Direktsteckverbinder Platz sparen auf der Leiterkarte

Platz auf Leiterkarten ist rares Gut. Denn die Entwicklung der Integrated Industry geht in Richtung immer kleiner, immer feiner. Deswegen sind Direktsteckverbinder nicht mehr wegzudenken. Sie bieten hohe Funktionalität auf kleinstem Raum und ermöglichen Anwendern ihre Module flexibel zu erweitern.

Schon die ersten Highspeed-Backplane-Systeme setzten auf Direktsteckverbinder und auch in vielen aktuellen Standards finden sich entsprechende Produkte. Highspeed und Miniaturisierung gehen Hand in Hand mit dem Trend zur steigenden Vernetzung in der Industrie. Zunehmende Ansprüche an Funktionalität und Leistung der Anwendungen stehen dem Wunsch nach kompakten elektronischen Komponenten entgegen. Dies führt zu einem zunehmend komplexen Aufbau der vernetzten Baugruppen und Geräte, hat Auswirkungen auf sämtliche Komponenten und macht vor der Verbindungstechnik nicht Halt.

Highspeed ist unabdinglich im Zusammenhang mit Internet of Things, Vernetzung sowie Cloud- und Edge Computing. Eine steigende Flut an Daten, welche in Echtzeit bearbeitet werden sollen, fordert die Infrastruktur mehr denn je.

Die Vorteile des Direktsteckprinzips

Platz und Ressourcen werden durch die direkte Kontaktierung einer Leiterkarte gespart. Denn Materialkosten und Bestückungsaufwand der Messerleiste entfallen. Ein weiterer Vorteil ist technischer Natur und resultiert aus der Verringerung der Widerstände und Einflüsse, die auf ein Signal wirken können.

Bild 1 zeigt jeweils einen Schnitt durch einen Direktsteckverbinder mit Tochterkarte und durch ein klassisches Steckverbinderpaar, um die bauartbedingten Vorteile des Direktsteckverbinders in Bezug auf Strom- und Datenübertragung zu verdeutlichen. Eine Direktsteckverbindung zeichnet sich durch einen tendenziell niedrigeren Durchgangswiderstand als bei einem vergleichbaren Steckverbinderpaar aus. Aus der Aufsummierung der Einzelwiderstände in Reihenschaltung errechnet sich der Durchgangswiderstand. Hierbei unterscheiden sich ein Direktstecker und ein klassisches Steckverbinderpaar hauptsächlich durch den Entfall der Messerleiste und damit dem Entfall des Übergangswiderstandes im Anschlussbereich und des Kontaktwiderstandes der Messerleiste. So entsteht ein insgesamt geringerer Widerstand und führt dadurch zu einer höheren Stromtragfähigkeit des Direktsteckverbinders.

Von einer geringeren Länge und weniger Querschnittsänderungen des Signalpfades im Kontaktbereich oder am Lötpad profitiert wiederum die Signalübertragung. Dadurch reduzieren sich die Einflüsse auf das Signal.

Von Gleichstrom zu Wechselstrom

Im Bereich der Datenübertragung wird die vorherige Betrachtung der elektrischen Parameter verändert: So werden Gleichstrom, Gleichspannung und Gleichstromwiderstand von Wechselstrom, Wechselspannung und Wechselstromwiderstand abgelöst. Der Steckverbinder überträgt somit ein Signal mit verschiedenen Spannungspegeln. Je gleichmäßiger das Signal den Pfad passieren kann, umso besser funktioniert dieses Prinzip. Andernfalls äußern sich störende Einflüsse in einer schlechteren Qualität der übertragenen Daten. Sichtbar ist das unter anderem in Einfüge- und Rückflussdämpfung sowie Nah- und Fernübersprechen.

Jede Querschnittsänderung in der Datenleitung bedeutet gleichzeitig eine Verschlechterung der Datenqualität. Anhand des Verkehrsflusses auf Autobahnen lässt sich der Effekt von Engstellen gut beschreiben: Der auftretende Rückstau der Fahrzeuge bei Fahrbahnverengungen entspricht Reflexionen an enger werdenden Leiterbahnen. Ähnlich kann mit den Richtungsänderungen des Signals argumentiert werden: Je weniger oft und stark die Richtungsänderungen sind, desto besser. Dadurch können störende Einflüsse reduziert werden.

Das Signal eindeutig identifizieren

Bild 2 zeigt die Einfügedämpfung des EC.8 über den Frequenzverlauf. Diese gibt die Abschwächung des Signals durch den Direktstecker als Verhältnis von durchgelassenem zu einfallendem Signal wieder. Bei der Bewertung, ob ein Signal über den gesamten Übertragungsweg hinweg vom Empfänger eindeutig identifiziert werden kann, hilft die Einfügedämpfung. Zieht man als Kriterium für die Datenrate einen typischen Wert der Einfügedämpfung von -3 dB heran, ergibt sich eine Übertragungsgeschwindigkeit von 24 Gbit/s. Weil eine Einfügedämpfung von -3 dB einem Signalverlust von 30 Prozent beziehungsweise einem Leistungsverlust von 50 Prozent entspricht, wird dieser Punkt verwendet.

Nah- und Fernübersprechen beschreiben das unerwünschte gegenseitige Beeinflussen von nebeneinander geführten Signalen durch Einkopplung der elektromagnetischen Wellen von einer auf die andere Leitung. Bekannt ist das Phänomen aus der Telefonie. Dort äußerte es sich durch das Vorhandensein anderer leiser Gespräche auf der Leitung. Die Stärke des Übersprechens zwischen den Kanälen wird als Verhältnis zwischen induziertem Signal zu Originalsignal in dB angegeben. Während beim Fernübersprechen (Far End Crosstalk, FEXT) die Einkopplung entlang der gesamten Leitung auftritt und sich am gegenüberliegenden Empfänger zeigt, tritt die Störung beim Nahübersprechen (Near End Crosstalk, NEXT) zu Beginn der Übertragungsstrecke am benachbarten Kontakt in umgekehrter Richtung auf.

Bild 3 zeigt das Nahübersprechverhalten des EC.8, Bild 4 das Fernübersprechverhalten. In beiden Fällen bleibt das Übersprechen in der gewählten Schaltung unter dem Wert von -20 dB. Je kleiner der Wert, desto geringer ist der Anteil des Signals, das störend eingekoppelt wird. Zehn Prozent des Signals sprechen bei einem Wert von -20 dB über, bei einem Wert von -40 dB nur noch ein Prozent. Bei der Leistung sind es entsprechend ein beziehungsweise 0,1 Prozent, die übersprechen.

Direktstecker sind somit für aktuelle Herausforderungen der Integrated Industry gut positioniert. Aufgrund seiner Highspeed-Eigenschaften in Kombination mit der Einfachheit und Kosteneffizienz der Direktsteckverbinder eignet sich die EC.8-SMT-Direktsteckverbinderfamilie zum Beispiel für Anwendungen im Bereich der Industrie Automation, im Embedded- und Datacom-Bereich.    sd