Steckverbinder – Die Grundlagen

Steckverbinder sind in fast jedem Elektronikprojekt ein zentrales Element. Wichtig für jeden Entwicklungsprozess ist die Berücksichtigung der verfügbaren Steckverbinder und der damit zusammenhängenden und zu beachtenden Spezifikationen. Sie möchten es nicht erleben, dass Sie mit dem Projekt fast fertig sind und dann herausfinden müssen, dass Sie noch einen zusätzlichen Steckverbinder hinzufügen und das Projekt deswegen anpassen müssen. Dies kann sowohl zeitlich als auch finanziell sehr kostspielig werden.

Bei der Auswahl eines Steckverbinders für Ihr Projekt müssen einige Überlegungen bezüglich der Anforderungen angestellt werden. Einige der häufigsten Fragen wären die folgenden:

• Wie viele Kontakte muss der Steckverbinder haben?
• Wie soll oder muss der Steckverbinder montiert werden?
• Wie soll dies geschehen und was ist dazu nötig?
• Wie soll oder muss der Steckverbinder für Ihre Anwendung verdrahtet werden?
• Müssen die zu verwendenden Steckverbinder über einen Eindringschutz verfügen?
• Welche Spannung und Stromstärke erwarten Sie an der Verbindung?

Anzahl der Kontakte

In vielen Fällen ist die Anzahl der für den Steckverbinder erforderlichen Kontakte bekannt. In manchen Fällen können anderweitige Anforderungen an die Gesamtanwendung und die Verfügbarkeit von Bauteilen Einfluss auf die resultierenden Spezifikationen des Bauteils haben.

Eine weitere Überlegung erfordert die Leistung, mit der der Steckverbinder umgehen muss, da dies die Auswahl der Ausführung beeinflusst. Während die Belastbarkeit der Steckverbinder wächst, kann es sein, dass die Gesamtzahl der Kontakte in den Gehäusen geringer wird. Dies liegt daran, dass mehr Platz für stärkere Drähte und/oder eine höhere Spannungen benötigt wird. Einigen Herstellern ist es gelungen, die Nennspannungen durch eine stärkere Isolierung zwischen den Kontakten zu erhöhen und den „Gesamtweg“, den ein Lichtbogen von einem Kontakt zum nächsten zurücklegen müsste, zu verlängern. Außerdem gibt es einige Steckverbinder, bei denen ein Erdungskontakt zu den übrigen Kontakten hinzugefügt wurde. Sie sind länger als andere und dienen zur Verringerung bzw. Vermeidung von Lichtbögen beim Stecken oder Lösen von Steckverbindern.

Unten folgen noch einige weitere Punkte, die bei der Auswahl beachtet werden sollten.

• Wie viele Steckverbinder benötigen Sie bzw. wären Sie bereit, zum Energietransport in das Gehäuse und aus dem Gehäuse zu akzeptieren?
• Allgemeine Kombinationen für die Kontakte eines Steckverbinders
  • Nur Stromkontakte
  • Nur Signalkontakte
  • Strom- und Signalkontakte
  • Signal- und Massekontakt
• Wenn für das Projekt nur ein einzelner Steckverbinder verwendet werden kann, ist möglicherweise ein etwas größeres Modell erforderlich, um alle Kontakte unterzubringen.
• Wenn Signale und Strom getrennt sind, erhöht sich der erforderliche Platzbedarf. Dies kann aber aufgrund des allgemeinen Layouts der Anwendung erforderlich sein oder wenn die Funktion der Anwendung die Ursache der Trennung ist.

Befestigungsart

Eine andere Überlegung für Ihr Projekt ist die gewünschte oder erforderliche Art der Befestigung der einzelnen Steckverbinder. Unten finden Sie einige Befestigungsarten und Links auf Beispiele.

• Durchsteckmontage auf der Platine – Die Anschlussleitungen des Steckverbinders befestigen das Bauteil an der Platine durch auf dieser befindliche Löcher.
  • Rundsteckverbinder
  • D-Sub-Steckverbinder
  • Rechteckige Steckverbinder – Steckleisten, Stifte
  • Rechteckige Steckverbinder – Steckleisten, Buchsensockel
• Oberflächenmontage auf der Platine – Das Bauteil wird durch Löten auf Kontaktflächen auf der Oberfläche der Platine befestigt.
  • Rundsteckverbinder
  • D-Sub-Steckverbinder
  • Rechteckige Steckverbinder – Steckleisten, Stifte
  • Rechteckige Steckverbinder – Steckleisten, Buchsensockel
• Schalttafelmontage – In einer Fläche oder einer Schalttafel befindet sich eine Bohrung, und der Steckverbinder wird in oder an der Bohrung befestigt. Die Befestigung kann durch ein Gewinde und eine Mutter erfolgen, oder der Steckverbinder könnte auf einer Platine hinter der Schalttafel befestigt werden.
  • Rechteckige Steckverbinder – Frei hängend, Schalttafelmontage
  • Rundsteckverbinder
  • Rundsteckverbinder – Gehäuse
• Frei hängend/Kabelmontage – Der Steckverbinder wird an dem Kabel installiert, mit dem er verbunden ist.
  • Rundsteckverbinder
  • Rundsteckverbinder – Gehäuse
  • Rechteckige Steckverbinder – Gehäuse
• Montage an Platine/Platinenkante/Aussparung – Bei einer Befestigung an der Kante einer Platine befinden sich die Anschlüsse am Rand der Platine. In vielen Fällen wird der Steckverbinder modifiziert, um von der Position am Rand zu profitieren. Ähnlich ist die Situation bei einer Aussparung in der Platine. Es wurde aber ein Teil der Platine ausgespart, damit der Steckverbinder flacher ist. In beiden Fällen wird die geringere Gesamthöhe der Platine genutzt. Dieser Fall kann auch eintreten, weil auf der Platine kein weiterer Platz vorhanden ist oder wenn das Design der Platine dies erfordert.
  • USB-, DVI- HDMI-Steckverbinder
  • Koaxialsteckverbinder (HF)
• Durchsteckmontage – ähnlich wie bei der Montage an einer Aussparung. Allerdings findet man diese Steckverbinder normalerweise nicht in der Nähe des Platinenrands. Sie ähneln ebenfalls den Steckbindern für die Schalttafelmontage, da sie mithilfe einer Bohrung in der Platine angebracht werden. Manche werden durch Bohrungen in der Platine angeschlossen und auf derselben Seite wie das Gegenstück angelötet, während andere per Oberflächenmontage auf der Seite für die Steckverbinder angebracht sind (gegenüber der Seite für die Gegenstücke des Steckverbinders). Unten finden Sie Beispiele für dieses Bauteil:
  • Anschlüsse – Draht-zu-Board-Steckverbinder
  • Steckverbinder für Festkörper-Beleuchtungssysteme
  • Rechteckige Steckverbinder – Platineneingang, Draht-zu-Board direkt

Befestigungsmethode

Die Begriffe „Befestigen“ und „Anschließen“ werden zwar oft gleichbedeutend verwendet, aber es sollte beachtet werden, dass dies nicht immer der Fall ist und ein Unterschied bestehen kann. „Befestigen“ bezieht sich auf das Gesamtprojekt und darauf, wie der Steckverbinder als Ganzes befestigt/angebracht wird. „Anschließen“ bezieht sich auf die Art der elektrischen Verbindungen. Bei der Durchsteck- und Oberflächenmontage kann in den meisten Fällen von einer bestimmten Befestigung und einem bestimmten Anschluss ausgegangen werden (mehr unter „Anschlussmethode“ weiter unten). Es könnte beispielsweise folgende Kombination von Befestigung, Passung und Anschluss auftreten:

• Steckverbinder 1
  • wird per Durchsteckmontage befestigt
  • wird mit rechtwinkligen an der Oberfläche montierten Kontakten an die Platine angeschlossen
• Steckverbinder 2, der zu Steckverbinder 1 passt, ist ein
  • frei hängender Steckverbinder
  • Schraubanschlüsse

Anschlussmethode

Welche Anschlussmethoden sind an den beiden Enden der Verbindung erforderlich? Hier kann einer Methode der Vorzug gegeben werden, wenn keine bestimmte Methode erforderlich ist. Für manche Zwecke kann aber eine bestimmte Anschlussart benötigt werden.

• Gelöteter Anschluss – Diese Anschlussmethode sollte sich für viele Zwecke eignen. Wenn bei der Anwendung allerdings hohe Temperaturen auftreten, sollten mechanische Anschlussarten in Erwägung gezogen werden. Löten eignet sich für den Anschluss von Drähten sowie für den Anschluss an die Platine. Für sich betrachtet kann ein Bauteil bei dieser Anschlussart auf verschiedene Arten gelötet werden. Durchstecklöten und Oberflächenmontage bezeichnen, wie oben erwähnt, eine Befestigungs- und eine Anschlussmethode.

Abbildung 1: Typische Lötanschlüsse von Steckverbindern.

• Durchstecklöten – An der Anschlussseite des Steckverbinders befinden sich Drähte, die durch vorbereitete Bohrungen einer Platine gesteckt werden und bei denen sich auf der dem durchgesteckten Steckverbinder gegenüberliegenden Seite normalerweise Kupferflächen befinden. Sie werden positioniert und dort verlötet.

Abbildung 2: Dieser Board-zu-Board/Board-zu-Kabel-Steckverbinder ist zum Durchstecklöten auf einer Platine bestimmt.

• Anschluss per Oberflächenmontage – Die Kontakte des Bauteils und die Montageflächen befinden sich auf derselben Seite der Platine. Das Bauteil wird entweder mit der Hand positioniert und dort verlötet oder es werden dazu Reflow- oder Wave-Lötmethoden eingesetzt. Beachten Sie, dass es unter den Steckverbindern für Ränder von Platinen/Karten auch solche für die Oberflächenmontage gibt.

Abbildung 3: Dieser Board-zu-Board/Board-zu-Kabel-Steckverbinder ist zum Löten per Oberflächenmontage an einer Platine bestimmt.

• Crimpen – Dieser Anschlusstyp ist als widerstandsfähig und zuverlässig bekannt und wird für den Anschluss von Drähten verwendet. Allerdings hängt dies von der Qualität des Crimps selbst und dem richtigen Einführen in die Kontakthülse ab. Eine hochwertige Crimpverbindung und damit eine ebensolche elektrische Verbindung kann nur dann erzielt werden, wenn die richtigen Hülsen und geeignete Crimpwerkzeuge verwendet werden. Für diese Art von Kontakten spielt das Werkzeug eine wichtige Rolle. Wenn die Qualität des Endprodukts keine große Rolle spielt, können bereits vorhandene oder kostengünstige Werkzeuge verwendet werden. Andernfalls sollten die vom Hersteller empfohlenen Werkzeuge verwendet und die geeigneten Vorbereitungsmaßnahmen für den Draht getroffen sowie die vom Hersteller bereitgestellten Daten zur Überprüfung der Crimpqualität beachtet werden (Hinweis: Es müssen nicht alle Überprüfungen durchgeführt werden, nur einige zur Sicherheit). Wenn die richtige Vorgehensweise nicht eingehalten und nicht das richtige Werkzeug verwendet wird und ein Fehler bei der Verbindung auftritt, leistet kaum ein Hersteller Support oder Garantie.

Abbildung 4: Beispiel eines auf abisolierte Drähte gecrimpten Kontakts.

• Steckkontakt
• Bei diesem Typ kann es sich sowohl um einen dauerhaften als auch um einen lösbaren Anschluss handeln. Dieser Typ ist ebenfalls für seine Robustheit und Zuverlässigkeit bekannt. Wenn er aber in Umgebungen mir starker Vibration eingesetzt werden soll, wäre eine Überprüfung der Vibrationswerte zu empfehlen.
• Für das Anschließen dieser Typen muss normalerweise nur der Draht abisoliert und dann entweder in den Steckverbinder gedrückt werden oder der Verbinder mit einem Hebel entriegelt, der Draht eingeführt und der Verbinder dann wieder mit dem Hebel verriegelt werden.
• Zum Lösen des Drahts ist entweder ein bestimmter Mechanismus vorgesehen, oder Sie müssen z. B. einen Schraubendreher mit flacher Klinge in einen Schlitz im Gehäuse drücken.

Abbildung 5: Bei diesem auf der Platine angebrachten Steckverbinder werden abisolierte Drähte in die untere Öffnung gedrückt. Der Draht kann ggf. mit einem Werkzeug gelöst werden.

Abbildung 6: An dieses frei hängende Bauelement werden abisolierte Drähte durch Einführen/Eindrücken in eines der Enden angeschlossen. Bei diesem speziellen Bauelement kann der Draht durch Drehen und Ziehen gelöst werden.

• Schraubanschlüsse – Schraubanschlüsse werden bei vielen Steckverbindertypen verwendet. Ihre Handhabung ist unterschiedlich. Die folgenden Bauelemente sind Beispiele für verschiedene Arten von Schraubanschlüssen:
• 281-2879-ND | 609-4193-ND | 732-2759-ND | 281-3218-ND | 609-3832-ND | WM7477-ND | 732-10091-ND | ED2947-ND | 1776293-3-ND | WM5751-ND | WM5761-ND

Abbildung 7: Beispiele für Steckverbinder, bei denen die Drähte mit Schrauben befestigt werden.

• Drahtwickelverbindung
• Ein Beispiel ist der CWN-370-50-0000. Dieser Steckverbindertyp kann für Drahtwickelverbindungen verwendet werden.
• Der CWN-370-50-0000 wird auf einer Platine angebracht und verlötet. Danach werden die Drahtwicklungen angebracht
• Diese Steckverbinder werden normalerweise nicht für Produkte verwendet, die in hohen Stückzahlen produziert werden. Sie werden für Hochfrequenz-Endprodukte und Prototypen mit niedrigen Stückzahlen verwendet
• Unter dem folgenden Link finden Sie Informationen zu Drahtwickeltechniken.

Abbildung 8: Beispiele für Bauteile, bei denen die Drähte mit einer Wickelmethode angeschlossen werden.

• Presspassung – Eine Anschlussmöglichkeit ohne Löten. Damit können die Gesamtkosten des Projekts reduziert werden. In der Regel sollen diese Steckverbinder ohne Löten angeschlossen werden. Wenn Sie aus irgendeinem Grunde ein derartiges Bauteil löten müssen, beachten Sie, dass dies Auswirkungen auf das Teil haben kann und der Hersteller möglicherweise keinen Support bei dabei entstehenden Problemen leistet. Seien Sie vorsichtig, und führen Sie Tests durch, wenn Sie sich bei diesen Bauteilen zum Löten entschließen. Für diesen Anschlusstyp gibt es Werkzeuge, die ein gleichmäßiges Einführen und einen festen Sitz des Drahts gewährleisten. Es sollten die vom Hersteller empfohlenen Werkzeuge verwendet werden. Wenn kein Werkzeug empfohlen wird, müssen Sie sich eventuell direkt an den Hersteller wenden und mit ihm die Einzelheiten für Ihren Verwendungszweck besprechen. Die Beschreibung der Presspassungstechnologie von DigiKey ist eine hervorragende Referenz für diese Technik.

Abbildung 9: Beispiele für Bauteile, die über Bohrungen an der Platine angeschlossen werden, auf der sie montiert sind, sowohl Durchsteckmontage als auch Presspassung.

Berücksichtigung von Umgebungseinflüssen

Bei einer ruhigen Umgebung ohne zu erwartende Extreme wäre fast jeder den festgelegten Anforderungen entsprechende Steckverbinder geeignet. Bei Projekten für problematische Umgebungen – in denen der Steckverbinder Vibrationen, mechanischen Stößen, dem Eindringen von Substanzen aus der Umgebung, Ölen, Lösungsmitteln, Chemikalien oder Korrosion ausgesetzt sein kann – müssten diese bei der Auswahl der Komponenten berücksichtigt werden.

• Vibration und mechanische Stöße
• Für Verbindungen innerhalb eines Gehäuses gibt es Bauteile mit zusätzlichen Merkmalen wie Befestigungsstegen und größeren Lötpads oder Pins. In der Beschreibung zu XH5-Produkten von Omron finden Sie einige Varianten, darunter auch die oben erwähnten Typen. Ab Seite 3 finden Sie Zeichnungen des Bauteils und der Art der Befestigung für jedes Bauteil unter Berücksichtigung der speziellen Befestigungsmerkmale.
• Für Verbindungen zwischen dem Inneren und Äußeren des Gehäuses kann es für jeden Steckverbindertyp eine große Auswahl geben.
• Informieren Sie sich über die Spezifikationen der in Frage kommenden Steckverbinder, und stellen Sie fest, ob sie für die bei Ihrem Projekt zu erwartenden Vibrationen und mechanischen Stößen getestet und zugelassen sind.
• Abschirmung
• Eine Abschirmung wird verwendet, wenn in der Umgebung magnetische Einflüsse zu befürchten sind oder gelegentlich Probleme verursachen könnten.
• Bei Steckverbindern mit Abschirmung ist zu bedenken, ob nur ein bestimmtes Bauteil oder (im Fall von Kabeln) der ganze Pfad mit einer einheitlichen Abschirmung versehen werden muss. Ein Beispiel sind Ethernet-Kabel. Wenn die Umgebung harmlos ist, könnten einfaches Ethernet-Kabel und modulare 8-polige Steckverbinder verwendet werden. Wenn die magnetischen Störungen in der Umgebung allerdings größer sind, sollten abgeschirmte modulare Steckverbinder und Ethernet-Kabel in Erwägung gezogen bzw. verwendet werden.
• Die Anwendungshinweise zu Konzepten einer wirksamen EMI-Abschirmung von Würth Elektronik sind eine gute Informationsquelle zu Abschirmungsproblemen.
• Zu Ölen, Lösungsmitteln, diversen Chemikalien und Korrosion finden Sie möglicherweise keine Varianten, die die übrigen Spezifikationen erfüllen und außerdem für die Umgebungen geeignet sind, in denen sie betrieben werden. In manchen Fällen kann ein direkter Kontakt mit dem Hersteller nötig sein, wenn es um ein Bauteil geht, das für eine derartige Umgebung geeignet ist, wenn es dafür nicht bereits zugelassen ist.
• Unten finden Sie einige Informationen über derartige negative Umwelteinflüsse:
• Auswahlhilfe für Steckverbinder für raue Umgebungen von Amphenol
• Galvanische (elektrolytische) Korrosion von Samtec
• Verfügt der Steckverbinder über Eindringschutz?
• Der Grad des Eindringschutzes gibt an, wie hoch der bei einem Bauteil vorhandene Schutz vor dem Eindringen von Objekten, Staub, Feuchtigkeit oder Wasser in einen geschützten Bereich ist. Wenn Probleme dieser Art auftreten könnten, sollte bei der Wahl eines Steckverbinders darauf geachtet werden. Es können dann alle anderen Varianten ausgefiltert werden, die diese Anforderungen nicht erfüllen.
• Format für den Eindringschutz IPX¹X²YZ
• IP = Eindringschutz (Ingress Protection)
• X¹
• 0 - Kein besonderer Schutz
• 1 - Schutz gegen Fremdkörper über 50 mm, z. B. gegen eine zufällige Berührung mit einer Hand
• 2 - Schutz gegen Fremdkörper über 12 mm, z. B. gegen eine zufällige Berührung mit einem Finger
• 3 - Schutz gegen Fremdkörper über 2,5 mm (Werkzeuge, Draht)
• 4 - Schutz gegen Fremdkörper über 1 mm (Werkzeuge, dünner Draht)
• 5 - Schutz gegen Staub, mäßiges Eindringen (keine schädlichen Ablagerungen)
• 6 - Vollständig gegen Staub geschützt
• X²
• 0 - Kein Schutz
• 1 - Schutz gegen senkrecht fallende Wassertropfen, z. B. Kondensation
• 2 - Schutz gegen direktes Besprühen mit Wasser mit bis zu 15° Abweichung von der Senkrechten
• 3 - Schutz gegen direktes Besprühen mit Wasser mit bis zu 60° Abweichung von der Senkrechten
• 4 - Schutz gegen Besprühen mit Wasser aus allen Richtungen – mäßiges Eindringen zulässig
• 5 - Schutz gegen Wasserstrahl mit niedrigem Druck aus allen Richtungen – mäßiges Eindringen
• 6 - Schutz gegen gelegentliches Überspülen mit Wasser, z. B. auf dem Deck eines Schiffs – mäßiges Eindringen zulässig
• 7 - Schutz gegen Untertauchen zwischen 15 cm und 1 m
• 8 - Schutz gegen langes Untertauchen unter Druck
• Y und Z
• Nicht immer verwendet
• Kann zur Bezeichnung mehrerer Spezifikationen verwendet werden. Die folgenden Informationen können bei der Definition von Y und Z behilflich sein
• Die folgenden Informationen haben wir vom Ingenieur-Team von Switchcraft erhalten – „Der IP-Code ist in IEC 60529 definiert.  Ich habe unten einen Snapshot der grundlegenden Informationen beigefügt.“ (Abbildung 10)

Abbildung 10: IP-Code nach Definition in IEC 60529 (Bildquelle: Switchcraft)

• Es gibt andere Spezifikationen, die die optionalen Ziffern erläutern. DIN 40 050 fügt die Option „K“ für elektrische Anlagen in Straßenfahrzeugen hinzu. Ein Beispiel: IP69K beschreibt ein staubdichtes (6) Gehäuse, das gegen Hochdruck-/Dampfstrahlreinigung (9K) geschützt ist.
• Unter den folgenden Links finden Sie Informationen bezüglich der Spezifikationen:
• Ingress Protection (IP) Rating von Omron
• Wikipedia-Artikel IP Code
• IP – Ingress Protection Rating von The Engineering Toolbox

Nennwerte für Stromstärke und Spannung

• Welche Nennstromstärke ist erforderlich?
• Bei der Auswahl eines Steckverbinders müssen Sie eine Variante auswählen, die für die erwartete maximale durch den Steckverbinder fließende Stromstärke geeignet ist.
• Es sollte möglichst eine Variante gewählt werden, die mehr Strom aushält als erforderlich ist, um gegen möglicherweise auftretende unerwartete Überströme gewappnet zu sein.
• Bei manchen Steckverbindern wird in der Dokumentation keine Stromstärke erwähnt. Gehen Sie in diesem Fall wie folgt vor:
• Suchen Sie bei Bauteilen, die auf der Platine montiert werden, ein Gegenstück mit Kabelanschluss. Der Kabelquerschnitt für dieses Bauteil kann zur Bestimmung der Nennstromstärke dienen.
• Unter diesem Link finden Sie die Umrechnung zwischen AWG-Wert und Nennstromstärke:

http://www.powerstream.com/Wire_Size.htm.

• Welche Spannung muss der Steckverbinder aushalten?
  • Bei der Auswahl eines Steckverbinders müssen Sie eine Variante auswählen, die für die erwartete maximale an den Steckverbinder angelegte Spannung geeignet ist.
  • Es sollte möglichst eine Variante gewählt werden, die eine höhere Spannung aushält als erforderlich ist, um gegen möglicherweise auftretende unerwartete Überspannungen gewappnet zu sein.
  • Wenn in der Dokumentation zu einem bestimmten Bauteil keine Spannung erwähnt wird, gehen Sie wie folgt vor:
    • Sie können sich manchmal auf Bauteile mit gleichem oder ähnlichem Kontaktabstand und auf die physische Bauform beziehen. Einige dieser Eigenschaften könnten auf die maximal zulässigen Spannungen hinweisen.
    • Wenn für die Nennspannung keine Daten vorliegen, wenden Sie sich an den Hersteller, und bitten Sie ihn um diese Informationen, oder wenden Sie sich an das Anwendungsingenieurteam von DigiKey mit der Bitte um Beschaffung dieser Informationen.