Wie weit kann sich ein typischer D-Sub-Stecker weiterentwickeln? Seit über 30 Jahren ist der D-Sub-Stecker praktisch unverändert geblieben, doch jetzt ist eine Revolution im Gange!
Es gibt eine Vielzahl neuer Verbindungslösungen für Ein-/Ausgabeanwendungen. In den letzten Jahren wurden verschiedene Lösungen eingeführt, darunter USB, FireWire, modulare Buchsen, InfiniBand und HDMI. Der D-Sub-Stecker zählt zu den ältesten Lösungen und ist nach wie vor das vielseitigste und am weitesten verbreitete Ein-/Ausgabe-Steckverbindersystem. Mit seinem rechteckigen Gehäuse und der D-förmigen, polarisierten Kontaktfläche stammt das Konzept des D-Sub-Steckers aus dem Militärbereich und wird seither in der kommerziellen und militärischen seriellen Kommunikation, der Telekommunikation und in lokalen Netzwerken eingesetzt.
Die Schwächen des traditionellen D-Sub
Die Herstellung von Ein-/Ausgangssteckverbindern ist keine leichte Aufgabe. Als Frontend-Komponente bieten sie nicht nur im Betrieb nur unzureichenden Schutz, sondern sind auch anfällig für Fehlbedienungen. Daher ist eine zentrale Anforderung an Ein-/Ausgangssteckverbinder, dass sie extrem hohen Steckkräften standhalten und über robuste Kontakte verfügen, die Fehlbedienungen vor und nach der Montage auf der Leiterplatte widerstehen. Dies ist bei SMD-Ein-/Ausgangssteckverbindern nicht einfach zu realisieren und bei gebogenen SMD-Steckverbindern noch schwieriger.
Abbildung 1: Bei herkömmlichen biegsamen SMT-D-Sub-Steckverbindern sind die gebogenen Anschlüsse nicht ausreichend stabil.
Herkömmliche biegsame Steckverbinder werden hergestellt, indem die Kontakte während des Stanzprozesses mindestens zweimal gebogen werden (siehe Abbildung 1). Diese Konstruktion stellt eine erhebliche Herausforderung für die Kontrolle der Koplanarität der einzelnen Kontaktstifte dar. Zudem führt diese Biegemethode zu einer unzureichenden Festigkeit der Kontakte, wodurch diese bereits bei geringfügiger unsachgemäßer Handhabung verformbar sind. Obwohl es unrealistisch ist, zu erwarten, dass alle SMD-Pins des Steckverbinders perfekt in derselben Ebene liegen, sollte der Höhenunterschied zwischen allen Pins innerhalb von ±0,05 mm liegen. Ist ein Pin zu hoch, kann er die auf der Leiterplatte aufgebrachte Lötpaste nicht erreichen, was zu einem offenen Stromkreis führt.
Zuverlässige und dennoch kostengünstige Schnittstelle
ERNI hat alle D-Sub-Steckverbinder neu gestaltet, um eine zuverlässige und gleichzeitig wirtschaftliche Ein-/Ausgangslösung für Betrieb und Leiterplattenbestückung zu bieten. Im Fokus der Neugestaltung stand die Änderung des herkömmlichen rechtwinkligen Anschlussdesigns, um Probleme mit der Koplanarität zu beheben. Dies wurde durch das Stanzen der gebogenen Anschlüsse aus einem flachen Kupferlegierungsstreifen in einem einzigen Arbeitsgang erreicht (siehe Abbildung 2). Dadurch entstehen Anschlüsse mit unübertroffener Festigkeit, die die einfache Umsetzung sehr kleiner Toleranzen ermöglichen. Die Koplanarität hängt somit ausschließlich von den relativ einfach zu kontrollierenden Gehäuseabmessungen ab.
Abbildung 2: Der neu gestaltete Stecker verfügt über sehr robuste gestanzte Anschlüsse.
Nachdem ERNI das Stanzverfahren erfolgreich für SMD-Steckverbinder eingesetzt hat, wurde dieser Ansatz durch ein modulares Werkzeugdesign auf Crimp- und THT-Steckverbinder erweitert. Mit demselben Werkzeugsatz und drei verschiedenen Stiftmodulen lassen sich drei unterschiedliche Stiftanschlusstypen herstellen. Die ausgeklügelte Anordnung der Kontakte auf dem Kupferlegierungsstreifen minimiert den Materialverlust zusätzlich und senkt so die Steckverbinderkosten weiter.
Handwerkskunst zeigt sich im Detail
Die Neugestaltung der D-Sub-Steckverbinder zielte nicht nur auf Kostensenkung, sondern auch auf eine höhere Zuverlässigkeit ab. Dank technologischer Fortschritte und der Möglichkeit, die gesamte Produktlinie unabhängig von bestehenden Formen und Produktionsanlagen neu zu entwickeln, konnten die Ingenieure von ERNI die herkömmlichen D-Sub-Steckverbinder grundlegend verbessern.
Für oberflächenmontierte Bauteile ist die vollautomatische Bestückung der Leiterplatte ohne zusätzliche Geräte oder menschliches Eingreifen unerlässlich. Darüber hinaus müssen eine präzise Bauteilpositionierung und eine erhöhte Haltekraft auf der Leiterplatte gewährleistet sein. Der neu entwickelte D-Sub-Steckverbinder von ERNI vereint all diese Eigenschaften.
Das neu entwickelte Gehäuse des SMD-D-Sub-Steckverbinders verfügt über eine integrierte, ebene Fläche zur einfachen Handhabung mittels Vakuumspannfutter bei automatisierten Montageprozessen. Dank des hohen Bildkontrasts zwischen Kontakten und Isolatoren eignet sich der Steckverbinder für die Inline-Bildprüfung. Die Verpackung erfolgt mittels Gurt oder Trays und ermöglicht so eine unterbrechungsfreie, vollautomatische Leiterplattenbestückung.
Positionierstifte gewährleisten eine stabile und präzise Positionierung des Steckverbinders auf der Leiterplatte. Robuste SMD-Montagehalterungen sind in den Steckverbinder integriert, und die große Lötfläche ermöglicht ein wirtschaftliches und zuverlässiges Löten. Diese Halterungen sorgen zudem für Spannungsentlastung beim Stecken, indem sie den Schwerpunkt des Steckverbinders gezielt zur Leiterplattenmitte neigen, um ein Kippen während der Montage und des Lötens zu verhindern. Die Halterungen erhöhen außerdem die Haltekraft des Steckverbinders auf der Leiterplatte. Kurz gesagt: Die gesamte Konstruktion gewährleistet, dass der Steckverbinder vor und während des Lötens sicher und aufrecht auf der Leiterplatte sitzt. Dieser SMD-Steckverbinder ermöglicht sogar die Montage auf beiden Seiten der Leiterplatte.
Neben der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des D-Sub-Steckverbinders legten die Ingenieure von ERNI auch großen Wert auf die Optimierung seiner elektrischen Eigenschaften. Zunächst wurde die Buchse durch die patentierte Typ-6-Anschlusskonstruktion von ERNI ersetzt. Diese Typ-6-Anschlusskonstruktion, die auch bei Hochgeschwindigkeitssteckverbindern zum Einsatz kommt, reduziert nachweislich Inkonsistenzen in der Signalübertragung. Dies liegt daran, dass die Anschlusskonstruktion Volumenänderungen minimiert und somit Inkonsistenzen in Impedanz, Kapazität und Induktivität verringert.
Das neue Design umfasst außerdem ein Ganzmetallgehäuse, um die Struktur zu verbessern und die Erdung effektiver zu gestalten. Dadurch wird eine hervorragende Abschirmung für Anwendungen mit elektromagnetischen Störungen/Hochfrequenzstörungen (EMI/RFI) erreicht, ohne dass ein Erdungsstreifen erforderlich ist.
Abbildung 3: Neu gestalteter D-Sub-Anschluss
Abbildung 4: Das ERNI 6-Terminal-Design bietet eine überlegene elektronische Leistung.
Ein besonderes Merkmal der Neukonstruktion ist das integrierte Verriegelungszubehör, das nicht nur eine niederohmige Erdungsverbindung herstellt, sondern auch den Kabelmantel sicher am Stecker fixiert. Die aktuellen Ausführungen sind mit Einpressmuttern (M3- oder UNC-Gewinde Nr. 4-40), Verriegelungsschrauben (M3- oder UNC-Gewinde Nr. 4-40) oder als Durchgangsloch-Variante erhältlich. Das Verriegelungszubehör verhindert zudem ein Verdrehen beim Festziehen durch eine Vierkantbohrung. Das Problem sich drehender Schrauben und Muttern bei der Verwendung von Kabeln gehört damit endlich der Vergangenheit an.
Der Crimpbereich des Crimpverbinders verfügt über eine nachgiebige Stiftkonstruktion. Dank seiner inhärenten Symmetrie erzeugt diese Anschlussmethode eine gleichmäßige Crimpkraft auf den durchkontaktierten Löchern der Leiterplatte. Das robuste Gehäuse ermöglicht das direkte Aufpressen des Verbinders auf die Leiterplatte mit Flachblock-Montagewerkzeugen ohne aufwendige Werkzeuge. Integrierte Crimp-Klammern dienen der Spannungsentlastung der Leiterplatte und der Erdung.
Trotz dieser Verbesserungen an den Steckverbindern bleibt das Leiterplattenlayout unverändert. Da die Abmessungen der Schnittstelle exakt gleich sind, können Kunden herkömmliche D-Sub-Steckverbinder direkt durch die neuen ersetzen, ohne ihr Leiterplattendesign ändern zu müssen. Das Leiterplattenlayout für die neuen Crimp-D-Sub-Steckverbinder ist zudem kompatibel mit den Durchsteck-Reflow- und herkömmlichen Wellenlöt-Steckverbindern von ERNI.
Vielfalt bei der Auswahl
Die neu entwickelten D-Sub-Steckverbinder sind in drei Anschlussarten erhältlich: Oberflächenmontage, Crimpen und Durchsteckmontage. Sie sind mit 9, 15, 25 und 37 Pins verfügbar, jeweils in zwei Reihen angeordnet. Die Winkelversion ist aktuell in einer Standardhöhe von 7,3 mm und einer europäischen Höhe von 3,6 mm erhältlich; eine US-Version mit 6,3 mm Höhe folgt in Kürze. Die vertikale Version ist in den Montagehöhen 6,3 mm und 9 mm verfügbar. Die Kontaktflächen sind gemäß IEC 807-3 / DIN 41652 beschichtet, die Anschlussflächen sind verzinnt. Die integrierte Metallfrontplatte erfüllt die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit. Die vertikale Oberflächenmontageversion verfügt über eine Pick-and-Place-Abdeckung zum einfachen Be- und Entladen der Steckverbinder und wird für die automatisierte Montage auf einer Rolle oder in einem Tray verpackt.
Mischung aus Leistung und Signal
Neben der bereits erwähnten neuen Generation von D-Sub-Steckverbindern für die Signalübertragung hat ERNI auch Hochstrom-D-Sub-Steckverbinder für die Energieübertragung entwickelt. Diese sind für 20 °C ausgelegt und bieten 25 A, wobei der maximale Nennstrom lediglich durch das Leiterplattenmaterial begrenzt wird. Die Hochstromversion integriert zudem erfolgreich Strom- und Signalanschlüsse und eliminiert so effektiv Störungen der Signalübertragung durch die Energieübertragung. Besonders bemerkenswert ist, dass die Energieanschlüsse von ERNI im Stanzverfahren hergestellt werden. Herkömmlicherweise werden solche zylindrischen Energieanschlüsse auf einer Drehmaschine gefertigt. Die Fähigkeit von ERNI, zylindrische Energieanschlüsse im Stanzverfahren herzustellen, unterstreicht die technologische Führungsrolle des Unternehmens.
Diverse Anwendungen
Die neue Generation von D-Sub-Steckverbindern erfüllt die Standards für bleifreie Lötverfahren und ist sowohl für konventionelle Zinn/Blei- als auch für bleifreie Verfahren geeignet. Der Isolator besteht aus hochtemperaturbeständigem thermoplastischem Material und ist ebenfalls für konventionelle Zinn/Blei-Lötverfahren sowie für bleifreie Reflow- oder Dampfphasenlötverfahren geeignet.
Abschluss
Durch technologische und gestalterische Innovationen wurde ein traditioneller, seit über 40 Jahren verwendeter Steckverbinder grundlegend weiterentwickelt. Das neue Design bietet eine wirtschaftlichere und zuverlässigere Lösung, während die detailliertere Konstruktion mehr Auswahlmöglichkeiten und vielfältigere Anwendungsmöglichkeiten eröffnet. ERNI wird mit dem aktualisierten D-Sub-Steckverbinder auch zukünftig weitere Produkte auf den Markt bringen, um den Anforderungen moderner Anwendungen gerecht zu werden. Herr Xu Yongfeng ist Marketing Manager für ERNI Asien (Singapur, Hauptsitz in Europa).
