Bei künftig steigenden Anforderungen
7 Kriterien für die Auswahl von Industriesteckverbindern
Die Anforderungen an Steckverbinder in industriellen und Embedded-Systemen verändern sich, z. B. durch geringeren Platzbedarf, engere Toleranzen und steigende Datenraten. Welche Kriterien gilt es also bei der Auswahl von Steckern zu beachten, ohne dabei das Budget zu sprengen?
Vibration
In industriellen Umgebungen werden Maschinen in geringeren Abständen zueinander betrieben. Dadurch sind die Überwachungs- und Automatisierungssysteme stärkeren Vibrationen ausgesetzt. Zu beachten ist, dass die Steckverbinder diesen Bedingungen standhalten müssen. Wurden solche Aspekte früher unter Berücksichtigung der Kosten als weniger kritisch angesehen, so rückt Vibrationsfestigkeit mittlerweile in den Vordergrund. Es gibt Steckverbinder mit hoher Zuverlässigkeit (HRI), zum Beispiel die Datamate-Serie von Harwin, die selbst unter extremen Bedingungen einsatzfähig bleiben. Sie liegen jedoch oft außerhalb der Preisspanne der meisten Industrie- und Embedded-Systeme. Das Know-how aus dem Bereich dieser High-Rel-Steckverbinder fließt mittlerweile aber auch in die Entwicklung von Industriesteckern ein. Ein Beispiel ist die Baureihe »Kontrol« von Harwin, die für hohe Vibrationsbelastungen ausgelegt ist und deren Komponenten auf eine zwölfstündige Belastung von 20 G getestet werden. Leistungsmerkmale wie ummantelte Stifte und sichere Verriegelungsmechanismen tragen dazu bei, eine sichere Verbindung bei Vibrationen aufrechtzuerhalten.
Dimensionierung
Der Trend zur Miniaturisierung hält an, mit dem Bestreben, mehr Funktionen auf kleinerem Raum unterzubringen. Dies führt zu einer steigenden Nachfrage nach kompakten Steckverbindern mit einem niedrigeren Profil. Darüber hinaus gilt dieser Trend auch für den Abstand der Steckverbinder. Hier halten die Designmerkmale, die speziell für Highend-Systeme entwickelt wurden, ebenfalls Einzug in industrielle Verbindungen.
Immer filigraner ausgelegte Steckverbinder sind aber nicht die einzige Möglichkeit, um mit der Miniaturisierung Schritt zu halten. Entwickler können auch das Gesamtsystem berücksichtigen, beispielsweise ob sich die Anzahl der erforderlichen Pins reduzieren lässt. Alternativ bieten Steckverbinder mit gemischtem Layout sowie Hybridsteckverbinder eine weitere Option, das Design auf Systemebene zu verkleinern. Hier werden Energieübertragung und Signalkommunikation in einer einzigen Einheit kombiniert und so die Gesamtzahl der erforderlichen Steckverbinder reduziert.
Designkomplexität
Kleinere Steckverbinder mit minimalen Abständen machen eine höhere Genauigkeit bei der Leiterplattenfertigung erforderlich. Daraus kann eine höhere Fehlerquote resultieren, wenn die Steckverbinder nicht perfekt ausgerichtet sind – vor allem, wenn mehrere Steckzyklen durchgeführt werden. Indem die Gesamtzahl der Steckverbinder auf einer Platine reduziert wird, verringert sich auch das Risiko einer Fehlausrichtung eines einzelnen Steckverbinderpaars. Dies erhöht die Toleranz des Designs.
Ein anderer Ansatz, dieses Problem zu lösen, ist der Einsatz schwimmender (Floating) Steckverbinder, die zusätzliche Toleranzen erlauben und gleichzeitig Strom- und Signalübertragung in einer einzigen Einheit kombinieren. Harwin hat deshalb im vergangenen Jahr die Floating-Steckverbinder der Serie »Flecto« auf den Markt gebracht. Diese Board-to-Board-Verbinder mit feinem Raster und hoher Pinzahl tolerieren Fehlausrichtungen von bis zu ±0,5 mm sowohl in der X- als auch in der Y-Richtung. Sie bieten neben einer schnellen Datenübertragung und gemischten Signal- sowie Stromversorgungsoptionen auch eine größere Ausrichtungstoleranz.
Elektromagnetische Störungen (EMI)
Da Maschinen, Systeme und Geräte in einer Fabrikhalle immer enger platziert werden und immer mehr (und komplexere) elektronische Systeme in diesen industriellen Umgebungen eingeführt werden, steigt auch das Risiko elektromagnetischer Störungen (EMI). Diese können den Betrieb empfindlicher Elektronik stören und die Signalintegrität beeinträchtigen. Um Systeme zukunftssicher zu gestalten, müssen Entwickler die Umgebung berücksichtigen, in der diese Systeme eingesetzt werden. In störungsbehafteten EMI-Umgebungen müssen also Maßnahmen ergriffen werden, um nicht nur die aktuellen, sondern auch zukünftige EMI-Pegel zu mindern.
Es kann sein, dass das Layout den Einsatz eines Standard-Board-to-Board-Steckverbinders (z. B. die Serie „Kontrol“ von Harwin) zulässt. Entwickler sollten aber auch Endgehäuse/Backshells und geflochtene Kabelbaugruppen in Betracht ziehen, um zukünftige EMI-Herausforderungen zu mindern.
Datenraten
Mit dem Aufkommen des industriellen IoT (IIoT) erfordern moderne Anwendungen höhere Datenübertragungsraten. Dieser Trend wird sich fortsetzen und muss berücksichtigt werden – sei es durch den Einsatz von Steckverbindern mit höherer Datenrate oder durch die Edge-Datenverarbeitung, um so die zu übertragende Datenmenge zu reduzieren. Da die erzielte Datenrate auf dem Schaltungslayout und nicht nur auf dem Steckverbinder basiert, muss die angegebene Leistungsfähigkeit eines Steckverbinders im jeweiligen Layout überprüft werden.
Steckzyklen und Haltbarkeit
Wichtig bei der Auslegung des Steckverbinders ist auch die erhöhte Anzahl an Steckzyklen, die viele Steckverbinder jetzt durchlaufen. In dem man die möglichen Steckzyklen berechnet, kann man festlegen, ob ein Standardsteckverbinder geeignet ist oder ob ein dediziertes HRI-Modell erforderlich ist. Wie bei der Vibrationsfestigkeit finden die für HRI-Serien entwickelten Technologien – mit ihrer hohen Anzahl an Steck- und Trennzyklen – mittlerweile ihren Weg in preisgünstigere Serien. So sind die "Kontrol"-Steckverbinder von Harwin für 500 Steckzyklen ausgelegt, was für eine industrielle Baureihe hoch ist.
Zuverlässigkeit der Lieferkette
Was die Zuverlässigkeit der Lieferkette betrifft, zeigt sich wieder der Trend hin zur Vertrauenswürdigkeit des Lieferanten und zur Second Source. In den letzten Jahren ist die Zahl gefälschter und minderwertiger Bauteile gestiegen, ebenso wie die Zahl der Websites, auf denen Produkte angeboten werden und „Bestellungen“ für Bestände entgegengenommen werden, die nicht vorhanden sind und auch nie vorhanden sein werden.
Harwin empfiehlt immer zu überprüfen, ob Beziehen zwischen den Komponentenherstellern und den Vertriebspartnern tatsächlich bestehen. Wie viele andere Hersteller nutzt das Unternehmen ein Franchise-Vertriebsmodell nach ECIA-Standards, um betrügerische oder gefälschte Teile zu verhindern. Dabei werden Vertriebspartner auf der Website sowie auf TrustedParts.com aufgeführt.
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