Leiterplattensteckerbinder BtB-Steckverbinder: Es muss nicht immer Highspeed sein

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Bei Board-to-Board-Steckverbindern ist die Geschwindigkeit der Datenübertragung ein entscheidendes Merkmal. Doch muss es immer gleich die Highspeed-Lösung sein? Dieser Beitrag zeigt, welche Kriterien für die Auswahl des geeigneten Bauteils relevant sind.

Sucht man im Internet nach dem Begriff „Geschwindigkeit“, erhält man unter den ersten Ergebnissen mindestens einen Vorschlag zum Thema „Geschwindigkeitsüberschreitung“. Hieran erkennt man die übliche Konnotation zum Begriff „Geschwindigkeit“ – wir denken in Grenz- oder Höchstgeschwindigkeiten.

Doch nicht immer ist Highspeed erforderlich. Vielmehr geht es darum, die passende Geschwindigkeit für den jeweiligen Anwendungsfall zu erreichen.

Wer eine Strecke von 5 km zum Supermarkt zurücklegen möchte, benötigt ja auch kein Space Shuttle. Wer aber in zwei Stunden beim 100 km entfernten Kunden sein möchte, sollte die Reise nicht mit dem Fahrrad antreten.

Verbindungstechnik: Geschwindigkeit als wesentliche Anforderung

Ähnlich verhält es sich bei den Verbindungstechnik-Komponenten elektronischer Bauteile. Hier kommt es bei der Datenübertragungs-Geschwindigkeit nicht auf die maximal zulässige Geschwindigkeit an, sondern auf die für die jeweilige Applikation erforderliche Datenübertragungsrate.

Der Trend geht in den letzten Jahren eindeutig in Richtung höherer Geschwindigkeiten. Die zunehmende Vernetzung der Welt erfordert höhere Datenraten, um die Kommunikation zwischen den verschiedenen Akteuren – Menschen wie Maschinen – zu ermöglichen.

Gleichzeitig werden Systeme und Abläufe zunehmend elektrifiziert. Neben einfachen und zweckdienlichen Lösungen werden daher auch immer häufiger robuste und technologisch anspruchsvolle Verbindungskomponenten erforderlich.

Vielfalt bei den Steckverbinder-Komponenten

Der Markt für Board-to-Board-Steckverbinder bietet genau diese Vielfalt an Verbindungstechnik-Komponenten. Neben einfachen Stift- und Sockelleisten in diversen Anordnungen stehen in Isolationskörpern geschützte Feder- und Messerleisten sowie Highspeed-Steckverbinder für besonders hohe Ansprüche zur Verfügung (Bild 1).

Neben der Datenübertragungs-Geschwindigkeit spielt der Platzbedarf bei der Auswahl des am besten geeigneten Steckverbinders eine entscheidende Rolle. Hohe Komponentendichten sind charakteristisch für moderne Elektronik-Produkte. Eine Miniaturisierung wird somit nicht nur bei den Geräte­abmessungen, sondern zwangsläufig auch bei den Board-to-Board-Steckverbindern angestrebt.

BtB-Steckverbinder: Worauf es bei der Auswahl ankommt

Einerseits ist die Baugröße des Steckverbinders entscheidend, andererseits der mit dem Steckverbinder realisierbare Abstand bei Mezzanine-Leiterplatten. In industriellen Anwendungen sind minimale Leiterplattenabstände von etwa 6 mm üblich.

In der Unterhaltungselektronik sind die Platinenabstände auch deutlich geringer. Damit der Board-to-Board-Steckverbinder möglichst wenig der kostbaren Leiterplattenfläche in Anspruch nimmt, haben sich in den letzten Jahren Teilungsmaße von weniger als einem Millimeter am Markt etabliert.

Auch hier müssen Sie zwischen industrieller und Unterhaltungselektronik unterscheiden. Wer den genauen Aufbau seines Smart­phones oder Tablets analysiert, erkennt in diesen Geräten auch deutlich kleinere Teilungsmaße.

Nun gilt es, das jeweilige Anforderungsprofil genau zu befolgen. In vielen industriellen Anwendungen sind die Themen Robustheit und Verlässlichkeit weitere wesentliche Auswahlkriterien.

Um die Vernetzung von Maschinen und Anlagen zu ermöglichen, müssen die zugehörigen Elektroniksysteme an die Umgebungsbedingungen angepasst sein. Auftretende Beanspruchungen durch Vibrationen sind an vielen Maschinen und Anlagen nicht zu vermeiden. Außerdem müssen Sie für einen dauerhaften Betrieb ein möglicher Modultausch in der Feldanwendung einplanen.

Hierfür muss das Board-to-Board-Steckverbindersystem unterschiedliche Einbaubedingungen ausgleichen und damit einen verlässlichen Betrieb sicherstellen.

Kontaktsystem: Zuverlässige und robuste Verbindung

Im Vergleich zu den eher einfach gestalteten Stift- und Sockelleisten sind bei anspruchsvollen Industrieanwendungen fili­grane und gleichzeitig robuste Kontaktsysteme zu wählen. Ein solches Kontaktsystem ist in den Board-to-Board-Steckverbindern der Produktfamilie FP 0,8 von Phoenix Contact verbaut.

Die Messer- und Federleisten im Raster 0,8 mm verfügen über sogenannte ScaleX-Doppelkontakte. Die Kontakte sind als Hermaphrodit ausgelegt und bestehen jeweils aus einem Stift- und Federelement. So entsteht eine vibrationsfeste Verbindung mit sehr geringem Platzbedarf.

Gleichzeitig gibt es einen langen Übersteckbereich, der flexible Leiterplatten­abstände in einem Bereich von 1,5 mm je Bauteilpaarung ermöglicht. Unberührt von dieser sogenannten Wiping-Toleranz ist eine Kontaktüberdeckung von 0,8 mm als Sicherheit gegeben (Bild 2).

Mit je zwei Messer- und Federleisten-Bauhöhen können Platinenabstände von 6 bis 12 mm umgesetzt werden.

Das Produktprogramm wird in der nächsten Zeit um weitere Ausführungen für größere Leiterplattenabstände erweitert – das ermöglicht eine große Freiheit beim Geräte-Design.

Die Isolationsgehäuse ermöglichen mit einem großen Fangbereich von ±0,7 mm sowie einer Neigungstoleranz von bis zu 4° ein komfortables und sicheres Stecken – auch in der Feldanwendung.

Außerdem ist ein Toleranzausgleich von ±0,3 mm im gesteckten Zustand gegeben. Hiermit können einerseits Fertigungstoleranzen bei der SMD-Bestückung und -Verlötung ausgeglichen werden. Andererseits ermöglicht der große Toleranzausgleich das Platzieren von mehreren Steckverbindern vom Typ FP 0,8 auf einer Platine, was mit konventionellen Board-to-Board-Steckverbindern nicht möglich ist.

Mezzanine & Co: Gerüstet für die Zukunft

Die Steckverbinder eignen sich sowohl für die Daten- als auch für die Signalübertragung. Pro Kontakt kann ein Strom bis zu 1,7  A übermittelt werden. So sind Datenübertragungs-Geschwindigkeiten von bis zu 16  GBit/s möglich. Damit ist das System auch bereit für zukünftige Anforderungen einer digitalisierten Welt.

Gerade im Bereich dieser Highspeed-Datenübertragungen gewinnt die Abstimmung der Impedanz eine besondere Bedeutung. Üblich ist ein Wert von 50 Ohm bei Single-Ended-Signalen und 100 Ohm bei differentiellen Anwendungen. Um mögliche Störeinflüsse abzuwenden, sind die Steckverbinder optional als geschirmte Ausführungen verfügbar. Alternativ können die Abschirmungen auch zur Stromversorgung mit bis zu 10 A pro Schirm eingesetzt werden.

Diese Flexibilität beim Einsatz einer Schirmung zeigt sich auch bei der Auswahl der für die jeweilige Anwendung am besten geeigneten Variante. Neben den Bautypen für die Mezzanine-Platinen stehen auch gewinkelte Typen für orthogonale und koplanare Platinenverbindungen in unterschiedlichen Kontaktzahlen von 12 bis 80 Kontakten pro Steckverbinder zur Verfügung (Bild 3).

Fazit: Wann und wo ist Highspeed nötig?

Achten Sie auf die Geschwindigkeit und die Umgebungsverhältnisse: Ist eine Highspeed-Datenübertragung in der jeweiligen industriellen Anwendung erforderlich, eignen sich Board-to-Board-Steckverbinder der Serie FP 0,8. Sie bieten eine hohe Geschwindigkeit, mechanische Robustheit und optionale Schirmung.

Das Gesamtpaket eignet sich für industrielle Anwendungen. Bei abgespeckten Anforderungen sollten Sie den Einsatz anderer Steckverbindertypen abwägen.

* Thomas Schulze, M.Sc., ist Produktmanager Board-to-Board-Steckverbinder im Bereich PCB Connectors bei Phoenix Contact in Blomberg.

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