Sie sind hier : Startseite →  Hifi Wissen und Technik→  (3) Bauteile / Komponenten→  Technik der Steckverbinder→  Steckverbinder II Anforderungen

FUNK-Technik • Nr. 4/1979 • Steckverbinder • Teil2
von Ing. (grad.) Hans-Peter Rottmann, Altbach

Ing. (grad.) Hans-Peter Rottmann arbeitet bei der Firma Richard Hirschmann •  Radiotechnisches Werk • Abteilungsleiter des Technischen Büros für Steckverbinder.

Anforderungen an NF-Steckverbinder für die Bereiche Funktechnik, Nachrichtentechnik und Elektronik (2 von 3)

ein edler Sony Vollverstärker

Steckverbinder haben die Aufgabe, elektrische Leiter und Anschlüsse schnell und trotzdem sicher zu verbinden oder zu trennen. Obwohl diese Bauelemente meist sehr robust sind, erfordert ihre Anwendung und das Verbinden mit den dazugehörenden Leitern doch ein gehörig Maß an Sachkenntnis.

Wer weiß schon auf Anhieb, warum reines Nickel nur bedingt als Material für Kontaktoberflächen in Frage kommt! So kann es leicht zu einem Fehlgriff führen, wenn man statt des richtigen - irgendeinen Steckverbinder aus der breiten Produktpalette der Hersteller auswählt.

Dabei ist es gar nicht so schwierig, die richtige Wahl zu treffen, wie der Autor in diesem Beitrag darlegt. Systematisch beschreibt er zunächst physikalisch Grundsätzliches, dann Kontaktelemente und Kontaktträger und schließlich noch die Anschlußtechnik.

Werkstoffe für Kontaktelemente

Wirewrap mit festen Drähten im japanischen Receiver
Neuzustand vergoldet und verzinnt
Saba 600SH Kopfträger Kontakte
ASC 6000 Kopfträger Kontakte

Von den Metallen sind Kupfer und Kupferlegierungen die maßgebenden Werkstoffe für elektrische Leiter und Kontaktelemente, weil zum einen die elektrische Leitfähigkeit gut ist und zum andern das wirtschaftliche Herstellen der Metalle und Halbzeuge und ihre guten Verarbeitungsmöglichkeiten sowie ihre technologischen Eigenschaften das Anforderungsfeld am besten abdecken.

Wichtige Auswahlkriterien für die Kontaktelemente und ihre Werkstoffe sind elektrische, mechanische, thermische und chemische Belastungen. Je nach Anforderung müssen hier die Eigenschaften der Legierungen berücksichtigt werden. Grundsätzlich gilt, daß das Stift- und Buchsenelement nicht aus der gleichen Legierung sein muß (oder darf?). Ausgenommen sind Spezialsteckverbinder, die zum Beispiel in empfindliche Meßstromkreise eingebaut werden sollen, in denen schon Thermoströme stören.

Bei ungefederten Steckerstiften gibt es kaum Probleme: Man kann für sie meist die preiswerten Cu-Zn-Legierungen (Messing) mit ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit verwenden (Tabelle 4). Tritt allerdings durch die Stiftgestaltung beim Fertigungsprozeß eine starke Verformung ein, muß man das in Hinsicht auf die verschiedenen Anwendungsgebiete beachten, weil die Gefahr der Spannungsriß-Korrosion besteht.

Gleiches gilt für Stifte, bei denen der Leitungsanschluß durch Quetschen oder Crimpen mit ebenfalls starker Verformung erfolgt. Die beim Fertigungsprozeß erzeugte Spannung im Material läßt sich eventuell durch Tempern eliminieren. Wenn dies nicht möglich ist und mit dem Einfluß von Korrosionsmedien zu rechnen ist, muß man in den genannten Fällen eine Legierung mit mindestens 85 % Cu nehmen.

Spannungsriß-Korrosion

ein ähnliches Problem bei Lötstellen

Die Spannungsriß-Korrosion wird ausgelöst durch aggressive gasartige Ammoniakanteile in der Atmosphäre. So ist es schon zu Ausfällen gekommen, weil in Fußbodenkanälen befindliche Steckverbinder von Ammoniakanteilen in der Luft, die von Bodenreinigungsmitteln herrührten, angegriffen wurden. Man beachte, daß in vielen Putzmitteln Ammoniak enthalten ist. Auch stark mit Rauch und Abgasen angereicherte Atmosphären sind sehr problematisch. Schließlich ist bei galvanischen Bädern und Überzügen zu beachten, daß sie korrosionsmittelfrei sind.

Die Materialauswahl

Für die federnden Kontaktbuchsen, insbesondere denen mit Eigenfederung, ist die den jeweiligen Anforderungen entsprechende Materialauswahl eine Aufgabe, die technische Erfahrung und besondere Sorgfalt erfordert. Viele Varianten sind möglich und Kompromisse müssen eingegangen werden.

So ist es bei sehr kleinen Abmessungen, kurzen Federlängen und zugleich toleranzmäßig bedingten großen Federwegen nicht zu umgehen, eine Fremdfederung einzusetzen oder eine Legierung mit hochwertigen Federungseigenschaften zu verwenden. Kann man aber aus Platz- oder Kostengründen für eine Messingfeder mit gutem elektrischen Leitwert keine Fremdfederung einsetzen, ist Zinn- oder Berylliumbronze mit hoher Federungsbiegegrenze erforderlich, man muß aber dafür einen geringeren elektrischen Leitwert in Kauf nehmen. Siehe hierzu die Vergleichswerte in Tabelle 4.

Tabelle 4. Werkstoffwerte der wichtigsten Federbänder für Federkontakte
Dieser extrem teure Luft und Wasser dichte hochpolige Militär- Steckverbinder mit dick hartvergoldeten Stiften kostete mehr als ein ganzer kleiner japanischer Receiver


Bei vielen Anwendungen ist jedoch der Durchgangs-widerstand der Kontaktelemente im Verhältnis zum Gesamtwiderstand der Leitungsführung so gering, daß er vernachlässigbar ist. Hier kommt es nicht so sehr auf den Wert des Durchgangswiderstandes an, sondern mehr auf seine Stabilität, weil die Konstanz des Strom- oder Spannungspegels das ausschlaggebende Kriterium ist.

Eine wesentliche Rolle spielt dabei das Schutzmetall, mit dem die kontaktgebenden Flächen belegt sind; an anderer Stelle wird darauf noch eingegangen. Bei Buchsen-Kontaktelementen, vorzugsweise mit Eigenfederung, kommt der schon zuvor erwähnten Spannungsriß-Korrosion noch mehr Bedeutung zu, weil die Kontaktelemente im gesteckten Zustand einer ständigen Federspannung unterliegen. Treten hohe Temperaturen auf, muß man außerdem berücksichtigen, daß bereits ab 90 °C die Festigkeit fast aller Kupferlegierungen nachläßt.

Dann werden die Feder- und Kontaktkraft schwächer, und alle davon abhängigen Parameter werden schlechter. Für hohe Temperaturbelastung muß man deshalb eine Fremdfederung mit entsprechenden Federn oder teuere Legierungen, wie Berylliumbronze verwenden, was aber den Preis wesentlich erhöht. Auch ein Vergrößern der leitenden Querschnitte - das bringt eine bessere Wärmeableitung - ist hilfreich, kann aber in der Konstruktion oftmals aus Platz- und auch aus Preisgründen nicht generell berücksichtigt werden.

Werkstoffe für Kontaktoberflächen

vergoldete Schleifkontakt- flächen in der Revox A77
die Gegenstücke, die Kontakt-Schleifer
verzinnte Steckkontakte auch in der Revox A77

Die für Kontaktelemente verwendeten Werkstoffe werden leider atmosphärisch angegriffen:

Vor allem kommt es zu Oxydation und Korrosion und die dabei entstehenden Schichten beeinträchtigen wie bereits schon beschrieben, den Stromdurchgang und können ihn sogar ganz unterbinden.

Bei den verhältnismäßig kleinen Abmessungen und den teilweise hohen Polzahlen ist es Steckverbindern der Elektronik praktisch nicht möglich, durch Kontaktkraft und Reibung diese Schichten generell und dauerhaft zu zerstören oder zu verdrängen, weil wie bereits dargelegt, die dazu erforderlichen Kräfte, die Steckarbeit letztlich unmöglich machen würden und von den Miniaturkontaktfedern auch nicht aufzubringen sind.

Außerdem sind in der Elektronik zumeist nur sehr kleine Spannungen gegeben, so daß bei dickeren Anlaufschichten auch kein Stromfluß durch Fritten entsteht. Darum ist es erforderlich, die Kontaktelemente gerade an der kontaktgebenden Stelle mit Schutzschichten aus weitgehendst korrosionsbeständigen Metallen mit guter elektrischer Leitfähigkeit zu versehen.

Im Nachfolgenden werden die auf das Grundmetall des Kontaktelementes aufgebrachten Metalle Kontaktmetall genannt.

Zinn, Silber, Gold und Palladium

Eine sehr teure 60 Ampere Steckbuchse eines EDV Netzteils

Die wichtigsten in der Elektronik verwendeten Kontaktmetalle für Steckverbinder sind Zinn, Silber, Gold und Palladium. Diese Kontaktmetalle werden auch legiert, um spezifische Verbesserungen etwa beim Korrosionsverhalten oder härteabhängigen Abrieb zu erzielen.


Beim Bestimmen des technisch wie wirtschaftlich optimalen Kontaktmetalles für einen Steckverbinder spielen viele Faktoren eine Rolle und es müssen Kompromisse eingegangen werden, damit auch ohne Sondertypen ein möglichst breites Anwendungsgebiet abzudecken ist. Wichtige Werte von Oberflächen-Kontaktmetallen zeigt Tabelle 5.

Tabelle 5. Für Oberflächen-Kontaktmetalle wichtige Kennwerte

Kupfer

massive Rein-Kupferschiene

Kupfer ist in der Tabelle in erster Linie zu Vergleichszwecken aufgeführt, wird aber auch bei galvanisch aufgetragenen Schichten wegen seiner sehr guten Haftung als Haftgrund verwendet. Zum anderen dient es auch als Diffusionssperre, um zu verhindern, daß Anteile des Grundmetalls in das Kontaktmetall diffundieren. Sind auf Messing Zinnoberflächen aufgebracht, verhindert es zum Beispiel, daß Zink in die Zinnschicht einwandert und dadurch schlechte bis unbrauchbare Lötanschlüsse entstehen.

Nickel

aufwendiger XLR Stecker

Nickel kommt als reine Kontaktoberfläche nur für größere elektrische Spannungen und Kontaktkräfte in Betracht. Es ist zwar hart und abriebfest, doch sind die entstehenden Nickeloxidschichten auch von großer Härte, so daß sie entweder durch den spannungsabhängigen Frittungseffekt überwunden oder durch große Reib- und Quetschkräfte beim Steckvorgang zerstört werden müssen. Somit scheidet Nickel für den Elektronikbereich als Kontaktmetall weitgehend aus.

Als Untergrund für Goldoberflächen ist es jedoch sehr gut. Das Grundmetall läßt sich mit ihm recht porenfrei und zugleich glättend abdecken; somit ist es für die Legierungsanteile des Grundmetalles eine gute Diffusionssperre. Je nach Anwendungsgebiet und Steckhäufigkeit sind dann schon verhältnismäßig dünne und nicht ganz porenfreie Goldoberflächen ausreichend.

Die Härte des Nickels unterbindet auch den sogenannten „Harscheffekt", der bei der Schleif- und Durckbeanspruchung von Gold auf weicherem Silber als Grundmetall auftritt.

Weil hier das Silber unter der dünnen harten Goldauflage nachgibt, entstehen Risse im Gold, vergleichbar denen, die beim Belasten von einer verharschten Schneedecke zu beobachten sind. Außerdem verwendet man Nickel auch als Diffusionssperre bei Zinnoberflächen auf Messing, um die Lötbarkeit zu erhalten. Für Steckkontaktteile wird Nickel galvanisch ganzflächig und bei Federbändern ganzflächig oder selektiv aufgebracht.

Zinn

verzinnte Enden der Buchsenleiste

Zinn ist sehr weich; dadurch ist zwar einerseits Reibkraft und Abrieb groß, andererseits werden dadurch die Oxyd- und Korrosionsschichten sehr leicht aufgerissen und es kommt zu großen metallischen und quasimetallischen Berührungsflächen. Insoweit die Steckhäufigkeit nicht zu groß ist und die Polzahlen keine zu hohe Steckkräfte ergeben, wird Zinn heute bei vielen Elektronik-Steckverbindern erfolgreich angewendet.

Bei nicht allzu hoher Gefahr von Korrosion und Oxydation wird es als Goldersatz verwendet. Ein weiterer Vorteil ist seine gute Lötbarkeit, insbesondere bei Lötspießanschlüssen in gedruckten Schaltungen. Auf Messingkontakten ist als Diffussionssperre Kupfer oder Nickel aufzubringen! Zinn wird galvanisch ganzflächig aufgebracht, bei Federbändern ganzflächig oder selektiv. Außerdem werden ganzflächig feuerverzinnte Federbänder hergestellt.

Silber

extrem preiswerte Schüttware
es läßt sich mit diesem System jede beliebige Kontaktzahl realisieren

Silber zeichnet sich durch die beste elektrische Leitfähigkeit der aufgeführten Kontaktmetalle aus. Leider neigt es, wie schon erwähnt, sehr leicht zur Sulfidbildung durch schwefelhaltige Bestandteile der Industrieluft, wie H2S und S02.

Hohe Temperaturen und Feuchtigkeit verstärken das Sulfidwachstum noch. Auch Gummiteile geben Schwefel ab, was besonders bei Gummileitungen, gummihaltigen Isolierkörpern und Dichtungen, Tüllen usw. zu beachten ist; das gilt auch für die Lagerhaltung.

Bei Montagearbeiten muß man wissen, daß auch Handschweiß und Schweißausdünstung eine Sulfidbildung verursachen. Abhilfe ist durch Handschuhe, besondere Kleidung oder gute Belüftung möglich. Durch chemische und galvanische Verfahren lassen sich Passivierungsschichten auftragen, die das Anlaufen aber nur mehr oder weniger lang verhindern können und auch zum Teil die Lötbarkeit der Anschlüsse beeinträchtigen.

Darum wird als Anlaufschutz und Löthilfe sehr oft eine Hauchvergoldung aufgebracht. Die Sulfidbildung ist an den Lötanschlüssen viel störender als an den Kontaktstellen, weil sie das einwandfreie Löten vor allem in gedruckten Schaltungen erschwert oder sogar unterbindet.

Wenn keine allzuschlechten Umgebungsbedingungen herrschen, läßt sich kontaktseitig die nicht sehr harte Sulfidschicht durch eine hohe Kontaktkraft - die sich allerdings wieder auf die Baugröße und Polzahl auswirkt - zerreiben und aufreißen. Silbersulfid ist ein Halbleiter und führt deshalb bei höheren Spannungen leichter zu Strombrücken als die Anlaufschichten anderer Metalle. Für Steckkontaktteile wird Silber hauptsächlich galvanisch ganzflächig aufgebracht; bei Feder- und Kontaktteilebändern ganzflächig oder selektiv.

Palladium

Palladium, Palladiumlegierungen und solche mit Hauchgoldüberzügen haben, wie eingehende Untersuchungen von Kontaktmetall-Herstellern beweisen, hervorragende Eigenschaften bezüglich Anlaufen, Korrosionsbeständigkeit und Abrieb. Die Verfahren zum Herstellen galvanischer riß- und porenfreier Palladiumschichten wurden so verbessert, daß sie in zunehmendem Maße auch wegen des viel günstigeren Preises als Goldersatz verwendet werden.

Man muß jedoch beachten, daß Palladium, wie alle Platinmetalle, katalytische Eigenschaften hat; es kann organische Dämpfe unter anderem auch Kunststoffdämpfe polymerisieren. Das führt vor allem in abgeschlossenen Geräten mit ungünstigem „Kleinklima" zu isolierenden Deckschichten auf den Kontaktflächen (Brown-Powder-Effekt).

Besonders bei Isolierteilen aus Polystyrol oder PVC muß dies beachtet werden. Palladium wird galvanisch ganzflächig aufgebracht, auf Federbänder und Stanzteilebänder ganzflächig oder selektiv. Federbänder werden auch selektiv walzplattiert.

Gold

alle Teile sind hauchvergoldet
auch die teuren Büschelstecker
hochwertige Cinch-Einbau-Buchsen

Reines Gold ist beständig gegen alle aggressiven Medien in der Atmosphäre. In reiner Form wird es jedoch kaum aufgebracht, weil es sonst zu weich ist und sehr schnell abgerieben wird. Härtere Oberflächen erhält man durch das Legieren mit Silber und Kupfer.

Hochkarätige Legierungen bilden keine Anlaufschichten; wichtig ist jedoch eine gute und harte Zwischenschicht wie Nickel. Auf diese Probleme wurde bereits in den Abschnitten Nickel und Silber hingewiesen.

Die Porenfreiheit der Goldschicht hängt von ihrer Schichtdicke und von einer möglichst glatten, das Grundmetall porenfrei abdeckenden Zwischenschicht ab. Wegen der Goldeinsparung sollte das besonders beachtet werden. Welche Schichtdicke bezüglich Restporigkeit und Abrieb zu wählen ist, hängt von dem Aufbringungsverfahren und den Anforderungen ab.

Eine diesbezügliche Aussprache und Beratung zwischen Hersteller und Anwender ist hier immer zum Vermeiden unnötiger Kosten zu empfehlen. Eine Hauchvergoldung von 0,2um bis 0,3um dient nur als Anlaufschutz und Löthilfe.

Gold für Steckkontakte wird hauptsächlich durch galvanische Verfahren sowie durch Vakuumverdampfen und Walzplattieren aufgebracht. Federbänder sind auf die gleiche Weise selektiv zu beschichten. Bei Stanzteilebändern ist zum selektiven Beschichten ein galvanisches Verfahren auch sehr vorteilhaft. Gold kann man auch durch eine Maskenabdeckung punktuell galvanisch aufbringen, und schließlich werden Goldkügelchen oder -plättchen in Spezialmaschinen auch im Ablauf der Federherstellung auf die Kontaktstelle aufgeschweißt.

Rhodium

Rhodium ist das teuerste der aufgeführten Kontaktmetalle. Wegen seiner großen Härte wird es für besonders abriebfeste Oberflächen bei Spezialanforderungen verwendet. Als Deckschicht, mit einer besseren Gleitfähigkeit, dient manchmal noch eine Hauchvergoldung. Auch Rhodium muß man auf Zwischenschichten wie Nickel, Silber und auch Gold auftragen, wobei einige Auswahlregeln bezüglich der Anwendung zu beachten sind. Hier ist eine Beratung ebenfalls zu empfehlen.

Das Betrachten der wesentlichen physikalischen und technischen Gesichtspunkte beim Stromdurchgang im Steckkontaktbereich und die Gestaltung und Materialsuswahl der Kontaktelemente ist mit diesem Kapitel abgeschlossen.

Einige Erläuterungen hinsichtlich Aufgabe, Material und Ausführung der Kontakträger seien zur Vervollständigung des Themas noch im nachfolgenden Text gegeben, in dem Kunststoffe beschrieben werden, deren wesentliche Aufgabe das Isolieren der stromführenden Elemente untereinander ist.

Die Kontaktträger

Kontakte vergoldet
und Anschlüsse verzinnt

Neben den Kontaktelementen eines Steckverbinders haben die Kontaktträger die wichtigste Aufgabe zu erfüllen. Sie müssen die Stift- und Buchsenkontakte aufnehmen, sie mechanisch halten und führen und zugleich untereinander elektrisch isolieren.

Die elektrischen und mechanischen Eigenschaften sind dabei von den gleichen Einflüssen abhängig, die für die Kontaktelemente gelten. Man muß aber auch beachten, daß die Kontaktelemente den Kontaktträger zusätzlich beanspruchen, zum Beispiel durch Steckkräfte oder Stromerwärmungen. Die hauptsächlichen Einflüsse sind: Hitze, Kälte, Feuchtigkeiten, Staub, Stöße, Schwingungen, chemische Gase und Dämpfe, sowie atmosphärischer Druck (Bild 12).

Elektrische Eigenschaften

Bild 12. Ein Steckverbinder wird auf dem Rüttler geprüft

Bei der Auswahl des Kunststoffes müssen besonders die Isolationseigenschaften beachtet und an Proben sowie später am Teil selbst geprüft werden, da sie für die elektrische Sicherheit maßgebend sind. Man mißt und prüft dabei die Kriechstromfestigkeit, den Isolationswiderstand und die Spannungsfestigkeit, wobei nach Kriterien vorgegangen wird, die in Normen festgelegt sind oder von speziellen Anforderungen des Anwendungsgebietes herrühren.

Wenn nicht bereits in der Bauteilevorschrift oder -norm angegeben, sind für die Bemessung der zur ausreichenden Isolation erforderlichen Luft-und Kriechstrecken generell die Vorschriften nach VDE 0110 zu erfüllen, die auf physikalischen Grenzwerten beruhen. Die Luft- und Kriechstrecken sind jeweils der Spannung, einer dem Einsatzgebiet (Einsatzort) entsprechenden Isolationsgruppe und der Kriechstromfestigkeit des Isoliermaterials zugeordnet.

Luftstrecken

Die Luftstrecken sind nicht vom Isoliermaterial abhängig, sondern beziehen sich auf die kürzest zulässigen Abstände (Luftstrecken) zwischen spannungsführenden Teilen oder auf die Abstände die solche Teile gegenüber auf „Erde" liegenden Teilen und Berührungsflächen haben. Die Kriechstrecken hingegen sind Isoliermaterialspezifisch und beziehen sich auf die kürzest zulässigen Abstände, gemessen über die Oberfläche des Isolierteiles.

Außer den maßgebenden 15 Normspannungswerten für Wechsel- und Gleichspannung von 12V~/ 15V- bis 10kV~ /12kV - sieht VDE 0110 fünf Isolationsgruppen vor, deren jeweilige Einsatzgebiete oder -orte vom gepflegten, staubfreien, klimatisierten Raum bis hin zum rauhen Betrieb an Bahnfahrzeugen gehen, in welchem metallischer Bremsstaub auftritt und ein Schutz gegen die Witterung fehlt. Je höher Spannung und Isolationsgruppe, um so größer die Kriechstrecken (Tabelle 6. in VDE 0110)

Kriechstrecken

Bild 13. Gerät zum Bestimmen und Prüfen der Kriechstromfestigkeit nach DIN 53480 VDE 303 Teil 1
Bild 14. Kriech- und Luftstrecken zwischen den Kontaktelementen und den Berührungsflächen

Die Kriechstromfestigkeit des Isolierstoffes wird nach einem in DIN 53480 VDE 303 Teil 1 festgelegten Verfahren „KB" bestimmt. Danach werden zwischen zwei Elektroden, die im Abstand von 4mm auf die Oberfläche des Prüfteiles aufgesetzt sind, 50 Tropfen einer bestimmten elektrisch leitenden Flüssigkeit gegeben.

Mit Wiederholversuchen wird dann festgestellt, welche höchste Wechselspannung während 50 Auftropfungen noch keinen Kriechstrom verursacht (Bild 13). Entsprechend dem Ergebnis wird der Isolierstoff einer der drei Spannungsgruppen nach VDE 0110 Tabelle 3 zugeordnet, die mitbestimmend ist für den Mindestwert der Kriechstrecke.

Dem besseren Kriechstrom-Verhalten ist eine kürzere Kriechstrecke zugeordnet. Wenn Isolierstrecken entlang der ebenen Oberfläche eines Isolierteiles zu kurz sind, kann man sie, soweit dies möglich ist, durch Rippen, Erhebungen, Rillen und Einsekungen vergrößern; dabei dürfen aber vorgeschriebene Mindestwerte nicht unterschritten werden (VDE 0110 Anhang).

Den Verlauf von Luft- und Kriechstrecken zwischen Kontaktelementen, berührbaren Flächen und metallischen und nichtmetallischen Gehäusen von Steckverbindern zeigt Bild 14. Dort ist zum Teil dargestellt, wie man durch zusätzliche Rippen oder Vertiefungen die wirksamen Strecken vergrößern kann.

Die in VDE 0110 angegebenen Luft- und Kriechstrecken gelten nur bis zu einer Höhe von 2000 m, weil nach der Regel von Paschen bei abnehmendem Druck, ab einem bestimmten Wert der Überschlag in Luft und Gasen früher erfolgt.

Bei genormten Steckverbindern sind im Prüfplan die Werte für den Isolationswiderstand und die Spannungsfestigkeit angegeben und auf die entsprechenden Meß- und Prüfverfahren für elektrischmechanische Bauelemente nach DIN 41640 hingewiesen. Nicht genormte Steckverbinder werden meistens entsprechend dieser Norm behandelt oder sind nach VDE 0110 zu bemessen und zu prüfen.

Wichtig ist, daß der Hersteller von Steckverbindern die Nennwerte für Strom und Spannung und gegebenenfalls noch andere, für das richtige und sichere Anwenden erforderliche Daten, in seinen Verkaufsunterlagen angibt.

Mechanische Eigenschaften

Bild 15. Prüfung „trockene Hitze" im Wärmeschrank
Bild 16. Vereister Steckverbinder im Klimaprüfschrank

Die mechanischen Eigenschaften der Kontaktträger werden auch weitgehend vom verwendeten Kunststoff und den Umgebungseinflüssen bestimmt, denn Kunststoffe, insbesondere die Thermoplaste, sind in ihrer mechanischen Festigkeit stark temperaturabhängig.

Kälte führt meist zu Sprödigkeit und Wärme zur Entfestigung. Dem temperaturabhängigen Verhalten von Zug-, Biege-, Schlag- und Kerbschlagfestigkeit muß somit besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Die Langzeitstabilität und das Altern durch andauerndes Einwirken von Wärme, das Verspröden und die Rißbildung wegen UV-Strahlung sowie das Kriechverhalten sind ebenso wichtige Faktoren (Bild 15 und 16).

Das Brandverhalten

In letzter Zeit ist das Brandverhalten von Kunststoffen nach der „Prüfung UL-Standard 94" der amerikanischen Un-derwriters' Laboratories, eine öfters gestellte Forderung für Erzeugnisse, die nach den USA exportiert werden sollen. Dabei kann man sich manchmal nicht des Eindrucks erwehren, daß hinter diesen Forderungen teilweise handelshemmende Gründe verborgen sind.

Es ist nämlich so, daß bei den heutigen Kunststoffen gute Flammwidrigkeit nach UL 94 und gute Kriechstromfestigkeit sich gegenseitig ausschließen. Oftmals werden aber auch von den Kunden aus Unwissenheit hohe Forderungen gestellt: Dann wird oft eine gute Flammwidrigkeit nach UL 94 gefordrt, wobei ein UL 94-geprüfter Kunststoff viel niedrigerer Klassifizierung, der auch etwas brennen darf, ausreichend wäre.

Hier lohnt es sich genau zu ermitteln, was den Amerikanern unter sich genügt. Nach VDE 0304 Teil 3 kann die Flammwidrigkeit von Kunststoffen auch geprüft werden. Wenn notwendig, wird diese Prüfung in den gerätebezogenen VDE-Vorschriften gefordert. In Vorschriften und Normen für Steckverbinder der Nachrichtentechnik und Elektronik ist eine diesbezügliche Prüfung jedoch nicht bekannt.

Chemische Beständigkeit

Bild 17. Rezipient, in dem Teile aggressiven Dämpfen ausgesetzt werden
Bild 18. Drehvorrichtung zum Prüfen der Bruchfestigkeit von Teilen durch einen Dauer-Falltest

Nicht zuletzt muß man auf die chemische Beständigkeit gegen Medien, die eventuell auf das Teil einwirken können, achten, besonders dann, wenn der Kontaktträger zugleich Teil des Gehäuses ist.

Löt- und Flußmittel, Reinigungsmittel und in einigen Fällen noch Öle, Kraftstoffe, agressive Gase und Dämpfe sind hier wichtige Faktoren, die beachtet werden müssen.

Bild 17 zeigt wie Teile in einem Rezipienten agressiven Dämpfen ausgesetzt werden.

Prüfungen

Die Prüfverfahren, mit denen die Teile auf ihre Beanspruchungen geprüft werden können, sind nahezu vollständig in der Norm „Meß- und Prüfverfahren für elektrisch-mechanische Bauelelemente DIN 41640" zusammengetragen.

Sie entspricht inhaltlich der IEC-Publication 512-1 und wird den Abschnitt 4 in DIN 41 630 ersetzen. Wenn die Teile in Geräten und Anlagen verwendet werden, die einer VDE-Vorschrift, Luftfahrtnorm (LN) oder Verteidigungsgerätenorm (VG) entsprechen müssen, sind sie den jeweiligen Prüfungen zu unterziehen, sofern sie davon betroffen sind (Bild 18).

Prüfungen geben eine Aussage, wie sich ein Bauteil unter bestimmten, jederzeit reproduzierbaren Einwirkungen verhält und welche Anforderungen es danach noch oder nicht mehr erfüllen kann. Es muß aber immer wieder mit Nachdruck darauf hingewiesen werden, daß man aus diesen Ergebnissen nicht uneingeschränkt auf das Verhalten unter den natürlichen, in der Praxis gegebenen Umwelteinflüssen, schließen darf, insbesondere dann nicht, wenn diese über Jahre hinweg einwirken.

Prüfungen können die dortigen Gegebenheiten nicht nachbilden. In manchen Fällen beanspruchen sie das Teil mehr, in anderen Fällen vielleicht weniger als in der Praxis.

Was ist eine Freibewitterung ?

Eine Freibewitterung, die möglicherweise über Jahre hinweg einwirkt, kann durch eine zeitlich begrenzte thermische Alterungsprüfung mit nachfolgenden weiteren Einzelprüfungen, wie Hitze-, Kälte-, Feuchtigkeits-Test oder UV-Einstrahlung eben nie vollständig erfaßt werden.

Denn alle Kriterien wird man entweder nicht kennen, nicht feststellen oder nicht nachbilden können. Mitunter ist es also schwierig, bei all den vielen Faktoren, die berücksichtigt werden müssen, einen geeigneten Kunststoff für Kontaktträger und Gehäuse auszusuchen. Hinzu kommen ja noch fertigungstechnische Kriterien und wirtschaftliche Gesichtspunkte.

Bei der Vielzahl der modernen Kunststoffe, die zudem noch ständig zunimmt, und den laufenden Verbesserungen an bestehenden Typen mit all ihren Besonderheiten, würde es den Rahmen dieses Beitrages sprengen, wenn man im einzelnen auf diese Werkstoffe eingehen wollte. Darum sind im nachfolgenden nur die Kunststoffgruppen und ihre wesentlichen Eigenschaften aufgeführt, die für Kontaktträger in der Nachrichtentechnik und Elektronik von Bedeutung sind.

Kunststoffe für Kontaktträger

Man unterscheidet bei den Kunststoffen drei Hauptgruppen: die Duroplaste (Duromere), Thermoplaste (Plastomere) und Elaste (Elastomere).

Die Elaste - gummielastische Formmassen - scheiden aus der Betrachtung aus, weil nur ganz besondere Typen im militärischen Bereich und bei der Luft- und Raumfahrt für Spezialkontaktträger verwendet werden und ihre Hauptanwendung sonst allgemein bei elastischen Teilen aller Art ist.

Duroplaste

Die Duroplaste - härtbare Formmassen - bestehen aus Harzen, die je nach gewünschter Eigenschaft mit verschiedenen Füllstoffen, wie Holz- oder Steinmehl, Asbest-, Textil- oder Glasfasern gemischt werden. Unter Wärme und Druck lassen sie sich nur einmal verflüssigen und werden dann in Formen eingepreßt oder eingespritzt und in der heißen Form unter Druck ausgehärtet. Sie durchlaufen dabei einen chemischen Umwandlungsprozeß und sind nicht mehr regenerierbar.

Vorteile

Duroplastteile zeichnen sich besonders durch ihr gutes thermisches Verhalten aus.

Die Obergrenze ihrer Dauergebrauchs-Temperatur liegt je nach Harzart und Füllstoff zwischen 150°C und 260°C. Sie sind sogar „lötbad-tauchfähig" und bei entsprechenden Fertigungsverfahren den meisten Thermoplasten überlegen.

Weitere Vorteile sind: Hohe Steifigkeit, Formstabilität in weiten Temperaturbereichen, gutes elektrisches Isolierverhalten, gute Beständigkeit gegen Öle, Fette und Lösungsmittel, Flammwidrigkeit ohne Zusätze, gute Tropen- und Termitenbeständigkeit und hohe Widerstandsfähigkeit gegen Schimmelwachstum.

Nachteile

Nachteile sind: Verhältnismäßig geringe Bruch-, Schlag- und Kerbschlagzähigkeit, die Teile müssen entgratet werden und lassen sich nicht schweißen (Reibschweißen, Ultraschallschweißen).

Vor einigen Jahren war es zudem noch so, daß sie gegenüber dem kurzzyklischen Spritzgießverfahren der Thermoplaste mit den längeren Arbeitszyklen der Preßverfahren hergestellt wurden.

Inzwischen entwickelte man jedoch Duroplaste, die sich auf entsprechenden Maschinen auch im Spritzgießverfahren verarbeiten lassen und Teilherstellzeiten haben, die mit denen der Thermoplaste vergleichbar sind.

Heute werden 50 % aller Duroplaste im Spritzgießverfahren verarbeitet und sie gewinnen dadurch in vielen Fällen wieder an Bedeutung. Die für Kontaktträger wichtigsten Gruppen der Duroplaste sind: Phenolharze (PF), Harnstoffharze (UF), Melaminharze (MF), Ungesättigte Polyesterharze (UP) und für Spezialteile Polydiallyphthalat (PDAP).

Thermoplaste

Die Thermoplaste werden durch Erwärmen geschmolzen und im Spritzgießverfahren in eine kühlere Form gespritzt, in der sie erkalten und wieder fest werden. Sie erfahren dabei allgemein keine chemische Veränderung und können in bestimmten Grenzen wiederverwendet werden.

Die Gruppen der Thermoplaste sind vielfältiger und unterscheiden sich in ihren Eigenschaften viel mehr als die Duroplaste. Von den über 30 verschiedenen angebotenen Thermoplastsorten sind für Kontaktträger je nach Anwendungsfall nur wenige geeignet.

Die am häufigsten verwendeten sind: Styrol-Butadien-Co-polymere - das ist Polystyrol schlagfest (SB), Polypropylen (PP), Polyamide (PA), Polycarbonat (PC), Lineare Polyester (PETB) und (PBTB), sowie modifiziertes Polyphenylenoxid (PPO).

Die meisten dieser Thermoplaste werden auch mit Füllstoffen angeboten, die teilweise bestimmte mechanische Eigenschaften verbessern und auch zu höherer Temperatur- beständigkeit beitragen können.

Füllstoffe sind: Glasfasern, Glaskugeln, Glasplättchen, Mineralien und Asbest. Die mit Füllstoff angereicherten Thermoplaste sind aber nicht in jedem Falle den normalen Typen überlegen.

Vorteile

Für die genannten Thermoplaste gelten im Vergleich zu den Duroplasten als gemeinsame Vorteile: Gute bis ausgezeichnete Reißdehnung, Schlag- und Kerbschlagzähigkeit - jedoch nur in begrenzten Temperaturbereichen (Kälte-Versprödung, Wärme-Erweichung) und unter Berücksichtigung von Alterungseinflüssen.

Das Verarbeiten geschieht im wirtschaftlichen schnellen und sauberen Spritzgießverfahren mit weniger Abfall, weil Anguß und Reste in bestimmten Grenzen bei den meisten Typen als Zusatz wieder verarbeitet werden können.

Bei richtiger Gestaltung und Verarbeitung entsteht keine Gratbildung und somit keine Kosten für das Entgraten. In vielen Fällen geringeres Beanspruchen der Formen und somit höhere Ausbringung. Sie lassen sich schweißen.

Thermoplaste mit guter Elastizität und entsprechend gestaltete Teile ermöglichen die Rast- und Schnappbefestigungen ohne Zusatzelemente. Oft bessere und feinere Gestaltungsmöglichkeit der Teile.

Nachteile

Als nachteilig im Vergleich zu den Duroplasten gilt für die genannten Thermoplaste: Die Obergrenze der Dauergebrauchstemperaturen liegt nur zwischen 65 °C und 125 °C. Nur einige Thermoplaste mit kristalliner Struktur (PA, PETB, PBTB) und mit zusätzlicher Glasfaserfüllung können kurzfristig höheren Temperaturen von 150 °C bis 225 °C ausgesetzt werden (Lötbad).

Bei Typen mit amorpher Struktur (SB, PC, PPD) ist zu beachten, daß bereits bei kurzfristiger thermischer Überbeanspruchung das Erweichen eintritt. Thermoplaste neigen unter Dauerbelastung zum Kriechen (Kaltfluß), das sich bei steigender Temperatur verstärkt. Hierdurch und durch Nachschwinden wird die Formstabilität mehr oder weniger beeinträchtigt.

Die Kriechstromfestigkeit ist niedriger und kann durch Füllstoffe und Flammschutzmittel schlechter werden. Die Flammwidrigkeit ist für manche Anforderungen ungenügend und kann dann nur mit Flammschutzzusätzen erreicht werden, die sich meistens auf die mechanischen, elektrischen und verarbeitungstechnischen Eigenschaften ungünstig auswirken.

Allgemein ist zu sagen, daß die mechanischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften dieser Thermoplaste sowohl mit und ohne Füllstoffen sehr unterschiedlich sind und man die Tabellen der Hersteller bei der Auswahl eingehend vergleichen muß.

Ob nun ein Duroplast oder Thermoplast erforderlich ist und welche Sorte davon, kann letztlich nur für den jeweiligen Anwendungsfall in Zusammenhang mit einer preisbezogenen Betrachtung entschieden werden. (Schluß folgt)

- Werbung Dezent -
Zurück zur Startseite © 2007/2019 - Deutsches Hifi-Museum Wiesbaden - Copyright by Dipl. Ing. Gert Redlich - DSGVO - Privatsphäre - Zum Telefon der Redaktion - Zum Flohmarkt
Bitte einfach nur lächeln: Diese Seiten sind garantiert RDE / IPW zertifiziert und für Leser von 5 bis 108 Jahren freigegeben - kostenlos natürlich.

Privatsphäre : Auf unseren Seiten werden keine Informationen an google, twitter, facebook oder andere US-Konzerne weitergegeben.