Leiterplattenanschluss in der Praxis

VOM SENSOR – BIS IN DIE GEBÄUDESTEUERUNG: SIGNALE ÜBERTRAGEN MIT LEITERPLATTENKLEMMEN

4/18/2024

Sensoren sind für eine optimale und energieeffiziente Klimaüberwachung in Gebäuden unabdingbar. Sie messen Temperatur, Luftfeuchtigkeit und mehr und tragen damit auch zu einer angenehmen Atmosphäre bei. Um Sensoren mit Spannung zu versorgen und gemessene Werte als elektrische Signale weiterzugeben, bedarf es der richtigen Leiterplatten-Anschlusstechnik.

Was haben das Berliner KaDeWe, das Schloss Nymphenburg in München und die Polarforschungsstation „Prinzessin-Elisabeth“ in der Antarktis gemeinsam? Sie alle verfügen über Sensoren zur intelligenten Raumautomation von Thermokon – dem Hersteller für Sensorik und Sensorsysteme aus Mittenaar in Mittelhessen. Das Unternehmen steht seit mehr als drei Jahrzehnten für die Aufwertung intelligenter Gebäude. Ihre Sensoren erfassen unter anderem zuverlässig relative Feuchte, Luftqualität, Temperatur sowie Helligkeit und legen damit einen Grundstein für energieeffiziente Klimatechnik in Gebäuden.

Sensoren: Die Sinnesorgane eines Gebäudes

Sensoren fungieren als Sinnesorgane eines Gebäudes und sind dort hundertfach zu finden. Meist sind sie kaum wahrnehmbar montiert – an der Außenfassade, weit oben unter der Decke oder im Lüftungskanal. Ganz gleich, ob es sich um ein Einkaufszentrum, einen Flughafen, ein Bürogebäude oder ein Hotel handelt. Sie nehmen äußere Einflüsse wie Luftfeuchtigkeit und -qualität, Temperatur und Helligkeit wahr, wandeln diese physikalischen oder chemischen Eigenschaften in elektrische Signale und geben sie an das Steuersystem weiter. Dadurch erreichen Gebäudebetreiber eine optimale Raumqualität. Der Sensor ist damit eine wichtige Schnittstelle zwischen der Umwelt und der Gebäudeautomation.

Damit der Sensor richtig arbeiten kann, benötigt er eine zuverlässige Leiterplattenklemme, die das Gerät mit Spannung versorgt und die gemessenen Werte als elektrisches Signal überträgt. Thermokon setzt dafür in einem Großteil seiner Sensoren die steckbare Leiterplattenklemme picoMAX® eCOM von WAGO als Schnittstelle zwischen Gebäudesteuerung und Sensor ein.

Steckverbindersystem picoMAX® für leichte Verdrahtung

picoMAX® ist das kompakte Steckverbindersystem, das die Kontaktkraft einer einzigen Cr-Ni-Stahlfeder doppelt nutzt – sowohl für den Anschluss des Leiters als auch für die Kontaktierung des Steckerstiftes. Dadurch ist picoMAX® noch kompakter als andere Steckverbindersysteme. Auf die Leiterplatten einplanbar ist picoMAX® als klassischer Steckverbinder und in der Variante picoMAX® eCOM als steckbare Leiterplattenklemme.

Schon seit etwa 20 Jahren verbindet Thermokon und WAGO eine enge Partnerschaft. So kam bei der Entwicklung der aktuellen Sensoren-Produktlinie von Thermokon auch der Steckverbinder des Mindener Herstellers in die engere Wahl. „Wir haben die Prototypen unserer Sensoren mit einem 3D-Drucker gedruckt und verschiedene Klemmen in die Prototypen eingebaut. Dann haben wir sie an Installateure gegeben, die die Sensoren montiert und getestet haben. Nach der Auswertung dieser Tests kamen wir zu dem Schluss, dass picoMAX® am besten für unsere Anwendung geeignet ist“, beschreibt Dominique Alt, Leiter des Produktmanagement bei Thermokon, die Entscheidung für den Steckverbinder von WAGO

The connector has a lot of the features you need in the field. It’s compact and easy to use. The sensors are usually located right under the ceiling or in difficult-to-reach places. Installers don’t have to connect the sensor to the conductor at a height of, say, six meters, because they can just plug the terminal block in – a big practical advantage for them.

Dominique Alt

Head of Product Management at Thermokon

Leiterplatten steckbar machen

In den meisten Sensoren setzt Thermokon picoMAX® eCOM ein. Diese Variante kommt ohne Stiftgehäuse aus – die Federleiste wird also wie eine klassische Leiterplattenklemme auf die Platine gelötet. Der Unterschied: Die Klemme ist dennoch wie ein LeiterplattenSteckverbinder entnehmbar, sodass eine Verdrahtung in der Hand möglich ist. Sie macht die Leiterplatte damit direkt steckbar. Thermokon hat sich für die Modelle in den Rastermaßen 3,5 mm und 5,0 mm entschieden – je nach Anwendung als gerade oder abgewinkelte Variante.

One challenge for us was to make the sensors as compact as possible. Of course, the individual components also need to be very small, including the terminal block.

Dominique Alt

Head of Product Management at Thermokon

Für jeden Messwert einen Klemmpunkt

Thermokon bietet Sensoren an, die Luftfeuchte, Temperatur oder Luftqualität messen. Zudem gibt es All-in-one-Lösungen, die alle Messfelder abdecken. Dadurch ist für jeden Anwendungsfall der passende Sensor montierbar. „Umso mehr Messwerte wir haben, umso mehr Klemmpunkte benötigen wir“, sagt der Produktmanager. Die eingesetzten Klemmen verfügen über zwei bis sechs Klemmstellen, sodass alle Messfelder abgedeckt werden können. Die Installateure können eindrähtige und feindrähtige Leiter mit Aderendhülse durch den Push-in CAGE CLAMP®-Anschluss direkt in die Klemme stecken. Grundsätzlich ist picoMAX® sogar polverlustfrei aneinanderreihbar, sodass die Anzahl der Klemmstellen beliebig erweiterbar ist.

Da die Sensoren weltweit von der kalten Antarktis bis hin zu Wüstenzonen wie im Oman zuverlässig Messwerte erfassen und weitergeben müssen, muss auch die Leiterplattenanschlusstechnik diesen verschiedenen Klimazonen gerecht werden. picoMAX® hat einen Grenztemperaturbereich von -60 bis +100° Celsius und hält damit Hitze wie auch Kälte stand.

„Wir haben seit eh und je WAGO Klemmen im Einsatz. Erst vereinzelnd, mittlerweile als Standard. Neben unserer guten Partnerschaft waren die Vorteile von picoMAX® das iTüpfelchen dafür, dass alles passt“, lobt Dominique Alt die Zusammenarbeit mit WAGO. „Der Trend geht hin zu Multisensoren, sodass wir aktuell an entsprechender Deckensensorik arbeiten. Auch hier setzen wir auf WAGO“, gibt der Thermokon-Produktmanager einen Ausblick.

SPE – Datenübertragung mit nur einem Adernpaar

Um Gebäude und die Raumautomation noch intelligenter zu gestalten, sind einige Leiterplattenklemmen und -Steckverbinder wie picoMAX® SPE-fähig. SPE steht für Single Pair Ethernet – eine Art des Datentransfers. Es vereinfacht die Kommunikation und ermöglicht die Weitergabe von Daten von der Feldebene bis in die Cloud. Im Gegensatz zu klassischem ETHERNET kommt SPE mit nur einem einzigen Adernpaar aus und ist gleichsam in der IEEE genormt: Die neue Technologie hat das Potential, die Anzahl der Netzwerkübergänge zu reduzieren und so bestenfalls eine nahtlose IP-Kommunikation zu ermöglichen.

Single Pair Ethernet schlägt eine Brücke über alle Ebenen der Automatisierungspyramide hinweg und ebnet den Weg für einen ungehinderten Datenfluss: Besonders auf der „letzten Meile“, also auf der Feldebene, genau dort, wo Sensoren sitzen, sorgt es für eine größere Bandbreite, sodass übertriebene Datensparsamkeit der Vergangenheit angehört.

Mit seinen vielfältigen Ausprägungen (u. a. 10BASE-T1L, PoDL, Multidrop) gilt SPE als Schlüsseltechnologie – denn es bietet nicht nur das Potential, die bisherige Kommunikationsverkabelung abzulösen, sondern auch eine einheitliche Kommunikationsbasis zu schaffen. „Damit ist SPE ein Beschleuniger für die Sensor-to-Cloud-Communication, wie wir sie in Industrie-4.0- bzw. IIoT-Anwendungen benötigen“, sagt Marco Henkel, Vice President Technology Management bei WAGO.

Single Pair Ethernet einfach anschließen

Und genau über diese Technologie verfügt picoMAX®. Damit kann die Leiterplattenklemme Signale direkt vom Sensor bis in Cloud-Dienste übertragen – und das mit einer denkbar einfachen Installation mit nur einem Adernpaar, das der Installateur direkt in die Klemme steckt.

Mit SPE reduziert sich der Verkabelungsaufwand und die Daten sind direkt dort, wo sie weiterverarbeitet werden sollen. So lassen sich auch schwer zu erreichende Bereiche einfach vernetzen. Das kann die Überwachung und Regelung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und -Qualität sowie Helligkeit mittels Sensoren in sehr großen Gebäuden wie Flughäfen, Freizeitparks oder Lagerhallen vereinfachen, da SPE mit PoDL (Power over Data Line) Distanzen von bis zu 1.000 Metern überwinden kann.

So ist es auch für den Sensorhersteller Thermokon wichtig, Single Pair Ethernet bei der Entwicklung neuer Produkte zu berücksichtigen. „Unser Ziel ist, diese neue Technologie für unser Portfolio zu übernehmen und die Geräte zu verbessern. Für Thermokon ist in diesem Zusammenhang sehr wichtig, dass Partner wie WAGO den gleichen Schritt gehen. Und natürlich, dass picoMAX® SPE-fähig ist“, beschreibt Dominique Alt die Notwendigkeit SPEfähiger Geräteanschlusstechnik für Thermokon.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die Steckgesichterproblematik durch Leiterplattenklemmen entfällt. Aktuell gibt es sechs IP20-Steckgesichter am Markt, die für Single-Pair-EthernetVerbindungen genormt sind. „Der Worst Case wäre es, dass der Anwender, obwohl er ausschließlich Produkte einsetzt, die der Norm folgen, immer wieder mit dem falschen Stecker vor der falschen Buchse steht“, beschreibt Marco Henkel den Nachteil vieler Steckgesichter. picoMAX® ist gemäß IEC 63171 qualifiziert und ermöglichen eine SinglePair-Ethernet-Verbindung mit besonders einfachem Anschluss, da kein Spezialstecker nötig ist. „Einfach den Leiter auf die passende Länge zuschneiden, abisolieren, in die Leiterplattenklemme einfügen und los geht es“, erklärt Viktor Dick, Produkt Manager PCBConnections bei WAGO, die Verdrahtung einer Single-Pair-Ethernet-Verbindung. „Der beste Stecker ist der, den man nicht benötigt“, macht Viktor Dick deutlich.