Steckverbinder sind wichtige mechanische und elektrische Verbindungselemente zwischen verschiedenen Teilen eines Systems oder zwischen dem System und der Außenwelt. Die Wahl des Steckverbindertyps hängt von mehreren Faktoren ab, darunter elektrischen und mechanischen Anforderungen, Industriestandards, Benutzerfreundlichkeit und Herstellung, Anzahl und Art der Kontakte, Steck- und Nichtstecksituationen, Zuverlässigkeitszielen und behördlichen Anforderungen. Das klassische D-Sub-Steckergehäuse (Ultra Small D-Type) wird jedoch schon seit Jahrzehnten verwendet und ist für viele Anwendungen immer noch der bevorzugte Stecker.
Obwohl der Gehäusestil und die Kontaktanordnung von Steckverbindern große Aufmerksamkeit erregt haben, haben die Kontakte selbst einen erheblichen Einfluss auf die elektrische und mechanische Leistung von Steckverbindern. Da Designs immer komplexer und Anwendungsanforderungen immer höher werden, müssen Designer die neuesten Innovationen in der Kontakttechnologie verstehen, um entsprechende Standards und Anforderungen zu erfüllen, insbesondere in Bezug auf Robustheit, Steckkraft und Haltekraft, Kontaktwiderstand und Temperaturtoleranz.
Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über den Entwicklungstrend von Steckverbindern, wobei der Schwerpunkt auf den Gründen für den anhaltenden Einsatz von D-Sub-Steckverbindern liegt. Anschließend wurden die fortschrittlichen Kontakte von Amphenol Positronic vorgestellt und gezeigt, wie sie zur Verbesserung der Leistung des Steckverbinders eingesetzt werden können.
USB、 Die Bedeutung von Ethernet- und D-Sub-Anschlüssen
Obwohl die Verwendung herkömmlicher RS-232-Schnittstellen zurückgegangen ist und verschiedene Versionen von USB- und Ethernet-Anschlüssen auf den Markt kommen, spielen der klassische 9-polige D-Sub-Anschluss (allgemein bekannt als DB-9) und andere Anschlüsse der breiteren D-Sub-Anschlussserie immer noch eine entscheidende Rolle in der elektronischen Systemkommunikation. Es gibt viele Gründe für eine kontinuierliche Nutzung. Obwohl USB und Ethernet viele Verbindungsanforderungen erfüllen können, handelt es sich bei diesen beiden weit verbreiteten Anschlusstypen um serielle Schnittstellen und nicht um Mehrdrahtschnittstellen. Sie können gleichzeitig Daten und Strom übertragen, unterliegen jedoch strengen Einschränkungen hinsichtlich der Signaltypen, der maximalen Spannungs- und Stromwerte sowie der Nennleistung.
Designtechnisch können USB und Ethernet mehrere unabhängige Signale oder unterschiedliche Formate wie Schnittstellen mit mehreren parallelen Kontaktpfaden nicht effektiv verarbeiten. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass das Design von Standard-USB- und Ethernet-Verbindungen in vielen Fällen nicht das erforderliche Maß an mechanischer und elektrischer Integrität und Robustheit erfüllt.
Aus diesen und jenen Gründen sind D-Sub-Stecker immer noch weit verbreitet. Diese Art der Außengestaltung tauchte bereits in den 1950er Jahren auf und hat viele Vorteile. Es hat die Funktion, elektromagnetische Störungen (EMI) und Hochfrequenzstörungen (RFI) vollständig abzuschirmen, ein abgedichtetes oder nahezu abgedichtetes Gehäuse mit einer stabilen mechanischen Struktur bereitzustellen, und seine beiden Andockteile können durch einen kleinen oberen Draht miteinander verriegelt werden. Das Gehäuse oder Gehäuse des D-Sub-Steckers verfügt über mindestens sechs Standardgrößen und bietet flexible Optionen für die Positionen und Typen der elektrischen Kontaktstifte. Neben der Bereitstellung von Steckverbindergehäusen mit dem gleichen Kontakttyp an allen Pin-Positionen unterstützt der „Combo-D“-D-Sub auch das Mischen unabhängiger Signal- und Leistungskontakte innerhalb eines einzigen Steckverbindergehäuses (Abbildung 1, oben).
Bild im Combo-D-Ultra-Small-Stecker-Stil (zum Vergrößern anklicken)
Abbildung 1: Der ultrakleine Combo-D-Stecker unterstützt mehrere Signal- und Strompfadkombinationen (wie in der Abbildung dargestellt); Der D-Sub-Stecker verfügt über Standardgehäuseabmessungen und Kontaktanordnungen (wie in der Abbildung unten dargestellt). (Bildquelle: Amphenol Positronic)
Ein einzelner D-Sub kann verschiedene Standard-Mix-and-Match-Anordnungen unterstützen (Abbildung 1, unten). Sie bieten zweireihige Versionen mit Standarddichte und dreireihige Versionen mit hoher Dichte mit Signal-, Strom-, Abschirmungs-, Hochspannungs-, Thermoelement- und Glasfaserkontaktoptionen.
Innovation in der Kontakttechnologie
Der Vorteil des D-Sub-Gehäuses spielt eine wichtige Rolle in der Geschichte des Steckverbinders, und die elektrischen Kontakte und ihre Eigenschaften sind auch der Schlüssel für die erfolgreiche Montage des Steckverbinders. Im Laufe der Jahre hat die Kontakttechnologie viele Verbesserungen in Bezug auf Materialien, Design sowie elektrische und mechanische Eigenschaften hervorgebracht.
Dazu gehört die patentierte PosiBand-Kontakttechnologie von Amphenol Positronic (US-Patent Nr. 7115002). PosiBand verwendet ein innovatives Kontaktdesign, das sich vom herkömmlichen Design unterscheidet und in vielen wichtigen Parametern eine höhere Leistung erzielt.
Das externe Druckelement PosiBand ist so konzipiert, dass es die mechanischen und elektrischen Vorgänge der Verbindung vollständig trennt (Abbildung 2). Das Druckelement übt eine Kraft aus, um den Steckerstift in Richtung des inneren Hohlraums zu drücken, wodurch eine lange direkte elektrische Kontaktlinie entsteht und so die mechanische Aktion abgeschlossen wird. Die Länge des Kontaktdrahts kann geändert werden, sodass Konstrukteure den Schnittstellenwiderstand der Verbindung optimieren können. Die stabile und unbeschädigte kreisförmige Struktur am Eingang kann die mechanische Robustheit der Kontakte erhöhen.
Amphenol Positronic PosiBand übernimmt patentierte Designbilder (zum Vergrößern anklicken)
Abbildung 2: PosiBand verwendet ein patentiertes Design, das die mechanischen und elektrischen Vorgänge der Verbindung trennt. (Bildquelle: Amphenol Positronic)
Der Federclip im PosiBand (Abbildung 3, links) ist eine kleine, aber wichtige Komponente in der Baugruppe und ein Schlüsselfaktor für deren Leistung. Dieses elastische Beryllium-Kupfer-Legierungsblech kann eine Normalkraft auf den Stiftkontakt erzeugen und so eine feste und zuverlässige Kontaktverbindung erreichen (Abbildung 3, rechts). Gleichzeitig kann es zwar die Leistungsanforderungen erfüllen oder übertreffen, aber auch die durchschnittliche Einsteckkraft reduzieren.
Amphenol Positronic PosiBand-Federklammer (links) sorgt für ein Normalkraftbild im Kontaktbereich (rechts)
Abbildung 3: Die PosiBand-Federklemme (links) sorgt für Normalkraft im Kontaktbereich (rechts), um die Kontaktfläche der elektrischen Anschlussfläche zu maximieren. (Bildquelle: Amphenol Positronic)
Die PosiBand-Basiskontakte bestehen aus Messing und bieten eine hervorragende Leistung beim Crimpen von Drähten auf die Kontakte. Dadurch entfällt auch die Notwendigkeit, das Material zu glühen, was nicht nur die Kosten erhöht, sondern auch langfristige Probleme verursachen kann, wenn es während des Herstellungsprozesses nicht ordnungsgemäß gehandhabt wird.
Im Vergleich zu herkömmlichen Kontaktdesigns vergrößert das PosiBand-System auch die Kontaktfläche zwischen männlichen und weiblichen Kontakten und sorgt so für eine zuverlässigere elektrische Integrität. Auf der Mikroebene verlaufen mehr elektrische Pfade durch die Kontaktschnittstelle. Durch die Vergrößerung der Kontaktfläche wird die Möglichkeit einer Diskontinuität während der Vibration verringert.
Entgegen der Intuition bietet das PosiBand-System eine größere Kontaktfläche, ohne die Einführkraft zu erhöhen; Im Gegenteil: Das PosiBand-Design sorgt für eine gleichmäßigere Einführkraft und reduziert dadurch die durchschnittliche Einführkraft.
Positronic-Produkte wurden in die Qualified Product List (QPL) der Logistics Agency (DLA) des US-Verteidigungsministeriums aufgenommen, was bedeutet, dass sie die Anforderungen einschließlich der entsprechenden Produktidentifizierung, Qualifizierung und regelmäßigen Validierungstests erfüllt haben. PosiBand entspricht den Spezifikationen SAE AS3902 und MIL-DTL-24308 und erfüllt außerdem die höheren 40-g-Kontakttrennungstestanforderungen von GSFC S-311-P4/08 und GSFC S-311-P4/10.
Kontaktgröße und Widerstand
PosiBand-Kontakte verwenden die Standardgrößen 20 und 22. Ersteres gilt für American Wire Gauge (AWG)-Drähte 20, 22 und 24, während letzteres für AWG-Drähte 22, 24, 26, 28 und 30 gilt.
Der maximale Widerstand des Kontakts 22 beträgt 0,005 Ohm (Ω), während der entsprechende Widerstand des Kontakts 20 0,004 Ohm beträgt. Aufgrund des geringen Kontaktwiderstands ist der I2R-Verlust gering, was zu einer geringen Eigenerwärmung führt, was Entwicklern die Möglichkeit gibt, die Kontakte 22 und 20 für die Stromversorgung zu verwenden.
Einige Ingenieure verstehen die thermischen Eigenschaften von Kontakten nicht oder berücksichtigen diesen Faktor erst in späteren Phasen des Entwurfs und der Auswahl von Steckverbindern. Allerdings bleibt die Wärme ein Schlüsselfaktor bei der Bewertung der Steckverbinder- und Systemleistung. Der Temperaturanstieg und die Strombeziehung der Kontakte PosiBand 20 (Abbildung 4, oben) und 22 (Abbildung 4, unten) sind bei unterschiedlichen Kontaktkonfigurationen völlig konsistent.