Industriesteckverbinder optimal konfigurieren

Die Gründe für die zunehmende Verbreitung industrieller Steckverbinder liegen zum einen in der durch den Aufstieg von Industrie 4.0 steigenden Anzahl an Anwendungen in der Robotik und Leittechnik, zum anderen treibt der vermehrte Einsatz elektronischer Systeme in diversen industriellen Bereichen die Entwicklung voran.

Kosten im Auge behalten

In der Vergangenheit hat man sich bei Industrieanwendungen, insbesondere in der Produktion, oft auf Steckverbinder verlassen, die für Militär- und Verteidigungsanwendungen entwickelt waren und bei denen die Kosten kaum eine Rolle spielten. Für Anwender aus der Industrie indes sind Kosten sehr wohl ein Problem. Denn Steckverbinder kommen zunehmend zum Einsatz, um der exponenziell wachsenden Forderung nach lokaler, aber gleichzeitig auch flächendeckender Messung und Überwachung nachzukommen, ohne die Fabrikautomationsprogramme wie Smart Factory oder Industrie 4.0 nicht funktionieren können. Sogar in militärischen Programmen erfolgen übrigens inzwischen aufgrund von Budgetkürzungen strenge Kostenanalysen.

Also sind Alternativen gefragt. Das High-Reliability-Produktangebot von Harwin – hauptsächlich bestehend aus den Familien Datamate, Gecko und M300 – bietet sehr gute Leistung sowie Festigkeit gegenüber Stoß-, Schwing- und Temperaturbelastungen, ist aber um einiges günstiger als militärtechnische Produkte. Für günstigere Industrieanwendungen, die trotzdem hohe Qualität und geringe Größe erfordern, bietet der Harwin-Steckverbinder Archer M50/M52 im 1,27-mm-Rastermaß ein besonders gutes Preis-Leistungsverhältnis.

Kleiner und leichter sollen Industriesteckverbinder sein. Das Rastermaß der Steckverbinderfamilie Gecko beträgt deshalb nur 1,25 mm. Harwin

High Reliability in allen Bereichen

Industrielle Anwendungen werden oft auch als Hi-Rel (High Reliability) bezeichnet – also Vorgänge, bei denen der Steckverbinder nicht versagen darf. Dazu gehören normalerweise Anwendungen in Umgebungen mit rauen Betriebsbedingungen wie Stoß-, Schwing- und Temperaturwechselbelastungen. Folgende Industriesektoren erfordern zudem Steckverbinder mit sehr hoher Leistung:

• Roboter
• Industrie- und Fabrikautomation (Intelligente Fabrik/Industrie 4.0)
• Industriefahrzeuge (nicht für die Straße)
• Öl und Gas
• Marine und Unterwasser
• Forschungsausstattung
• Prüfen und Messen
• Dosieren

Alle aufgeführten Subsektoren verzeichnen erhebliche Zuwächse. Dies ist auf eine Reihe an Faktoren zurückzuführen, etwa die zunehmende Verwendung elektronischer Systeme für Überwachungs- und Steuerungsaufgaben sowie das Aufkommen ausgeklügelter Roboter- und Messsysteme. Einfach ausgedrückt: Elektroniksysteme sind in sämtliche Bereiche vorgedrungen und fast alle heute verwendeten Geräte bauen auf sie auf. Die verbauten Bauelemente und Komponenten müssen dementsprechend robust und zuverlässig sein.

Sicher auch bei hoher Belastung

In der Industriebranche eingesetzte Steckverbinder sind durch viele Faktoren beeinflusst, die auch für andere Märkte gelten. Größe, Gewicht und Kosten sind immer wichtig, aber in industriellen Anwendungen sind alle Bauelemente höheren Belastungen ausgesetzt, was ganz besonders auf Steckverbinder zutrifft. Das liegt daran, dass Steckverbinder neben einer elektrischen Funktion, nämlich der Übertragung von Strom oder Signalen, oft auch eine konstruktive erfüllen müssen, nämlich die Herstellung einer Verbindung.

Oft müssen sie sich darüber hinaus viele Male stecken und wieder trennen lassen. Deshalb haben sich einige Nutzer aus der Industrie auch so lange geweigert, oberflächenmontierbare Steckverbinder zu spezifizieren. Sogar heute noch bietet Harwin als Hersteller von Steckverbindern im Hi-Rel-Standard die hoch zuverlässigen Steckverbinderfamilien Datamate, Gecko und M300 sowohl für die Oberflächen- als auch die Durchsteckmontage mit unterschiedlichen Verriegelungen an.

Größe, Gewicht und Signaldichte

Bei genauerem Hinsehen definieren drei Faktoren die Anforderungen an Steckverbinder: Größe, Gewicht und Signaldichte – alle Branchen wollen „kleiner und leichter“. Der industrielle Markt hat reagiert und die Rastermaße sind auf 2 mm und 1,25 mm geschrumpft. Ein gutes Beispiel hierfür ist die Harwin-Steckverbinderfamilie Gecko mit einem Kontaktabstand von 1,25 mm. Ein anderer Weg, den begrenzten Platz optimal zu nutzen, ist die Kombination unterschiedlicher Funktionen in einem Steckverbinder, etwa Strom und Signal, und manchmal Koax oder sogar Opto in einem Gehäuse. Mix-Tek Datamate von Harwin ist beispielsweise eine Steckverbinderfamilie, bei der sich Signal- (bis 3 A), Leistungs- (bis 40 A) und Koaxialkontakte (bis 6 GHz) platz- und gewichtsparend in einem gemeinsamen Modulargehäuse in vielen unterschiedlichen Konfigurationen kombinieren lassen.

Natürlich spielen elektromagnetische Störungen und Übersprechen bei abnehmenden Abmessungen und zunehmender Signaldichte eine wichtige Rolle. Dies ist ein systemweites Problem und macht die Auslegung und Konstruktion der Steckverbinder zu einem heiklen Thema.

Hohe Signalqualität und sichere Kontakte

Das gewählte Verbindungssystem muss für die Anwendung geeignet sein. Und natürlich erscheinen extrem kleine und billige Bauteile verlockend, die vielleicht für den Einsatz in der Konsumelektronik vorgesehen sind. Solche Bauteile sind allerdings für die meisten Anwendungen im industriellen Umfeld ungeeignet. Denn sie sind weder robust genug, um extreme Stoß-, Schwing- und Temperaturbelastungen zu verkraften, noch für wiederholte Steck- und Trennzyklen ausgelegt. Die Betriebsbedingungen sind also sehr genau zu betrachten, bevor die Spezifikationen für einen Steckverbinder festgelegt werden.

Besonderes Kennzeichen der hochdichten Stromversorgungssteckverbinder M300 sind gefederte Beryllium-Kupfer-Zungenkontakte, die die erforderliche Signalqualität auch in rauen Umgebungen sicherstellen. Harwin

All diese Faktoren zusammengenommen, muss der ideale Industriesteckverbinder klein, leicht, günstig und leistungsstark sein. Um genau diese Eigenschaften bieten zu können, hat Harwin eine besondere Kontakttechnologie entwickelt – das Herzstück jedes hoch zuverlässigen Steckverbinders. Harwin verwendet spezielle gefederte Beryllium-Kupfer-Zungenkontakte, um die erforderliche Signalqualität auch in rauen Umgebungen sicherzustellen. Das Material für das Gehäuse ist ebenfalls wichtig: hier müssen die Kunststoffe nicht nur sehr robust sein, sondern vielleicht auch feuerbeständig. Sie dürfen nicht ausgasen, müssen aber natürlich RoHS-konform und aus umweltfreundlichen Materialien hergestellt sein. Und verzichten idealerweise mit Blick auf die Zukunftsfähigkeit des Systems auf potenziell schädliche Chemikalien, schon bevor diese auf der Liste der eingeschränkt nutzbaren Substanzen (RSL) erscheinen.

Ein aktuelles Beispiel, bei dem all diese Faktoren berücksichtigt sind, ist Harwins M300-Familie mit hochdicht ausgelegten Stromversorgungssteckverbindern, die bis zu 10 A verkraften. M300-Steckverbinder im 3-mm-Rastermaß sind für raue Umgebungen konzipiert und vertragen im Vergleich zu Vorgängerversionen die doppelte Anzahl an Steckzyklen. Die weiblichen Vier-Zungen-Kontakte aus Berylliumkupfer überzeugen durch exzellente elektrische und mechanische Eigenschaften. Ausgelegt für bis zu 1000 Steckzyklen und Leiterquerschnitte von 18 bis 22 AWG eignen sich die Bauteile für den Einsatz bei Temperaturen von -65 °C bis 175 °C. Sie sind stoßfest nach EIA-364-27 (100 g, 6 ms, keine Unterbrechung > 1 µs) und vibrationsfest nach EIA-364-28 (10 g, keine Unterbrechung > 1 µs). Für besonders sichere Verbindungen sind Verschraubungen erhältlich.

Horizontale Montage und kleines Rastermaß

Designingenieure sind sehr kreative Personen, möglicherweise weil sie ständig immer mehr Funktionalität bei den bereits erwähnten reduzierten Abmessungen und Kosten liefern müssen. Hersteller von Steckverbindern sollten darauf mit flexiblen Lösungen reagieren. So hat Harwin eine horizontale Montagemöglichkeit für die hoch zuverlässige Produktfamilie Gecko im 1,25-mm-Rastermaß eingeführt. Die G125-Steckverbinder überzeugen durch sehr hohe Leistungsfähigkeit in einem Miniaturgehäuse. Durch den Kontaktabstand von 1,25 mm ergibt sich im Vergleich zu anderen Hochleistungssteckverbindern wie Micro-D eine Platzersparnis von 35 %.

Die Steckverbinder sind bis 2 A strombelastbar und können in einem erweiterten Temperaturbereich von -65 °C bis 150 °C und unter extremen Schwingbelastungen (Z-Achse, 100 g, 6 m/s) zum Einsatz kommen. Zu den weiteren Merkmalen der Familie gehören neben einem Verpolschutz zum Vermeiden von Fehlsteckungen und einer deutlich erkennbaren Nr.-1-Position für die schnelle Sichtinspektion auch optionale Verrastungen für problemloses und schnelles Entriegeln. Für den Einsatz in räumlich beengten Anwendungen ist optionales Sonderwerkzeug erhältlich.

Gecko-Steckverbinder mit horizontaler Montagemöglichkeit verringern die Stapelhöhe von Leiterplatten deutlich und vereinfachen darüber hinaus die Konfiguration von Mutter- und Tochterkarten. Harwin

In horizontaler Ausführung sind die Steckverbinder mit einer neuen mechanischen Halteverriegelung für mehr Kontaktsicherheit ausgestattet. Diese horizontalen Ausführungen sind in den üblichen Kontaktzahlen (6, 10, 12, 16, 20, 26, 34 und 50) erhältlich und verringern die Stapelhöhe von Leiterplatten auf gerade einmal 5,6 mm. Darüber hinaus vereinfacht sich die Anordnung und Konfiguration von Mutter- und Tochterkarten.

Bei der Entscheidung für ein Steckverbindungssystem sind also immer die Anwendung sowie die Art der Nutzung und die Anforderungen beziehungsweise Umgebungsbelastungen zu berücksichtigen. Eine Überspezifikation führt vielleicht, eine Unterspezifikation dagegen auf jeden Fall zu finanziellen Problemen!

(mou)