Gastbeitrag : Industrie 4.0 erfordert vernetzte Geräte und durchgängige Schnittstellen

Eine Steckverbinder-Eigenschaft, die in direktem Zusammenhang mit der Signalintegrität steht, ist die Impedanz. Die Soll-Impedanz eines Steckverbinders ist abhängig von der Übertragungstechnologie der Steckverbinder-Applikation. Abweichungen von der Soll-Impedanz reflektieren das Datensignal zurück zum Sender. Werden die Reflexionen zu hoch, überlagern sich die reflektierten und gesendeten Signale. Konsequenz ist eine beeinträchtigte Datenübertragung.

Faktoren wie Materialauswahl, Geometrie und Anordnung der signalführenden Bauteile beeinflussen die Impedanz eines Steckverbinders. Ein weiterer Faktor ist die Frequenz, also die Pegelübergangszeit der eingesetzten Übertragungstechnologie. Sie ist applikationsabhängig, und der Hersteller der Steckverbindung kann sie nicht beeinflussen. Der Trend geht zu immer größeren Datenmengen und damit höheren Übertragungsfrequenzen bei kürzeren Pegelübergangszeiten. Mit diesen Herausforderungen beschäftigt sich Phoenix Contact.

Hinsichtlich der Steckverbinder-Impedanz lassen sich allgemeingültige Aussagen über die beste Geometrie, Materialien oder Bauteilanordnungen kaum treffen, weil grundsätzlich auch die Nenn-Impedanzen der Übertragungstechnologien sowie die Pegelübergangszeiten zu berücksichtigen sind. Was für die Konstruktion eines Single Pair Ethernet-Steckverbinders vorteilhaft ist, könnte im Bereich der Board-to-Board-Steckverbinder ein K.-o.-Kriterium sein.

So gleich das Bestreben, alle Komponenten mit einer hohen Signalintegrität auszustatten, so unterschiedlich sind die Anforderungen der Komponenten. Datensteckverbinder der Geräteschnittstellen wie die kompakten SPE-Steckverbinder nach IEC63171-2, die robusten IP67 SPE-Stecker nach IEC63171-5 oder RJ45-Steckverbinder sind in der Regel standardisiert – das Steckgesicht sowie die Kontaktbelegungen unterliegen herstellerübergreifenden Standards. Darüber hinaus definieren diese Standards konkrete Anforderungen an die Signalintegrität in Form von frequenzabhängigen Grenzwerten für Übertragungseigenschaften der Stecker, etwa die Rückflussdämpfung oder das Nebensprechen. Durch eine geschickte Auswahl von Kontakt- und Isolationsmaterialien sowie durch eine ausgeklügelte Konstruktion der nicht durch die Standards vorgegebenen Kontaktgeometrien im Inneren der Steckverbinder erreicht Phoenix Contact bei diesen Komponenten eine hohe Signalintegrität.

Die geräteinternen Verbindungen sind in der Regel nicht standardisiert. Diese Steckverbinder sind für Kunden mit unterschiedlichen Übertragungstechniken interessant. Betrachtet man beispielsweise eine Ethernet-Applikation, so könnte etwa ein Board-to-Board-Steckverbinder in einem Gerät mit einer SPE-Schnittstelle eingesetzt werden. In diesem Fall wäre eine Impedanz von 100 Ohm für den Board-to-Board-Steckverbinder ideal. Der gleiche Board-to-Board-Steckverbinder könnte in einer anderen Applikation aber auch auf ein USB-Protokoll treffen, bei dem eine Impedanz von 90 Ohm vorteilhaft wäre. Tatsächlich kann für beide Applikationen der gleiche Board-to-Board-Steckverbinder eingesetzt werden. Da es keine allgemeingültigen Beschaltungspläne für diese nicht standardisierte Schnittstelle gibt, kann die Signalintegrität durch die Auswahl einer geeigneten Kontaktbelegung innerhalb des Steckverbinders gezielt optimiert werden.

Insbesondere bei den Board-to-Board-Steckverbindern helfen Simulationen, höchste Signalintegrität für spezielle Anwendungen zu gewährleisten. Sie zeigen den Kunden häufig unerwartete Potenziale für seine Anwendung auf.

Dabei ist das Optimum immer das Ergebnis mehrerer Iterationen sowie der zugehörigen Optimierungsroutinen – sowohl bei der Entwicklung von standardisierten und nicht standardisierten Steckverbindern als auch bei der anwendungsspezifischen Konfiguration. Bei den Simulationen werden hierzu häufig Parameter verwendet, die in vielen Anwendungen üblich sind.

Bei der Simulation von Board-to-Board-Steckverbindern wird in der Regel eine Impedanzumgebung von 100 Ohm bei differentiellen Signalen und von 50 Ohm bei Single-Ended-Signalen angesetzt. Eine hohe Signalintegrität ist gegeben, wenn das Impedanzverhalten der Komponenten möglichst wenig von dieser Soll-Impedanz abweicht. Für solche üblichen Parametereinstellungen und gängige Kontaktbelegungen sind Simulationen vorbereitet – die Ergebnisse kann Phoenix Contact innerhalb kürzester Zeit zur Verfügung stellen. Weiterhin stehen exemplarisch für ausgewählte Typen Simulationsergebnisse auf der Website zur Verfügung.

Im Rahmen des Design-in-Supports führen Experten von Phoenix Contact Simulationen auf Basis individueller Parameter durch, um Produktmanager und Ingenieure bei der Auswahl optimaler Steckverbinderkombinationen und geeigneter Kontaktbelegungen bestmöglich zu beraten. Dabei lassen sich die passenden Impedanzen und Pegelübergangszeiten ebenso berücksichtigen wie Störeinflüsse in Form von Nebensprechen durch weitere Signale in derselben Steckverbindung oder Störungen durch weitere Komponenten auf der PCB. Bei Störeinflüssen durch andere Komponenten eignet sich die Betrachtung bzw. Simulation der elektrischen und magnetischen Felder. Geschirmte Steckverbinder helfen, solche Störeinflüsse zu reduzieren oder ganz zu eliminieren.

Auf Basis der von den Kunden übermittelten Werte startet Phoenix Contact eine kundenspezifische Simulation und leitet daraus Vorschläge zu geeigneten Artikelkombinationen und Kontaktbelegungen ab. Das Team informiert über Ergebnisse, beantwortet Fragen und stellt im Anschluss eine entsprechende Dokumentation zur Verfügung.

Diese individuellen Simulationen lassen sich in der Regel innerhalb weniger Tage realisieren. Dafür brauchen die Ingenieure Angaben zur jeweiligen Anwendung, beispielsweise die Anordnung der Leiterplatten im Gerät, die Art der Datenübertragung oder die Soll-Impedanz des Systems. Insbesondere bei den Leiterplattenanordnungen bieten die Board-to-Board-Steckverbinder von Phoenix Contact eine hohe Flexibilität. So sind mezzanine, koplanare und Backplane-Anordnungen mit unterschiedlichen Platinenabständen sowie Verbindungen mit vorkonfektionierten Flachbandkabeln möglich.

Besonders wichtig ist der direkte Austausch zwischen den Experten auf beiden Seiten. In diesem Rahmen haben sich bei vergangenen Projekten immer wieder unerwartete Optimierungspotenziale bei der Signalintegrität ergeben, etwa durch eine alternative Kontaktbelegung oder den Einsatz von geschirmten Steckverbindern. Phoenix Contact unterstützt bei der Entwicklung von Geräten – lokale Ansprechpartner stellen den Kontakt zu den entsprechenden Fachleuten im Unternehmen her.

Am Markt existieren viele unterschiedliche Steckverbinder für vielfältige Anwendungen in jeglichen Ausführungen und Preisniveaus. Qualität und Sicherheit der Datenübertragung ist bei den allermeisten dieser Einsatzgebiete ein nicht zu vernachlässigender Aspekt. Phoenix Contact bietet ein breites Portfolio an Datensteckverbindern mit einer höchstmöglichen Signalintegrität sowie einen umfangreichen Design-in-Support. Bei Simulationen und Tests blicken die Ingenieure auf einen umfangreichen Erfahrungsschatz zurück. Die verwendete Simulations-Software ist optimal auf die Produkte aus dem Hause angepasst. Zahlreiche Kunden konnten die Experten so bereits mit passenden Steckverbindern für individuelle Anwendungen mit optimaler Datenübertragung unterstützen.
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