Elektrische und mechanische Integrität bei Hochleistungsverbindern

In jeder Hochleistungsanwendung, sei es ein Satellit oder ein MRT-Scanner, sind zuverlässige und robuste Steckverbinder entscheidend. Diese Anwendungen arbeiten oft unter extremen Bedingungen, einschließlich Vibrationen, Stößen und elektromagnetischen Störungen.

Damit der Steckverbinder während der gesamten Lebensdauer des Systems wie vorgesehen funktioniert, muss man die Betriebsumgebung des Steckers verstehen. Dies zeigt sich deutlich in den unterschiedlichen Belastungen, denen ein Industrieroboter ausgesetzt ist – ständige mechanische Beanspruchung und potenzielle Verunreinigungen – im Vergleich zu einem Cube-Satelliten – extreme Temperaturschwankungen, starke Gravitationskräfte und hohe Strahlungswerte. Es gibt zwar keine Steckverbinder, die für alle Anwendungen geeignet sind, aber es gibt zwei grundlegende Anforderungen, die jede Steckverbindung erfüllen sollte: mechanische und elektrische Integrität.

Mechanisch müssen Steckverbinder Verformungen oder Trennen unter Belastung standhalten und eine stabile und kontinuierliche Verbindung gewährleisten. Dies ist besonders wichtig in Umgebungen, in denen Vibrationen oder Stöße häufig auftreten, da jede Bewegung zu Verschleiß oder versehentlichem Trennen führen kann.

Elektrisch müssen Steckverbinder eine konstante Leitfähigkeit aufweisen und vor externen elektromagnetischen Quellen abgeschirmt sein. So lassen sich Störungen vermeiden, die die Signalqualität beeinträchtigen und/oder Fehlfunktionen verursachen können. Ein Versagen eines dieser Faktoren wirkt sich auf die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit des Systems aus. Backshells sind daher eine wesentliche Voraussetzung in der Entwicklungsphase.

Steckverbinder-Endgehäuse bieten Schutz

Was die mechanische Integrität betrifft, bieten Backshells eine wichtige Zugentlastung im System. Durch ihre Befestigung von Kabel und Stecker verhindern sie Bewegungen und Vibrationen, die sonst dazu führen, dass Kabel an Bereichen des Chassis oder der Flugzeugzelle reiben und scheuern, was zu Verschleiß oder Trennung führen würde. Darüber hinaus bieten Backshells physischen Schutz vor Stößen oder grober Handhabung und schützen den Stecker vor möglichen Schäden. In rauen Umgebungen, in denen mechanische Ausfälle schwerwiegende Folgen haben können, ist ihre Rolle unerlässlich, um das Risiko von Kurzschlüssen durch freiliegende Leiter zu verringern oder zu beseitigen.

Die elektrische Integrität eines Steckverbinders in einer rauen Umgebung ist ebenfalls entscheidend. Backshells tragen durch effektives Kabelmanagement und Abschirmung dazu bei. Durch eine ordnungsgemäße Kabelführung – mit einem Geflecht, das wiederum am Endgehäuse befestigt ist – minimiert sich das Risiko elektrischer Störungen und Interferenzen durch benachbarte Kabel oder Geräte. Die Signalklarheit wird gewahrt.

Aktuelle Backshell-Designs verfügen über eine 360°-EMV-Abschirmung, die eine leitfähige Barriere um den gesamten Verbindungspunkt bildet. Diese Abschirmung ist in störbehafteten Umgebungen unerlässlich, da sie verhindert, dass EMI die Signalübertragung stört. Alle umliegenden Komponenten, die anfällig für Signale aus dem Kabelbündel sind, werden geschützt. Ein gut konstruiertes Endgehäuse stellt außerdem sicher, dass die Abschirmung zuverlässig geerdet werden kann, um unerwünschte elektrische Störungen zu beseitigen und die Signalintegrität zu erhalten.

Materialien für Backshells

Die Wahl des richtigen Materials ist eine wichtige Entscheidung, die sich auf die Leistungsfähigkeit und Eignung für die Anwendung oder die spezifischen Umgebungsbedingungen und mechanischen Belastungen auswirkt, denen der Steckverbinder ausgesetzt ist. Verschiedene Materialien wie Edelstahl und Verbundwerkstoffe kommen zum Einsatz, aber für viele Hochleistungsanwendungen ist Aluminium die bevorzugte Option – insbesondere in der Luft-/Raumfahrt sowie in anderen Anwendungen, bei denen Gewicht und Haltbarkeit entscheidend sind.

Metall hat ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, was eine leichtgewichtige Schutzabdeckung ergibt. Aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit bietet es auch gute Abschirmeigenschaften. Auch die Wärmeableitung wird durch seine hohe Wärmeleitfähigkeit unterstützt.

Backshell-Techniken

Zusätzlich zu den Materialien, die für ihre Herstellung verwendet werden, haben sich Backshells mit verschiedenen Techniken weiterentwickelt. Folgende Punkte sollten berücksichtigt werden, um die Anforderungen einer bestimmten Anwendung zu erfüllen.

EMI/RFI-Backshells zur Abschirmung minimieren elektromagnetische und HF-Störungen. Sie sind in störbehafteten Umgebungen entscheidend und verfügen über ein Metallgeflecht, das die gesamte Kabelbaugruppe abdeckt. Zu beachten ist, dass sie als End-to-End-Lösung, also durchgehend integriert werden sollten – nicht nur auf den Kabeln und dem Geflecht, sondern auch auf der Leiterplattenseite.

Abgewinkelte Backshells eignen sich für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot, indem sie die Kabel beispielsweise in einem Winkel von 90° führen und so den erforderlichen Freiraum reduzieren. In Verbindung mit einer EMI/RFI-Abschirmung ermöglichen sie auch eine horizontale Verbindung zwischen Leiterplatte und Kabel.

Designflexibilität

Die erforderlichen technischen Spezifikationen eines Projekts können sich im Laufe der Entwicklungsphase ändern. Eine Maßnahme zur Vibrationsdämpfung ist möglicherweise nicht so wirksam wie geplant, oder ein EMI-Problem tritt erst spät im Designzyklus auf. Designs und Layouts lassen sich dann ändern, um neue Komponenten zu integrieren. Dafür stehen heute Backshells in zweiteiliger Bauweise zur Verfügung, um Last-Minute-Upgrades wie eine EMI-Abschirmung hinzuzufügen. Mit diesem Ansatz lässt sich das Upgrade zu jedem Zeitpunkt während der Entwurfsphase oder auch bei Problemen vor Ort durchführen.

Steckverbinder-Backshells sind für die mechanische und elektrische Integrität hochleistungsfähiger Verbindungen unerlässlich. Sie bieten wichtige Funktionen wie Zugentlastung, Vibrationsfestigkeit und EMI-Abschirmung, die für die Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit von Steckverbindern in anspruchsvollen Umgebungen unerlässlich sind.

Die Betriebsumgebung der Anwendung, sei es ein Roboter, eine militärische Überwachungsdrohne oder ein medizinischer Scanner, muss jedoch bereits in einem frühen Stadium des Entwicklungsprozesses berücksichtigt werden, um die korrekte Funktion über die gesamte Lebensdauer des Systems sicherzustellen. Es gibt zwar keine Steckverbinder, die für alle Anwendungen geeignet sind – doch bei der Spezifikation sollte die erforderliche mechanische und elektrische Abschirmung geprüft werden.

Anschließend sollten diese Überlegungen auf das Backshell-Material, die erforderliche Funktion und die Wahrscheinlichkeit von Änderungen in der späten Entwurfsphase ausgeweitet werden. Nur so lässt sich höchste Signalintegrität selbst in sehr rauen Umgebungen gewährleisten. (neu)