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Leiterplattensteckverbinder für die Automatisierung BtB-Verbinder für industrielle Sensoren und Kamerasysteme

Miniaturisierung, Highspeed-Datenübertragung und Robustheit definieren die Anforderungen an Sensoren, Kamerasysteme und deren Komponenten. Bei der Wahl des PCB-Steckverbinders gibt es daher viel zu beachten. Ein Leitfaden hilft dabei, für jede Anwendung den geeigneten Leiterplatten-Steckverbinder zu finden.

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BtB-Verbinder: Industrie 4.0 und der Trend zur Modularisierung stellen neue Anforderungen an industrielle Sensoren und Kamerasysteme. Was muss man heute bei der Auswahl des Leiterplattensteckverbinders beachten?
BtB-Verbinder: Industrie 4.0 und der Trend zur Modularisierung stellen neue Anforderungen an industrielle Sensoren und Kamerasysteme. Was muss man heute bei der Auswahl des Leiterplattensteckverbinders beachten?
(Bild: ept)

Der zunehmende Trend zur Modularisierung und das Thema Industrie 4.0 beeinflussen die moderne Sensor- und Kameratechnik maßgeblich. Sensoren werden heute meist modular aufgebaut, um Kosten bei der Entwicklung und Produktrealisierung zu sparen. Die Gehäuse werden dabei standardisiert, die Funktionalität des Sensors durch die Elektronik definiert.

Variable Leiterplatten lassen sich dabei mithilfe von Mezzanin- oder rechtwinkligen Verbindungen individuell kombinieren. Die standardisierte Bauform bietet dem Anwender Vorteile durch ein einheitliches Handling bei Montage, Inbetriebnahme und Gebrauch des Sensors.

Darüber hinaus werden Sensoren und Kamerasysteme für die industrielle Automatisierung immer intelligenter.

Neben der eigentlichen Messwerterfassung werden daher entsprechend weitere Funktionen in die Geräte integriert: Erweiterte Diagnosefunktionen zur Überwachung der Lebensdauer der Sensorik und zur Fehlererkennung, Parametrierung des Sensors, Fernwartung sowie Kommunikation vom Sensor in die Cloud und Integration von Bus- oder IO-Link-Funktionen.

Diesen Trends folgend unterliegen heutige Sensoren und Kamerasysteme bestimmten Anforderungen.

Anforderungen an moderne Sensoren und Kamerasysteme

So darf trotz zunehmender Funktionsintegration die Baugröße des Sensors nicht steigen. Die industrielle Automation fordert sogar eine weitere Miniaturisierung, um Maschinen immer kompakter zu bauen. Der Trend zu modularen Aufbauten von Sensoren oder Kameras erfordert außerdem entsprechend miniaturisierte Steckverbinder.

Intelligente Sensoren und Kameras in Industrieumgebungen benötigen auch eine sichere Highspeed-Übertragung. Diese Geräte werden in der Regel maschinennah eingesetzt und unterliegen elektromagnetischen Einflüssen. Eine gute elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) der eingebauten Steckverbinder ist daher unabdingbar.

Bild 1a: Ungestörtes Nutzsignal bei einem Burst-Impuls von 0,5 kV.
Bild 1a: Ungestörtes Nutzsignal bei einem Burst-Impuls von 0,5 kV.
(Bild: ept)

Industrielle Kamerasysteme mit der standardisierten 10GigE-Vision-Schnittstelle (Giga Ethernet for Machine Vision) sind zudem äußerst empfindlich gegenüber elektromagnetischen Störquellen – ein kleiner Impuls kann die Bildverarbeitung bereits stören (Bild 1).

Bild 1b: Gestörtes Nutzsignal bei einem Burst-Impuls von 0,5 kV.
Bild 1b: Gestörtes Nutzsignal bei einem Burst-Impuls von 0,5 kV.
(Bild: ept)

Eine weitere Anforderung an die Sensor- und Kameratechnik ist eine ausgesprochene Robustheit. So sind vor allem Sensoren, die maschinennah verbaut werden, hohen Vibrations- und Schock-Belastungen ausgesetzt. Letztere sind besonders kritisch, da kurzzeitige aber stoßartige Schocks bei vielen Kontaktsystemen zu Kontaktunterbrechungen und zum Systemausfall führen können.

Aber auch dauerhafte Vibrationsbelastungen können beim Einsatz von ungeeigneten Steckverbindern eine Störung der Signalübertragung verursachen. Durch den Abrieb der Oberflächenbeschichtung kommt es etwa zu Korrosion und damit zu steigenden Übergangswiderständen an der Steckstelle.

Die Elektronik muss zudem vor widrigen atmosphärischen Bedingungen, wie Feuchtigkeit, Verschmutzungen, hohen Temperaturen und anhaltenden Temperaturschwankungen geschützt werden. Eine verbreitete Möglichkeit ist der Verguss. Vergusssysteme sind so ausgelegt, dass sie bestückte Leiterplatten und elektronische Komponenten schützen und isolieren, indem einzelne Baugruppen durch die Vergussmasse vollständig abgekapselt werden.

Dadurch entsteht eine stabile Barriere gegenüber der Umgebung. Während der primäre Einsatzzweck der Vergusssysteme zwar der Schutz der Elektronik ist, muss bei der Auswahl der Komponenten jedoch auch die Kompatibilität mit dem Vergusssystem berücksichtigt werden.

Hierbei ist es essenziell, dass die Funktionsbereiche nicht beeinflusst werden. Mit den entsprechenden Vorkehrungen steht dem Einsatz leistungsfähiger Sensortechnik unter rauen Umgebungsbedingungen jedoch nichts mehr im Wege.

Welcher Steckverbinder passt für Machine Vision?

Bei maschinennah eingesetzten Sensoren und Kamerasystemen kann ein Verguss die Elektronik zwar vor äußeren Einwirkungen schützen, dazu wird jedoch auch eine entsprechend vergusskompatible Anschlusslösung benötigt. Für gewöhnliche Steckverbinder stellt das oftmals ein Problem dar, da vor allem der vulnerable Steckbereich vor der Vergussmasse geschützt werden muss und die häufig eingesetzte Feder-Messer-Kontakttechnik nicht die nötige IP-Schutzart für diese Werkstoffe mit sich bringt (Bild 2, links).

Bild 2: Schliffbild zweiteiliger Steckverbinder vs. einteiliger flexilink b-t-b
Bild 2: Schliffbild zweiteiliger Steckverbinder vs. einteiliger flexilink b-t-b
(Bild: ept)

Um die erforderliche Ausfallsicherheit dennoch zu gewährleisten, bietet es sich an, eine einteilige Anschlusslösung zu wählen, also einen Steckverbinder, der ohne den herkömmlichen Steckbereich auskommt. Das ermöglicht eine dauerhafte und robuste Anschlusslösung, bei der ein Eindringen der Vergussmasse in den Kontaktbereich ausgeschlossen ist (Bild 2, rechts).

Für Anwendungsbereiche, die besondere Anforderungen an die Robustheit der Steckverbindung stellen, empfiehlt sich außerdem die Leiterplattenverbindung mittels beidseitiger Einpresszonen. Mit nur einem Bauteil wird sowohl eine mechanische als auch eine elektrische Verbindung hergestellt.

So können außerdem aufwendige Lötarbeiten oder teure Kabellösungen vermieden und somit Kostenersparnisse von bis zu 50 Prozent erzielt werden. Weil der Steckbereich bei der Einpresstechnik entfällt, hält ein Steckverbinder auch Schockbelastungen von 50 bis 200 g ohne Kontaktunterbrechung stand.

Bild 3: Normprüfungen der Firma ept. Profil bei 50 g Schockbelastung.
Bild 3: Normprüfungen der Firma ept. Profil bei 50 g Schockbelastung.
(Bild: ept)

Im Labor können die elektronischen Bauteile auf ihre Robustheit geprüft werden (Bild 3). Das normierte Schockprofil (profile) muss dabei dem Soll-Zustand (control) entsprechen, also einer Beschleunigung von 50 g mit einer Toleranz von 20 Prozent (high abort und low abort). Entsprechend der DIN EN 60068-2-27 ist dabei eine Kontaktunterbrechung ≤ 1µs zulässig.

Welche Anforderungen muss Ihr Steckverbinder erfüllen?

Miniaturisierung: Hier eignen sich vor allem Steckverbinder in SMT-Technik. Bei miniaturisierten Anwendungen liegen sensible Komponenten einer Baugruppe häufig nah beieinander. Um Signalstörungen zu vermeiden, empfiehlt sich daher die Wahl eines geschirmten Steckverbinders, damit Störquelle und Störsenke näher aneinander platziert werden können.

Highspeed-Übertragung: Steckverbinder für Highspeed-Anwendungen sollten über ein entsprechend hochperformantes Kontaktdesign verfügen. Im Falle von miniaturisierten Aufbauten sollten sie darüber hinaus eine EM-Schirmung aufweisen, da vor allem hochfrequente Signale besonders störungsanfällig sind.

Robustheit: Raue Umwelteinflüsse wie Vibration, Schock, Feuchtigkeit, Schmutz, Extremtemperaturen oder Temperaturschwankungen erfordern eine besondere Robustheit. Diese kann durch vergusskompatible Steckverbinder ohne Steckbereich mit Einpresstechnik erlangt werden.

Weitere Informationen finden Sie hier

Welcher Steckverbinder passt für Highspeed-Anwendungen?

Bild 4: Optimierter Highspeed-Signalfluss im Colibri-Steckverbinder.
Bild 4: Optimierter Highspeed-Signalfluss im Colibri-Steckverbinder.
(Bild: ept)

In den Bereichen Datacom, IoT und IIoT werden Sensoren, aber auch Kamerasysteme hingegen bei zunehmender Leistung immer kompakter. Highspeed und Miniaturisierung sind hier gefragt. Für hochperformante, miniaturisierte Anwendungen eignen sich vor allem Lösungen in platzsparender SMT-Technik im Raster von 0,5 bis 0,8 mm.

Entscheidend ist hier in erster Linie ein auf Highspeed optimiertes Kontaktdesign, das eine schnelle und störungsfreie Signalübertragung ab 10 GBit/s ermöglicht (Bild 4). Eine optionale Schirmung schützt diese dabei vor elektromagnetischen Einflüssen.

Bei intelligenten Sensoren und Kamerasystemen sind Robustheit, Highspeed und eine gute EMV bekannte Anforderungen an einen Steckverbinder. Darüber hinaus empfiehlt es sich, auf ein Produkt zurückzugreifen, das aufgrund seiner Modularität eine Vielfalt verschiedener Anwendungsmöglichkeiten bietet.

Sind alle Stecker einer Produktfamilie untereinander kompatibel und frei kombinierbar, können zudem aufwendige Freigabeschleifen verhindert und damit Zeit und Kosten eingespart werden.

Bild 5: Variabilität und Skalierbarkeit der 
Zero8-Steckverbinder.
Bild 5: Variabilität und Skalierbarkeit der 
Zero8-Steckverbinder.
(Bild: ept)

Eine hohe Skalierbarkeit ermöglicht Entwicklern dabei, verschiedene Bauformen, Stapelhöhen und Polzahle individuell auf ihre Anforderungen anzupassen. Zudem können sie zwischen geschirmten und ungeschirmten sowie gewinkelten und geraden Steckverbindern wählen (Bild 5).

* Autoren: Martin Adamczyk, Laura Mitlewski. Martin Adamczyk arbeitet als Produktmanager bei ept in Peiting. Laura Mitlewski ist PR- & Contentmanagerin bei ept in Peiting.

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