Verbindungstechnik So finden Sie die passende Steckverbindung

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Steckverbindungspaarungen werden über Strombelastung, Platzbedarf, Steckhäufigkeit, Einsatzort oder Sicherheitsaspekte definiert. Einige Sachverhalte muss der Leiterplattenentwickler dazu unbedingt wissen.

Eine Vielzahl unterschiedlicher Steckverbinder wird heute weltweit auf dem Steckverbindermarkt angeboten. Um hier einen Überblick zu erlangen, ist es unerlässlich, sich auch mit der Kontakttechnik zu beschäftigen.

Eine Unterteilung ergibt sich bereits aus den geplanten Anwendungsbereichen, wie zum Beispiel der Telekommunikationstechnik, Automobilindustrie, Bahntechnik, dem Maschinenbau und seit einigen Jahren der Solartechnik. Neben den für die einzelnen Industriezweige typischen Steckverbinder finden verstärkt Leiterplattensteckverbinder Verwendung.

Steckverbinder unterteilt man in lösbare und nicht lösbare Verbindungen. Bei nichtlösbaren Verbindungen handelt es sich in der Regel um Löttechnik, Crimptechnik oder im weitesten Sinne auch Einpresstechnik.

Lösbare Steckverbindungen, auf denen der Schwerpunkt dieses Artikels liegt, dienen als Schnittstelle von Elektronikeinheiten zu Schaltungsperipherien. Sie müssen besonders zuverlässig sein.

Derartige Steckverbinder bestehen in der Regel aus einem Stiftteil und einem Federteil, welche gesteckt werden. Eine Grundvoraussetzung für eine gute Zuverlässigkeit einer lösbaren Steckverbindung ist, dass die entsprechenden Bauformen gut zusammenpassen. Neben der Form des Stiftkontaktes – zylindrisch, vierkant, quadratisch, rechteckig – ist auch der Typ der Kontaktfeder – Blattfeder, Gabelfeder, Clip – wichtig. Diese grundlegenden Ausführungstypen müssen aufeinander abgestimmt sein.

Des Weiteren spielt die Oberflächenbeschichtung eine wichtige Rolle, die auf die gewünschte Anwendung, wie Steckhäufigkeit und Strombelastung hin, ausgewählt werden muss.

Elektrische Kenngrößen für Steckverbinder

Die elektrische Belastbarkeit ist ein weiteres wichtiges Merkmal bei der Auswahl von Steckverbindungen. Die gängigen Typen mit einem Kontaktabstandsmaß von 2,54 mm – auch „Raster“ genannt – reichen bis zu einem Strombelastungswert von 3 A je Kontaktpaar.

Höhere Belastungswünsche werden bei Leiterkartensteckverbindern oft dadurch erzielt, dass man zwei oder mehrere Kontakte zusammenfasst. Hierdurch kann der Anwender bei Standardleisten bleiben und muss nicht extra eine spezifische Steckverbindung entwickeln.

Auf der anderen Seite reduziert sich die Strombelastbarkeit dementsprechend bei kleineren Rastern (z.B. 2,0 und 1,27 mm) auf 2 und 1,5 A, bedingt durch die geringeren Kontaktquerschnitte und den geringeren Kontaktabstand.

Variationsmöglichkeiten ergeben sich darüber hinaus durch den Einsatz unterschiedlicher Kontaktwerkstoffe. Während der elektrische Leitwert von Zinnbronze (CuSn) bei ca. 9 S/m liegt, kommt man bei Messing (CuZn) auf ca. 15 S/m. In den meisten Fällen reichen diese Möglichkeiten der elektrischen Belastbarkeit für Leiterplattensteckverbinder vollkommen aus.

Durch den anhaltenden Trend nach immer kleiner werdenden Bauteilen ist auch der Bereich der Leiterplattensteckverbinder gefordert, dementsprechend Rechnung zu tragen.

Mechanische Anforderungen an Steckverbindungen

Für den Leiterplattenentwickler steht an erster Stelle das gewünschten Kontaktabstandsmaßes – das Kontaktraster, welches er festzulegen hat. Dies gilt dann sowohl für die Stiftkontaktleiste als auch für die dazugehörige Federkontaktleiste. Beide Raster müssen übereinstimmen.

Die mechanische Beanspruchung bekommt an dieser Stelle eine nicht zu unterschätzende Bedeutung. Zinn-Bronze-Legierungen sind durch ihre guten Federeigenschaften gegenüber Biegebeanspruchungen wesentlich stabiler als Messinglegierungen.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist der gewünschte Abstand der beiden Leiterplatten zueinander, sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Ausrichtung. Dies wird im Fachjargon auch als „lichtes Leiterplattenabstandmaß“ bezeichnet.

Die Kontaktleisten (Stift- und Buchsenleisten) müssen aufeinander abgestimmt werden: das minimale und maximale Einsteckmaß der Kontaktfeder muss von der Länge des Stiftkontaktes abgedeckt werden. Das wird vielfach als „Kontaktüberlappung“ bezeichnet. So wird sichere Kontaktierung garantiert.

Präzisionskontaktbuchsen sind bezüglich der Einsteckquerschnitte die am flexibelsten verwendbaren Kontaktformen. Sie können sowohl zylindrische, quadratische als auch rechteckige Formen ohne Einbußen bei der Kontaktqualität aufnehmen. Dies wird durch die hohe Anzahl an federnden Kontaktelementen erreicht.

Sowohl die Flachkontaktfeder als auch die Gabelkontaktfeder können dagegen keine zylindrische Stiftkontaktformen aufnehmen, sondern nur quadratische und rechteckige.

Die Nennmaße und Formen der Kontakte werden von den Herstellern in den zugehörigen technischen Datenblättern ausgewiesen. Es gibt Ausführungen mit einseitiger Kontaktierung und auch doppelseitiger Kontaktierung.

Eine besondere Form von Federkontakten bilden die Präzisionskontaktfedern. Sie werden in gedrehte Kontakthülsen mit Lötanschluss, den Präzisionsbuchsenkontakten, eingesetzt.

Dabei handelt es sich um gestanzte und gerollte Federkontakte, auch „Clip“ genannt, die anschließend galvanisiert werden, bevor sie auf Klemmsitz in die galvanisierten Kontakthülsen eingepresst werden.

Aufbau eines Präzisionsbuchsenkontaktes

Ein Präzisionsbuchsenkontakt besteht daher aus zwei Teilen, nämlich der Kontakthülse und dem „Clip“, der die eigentliche Kontaktfeder bildet.

Die Kontakthülse ist in der Regel ein Drehteil mit einem Lötanschluss auf der Leiterplattenseite und mit einer Bohrung für den „Clip“ auf der anderen Seite.

Abhängig vom Einsatz der Steckverbindung werden die Teile verzinnt oder vergoldet, mit jeweiliger Unternickelung als Sperrschicht versehen. Die Präzisionsbuchsenkontakte haben beim Löten einen großen Vorteil gegenüber den rein gestanzten Kontaktfedern: sie sind lötdicht.

Eine weitere Form von Federkontakten ist die Gabelkontaktfeder. Sie ist auch eine gestanzte Feder, die in der Form einer „zweizinkigen Gabel“, in der Regel aus Federmaterial (Zinnbronze), gefertigt wird. Sie ist eine preiswerte Ausführung und eignet sich für Einsatzfälle mit geringer Steckhäufigkeit.

Das Stanzwerkzeug muss im Kontaktbereich der Feder, dem inneren Bereich, eine hohe Genauigkeit aufweisen, um den Kontakt gerade dort äußerst gratfrei produzieren zu können. Bei zu spitzen Stellen an diesen Kontaktflächen würde sonst sehr leicht, vorwiegend bei verzinnten Kontakten, die Oberfläche des Stiftkontaktes aufgerissen. Wird diese Kontaktfeder am Stanzstreifen hängend gefertigt, nicht als Schüttgut, kann eine Vergoldung recht sparsam und leicht im Kontaktierungsbereich der Feder in einer Bandgalvanik mittels Tauchverfahren aufgebracht werden (Bild 1).

Als Gegenstecker für meisten Federkontakte werden Stift- und auch Messerkontakte verwendet. Je nach Federkontakttyp können diese Gegenstecker eine quadratische, rechteckige oder zylindrische Form aufweisen. Teilweise lassen sich mehrere oder sogar alle Formen auch in Kombinationen einsetzen. Die Verwendung von unterschiedlichen Werkstoffen ist je nach Anforderung möglich. Neben den typischen Werkstoffen wie Messing (CuZn) und Zinnbronze (CuSn) sind auch Kupferwerkstoffe mit einem sehr hohen Kupferanteil im Einsatz.

Fazit: Zur gezielten Auswahl von Steckverbindungspaarungen sollte sich der Leiterplattenentwickler die geforderten Kenndaten wie Strombelastung, Platzbedarf, Steckhäufigkeit, Umfeld des Einsatzortes – trocken oder feucht, ruhend oder schwingend – sowie die Sicherheitsanforderungen des Produktes bewusst machen. Danach lassen sich anhand der technischen Daten der Hersteller schon zahlreiche Produktanforderungen bestimmen und auswählen.

Wichtig ist aber auch, dass der Anwendungsentwickler sich mit der technischen Ausführung des angebotenen Produktes beschäftigt und es versteht, damit er es für seine Anwendung auch richtig einsetzt.

* Gerhard Brüser ist als leitender Entwicklungsingenieur für Steckverbinder bei Fischer Elektronik in Lüdenscheid tätig.

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