Leiterplattensteckverbinder Klemmen: Datenübertragung und elektromagnetische Kompatibilität

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Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

Steckverbinder müssen die Signale und Daten möglichst schnell und möglichst sicher zwischen den entsprechenden Leiterplatten hin und her leiten. Ein umfassendes Board-to-Board-Steckverbinder-Programm bietet verschiedene Lösungen für schnelle Datenübertragung sowie für höchste Störfestigkeit (EMV).

Leiterplattenklemmen sind Multitalente: Sie übertragen sowohl Daten als auch Signale und stellen die Stromversorgung für die jeweilige Applikation sicher. Gleichzeitig ergeben sich je nach Anwendung weitere Anforderungen – sie müssen robust und variabel sein oder eine möglichst geringe Baugröße mitbringen.

Das Spektrum an entsprechenden Board-to-Board-Steckverbindern umfasst sowohl hochspezialisierte Lösungen als auch Allrounder, die für zahlreiche Anwendungen geeignet sind. Bei der Entwicklung solcher Allrounder entstehen konkurrierende Herausforderungen – zum Beispiel mechanische Robustheit kontra Signalintegrität der Datenübertragung.

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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 Rastermaß von 0,8 mm. Verfügbar in mezzaniner oder gewinkelter Anordnung mit möglichen Datenübertragungsraten von mehr als 16 GBit/s eignen sie sich besonders für industrielle, mobile sowie moderne medizintechnische Applikationen. Das System basiert auf hermaphroditischen Doppelkontakten – der sogenannten ScaleX-Kontakttechnologie (Bild 1).

Die redundanten Kontakte ermöglichen eine zuverlässige Verbindung in nahezu allen Anwendungssituationen. Toleranzen in Steckposition und -winkel werden bis 0,7 mm bzw. 5° in allen Richtungen ausgeglichen. Im gesteckten Zustand ist eine Toleranzkompensation bis 0,3 mm 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 1,5 mm verfügt der Steckverbinder über eine zusätzliche Kontaktsicherheit von rund 0,8 mm. Dadurch lassen sich Platinenabstände flexibel im Bereich von 6 bis 21 mm bei mezzaniner Anordnung 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.

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 möglich wird. Im Gegensatz dazu wird bei den geschirmten Typen beispielsweise eine CT- oder Röntgenanalyse zur Evaluierung der Lötergebnisse eingesetzt.

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 (Bild 2).

Anders ist es bei induzierten Feldern und resultierenden EMV-Eigenschaften. Hier zeigt sich der Vorteil der geschirmten Steckverbinder. Unabhängig von der Schirmung dient eine Masse-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 1,6 mm. Zusammen mit einer Masse-Belegung der äußeren Kontakte erzielt dies eine 360° Schirmung. 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 die Signalqualität negativ. Anders ist es bei der ungeschirmten Ausführung. Insbesondere die serielle Datenübertragung (Bild 4) zeigt sehr plakativ das induzierte Magnetfeld.

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 erreichen. 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-Zinn-Legierung gefertigt und damit selbst unmagnetisch. Dadurch lassen sie beispielsweise in bildgebenden Auswertesystemen wie etwa Magnetresonanztomographen in der Medizintechnik einsetzen.

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 10 A (12-polig) bzw. 16 A (80-polig) pro Schirmblechseite zu übertragen (Bild 4). 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. (kr)

* Arndt Schafmeister ist Senior Specialist Board-to-Board Connectors bei Phoenix Contact in Blomberg.

* Thomas Schulze ist Product Manager Board-to-Board Connectors bei Phoenix Contact in Blomberg.

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