FRAMOS & Alysium: Industrielle Hochgeschwindigkeits-USB3-Verkabelungen

Die Messe „The Vision Show“ in Boston 2014 hatte neben dem Markteintritt von FRAMOS in Amerika ein weiteres Highlight für den Münchner Imaging Spezialisten: Ein neues Produktsortiment rund um USB3.0 für die industrielle Bildverarbeitung. Der Kabelhersteller und FRAMOS-Partner Alysium stellte dort erstmals die finale Version der neuen industriellen USB3-Verkabelungen vor, die gleich mehrere mechanische und elektrische Probleme dieser Technologie löst.

Fast jeder hat schon einmal die folgende Erfahrung gemacht: Man steckt ein USB-Kabel ein und es gibt keine Rückmeldung vom System. Man zieht das Kabel raus, versucht es erneut und plötzlich wird das Gerät erkannt. Alysium hat nun sowohl für USB A als auch für MicroB auf ein industrietaugliches Konzept umgesetzt (Abb. 1). Die Kontaktstecker werden zunächst umspritzt, weisen somit niedrigere Toleranzen auf und verbessern die Steck- bzw. Kontaktsicherheit. 

Durch den Einsatz eines sog. Druck-Guss-Gehäuses statt einer Umspritzung werden weitere Probleme gelöst: Der MicroB-Steckverbinder ist damit so im Gehäuse fixiert, dass dies die bisher häufig aufgetretene Verwinklung des Steckverbinders ausschließt. Zudem hilft das Gehäuse bei der Wärmeableitung und sorgt zusätzlich durch den leichten Aufbau dafür, dass bei einer 'bewegten' Applikation das Gesamtgewicht gering ist. Ebenso wird das eventuelle Verbiegen einer weichen Umspritzung und somit die Weitergabe von Kräften auf den Steckverbinder vermieden. Neben den mechanischen Aspekten werden auch die Hitze und Kräfte, die bei der inneren Umspritzung normalerweise im Produktionsprozess auf die offenliegenden Adern und Kontaktstellen einwirken, auf ein Minimum reduziert. Die neue Generation an USB3-Verkabelungen ist ab Juni 2014 verfügbar.

Bei den Steckverbindungen auf Seiten des USB3-Hubs ist man jetzt ebenfalls einen neuen Weg gegangen: Alle USB3-A- und -B-Gehäuse sind mit der Möglichkeit ausgerüstet, die notwendige Verschraubung durch ein Zubehörteil nachträglich anzubringen (Abb. 2). Damit werden doppelte Einkaufs- und Lagerkosten vermieden. Laut aktuellen Planungen wird das Zubehörteil jeder USB3-Verkabelung beiliegen. Falls sich der Markt nicht auf einen Schraubabstand einigen sollte, können schnell weitere Versionen der Schraubklammer realisiert werden, damit der robustere und sicherere Verbund realisiert werden kann.

Bei Überlängen der USB3.0-Kabel, die für viele Applikationen flexiblere Verbauten ermöglichen, stellen die Widerstandswerte des Kabels bei der Stromübertragung eine Herausforderung dar. Um bei Längen von bis zu acht Metern möglichst einen Großteil der vom USB3-Standard vorgesehenen 4,5W sicherzustellen, wird der Aderaufbau auf bis zu AWG23 hochgezogen. Ein größerer Aderdurchmesser ist durch den Aufbau und die Auslegung des MicroB-Steckverbinders auf kurze Längen (und somit dünne Leitungen) nicht akzeptabel. Ab Längen von ca. fünf Metern wird ein Hybridaufbau eingesetzt, das heißt während man für USB2.0-Daten- und und Stromleitungen weiterhin Kupfer einsetzt, baut man für die zwei Superspeed-Paare auf einen sog. Twinax-Aufbau. Dabei sorgen parallel liegende Coaxleitungen für eine hohe Signalintegrität über die genannten Kabellängen. Eine neue Generation an High-Flex-Leitungen ist bereits in Vorbereitung. Mit einem angepassten Aufbau und einer Auslegung auf mindestens eine Million Biegezyklen sind Längen von ca. fünf Metern zu erwarten, was einer Steigerung von ca. 20% gegenüber der aktuellen Version entspricht.

Dr. Ronald Müller, Leiter Produktmanagement bei FRAMOS, ist überzeugt: „Alysium hat mit der neuen USB3-Industrieverkabelung einen wichtigen Schritt zur Sicherstellung der gewohnten Qualitätsansprüche getan. Dennoch muss beachtet werden, dass eine 100%ige Auslegung auf Consumer-USB-IF-Grenzwerte bei dem Einsatz von MicroB-Steckverbindern aktuell die maximalen Kabellängen auf zwei Metern begrenzen würde. Das heißt, dass hier jegliche Kabel lediglich auf das im industriellen Kamerabereich übliche Anwendungsszenario ausgelegt sind. Da jedoch in enger Abstimmung mit verschiedenen Kameraherstellern entwickelt wurde, ist im Allgemeinen von einer erfolgreichen und stabilen Systemfunktion aus USB3.0-Kamera, Kabel, und Host auszugehen.“

USB3.0 ist eine Highspeed-Schnittstelle, die von Haus aus auf kurze Kabellängen ausgelegt war. Durch den Einsatz modernster Techniken wurden die Kabellängen inzwischen im passiven Bereich auf bis zu acht Meter stabil erhöht, durch aktive Kupfer- oder Glasfaserlösungen sind sogar Kabellängen bis zu mehreren 100m möglich. Trotzdem ist auch auf Rechnerseite Sorgfalt geboten. Der Einsatz von verschiedenen Chipsätzen auf unterschiedlichen USB-Karten und sogar nur das Benutzen eines anderen USB3-Ports kann die stabile Funktionalität und die maximalen Kabellängen stark beeinflussen. USB3 wird aufgrund seiner hohen Bandbreite von bis zu 5 Gbit/s, seiner weiten Verbreitung im Consumer-Bereich, der Standardisierung mit USB3 Vision® an Marktanteil gewinnen und auch auf lange Sicht durch die Verdopplung der Bandbreite mit USB3.1 zukunftsfähig sein.

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