Steckverbinder

Optimale Steckerauswahl

Miniaturisierung – Steigerung der Zuverlässigkeit – Performance und Kostenoptimierung

Die Auswahl des Steckverbinders hat einen großen, oft entscheidenden Einfluss auf die Zuverlässigkeit und die Kosten elektrischer Geräte. Aktuell wird eine Vielzahl neu entwickelter Verbindungssystem am Markt angeboten, die nicht immer bekannt sind. GED bietet Kunden Unterstützung bei der Auswahl der optimalen Lösung.


Der richtige Stecker beeinflusst die Performance positiv

Eine interessante Lösung ist zum Beispiel der Kombistecker:

  • Er ist speziell für die Medizintechnik geeignet, aber auch für andere Anwendungen, die hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit stellen.
  • Das Board-Board- oder Board-Cable-Stecksystem kann gleichzeitig Signalleitungen und Koax- oder Hochstromkontakte aufnehmen.
  • Verschiedene Kontakte stehen zur Verfügung und machen den Stecker universell einsetzbar.
  • Die Leistungskontakte sind bis 20 A belastbar, die Signalkontakte im 2-mm-Raster bis zu 3 A, der Koax-Stecker mit 50 Ohm.

Geschirmte Ausführung für Highspeed-Signale

Die Stecker sind auch in geschirmter Ausführung lieferbar, zum Beispiel für Highspeed-Signale. Die Kontakte sind in patentierter Oberfläche mit vergoldeter Beryllium-Kupfer-Legierung ausgeführt. Das erlaubt auch den Einsatz als USB-Stecker oder in High-Reliability-Anwendungen wie NASA-Robotern oder im Motorsport.

Polzahlen von sechs, zehn, 14, 20 und 26 Anschlüssen sind verfügbar, der Temperaturbereich ist von  -55  bis zu +125 °C spezifiziert. Die Datamate-Serie ist nach  UL94V-0 freigegeben und nach verschiedenen Normen und Standards zertifiziert wie MIL-C-55302 und CECC 75101-008.

Die Steckerserie bietet mit ihrem flexiblen Kontaktsystem die Möglichkeit zur Miniaturisierung und Steigerung der Zuverlässigkeit – und das in einem sehr guten Kosten-Leistungsverhältnis. GED setzt die Stecker auch in Gerätekonzepten mit Flexleiterplattenverbindern ein.

 

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Bleifreies Löten

Basismaterialien und Laminate für bleifreies Löten

Zuverlässige Produkte auch für sicherheitsrelevante Anwendungen

0206_06a_xlSind Standard FR4-Basismaterialien zuverlässig oder nicht? Fakt ist: Die thermische Beanspruchung der Leiterplatten liegt je nach Bleifrei-Lot um bis zu 40 °C höher als beim früher eingesetzten bleihaltigen.

Auch einige Bleifrei-Oberflächenbehandlungen üben einen höheren thermischen Einfluss auf das Material aus – und zwar bereits in der Leiterplattenherstellung. Bei ungünstigen Konstellationen der Leiterplatte treten dann unerwünschte Effekte sehr viel eher auf als bei den bisherigen, bleibehafteten Löttemperaturen. Derartige Konstellationen sind im Zusammenhang mit der Bleifreisubstitution eher möglich, weil die Prozessfenster insgesamt enger werden. Die Elektronikindustrie hat erst damit begonnen, verlässliche Erfahrungswerte mit Bleifrei-Parametern und Geometrien zu sammeln.


Betroffen sind zum Beispiel

  • dünne Leiterplatten mit hohem Kupferanteil,
  • dicke Leiterplatten mit kleinen Bohrungen,
  • hochpolige SMD-Bauteile und Bauteile mit großer Kantenlänge oder
  • dicke Anschlussdrähte bei bedrahteten Leistungsbauteilen.

Zuverlässigkeitskriterien Glasübergangstemperatur und Ausdehnungskoeffizient

Für die Zuverlässigkeit des Leiterplattenmaterials ist vor dem Hintergrund der deutlich höheren Temperaturbelastung nicht nur der Tg (Glasübergangstemperatur) entscheidend, sondern auch der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials – in x-, y- und z-Richtung. Gerade bei hohen Temperaturbelastungen führen die unterschiedlichen x/y-Ausdehnungskoeffizienten des Dielektrikums und des Siliziums der Bauelemente zu mechanischem Stress auf die Lötstellen.

Die Risiken liegen insbesondere in

  • dem Delaminieren in Grenzflächen,
  • Hülsenrissen bei großem Aspekt Ratio,
  • Pad Liftings oder auch
  • der Deformation beim Erweichen des Materials.

Die Leiterplattenhersteller bieten deshalb neue Basismaterialien und Laminate an. So liefert Isola eine Reihe von verbesserten Laminaten wie das IS410 mit einem Tg von 180 °C. Es hält im T260-Test noch mehr als 60 Minuten stand. Durch die Beständigkeit bei Temperaturwechselzyklen ist das Material geeignet für sicherheitsrelevante Produkte, wie sie etwa in der Automobilindustrie zum Einsatz kommen.

 

Eine Übersicht der Isola-Produkte können Sie hier herunterladen.

 

Multi Chip-Module

Mit Multi Chip-Modulen zum „System on Chip“ oder Embedded System

MCM – Miniaturisierung für Klein- und Großserie

Hochintegrierte Chipmodule waren bislang nur für hochvolumige Produkte für Branchen wie Consumer oder Automotive wirtschaftlich einsetzbar. Jetzt eröffnen neue Bauteiletechnologien und Verfahren auch für Anwendungen aus der Industrieelektronik oder Medizintechnik hochinteressante Lösungen. Damit lassen sich Teilsysteme oder gar komplette Systeme auf ein Modul integrieren. Der Kundenvorteil: enorme Vereinfachungen und hohes Kostenoptimierungspotenzial.


QFP-Gehäuse im Pitch 0,5 mm mit µController, Treiber und Speicher mit Dice in Wirebond-Technik
QFP-Gehäuse im Pitch 0,5 mm mit µController, Treiber und Speicher mit Dice in Wirebond-Technik

Es gibt zahlreiche Gründe dafür, Elektronik in höherintegrierte Schaltungsmodule zu verpacken:

  • Miniaturisierung: Verkleinern der Logik, in der Regel um 100 bis 500 Prozent
  • Modularisierung: Verpacken der höherintegrierten Elektronik in ein Modul
  • Bessere EMV-Eigenschaften
  • Bessere Signalübertragung bei Highspeed-Signalen
  • Ersatz für alte, nicht mehr verfügbare Bauteile – zum Beispiel auch bei ROHS- Umstellung
  • Kombination von Prozessor und Speicher
  • Umsetzung von einer Bauform zur anderen – als so genannter Interposer
  • „Entschärfung“ der Basisleiterplatte
  • Signalaufbereitung in Sensoren
  • Kombination von Logik und Leistungselektronik, auch als Powermodul

High Performance-Laminate als Substrate und Träger

Chip-Modul mit 4 Dice auf Polyimid-Flexsubstrat und Kupferplatte als Heatsink
Chip-Modul mit 4 Dice auf Polyimid-Flexsubstrat und Kupferplatte als Heatsink

Als Substrat oder Träger stehen verschiedene High Performance-Laminate zur Verfügung. Die Module werden auf Leiterplatten in Feinstleiter und Microviatechnik aufgebaut, mit Leiterstrukturen 150 µm bis zu 30 µm und Microbohrungen von bis zu 50 µm. Die verwendeten Laminate sind hochwertiger als bei der konventionellen Leiterplatte. Auch Flexsubstrate wie Polyimid können aufgrund ihrer guten dielektrischen Eigenschaften eingesetzt werden. Mit den unterschiedlichen Aufbauten lassen sich impedanzdefinierte Multilayer realisieren, auch mit integrierten Widerstands- und Kondensatorlayern. Damit sind Signalübertragungen von bis zu 10 Gbit möglich.


1006 03 cDank Signalintegritätssimulation lassen sich unerwünschte Effekte wie Übersprechen (Crosstalk) oder Laufzeitverzögerungen aufspüren und optimieren. Auch eine thermische Simulation ist möglich.


Anschlüsse und Housing

1006 03 dAnschlüsse und das so genannte Housing sind für praktisch alle Standardgehäuseformen lieferbar. Dabei kommen Gehäuse mit geöffneten Gehäusen zum Einsatz. In diese wird die bestückte Leiterplatte eingesetzt und mit den Anschlüssen des Gehäuses verbunden. Danach wird die Einheit vergossen. Eine andere Lösung ist der Einsatz von Kontaktstreifen für SOIC- und QFP-Bauformen. Sie lassen sich auf das Modul auflöten und – nach dem Test – vergießen.

  • Gehäuseformen: DIP, SO, TSSOP, QFN, BGA, QFN

Bauteile mit sehr kleinen Bauformen

Chip-Modul mit einem BGA-Gehäuse in Wirebond-Technik
Chip-Modul mit einem BGA-Gehäuse in Wirebond-Technik

Neben den ungehäusten Dice, die oft nur für große Stückzahlen zu beschaffen sind, stehen heute Bauteile mit sehr kleinen Bauformen zur Verfügung – wie Flipchip, MLF, QFN oder µBGA. Sie sind ebenfalls sehr gut auf einem Modul einsetzbar und nicht viel größer als das nackte gebondete Silizium Die. Auch die µSMD-Gehäuse in Verbindung mit 0201- oder 01005-Bauteilen bieten hier interessante Lösungen für die Modularisierung von Analogtechnik. Sie eignen sich ideal unter anderem für Sensorik-Anwendungen. Der Nutzen liegt auf der Hand: Hochfeine Anschlusstechniken wie µBGA oder 0201 können auf das Modul verlagert werden. Die eigentliche Leiterplatte wird entlastet. Die feinen Strukturen sind auf das Modul reduziert: Die Leiterplattenfläche selbst wird einfacher und damit preisgünstiger.


Embedded Systeme

Embedded System auf Basis des Mega8 µControllers – Größe 15 x 20 mm
Embedded System auf Basis des Mega8 µControllers – Größe 15 x 20 mm

Interessant ist dieser Lösungsansatz auch, um so genannte „Embedded Systeme“ zu realisieren. Heute stehen moderne und sehr preisgünstige µController zur Verfügung. In diese sind sowohl Analog- und Digitalblöcke als auch Speicher bereits integriert. Damit lassen sich kleine „Embedded Systeme“ realisieren – zum Beispiel, um sie direkt in einen Sensor zu integrieren oder die ganze Funktionalität einfach mit in das Steckergehäuse zu packen.

Mit den neuen, extrem kleinen Bauteileformen lassen sich auch sehr einfach Module realisieren, wie hier mit Flip Chip, µBGA, QFN und 0201-Bauteilen.


Der GED Service für Chipmodule

  • Beratung und Kostenbetrachtung
  • Schaltungsentwicklung und Designservice
  • Entwicklung kundenspezifischer µC-Module
  • Evaluierung der Bauteile und Dice
  • Packaging
  • Simulation
  • Prototyping
  • Prozess- und Testentwicklung
  • Sourcing und Serienfertigung

 

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Hochstrom-Schaltschrank

Konzept mit Hochstromleiterplatten

Optimierter Schaltschrankaufbau erfüllt SIL3 Sicherheitsstandard

Für eine neue Überwachungseinheit zum Einsatz in sicherheitsrelevanten Anlagen nach dem SIL3-Standard (Safety integrity Level nach IEC 61508) – wie sie z. B. in Kraftwerken oder in der chemischen Industrie erforderlich sind – hat ein GED Kunde eine Schaltung konzipiert. Diese sollte kleiner und für die Serie auch kostengünstiger ausgeführt werden.


Besonders die Verdrahtung der Leistungspfade mit dicken Kupferkabeln von 25 qmm stellte einen hohen Fertigungs- und Kostenanteil dar. Der Leistungsbereich der bisherigen  Ausführung sollte erweitert werden. Eine wichtige Zielsetzung war es, den bisherigen  Aufbau deutlich zu vereinfachen, weil sich allein der Arbeitsaufwand für die Verkabelung auf eine Mannwoche belief.


Das neue Konzept

Zunächst wurde eine hochkompakte Überwachungsbaugruppe für eine Leistungsklasse bis 55 Ampere entwickelt, die GED dann auf einer 2-Lagen-Dickkupferleiterplatte umgesetzt hat. Der Kunde hatte eine Schaltung entworfen, die moderne MOSFET-Transistoren in SMD-Bauform gemeinsam mit Ansteuer- und Schutzbauteilen kombiniert. Auch eine Diagnosemöglichkeit der Baugruppe wurde mit implementiert.

Bild 1: Die GED GHC-Technologieevaluierung der Hochstromleiterplattenkonzepte
Die GED GHC-Technologieevaluierung der Hochstromleiterplattenkonzepte

Mauell1


Verlustleistung um Faktor 20 reduziert

GED konnte das Aufbau- und Verbindungskonzept so auslegen, dass möglichst geringe Verluste auf den Leiterbahnen entstehen und die Verlustwärme der Bauteile auf die Dickkupferflächen verteilt bzw. gespreizt wird. Die geringe Wärmeentwicklung macht es möglich, mehrere dieser Baugruppen im 19-Zoll-Baugruppensystem nebeneinander und übereinander zu stecken. Letztlich wurde die Verlustleitung um Faktor 20 reduziert und eine sehr kompakte Größe erreicht, sodass drei Baugruppen in ein 19-Zoll-Rack mit 3 HE passen.  Als preisgünstige Lösungsvariante für die Aufbau- und Leiterplattentechnik der Überwachungsbaugruppe wählte GED eine einfache Dickkupfertechnik mit 2 x 240 µm Kupferstärke aus.

Die Tabelle macht deutlich – SIL3 läßt nur einen Ausfall in 1.000 Jahren zu  (im „Low Demand“):

SIL 1 ≥ 10-2 bis < 10-1 ein gefährlicher Ausfall in 10 Jahren
SIL 2 ≥ 10-3 bis < 10-2 ein gefährlicher Ausfall in 100 Jahren
SIL 3 ≥ 10-4 bis < 10-3 ein gefährlicher Ausfall in 1.000 Jahren
SIL 4 ≥ 10-5 bis < 10-4 ein gefährlicher Ausfall in 10.000 Jahren

Ausfallgrenzwerte für eine Sicherheitsfunktion, die in der Betriebsart
mit niedriger Anforderungsrate betrieben wird (Low Demand).


Die Hochstrom-Backplane für 270 A bzw. 680 A nach SIL3

Mauell4

2-Lagen-Dickkupfer-Leiterplatte und spezieller 4-Lagen-Hochstrom-Multilayer
2-Lagen-Dickkupfer-Leiterplatte und spezieller 4-Lagen-Hochstrom-Multilayer

Eine weitere Hochstromleiterplatte war für die Verbindung der Überwachungsbaugruppen nach SIL3 zu entwickeln Die Backplane in der Größe 19 Zoll mit 3 HE muss drei dieser Überwachungsbaugruppen aufnehmen und redundant koppeln. Dabei war zu gewährleisten, dass bei Ausfall eines Leistungsschalters der gesamte Strom von nur einem redundanten Schalter auf alle drei Ausgänge verteilt werden kann. Damit ist es möglich, die Anlage unterbrechungsfrei weiter zu betreiben, während das defekte Modul ausgetauscht wird, und so die Sicherheitsanforderungen nach SIL3 zu erfüllen.


Hochstromleiterplatte der Backplane mit Einpresskontakten
Hochstromleiterplatte der Backplane mit Einpresskontakten

Zusätzlich verschärft werden die Sicherheitsanforderungen durch ein weiteres Kriterium: Im Falle eines Kurzschlusses muss die Leiterplatte bis zum Ansprechen einer Sicherung für die Dauer von bis zu 20 Sekunden ein Strom von ca. 680 A bzw. 270 A für mehrere Minuten aushalten und zwar ohne dass Schäden an der Baugruppe entstehen.

Nach der Technologie -Evaluierung der verschiedenen, in Frage kommenden Hochstromleiterplatten hat GED eine passende Technologie ausgewählt. Sie konnte in der  konkreten Anwendung die gewünschten Eigenschaften und Anforderungen am besten erfüllen. Leistungswerte, Funktionalität und Preis standen bei der mittleren Seriengröße in einem sehr guten Verhältnis. So wurde beim dreifachen Fehlerstrom eine Temperaturerhöhung von nur 15 °C  gemessen. Grund dafür ist, dass GED die zu kontaktierenden Bereiche der Übergabestecker mit geraden Einlegeelementen massiv kontaktieren und damit auch entstehende Wärme direkt in die ultraschallverschweißten Innenlagen ableiten konnte.


Bild 4: Wärmebild der Backplane bei max. Belastung
Wärmebild der Backplane bei max. Belastung

GED konnte für den Kunden eine Lösung umsetzen, die die gesamte Überwachung und Steuerung sehr viel kompakter und verlustleistungsärmer in einem 19-Zoll-System unterbringt. Die Leistungsstecker und Anschlüsse waren an Positionen fest vorgegeben. Idealerweise ließen sich alle Powerkontakte in Einpresstechnik realisieren, was die Fertigung der bedrahteten Kontakte erheblich vereinfacht und den gesamten Lötprozess ersetzt.

Durch Einsatz moderner Verbindungstechnologien, wie steckbaren Hochstromkontakten (Radsok, HCI Power Connector, Power Stifte), kann am kompletten System insgesamt rund 1 Woche Arbeitszeit für Konfektionierung und Verkabelung eingespart werden.

Alle im Hochstromkreis liegenden Kontaktelemente sind in Einpresstechnik ausgeführt, somit werden keine problematischen Lötstellen im Hochstrom-Kupfer notwendig. Abschließende Tests und Thermographie-Aufnahmen bestätigen die Korrektheit der Berechnungen, das Design und das gelungene Gesamtkonzept.

Fazit: Die Verlustleistung ließ sich im Gesamtkonzept um Faktor 20 reduzieren. Die Lösung mit  Hochstromleiterplatten kann mit ihrem kompakten und modernen Aufbau Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit für die Sicherheitschaltung nach dem SIL3-Standard deutlich steigern – und das bei deutlich reduzierten Herstellungskosten.

 

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Automotive Hochstromrelais

Elektronisches Hochstromrelais für 12V- und 24V-Bordnetze

Automotive: Elektronisches Hochstromrelais für 12V- und 24V-BordnetzeDas Trennrelais ist für das dauerhafte Schalten elektrischer Ströme bis 400 A ausgelegt. Eine Möglichkeit der Funktionsintegration ist die Steuerungsfunktion zum kontrollierten Ein- und Ausschalten eines 12V- oder 24V-Bordnetzes.


Der Lastausgang ist vor Kurzschluss, Überlast und Übertemperatur geschützt. Das Schalten erfolgt über die zwei Steuereingänge „Schalten“ und „Halten“. Der Steuereingang „Schalten“ dient zum Ein- und Ausschalten des Lastausgangs. Der Steuereingang „Halten“ hält den eingeschalteten Zustand, wenn der Steuereingang „Schalten“ bereits abgeschaltet ist. Beide Steuereingänge sind High-aktiv.


Elektrische Daten:

  • Spannungsbereich: 5-32V (für 12V-/24V-Bordnetz geeignet)
  • Standby Strom: typ. 60µA (bei 25°C)
  • Durchgangswiderstand: typ. 0,6mO (bei 25°C)
  • Temperaturbereich: -40°C bis +120°C
  • Eingangswiderstand Steuereingänge: 2,2 kO
  • Schaltschwelle Steuereingänge: 3,4 Volt

Lastausgang:

  • max. Strom: 400 Ampere
  • Kurzschluss-/Überlastschutz: elektronisch, 150°C
  • Übertemperaturschutz: (Chiptemperatur)

Mechanische Daten:

  • Gehäusemaße (LxBxH): 96mm x 68mm x 30mm
  • Schutzgrad: IP6K9K
  • Anschluss Ein-/Ausgang: Schraubkontakt M10, alternativ: Radsock-Stecker

Steckkontakt:

  • Gehäuse: Dreipoliges Seal-Gehäuse (optional im Relaisgehäuse integriert)
  • Hersteller: Tyco (AMP)
  • Herstellernummer: 282 105-1
  • Oberfläche Kontakte: verzinnt

 

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Ebenfalls bei GED: Hochstromrelais mit bis zu fünf Schaltausgängen

Hochstrom-Leiterplatten – GHC-Technologie

Leistungselektronik: Intelligente Konzepte für Baugruppen

Mit innovativen Technologien lassen sich Baugruppen kostenneutral oder sogar kostengünstiger realisieren – bei kleinerer Baugröße und höherer Zuverlässigkeit.


1. HochstromführungFR4-Leiterplatte mit Dickkupfer und Kupfer-Inlaytechnik

Kombinierte Dickkupfertechnik bis 400 µm oder Kupferinlay-Technik bis 3 mm Leiterdicke in der Leiterplatte erlauben Querschnitte von > 50 qmm. Sie ersetzen konventionelle Verkabelungen oder Stromschienen.

 

 


2. Anschlusstechnik

Lowcost-Einpressbolzen (M3-M10), integrierte Anschlusslaschen oder Smart-Powerconnectors in Einpresstechnik ermöglichen eine vereinfachte Fertigung und reduzieren die Kosten.FR4-Leiterplatte einlagig mit eingebetteter Hochstrom-Leiterbahn

 


3. Entwärmung

In die Leiterplatte integrierte Vollkupferflächen (Kupferinlays) sorgen für eine sehr gute Wärmeableitung.

FR4-Leiterplatte mit Kupferinlays

 


Die eingesetzten Lösungen sind der herkömmlichen Technik in jedem Fall überlegen – und zwar durch:

  • höhere Funktionalität und Integration,
  • verbesserte Zuverlässigkeit und Produzierbarkeit,
  • niedrigere Kosten und größere Servicefreundlichkeit.

Möglich machen dies unter anderem:

  • neue Hochstrom-Leiterplatten,
  • leistungsfähigere Bauteile und
  • intelligente Konzepte.

Aus unserem Power-Modulbaukasten stellen wir Ihnen kurzfristig die optimale und preisgünstigste Lösung für Ihre individuelle Anwendung zusammen:

  • für Ihre Industrieelektronik: Antriebstechnik, Batterien, neue Ladekonzepte und Stromversorgungsdesign
  • für Ihre Umwelttechnik: Photovoltaik, Windkraftanlagen
  • in der Transportation- und Automotive-Technik: Nutz- und Baufahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Power Distribution Management, Regler, Steuergeräte, Sicherungsboxen für alle Automotive-Anwendungen

 

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Hochstrom-Produkte testen? Nutzen Sie das GED Hochstrom-Testlabor!

 

Prozessteuerung und Messdatenerfassung

Universelle 32-Bit µC-Steuerung für die Hutschienenmontage

Erster Einsatz in Biogasanlagen/Messdaten online und per Smartphone abrufbar

Universelle 32-Bit µC-Steuerung für die Hutschienenmontage von GED
Universelle 32-Bit µC-Steuerung für die Hutschienenmontage von GED

Ein möglichst universell verwendbares System hat GED mit dem Steuergerät GBC01 entwickelt, und zwar vom Konzept bis zur Hard- und Software. Als erstes kommt das Steuergerät in Biogasanlagen zum Einsatz. Dort dient es der stabilen Prozesssteuerung, für die das Verhältnis der flüchtigen organischen Säuren (FOS) zur Carbonat-Pufferkapazität (TAC) ein wichtiger Parameter ist. Die Messdaten lassen sich mit „BIOsniff“ nicht nur erfassen und analysieren. Sie können außerdem auch per Internet- oder Satellitenverbindung weltweit per Smartphone abgerufen werden.


Das iba (Institut für Biogas) hat eine Proben-Entnahmevorrichtung für Biogasanlagen entwickelt. Die Proben werden analysiert, um das Gärstadium der Biomasse und den zu erwartenden Gasertrag zu messen. Gerade für die Anforderung, in den Anlagen zukünftig mehr Abfälle statt Lebensmittel zu verwenden, ist es wichtig, genauere Informationen über den Zustand des Gärprozesses im Bioreaktor zu erhalten. Deutschland ist mit über 8.000 installierten Biogasanlagen weltweit führend.

Neuheit: Automatisierte chemische Analyse

Für die Steuerung der Probenentnahme stehen digitale 16-/32-Bit-Ein-/Ausgänge zur Verfügung; sie sind kurzschlussfest. Über Messeingänge lassen sich verschiedenste Werte wie Ph oder Temperatur erfassen. Zusätzlich steuert das GBC01-Gerät eine automatisierte chemische Analyse des FOS/TAC-Wertes. Eine solche automatische Analyse stellt eine absolute Neuheit dar.

Offene Schnittstellen für Datenübertragung und Software-Konfiguration

Das GBC01 verfügt über zahlreiche Onboard-Schnittstellen wie USB, CAN und RS232
Das GBC01 verfügt über zahlreiche Onboard-Schnittstellen wie USB, CAN und RS232

Die Werte werden über die Ethernet-Schnittstelle per WLAN oder – in abgelegenen Regionen – per Satellitentelefon an ein Webportal gesendet, dass die Fa. Systec Services entwickelt hat. Die Daten auf dem Portal können Nutzer dann von überall über ihr Smartphone oder Tablet abrufen und sich grafisch darstellen lassen.

Basis des Systems ist die 32-Bit ARM Cortex High Performance MCU mit integriertem Flash von ST Microelectronics. Das GBC01 verfügt über zahlreiche Onboard-Schnittstellen wie USB, CAN und RS232. Am Display lassen sich Statusmeldungen darstellen und über den digitalen Drehschalter können Eingaben ohne Tastatur vorgenommen werden.

Über die implementierte Softwareschnittstelle ist das System für viele weitere Anwendungen konfigurier- und einsetzbar. Mittels „Lua-Scripts“ werden dem Steuergerät auf einfache Weise Abläufe, Bedingungen und Verknüpfungen vorgegeben, die das System dann entsprechend abarbeitet. Lua (portugiesisch für Mond) ist eine imperative und erweiterbare Skriptsprache zum Einbinden in Programme, um diese leichter weiterentwickeln und warten zu können. Natürlich lässt sich das System mit dem ST32-Prozessor auch normal über C-Codes programmieren.

GED bietet das System zum freien Verkauf an oder passt es für spezifische Kundenanwendungen individuell an.

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Technologie-Baukasten Leistungselektronik

Leistungselektronik braucht intelligente Lösungen

Systemlösungen für Leistungselektronik
Systemlösungen für Leistungselektronik

Technologie-Baukasten für Entwicklung, Testing und Fertigung

Ob Maschinenbau, Automotive oder Umwelttechnik: Die Zukunft der Antriebstechnik und Energieversorgung liegt in intelligenten Lösungen zur Leistungssteuerung und Regelung. Schnelles, verlustarmes Schalten, vernetzte Systeme, Überwachungsfunktionen, hohe Lebensdauer und geringe Wartung sind nur einige der Anforderungen, die moderne Geräte heute erfüllen müssen. GED bietet den optimalen Technologie-Baukasten für Entwicklung, Testing und Fertigung preisgünstiger und zuverlässiger Hochstrom-Systemlösungen.


Leistungselektronik – neue Hochstrom-Konzepte

Leistungsbauelemente in SMD-Technologie
Leistungsbauelemente in SMD-Technologie

 Mit einer Reihe neuer Leiterplatten-Konzepten ist es jetzt möglich, selbst in Automotive-Umgebungen mit Leistungsbauelementen in SMD-Technologie kostengünstig Dauerlasten bis zu 3 kW zu schalten. In Industrieanwendungen wurden damit bereits Schaltleistungen von 1.000 A auf LP-basierten Lösungen umgesetzt. Die Kombination von Packaging, Aufbau-Montage und Anschlusstechniken mit neuen µC-basierten Ansteuerungen sind dabei der Schlüssel, um innovative, kostenoptimale Produkte zu realisieren.


Leiterplatten – optimierter Lagenaufbau

Effiziente Entwärmung und Isolation
Effiziente Entwärmung und Isolation

Der GED-Technologiebaukasten bietet – je nach Leistungsklasse und Anwendung – verschiedene Arten von Hochstrom-Leiterplatten. Für die effektive Entwärmung und die elektrische Isolation zwischen Elektronik und Kühlkörper sorgt ein thermisch optimierter Lagenaufbau. Neue Schutzbauteile und EMV-Schirmlagen unterbinden die Störeinkopplung unmittelbar an der Quelle und reduzieren damit den Entstöraufwand erheblich.


Bauteile ansteuern – mit erprobten Hard- und Softwaremodulen

Um LEDs, MOSFETs und andere Bauteile anzusteuern, setzt GED erprobte Hardware- und Software-Module ein. Je nach Anwendung und Leistungsumfang kommen unterschiedliche µCs zum Einsatz. Damit sind auch Funktionen wie PWM, OPEN LOAD DETECTION oder Strom- bzw. Temperaturmessung integrierbar sowie verschiedene Bussysteme wie CAN- oder LIN-Bus.


Anschluss- und Gehäusetechnik

Steuergerät mit Gehäuse
Steuergerät mit Gehäuse

Auch bei der Anschluss- und Gehäusetechnik sind die Hochstrom-Entwicklungen variabel: GED verfügt über unterschiedliche Standardgehäuse – je nach Leistungskategorie, Anwendung und Seriengröße aus thermisch hochleitendem Kunststoff oder aus Aluminium. Für Steuergeräte mit IP67k-Schutz hat die GED ein eigenes Gehäuse designt. Für Leistungsanschlüsse bis 1.000 Ampere stehen neuartige Anschlusselemente und Stecker zur Verfügung.

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USB 3.0 Layoutspezifikation

USB 3.0 Layoutspezifikation für die Highspeed-Datenübertragung

USB-LogoUSB 3.0 ist der neue Turbo für die Datenübertragung: Dank des „Super-Speed-Modus“ sollen Daten mit einer Bruttorate von bis zu 5 Gigabit pro Sekunde übertragen werden – selbst Firewire und E-SATA sind deutlich langsamer. Dafür sind neue Kabel, neue Stecker und auch neue Layoutspezifikationen nötig.


Hohe Datenübertragungsrate mit relativ geringem Aufwand

USB ist ein serieller Bus, d. h. die einzelnen Bits eines Datenpaketes werden nacheinander übertragen. Die Datenübertragung erfolgt symmetrisch über zwei verdrillte Leitungen, die eine überträgt das Datensignal, die andere das dazu invertierte Signal. Der Signalempfänger bildet die Differenzspannung beider Signale; der Spannungsunterschied zwischen 1- und 0-Pegeln ist dadurch doppelt so groß, eingestrahlte Störungen werden weitgehend eliminiert. Das erhöht die Übertragungssicherheit und unterdrückt Gleichtaktstörungen. Zwei weitere Leitungen dienen zur Stromversorgung der angeschlossenen Geräte. Durch die Verwendung von nur vier Adern in einer Leitung können diese dünner und billiger ausgeführt werden als bei parallelen Schnittstellen. Eine hohe Datenübertragungsrate ist mit relativ geringem Aufwand zu erreichen, da nicht mehrere Signale mit identischem elektrischen und zeitlichen Verhalten übertragen werden müssen.

Beispiel: ASUS P6X58 Premium Motherboard mit USB 3.0
Beispiel: ASUS P6X58 Premium Motherboard mit USB 3.0

Vergleich USB 2.0 zu USB 3.0

Warum USB 3.0? Ein Jahrzehnt nach der Einführung gehört USB 2.0 heute als etablierter Standard zu jedem modernen PC. Bis zu zwölf Ports stehen dem Anwender bei aktuellen Chipsätzen zur Verfügung und im Gegensatz zur Anfangszeit dieses Standards werden die User auch immer seltener mit Problemen im Umfeld von USB behelligt. Allerdings zeigte sich in den letzten Jahren immer häufiger, dass die stetige Erweiterung des Einsatzgebietes die anfangs als ausreichend erachtete Bandbreite von USB 2.0 zum Flaschenhals machte – vor allem durch die immer schneller werdenden USB-Sticks und insbesondere durch externe Festplatten.

Auswahl bekannter USB-3.0-Controller:
Renesas Electronics (NEC): µPD720200, µPD720200A, µPD720201, µPD720202
Texas Instruments: TUSB7340, TUSB7320; VIA Labs: VL800, VL 801

Markantester Unterschied von USB 2.0 zu USB 3.0 sind zwei zusätzliche separate differenzielle Leiterpaare, die die Superspeed-Signale übertragen. Der Datenverkehr wird nicht mehr im Half-Duplex-Mode durchgeführt, d. h. über ein Adernpaar erfolgt entweder Up- oder Downstream. USB 3.0 arbeitet im Full-Duplex-Mode: Für Up- und Downstream steht jeweils ein eigenes Adernpaar zur Verfügung.

Vergleich USB 2.0 zu USB 3.0

Pinbelegung USB 3.0
Pinbelegung USB 3.0
USB 4
Es gibt große Unterschiede im verwendeten Protokoll. Bei USB 2.0 wurden alle Geräte nacheinander vom Hostcontroller angesprochen (polling). Mit USB 3.0 können Geräte den Hostcontroller auch selbstständig ansprechen und umgekehrt kann der Hostcontroller gezielt Geräte ansprechen. Bei USB 3.0 steht eine 10 mal höhere Übertragungsrate zu Verfügung. Größtenteils wird die Steigerung der Datenrate durch die Erhöhung der Taktfrequenz erzielt. Die restliche Geschwindigkeitssteigerung gelingt durch die Optimierung des Protokolls und den Full-Duplex-Mode.

Layoutspezifikationen

Via Stubs können bis zu 2,54 mm (1’’) an verfügbarer Leitungslänge kosten
Via Stubs können bis zu 2,54 mm (1’’) an verfügbarer Leitungslänge kosten

Die empfohlene Impedanz der Leitungspaare beträgt 90 Ohm +/-7 Ohm (15 Prozent). Die Superspeed-(3.0)-Paare sind dem 2.0 Paar-bei Platzierung und Routing vorzuziehen. Superspeed-Leitungspaare sollten 1 mm Abstand zueinander haben, um ein Übersprechen zu minimieren.

  • Die Leiterbahnlänge Hostcontroller (Mainboard) zum Connector beträgt 5 mm bis 30 mm (2’’ bis 12’’).
  • Die Leiterbahnlänge Transceiver (Device) zum Connector beträgt 2,5 mm bis 10 mm (1’’ bis 4’’).
  • Empfohlen werden Längen unter 5 mm (2’’) auf dem Device.
  • Die Kabellänge Connector zu Connector sollte 3 m nicht überschreiten.
  • Die Toleranz der Längendifferenz der Leitungen eines Leitungspaares sollte nicht größer als 63,5 µm (2,5 mil) sein.
  • Bei THT-Gehäusen ist darauf zu achten, dass keine Stubs entstehen
    Bei THT-Gehäusen ist darauf zu achten, dass keine Stubs entstehen

    Blockkondensatoren sollten in Baugröße 0402 oder kleiner gewählt werden.

  • Stromkompensationsspulen (common mode choke) sind dicht an der USB-Buchse und noch vor den Kondensatoren zu platzieren.
  • Sollten ESD-Dioden notwendig sein, sind diese auch direkt an der Buchse zu platzieren.
  • CMC-Spule und ESD-Diode reduzieren die maximale Leitungslänge um ca. 2,54 mm (1’’).

Beispiel: Pinbelegung und Footprint einer USB-3.0-Typ-A-Buchse

USB 7

Pinbelegung (Tabelle: Note: Tx and Rx are defined from the host perspective)
Pinbelegung (Tabelle: Note: Tx and Rx are defined from the host perspective)

GED: Beratung, Layoutgestaltung, Simulation Signalintegrität

GED berät die Kunden bei der Auslegung und Impedanzplanung der Multilayeraufbauten sowie bei der optimalen Layoutgestaltung. Bei kritischen und engen Randbedingungen verfügt GED über die Möglichkeit einer Simulation der Signalintegrität mit Mentor Hyperlynx.

Quellen:
Texas Instruments: Superspeed USB Reference Guide (ti_usb_ref_guide.pdf)
Usb.org: USB 3.0 Spezifikationen (USB3_r1.0_06_06_2011.pdf)
Intel: SuperSpeed USB Guidelines Howard Heck (intel_2-4_SSUSB_DevCon_DesignGuidelines_Heck.pdf)
Texas Instruments: SN65LVPE502CP (sn65lvpe502cp.pdf)
Texas Instruments: TUSB1310 Implementation Guide (sllu123.pdf)

 

Kostenoptimierung Serienprodukte

CD-Radio: Reduzierter Lagenaufbau - verbessertes Störverhalten

GED Service: Kostenoptimierung von Serienprodukten

Innovation sichert verbesserte Leistung bei reduzierten Gesamtkosten

GED optimiert Serienprodukte in einem eigenen Prüfungs- und Innovationsprozess. Das Geheimnis der erfolgreichen Optimierung ist es, die Gesamtkosten des Produkts oder Systems zu betrachten – nicht nur den isolierten Leiterplattenpreis. Interdisziplinäres Arbeiten und branchenübergreifende Erfahrung in unterschiedlichen Fertigungstechnologien sichern den dafür notwendigen Technologietransfer.


Im Rahmen des Optimierungsprozesses berücksichtigen wir zum Beispiel Faktoren wie

  • die Einsparung von Bauteilen (Steckern),
  • eine Reduzierung des Fertigungsaufwandes (Bestückung, Montage, Verdrahtung oder Lötung),
  • vereinfachte Testmöglichkeiten,
  • die Reduzierung der Gehäusegröße (und Gehäusekosten),
  • eine höhere Zuverlässigkeit der Verbindung,
  • weitere elektrische Vorteile (Schirmung, EMV),
  • eine erhöhte Servicefreundlichkeit

und die damit verbundenen Möglichkeiten, Kosten zu reduzieren und die Funktionalität zu verbessern.

Unsere erfahrenen Entwickler und Designer achten darauf, die mechanischen und elektrischen Anforderungen in Einklang zu bringen mit den verfügbaren Materialien, Herstellungsmethoden, Anforderungen an die Zuverlässigkeit – und das zu geringstmöglichen, optimalen Systemkosten.

Hier einige Beispiele:

Industrieelektronik – Leiterplattentechnologie
Kosteneinsparung von mehr als 40 Prozent

Multilayer aus modifiziertem Dünnlaminat

In enger Zusammenarbeit mit Laminat- und Leiterplattenherstellern entwickelte GED eine neue Leiterplattentechnologie. Die starr-flexiblen Multilayer aus modifiziertem Dünnlaminat sparen Steckverbindungen und Verdrahtungen – und damit Raum und Kosten.


Beispiel Computertechnik – MCM-Modul
Deutliche Qualitätsverbesserung, Stückpreis um 40 Prozent gesenkt

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Ein Schaltungsteil eines Computerboards (Interface) reagierte sehr kritisch auf Bauteiltoleranzen und Temperaturschwankungen. Die Lösung: Modularisierung wiederkehrender Schaltungsgruppen in einem MCM-Modul auf einem keramischen Hybridträger. Eine Änderung der eigentlichen Schaltungslogik war nicht nötig.


Automobilbranche – EMV
Qualitätsverbesserung, jährliche Kostenersparnis: Über 1,2 Million Euro

CD-Radio: Reduzierter Lagenaufbau - verbessertes Störverhalten

Bei gleicher Größe der Leiterplatte konnte GED den Lagenaufbau für eine Klimaautomatik von vier auf zwei Lagen reduzieren. Dafür erforderlich: ein einmalig erneuertes Leiterplattendesign. Gleichzeitig verbesserte sich das Störverhalten um 10 dB unter der Norm.


Medizintechnik – Miniaturisierung
Qualitätsverbesserung, Kosteneinsparung pro Gerät: Mehr als 22.000 Euro

Medizintechnik: FPGA statt Kabel

Ein neues Röntgenverfahren erfordert einen Verbindungsaufbau mit zwei 19-Zoll-Baugruppenträgern mit 28 Europakarten – jede Karte mit 210-poligem Chip und Netzteil –, mehreren Kabelbäumen und insgesamt über 2.000 Leitungen. Durch Einsatz eines FPGA und einer neuen Leiterplattentechnologie entfallen alle Kabel und Baugruppenträger.


Unsere kostenorientierte Betrachtungsweise – kombiniert mit der Erfahrung eines hochmotivierten Expertenteams – eröffnet unseren Kunden die Möglichkeit, schnell und kostengünstig selbst schwierigste Aufgaben optimal zu lösen.