix Contact mit den Board-to-Board-Steckverbindern der Serie FP 0,8. Ein Portfolio von aktuell 90 verschiedenen Artikeln bietet robuste Leiterplattenverbindungen im kompakten Rastermaß von 0,8mm an. Verfügbar in mezzaniner oder gewinkelter Anordnung mit möglichen Datenübertragungsraten von mehr als 16Gbit/s, eignen sie sich besonders für industrielle, mobile sowie moderne medizintechnische Applikationen. Das System basiert auf hermaphroditischen Doppelkontakten – der sogenannten ScaleX-Kontakttechnologie. Die redundanten Kontakte ermöglichen eine zuverlässige Verbindung in nahezu allen Anwendungssituationen. Toleranzen in Steckposition und -winkel werden bis 0,7mm bzw. 5° in allen Richtungen ausgeglichen. Im gesteckten Zustand ist eine Toleranzkompensation bis 0,3mm in longitudinaler und transversaler Richtung gegeben. Gleichzeitig benötigen Steckverbinder der Serie FP 0,8 im Vergleich zu eher spezialisierteren Floating-Steckverbindern deutlich weniger Bauraum und ermöglichen dennoch multiple Verbindungen von Leiterplatten. In Steckrichtung ist das Toleranzfenster noch deutlich größer: Zusätzlich zum qualifizierten Steckbereich, der sogenannten Wipe Length, von 1,5mm verfügt der Steckverbinder über eine zusätzliche Kontaktsicherheit von rund 0,8mm. Diese Eigenschaft ermöglicht es, Platinenabstände flexibel im Bereich von 6 bis 21mm bei mezzaniner Anordnung zu realisieren. Auch mit den gewinkelten Typen ergeben sich verschiedene Einbaumöglichkeiten. Weitere Flexibilität im Gerätedesign resultiert aus den fünf unterschiedlichen Polzahlvarianten – von 12- bis 80-polig – jeweils in der platzsparenden doppelreihigen Anordnung. Alle Steckverbinder sind sowohl in geschirmter als auch in ungeschirmter Ausführung verfügbar.

Bild 2 | ScaleX-Kontakttechnik mit hermaphroditischen Doppelkontakten sorgt für eine extrem 
robuste Board-to-Board-Verbindung.
Bild 2 | ScaleX-Kontakttechnik mit hermaphroditischen Doppelkontakten sorgt für eine extrem robuste Board-to-Board-Verbindung.Bild: Phoenix Contact GmbH & Co. KG

EMV und Datenübertragung

Prinzipiell lassen sich sowohl über die geschirmten als auch über die ungeschirmten Steckverbinder die gleichen Daten und Signale übertragen. Geometrisch unterscheiden sich die Kontakte in den Standardausführungen lediglich in der Ausgestaltung der Lötflächen. Die geschirmten Typen verfügen über Signalkontakte mit innenliegenden Gullwing-Lötflächen. Diese ragen bei den ungeschirmten Ausführungen unter dem Gehäuse hinaus, wodurch eine AOI-Kontrolle der Lötergebnisse ermöglicht wird. Wohingegen bei den geschirmten Typen beispielsweise eine CT- oder Röntgenanalyse zur Evaluierung der Lötergebnisse eingesetzt wird. In den für die Datenübertragung üblichen Diagrammen zum Verhalten von Einfüge- und Rückflussdämpfung sowie zum Nebensprechen ergibt sich aus diesen geometrischen Unterschieden keine größere Abweichung. Anders ist es bei induzierten Feldern und resultierenden EMV-Eigenschaften. Hier zeigt sich der Vorteil der geschirmten Steckverbinder. Unabhängig von der Schirmung dient eine Ground-Belegung einzelner Kontakte zum Potentialausgleich und zur Abtrennung von Signalkontakten. Die geschirmten Steckverbinder verfügen zusätzlich über Schirmbleche in longitudinaler Ausrichtung mit multiplen Lötfüßen im Raster von 1,6mm. Zusammen mit einer Ground-Belegung der äußeren Kontakte erzielt dies eine 360° Abschirmung. Somit werden die Signalkontakte gegen äußere Störeinflüsse geschützt und die eigene Störaussendung minimiert. Die Darstellung der Magnetfelder veranschaulicht dies: Die geschirmte Ausführung induziert weder ein Feld außerhalb der Schirmung durch die innenliegende hochfrequente Signalübertragung, noch breitet sich das Feld eines äußeren Störsignals ins Innere aus und beeinflusst dabei negativ die Signalqualität. Anders ist es bei der ungeschirmten Ausführung. Insbesondere eine serielle Datenübertragung zeigt sehr plakativ das induzierte Magnetfeld.

Bild 3 | Das Portfolio umfasst geschirmte und ungeschirmte Ausführungen, die auch für multiple Board-to-Board-Verbindungen geeignet sind.
Bild 3 | Das Portfolio umfasst geschirmte und ungeschirmte Ausführungen, die auch für multiple Board-to-Board-Verbindungen geeignet sind.Bild: Phoenix Contact GmbH & Co. KG

Geschirmte Board-to-Board-Verbinder in der Anwendung

Die dargestellten Effekte erfordern in vielen Anwendungen geschirmte Leiterplattenverbinder, um ein hohes Maß an Störfestigkeit der Signalkontakte gegen die Umgebung zu erhalten. Dies schützt sensible Signale bzw. hemmt stark emittierende Störungsquellen entsprechend effektiv in ihrer Intensität. Die Schirme der Board-to-Board-Steckverbinder der Serie FP 0,8 sind aus einer Kupfer-Nickel-Zinnlegierung gefertigt und damit selbst unmagnetisch. Diese Eigenschaft erlaubt es beispielsweise, sie in bildgebenden Auswertesystemen wie etwa Magnetresonanztomographen in der Medizintechnik einzusetzen. Neben der proprietären Abschirmfunktion können die Schirmkontakte auch genutzt werden, um Strom zu übertragen. Damit bieten sie sich auch bei unkritischen Signalen an. Je nach Polzahl ist es möglich, einen Strom von bis zu 10A (12-polig) bzw. 16A (80-polig) pro Schirmblechseite zu übertragen. Auch an dieser Eigenschaft wird deutlich, dass es sich bei den Board-to-Board-Steckverbindern der Serie FP 0,8 um echte Allrounder für vielfältige Anwendungen handelt, wie sie für die vernetzten Geräte und Systeme erforderlich sind.

Datenübertragungsgeschwindigkeiten

Die vorgestellten Allrounder-Board-to-Board-Steckverbinder von Phoenix Contact erlauben Datenübertragungsraten von mehr als 16Gbit/s. Konkret sind je nach Kombination auch deutlich höhere Übertragungsgeschwindigkeiten möglich. Zur Ermittlung einer Datenübertragungsgeschwindigkeit hat sich in der Nachrichtentechnik die Herleitung aus dem Einfügedämpfungsverhalten etabliert. Üblich ist es, die Frequenz zu betrachten, bei der die Dämpfung das erste Mal den Betrag von 3dB überschreitet. Übersetzt bedeutet eine Einfügedämpfung (engl. Insertion Loss) von -3dB, dass das Signal auf rund 70 Prozent seiner Ausgangsspannung gedämpft ist. Basierend auf der Annahme einer binären Signalübertragung zeigt sich durch Verdopplung der ermittelten Frequenz bei -3dB die Datenübertragungsrate.

Konkret ergibt sich beispielsweise bei FP 0,8 Board-to-Board-Steckverbindern in einer mezzaninen Anordnung mit 6mm Platinenabstand eine Bandbreite von rund 17GHz beim ersten Überschreiten der -3dB Grenze – die maximale Datenübertragungsrate liegt somit bei etwa 34Gbit/s und damit weit über den nominalen 16Gbit/s.

Phoenix Contact GmbH & Co. KG

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