Miniatur-Steckverbinder von Omnetics Vom Stecker auf die Platine

Auch Messinstrumente folgen dem allgemeinen Trend zur Miniaturisierung. Doch gerade die elektromechanischen Komponenten bieten dafür oft wenig Möglichkeiten. Helfen können dabei »Micro-auf-Nano-Übergangskabel«, um die Messsignale auf die Platine zu führen.

Elektroniksysteme verändern sich durch die höhere Leistungsfähigkeit neuer Halbleiterbausteine erheblich. Funktionsumfang und Verarbeitungsleistung nehmen stetig zu. Davon profitieren auch Messinstrumente, da Hersteller ihnen bei gleicher oder sogar kleinerer Größe immer mehr Funktionen hinzufügen können. Die neuen CMOS-Chips sind kleiner, erfordern niedrigere Spannungen und Ströme und bieten immer mehr Funktionen auf kleinerem Raum. Systemdesigns lassen sich somit rationalisieren, Bedienfelder bieten mehr Funktionen und die Messinstrumente können mehr Daten erfassen und somit die Signalverarbeitung erweitern. Ein anspruchsvolles Systemdesign verlangt dabei zuverlässige Stecker- und Kabelsysteme – oft mit einer hohen Anzahl an Adern beziehungsweise Kabeln, die in die Instrumententafel zu führen sind.

Innerhalb des Gerätes müssen Signale, Datenverarbeitung und Eingänge für die Messsonden auf verschiedene, immer kleiner werdende Module geleitet werden, die ihre jeweiligen Funktionen ausüben. Mit zunehmendem Funktionsumfang nimmt die Dichte im Geräteinneren zu, und Module werden kleiner. Mikrosteckverbinder mit 1,3 mm (0,05 Zoll) und Nanosteckverbinder mit 0,625 mm (0,025 Zoll) Pinabstand können die Größe und das Gewicht der Verbindungen in neuen Systemen deutlich reduzieren.

Die Aufgabe des Entwicklers besteht darin, zwei unterschiedliche Verbindungsebenen zur Verfügung zu stellen. Diese sind erforderlich, um größere Instrumente mit Bedienfeldanforderungen und interne Systeme zu berücksichtigen, da die Dichte stetig zunimmt und die Systeme weiter modularisiert werden. Die erste Verbindungsebene führt von der Messsonde, welche die Daten über ein Kabel zum Messinstru­ment erfasst und die zweite vom Gehäusestecker auf die verschiedenen Module und Leiterplatten innerhalb des Messinstruments führt.

Insgesamt ist also eine Kombination aus Signal-, Stromversorgungs- und Datenerfassungsleitungen in das Bedienfeld (Frontblende) erforderlich, um diese im gesamten Instrument zu verteilen, damit alle Anforderungen erfüllt werden. Da Geräte und Instrumente zunehmend tragbar ausgelegt werden, müssen alle diese Anforderungen erfüllt werden, damit das Design eine hohe Zuverlässigkeit und Anpassungsfähigkeit garantiert.

Makro-auf-Nano-Übergangskabel bieten hier eine Lösung (Bild 1). Stecker- und Kabelsysteme, die von außen in die Gerätefront eingeführt werden, sind eine Herausforderung. Die Messsonde oder das Kabelende sind oft kundenspezifisch ausgelegt, um die sich ständig ändernden Anforderungen abzudecken. Dazu zählen auch Neuerungen bei Halbleiterbausteinen im Kabelende selbst. 

Kritischer Übergang ins Gerät

In der Regel muss das Kabel robust, flexibel, geschirmt und für die Anwendung tauglich sein. Der Steckverbinder muss stabil genug sein, Biegungen des Kabelendes überstehen und eine einwandfreie Verbindung garantieren. Zudem müssen mitunter Tausende von Steckzyklen bewältigt werden, wobei die Polarität und Qualität der Verbindung erhalten bleiben. Oftmals entscheidet sich die Qualität eines guten Kabelsystems an der Schnittstelle zwischen Kabel und Stecker. 

Dieser Übergangspunkt entscheidet, wie sicher die Verbindung und wie gut das System vor Störeinstrahlung geschützt ist. Hilfe bei der Entwicklung der Steckverbindung ist oft erforderlich, damit alle Anforderungen erfüllt werden und eine hohe Signalqualität für das Instrument garantiert ist. Erfahrene Anbieter wie beispielsweise Lemo, bieten verschiedene Angebote, die hohe Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit garantieren. Die Entwickler bei Lemo schätzen die verschiedenen Produktanforderungen ab, erstellen das beste Angebot oder eine entsprechende Analyse, um eine Verbindung zum Instrument, einschließlich Frontpanelstecker zur Verfügung zu stellen, damit die Signale innerhalb des Gerätes richtig verteilt werden. Innerhalb des Instrumentes ändert sich die Umgebung. Temperaturbedingungen, Handhabung sowie Stöße und Vibrationen sind zu berücksichtigen. Diese Anforderungen gleichen denen, die außerhalb des Geräts zutreffen – nur auf einer anderen Ebene. Elektrische Störungen treten im Inneren häufiger auf, da mehr Signalverarbeitung in den ICs stattfindet, was die Signalgeschwindigkeit, Übersprechen und EMI-Kopplung beeinflusst und Design-Erfolge zunichte machen kann.

Weitere Herausforderungen sind das Routing der Signale in und um die Leiterplatte und Module herum – in mehreren Richtungen und Ebenen –, während die Länge der Leiterbahnen so kurz wie möglich gehalten werden sollte. Die besten Impedanzwerte ergeben sich bei kurzen Verbindungen.

Werden Messinstrumente um immer mehr Funktionen erweitert, werden sie schwerer und für Nutzer weniger attraktiv. Da immer mehr ICs eingesetzt werden, steigt jedoch der Strombedarf. Mikro- und Nanosteckverbinder mit kleineren, flexibleren Verdrahtungen eignen sich daher für solche Anforderungen.

Die neuen Nanosteckverbinder von Omnetics erfüllen nach deren Angaben hohe Qualitäts- und Zuverlässigkeitsprüfungen und sind äußerst zuverlässig, um die Anforderungen auf Geräteebene zu erfüllen. Als Vorteil ergibt sich mehr Platz für weitere Elektronik innerhalb des Gerätes. Die meisten Nanosteckverbinder bieten SMD-Formate (Bild unten) für kleine Leiterplatten. Modelldesigns sind online erhältlich, um kundenspezifische Schnittstelle mit Entwicklern von Omnetics abzusprechen.

Das Dilemma der Entwickler 

Die Miniaturisierung im Elektronikbereich erfordert weitere Maßnahmen, damit sich Entwickler und das Know-how entsprechend anpassen können. Die Anforderungen hinsichtlich loser Kabelsysteme und hohen EMI-Schutzes können über frühere Designstandards hinausgehen. 

Die Auslegung hinsichtlich Reinigung, ein gutes »Touch ‘n Feel« des Kabels und Robustheit erfordert Materialwissen. Die Vorbereitung eines Kabels mit vielen Drähten und für dauerhaftes Biegen erfordert heute mehr Aufwand als bei bisherigen Kabelstandards. Daher sind leistungsfähigere Kabel und Steckverbinder erforderlich, um heutige Designanforderungen zu erfüllen.

Entwickler können heute das Know-how verschiedener Designanforderungen nutzen, indem sie auf die Zusammenarbeit zweier Unternehmen bauen, die sich auf die Herausforderungen des Übergangs von Mikro-zu-Nano-Verbindungen konzentrieren. Lemo ist eines der führenden Designhäuser im Bereich Kabel- und Steckverbindersysteme, während Omnetics Connector umfangreiche Erfahrung im Bereich Micro-zu-Nano-Übergang in kleinen, hoch kompakten, tragbaren oder anderen Systemen hat. Beide Unternehmen bieten eine Vielzahl von Standardprodukten für zahlreiche Anwendungen.

Da immer mehr Funktionen in kleineren Geräten und eine höhere Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit gefordert werden, steht ein dezidiertes Team bereit, um schnelle Antworten zur Verfügung zu stellen.