Die Produktfamilie ept Zero8 für anspruchsvolle Industrieanwendungen: Steckverbinder für HighSpeed-Datenübertragungen mit hoher elektromagnetischer Verträglichkeit

Socket und Plug gibt es aktuell in der Bauform mid-profile sowie low-profile und wird es zukünftig auch als high-profile und gewinkelte Version geben. Durch die verschiedenen Bauhöhen können mit Zero8 Steckverbindern Leiterplattenabstände von 6,00 mm bis 21,00 mm realisiert werden – die Polzahlen können zwischen 12 bis 80 variabel angefordert werden. Doch das ist noch nicht alles. Auch bei der Schirmung haben Hardware-Entwickler die Wahl. Beide Seiten des Steckerpaares mit oder ohne Schirmung? Oder sogar nur eine Seite mit Schirmung? Die Entscheidung liegt beim Entwickler – alle Zero8 Stecker sind auf jeden Fall untereinander steckkompatibel und frei kombinierbar, egal ob mit oder ohne Schirmung.

HighSpeed-Datenübertragung vom Sensor bis zur Cloud

Die fortschreitende Digitalisierung in allen Branchen, wie dem Industrial Internet of Things, Industrie 4.0, Smart Grid sowie Smart Home erfordert eine HighSpeed-Datenübertragung vom Sensor bis zur Cloud. Signale mit bis zu 20 Gbit/s und mehr müssen zuverlässig übertragen werden und eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit aufweisen. Denn natürlich dürfen diese Datenübertragungen nicht gestört, verfälscht oder gar verhindert werden, weshalb der EMV-Schutz immer mehr an Relevanz gewinnt. Die fortschreitende Miniaturisierung bei den elektrischen Geräten erschwert auch das Bestehen der verpflichtenden EMV-Prüfungen der europäischen Richtlinie, da sensible Bauteile wie Störsenken durch Störquellen immer näher im Gerät aneinander platziert werden müssen.

Ziel der Datenübertragung ist, dass der Empfänger den Sender problemlos verstehen kann.

Dies wird um so schwieriger, je hochfrequenter das Signal ist. Ein Steckverbinder ist in der Übertragung immer als Störung anzusehen. Ziel bei der Entwicklung von neuen HighSpeed-Steckverbindern ist es, diese Störungen innerhalb der Übertragungsstrecke zu minimieren.

Die Qualität der Datenübertragung ist von folgenden drei Kriterien abhängig:

Impedanzverlauf

Der Impedanzverlauf eines Steckverbinders ist von besonderer Bedeutung. Sobald sich die Impedanz im Übertragungsweg des Signals verändert, entstehen Reflexionen.

Diese reduzieren die Effizienz der Datenübertragung. Schon eine Material- oder Geometrieänderung kann eine Schwankung der Impedanz verursachen. Ein Steckverbinder ist aufgrund seiner Geometrie ein ungleichmäßiger Abschnitt der Signalleitung.

Insertion Loss/Einfügedämpfung

Der Insertion Loss gibt die Abschwächung des Signals durch den Steckverbinder als Verhältnis von durchgelassenem zu einfallendem Signal wieder. Die Einfügedämpfung hilft bei der Bewertung, ob ein Signal über den gesamten Übertragungsweg hinweg vom Empfänger eindeutig identifiziert werden kann. Zieht man als Kriterium für die Datenrate für das Produkt Zero8 einen typischen Wert der Einfügedämpfung von -3 dB heran, ergibt sich bei 8 GHz eine Übertragungsgeschwindigkeit von 16 Gbit/s. Eine Einfügedämpfung von -3 dB entspricht einem Signalverlust von 30 % bzw. einem Leistungsverlust von 50 %.

Übersprechen

Als Übersprechen wird die unerwünschte Beeinflussung eines Signals durch ein Signal auf einer anderen Leitung bezeichnet. Es wird je nach Art der Beeinflussung in Nah- und Fernübersprechen unterschieden. Die Stärke des Übersprechens hängt maßgeblich von der Signal (S)- und Massebelegung (G) ab. Massekanäle zwischen Signalkanälen verringern deren Einfluss aufeinander.

Beim Nahübersprechen (NEXT) wird das Signal gemessen, das von einem auf das andere Paar eingekoppelt wird. Höhere Frequenzen üben eine größere Störung auf das beeinflusste Paar aus. Ein betragsmäßig hoher dB Wert steht für eine hohe Dämpfung des Übersprechens. Es wird also nur ein geringer Einfluss im gestörten Paar gemessen. 10 % des Signals sprechen bei einem Wert von -20 dB über, bei einem Wert von -40 dB nur noch 1 %.

Beim Fernübersprechen (FEXT) wird der Einfluss eines benachbarten Paares am Ende der Übertragungsstrecke betrachtet. Der Einfluss ist geringer als beim NEXT, weil das Signal durch die Dämpfung entlang der Leitung geringer wird.

Elektromagnetische Verträglichkeit als zentrale Herausforderung

Elektromagnetische Verträglichkeit bedeutet die Fähigkeit eines technischen Gerätes, nicht durch ungewollte elektrische oder elektromagnetische Effekte gestört zu werden oder andere zu stören. EMV ist wie das Übersprechen zu betrachten, jedoch nicht innerhalb der einzelnen Signalpfade im Stecker, sondern als externe Störquelle.

Hochfrequente Signale sind sehr empfindlich gegen elektromagnetische Störungen. Bereits ein kleiner Impuls kann das Nutzsignal verfälschen.

Ein Steckverbinder kann eine Störsenke, aber auch eine Störquelle darstellen und andere Komponenten elektromagnetisch beeinflussen. Aus diesem Grund kann als elektrischer Kennwert das Übersprechen für Steckverbinder nur bedingt verwendet werden.

Als elektrische Kenngröße dient hier die Koppelinduktivität L_K (Einheit Henry). Mit diesem Kennwert kann der Steckverbinder sowohl als Störquelle oder als Störsenke simuliert werden.

Bei der Simulation wurden sowohl bei der ungeschirmten als auch der geschirmten Ausführung die Boardlocks und die äußeren Signalkontakte auf Massepotential gelegt. Anhand der farblichen Verläufe und den Koppelinduktivitätswerten lässt sich die Wirkung des Schirmkonzeptes deutlich erkennen.

Mögliche Senke und Quelle auf der Leiterplatte:

IC’s, Prozessoren, Antennen, Steckverbinder.

Mögliche Quellen auf der Leiterplatte:

Frequenz-Umrichter, Netzteile & Transformatoren, Antriebe, Lüfter und Pumpen, Relais, Kondensatoren.

Zudem können durch den Einsatz von geschirmten Steckverbindern höhere Leistungsklassen bei der EMV-Prüfung des elektrischen Gerätes bei den vorgeschriebenen Burst & Surge Prüfungen erreicht werden.

Die beiden Einflussfaktoren bei der Steckverbinder-Entwicklung

HighSpeed

Den größten Einfluss hat das Kontaktdesign. Dabei gilt es, Querschnittsveränderungen des Kontaktmaterials zu vermeiden und Material mit hoher Leitfähigkeit zu verwenden. Auch die Dielektrizitätskonstante des Kunststoffmaterials hat Einfluss auf die Signal-Übertragung.

EMV

Voraussetzung ist es, Material mit hoher Leitfähigkeit zu verwenden. Die Anzahl der Kontaktpunkte ist für die elektromagnetische Verträglichkeit eines Steckverbinders entscheidend.

Der induzierte Störstrom im Schirm des Steckverbinders, der sicher abgeleitet werden soll, erzeugt wiederum ein Magnetfeld der die Signalkontakte beeinflussen kann.

Je höher der Strom, desto stärker das Magnetfeld. Durch eine multiple Kontaktierung des Schirmbleches wird der Stromfluss aufgeteilt und das Magnetfeld somit reduziert. Die Signalkontakte des Steckverbinders Zero8 weisen ein Raster von 0,8 mm auf. Die Schirmkontakte sind im Raster von 1,6 mm zueinander angeordnet.

Quintessenz ist die Betrachtung von HF und EMV

Für eine sichere Datenübertragung müssen die Parameter der HF-Übertragung und EMV betrachtet werden. Das Unternehmen ept bietet für Simulationszwecke:

HF Simulationen:                S-Parameter

EMV Simulationen:            Koppelinduktivität Parameter innerhalb des Steckverbinders

ScaleX Anschlusstechnologie

Die robuste, doppelseitige ScaleX Anschlusstechnologie trotzt den schwierigen Bedingungen von industriellen Anwendungen und gewährleistet eine sichere Kontaktierung bei mechanischer Belastung wie Schock und Vibration. Außerdem kompensiert sie geräteseitige Toleranzen im gesteckten Zustand in alle Richtungen. Durch die EMV-Schirmung werden die Signale im industriellen Umfeld perfekt vor äußeren Einflüssen geschützt und die materielle Beschaffenheit garantiert eine Datenübertragungsrate von bis zu 16 Gbit/s. Zudem hat ept einen Schritt weitergedacht, denn die Steckergeometrie wurde so konzipiert, dass die Kontakte auch bei fehlerhafter Bedienung nicht zerstört werden können.