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Die Verbesserungen in der Halbleitertechnologie wirken sich auf Leiterplattendesigns und Steck-/Kabelverbindungen aus, was deren Miniaturisierung bei niedrigeren Spannungen und Strompegeln erforderlich macht. (Bild: Omnetics)

Eckdaten

Durch die stark wachsende schnelle digitale Verarbeitung erhöht sich die Nachfrage nach kleinen leichten Kabeln und Steckverbindern. Nano-D-Steckverbinder eignen sich hierfür bestens. Die technischen Details erläutert der Autor in seinem Artikel.

Elektronik muss heute zunehmend tragbar und für eine Vielzahl von Anwendungen ausgelegt sein. Überwachungseinrichtungen an Straßenlaternen sorgen für Sicherheit, oder Kameras in Satelliten mit niedriger Umlaufbahn überwachen das Wetter. Positionssensoren helfen dabei, autonome Fahrzeuge zu führen und die Heimelektronik kommuniziert mit der Cloud. Viele erweiterte Dienstleistungen, auf die wir zurückgreifen, sind nur durch neue Chipdesigns und Datenverarbeitungstechniken möglich.

Neue CCD- und eGaN-Bausteine (Enhanced-Mode-Galliumnitrid) bieten deutlich höhere Signal- und Schaltgeschwindigkeiten in kompakteren Designs, die mit sehr niedrigen Spannungen arbeiten und wenig Strom benötigen. Bestehende Halbleiterdesigns werden zwar weiterhin verbreitet sein, aber doch werden ältere CCDs von neuen Bausteinen zunehmend verdrängt, da sie eine schnellere Datenverarbeitung bieten. Neuere hochempfindliche CCDs mit Hintergrundbeleuchtung kommen für Nachtsichtgeräte zum Einsatz. Photonensensoren für Lidar (Light Detection and Ranging) bieten völlig neue Überwachungsmöglichkeiten. Überall werden Daten schnell an tragbare Prozessoren und Ethernet-Systeme weitergeleitet.

Die Verbesserungen in der Halbleitertechnologie wirken sich auf Leiterplattendesigns und Steck-/Kabelverbindungen aus, was deren Miniaturisierung bei niedrigeren Spannungen und Strompegeln erforderlich macht. Nano-D-Steckverbinder sind dafür ein gutes Beispiel. Sie sind für militärische Spezifikationen ausgelegt, um hohe Zuverlässigkeit zu gewährleisten und in tragbaren Anwendungen sowie extremen Umgebungen arbeiten zu können.

Die meisten Nano-D-Steckverbinder haben sich direkt aus dem älteren Micro-D-Format entwickelt und bieten ähnliche Spezifikationen. Bei kleineren und hochwertigeren Nano-Steckverbindern kommt ein Beryllium-Kupfer-Federstift-Sockelsatz (BeCu) mit 17.200 ksi Zugfestigkeit zum Einsatz, um die Signalintegrität während des Betriebs zu gewährleisten. Mit steigenden Datenübertragungsgeschwindigkeiten wird die Wellenlänge des Signals kürzer und bei niedrigeren Spannungen können Vibrationen und Schaltungsrauschen das Signal stören. Der Widerstand des Nano-D-Steckverbinders wird mit 12 bis 15 mW bei einer Kapazität von 2 bis 2,4 pF niedrig gehalten.

Höhere Schalt- und Signalgeschwindigkeiten

Da die meisten Schaltkreise einen geringen Stromfluss und eine niedrige Spannung aufweisen, sind Nano-D-Stecker eine sehr gute Lösung. Mit zunehmender Geschwindigkeit lässt sich die kapazitive Kopplung regeln, indem der Abstand des Nano-Stecker-Isolators an die jeweiligen Anforderungen der Anwendung angepasst wird. Kabel mit geringem Versatz entwickeln sich auch weiter, um die Leistungsfähigkeit des Kabels an die Anforderungen von Verbindungen mit höheren Schalt- und Signalgeschwindigkeiten anzupassen.

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Nano-D-Steckverbinder finden sich immer häufiger in Würfel- und Kleinsatelliten für den Weltraumeinsatz. Omnetics

Nano-D-Steckverbinder finden sich außerdem in den immer häufiger auftretenden Würfel- und Kleinsatelliten für den Weltraumeinsatz. Dabei werden mehrere Kleinsatelliten in kontrollierte Umlaufbahnen gebracht und auf einer konstanten Höhe gehalten, während sie sich im Orbit bewegen und miteinander kommunizieren. Das Format verwendet standardisierte gedruckte Leiterplatten, die gestapelt und elektrisch miteinander verbunden sind. Nano-D-Steckverbinder werden häufig aufgrund ihres Formats und ihrer Größe ausgewählt. Sie basieren auf Materialien mit geringer Ausgasung und sind von der NASA speziell getestet worden. Befestigungsschrauben sind integriert, um eine dauerhafte Paarung während des Einsatzes im Orbit zu gewährleisten. Kundenspezifische Kabelbäume und/oder flexible Schaltungen leiten Signale von den Leiterplatten zu den Steckverbindern im System.

Am Rand der Leiterplatte

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Phased-Array-Radartechniken arbeiten nach dem Prinzip mehrerer Sender, um den gepulsten Signalstrahl zu lenken. Omnetics

Phased-Array-Radartechniken, das Photonenemissionsradar und Lidar entwickeln sich rasant weiter. Bestehende Phased-Array-Radarsysteme arbeiten nach dem Prinzip mehrerer Sender, um den gepulsten Signalstrahl zu lenken. Das zurückkehrende Signal liefert ein Bild mit dem Fokuspunkt anstelle des zuvor bereitgestellten großen Bereichs oder Kreisbildes. Dazu gibt es in jeder benachbarten Sendeposition des Phased-Array-Radars viele Punkte und Phasenänderungen. Dies erfordert demensprechend viele Anschlüsse von der Radarsender-Leiterplatte zum Fokusstrahl-Schaltkreis. Kleine, robuste Nano-D-Steckverbinder mit hoher Pinzahl werden häufig am Rand der Leiterplatte eingesetzt.

Lidar-Überwachungssysteme verwenden ähnliche Verbindungen, um REMPI (Resonance-Enhanced Multiphase Ionisation) innerhalb eines gescannten Bereichs zu ermöglichen. Ein Vorteil dieser Technik ist, dass Kohlenwasserstoff-Feldstudien von Überwachungsflugzeugen und -satelliten aus analysiert werden können, um die Kosten und Risiken bei der Erdölsuche-/förderung abzuwägen und zu verringern. REMPI basiert auf einem abstimmbaren Laser, der frequenzgesteuert ist und einen Plasmastrahl bildet. Ein Kabel mit hoher Pin-/Leitungszahl vereinfacht dabei die Fokussierung des Strahls. Darüber hinaus verlangen die neuen Fotoemissionsradarsysteme (Photonenradar) ähnliche Steckverbinder mit hoher Pinzahl.

Thema der nächsten Seite: Leistungsfäghigkeit von Miniatur-Steckverbindern

Nano-D-Steckverbinder (definiert durch MIL-DTL 32139) sind ein gutes Beispiel dafür, welche Leistungsfähigkeit ein Miniatur-Steckverbinder erzielen kann. Bei einem Rastermaß von 0,635 mm (0,025 Zoll) nehmen diese Bauteile nur ein Viertel des Volumens der Micro-D-Steckverbinder MIL-DTL-83513 ein und sind um 80 Prozent leichter. Die Metallgehäuse von Nano-D-Steckverbindern bestehen aus der Aluminiumlegierung 6061 und sind gemäß AMS-C-26074 vernickelt. Isolatoren bestehen nach MIL-M-24519 von Ticona E-130i aus LCP (Liquid Crystal Polymer), das äußerst gute thermische Eigenschaften von -50 bis 200 °C bietet.

Steckverbinder für die Weltraumtechnik verwenden nur Polymere mit geringer Ausgasung, aber auch PTFE-isolierte Drähte und Kabel, die nach MIL-16878/4200°C zertifiziert sind. Die Verdrahtung erfolgt durch Hochdruck-Crimpen an den Stiften und Buchsen, was mögliche Probleme gelöteter Kabel auf der Rückseite des Steckverbinders vermeidet. Bei Bedarf sind zudem RoHS-konforme Baugruppen mit allen Spezifikationen erhältlich. Es stehen auch Nano-Steckverbinder für Mixed-Signal-Anwendungen bereit, die getrennte Bereiche für die Stromversorgung und Signalverarbeitung in einem Steckergehäuse enthalten. Dies reduziert die Anzahl der Kabel, die zu und von einem Instrument geführt werden müssen.

OMN0038 Image 4 Nano Bilobe HDMI Gigabitsec

Kleine, robuste Nano-D-Steckverbinder mit hoher Pinzahl werden häufig am Rand der Leiterplatte verwendet. Omnetics

Geräte mit schneller digitaler Signalverarbeitung werden immer häufiger tragbar und erhöhen die Nachfrage nach kleinen leichten Kabeln und Steckverbindern. Robuste und umweltfreundliche Anwendungen passen gut in das Anwendungsspektrum für Nano-D-Steckverbinder. Bei der Spezifizierung werden die Kabel-Signalgeschwindigkeit und -Signalformate an die äußerst kleinen Nano-D-Steckverbinder angepasst. Zu den erhältlichen Ausführungen zählen IEEE-1394-Firewire-Kabel, die Erweiterung auf USB 3.1 und CAT-6a.

Eine große Zahl neuer Designs

Viele dieser Formate unterstützen eine große Zahl neuer Designs. Serielle Verbindungen für Daten mit höherer Geschwindigkeit werden auch durch kleinere Kabel und robuste Nano-Steckverbinder unterstützt. Formate wie USB 3.1, PCI Express 2.0/3.0 oder HDMI, die 10-GBit-Ethernet-Netze abdecken, sind dabei enthalten. Manchmal sind spezielle Kabelaufbauten erforderlich, um rauschinduzierten Jitter und fremdes Übersprechen von anderen Kabeln zu unterdrücken. Die Abschirmung von Stromkreis zu Stromkreis erfolgt häufig in Verbindung mit speziellen Rauschableitungen. Schutz vor Cyberintrusion und Signalisolation lässt sich mit metallischen Nano-D-Steckverbindern durch spezielle, an der Kabelabschirmung abgedichtete Endgehäuse erreichen.

Die Nano-D-Steckverbinder-Branche wird weiterwachsen – mit einer Reihe von Varianten für spezielle Anwendungen. Ihre Größe bietet Platz für bis zu 30 AWG-PTFE-isolierte Kabel und unterstützt viele kommende Techniken, die weniger als 1 A Strom benötigen. Verkabelung über kurze Distanzen wird weiterhin verwendet, um Leiterplatten und Module miteinander zu verbinden und Anschlüsse einzusetzen, mit denen sich elektrische Verbindungen einfach erstellen lassen. Die Kabelabschirmung zwischen Kabelmantel und Kabel bietet zusätzlichen Cyberschutz und schützt vor Signalunterbrechungen durch Störsender etc. Speziell entwickelte Isolatoren decken Kombinationen aus Strom und Signal oder sogar HF in einem Steckverbinder ab. Für spezielle Anwendungen werden Nano-D-Steckverbinder um Highspeed-Glasfaseranschlüsse erweitert, die sich gut in kommende Photonenenergiesysteme einfügen lassen.

 

Bob Stanton

Director of Technology bei Omnetics Connector

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