Der Trend zur Miniaturisierung hält an – und das bereits seit Jahren. Auch vor Steckverbindern macht diese Entwicklung nicht halt. Denn nur wenn man das „Innenleben“ schrumpfen lässt, können auch die Geräte an sich kleiner werden. Eine neu entwickelte Lösung kombiniert daher den klassischen M12-Steckverbinder für die Leiterplatte und einen Übertrager in einem Bauteil, ohne den flächenmäßigen Platzbedarf des M12-Steckverbinders zu vergrößern.

Ethernet breitet sich als Kommunikationsstandard immer weiter in der Industrie im Allgemeinen und der Automation im Speziellen aus. Übertrager gelten hier als wesentlicher Bestandteil der modernen Nachrichtentechnik – ohne sie wäre eine breitbandige Informationsübertragung mit hoher Signalintegrität nicht möglich. Netzwerkteilnehmer und Verkabelungsstrecken müssen zum Schutz von PHY-Chips untereinander galvanisch getrennt werden. Hier greift das gleiche Funktionsprinzip wie beim klassischen Transformator. Beim Übertrager liegt der Fokus allerdings auf einer möglichst breitbandigen und guten Signalübertragung.
Übertrager sind induktive Bauteile der Nachrichtentechnik, die im Wesentlichen wie Transformatoren aufgebaut sind. Während klassische Transformatoren in einem engen Frequenzbereich für die Leistungsübertragung mit möglichst hohem Wirkungsgrad optimiert sind, dienen Übertrager zur relativ breitbandigen Informationsübertragung mit möglichst hoher Signalqualität. Der Erhalt eines guten Signals ist daher wichtiger, als ein optimierter Wirkungsgrad in der Leistungsübertragung. Die Signale der Übertrager nehmen hinsichtlich Qualität eine tragende Rolle im Ethernet-Umfeld ein. Sie stellen sicher, dass die Kommunikation zwischen zwei Teilnehmern in einem Ethernet-basierten System während einer Übertragung von einer guten Signalqualität geprägt ist. Weitere wichtige Eigenschaften eines Übertragers sind die Linearität und möglichst geringe Verzerrungen. Denn diese können zu einer Verfälschung des Signals führen und von einem Empfänger folglich nicht mehr gelesen werden. Im ungünstigsten Fall kann dies zu Funktionsbeeinträchtigungen oder Stillstand in einer Applikation führen.

State of the Art

Wieso aber, müssen die Signale verschiedener Ethernet-Teilnehmer überhaupt erst kompliziert über verschiedene Spulen in möglichst hoher Qualität übertragen werden? Übertrager werden zur galvanischen Trennung, zur Signalübertragung, zur Potenzialtrennung und zur Symmetrierung in lokalen Ethernet-Netzwerken gebraucht. Die auf einem Ethernet-Protokoll basierende Kommunikation bedarf verschiedener Chips und anderer elektronischer Komponenten, die recht empfindlich auf hohe Spannungen reagieren. Da in einem weit verzweigten Netzwerk aber nicht alle Geräte und Übertragungsstrecken das gleiche Potenzial besitzen, dient die galvanische Trennung via Übertrager einem wirkungsvollen Schutz der Bauteile.
Bisher sieht der Anschluss vom Kabel zur Leiterplatte folgendermaßen aus: Man nimmt einen industrietauglichen Steckverbinder beziehungsweise die passende Buchse und verlötet diese über Durchsteckkontakte mit der Leiterplatte. Die Chipsätze und weitere elektronische Peripherie werden neben der Buchse platziert. Um dem aktuellen Streben zu entsprechen, Geräte und Maschinen immer kleiner werden zu lassen, muss auch die Anschlusstechnik schrumpfen. Warum also nicht Chips und Übertrager in den Steckverbinder integrieren?
Im Zusammenhang mit RJ45-Leiterplatten-Buchsen ist dies bereits Standard und hat sich am breiten Markt etabliert. Aber was, wenn eine robuste IP65/67 geschützte Verbindung notwendig wird? Abbildung 1 zeigt den diskreten  Aufbau einer Lösung, wie sie heute noch vielfach bei der Entwicklung eines Switches beispielsweise mit M12-Steckverbindern zum Einsatz kommt. Hierbei wird der Übertrager als separates Bauteil auf der Leiterplatte (PCB) zwischen dem Ethernet-Chip und jedem Steckverbinder platziert und beansprucht somit einen gewissen Platz. Bei einem 16-Port Switch zum Beispiel ist der Platzbedarf, den man vorhalten muss, enorm. Hier erfüllt der Übertrager seine zwei wichtigen Funktionen: Zum einen wird die galvanische Trennung und damit ein Schutz des Ethernet-Chips (PHY) vor der Einspeisung einer Fremdspannung von außen sichergestellt. Zum anderen trägt der Übertrager zur erwähnten besseren Signalqualität bei.

Herausforderungen in zukünftigen Anwendungen

Durch den klar erkennbaren Trend der Miniaturisierung im industriellen Umfeld gehen immer mehr Hersteller dazu über, ihre Geräte kleiner, kompakter und smarter zu designen. Der Wunsch, langfristig wettbewerbsfähig zu bleiben und die Kosten zu reduzieren, sind hier die wesentlichen Treiber.
Damit Hersteller ihre Geräte miniaturisieren können, müssen die erforderlichen Bauteile dafür ebenfalls kleiner werden. Bei Übertragern, die hier standardmäßig verwendet werden, ist das nur bedingt möglich, sodass ein diskreter Aufbau wie in Abbildung 1 in Verbindung mit M12-Steckverbindern auf einer Leiterkarte zukünftig zu viel Platz beansprucht. Die üblicherweise verwendeten und bewährten Komponenten werden daher nicht zum Einsatz kommen können. Eine kleinere, kompaktere Lösung ist gefragt.

M12-Steckverbinder und Übertrager kombiniert

Die von Harting entwickelte Lösung kombiniert den klassischen M12-Steckverbinder für die Leiterplatte und einen Übertrager in einem einzigen Bauteil, ohne den flächenmäßigen Platzbedarf des M12-Steckverbinders zu vergrößern. Der benötigte Platzbedarf für den reinen Übertrager auf der Leiterplatte entfällt, da sich dieser jetzt im Steckverbinder befindet. Der Entwickler hat daher die Möglichkeit, sein Gerät deutlich kleiner und kompakter zu bauen. Pro M12-Steckverbinder mit integriertem Übertrager können rund 30 Prozent der Leiterplattenfläche, im Vergleich zu einem Aufbau wie in Abbildung 2 dargestellt, eingespart werden.
Zudem bekommt er eine im Hinblick auf die Signalintegrität abgestimmte Lösung, da der Übertrager inklusive aller relevanten elektronischen Bauteile bereits im M12-Steckverbinder integriert und abgestimmt ist. Die M12-Steckverbinder mit integriertem Übertrager erfüllen neben den allgemeinen M12-Anforderungen nach IEC 61076-2-101/109 und den Ethernet-Anforderungen gemäß IEEE 802.3 auch die erhöhten Anforderungen des Bahnmarktes bezüglich Schock und Vibration nach IEC 61373.
Neben einer D-kodierten Variante für Fast-Ethernet-Anwendungen wird es für den Bedarf an größeren Übertragungsraten auch eine X-kodierte 1Gbit- beziehungsweise 10Gbit-Version geben. Alle Varianten in gerader und gewinkelter Bauform wird es wahlweise mit oder ohne PoE/PoE+ geben, um neben reinen Daten auch die Energieversorgung an kleinen Geräten, wie beispielsweise Switchen, sicher zu stellen.
Die konsequente Größenreduktion auch für robuste Verbindungstechnik sorgt für zeitgemäße Miniaturisierung bis in die Feldebene und vereinfacht durch Oberflächenlötung das Routing im Platinenlayout.