Schwerpunkte

19-Zoll-Aufbausystem

Flexibel, modular und wartungsfreundlich

26. Juni 2020, 14:17 Uhr   |  Von Fatih Sahin

Flexibel, modular und wartungsfreundlich
© Bild: Fischer Elektronik

Verschiedene kundenspezifisch bearbeitete 19-Zoll-3HE-Kassetten, eingesetzt in 3HE-EMV-Baugruppenträger

Mit der 19-Zoll-Kassette bietet das 19-Zoll-Aufbausystem eine perfekte Gehäusegrundlage für modulare Gerätesysteme. So lassen sich Baugruppen flexibel für die unterschiedlichsten Aufgaben kombinieren. Dank der modularen Aufbauweise bleibt das Gesamtsystem wartungsfreundlich.

Im Zeitalter der Digitalisierung erobern neue technologische Entwicklungen unseren Alltag und verändern die Art, wie wir leben. Unter Stichworten wie Smart Home oder Industrie 4.0 nimmt der Wandel seinen Lauf und erfordert eine stets prozessnahe Infrastruktur der Elektronik und der zugehörigen Mechanik. Mit der 19-Zoll-Baugruppenkassette bietet das modulare 19-Zoll-Aufbausystem eine flexible Gehäusegrundlage, die auch den gestiegenen Anforderungen der heutigen Zeit entspricht.

Bewährt und weitverbreitet – das 19-Zoll-Aufbausystem

Das 19-Zoll-Aufbausystem, spezifiziert in der Normreihe IEC 60297, ist im Prinzip ein genormtes Baukastensystem, dessen Wurzeln bereits in der Zeit vor dem ersten Weltkrieg liegen. Dabei teilt die Norm das Komplettsystem in die folgenden vier Ebenen auf:

  • Ebene 1: Komponenten wie Leiterkarten,
  • Ebene 2: Baugruppen wie Kassetten,
  • Ebene 3: Baugruppenträger und
  • Ebene 4: Aufnahmen wie Schränke und Gestelle (Rack).

Baugruppen wie Kassettengehäuse verschiedener Hersteller lassen sich kombinieren und in die nächsthöhere Ebene, zum Beispiel in einen Baugruppenträger, einsetzen. Mit Teildokumenten beschreibt die Norm in der Summe die mechanischen Eigenschaften von Komponenten und Baugruppen die sich modular in Baugruppenträgern und Gestellen (Racks) aufnehmen lassen. Dabei ist 19 Zoll (482,6 mm) die Breite der in der Norm spezifizierten Gerätefrontplatte, wonach das Aufbausystem benannt wurde. Die Intention hinter dem 19-Zoll-Aufbausystem ist, sicherzustellen, dass elektronische Baugruppen verschiedener Hersteller modular in die gleichen Baugruppenträger eingesetzt werden können, die wiederum in Gehäuse und Schränke anderer Hersteller passen.

Wie es zu der 19-Zoll-Breite gekommen ist, da scheiden sich die Geister. Sicher ist, dass die 19-Zoll-Gerätefrontplattenbreite in den USA bevorzugt wurde und nach dem zweiten Weltkrieg immer mehr nach Europa gelangte, wo sie das erste Mal in Deutschland mit der DIN 41 494 beschrieben wurde. Heute findet das 19-Zoll-Aufbaussystem nahezu in allen elektronischen Bereichen Einsatz, zum Beispiel in der Industrie oder bei der Audio-, Bahn-, Informations-, Medizin-, Militär- und Verkehrstechnik. Normungsgremien arbeiten noch heute an neuen Standards und Leitlinien, um das 19-Zoll-System auf dem aktuellen Stand der Technik zu halten und die Interoperabilität zu gewährleisten.

Baugruppenebene: Die 19-Zoll-Kassette

Die 19-Zoll-Kassette wird in der IEC 60297-3-101 spezifiziert und der zweiten Ebene des Aufbausystems zugeordnet. Bei der Normung der Kassette wurde Wert daraufgelegt, nur Parameter zu spezifizieren, die für die Kompatibilität des Systems notwendig sind. Diese Eigenschaft macht die Kassette besonders, denn dadurch ist sie nicht nur flexibel für individuelle Aufgaben, sondern auch in der Anwendung zeitlos.

Die Grundaufgabe der Kassette besteht darin, mehrere Leiterkarten im Europakartenformat (z.B. 100 x 160 mm) aufzunehmen und diese zu einer Funktionsgruppe zusammenzufassen. Aber auch ein kundenspezifischer Aufbau der Elektronik in der Kassette ist üblich. Dabei wird die Kassette als Gehäuse für den nicht genormten Aufbau der Elektronik genutzt. 19-Zoll-Kassetten werden über Führungsschienen in den Baugruppenträger eingeschoben, über genormte Steckverbinder mit der im Baugruppenträger integrierten Backplane verbunden und über die Frontplatte mit dem Baugruppenträger verschraubt. Je nach Konfiguration der Backplane werden die Kassetten mit Strom versorgt und können über unterschiedliche Busarchitekturen wie VME oder VPX kommunizieren. Kassetten werden unter anderem für modulare Steuerungskomponenten wie Netzteile, CPU-Einheiten, Motorregler, I/O-Einheiten, Verstärker und Speichereinheiten genutzt.

Aufbau der klassischen Kassette

Eine klassische 19-Zoll-Kassette ist in der Regel als metallisches Gehäuse aufgebaut. Sie besteht aus einer 2,5 mm dicken Frontplatte, einem meist mehrteiligen Gehäusekorpus und einer einfachen Rückwand. Optional kann die Kassette mit starren Griffen oder bei hohen Steckkräften mit Hebelgriffen bestückt werden. Als Gehäusewerkstoff hat sich Aluminium wegen des geringen Gewichtes und der verhältnismäßig hohen Festigkeit durchgesetzt.

Die Kassette wird geometrisch durch drei Maßeinheiten beschrieben. Die Breite in Teilungseinheiten (TE) die Höhe in Höheneinheiten (HE) und die Einschubtiefe (ET).
Breite: Die Breite der Kassette wird über die Frontplattenbreite mit n*TE bestimmt. Eine Teilungseinheit entspricht 5,08 mm oder 2/10 Zoll. Gängige Kassetten weisen eine Nennbreite von 10 bis 21 TE auf.
Höhe: Die Höhe der Kassette wird genauso wie die Höhe des Baugruppenträgers in Höheneinheiten (HE) angegeben. Eine Höheneinheit entspricht 44,45 mm wobei die gängigen Kassetten 3 und 6 HE messen.
Tiefe: Die Tiefe der Kassette ist nicht genormt und wird mit der Einschubtiefe (ET) angegeben. Die Einschubtiefe gilt ab der Rückseite der Frontplatte und resultiert aus den genormten Maßen der Leiterkarte und dem zugehörigen Steckverbinder. Gebräuchlich sind Kassettentiefen von 167 mm bzw. 227 mm, passend für die Europakartenformate 100 x 160 mm und 100 x 220 mm. Bei der Auswahl der Kassette spricht man auf die Europakarten bezogen daher von der Einschubtiefe 160 oder 220.

Elektromagnetische Verträglichkeit

In Europa müssen Geräte, die in Umlauf gebracht werden, unter anderem der europäischen EMV-Richtlinie 2014/30/EU entsprechen. Darin ist niedergelegt, dass elektrische Betriebsmittel in einer elektromagnetischen Umgebung zufriedenstellend arbeiten müssen, ohne dabei selbst Störungen zu verursachen, die für andere Betriebsmittel schädlich wären.

EMV-Dichtungen und Wärmeleitmaterialien für den Gehäusebau.
© Bild: Fischer Elektronik

Bild 1. EMV-Dichtungen und Wärmeleitmaterialien für den Gehäusebau.

Durch elektrische Filter, durchdachte Platinen-Layouts und lokale Abschirmung von Bauteilen lässt sich das System zum Großteil elektromagnetisch verträglich aufbauen. Eine zusätzliche Abschirmung erfolgt mit einer EMV-Kassette die im besten Fall in einem EMV-Baugruppenträger verbaut wird. Eine Kassette bietet eine hohe Schirmdämpfung, wenn sie wie ein Faraday‘scher Käfig elektrisch leitend ist und im Idealfall aus einem ferromagnetischen Material besteht. Eine hohe Schirmdämpfung wird mit komplett geschlossen Kassetten, die eine große Wandstärke aufweisen, erreicht. Spalte zwischen zwei Gehäuseteilen, sind mit speziellen EMV-Dichtungen abzudichten, da sie sonst als Antennen wirken können (Bild 1). In der IEC 60297-3-101 wird lediglich die Schnittstelle von der Kassettenfrontplatte zum Baugruppenträger spezifiziert. Dabei werden die Schirmungsstellen des Baugruppenträgers im Frontbereich und die Schirmungsstellen der Kassettenfrontplatten beschrieben. Hersteller von 19-Zoll-Kassetten bieten speziell geschirmte Kassetten an, die den hohen EMV-Anforderungen gerecht werden.

Wärmeableitung

Wärmesimulation einer 19-Zoll-Wärmeableitkassette.
© Bild: Fischer Elektronik

Bild 2. Wärmesimulation einer 19-Zoll-Wärmeableitkassette.

Die Miniaturisierung und die wachsenden Packungsdichten der Schaltungen stellen die Systementwickler immer wieder vor neue Herausforderungen. Die Verlustleistung konzentriert sich auf eine immer kleiner werdende Fläche die zuverlässig entwärmt werden muss, um Systemausfälle durch den Hitzetod der Halbleiter zu vermeiden. Genau für diese, durch die Digitalisierung immer weiter vorangetriebene Herausforderung, bietet die 19-Zoll-Kassette ausreichend Spielraum für eine passende Lösungsfindung. Aktive oder passive Entwärmungskonzepte lassen sich anwendungsspezifisch in die von der Norm zur freien Auslegung unspezifizierten Bereiche abbilden. So bestehen bei passiv entwärmten Kassetten die Seitenwände aus stranggepressten Kühlkörpern. Je nach Anwendung und abzuführender Verlustleistung können diese Kühlkörper in Breite, Höhe und Tiefe variieren. Auch Sonderlösungen mit aktiven Kühlkonzepten durch Miniaturlüfteraggregate finden immer häufiger Einsatz. So lassen sich zum Beispiel leistungsstarke Embedded-Systeme im 19-Zoll-Aufbausystem unterbringen. Mithilfe von Wärmesimulationen (Bild 2) lassen sich Wärmeableitkassetten unter realitätsnahen Bedingungen thermisch auslegen und bieten dem Entwickler die Möglichkeit frühzeitig Erkenntnisse über die thermisch kritischen Zustände zu sammeln.

Modularer Aufbau und Wartungsfreundlichkeit

Mit der 19-Zoll-Kassette bietet das 19-Zoll-Aufbausystem eine perfekte Gehäusegrundlage für modulare Gerätesysteme, die hohen Ansprüchen gerecht wird. Die Vorteile liegen auf der Hand: Mit der 19-Zoll-Kassette lassen sich Baugruppen für die unterschiedlichsten Aufgaben modular aus mehreren Teilkomponenten zu zentralen oder dezentralen Geräten kombinieren. Durch die modulare Aufbauweise ist das Gesamtsystem wartungsfreundlich. Veraltete oder defekte Komponenten lassen sich schnell austauschen wodurch die Stillstandzeiten und damit verbundenen Kosten auf ein Minimum reduziert werden.

Der Autor

Fatih Sahin | Fischer Elektronik
© Bild: Fischer Elektronik

Fatih Sahin | Fischer Elektronik

Fatih Sahin
studierte Mechatronik an der Fachhochschule Südwestfalen, wo er mit dem B.Eng. abschloss. Seit 2012 ist er als Entwicklungsingenieur bei Fischer Elektronik auf dem Gebiet der Gehäusetechnik tätig.

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