Glücklicherweise gibt es eine bewährte und nahezu narrensichere Methode, die Zuverlässigkeit eines Steckverbinders vorherzusagen: die Hertzsche Kontaktspannung. Entwickler elektronischer Systeme können diesen Indikator, der die wichtigsten Faktoren für Stromfluss und Widerstand berücksichtigt, heranziehen, um sicherzustellen, dass die gewählten Steckverbinder weder sie selbst noch ihre Endnutzer im Stich lassen.
Die Zuverlässigkeit von Steckverbindern darf nicht dem Zufall überlassen werden, und es gibt auch keinen Grund dafür. Vor 15 Jahren zeigte eine IBM-Analyse, dass ein einziger Indikator – eine hohe Hertzsche Kontaktspannung – praktisch eine gute Steckverbinderleistung garantiert.
Es ist überraschend, dass dies vielen Entwicklern elektronischer Systeme und Herstellern von Produkten, deren Funktion von Steckverbindern abhängt, neu ist. Steckverbinder gelten als austauschbare Komponenten; das heißt, sie seien alle gleich gut. Dieser Irrglaube führt zu kostspieligen und aufwendigen Ausfällen und Korrekturmaßnahmen, die sich einfach durch die Verwendung von Steckverbindern vermeiden ließen, die für eine hohe Hertzsche Kontaktspannung ausgelegt sind.
Steckverbinderdefekte bleiben oft unentdeckt, bis sie zum Einsatz kommen.
Obwohl die Steckverbinderindustrie weiterhin zahlreiche Innovationen und bedeutende Fortschritte verzeichnet, treten bei Kunden immer noch zu viele Probleme aufgrund von Komponentenausfällen auf. In vielen Fällen zeigen sich diese Probleme erst, wenn die fertigen Produkte im Feld verwendet werden. Ob Medizingeräte oder Militärfunkgeräte – wenn Endnutzer Probleme und Fehler entdecken, können diese schwerwiegende Folgen für die Hersteller und Lieferanten der fehlerhaften elektronischen Systeme haben, die diese Steckverbinder verwenden.
Unternehmen, die Steckverbinder für ihre Geräte kaufen, möchten ihre Kunden nicht als Produkttester einsetzen, sehen sich aber gezwungen, da ihnen keine proaktiven und vorausschauenden Testmethoden bekannt sind, die die zuverlässige Funktion eines Steckverbinders unter allen Bedingungen gewährleisten können. Kurz gesagt: Sie wissen nicht, dass die Verwendung der Hertzschen Kontaktkraft als Spezifikationsparameter für Steckverbinder die meisten Ausfälle und damit verbundene erhebliche Kosten für Korrekturmaßnahmen verhindern kann.
ITT-Universalkontakt. Die Steckzone des ITT-Universalkontakts. Quelle: ITT Cannon
Hertzsche Kontaktspannung als prädiktiver Leistungsindikator:
Es gibt eine zuverlässige Methode zur Vorhersage der Zuverlässigkeit eines Steckverbinders: die Hertzsche Kontaktspannung. Dieser Parameter, auch Hertzsche Kraft genannt, berechnet die Spannung, die entsteht, wenn zwei gekrümmte Oberflächen unter Belastung in Kontakt kommen und sich leicht verformen. Ein höherer Spannungswert ist in diesem Fall positiv, da er mehr Kontaktmaterial bedeutet. Dies ist die Grundlage für einen festen und zuverlässigen Kontakt sowie für die Leistungsfähigkeit des Steckverbinders. IBM-Ingenieure haben dies bereits vor Jahrzehnten eindeutig nachgewiesen, indem sie verschiedene Kontaktdesigns analysierten, um einen gemeinsamen Nenner zu finden, der die Vorhersage von Erfolg oder Misserfolg eines Steckverbinders ermöglicht.
Die Analyse ergab, dass „die Kontaktdesigns defekter Steckverbinder stets durch eine niedrige Hertzsche Kontaktspannung gekennzeichnet waren, während erfolgreiche Steckverbinder auf Designs mit einer um eine Größenordnung höheren Hertzschen Kontaktspannung basierten.“ Diese Erkenntnis wurde im Laufe der Jahre bestätigt und hat sich zu einem immer wichtigeren Indikator entwickelt, da sich das Design von Steckverbindern weiterentwickelt hat und kleinere, leichtere Steckverbinder, flachere Kontakte und Modelle umfasst, die rauen Umgebungsbedingungen wie Vibrationen und Stößen standhalten. Der Hertz-Kontaktspannungsindikator ist für Entwickler elektronischer Systeme die beste Möglichkeit, sicherzustellen, dass sie in ihren Produkten leistungsstarke Steckverbinder verwenden.
Die physikalischen Grundlagen:
Um zu verstehen, warum eine hohe Hertzsche Kontaktspannung nahezu eine gute Leistung garantiert, ist es wichtig, die physikalischen Prinzipien zu verstehen, auf denen die Funktionsweise von Steckverbindern basiert. Alle metallischen elektrischen Verbindungen werden durch das Verbinden verformbarer Metallstrukturen hergestellt, die mikroskopisch kleine Metallkontaktpunkte oder -rauhigkeiten (sogenannte „A-Punkte“) erzeugen, durch die der Strom fließt. Anzahl und Lage dieser A-Punkte werden durch die Oberflächenbeschaffenheit, die Kontaktgeometrie, die Festigkeit des Metalls und die beim Verbinden der beiden Teile aufgebrachte Kraft bestimmt.
Sobald diese metallischen Brücken ausgebildet sind, besteht das Ziel darin, die Faktoren zu reduzieren und/oder zu stabilisieren, die den Stromfluss zwischen den Punkten A verringern. Der gesamte Kontaktwiderstand ist die Summe dreier Widerstandsarten:
Rt = Rb + Rc + Rf,
wobei
Rt = gesamter Kontaktwiderstand,
Rb = Bruttowiderstand (verursacht durch die Metallurgie der Kontaktelemente),
Rc = Schrumpfungswiderstand (verursacht durch Größe, Anzahl und Verteilung der Punkte A) und
Rf = Hautwiderstand (verursacht durch die Bildung von Oxiden, Wasserdampf und anderen Filmbarrieren).
Abbildung 1: Kontaktwiderstandsdiagramm. Quelle: ITT Cannon
Der Metallfilm ist die wichtigste Widerstandsgröße. Alle Metalle bilden Metallfilme, deren Dicke von „dünn“ oder „normal“ bei Metallen wie Kupfer, Aluminium, Eisen und Nickel bis hin zu „dick“ bei gealterten Metallen reichen kann. Je dicker der Film, desto höher der Stromwiderstand und desto niedriger und instabiler die Hertzsche Kontaktspannung. Die Lösung besteht nicht einfach darin, die Kraft zu erhöhen, die die beiden Metallteile verbindet, was zu Materialermüdung und Versagen des Steckverbinders führen kann, sondern vielmehr in der Verbesserung der Kontaktkonstruktion. Um optimale und stabile Hertzsche Kontaktspannungen und eine gute Steckverbinderleistung zu erzielen, ist ein idealer Steckverbinder nicht mit flachen, sondern mit konvexen Oberflächen ausgestattet. Die Abbildung unten zeigt den typischen Unterschied zwischen zwei Kontaktkonstruktionen. Wird die Normalkraft – also die Kraft, die die beiden Metallteile in entgegengesetzte Richtungen zusammendrückt – auf diese beiden Steckverbinder angewendet, ist die Hertzsche Kontaktspannung im rechten Steckverbinder höher. Diese Abbildung zeigt, dass die gängige Praxis, die Kontaktleistung anhand der Normalkraft abzuschätzen, fehlerhaft ist. Der konvexe Steckverbinder rechts bietet eine höhere Zuverlässigkeit, da die Normalkräfte über eine kleinere Fläche wirken. Das bedeutet, dass pro Flächeneinheit mehr Kraft zur Verfügung steht, um die durch einen stabilen Kontaktwiderstand bedingte Barriere – die Kontaktfilme – zu durchdringen.
Ist der Film jedoch zu dick, wie es bei gealterten Metallen der Fall ist, kann durch Krafteinwirkung auf zwei statische Metallteile kein Kontaktpunkt A gebildet und kein Strom fließen. In solchen Fällen besteht die Lösung in einem „Gleiten“ des Kontakts, wodurch Bewegung in den Prozess eingebracht wird.
Dieses „Gleiten“ beschreibt die Wirkung eines sich bewegenden Kontakts relativ zu einem statischen, um Filme und Ablagerungen zu entfernen, bis ein stabiler Kontaktwiderstand erreicht ist. Dies ist nicht einfach. Reicht die Bewegung oder die Kraft nicht aus, kann der Film nicht durchdrungen werden. Ist die Bewegung des Kontakts, die den Film abträgt, hingegen zu groß, entstehen neue Ablagerungen, die den Kontaktwiderstand erhöhen.
Abbildung 2: Die gängige Praxis, die Normalkraft als Indikator für die Kontaktleistung zu verwenden, ist falsch. Quelle: ITT Cannon
Die IBM-Studie stellt fest: „Die Geometrien, die die maximale Kontaktkraft erzeugen, bieten gleichzeitig die kleinste Kontaktfläche. Ist die Kraft pro Flächeneinheit groß genug, um die Folie zu durchdringen und die Ablagerungen zu entfernen, gleitet der Kontakt nicht auf der Folie entlang, und der Kontaktwiderstand bleibt erhalten. Entscheidend ist also die Hertzsche Kontaktkraft, die für die Bildung von Rauheitsspitzen am Ende des Hubs und die Fähigkeit des Kontakts, den Kontakt während der Bewegung aufrechtzuerhalten, verantwortlich ist.“
Die IBM-Studie, die die enorme Bedeutung der Hertzschen Kontaktkraft belegt, wurde in Zusammenarbeit mit auf Steckverbinder spezialisierten Ingenieuren von ITT durchgeführt. Basierend auf den Ergebnissen überarbeiteten die ITT-Ingenieure zahlreiche Steckverbinderlinien, um eine hohe Hertzsche Kontaktkraft zu erzielen. Das aktuelle Produktsortiment von ITT umfasst Steckverbinder der Marke ITT Cannon, die sich in einer Vielzahl von Anwendungen durch hohe Hertzsche Kontaktkraft bewährt haben. Die meisten dieser ITT Cannon-Steckverbinder sind in Europa über Powell Electronics erhältlich. Sie basieren auf dem ITT Cannon Universal Contact, dessen Kontaktfläche die idealen Designvorgaben für eine hohe Hertzsche Kontaktkraft erfüllt. Die konvexe Form bietet zahlreiche weitere Vorteile, wie z. B. eine Kraft von 0,3 N bei nur 0,1 mm Auslenkung und XYZ-Bewegung, wodurch eine robuste Verbindung zwischen Kontakt und Bauteil gewährleistet wird.
Kunden in vielen verschiedenen Märkten, darunter tragbare medizinische Geräte, Smartphones, Rauchmelder, Alarmanlagen, Militärfunkgeräte, Speicherkarten und GPS-Geräte, vertrauen auf den ITT Cannon Universalkontakt, um ihre funktionalen Anforderungen zu erfüllen. Sie sind sich sicher, dass seine hohe Kontaktkraft zuverlässige Leistung gewährleistet.
ITT bietet weitere Steckverbinder mit hoher Kontaktkraft an, wie beispielsweise die ITT Cannon QLC-Serie (Quad Lock Connect). Diese deckt vielfältige Anforderungen in der Medizintechnik, Industrie und Messtechnik ab, darunter tragbare Ultraschallgeräte, Patientenüberwachungssysteme, Endoskope und Testgeräte sowie Anlagen zur Halbleiterfertigung.
Ähnlich wie die Steckverbinder der DL-Serie ist der QLC-Steckverbinder äußerst zuverlässig und verfügt über eine hohe Pin-Anzahl: bis zu 260 Kontakte für die Montage auf Leiterplatten. Dank technologischer Fortschritte bei kleinen, tragbaren Bildgebungsgeräten konnte ITT den Standard-DL-Pin-Abstand auf 0,8 mm reduzieren und so die Gesamtgröße um mehr als 60 Prozent verringern, ohne die Pin-Anzahl zu verändern.
Die hohe Pin-Anzahl ermöglicht es Ingenieuren, verschiedene Erdungsmethoden zur Sicherstellung der Signalintegrität einzusetzen. Die QLC-Steckverbinderschnittstelle nutzt EMI-Federn und einen Schirmverriegelungsmechanismus, um einen gleichmäßigen Kontaktdruck entlang des gesamten Steckverbinderumfangs zu gewährleisten und so eine effektive EMI/RFI-Abschirmung zu erzielen. Die hohe Hertz-Kontaktkraft wird durch ein überlegenes Nockensystem erreicht, das das Kontaktsystem an die jeweilige Steckposition anpasst. Indem die Hertz-Kontaktkraft als grundlegender Designparameter genutzt wird, stellen die Produktentwickler und Ingenieure von ITT sicher, dass die Zuverlässigkeit der Steckverbinder ihrer Funktionalität entspricht. ITT-Steckverbinder sind für optimale Leistung beim Kunden ausgelegt und garantieren Ausfallsicherheit.
Die Hertz-Kontaktkraft ist der beste Indikator für die zukünftige Leistungsfähigkeit eines Steckverbinders. Unternehmen, die Geräte mit Steckverbindern verwenden, entwickeln oder vertreiben, sollten diese Komponenten hinsichtlich ihrer Fähigkeit zur Bereitstellung einer optimalen und konstanten Hertz-Kontaktkraft bewerten.
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Autor: David Camison Tornavacas ist der Vertreter von Powell Electronics in Spanien - https://powell-europe.com/
