Dieser Beitrag ist Teil der Titelreportage der E&E-Ausgabe 7.2019 . Lesen Sie hier das zugehörige Titelinterview mit Gerhard Brüser von Fischer Elektronik.
Die Angebote und Anwendungen von Steckverbindern sind so vielfältig wie die Bereiche, für die sie eingesetzt werden. Es werden eine Vielzahl unterschiedlichster Ausführungen angeboten – sei es in der sogenannten weißen Industrie, dem Telekommunikationsbereich, dem Maschinenbau, dem Steuerungsbau, der Bahntechnik, der Medizintechnik, seewassergeschützten Ausführungen, der Automobiltechnik oder dem neuen Feld der Elektromobilität. Ein weiteres neues Feld entwickelt sich seit einigen Jahren in der LED–Technik.
Anwendungsbereiche von LED-Technik
Die LED–Technik beeinflusst den Bereich der Beleuchtungstechnik mittlerweile äußerst dominant. Die Gestaltungsfreiheit wird für den Designer und Konstrukteur durch die LED-Lichttechnik fast grenzenlos. Der rasante Anstieg bei Neuinstallationen führt seit 2010 von circa 14 Prozent über das Jahr 2016 mit circa 60 Prozent auf aktuell mit über 90 Prozent Anteil an LED-Lichttechnik.
Es werden immer weniger Leuchten verkauft, die nicht mit LED-Technik ausgestattet sind. Waren es zu Beginn überwiegend hochwertige Leuchten im Wohn- und Hausbereich, so hat sich die LED-Technik mittlerweile auf die gesamte Leuchtenindustrie ausgebreitet. Die gesamte Industriebranche, Banken, Versicherungen, Verwaltungen, Sporthallen, Museen und sogar kunsthistorische Gebäude werden im Inneren sowie auch die Außenbeleuchtung auf LED–Lichttechnik umgerüstet.
Auch die Gemeinden und Städte rüsten ihre Straßenbeleuchtungen nach und nach um. Hier spielen neben den deutlich geringeren Unterhaltungskosten die zunehmend wichtigen Umweltaspekte eine bedeutende Rolle, die sich mittels der LED-Technik positiv auswirkt. Dies trifft auf alle Produktionsbereiche ebenso wie auf Büros und Verwaltungen zu. Oft sind dabei die vorhandenen Leuchtkörper weiterzuverwenden und anschlusstechnisch leicht auf LED-Leuchttechnik umzurüsten.
Die elektronische Bedarfserkennung für das automatische Ein- und Ausschalten ist ein weiterer zu berücksichtigender Aspekt, der leicht integrierbar ist. Gerade in den verschiedenen Industriezweigen, in denen Tag und Nacht und oft das ganze Jahr die Beleuchtung in Betrieb ist, wirkt sich diese moderne Lichttechnologie schnell positiv messbar auf der Kostenseite aus.
Ein weiterer Bereich für LED–Anwendungen ist der Wohn- und Möbelbereich. Hier lassen sich mittels starrer sowie flexibler Leiterplatten eine Vielzahl von Designvarianten entwickeln. Diese sind mit herkömmlichen Leuchtmitteln nicht annähernd erreichbar. Aus sicherheitstechnischer Sicht bietet die LED–Technik darüber hinaus ungeahnte Einsatzfelder in Gebäudebereichen wie Hotels, Krankenhäusern, altengerechtem Wohnen und nicht zuletzt auch privaten Wohnbereichen.
Weiße Werkstoffe für Isolierkörper
In LED–Leuchten werden vorwiegend helle bis weiße Oberflächen verwendet, um die Lichtreflexion zu erhöhen. Dies gilt auch verstärkt für die LED–Steckverbinder.
Der üblicherweise bei Steckverbindern verwendete dunkle, meist schwarze Kunststoff erzeugt in dem Leuchtelement ein störendes Schattenbild. Ein dunkles Kunststoffgehäuse kann Lichtstrahlen nicht reflektieren, sondern absorbiert sie, was dann zu Schattenbildung führt. Dies wirkt auf den Betrachter sehr störend. Daher kommen in diesem Segment vorwiegend helle oder weiße Kunststoffe zum Einsatz; störende Schattenwirkungen durch unterschiedliche Lichtabsorptionen werden verhindert.
Isolierkörper mit besonderem Anspruch
Nicht zu vernachlässigen sind beim Einsatz von Hochleistungs–LEDs die recht hohen Umgebungstemperaturen. Hier stehen am Markt unterschiedliche hochtemperaturbeständige Kunststoffe für die Steckverbindergehäuse zur Verfügung. Dies können unter anderem auch LCP-Kunststoffe in naturfarbigem oder weißem Material sein. Sie bieten neben guten thermischen auch sehr gute Fließeigenschaften, was gerade für dünne Wandstärken und lange Fließwege von großem Vorteil ist.
Den Trend zu immer kleineren Bauformen fordert die Kunststoffe zusätzlich heraus. Die Anforderungen an die zu verwendenden Isolierkörperwerkstoffe werden immer umfangreicher. Hochleistungskunststoffe zeichnen sich durch gute Dimensionsstabilität, hervorragende Wärmeformbeständigkeit und gute mechanische Eigenschaften aus. Ihr Schmelzbereich liegt deutlich über 300 °C. Sie sind fest, steif, zäh und widerstandsfähig gegenüber Chemikalien.
Löttemperaturen um die 260 °C und eine Belastungsdauer von mindestens 10 s werden durch die Reflow-Lötverfahren erreicht. Bei einem langzeitigen Wärmeeinfluss können je nach Kunststoff Temperaturen bis 200 °C erreicht werden. Die Belastungsdauer kann über mehrere tausend Stunden hinausgehen.
Solche Belastungen haben Auswirkung auf die Lebensdauer der Kunststoffe. Eine Abnahme der mechanischen Eigenschaften, zum Beispiel Schlagzähigkeit und Bruchdehnung, wird durch den langzeitigen Wärmeeinfluss verstärkt. Um eine höhere Wärmeformbeständigkeit zu erreichen, ist der Einsatz von Verstärkungsstoffen erforderlich. Ausführungen in der Durchstecklöttechnik THT– auch Wellenlöttechnik genannt – ebenso wie die Oberflächenlöttechnik SMD und die Kombination aus den beiden, die THR–Löttechnik, können mit diesem Kunststoff entwickelt werden.
Darüber hinaus sind auch die unterschiedlichen Baugrößen der Steckverbindungen zu beachten. Die Kontaktabstände können sowohl für das gängige Rastermaß 2,54 mm, für das Raster 2 mm als auch für das Raster 1,27 mm problemlos erstellt werden.
Elektrische Auswahlkriterien
Die elektrische Belastbarkeit ist eine weitere wichtige Voraussetzung bei der Auswahl von Steckverbindungen. Die gängigen Typen im Raster von 2,54 und 2,5 mm reichen bis zu einem Strombelastungswert von 6 A. Bei kleineren Rastern, wie zum Beispiel 2 und 1,27 mm, reduziert sich die Strombelastbarkeit bedingt durch die geringeren Kontaktquerschnitte und -abstände.
Variationsmöglichkeiten ergeben sich auch durch den Einsatz unterschiedlicher Kontaktwerkstoffe. Während der elektrische Leitwert von Zinn–Bronze (CuSn) bei circa 9 S/m liegt, kommt man bei Messing (CuZn) auf circa 15 S/m. Die mechanische Beanspruchung bekommt an dieser Stelle eine nicht zu unterschätzende Bedeutung. Zinn–Bronze–Legierungen sind durch ihre guten Federeigenschaften wesentlich stabiler gegenüber Biegebeanspruchungen als Messinglegierungen.
All diese Eigenschaften kommen den LED–Steckverbindern, seien es Stift- oder Federleisten, für die verschiedenen Möglichkeiten der Löttechniken entgegen. Für eine automatengerechte Bestückung bieten sich, gerade auch für die SMD–Versionen, die Tape-&-Reel–Verpackungen (Gurt und Spule) neben den noch teils üblichen Stangenmagazinen an. Darüber hinaus stehen dort, wo die Bauform der Steckverbinder es erfordert, entsprechende Bestückungshilfen für die automatische Bestückung zur Verfügung.
In der LED–Leuchtentechnik ist das Spezifische der vorwiegend helle oder weiße Kunststoff des Steckergehäuses sowie der Anschlussbereich und die Art der Leiterplatte: starr oder flexibel. Hierdurch werden einerseits störende Schattenwirkungen vermieden, die durch schwarze Kunststoffe entstehen können, und anderseits ist der Anschlussbereich der Steckverbinder mit Lötanschlüssen versehen, die im Wellen- oder SMT-Lötverfahren gelötet werden können.
