Verstehen Sie, wie überlegene Kontakte die Leistung von mehrpoligen Steckverbindern verbessern

Steckverbinder sind die entscheidende mechanische und elektrische Verbindung zwischen Teilbereichen eines Systems oder zwischen einem System und der Außenwelt. Für die Wahl des Steckertyps sind mehrere Faktoren ausschlaggebend, darunter elektrische und mechanische Anforderungen, Industrienormen, Benutzerfreundlichkeit und Herstellung, Anzahl und Art der Kontakte, Steck- und Trennszenarien, Zuverlässigkeitsziele und gesetzliche Vorschriften. Der klassische D-Subminiatur-Steckverbinder (D-Sub) wird jedoch schon seit Jahrzehnten verwendet und ist nach wie vor der bevorzugte Steckverbinder für viele Anwendungen.

Während der Art des Steckverbinders und der Kontaktanordnung viel Aufmerksamkeit geschenkt wird, haben die Kontakte einen erheblichen Einfluss auf die elektrische und mechanische Leistung eines Steckverbinders. Da die Konstruktionen immer komplexer und die Anwendungen immer anspruchsvoller werden, müssen die Konstrukteure die neuesten Innovationen in der Kontakttechnologie kennen, um die entsprechenden Normen und Anforderungen zu erfüllen, insbesondere in Bezug auf Robustheit, Einsteck- und Haltekraft, Kontaktwiderstand und Temperaturtoleranz.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über Steckertrends, wobei der Schwerpunkt auf der anhaltenden Rolle von D-Sub-Steckern liegt. Anschließend werden fortschrittliche Kontakte von Amphenol Positronic vorgestellt und gezeigt, wie sie zur Verbesserung der Steckverbinderleistung eingesetzt werden können.

USB, Ethernet und die Bedeutung von D-Sub-Anschlüssen

Trotz des Rückgangs der klassischen RS-232-Schnittstelle und des Aufkommens verschiedener Versionen von USB- und Ethernet-Steckern spielen der klassische 9-polige D-Sub-Stecker (oft DB-9 genannt) und die übrigen D-Sub-Stecker weiterhin eine wichtige Rolle in der elektronischen Systemkommunikation. Es gibt viele Gründe für diese fortgesetzte Verwendung. USB und Ethernet können zwar viele Verbindungsanforderungen erfüllen, doch handelt es sich bei diesen beiden weit verbreiteten Steckertypen um serielle und nicht um mehrzeilige Schnittstellen. Sie können gleichzeitig Daten und Strom übertragen, allerdings nur mit strengen Einschränkungen hinsichtlich der Signalart, der Spannungs- und Stromhöchstwerte und der Nennleistung.

Konstruktionsbedingt können USB und Ethernet nicht so effektiv mit mehreren nicht zusammenhängenden Signalen oder unterschiedlichen Formaten umgehen wie eine Schnittstelle mit mehreren parallelen Kontaktwegen. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass Standard-USB- und Ethernet-Verbindungen nicht für die mechanische und elektrische Integrität und Robustheit ausgelegt sind, die in vielen Situationen erforderlich ist.

Aus diesen und anderen Gründen ist der D-Sub-Stecker immer noch weit verbreitet. Der Formfaktor ist seit den 1950er Jahren bekannt und bietet viele Vorteile. Es ist vollständig gegen elektromagnetische Interferenzen (EMI) und Hochfrequenzstörungen (RFI) abgeschirmt, bietet ein abgedichtetes oder nahezu abgedichtetes Gehäuse, ist mechanisch robust und seine zusammenpassenden Hälften können mit kleinen Hubschrauben aneinander befestigt werden. Das Gehäuse des D-Sub-Steckverbinders ist in mindestens sechs Standardgrößen erhältlich und bietet Flexibilität bei den elektrischen Kontaktpositionen und -typen. Combo-D"-D-Subs bieten nicht nur Steckergehäuse mit demselben Kontakttyp an allen Positionen, sondern auch eine Mischung aus unabhängigen Signal- und Leistungskontakten innerhalb eines einzigen Steckergehäuses (Abbildung 1, oben).

Abbildung 1: Der Combo-D-Subminiatursteckertyp unterstützt viele Kombinationen von Pfaden für Signale und Strom (oben); D-Sub-Steckverbinder sind in Standard-Gehäusegrößen und Kontaktanordnungen erhältlich (unten). (Bildquelle: Amphenol Positronic)

Ein einzelner D-Sub kann eine Vielzahl von Standard-Mix-and-Match-Anordnungen unterstützen (Abbildung 1, unten). Sie sind in zweireihiger Ausführung für Standarddichte und in dreireihiger Ausführung für hohe Dichte erhältlich. Es gibt Kontakte für Signale, Strom, Abschirmungen, Hochspannung, Thermoelemente und Lichtwellenleiter.

Innovationen in der Kontakttechnologie

Die Vorzüge des D-Sub-Gehäuses sind ein wichtiger Teil der Steckverbindergeschichte, aber auch die elektrischen Kontakte und ihre Eigenschaften sind für eine erfolgreiche Steckverbindermontage entscheidend. Im Laufe der Jahre gab es zahlreiche Verbesserungen in der Kontakttechnologie in Bezug auf Materialien, Design sowie elektrische und mechanische Leistung.

Dazu gehört die patentierte PosiBand-Kontakttechnologie von Amphenol Positronic (U.S. Patent 7,115,002). PosiBand verfolgt einen innovativen Ansatz für Kontakte, der sich von klassischen Designs unterscheidet und eine verbesserte Leistung bei vielen Schlüsselparametern bietet.

Die Konstruktion des PosiBand-Außendruckelements trennt die mechanische Wirkung vollständig von der elektrischen Wirkung der Verbindung (Abbildung 2). Das Druckelement führt die mechanische Aktion aus, indem es eine Kraft ausübt, die den männlichen Stift gegen den inneren weiblichen Hohlraum drückt, um eine lange Linie des direkten elektrischen Kontakts zu bilden. Die Länge der Schnittstellenleitung kann variiert werden, so dass die Designer den Schnittstellenwiderstand der Verbindung optimieren können. Ein fester, ungebrochener Ring an der Eintrittsstelle erhöht die mechanische Robustheit des Kontakts.

Abbildung 2: PosiBand verwendet ein patentiertes Design, um die mechanische und elektrische Wirkung der Verbindung zu trennen. (Bildquelle: Amphenol Positronic)

Die Federklemme (Abbildung 3, links) innerhalb des PosiBandes ist ein kleiner, aber wichtiger Teil der Baugruppe und trägt entscheidend zu ihrer Leistung bei. Diese federgehärtete Beryllium-Kupfer-Legierung übt eine Normalkraft auf den Stiftkontakt aus und trägt so zu einer robusten und zuverlässigen Kontaktpaarung bei (Abbildung 3, rechts). Gleichzeitig bietet sie eine geringere durchschnittliche Einsteckkraft und erfüllt oder übertrifft die Leistungsanforderungen.

Abbildung 3: Die PosiBand-Federklemme (links) erzeugt eine Normalkraft über die Kontaktfläche (rechts), um die elektrische Kontaktfläche zu maximieren. (Bildquelle: Amphenol Positronic)

Der PosiBand-Basiskontakt besteht aus Messing, das hervorragende Eigenschaften für das Crimpen von Drähten auf Kontakte hat. Außerdem entfällt das Glühen des Materials, das nicht nur die Kosten in die Höhe treibt, sondern auch ein Schritt ist, der bei der Herstellung unsachgemäß ausgeführt werden kann und langfristige Probleme verursacht.

Das PosiBand-System vergrößert außerdem die Schnittstellenfläche zwischen Stift- und Buchsenkontakten im Vergleich zu herkömmlichen Kontaktdesigns und sorgt so für eine zuverlässigere elektrische Integrität. Auf der Mikroebene gibt es eine größere Anzahl von elektrischen Pfaden durch die Kontaktschnittstelle. Die vergrößerte Kontaktfläche verringert die Wahrscheinlichkeit von Diskontinuitäten bei Vibrationen.

Die größere Kontaktfläche, die das PosiBand-System bietet, führt nicht zu einer Erhöhung der Einschubkräfte, sondern im Gegenteil zu einer gleichmäßigeren Einschubkraft, was zu einer niedrigeren durchschnittlichen Einschubkraft führt.

Positronic-Produkte sind Teil der Qualified Products List (QPL) der U.S. Defense Logistics Agency (DLA), was bedeutet, dass sie die Anforderungen erfüllen, die eine angemessene Produktidentifizierung, Qualifizierung und regelmäßige Verifizierungstests beinhalten. PosiBand ist nach den Spezifikationen SAE AS3902 und MIL-DTL-24308 qualifiziert und erfüllt auch die höheren Anforderungen des Kontakttrennungs-Tests von 40 Gramm (g) nach GSFC S-311-P4/08 und GSFC S-311-P4/10.

Kontaktgröße und Widerstand

PosiBand-Kontakte sind in den Standardgrößen 20 und 22 erhältlich. Erstere ist für Drähte der amerikanischen Drahtstärke (AWG) 20, 22 und 24 ausgelegt, letztere für Drähte der AWG 22, 24, 26, 28 und 30.

Der maximale Widerstand von Kontakten der Größe 22 beträgt 0,005 Ohm (Ω), während der entsprechende Wert für Kontakte der Größe 20 0,004 Ω beträgt. Dieser niedrige Kontaktwiderstand und die daraus resultierende geringe Eigenerwärmung aufgrund der minimalen^I2R-Verlustebieten Entwicklern die Möglichkeit, Kontakte der Größen 22 und 20 für die Stromversorgung zu verwenden.

Die thermischen Eigenschaften von Kontakten sind ein Faktor, der einigen Ingenieuren entweder nicht bewusst ist oder erst spät im Design- und Steckverbinderauswahlprozess in Betracht gezogen wird. Nichtsdestotrotz ist die Wärmeentwicklung ein entscheidender Faktor bei der Bewertung der Leistung von Steckern und Systemen. Die PosiBand-Kontakte der Größe 20 (Abbildung 4, oben) und der Größe 22 (Abbildung 4, unten) sind hinsichtlich des Temperaturanstiegs in Abhängigkeit vom Strom für verschiedene Kontaktkonfigurationen vollständig charakterisiert.

Abbildung 4: Dargestellt ist der Temperaturanstieg in Abhängigkeit vom Nennstrom für PosiBand-Kontakte der Größen 20 (oben) und 22 (unten) in verschiedenen Konfigurationen. (Bildquelle: Amphenol Positronic)

Der maximal zulässige Strom wird durch die maximale Temperatur begrenzt, die die Verbindung und der Kontakt vertragen.

PosiBand-Produkte für reale Anwendungen

Für Konstrukteure, die ihre eigenen Kabel und Steckverbinder zusammenstellen, sind PosiBand-Kontakte als Einzelteile erhältlich. Der FC6020D2-14 (Abbildung 5) beispielsweise ist ein gedrehter Buchsenkontakt der Größe 20 aus einer Kupferlegierung, der auf den Drahtanschluss gecrimpt wird.

Abbildung 5: Der FC6020D2-14 ist ein gedrehter Buchsenkontakt der Größe 20 aus einer Kupferlegierung, der an den Drahtanschluss gecrimpt wird. (Bildquelle: Amphenol Positronic)

Dieser vernickelte Kupferkontakt ist mit 1,27 Mikrometern (µm) Gold beschichtet, um einen niedrigen Widerstand und eine zuverlässige Kontinuität zu gewährleisten. Für diese gecrimpten (nicht gelöteten) Verbindungen bietet Amphenol Positronic ein spezielles Crimpwerkzeug an, um sicherzustellen, dass die Verbindungen den genauen Spezifikationen für Konsistenz und Zuverlässigkeit entsprechen.

Für Konstrukteure, die Lösungen von der Stange suchen, sind vollständig montierte Steckverbinder wie die MACH-D Serie MCD15M51R700K/AA-15 (Abbildung 6, links) und CBC7W2S110000 (Abbildung 6, rechts) als Standardartikel für einige der gängigsten Konfigurationen erhältlich. Der MCD15M51R700K/AA-15 ist ein 15-poliger D-Sub-Steckverbinder (Stifte) aus Edelstahl mit identischen Kontakten der Größe 20, der für 17 Ampere (A) ausgelegt ist. Sie ist für das rechtwinklige Löten von Leiterplatten vorgesehen. Zusätzlich zu den rechtwinkligen Anschlüssen für die Leiterplattenmontage gibt es Optionen für Crimp-, Lötkelch- und Einpressanschlüsse.

Abbildung 6: Der MCD15M51R700K/AA-15 (links) ist ein 15-poliger D-Sub-Steckverbinder (Stifte) mit Kontakten der Größe 20; der CBC7W2S110000 (rechts) ist ein 7-poliger Kombisteckverbinder mit Buchsenkontakten, der fünf PosiBand-Signalkontakte der Größe 20 und zwei MC/FC 4012D-Leistungskontakte aufweist. (Bildquelle: Amphenol Positronic)

Im Gegensatz dazu ist der CBC7W2S110000 ein 7-poliger D-Sub-Kombi-Steckverbinder mit Buchsen. Dieser Steckverbinder verfügt über fünf PosiBand-Signalkontakte der Größe 20 und zwei MC/FC 4012D 100-A-Stromanschlüsse (auch Koaxialkabelkontakte sind erhältlich). Das Gehäuse besteht aus verzinktem Stahl mit einer Chromatversiegelung für elektrische und ökologische Integrität.

Fazit

Die klassischen mehrpoligen Parallelsteckverbinder der D-Sub-Familie sind der bevorzugte Steckverbinder für viele Anwendungen. Sie bieten Designern mehrere Optionen für die Größe und Flexibilität bei der Anzahl und Anordnung der Kontakte. Die innovativen PosiBand-Signalkontakte von Amphenol Positronic unterstützen in Kombination mit den D-Sub-Steckergehäusen eine verbesserte Zuverlässigkeit und Leistung.