Die Evolution der Steckverbinder Vom Steckverbinder-Chaos zum Anwenderkongress

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Steckverbinder wurden spezifisch für bestimmte Anwendungsgebiete entwickelt. Das führte unweigerlich zum Chaos. Ordnung sollte hier der Steckverbinderkongress ab 2006 hineinbringen. Wir werfen einen Blick auf die Meilensteine in der Evolution der Steckverbinder.

Steckverbinder gibt es fast so lange, wie Elektrizität kommerziell und industriell angewendet wird. Die Verbindungstechnik wurde im Rahmen der damals verfügbaren Technik jeweils spezifisch für bestimmte Anwendungsbereiche entwickelt. Im Markt erfolgreiche Steckverbinder haben im Laufe der Jahre viele Varianten und Weiterentwicklungen erfahren. Beispiele sind: Klinken-Steckverbinder, D-Sub, DIN 41612, (runde) DIN-Steckverbinder, RJ45, USB und einige andere.

Im Laufe der Zeit wechselten gelegentlich die Zuständigkeiten der normgebenden Organisationen (oft in den USA), außerdem wurden gelegentlich Varianten oder Teile der Spezifikationen von unterschiedlichen Organisationen bearbeitet. Beim RJ45 zeigt sich das sehr gut. Das Chaos ist vorprogrammiert.

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In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts gab es eine enorme Nachfrage nach neuen Steckverbinder-Typen durch die Umstellung von paralleler Signalübertragung auf serielle Übertragung. Im seriellen Betrieb werden zwar weniger Kontakte und Leitungen benötigt, die Taktraten müssen aber deutlich höher sein. Das bringt zusätzliche Probleme mit Störstrahlung (aktiv und passiv).

Natürlich sollten die Steckverbinder immer kleiner werden, auch um z.B. Gold auf den Kontaktflächen einzusparen. Dazu mussten Signalverbindungen zusätzlich noch möglichst viel Energie übertragen, um Endgeräte direkt mit Strom zu versorgen.

Was ist eigentlich ein Steckverbinder?

Steckverbinder sind besonders wichtige und teure Bauelemente in elektrischen und elektronischen Geräten und Systemen. Nach DIN EN 61984 wird ein Steckverbinder so definiert: „Ein Steckverbinder ist ein Bauelement, das es gestattet, elektrische Leiter anzuschließen und dazu bestimmt ist, mit einem passenden Gegenstück Verbindung herzustellen und/oder zu trennen“. In amerikanischen Definitionen wird noch hinzugefügt: „without unacceptable signal distortion or power loss“.

Üblicherweise werden auch optische Verbindungen (Licht, Infrarot) eingeschlossen. Außerdem gibt es Steckverbinder auch für Flüssigkeiten (Hydraulik) und Gase (Druckluft). In industriellen Anwendungen können Module aller vier Arten in einem Steckverbindergehäuse gleichzeitig untergebracht sein.

Die lösbare Steckverbindung besteht aus zwei zueinander passenden Teilen. Sehr häufig ist ein Teil davon fest an einem Gerät angebracht und der andere Teil an einem Kabel. Steckverbinder, bei denen beide Teile an Kabeln angebracht sind, werden Kupplungen oder Kabelverbinder genannt.

Eine andere Variante ist die Verbindung von zwei festen Teilen. Das sind beispielsweise Baugruppen (Einsteckkarten oder Platinen), die in Rückwände (backplanes) von Baugruppenträgern eingesteckt oder Baugruppen (Mezzanines, COMs), die auf andere Karten parallel aufgesteckt werden (Sandwich). Je nach Art und Ort der beiden Teile werden verschiedene Begriffe verwendet. Einige davon sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Um eine Steckverbindung herzustellen, müssen zwei geometrisch und elektrisch zusammenpassende Teile verbunden werden.

Meilensteine in der Steckverbindertechnik

Lampenfassung als Steckverbinder: In der Anfangszeit der öffentlichen Stromversorgung in den USA gab es zwei verschiedene Stromtarife für unterschiedliche Nutzung. Der niedrige Tarif war für die Beleuchtung mit Glühlampen gedacht, der teure Tarif für andere Nutzungen. Sehr schnell gab es deshalb Steckverbinder mit Schraubgewinde zum Einschrauben in eine Lampenfassung, um den billigeren Strom nicht nur zur Beleuchtung zu nutzen.

Klinken-Steckverbinder: In großer Stückzahl wurden Klinkenstecker in Telefonvermittlungen ab der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts (ab ca. 1878) eingesetzt. So gab es beispielsweise in Berlin bis zu 85 m lange Klappenschränke mit mehr als 500 000 Klinken. Eine einzelne Telefonistin konnte bis zu 10.000 Verbindungen bedienen. Schon ab 1908 wurden automatische Vermittlungsstellen eingeführt. Die Telefonistin hatte Sprachkontakt mit beiden Teilnehmern einer Verbindung. Wegen der mangelnden Qualität (Frequenzumfang) der damaligen Technik wurde nur weibliches Vermittlungspersonal eingestellt, weil deren „höhere“ Stimme besser verständlich war.

Klinkenverbinder werden bis heute in sehr großen Stückzahlen eingesetzt zur Übertragung von Tonsignalen (Kopfhörer) und in vielen anderen Anwendungen. Gängige Steckerdurchmesser sind 1/4 Zoll (6,35 mm), 1/8 Zoll (3,17 mm, international meist 3,5 mm) und 1/10 Zoll (2,5 mm). Beim IEC in Genf sind Klinkensteckverbinder als IEC 60603-11 genormt. Zu Anfang des Jahres 2016 gab es einen Sturm der Entrüstung als Gerüchte aufkamen, dass Apple beim neuen iPhone keine Kopfhörerbuchse mehr einbauen will.

Schuko-Steckverbinder: Das Schutzkontaktsystem wurde zwischen 1925 und 1932 von verschiedenen Personen und Firmen entwickelt. Die Haushaltvariante für 230 V Einphasen-Wechselstrom mit Schutzleiter bis 16 A ist in Europa als CEE 7/4 (Stecker) und CEE 7/3 (Buchse) genormt, international wird es „Stecker-Typ F“ genannt.

RJ-Steckverbinder: Vom Telefon zum Ethernet

RJ-Steckverbinder: In den 1970er Jahren (Patent angemeldet 1973) entwickelte Bell Telephone Laboratories (USA) mit Western Electric (daher auch Western-Stecker/-Buchse), ein Konzernunternehmen, einen besonders preisgünstigen Steckverbinder zum Anschluss von Telefonen. Einige Zeit später wurde dieser Modular-Steckverbinder von der „Federal Communications Commission“ (FCC) unter der Bezeichnung „RJ“ (Registered Jack = genormte Buchse) und der dazu passende Stecker (plug) mit verschiedenen Varianten als Norm verabschiedet.

Im Zuge der Liberalisierung des Telefonmarktes in den USA gelangte die Spezifikation über FCC 47CFR68 (F) zu ATCA TIA/EIA-IS-968 zu T1.TR5 und auch zu IEC 60603-7. Einige bekannte Varianten sind: RJ11 (Telefon, USA), RJ45 (eigentlich RJ48, RJ49 oder RJ61) für Ethernet-Verbindungen oder RJ49 für ISDN. Die Bezeichnung ist sehr verbreitet, aber fast immer falsch.

RJ45 definiert nur die Mechanik. Als Ethernet-Verbinder sind RJ45-Varianten in sehr großen Stückzahlen weltweit im Einsatz. Für industrielle Anwendungen gibt es inzwischen auch mehrere Varianten im geschützten Gehäuse mit EMV-Schirmung und für einen erweiterten Temperaturbereich. Diese sind auch in verschiedenen IEC-Normen unterschiedlich spezifiziert.

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Die Standards für strukturierte Verkabelung TIA 568A/B 1988) und TIA 968A (auch IEC 60603) nutzen modulare Steckverbinder, wie RJ45. Die ISDN-Variante ist international als ISO 8807 und in den USA als IEEE 802.3i genormt. Mit 8 Kontakten und 8 angeschlossenen Drähten wird diese Variante als 8P8C bezeichnet (RJ45 Ethernet u.a.). Im Markt gibt es aber Varianten mit unterschiedlichen Kontaktabständen, die nicht kompatibel sind. Je nach Anwendung ist auch die Zuordnung der Signale zu den Kontakten unterschiedlich.

D-Sub und SCSI: Der Kampf um die Norm

SCSI: Anfang der 1980er-Jahre war der D-Sub-Steckverbinder sehr populär. Daher wurde dieser bei der Normung (ab 1981) für den parallelen SCSI-Bus eingesetzt und auch für spätere Erweiterungen wurden bevorzugt D-Sub-Varianten ausgewählt. Im Normungsgremium herrschte die Überzeugung „Unter keinen Umständen einen neuen Steckverbindertyp aussuchen oder in Auftrag geben“, weil damals noch die Steckverbinder-Hersteller monatelang versuchten, jeweils ihre eigenen Steckverbindertypen in die Norm einzubringen.

Bei SCSI wurde die Anzahl der Steckverbindervarianten (25 Kontakte bis 80 Kontakte) allein dadurch vervielfacht, dass es unterschiedliche Steckverbinder für die Steckkarten (Rechnerrückwand), für interne Kabel (Pfostenverbinder mit Flachbandkabel), für externe Kabel (Centronics, Sub-D oder HD-Versionen) und für steckbare Laufwerke gab. Eine unvollständige Zählung ergibt etwa 15 Steckverbinderfamilien.

SCSI ist das auch heute noch fast ausschließlich genutzte Protokoll für professionelle Speichersysteme. Werden andere Übertragungsmedien, heute meist serielle Übertragung, genutzt, dann ändern sich nur der Protokollname und gelegentlich einige Interna im Protokoll. Bekannte SCSI-Protokolle sind SAS, SSA, iSCSI, HyperSCSI, FC, FC-AL, FCoE, FCIP, ATAPI, STP für SATA und andere.

Einige der für SCSI genutzten Sub-D-Steckverbinder werden auch für andere Protokolle (serielle oder parallele Schnittstelle, Centronics-Drucker usw.) genutzt. Selbst im gleichen Unternehmen wurde beispielsweise bei dem sehr weit verbreiteten Sub-D25 der Kontakt 25 wahlweise für Masse, Schirmung oder 5 V für Termpower genutzt. Kurzschlüsse gibt es also zwangsweise.

VME: Robust, langlebig und zuverlässig

VMEbus/VPX: Der parallele VMEbus entstand 1981 in Deutschland. Drei US-amerikanische Firmen (Motorola, Mostek und Signetics) migrierten die von Motorola entwickelte CPU (MC68000) und Teile des VERSAbus auf Europakarten mit DIN-41612-Steckverbindern. Das war die einzige Chance für diese Unternehmen, ihre Produkte an deutsche Industrie-Unternehmen zu verkaufen.

Die amerikanische Technik basierte auf großen Platinen (Pizza-Box-Size) mit indirekten Steckverbindern und ohne Versteifung durch eine Frontplatte. Wird eine solche Platine in eine „Pizza Box“ eingeschoben, dann verbiegt sie sich durch ihr Eigengewicht, wodurch erheblich Probleme entstehen, die am Kartenrand befindlichen Kontakte in die rückwärtigen Steckverbinder-Buchsen einzustecken.

Mostek hatte bereits früher seinen hauseigenen Computerbus für Europa auf Europakarten mit DIN-41612-Steckverbindern migriert. Zur damaligen Zeit hatte fast jede Firma in Europa mit Industriesteuerungen ihren hauseigenen Bus auf Europakarten meist mit DIN-41612-Steckverbindern.

Amerikanische „Experten“ prognostizierten den Misserfolg des VMEbus auf Europakarten, weil diese Technik viel zu teuer sei. Das Gegenteil trat ein. Die robuste, zuverlässige und langzeitstabile Technik siegte bei Industrieanwendungen. Bis heute ist diese Technik führend in dem anspruchsvollsten oberen Marktsegment, wenn es um Robustheit, Langlebigkeit, Zuverlässigkeit und Umweltstabilität geht.

Von Anfang an Open Source

VME war von Anfang an „Open Source“, und das viele Jahre bevor dieser Begriff durch Linux bekannt wurde. VMEbus-Systeme sind auch im Weltraum (ISS, Mars, Mond) oder in sehr großen Stückzahlen am CERN aktuell im LHC im Einsatz. In den USA gab es eine Welle von Nachahmern für Europakarten mit indirektem „DIN Connector“ oder 2-mm-Steckverbindern (Multibus II, CompactPCI u.a.).

Beim DIN-41612-Steckverbinder gibt es eine gigantische Zahl an Familien und Unterarten. Derzeit übernimmt der serielle Nachfolger VPX mit Multigig-RT2-Steckverbindern die führende Stellung. Die parallelen Speicherkarten mit unterschiedlichen Steckverbindern (CF, MC, SM) wurden durch das serielle USB abgelöst. Die seriellen Speicherkarten (MMC im Inneren von Mobilgeräten, SD-Varianten in digitalen Kameras) sind weiterhin in großen Stückzahlen im Einsatz.

Sonderformen von Steckverbindern

CPU- und andere vielpolige Chips werden oft in entsprechend vielpolige, meist quadratische Sockel gesteckt. BGA-Testsockel werden ebenfalls oft als Steckverbinder genutzt. Weitere anwendungsbedingte Sonderformen passen sich den geometrischen Formen der zu verbindenden Geräte an.

Intelligente Steckverbinder: Eine Zeit lang versuchte man auch Steckverbinder zunehmend „intelligent zu machen“. Dazu wurden beispielsweise RFIDs oder Sensoren in das Steckverbindergehäuse eingebaut und über Funk oder Draht mit dem System verbunden. Auch KI war ein großes Thema.

Wie könnte der (intelligente) Steckverbinder der Zukunft aussehen? Er sollte sich selbst diagnostizieren und Fehler frühzeitig erkennen. Hochgeschwindigkeits-Datensteckverbinder könnten Cybersecurity-Funktionen integrieren. Er könnte die Lastverteilung und das Wärmemanagement intelligent steuern. Last but not least könnte sich auch der Datenfluss und die Signalintegrität durch eine integrierte Anomalie-Erkennung optimieren lassen.

Heute ist es um diese Ansätze wieder still geworden. Einen gewichtigen Grund spielten die Kosten. Die Tendenz geht wieder zur passiven Komponente. Nichtsdestotrotz bilden Steckverbinder das Rückgrat der KI-Revolution. Ohne schnelle und robuste Verbindungstechnik mit entsprechendem Wärmemanagement ist die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung in KI-Rechenzentren nicht möglich. Gleiches gilt für die neuen Stromversorgungskonzepte mit Sidecar.

In diesem Zusammenhang soll auch der digitale Zwilling erwähnt werden, obwohl er nichts mit „Intelligenz oder KI“ zu tun hat. Der Einsatz von digitalen Zwillingen wurde anfangs kontrovers diskutiert. Er ist aber mittlerweile in der Steckverbinderentwicklung etabliert.

Elastische Steckverbinder: In einer sehr großen Anzahl von Massenartikeln mit Display (Smartphones, Taschenrechner) werden elastische Steckverbinder genutzt. Die Rückseite der Display-Glasfläche wird über Leitgummi mit der steuernden Platine kontaktiert. In der Miniature Card (MC) wurde diese Verbindungsart ab ca. 1996 eingesetzt.

Für die Signalübergabe von einer metallisch-leitenden Fläche zu einer anderen wird eine Zwischenlage aus elastischem Silikonkunststoff verwendet (Leitgummi, elastomeric connector). Dieser Kunststoffblock besteht abwechselnd aus leitenden und nicht leitenden Siliziumschichten. Diese Schichten sind so dünn, dass bis zu 20 Schichten je Millimeter zur Verfügung stehen. Die Schichten stehen senkrecht zur Kontaktfläche.

So hat man also viele parallele leitende Verbindungsschichten zwischen den Kontaktflächen. Wo eine Stirnseite der leitenden Kunststoffschicht auf eine Metallfläche trifft, wird der Strom weitergeleitet. Die Feinheit des Rasters bestimmt den minimalen Abstand der Kontaktflächen.

Es müssen immer mehrere Schichten des Kunststoffblocks im Niemandsland zwischen benachbarten Kontaktflächen vorhanden sein, damit bei geringfügiger Verschiebung der beiden Bauteile nicht eine Diagonalverbindung zum benachbarten Kontakt möglich wird.

Nano-Steckverbinder: Ein Beispiel für kleinste Steckverbinder, z.B. in Weltraumanwendungen, sind die Nano-Steckverbinder nach der MIL-DTL-32139-Norm. Der Stiftdurchmesser beträgt etwa 0,325 mm, der Kontaktabstand etwa 0,64 mm. Temperaturbereich z.B. –60 °C bis +125 °C. Die Nano-Steckverbinder gibt es in runder oder rechteckiger Ausführung.

Der „Steckerkrieg“ um Single Pair Ethernet

Single Pair Ethernet: In der Automobilindustrie bereits etabliert, gewinnt die Ethernet-Übertragungstechnik, die Stromversorgung und Datenübertragung in einem Kabel kombiniert, auch in der industriellen Vernetzung zunehmend an Bedeutung. Der Paradigmenwechsel wurde 2012 eingeleitet. Als die anfängliche Skepsis seitens der Anwender verschwand, behinderten die vielen Varianten der unterschiedlichen Hersteller der zwei miteinander um die Norm konkurrierenden Lager die Marktakzeptanz.

Das änderte sich Ende 2024, als die Profibus Nutzerorganisation (PNO) bekannt gab, dass sie mit IEC 63171-7 (ED2) ein einheitliches, hybrides Steckgesicht normieren und als Industriestandard festlegen will. Der derzeit laufende Normungsprozess, in dem sich die Hauptakteure auf ein Design (einheitliches Steckgesicht) geeinigt haben, sollte bis Ende 2025 in einer CDV-Norm münden – und dann die vom Markt gewünschte und benötigte Interoperabilität einläuten.

Das ist aktuell noch nicht der Fall. Aber eine gewisse Erleichterung, dass das „Steckerdrama“ zu Ende gehen könnte, ist spürbar. Einige Hersteller bieten Stand heute bereits fertige Produkte an, die Mehrzahl wartet ab.

Der Anwenderkongress Steckverbinder

In diesem Beitrag wurde nur ein kleiner Auszug wichtiger Aspekte in der Geschichte der Steckverbinderentwicklung dargestellt. Vor 20 Jahren herrschte in der Landschaft der Steckverbinder noch ein ziemliches Chaos. Wie eingangs erwähnt, war dieses vorprogrammiert, da jeder Hersteller seine eigenen Varianten entwickelte und propagierte. Von einem einheitlichen Steckverbinder war (und ist) man weit entfernt. Zudem war im Laufe der Zeit viel technisches Wissen verloren gegangen.

Aus diesem Grund wurde auf Initiative von Hermann Strass im Jahr 2006 der Anwenderkongress Steckverbinder von ELEKTRONIKPRAXIS aus der Taufe gehoben. Unterstützt von den Sponsoren Phoenix Contact und molex. Inhaltlich gesteuert von den Kongressbeiräten Herrmann Strass, Herbert Endres und Dr. Helmut Katzier. Das Ziel bestand zum einen darin, Anwendern und Herstellern eine Plattform zum Austausch zu geben. Und andererseits die bestehenden Wissenslücken zu schließen.

Der seit nunmehr seit 20 Jahren stattfindende Anwenderkongress Steckverbinder bringt jedes Jahr im Sommer Anwender und Hersteller in Würzburg zu einem Wissens- und Informationstausch zusammen. Aus der Not geboren, hat sich die Veranstaltung mittlerweile zum bilingualen (deutsch/englisch mit Simultanübersetzung) europäischen Branchentreff entwickelt. Auf der Jubiläumsveranstaltung (29. Juni bis 1. Juli 2026) ist auch die Steckverbinder-Evolution ein Thema. (kr)

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