Grundlagen: Wie man den richtigen Steckverbinder findet

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Steckverbinder kommen in zahlreichen industriellen Anwendungen vor. Wir zeigen, wofür Steckverbinder eingesetzt werden und wie man in 15 Schritten zum richtigen Steckverbinder findet.

Steckverbinder werden immer dann eingesetzt, wenn zwei elektrische Leitungen miteinander verbunden oder getrennt werden müssen. Die Funktion einer elektrischen Steckverbindung definiert sich wie folgt:

„Ein elektrischer Steckverbinder ist eine elektromechanische Vorrichtung, die eine Trennstelle zwischen zwei Komponenten eines elektronischen Systems ermöglicht, ohne einen nicht akzeptablen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems zu verursachen.“ (Nach Robert S. Mroczkowski: Electronic Connector Handbook)

Wie man den richtigen Steckverbinder auswählt

Wer die Wahl hat, hat die Qual. Dieses Sprichwort gilt auch bei der Auswahl eines Steckverbinders für eine spezielle Anwendung. Allerdings kann man durch Vorselektion die Auswahl einschränken. Hierzu wollen wir grundsätzliche Kriterien erarbeiten, deren sukzessive Abfolge es ermöglicht, die richtige Entscheidung zu treffen.

Einsatzfall: Wofür wird der Steckverbinder eingesetzt?

Der Einsatzfall ist das erste Kriterium, den auch die Steckverbinderindustrie im Internet als Auswahlfilter anbietet.

Ein-/Ausgabe-Steckverbinder: Ein-/Ausgabe-Steckverbinder (auch I/O bezeichnet) dienen meistens zum Anschluss von Kabeln und Leitungen an ein Gerät oder eine Baugruppe. Die Signale können an der fest angebauten Pärchenhälfte im Inneren des Gerätes mit Drähten (Flanschverbinder, auch Wire-to-Wire oder WtW) weitergeführt werden. Die fest eingebaute Hälfte kann auch direkt in die Leiterplatte ein- oder aufgelötet werden. Dies bedingt wiederum die Montage des Steckverbinders von innen nach außen (Rear Mount).

Leiterplattensteckverbinder: Leiterplattensteckverbinder zum Anschluss von Drähten innerhalb der Geräte haben nicht die Vielfalt der Eigenheiten wie eben geschildert und werden auch als Wire-to-Board- oder WtB-Verbinder bezeichnet. Diese Verbinder sind meist nicht geschirmt und haben integrierte Rast- oder Schnappverriegelung. Auch FFC(Flexible Flat Conductor)-Verbinder zählen zu dieser Kategorie, wobei es hier keinen Gegenstecker, sondern ein laminiertes Bandkabel mit flachgepressten Volldrähten oder eine rückseitig verstärkte Flexfolie mit vergoldeten, verzinnten oder mit Carbon-Leitlacken (CCI – Carbon Conductive Ink) gedruckten Anschlüssen gibt.

Leiterplattenverbinder: Leiterplattenverbinder zum Verbinden zweier Leiterplatten werden auch als Board-to-Board- oder BtB-Verbinder bezeichnet. Diese Verbinder haben für höhere Datenraten oft integrierte Schirmung. Ungeschirmte mehrreihige Stift- und Buchsenleisten werden auch gern in Pseudo-Koax-Beschaltung benützt. Parallelschaltung von (gleich langen) Kontakten vermeidet manchmal den Einsatz von Hochstromverbindern.

Rückwandleiterplatten-Steckverbinder: Rückwandleiterplatten- oder Backplane-Steckverbinder sind eigentlich eine Untergruppe der BtB-Verbinder. Allerdings nehmen sie insofern eine Sonderstellung ein, dass diese Verbinder meist integrierte Schirmung,Vorzentrierungen mit Fangbolzen, Polarisierung,oft auch Positionscodierung, aber keine Verriegelung aufweisen. Außerdem gibt es passend zu den unterschiedlichen Systemen auch Hochstrom-Module. Alle diese Steckverbinder sind hauptsächlich in Einpresstechnik verfügbar.

Mezzanine Steckverbinder: Mezzanine Steckverbinder haben weniger ein Problem mit den Leitungsverlusten als mit der Signalintegrität des Steckverbinderpaares durch nicht angepasste Impedanzen. Bei mehrreihigen Stiftleistenverbindern kann durch schlaue Beschaltung oft viel erreicht werden. Bei Mezzanine-Steckverbindern für höhere Datenraten ist ein besonderes Augenmerk auf Impedanzverlauf, Reflexion und Nebensprechen zu legen, weshalb diese Steckverbinder weniger oft in Einpresstechnik, sondern vorzugsweise als SMT-Versionen (zweireihig oder auch mehrreihig mit BGA-ähnlichen Löttechniken) eingesetzt werden.

Checkliste: Wie findet man den richtigen Steckverbinder?

Eine Checkliste kann uns helfen, den optimalen Steckverbinder zu finden. Hierzu stellen wir uns folgende 15 Fragen:

1. Ist die Anwendung I/O – WtB – BtB – Backplane – Mezzanine? Das erste Kriterium, den passenden Steckverbinder zu finden, ist die Auswahl der Anwendung. Mit der Vorauswahl erreichen Sie die entsprechenden Produkte bei den jeweiligen Herstellern, wobei zu berücksichtigen ist, dass viele Steckverbinderfamilien mehrere dieser Anwendungen abdecken.

2. Was ist die mechanische Steckrichtung, wie ist die PCB-Anordnung? Steckrichtung und Leiterplattenanordnung sind oft wesentlich für die Entscheidung, einen geraden (vertikalen?) oder einen abgewinkelten Steckverbinder einzusetzen. Hierbei ist oft verwirrend, dass Steckrichtung und Ausführungen des Steckverbinders häufig zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Ein abgewinkelter Steckverbinder auf der Leiterplatte ist anders zu betrachten als ein abgewinkelter Kabelabgang des I/O-Steckers.

3. Wie verhält es sich mit den räumlichen Beschränkungen? Beschränkungen im Einbauszenario führen oft zu teureren Lösungen, zu technisch (elektrisch) bedenklichen Einsatzfällen oder zu Einschränkungen beim Stecken oder Ziehen des Steckverbinders. Leider ist der Steckverbinder oft die letzte Komponente des Leiterplattenlayouts und muss mit dem verbliebenen Platz vorliebnehmen.

4. Wie ist die Anzahl der Signale – massebezogen oder differenziell –,was ist die Datenrate? Zwar ist die Anzahl der Kontakte ein Auswahlkriterium für den Steckverbinder, aber man muss sich im Vorfeld darüber im Klaren sein, wie viele Kontakte für die Übertragung der geforderten Signale notwendig sind. Wir unterscheiden bei den differenziellen Signalen die Datenrate und müssen die notwendigen Massekontakte zur Vermeidung von Nahnebensprechen zu den eigentlichen zwei Kontakten für das differenzielle Paar hinzurechnen. Massebezogene Signale sind langsamer und benötigen üblicherweise keine Massekontakte zur Signaltrennung, jedoch sollte man den gesamten Rückstrom über mehr als einen Signalmassekontakt führen.

5. Wie viele Massekontakte benötigen wir für die Signale, braucht man zusätzlich Schirmung? Hat man die Gesamtzahl der Massekontakte analysiert, so sollte man nochmals eventuelle Unterschiede in der Masseführung berücksichtigen. Es kann durchaus sein, dass die Masserückleitung eines differenziellen Paares eine andere Masse ist als die Signalmasse für massebezogene Signale.

6. Anzahl der Leistungsversorgungen – Ampere → Umgebungstemperatur? Wenn es um Leistung geht, ist die erste Frage die maximale Umgebungstemperatur, die über die Deratingkurve und den angeschlagenen Drahtquerschnitt den Nennstrom des Einzelkontaktes definiert. In Hybridanordnungen kommt man oft zu der Erkenntnis, dass ein Hybridstecker eingesetzt werden sollte, der aber kostenmäßig und beschaffungsmäßig unter Umständen Engpässe aufzeichnet.

Das Parallelschalten von Kontakten bei BtB-Steckverbindern ist durchaus zulässig, allerdings sollte man darauf achten, dass die Strompfade identisch lang sind. Zusätzlich empfiehlt es sich, eine Reserve von ca. 20% auf den temperaturbezogenen Gesamtstrom einzukalkulieren. Beim WtB-Steckverbinder mit Crimpanschlüssen muss das Brücken der Kontakte auf der Kabelseite technisch genau untersucht werden. Wenn dies möglich ist, sollte eine Stromreserve von ca. 30% kalkuliert werden.

7. Rückstrom der Leistungsversorgungen? Der Rückstrom für die Leistungsversorgung wird bei der Ermittlung der minimalen Anzahl der Kontakte oft vergessen, muss aber berücksichtigt werden – insbesondere dann, wenn mehrere unterschiedliche Spannungspotenziale auf einer Rückstromleitung zusammengefasst sind und diese einen höheren Strom führt als die einzelnen Versorgungsleitungen.

8. Gibt es höhere Spannungen als 50 VDC wegen Berührsicherheit? Bei Spannungen über 48 VDC gelten engere Vorschriften bezüglich Sicherheit bei der Bedienung bzw. bei der maximal erlaubten Nennspannung des Steckverbinders. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass induktive Lasten beim Ziehen im Betrieb bereits ab ca. 20 V zur Zerstörung des Kontaktes durch Lichtbogen führen können.

9. Welche Löttechniken gibt es auf/durch die Leiterplatte (SMT–Wellenlöten–PiP–THR–THT)? Bei der Steckverbinderauswahl muss bekannt sein, welche Lötprozesse bei der Herstellung der Leiterplatte durchlaufen werden. Kleinere SMT-Steckverbinder auf der B-Seite der Leiterplatte können durchaus in hängendem Zustand den zweiten Lötprozess auf der A-Seite durchlaufen. Werden diese Steckverbinder zu schwer oder haben sie zu wenig Lötfläche, dann ist es eine Überlegung wert, ob dieser Steckverbinder nicht als Einpressvariante verfügbar ist und nach dem doppelseitigen Lötprozess nachbestückt werden kann.

10. Sprechen wir über bleifreie Lötprozesse (Reflow +260 °C oder Wellenlöten +300 °C)? Heutzutage sind bleifreie Lötprozesse der Standard. Somit sollten alle im SMT Verfahren gelöteten Steckverbinder diesen bleifreien Lötprozess überstehen. Wie schon erwähnt, sind jedoch die Datenblätter teilweise nicht überarbeitet worden. Deshalb ist es sinnvoll, die Temperaturkurven des SMT-Lötprozesses der SMT-Steckverbinder nochmals abzugleichen.

11. Was ist die erlaubte maximale Komponentenhöhe für die automatische Bestückung? Steckverbinder sind oft die größten Komponenten bei der automatischen Bestückung. Deshalb müssen sowohl die Angriffsfläche für den Vakuumsauger als auch die Bauhöhe der Komponente überprüft werden, damit der Pick&Place-Automat den Steckverbinder einwandfrei setzen kann.

12. Gibt es Querschnittsbeschränkungen oder -vorschriften bei den Drähten (Löt – Crimp – IDC)? Da die angeschlagenen Drahtquerschnitte direkten Einfluss auf die Strombelastbarkeit der jeweiligen Steckverbinderkontakte haben, muss bei der Auswahl bekannt sein, welche Drahtquerschnitte eingesetzt werden. Oft ist eine Querschnittserhöhung die preiswertere Lösung als die Auswahl des nächstgrößeren Steckverbinders. Die Crimpkontakte sollten an beiden Seiten der Anschlussdrähte identisch sein, um den Fertigungsprozess zu vereinfachen. Bei Schneidklemmanschlüssen sind meist beide Seiten identisch.

13. Ist Gold- oder Zinnoberfläche bevorzugt? Ist Büro oder industrielle Atmosphäre gefragt? Die Entscheidung, ob Gold oder Zinn oder Silber als Kontaktoberfläche ausgewählt wird, ist oftmals im Entscheidungsbaum weiter oben angesiedelt, weil viele Steckverbinderfamilien nur in der einen oder der anderen Kontaktoberfläche verfügbar sind. Natürlich ist Gold immer teurer als Silber oder Zinn, aber nicht ersetzbar, wenn der Steckverbinder im Feld (Serviceanschluss) über Jahre ungesteckt der Umwelt ausgesetzt ist und dann im Servicefall funktionieren muss. Handelt es sich jedoch um eine gesteckte Verbindung und hat man die Auswahl zwischen Gold und Zinn, so gilt das 50:50:50-Gesetz:

• Hat der Steckverbinder weniger als 50 Kontakte? (Steckkräfte werden wegen der höheren Kontaktnormalkräfte bei Zinn zu groß.)

• Kann die Elektronik End-of-Life-Kontaktübergangswiderstände von 50 Milliohm ertragen?

• Sind weniger als 50 Steckzyklen über die Lebensdauer des Steckverbinders zu erwarten?

Wenn diese drei Bedingungen erfüllt sind, steht dem Einsatz von preiswerteren verzinnten Kontaktoberflächen meistens nichts im Weg.

14. Gibt es gesetzliche Einschränkungen oder Normen (UL – GWT – VDE – LV)? Natürlich müssen Geräte den einschlägigen Sicherheitsbestimmungen entsprechen. Ein Überblick über das Wichtigste:

• UL: UL regelt im einfachsten Fall das Brandverhalten und meint damit die Brennbarkeit von Kunststoffen in Geräten und Komponenten, wenn das Feuer von außerhalb kommt. Wir kennen alle die UL 94 und deren Klassifizierungsstufen HB (Horizontalbrennprüfung) sowie V-0, V-1, V-2. Bei Steckverbindern sollten Kunststoffe mit Stufe UL94 V-0 eingesetzt werden. Noch besser ist es, wenn der Steckverbinder als Produkt nach UL klassifiziert ist. Hersteller geben diese Informationen typischerweise auf der Internetseite bekannt (E-Nummer bzw. «yellow card»). Bei Anwendungen in Frequenzrichtern oder Motorantrieben muss nach UL508 vorgegangen werden, d.h., eine E-Nummer allein genügt nicht mehr, sondern Wandstärken und Kriechstrecken innerhalb des Steckverbinders müssen relativ zu den eingesetzten Kunststoffen analysiert werden, um Kriechströme und Ausfall zu vermeiden.

• GWT: Die nächsthöhere Sicherheitsstufe für das Brandverhalten ist der sogenannte Glühdrahttest (Glow Wire Test – GWT) nach IEC 60 335-1. Dieser Test simuliert das Abbrennen eines Kontaktes innerhalb eines Steckverbinders mit Hilfe eines glühenden Drahtes. Das Brandverhalten des im Steckverbinder eingesetzten Kunststoffes wird auf Entzündung und anschließende Selbstverlöschung innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters untersucht. GWT ist für alle Steckverbinder in sogenannten nicht beaufsichtigten Haushaltsgeräten vorgeschrieben. Darunter fallen Großgeräte wie Waschmaschinen und Geschirrspüler, aber auch Kaffeemaschinen und Reinigungsgeräte.

• VDE: VDE-Richtlinien gelten überall dort, wo Netzspannung innerhalb des Gerätes verteilt wird und das Gesamtgerät keine Bauartprüfung hat. Dann müssen alle netzspannungsführenden Komponenten VDE-Prüfzeichen haben.

• LV: Im Automobilbau gibt es die LV-Vorschriften (für Steckverbinder LV214 mit Testspezifikation LV214-2 und Testabläufen nach LV214-3) für den deutschen Markt bzw. die SAE/USCAR-2-Spezifikationen für den US-Markt.

Natürlich gibt es zusätzlich entsprechend der Anwendung noch weiterreichende Normen, von medizinischen Anforderungen über Lebensmitteltauglichkeit bis hin zu Kundenspezifikationen, die dann durch entsprechende Produktfreigaben bestätigt werden müssen.

15. Gibt es (aus welchem Grund?) ein bevorzugtes Kontaktraster? Bevorzugte Kontaktraster beschränken die Steckverbinderauswahl oder vereinfachen sie. Dies kann durch das Leiterplattenlayout, durch Lötprozesse oder einfach aus historischen Erfahrungen begründet sein.

Was ist der kritischste Parameter aus den obigen 15 Fragen? Die obige Reihenfolge muss nicht unbedingt korrekt sein, deshalb die Frage nach dem kritischsten Parameter, der unbedingt erfüllt werden muss.

Wenn alle Fragen ehrlich beantwortet werden, sind Sie gewappnet, aus den schätzungsweise vier Millionen Basisprodukten, die die Steckverbinderindustrie anbietet, das optimale und verfügbare Produkt für Ihre Anwendung zu finden.

Dieser Beitrag ist zuerst auf unserem Partnerportal Elektrotechnik erschienen.

Steckverbinder-Basics: Das sollten Sie über Steckverbinder wissen

* Ing. Herbert Endres, Freiberuflicher Berater für Fragen rund um Steckverbinder unter dem EndresConsult-Logo.

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