Grundlagen zur Auswahl geeigneter Stecker für zuverlässige Elektronikprodukte

Steckverbindungen werden als lösbare Verbindung von Leiterplatten eingesetzt, sie stellen Verbindungen zu Sensoren her oder zur Peripherie wie Tastaturen, Display etc. Die Auswahl des geeigneten Steckverbindersystems ist entscheidend für die Zuverlässigkeit und oft auch für die Kosten des gesamten Gerätes. Gerade in Einsatzumgebungen mit besonders harten Anforderungen wie Automotive (Klima, Vibration) oder mit erhöhten Sicherheitsanforderungen wie in der Medizintechnik oder der Luftfahrt spielt die Steckverbindung darüber hinaus eine entscheidende Rolle für die Gerätesicherheit.

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Bei der Auswahl des Stecksystems ist Sorgfalt und Erfahrung gefragt. Oft wird „irgendein“ Stecker ausgewählt, ohne dabei die realen Einsatzbedingungen zu berücksichtigen. Oder der Einsatzbereich wird im Nachhinein ausgeweitet, ohne die Eignung der entscheidenden Komponenten zu prüfen. Dabei beeinflusst das Steckersystem häufig maßgeblich sowohl die Zuverlässigkeit als auch den Gerätepreis. Deshalb sind bei der Festlegung Informationen über das Einsatzgebiet erforderlich und für den Entwickler ist es hilfreich, wenn er dafür Erfahrung im Bereich der AVT (Aufbau- und Verbindungstechnik) hat.

Aspekte der Steckerauswahl

Mehrere Aspekte sind bei der Auswahl wichtig, darunter:

• Norm-Anforderungen oder Standards wie DIN 41612 oder IP-Schutzklassen
• Umgebungsbedingungen wie Verschmutzung, Klima, Temperatur
• Mechanische Einwirkungen wie Vibration und Schock
• Elektrische Anforderungen an Kontakt wie Spannung, Strom, Hochfrequenz, Highspeed, Audiosignale etc.
• Anzahl der Steckzyklen
• Montage und Löten auf der Leiterplatte, PTH, SMD, Pressfit
• Anschluss der Steckergegenseite
• Preis (für Stecker und Montage)

Gehen die Anforderungen über die Standard-Industrieanwendung wie z. B. in einem stationären Einbau im Schaltschrank hinaus, ist der Entwickler gefordert, die geeignete und zuverlässige Verbindungslösung auszuwählen.

Beispiel D-SUB-Stecker

Am Beispiel eines weitverbreiteten, sogenannten D-SUB Steckers lassen sich sehr gut die möglichen Ausführungen aufzeigen.

16-poligen D-SUB Buchsenstecker 90 Grad gewinkelt, zum Einlöten für PTH

• Lowcost Chinaware, Kontakte gestanzt, Zinn – bis 30 Steckzyklen 0,97 Euro
• Lowcost Katalogware – bis 50 Steckzyklen: 2,97 Euro
• Katalogware, Kontakte vergoldet – bis 100 Steckzyklen: 9,97 Euro
• Für LKW oder Luftfahrt, gedrehte Kontakte, > 100 Zyklen, -40 bis +110 °C: 28,00 Euro

Stecker, die im Bereich der Industrieelektronik Einsatz finden, werden oft nach den IP-Schutzklassen (International Protection Codes) klassifiziert. Dabei kennzeichnet die erste Kennziffer den Schutz gegen feste Fremdkörper, die Kennziffer 2x 3x, x4 gegen allseitiges Wasser und x5 Strahlwasser. Die Klasse IP 69k wurde jetzt auch in die Norm DIN EN 60529 aufgenommen und stellt die höchste Schutzklasse dar: gegen Strahlwasser, wie es etwa mit einem Hochdruckreiniger erzeugt wird..

Kostenrelevanz eines Steckers

Ein anders Beispiel zeigt die Kostenrelevanz des Steckers als teuerstem Bauteil bei der Auswahl eines zweipoligen Steckers mit Automotive-ähnlichen Anforderungen nach IP 67. Die Elektronik kostet in der Herstellung insgesamt cirka 15 Euro. Der zweipolige Stecker, den der Kunde vorgesehen hatte, sprengte mit 5 Euro/Stück den Kostenrahmen der Serie von > 20.000 Stück. GED konnte hier einen deutlich günstigeren Stecker auswählen: Er war mit 2,40 Euro um die Hälfte günstiger, erfüllte die technischen Anforderungen – blieb damit klar im Kostenrahmen.

Stecker und ihre Rolle für die Betriebssicherheit

Wie weit Stecker die gesamte Bertriebssicherheit einer Anlage beeinflussen können, zeigt folgendes Beispiel. Bei einem Projekt aus dem Jahr 2001 überarbeitete GED komplett die Geräte eines Radarsystems aus den 1970er Jahren: Die Backplane und die Stecker verzeichneten zu diesem Zeitpunkt massive Ausfälle. Die Stecker mit Gabelkontakten wurden gegen Stecker durch gedrehte Kontakte ersetzt und die Wire-wrap-Verdrahtung ersetzte GED durch eine neue Multilayer-Leiterplatte. Die Bilder sprechen für sich – und die Anlagen laufen nunmehr seit über 13 Jahren störungsfrei.

Bilder: Alt (links) gegen neu (rechts). Aufgabenstellung für GED:  Fehleranalyse, Konzept zur Behebung und zum Umbau der Anlagen, Herstellung neuer Stecker, Leiterplattendesign, Fertigung inkl. Umbau und Test

Funktion und Aufbau der Steckverbindung

Steckverbindungen bestehen im Allgemeinen aus einem Stiftkontakt (männlich) und einem Buchsenkontakt (weiblich). Darüber hinaus gibt es auch sogenannte „hermaphroditische“ Stecker, bei denen die Kontakte so konstruiert sind, dass sie ineinandergreifen, so dass auf jeder Seite der gleiche Stecker verwendet werden kann.

Bei den männlichen Steckern gibt es flache, quadratische und rundförmige Kontaktstifte. Der Buchsenkontakt besteht bei einfachen Kontaktsystemen aus einem Gabelkontakt, der aus einem flachen Blech gestanzt wird. Dabei ist der Bereich der Kontaktierung nur eingeschränkt flexibel und der Federweg deshalb sehr klein. Doppel- oder Dreifachfederkontakte bestehen aus gestanztem und gefaltetem Blech. Präzisionskontakte mit Feder werden mit mehreren Kontaktlamellen ausgestattet. Dadurch lassen sich sehr geringe Kontaktwiderstände erreichen und eine hohe Zuverlässigkeit der Kontaktverbindung. Darüber hinaus gibt es runde, gedrehte Präzisionskontakte, die auch aus IC-Sockeln bekannt sind; sie bieten eine hohe Kontaktgüte.

Mechanische Ausführung der Stecker und Oberflächenausführung der Steckzonen

Die Oberflächenausführung der Steckzonen spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle für die Höhe von Kontaktgüte und Sicherheit. Auf der Leiterplatte werden Stecker entweder eingelötet oder eingepresst (Pressfit). Beim Löten unterscheidet man zwischen bedrahtet (PTH) und SMD-Steckern. Die Gegenstecker können auch einen Aderanschluss in verschiedenen Ausführungsarten haben wie Crimpen oder Löten. Bei Steckverbindungen, die zum Beispiel mechanischen schwierigen Bedingungen wie Vibration unterliegen, ist eine Verrieglung der Steckverbindung sinnvoll; das kann beispielsweise durch eine Lasche erreicht werden. Bei Rundsteckern wird dazu oft auch ein Gewinde oder eine Überwurfmutter verwendet.

Die Stecker sollten über eine mechanische Verbindung zur Leiterplatte verfügen (Schrauben, Stifte etc.), damit keine Kräfte auf die Lötstellen der Leiterplatte wirken können – weder im Betrieb noch beim Trennen der Verbindung. Diese Kräfte wirken sich ansonsten negativ auf Lebensdauer und Zuverlässigkeit aus. Für Sondertechnologien wie für flexible Leiterplatten stehen spezielle Nullkraftstecker zur Verfügung.

Leiterplattenlayout und Entwicklungssupport

Beim Leiterplattenlayout gibt es einiges zu berücksichtigen. So ist die richtige Zählweise zu beachten und eine optimale Auslegung der Pads. Wenn zum Beispiel mehrere Leiterplatten zusammengesteckt werden, ist das Toleranzsystem zu beachten, das sich aus Bestückungsgenauigkeit und Materialausdehnung ergibt.

GED unterstützt Kunden im Rahmen der Entwicklungs- und Layoutprojekte bei der Auswahl der optimalen Steckerlösung. In den Bereichen Hochstrom und Highspeed-Signalübertragung verfügt GED über umfangreiches Expertenwissen. Im Rahmen von Cost-engineering-Projekten optimiert GED komplette Geräte im Bereich der Steckverbinder genauso wie bei der Erweiterung von Einsatzgebieten – etwa bei mobilen Anwendungen.

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