Meilensteine der Elektronik Die chaotische Evolution der Steckverbinder

Autor / Redakteur: Hermann Strass * / Kristin Rinortner

Nach einem kurzen geschichtlichen Rückblick wird in diesem Artikel die Entwicklung der Steckverbindertechnik anhand einiger Beispiele aus den letzten fünfzig Jahren beschrieben.

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Steckverbindergeschichte: Im Markt erfolgreiche Steckverbinder wie dieser frühe HAN-Steckverbinder wurden im Laufe der Jahre in vielen Varianten weiterentwickelt.
Steckverbindergeschichte: Im Markt erfolgreiche Steckverbinder wie dieser frühe HAN-Steckverbinder wurden im Laufe der Jahre in vielen Varianten weiterentwickelt.
(Bild: Harting)

Steckverbinder gibt es fast so lange, wie Elektrizität kommerziell und industriell angewendet wird. Die Verbindungstechnik wurde im Rahmen der damals verfügbaren Technik jeweils spezifisch für bestimmte Anwendungsbereiche entwickelt. Im Markt erfolgreiche Steckverbinder haben im Laufe der Jahre viele Varianten und Weiterentwicklungen erfahren. Beispiele sind: Klinken-Steckverbinder, D-Sub, DIN 41612, (runde) DIN-Steckverbinder, RJ45, USB und einige andere.

Im Laufe der Zeit wechselten gelegentlich die Zuständigkeiten der normgebenden Organisationen (oft in den USA), außerdem wurden gelegentlich Varianten oder Teile der Spezifikationen von unterschiedlichen Organisationen bearbeitet. Bei RJ45 zeigt sich das sehr gut (siehe unten). Das Chaos ist vorprogrammiert.

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In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts gab es eine enorme Nachfrage nach neuen Steckverbinder-Typen durch die Umstellung von paralleler Signalübertragung auf serielle Übertragung. Im seriellen Betrieb werden zwar weniger Kontakte und Leitungen benötigt, die Taktraten müssen aber deutlich höher sein. Das bringt zusätzliche Probleme mit Störstrahlung (aktiv und passiv). Natürlich sollen die Steckverbinder immer kleiner werden, auch um z.B. Gold auf den Kontaktflächen einzusparen. Derzeit müssen Signalverbindungen zusätzlich noch möglichst viel Energie übertragen, um Endgeräte direkt mit Strom zu versorgen. Steckverbinder sind besonders wichtige und teure Bauelemente in elektrischen und elektronischen Geräten und Systemen.

Eine Übersicht der Steckverbinder-Definitionen

Nach DIN EN 61984 wird ein Steckverbinder so definiert: „Ein Steckverbinder ist ein Bauelement, das es gestattet, elektrische Leiter anzuschließen und dazu bestimmt ist, mit einem passenden Gegenstück Verbindung herzustellen und/oder zu trennen“. In amerikanischen Definitionen wird noch hinzugefügt: „without unacceptable signal distortion or power loss“. Üblicherweise werden auch optische Verbindungen (Licht, Infrarot) eingeschlossen. Außerdem gibt es Steckverbinder auch für Flüssigkeiten (Hydraulik) und Gase (Druckluft). In industriellen Anwendungen können Module aller vier Arten in einem Steckverbindergehäuse gleichzeitig untergebracht sein.

Die lösbare Steckverbindung besteht aus zwei zueinander passenden Teilen. Sehr häufig ist ein Teil davon fest an einem Gerät angebracht und der andere Teil an einem Kabel. Steckverbinder, bei denen beide Teile an Kabeln angebracht sind, werden Kupplungen oder Kabelverbinder genannt. Eine andere Variante ist die Verbindung von zwei festen Teilen. Das sind beispielsweise Baugruppen (Einsteckkarten oder Platinen), die in Rückwände (backplanes) von Baugruppenträgern eingesteckt werden oder Baugruppen (Mezzanines, COMs), die auf andere Karten parallel aufgesteckt werden (Sandwich). Je nach Art und Ort der beiden Teile werden verschiedene Begriffe verwendet. Einige davon sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Um eine Steckverbindung herzustellen, müssen zwei geometrisch und elektrisch zusammenpassende Teile verbunden werden.

Ein Stecker oder eine Buchse, oder was?

Stecker sind meist mit Stiften und Buchsen meist mit Kontakten bestückt, wenn nicht anders angegeben. Es wird also auf die geometrische Form der Kontakte Bezug genommen. Es gibt auch Anwendungen, bei denen auf die geometrische Form des Steckverbinderkörpers und -gehäuses Bezug genommen wird. In manchen Anwendungen wird der „feste“ Teil als Buchse (receptacle) und der „nicht-feste“ Teil als Stecker (connector) bezeichnet, unabhängig von Kontakt oder Gehäuseform.

Beim „USB Typ-3“-Steckverbinder enthält die Buchse (receptacle) am Gerät die Stifte (Messerleiste) und der Stecker (connector) am Kabel die Buchsenelemente (Federleiste). Es wird also manchmal auf die Kontaktform, manchmal auf die Bauform des Gehäuses oder auf den Ort des Verbinderteils Bezug genommen.

Bei Leiterplatten unterscheidet man direkte und indirekte Steckverbinder. Bei direkten Steckverbindern sind die Steckkontakte speziell geformte Leiterbahnenden (meist vergoldet). Die Gegenstücke der direkten Steckverbinder sind Federleisten (Buchsenleisten). Bei indirekten Steckverbindern haben beide Teile zusammenpassende Steckverbinderteile, meist mit Plastikumrandung (eventuell gasdicht).

Frühere Entwicklungen in der Steckverbindertechnik

Lampenfassung als Steckverbinder: In der Anfangszeit der öffentlichen Stromversorgung in den USA gab es zwei verschiedene Stromtarife für unterschiedliche Nutzung. Der niedrige Tarif war für die Beleuchtung mit Glühlampen gedacht, der teure Tarif für andere Nutzungen. Sehr schnell gab es deshalb Steckverbinder mit Schraubgewinde zum einschrauben in eine Lampenfassung, um den billigeren Strom nicht nur zur Beleuchtung zu nutzen.

Klinken-Steckverbinder: In großer Stückzahl wurden Klinkenstecker in Telefonvermittlungen ab der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts (ab ca. 1878) eingesetzt. So gab es beispielsweise in Berlin bis zu 85 m lange Klappenschränke mit mehr als 500 000 Klinken. Eine einzelne Telefonistin konnte bis zu 10 000 Verbindungen bedienen. Schon ab 1908 wurden automatische Vermittlungsstellen eingeführt. Die Telefonistin hatte Sprachkontakt mit beiden Teilnehmern einer Verbindung. Wegen der mangelnden Qualität (Frequenzumfang) der damaligen Technik wurde nur weibliches Vermittlungspersonal eingestellt, weil deren „höhere“ Stimme besser verständlich war.

Klinkenverbinder werden bis heute in sehr großen Stückzahlen eingesetzt zur Übertragung von Tonsignalen (Kopfhörer) und in vielen anderen Anwendungen. Gängige Steckerdurchmesser sind 1/4 Zoll (6,35 mm), 1/8 Zoll (3,17 mm, international meist 3,5 mm) und 1/10 Zoll (2,5 mm). Beim IEC in Genf sind Klinkensteckverbinder als IEC 60603-11 genormt. Anfang diesen Jahres gab es einen Sturm der Entrüstung als Gerüchte aufkamen, dass Apple beim neuen iPhone keine Kopfhörerbuchse mehr einbauen will.

Schuko-Steckverbinder: Das Schutzkontaktsystem wurde zwischen 1925 und 1932 von verschiedenen Personen und Firmen entwickelt. Die Haushaltvariante für 230 V Einphasen-Wechselstrom mit Schutzleiter bis 16 A ist in Europa als CEE 7/4 (Stecker) und CEE 7/3 (Buchse) genormt, international wird es „Stecker-Typ F“ genannt.

Tabelle 2 zeigt eine Auswahl weiterer Steckverbinderarten aus den Anfangsjahren.

RJ-Steckverbinder: In den 1970er Jahren (Patent angemeldet 1973) entwickelte Bell Telephone Laboratories (USA) mit Western Electric (daher auch Western-Stecker/-Buchse), ein Konzernunternehmen, einen be-sonders preisgünstigen Steckverbinder zum Anschluss von Telefonen. Einige Zeit später wurde dieser Modular-Steckverbinder von der „Federal Communications Commission“ (FCC) unter der Bezeichnung „RJ“ (Registered Jack = genormte Buchse) und der dazu passende Stecker (plug) mit verschiedenen Varianten als Norm verabschiedet.

Im Zuge der Liberalisierung des Telefonmarktes in den USA gelangte die Spezifikation über FCC 47CFR68 (F) zu ATCA TIA/EIA-IS-968 zu T1.TR5 und auch zu IEC 60603-7. Einige bekannte Varianten sind: RJ11 (Telefon, USA), RJ45 (eigentlich RJ48, RJ49 oder RJ61) für Ethernet-Verbindungen oder RJ49 für ISDN. Die Bezeichnung ist sehr verbreitet, aber fast immer falsch. RJ45 definiert nur die Mechanik. Als Ethernet-Verbinder sind RJ45-Varianten in sehr großen Stückzahlen weltweit im Einsatz. Für industrielle Anwendungen gibt es inzwischen auch mehrere Varianten im geschützten Gehäuse mit EMV-Schirmung und für einen erweiterten Tem-
peraturbereich. Diese sind auch in verschiedenen IEC-Normen unterschiedlich spezifiziert.

Die Standards für strukturierte Verkabelung TIA 568A/B 1988) und TIA 968A (auch IEC 60603) nutzen modulare Steckverbinder, wie RJ45. Die ISDN-Variante ist international als ISO 8807 und in den USA als IEEE 802.3i genormt. Mit 8 Kontakten und 8 angeschlossenen Drähten wird diese Variante als 8P8C bezeichnet (RJ45 Ethernet u.a.). Im Markt gibt es aber Varianten mit unterschiedlichen Kontaktabständen, die nicht kompatibel sind. Je nach Anwendung ist auch die Zuordnung der Signale zu den Kontakten unterschiedlich.

SCSI: Anfang der 1980er-Jahre war der D-Sub-Steckverbinder sehr populär. Daher wurde dieser bei der Normung (ab 1981) für den parallelen SCSI-Bus eingesetzt und auch für spätere Erweiterungen wurden bevorzugt D-Sub-Varianten ausgewählt. Im Normungsgremium herrschte die Überzeugung „Unter keinen Umständen eine neuen Steckverbindertyp aussuchen oder in Auftrag geben“, weil damals noch die Steckverbinder-Hersteller monatelang versuchten, jeweils ihre eigenen Steckverbindertypen in die Norm einzubringen.

Bei SCSI wurde die Anzahl der Steckverbindervarianten (25 Kontakte bis 80 Kontakte) allein dadurch vervielfacht, dass es unterschiedliche Steckverbinder für die Steckkarten (Rechnerrückwand), für interne Kabel (Pfostenverbinder mit Flachbandkabel), für externe Kabel (Centronics, Sub-D oder HD-Versionen) und für steckbare Laufwerke gab. Eine unvollständige Zählung ergibt etwa 15 Steckverbinderfamilien.

SCSI ist das auch heute noch fast ausschließlich genutzte Protokoll für professionelle Speichersysteme. Werden andere Übertragungsmedien, heute meist serielle Übertragung, genutzt, dann ändern sich nur der Protokollname und gelegentlich einige Interna im Protokoll. Bekannte SCSI-Protokolle sind SAS, SSA, iSCSI, HyperSCSI, FC, FC-AL, FCoE, FCIP, ATAPI, STP für SATA und andere. Einige der für SCSI genutzten Sub-D-Steckverbinder werden auch für andere Protokolle (serielle oder parallele Schnittstelle, Centronics-Drucker usw.) genutzt. Selbst im gleichen Unternehmen wurde beispielsweise bei dem sehr weit verbreiteten Sub-D25 der Kontakt 25 wahlweise für Masse, Schirmung oder 5 V für Termpower genutzt. Kurzschlüsse gibt es also zwangsweise.

VMEbus/VPX: Der parallele VMEbus entstand 1981 in Deutschland. Drei US-amerikanische Firmen (Motorola, Mostek und Signetics) migrierten die von Motorola entwickelte CPU (MC68000) und Teile des VERSAbus auf Europakarten mit DIN-41612-Steckverbindern. Das war die einzige Chance für diese Unternehmen, ihre Produkte an deutsche Industrie-Unternehmen zu verkaufen.

Die amerikanische Technik basierte auf großen Platinen (Pizza-Box-Size) mit indirekten Steckverbindern und ohne Versteifung durch eine Frontplatte. Wird eine solche Platine in eine „Pizza Box“ eingeschoben, dann verbiegt sie sich durch ihr Eigengewicht, wodurch erheblich Probleme entstehen, die am Kartenrand befindlichen Kontakte in die rückwärtigen Steckverbinder-Buchsen einzustecken.

Mostek hatte bereits früher seinen hauseigenen Computerbus für Europa auf Europakarten mit DIN-41612-Steckverbindern migriert. Zur damaligen Zeit hatte fast jede Firma in Europa mit Industriesteuerungen ihren hauseigenen Bus auf Europakarten meist mit DIN-41612-Steckverbindern.

Amerikanische „Experten“ prognostizierten den Misserfolg des VMEbus auf Europakarten, weil diese Technik viel zu teuer sei. Das Gegenteil trat ein. Die robuste, zuverlässige und langzeitstabile Technik siegte bei Industrieanwendungen. Bis heute ist diese Technik führend in dem anspruchsvollsten oberen Marktsegment, wenn es um Robustheit, Langlebigkeit, Zuverlässigkeit und Umweltstabilität geht.

VME war von Anfang an „Open Source“, viele Jahre bevor dieser Begriff durch Linux bekannt wurde. VMEbus-Systeme sind auch im Weltraum (ISS, Mars, Mond) oder in sehr großen Stückzahlen am CERN aktuell im LHC im Einsatz. In den USA gab es eine Welle von Nachahmern für Europakarten mit indirektem „DIN Connector“ oder 2-mm-Steckverbindern (Multibus II, CompactPCI u.a.).Beim DIN-41612-Steckverbinder gibt es eine gigantische Zahl an Familien und Unterarten. Derzeit übernimmt der serielle Nachfolger VPX mit Multigig-RT2-Steckverbindern die führende Stellung. Tabelle 3 listet weitere Steckverbinderarten aus den letzten 50 Jahren auf.

Die parallelen Speicherkarten mit unterschiedlichen Steckverbindern (CF, MC, SM) wurden durch das serielle USB abgelöst. Die seriellen Speicherkarten (MMC im Inneren von Mobilgeräten, SD-Varianten in digitalen Kameras) sind weiterhin in großen Stückzahlen im Einsatz.

Sonderformen und exotische Varianten von Steckverbindern

CPU- und andere vielpolige Chips werden oft in entsprechend vielpolige, meist quadratische Sockel gesteckt. BGA-Testsockel werden ebenfalls oft als Steckverbinder genutzt. Weitere anwendungsbedingte Sonderformen passen sich den geometrischen Formen der zu verbindenden Geräte an.

Steckverbinder werden zunehmend „intelligent“. Dazu werden RFIDs oder Sensoren in das Steckverbindergehäuse eingebaut und über Funk oder Draht mit dem System verbunden.

Elastische Steckverbinder: In einer sehr großen Anzahl von Massenartikeln mit Display (Smartphones, Taschenrechner) wer-den elastische Steckverbinder genutzt. Die Rückseite der Display-Glasfläche wird über Leitgummi mit der steuernden Platine kontaktiert. In der Miniature Card (MC) wurde diese Verbindungsart ab ca. 1996 eingesetzt.

Für die Signalübergabe von einer metallisch-leitenden Fläche zu einer anderen wird eine Zwischenlage aus elastischem Silikonkunststoff verwendet (Leitgummi, elastomeric connector). Dieser Kunststoffblock besteht abwechselnd aus leitenden und nicht leitenden Siliziumschichten. Diese Schichten sind so dünn, dass bis zu 20 Schichten je Millimeter zur Verfügung stehen. Die Schichten stehen senkrecht zur Kontaktfläche. So hat man also viele parallele leitende Verbindungsschichten zwischen den Kontaktflächen.

Wo eine Stirnseite der leitenden Kunststoffschicht auf eine Metallfläche trifft, wird der Strom weitergeleitet. Die Feinheit des Rasters bestimmt den minimalen Abstand der Kontaktflächen. Es müssen immer mehrere Schichten des Kunststoffblocks im Niemandsland zwischen benachbarten Kontaktflächen vorhanden sein, damit bei geringfügiger Verschiebung der beiden Bauteile nicht eine Diagonalverbindung zum benachbarten Kontakt möglich wird.

Nano-Steckverbinder :Ein Beispiel für kleinste Steckverbinder, z.B. in Weltraumanwendungen, sind die Nano-Steckverbinder nach der MIL-DTL-32139-Norm. Der Stiftdurchmesser beträgt etwa 0,325 mm, der Kontaktabstand etwa 0,64 mm. Temperaturbereich z.B. –60 °C bis +125 °C. Die Nano-Steckverbinder gibt es in runder oder rechteckiger Ausführung.

Die Normung in der Steckverbindertechnik

Viele Steckverbinderarten und -varianten sind national und international genormt. Die Hierarchien sind nicht immer einfach zu verstehen. Häufig sind die Reihenfolgen IEC-EN-DIN (DKE), ISO-EN-DIN oder ITU-(CENELEC, ETSI)-DIN. In den USA gibt es die Reihenfolgen ANSI-(IEEE, EIA (TIA), INCITS, VITA u.a.). Üblicherweise ist ANSI in den USA für die Verbindung zu IEC, ISO und ITU zuständig. Daneben gibt es viele private Gruppierungen, die ebenfalls „Standards“ definieren. Dazu gehören: PCI-SIG (PCI), PCMCIA (div. Speicherkarten), PICMG (CompactPCI), SATA-IO (SATA) oder USBIF (USB).

Das „SFF Committee“ ist ein Sonderfall einer Normungsorganisation. Viele Steckverbinder und die mechanischen Abmessungen im Computer- und Kommunikationsbereich sowie die Präzisierung von „offiziellen“ und „privaten“ Spezifikationen) werden im SFF erarbeitet und an die „offiziellen“ Normungsorganisationen weitergeleitet.

Ab den 1980er-Jahren wurden Festplatten in sehr großen Stückzahlen (mehr als 150 Stück/Schrank) in die Metallschränke von Datenzentralen eingebaut. Sie mussten „blind“ steckbar sein. Deshalb war es notwendig, dass die Geräte mit ihren Steckverbindern besonders genau in das Gegenstück auf der Rückwand passen mussten. So war es beispielsweise auch nötig, den 4-poligen „Molex-Steckverbinder“ genauer zu definieren (SFF 8012), weil dieser Steckverbinder bekanntermaßen sehr schwer zu stecken und zu lösen ist.

Im Laufe der Zeit wurden auch die vielen Steckadapter (Umsetzung elektrisch/optisch) für den Rechenzentrumsbetrieb und weiteres Zubehör, meist erstmalig, vom SFF-Komitee spezifiziert. In dem 1990 gegründeten SFF-Komitee arbeiten alle namhaften Firmen wie Intel, Molex, Seagate, WD und viele Institutionen zusammen.

Rückblick

In diesem Beitrag wurden nur einige wenige unterschiedliche Aspekte der Steckverbindergeschichte beispielhaft dargestellt. Der seit zehn Jahren in Würzburg stattfindende Steckverbinderkongress bringt Anwender und Hersteller zu einem Wissens- und Informationstausch im Sommer zusammen, um das Chaos im Steckverbinder-Universum zu beseitigen.

* Hermann Strass ist Technologieberater und Inhaber von Technology Consulting in Nördlingen.

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