Steckverbinder-Basics: Das sollten Sie über Steckverbinder wissen

Die Welt der Steckverbinder ist komplex und umfangreich. Wir wollen Ihnen mit dieser Übersicht einen Leitfaden und Ratgeber an die Hand geben, die Ihnen die Materie Steckverbinder etwas näher bringt.

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In einer zunehmend elektronisierten und digitalisierten Welt sind Steckverbinder der Schlüssel für die Vernetzung und Verbindung. Sie werden in allen Bereichen der Elektrotechnik/Elektronik angewendet. Die Varianten reichen von Miniatur- bis zu großen, schweren Steckverbindern.

Grundsätzlich ist der Steckverbinder eine Komponente, die es ermöglicht, Systeme in der elektrischen Energieübertragung und der elektronischen und optischen Signalübertragung optimal zu nutzen. Abhängig vom Einsatzort und der geforderten Übertragungsqualität werden Steckverbinder so konzipiert, dass sie den Einsatzzweck bzw. die gezielte Anwendung bestmöglich erfüllen. Das gilt in Hinblick auf technische Gegebenheiten und wirtschaftliche Anforderungen, rationelle Herstellungs- und Verarbeitungsverfahren, Anpassungen an vorhandene und zukünftige Technologien, Umwelt- und ökonomische Bedingungen, permanent steigende Datenübertragungsraten sowie höhere Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit.

Deshalb sind Steckverbinder für die Vielzahl der Anforderungen und Einsatzgebiete ausgelegt, was die Steckverbinder-Klassifikation sehr komplex macht. Die speziellen Ausprägungsformen sollen nachfolgend zusammengefasst werden.

Steckverbinder und elektrische Anschlusstechniken

Bei der Übertragung von Energie- und Signalen mittels Steckverbindern unterscheidet man zwischen den drei Verbindungslösungen Wire-to-Wire, Wire(cable)-to-Board und Board-to-Board unterschieden. Die Verbindung der Kontaktelemente zu den Leitern oder Leiterplatten wird über die verschiedenen Anschlusstechniken ermöglicht.

In der Regel erfolgt die Kontaktierung über ein starres (Stift oder Messer) und ein federndes Kontaktelement (Feder oder Buchse). Bei Leiterplattenkontaktierungen unterscheidet man direkte und indirekte Kontaktierung. Die Führung der Kontakte wird über die Gehäuseelemente und Kontaktträger erreicht.

Der Abstand zwischen zwei Kontakten wird als Raster bezeichnet. Kodierungen wie z.B. Steckgesicht und Stege verhindern falsches Stecken. Gegen unbeabsichtigtes Trennen werden unter anderem Hebelsysteme, Rasthaken und Verschraubungen angewendet.

Für Kontaktelemente werden aufgrund der guten Leitfähigkeit vorrangig Kupferlegierungen verwendet. Um einen guten Korrosionsschutz und Abriebfestigkeit zu gewährleisten sind diese mit Oberflächenbeschichtungen versehen. Kontaktträger bestehen fast ausschließlich aus Kunststoffen als Isolationsmaterial. Für Gehäuse kommen sowohl Kunststoffe als auch Metalllegierungen zum Einsatz.

Umweltbedingungen, wie hohe oder niedrige Temperaturen, Vibrationen, Verschmutzungen, Chemikalien, Feuchtigkeit bis hin zum Untertauchen, UV- und elektromagnetische Strahlung haben einen Einfluss auf die Ausführungsform.

Zweck des Einsatzes von Steckverbindern ist es, eine elektrische Verbindung so zu gestalten, dass sie sich auch einfach wieder lösen lässt. Sie bestehen daher aus Kontaktelementen, die in isolierenden Kammern platziert sind und zum Gegenstück elektrisch kontaktiert werden können. Entsprechend der Anwendung im System sind diese an die zugeordneten elektrischen Leiter angeschlossen und häufig damit unlösbar verbunden.

Es bestehen grundsätzlich zwei Arten von Leiteranschlüssen: Leiterplatten- sowie Draht- bzw. Kabelanschlüsse.

Techniken zum Leiterplattenanschluss

Löten: Die Löttechnik ist die am weitesten verbreitete Anschlusstechnologie zur Kontaktierung von Steckverbindern auf Leiterplatten. Je nach Montageart spricht man hier von Durchsteckmontage (Trough Hole Technology – THT) oder Oberflächenmontage (Surface Mounted Technology – SMT).

Im Fall der Durchsteckmontage werden die Lötanschlüsse der Steckverbinderkontakte in die dem Anschlusslayout entsprechenden Löcher der Leiterplatte eingefädelt. Die unlösbare dauerhafte Verbindung erfolgt nach der Bestückung händisch in Einzellötung oder produktiv mit einer Wellen- oder Schwalllötung.

Bei der kostengünstigen SMT-Technologie werden die Steckverbinder zusammen mit den anderen Bauelementen in Position auf ein aufgedrucktes Lotpastendepot aufgesetzt. Im Anschluss daran erfolgt die Lötung (Reflow) im Durchlaufofen. Bei den SMT-tauglichen Steckverbindern müssen die verwendeten Werkstoffe und Beschichtungen der Reflowtemperatur widerstehen. Des Weiteren müssen diese hinsichtlich Geometrie, Masse und Schwerpunkt automatentauglich ausgeführt sein. Bei SMT-Steckverbindern sind die Lötanschlüsse sehr präzise ausgeführt, was die Koplanarität betrifft.

Ein Sonderfall des Lötverfahrens ist mit der „Pin-in-Paste-Technologie“ (THT-Reflow) gegeben. In diesem Fall werden die Steckverbinder in Durchsteckmontage in mit Lötpaste gefüllten Durchkontaktierungen montiert. Die Verlötung erfolgt dann parallel mit den restlichen SMT-Bauelementen im Reflow-Verfahren. Die Werkstoffe der Steckverbinder müssen entsprechend temperaturfest vorliegen.

Einpresstechnik: Die Einpresstechnik ist eine lötfreie elektrische Verbindungstechnik, die sich seit Jahren in der elektronischen Aufbautechnik bewährt hat und somit als stabile und zuverlässige Montageart von Steckverbindern und Einzelkontakten auf der Leiterplatte gilt. Voraussetzung für diese Technik ist die Nutzung von mindestens zweilagigen Leiterplatten mit elektrischen Durchkontaktierungen.

Ein Vorteil im Vergleich zum Löten ist, dass die Montage am Ende der Bestückung erfolgen kann, nachdem die elektrische Funktion der Baugruppe geprüft wurde. Man unterscheidet zwei Arten der Einpresstechnologie: die der massiven und der flexiblen Einpresszonen.

Der massive, nicht nachgebende Kontaktanschluss ermöglicht die Kontaktierung und die Haltekraft durch das gedehnte Leiterplattenloch. Die elastische Einpresszone ist dem entgegen federnd konstruiert, so dass mechanische Spannungen im Leiterplattenloch im Vergleich zum massiven Stift deutlich reduziert werden können. Die Komponente lässt sich mehrmals einpressen, was es möglich macht, sie leicht zu reparieren. Steckverbinderhersteller bieten eine große Vielfalt von zuverlässigen Einpresszonen in Lochdurchmessern von <0,5 mm bis über 1,6 mm an.

Crimpen: Das Crimpen ist die am weitesten verbreitete Anschlusstechnologie für Leiter. Beim Crimpen als Fügeverfahren werden die einzelnen Leitungen in der Crimpzone des Kontaktelements durch plastische Verformung miteinander verbunden. Die Verbindung ist ohne Zerstörung nicht lösbar und lässt sich nur mittels Ersatz reparieren. Crimpverbindungen gewährleisten eine hohe elektrische und mechanische Zuverlässigkeit.

Beim Crimp finden unterschiedliche Ausführungsformen Anwendung, die sich grundsätzlich in offene und geschlossene Crimphülsen unterscheiden. Bei den offenen Varianten werden die abisolierten Leiter in den „U“-förmig geformten Anschlussbereich von oben eingelegt und durch Einrollen verpresst. Diese Varianten lassen sich vollautomatisieren und sind sehr kostengünstig. Bei den geschlossenen Crimpzonen, die bei Rundkontakten verbreitet sind, werden die abisolierten Leiter von mehreren Seiten gleichzeitig verpresst.

Die crimpbaren Leiterquerschnitte reichen von 0,1 bis 50 mm². Es können prinzipiell Litzen-, Massiv-, Lackdraht- und Folienleiter verbunden werden. Die Crimpzone muss dafür optimal ausgelegt sein. Eine Qualitätsüberwachung der Verbindung ist einfach möglich.

Bei der Crimptechnik werden die Leiter zuerst an den Kontakt gefügt. Die Bestückung in das Steckverbindergehäuse erfolgt danach.

Schneidklemmtechnik: Im Gegensatz zum Crimpen werden bei der Schneidklemmtechnik, auch IDC (Insulation Displacement Connection) genannt, die Leiter zur Anschlusskontaktierung nicht abisoliert. Der elektrische Kontakt erfolgt durch das Einpressen der Leitung in eine gabelartige federnde Schneidklemme, wobei die Isolierung des Leiters durchtrennt und der metallische Innenleiter zum Kontakt eingeklemmt wird.

Bei dieser Technik sind die Kontakte im Gehäuse vorbestückt. Von Vorteil ist, dass mehrere Leiter gleichzeitig mit nur einem Einpressvorgang angeschlossen werden können. Eine Schneidklemmverbindung ist meist lösbar.

Für Schneidklemmen gibt es verschiedene Ausführungsformen mit einfacher oder doppelter Klemmung. Die Schneidklemme muss auf den vorgesehenen Leitertyp und dessen Isoliermaterial abgestimmt werden. Es können Litzen-, Massiv- und Lackdrahtleiter in den Querschnittsbereich von 0,01 mm² (Lackdraht) bis ca. 6 mm² kontaktiert werden.

Piercing (Durchdringung): Ähnlich wie bei der Schneidklemmtechnik wird bei der Anschlusstechnik Durchdringen oder Piercing ein nicht abisolierter Leiter kontaktiert. Der elektrische Kontakt erfolgt durch das Einstechen einer runden oder messerartigen Kontaktspitze in den Litzenleiter.

Die notwendige Andruckkraft für die Kontaktierung zum Kontaktanschluss erfolgt dabei über die Leiterisolierung und zusätzlich über die Leiterführung im Kunststoffgehäuse.

Wie bei der IDC-Technik können mehrere Leiter gleichzeitig angeschlossen werden. Der Piercing-Kontakt muss auf den Litzenleiter abgestimmt sein. Es werden vorwiegend Litzenleiter im Querschnittsbereich von 0,1 bis 4 mm² kontaktiert.

Die häufigste Anwendung der Piercing-Technik sind RJ-Steckverbinder aus der Telefon- und Kommunikationstechnik.

Klemmen: Schraubklemmen und Federklemmen

Die Schraubklemmverbindung ist die historische Anschlusstechnik, bei der Monteure die abisolierten Leiter mit einer Schraube in einer Bohrung oder Hülse des Kontaktelements verklemmen. Eine Weiterentwicklung dieser Verbindungsart bildet die Federklemme, bei der die notwendige hohe Anpresskraft zur sicheren Kontaktierung mit einer dauerstandfesten Feder aufgebracht wird. Die Leiter sind in der Klemmverbindung im Allgemeinen durch Selbsthemmung fixiert.

Damit sind die Federklemm- wie auch die Schraubklemmverbindungen kraftschlüssige und lösbare Verbindungen. Federklemmverbindungen – insbesondere in Direkt-Stecktechnik („Push- in“) – ermöglichen im Vergleich zu Schraubklemmverbindungen kürzere Montagezeiten und sind daher im Schaltschrankbau und in der Elektro-Installation zunehmend anzutreffen.

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