Mouser: Steckverbinder verdienen einen höheren Stellenwert

Viele Hersteller beklagen, dass sich Kunden erst ganz am Ende ihres Designprozesses mit der Auswahl von Steckverbindern und damit, wie das Gerät angeschlossen werden soll, beschäftigen.

Die Auswahl von Steckverbindern – Die komplizierteste Entscheidung im Elektronikbereich?

Dies kann aus einem ganz einfachen Grund zu Problemen führen: Steckverbinder gehören zu den komplexesten Elektronikkomponenten überhaupt.

Nein, bitte lachen Sie nicht. Die Elektronikindustrie bietet einige der bedeutendsten Innovationen, die die Menschheit hervorgebracht hat. Bauelemente wie Halbleiter, Multifunktions-LEDs und Netzteile erfüllen wesentliche und bemerkenswerte Funktionen, und ohne sie sähe die moderne Gesellschaft völlig anders aus. Sie denken vielleicht, dass Steckverbinder aufgrund ihrer Komplexität sehr einfach aussehen – und damit haben Sie recht.

Steckverbinder sind für sich genommen einfach, weil sie eine einfache Funktion erfüllen: Sie ermöglichen die Verbindung von zwei Hälften eines elektrischen Stromkreises, sodass dieser bei Bedarf getrennt und wieder verbunden werden kann. Die Verbindung kann aus Drähten, Leiterbahnen oder sogar einem Lichtwellenleiter bestehen, aber die eigentliche Funktion des Steckverbinders ändert sich nicht. Alle anderen Funktionen, von der elektrischen Abschirmung und den Verriegelungsschrauben bis hin zu den wasserdichten Abdeckungen und dem Kabelschutz, sind der Hauptaufgabe eines Steckverbinders untergeordnet: dem Verbinden.

Um dieses Ziel zu erreichen, können die Komponenten selbst bemerkenswert einfach sein. In der Juni-Ausgabe 2021 dieses Magazins habe ich ein Loblied auf Stiftleisten gesungen, die zu den unkompliziertesten Steckverbindern überhaupt zählen. Eine Stiftleiste besteht nur aus einer Klemme und einem Isolator – die einfachste Anordnung, die es für Steckverbinder gibt.

Für sich genommen sind Steckverbinder einfach. Betrachtet man jedoch den gesamten Steckverbindermarkt, so gibt es eine schier unendliche Auswahl an verschiedenen Steckverbindern, die Ingenieure überwältigen können – von der kleinsten Stiftleiste, die in einem Smartphone verwendet wird, bis hin zum Stromsteckverbinder, der so groß ist, dass man zwei Hände dafür braucht. Und das ist noch nicht alles, denn es kommt auch auf die Methode an, die verwendet wird, um das einfache Ziel eines Steckverbinders zu erreichen.

Kontaktdesign
Das Herzstück jedes Steckverbinders ist der Kontakt. Er bestimmt die elektrische und mechanische Leistung des Steckverbinders. Einfache Kontakte werden mithilfe einer Technik hergestellt, die als „Stanzen und Formen“ bekannt ist, und bei der die endgültige Form durch Stanzen aus einem flachen Blech entsteht. Der Prozess ist progressiv und erfordert mehrere Werkzeuge, um die fertige Form für den Steckverbinder herzustellen. Das folgende Bild zeigt einen solchen Prozess: Von links kommen die flachen Metallstreifen in die Pressen und durchlaufen nach rechts eine Reihe von Arbeitsschritten. Die fertigen Kontakte, die noch am Band befestigt sind, sind ganz rechts zu sehen, bereit, um beschichtet zu werden.



Das Stanzverfahren

Dieses Verfahren ist perfekt für die Massenproduktion geeignet, da es stunden- oder sogar tagelang ununterbrochen laufen kann. Ein großer Teil der Steckverbinder, die wir im Alltag verwenden – nicht zuletzt der allgegenwärtige USB-Anschluss – besitzt Kontakte, die nach diesem Verfahren hergestellt werden.

Dies ist jedoch keine Universallösung. Die meisten gestanzten und geformten Kontakte sind innen hohl, was bedeutet, dass sie bruchanfällig sein können und nicht für die Übertragung hoher Ströme geeignet sind. Bei der Stromübertragung geht es vor allem darum, den elektrischen Widerstand zu senken, was bei einer stabilen Metallhülse viel leichter zu erreichen ist als bei einem hohlen gestanzten und geformten Design.

Aus diesem Grund werden bei vielen Leistungssteckverbindern keine gestanzten und geformten Kontakte verwendet, sondern maschinell gefräste. Diese werden einzeln auf einer Drehmaschine hergestellt, was zwar computergesteuert und automatisiert ist, aber viel länger dauert als das Stanzen eines Kontakts aus einem Metallstreifen. Das macht das Fräsen zu einem teuren Prozess. Die Entscheidung für das maschinelle Fräsen gegenüber dem Stanzen und Formen ist ein Kompromiss zwischen Kosten und Leistung.

Hinzu kommt, dass gefräste Kontakte oft gewählt werden, wenn es auf die Zuverlässigkeit ankommt. Ist ein Steckverbinder dazu bestimmt, während seiner Lebensdauer nur einmal eingesteckt zu werden und dann so zu verbleiben, wie z. B. ein Computer auf einem Schreibtisch, dann ist die Zuverlässigkeit weniger wichtig. Derselbe Steckverbinder kann jedoch für den Einsatz in einem Testlabor bestimmt sein, wo er Dutzende Male am Tag ein- und ausgesteckt wird. Unter diesen Umständen ist Zuverlässigkeit das oberste Gebot, und die richtige Wahl wäre ein gedrehter Kontakt mit der Leistung, die sein robusteres Design bietet.

Raue Bedingungen
Die Komplexität des Kontaktdesigns macht die Herausforderung deutlich, vor der Designer bei der Auswahl eines Steckverbinders stehen. Wir haben jedoch noch nicht einmal damit begonnen, externe Faktoren und deren Einfluss auf die Leistung eines Steckverbinders zu berücksichtigen.



Einige Applikationen benötigen Leistung und Zuverlässigkeit

Viele Steckverbinder sind für den Einsatz unter unproblematischen Bedingungen gedacht. Ob zu Hause oder im Büro – viele unserer Elektrogeräte sind nicht für den Einsatz in rauen Umgebungen gedacht. Doch es gibt viele Applikationen, sowohl zu Hause als auch im beruflichen Umfeld, bei denen moderne Elektronik beschädigt werden kann.

Es ist durchaus möglich, ein Gerät zu entwickeln, das vollständig von einem Gehäuse umgeben ist, um die sensible Elektronik vor Wind, Regen und Schnee zu schützen. Doch selbst im Zeitalter des kabellosen Ladens und Bluetooth ist es selten, wenn ein Gerät nicht mindestens einen Steckverbinder benötigt, um eine Verbindung zur Außenwelt herzustellen. Der am Gerät befestigte Steckverbinder muss die gleiche Schutzart bieten wie der Rest des Gehäuses, sonst besteht die Gefahr einer Schwachstelle, durch die Feuchtigkeit die Elektronik im Inneren beschädigen kann.

Viele Steckverbinder sind so konstruiert, dass sie diese Schutzart bieten, und verwenden oft die IP-Bewertung, um die Bedingungen zu beschreiben, denen sie standhalten können. In der EIU-Ausgabe vom November 2020 habe ich über IP-Bewertungengesprochen, als es um Steckverbinder für die Landwirtschaft ging – eine der vielen Branchen, die auf Steckverbinder angewiesen ist, die unter widrigen Bedingungen reibungslos funktionieren.

Die Entwicklung von Produkten, die rauen Umgebungen standhalten, erfordert den Einsatz von Gummidichtungen und Kabelschutzvorrichtungen, die bei ansonsten schmalen Steckverbindern für zusätzlichen Platzbedarf sorgen können. In der Welt der Elektronik, in der Prozessoren, Batterien und andere Komponenten immer kleiner und effizienter werden, können große, sperrige Steckverbinder einen großen Teil des Designs ausmachen. Hat ein Ingenieur dies bei der Entwicklung eines Geräts nicht bedacht, kann das dazu führen, dass kein Platz mehr für den Steckverbinder vorhanden ist. Und ein Redesign ist teuer.



Enorme Komplexität in einem einzigen Steckverbinder

Räumen Sie Steckverbindern einen höheren Stellenwert ein
Wir wir noch nicht besprochen haben, sind andere Aspekte des Steckverbinderdesigns, einschließlich der Abschirmung gegen elektromagnetische Störung (EMI) oder die Herausforderungen der neuesten High-Speed-Applikationen. Ich hoffe jedoch, dass ich Ihnen vor Augen führen konnte, wie komplex selbst die einfachsten Entscheidungen bei der Auswahl eines Steckverbinders sein können.

Ja, Steckverbinder an sich sind einfach und unkompliziert. Andererseits ist die Auswahl eines Steckverbinders angesichts der Vielzahl der verfügbaren Optionen alles andere als einfach. Sie sind ein so wichtiger Bestandteil des Elektronikdesigns, dass man sie nicht als Last-Minute-Ergänzung oder als etwas, das ignoriert werden kann, betrachten sollte. Es gibt nur wenige Anbieter, die besser dafür gerüstet sind, Kunden bei dieser Wahl zu helfen, als Mouser, denn dort können sie Steckverbinder für verschiedenste Applikationen und von zahlreichen Herstellern direkt miteinander vergleichen.

www.mouser.com

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