Elektromechanik kann Embedded Systems unterstützen

Bild 1: Intelligent automatisiert: Die eingebettete Elektronik übernimmt dezidierte Funktionen der Steuerung und Bedienung. (Bild: Phoenix Contact)

Eckdaten

Eingebettete Systeme sind so vielseitig wie die Branchen und Anwendungen, in denen sie zum Einsatz kommen. Erst die richtige Kombination aus Hardware, Software und Anschlusstechnik macht aber aus Single-Board-Computern oder Erweite­rungskarten funktionale Einheiten. Da sich elektronische Bauteile rasant weiterentwickeln und so stets in neue Einsatzgebiete vordringen, sind Embedded Systems auch für die integrierte Elektromechanik ein Innovations- und Investi­tionstreiber. Phoenix Contact bietet daher vielfältige Lösungen für diesen Wachstumsmarkt. Kompakte Board-to-Board-Steckverbinder ermögli­chen besonders flexible Anschlusslösungen. Elektronikgehäuse schützen die integrierte Elektronik.

Ob Gebäudeautomatisierung, Personentransport, Industrie- oder Infrastrukturanwendungen – Embedded Systems sind in nahezu allen Branchen unverzichtbare Teilsysteme der elektrotechnischen Automation. Als solche erfassen und verarbeiten sie Signale und Daten, steuern Prozesse und bilden die Schnittstelle zwischen physikalischen Systemen, Benutzern und Umgebung.

Bild 2: Ideal für modulare Teilsysteme: Board-to-Board-Steckverbinder erlauben die flexible Anordnung von Leiterplatten.

Bild 2: Ideal für modulare Teilsysteme: Board-to-Board-Steckverbinder erlauben die flexible Anordnung von Leiterplatten. Phoenix Contact

Wenngleich die eingebetteten Systeme stets dedizierte Aufgaben erfüllen und daher logisch ähnlich aufgebaut sind, orientiert sich die tatsächliche Hardwareausstattung an den Anforderungen der jeweiligen Anwendung. Platz­beschränkungen, Schutz vor physikalischen, elektromagnetischen oder mechanischen Störein­flüssen oder die (Echtzeit-) Kommunikation mit der Peripherie und den Benutzern bilden mal scharfe und mal unscharfe Rahmenbedingungen für den Designraum. Und dessen Ausgestaltung endet nicht bei der Auswahl der eigentlichen Kontrolleinheit. Erst die Software, elektromechanische Schnitt­stellen sowie schützende Gehäuse machen aus Mikroprozessoren und Speichermodulen funktional eingebettete Systeme.

Hohe Anforderungen

Anders als handelsübliche PCs laufen Embedded Systems in der Regel im Dauerbetrieb – nicht selten in sicherheitskritischen Anwendungen. Beispiele sind die Car-to-X-Kommunikation, Industrie-PCs zur Maschinensteuerung und Prozess­visualisierung sowie Smart Meter in der vernetzten technischen Gebäudeausstattung. An die Ausfallsicherheit der verwendeten Komponenten werden in derartigen (semi-) industriellen Anwen­dungen deutlich höhere Anforderungen gestellt als im Bereich der Heim- und Freizeitelektronik. Speziell für diese hohen Anforderungen bietet Phoenix Contact daher unterschiedliche elektromechanische Lösungen.

Werden Embedded Systems als flexibel integrierbare Single-Board-Lösungen verstanden, kommt deren Anschlussfähigkeit eine besondere Bedeutung zu. Konventionelle PCI-Busse (peripheral component interconnect) sind seit den 1990er Jahren als Standardschnittstelle für solche Erweiterungs­karten etabliert und erfüllen als 32- oder 64-Bit-Datenbus auch hohe Anforderungen an die Echtzeitdaten­übertragung. Häufig sind die Schnittstellen als Edge Connectors – also als Kontaktflächen an den Leiterplattenrändern – ausgelegt und daher auf die koplanare oder orthogonale Ausrichtung der zusätzlichen Leiterplatte beschränkt. Eine platzsparende mezzanine Ausrichtung ist mit dieser technischen Auslegung nicht möglich.

Flexibilität im Layout

Hier kommen nun Board-to-Board-Steckverbinder ins Spiel, die deutlich mehr Flexibilität in der Leiter­plattenanordnung und im Gerätedesign mitbringen. Phoenix Contact bietet entsprechende Steckverbinder der Familie Finepitch in den Rastern 0,8 und 1,27 mm an (Bild 2). Beide Produkt­serien eignen sich sehr gut für die geräteinterne Verbindung mehrerer Leiterplatten. Dank horizontal und vertikal ausgeführter Varianten können Hersteller von Embedded Systems je nach Anwendung mezzanine, orthogonale oder koplanare Leiterplattenanordnungen umsetzen. Die Steckver­binder für 12 bis 80 Pole lassen Stapelhöhen zwischen 6 und 13,8 mm zu und ermöglichen so flexible Elektroniklayouts. Auf Wunsch gibt es sie auch mit fertig konfektionierten Steckverbindern und angeschlagenem Flachbandkabel.

Für die Highspeed-Datenübertragung eignet sich vor allem die Serie Finepitch 0,8. Die besonders kompakten Steckverbinder übertragen Daten mit bis zu 16 GBit/s und verfügen optional über seitliche Schirmmetalle für eine besonders hohe Dateninte­grität. Das neu entwickelte ScaleX-Kontaktsystem dieser Serie sorgt nicht nur für eine besonders hohe mechanische Stabilität. Es erlaubt auch hohe Toleranzen bei produktions- oder montagebedingt abweichend positionierten Messer- und Feder­leisten. Der Fangbereich liegt bei ±0,7 mm je Achse, die Winkeltoleranzen liegen beim Stecken bei bis zu ±2° in Längsrichtung und ±4° in Querrichtung.

Thema der nächsten Seite: Embedded Systems funktional verpackt

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Bild 3: Komplettgehäuse: Elektronikgehäuse der Serie UCS-RPI bieten eine funktionale Verpackung für Single-Board-Computer. Phoenix Contact

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Bild 4: Die richtige Kombination aus Teilen, Technologien und Entwicklungs-Knowhow ermöglicht eingebettete Systeme auch für spezielle Einsatzgebiete. Phoenix Contact

Mit der Gehäuseserie UCS hat Phoenix Contact auch eine passende Verpackung für Embedded Systems im Programm. Die Gehäuse eignen sich sehr gut zur Aufnahme der Raspberry-Pi-Single-Board-Computer. Dank flexibler Leiterplatten-Befesti­gungen können Gerätehersteller aber ebenso einfach Leiterplatten in Standard-Formfaktoren sowie individuelle Leiterplatten unterbringen (Bild 3).

Diese Flexibilität ist für modulare Gerätekon­zepte ideal, da sich je nach Anwendung ein oder mehrere Standard- und Erweiterungsboards einbauen lassen. Da in beiden Gehäuseschalen die volle Grundfläche zur Verfügung steht, begrenzt lediglich die Aufbauhöhe der elektronischen Bauteile die Gestaltungsoptionen.

Speziell für Prototypen, Kleinserien oder einfache Heimanwendungen bietet Phoenix Contact die Gehäuseserie auch mit vorgefertigten Wandaus­schnitten für Schnittstellen und Displays der Raspberry-Pi-Varianten B2, B3 und B4. Die Polycarbonat-Gehäuse schützen die eingebauten Minicomputer zuverlässig vor mechanischen und physikalischen Einflüssen und eignen sich sowohl für den mobilen Tischeinsatz als auch für die Wandmontage.

Elektromechanik als Maßanzug

Embedded Systems sind so vielseitig und indivi­duell, dass elektromechanische Standardlösungen häufig nicht alle Anforderungen abdecken können. Ein Beispiel sind explosionsgefährdete Bereiche in der Prozesstechnik. Dort eingesetzte Kommuni­kationsgeräte, HMI oder Kompaktsteuerungen müssen strenge Anforderungen an die elektrische Sicher­heit erfüllen. Dies gilt im Speziellen auch für die Elektromechanik. Luft- und Kriechstrecken, Erwärmungsverhalten, Alterungsbeständigkeit und das Isolationsvermögen der Werkstoffe müssen auf die jeweilige Zündschutzart abgestimmt sein. Kunden, die Embedded Systems für spezielle Einsatzgebiete oder besondere Anforderungen entwickeln, unterstützt Phoenix Contact schon im Planungs- und Entwicklungsprozess mit Werkstoff-, Technologie- und System-Knowhow.

So entstehen in der Organisa­tionseinheit Device Connector Solutions kunden­spezifische Neuentwicklungen, die je nach Anforderung einzelne Komponenten umfassen, Technologien neu kombinieren oder vollständig neue Lösungen ermöglichen. Neben applikations­spezifischen Gehäusesystemen gehören auch im Kundenauftrag individuell gefertigte Leiter­plattenanschlüsse oder Steckverbinder für den Feldeinsatz zum Leistungsspektrum.

 

Eckdaten der Markt

Der globale Markt für eingebettete Elektronik wächst kontinuierlich. Analysten prognostizieren bis 2020 eine Marktgröße von mehr als 210 Milliarden Dollar. Schrittmacher für dieses Wachstum sind die zunehmende Vernetzung und Kommunikation in Schlüsselbranchen wie der Gebäudeautomatisierung, der Automobilindustrie oder der Industrie- und Prozessautomation. Der Großteil des Marktvolumens und -wachstums entsteht durch technologische Fortschritte in der Prozessor- und Kommunikationstechnologie. Wenngleich Embedded Systems dem gleichen logischen Aufbau folgen, erlauben erst elektromechanische Schnittstellen und schützende Gehäuse die funktionale Ausgestaltung und Anpassung an unterschiedliche Anforderungen.

Marco Stapelmann

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(Bild: Phoenix Contact)

Manager Marketing Communications, Business Area Device Connectors, Phoenix Contact, Blomberg

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