-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Verbinder mit einem elektrisch isolierenden Kontaktträger und mindestens einem elektrisch leitenden Kontaktelement, der mit einem Impedanzangleichelement versehen ist. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen elektrischen Verbinder, der definierte Impedanzeigenschaften sowohl mit wie auch ohne Schirmung aufweist.
-
Elektrische Verbinder sind für die Verbindung verschiedenster elektrischer Komponenten und Strukturen untereinander, wie Leiterplatten, Koaxialkabeln, diskreten Schaltungskomponenten, flexiblen Schallungen oder dergleichen, bekannt. Generell können derartige Verbinder Signal- und/oder Stromversorgungsleitungen zwischen gleichen oder ähnlichen Komponenten wie z. B. zwischen zwei Boards, aber auch zwischen ungleichen Komponenten wie z. B. einem Kabel und einer Leiterplatte, herstellen. Solche Steckverbinder werden in einer Vielzahl von Formen und Größen, je nach entsprechender Anwendung hergestellt. Ebenso variieren die Form, Größe und der Abstand zwischen den Kontakten eines solchen Verbinders signifikant. Zusammen mit der Form, Größe und dem Abstand der einzelnen Kontakte ändert sich auch deren Impedanz.
-
Da Signalleitungen in der Regel keinen Gleichstrom, sondern nur Impulsstrom oder Wechselstrom übertragen, muss man, damit es auf den Signalleitungen nicht zu Impulsreflexionen kommt, auf eine gleichmäßige, d. h. konstante Impedanz achten. Man spricht von der sogenannten Nennimpedanz. Entsprechend muss auch bei der Verbindung von Leitungen, insbesondere im Zusammenhang mit einer Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung auf zugehörigen Steckverbindern, auf die Einhaltung der konstanten Impedanz geachtet werden.
-
Es sind daher verschiedene Ansätze bekannt, innerhalb eines elektrischen Verbinders mit einem oder mehreren Kontaktelementen eine gewünschte Nennimpedanz einzustellen. So wird beispielsweise in der
DE 10 2009 019 626 B3 vorgeschlagen, zum Einstellen der Impedanz des Verbinders einen in einer Bohrung aufgenommenen elektrisch leitfähigen Impedanzkorrekturpin anzuordnen. Dabei ist die Bohrung symmetrisch in Bezug auf eine Vielzahl von Kontaktelementen angeordnet.
-
Es lässt sich jedoch zeigen, dass die so eingestellte Impedanz deutlich davon abhängig ist, ob der Steckverbinder zusätzlich noch von einer Schirmung umgeben ist oder nicht. Für diverse Anwendungsfälle, wie beispielsweise eine Ethernetverbindung in einem Kraftfahrzeug, hängt es stark von den Einbaubedingungen ab, ob eine Abschirmung gegen elektromagnetische Einstreuungen erforderlich ist oder nicht. Grundsätzlich wird aus Kostengründen stets die ungeschirmte Steckverbindervariante bevorzugt und die Schirmung lediglich als Ausweichlösung in Spezialfällen angebracht.
-
Es besteht also ein Bedürfnis nach einem elektrischen Verbinder mit definierter Impedanz, dessen Impedanzwert sich von dem Vorhandensein oder der Abwesenheit einer elektromagnetischen Abschirmung nur unwesentlich beeinflussen lässt.
-
Aus der
US 6,749,444 B2 ist ein elektrischer Verbinder mit austauschbarem Impedanztuner bekannt. Dieses Einstellelement ist aus einem Dielektrikum gefertigt und hat weiterhin impedanzeinstellende Metallplättchen, die parallel zu den Kontakten angeordnet sind. Diese Plättchen sind in dem Tuner aufgenommen und können aus diesem entfernt werden. Ebenso kann der dielektrische Tuner als Ganzes aus dem Steckverbindergehäuse entfernt und gegen einen anderen Tuner ausgetauscht werden, wenn ein anderer Impedanzwert gewünscht ist. Im Unterschied zu der vorliegenden Erfindung ist aber der Impedanztuner gemäß der
US 6,749,444 B2 durch eine metallische Umhüllung, die den Verbinder umgibt an dem Verbinder gesichert. Das heißt, die Impedanz, die sich einstellt, ist immer auf eine Anordnung mit metallischer Schirmung bezogen.
-
Daher ist der bekannte Steckverbinder zwar äußerst flexibel, was die Einstellung der Impedanz betrifft, aber vergleichsweise teuer in der Herstellung und zwingend mit einer metallischen Schale ausgestattet, die neben der Schirmung auch den Zweck hat, den Impedanztuner austauschbar zu fixieren.
-
Dem gegenüber besteht die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegt, darin, einen elektrischen Verbinder der genannten Art anzugeben, der einfach und kostengünstig herstellbar ist und eine stabile Impedanz unabhängig von dem Vorhandensein einer ihn umgebenden Schirmung oder einer gegebenenfalls vorhandenen Masseplatte oder weiteren metallischen Umgehäusen einzustellen.
-
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen elektrischen Verbinders sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
-
Dabei basiert die vorliegende Erfindung auf der Idee, zum Einstellen der Impedanz des Verbinders in mindestens einem Teil des Bereichs, in dem das mindestens eine Kontaktelement angeordnet ist, mindestens ein Impedanzangleichelement an dem Kontaktträger so vorzusehen, dass dieses mit ihm integriert ist, also nach dem Herstellungsprozess permanent mit ihm verbunden ist. Das Impedanzangleichelement hat insbesondere eine elektrisch leitfähige, im Wesentlichen ebene Struktur, die in einem vorbestimmten, von dem einzustellenden Impedanzwert abhängigen Abstand zu dem mindestens einen Kontaktelement angeordnet ist. Dieses erfindungsgemäße, in den Kontaktträger integrierte Impedanzangleichelement dominiert das Impedanzverhalten des ungeschirmten Verbinders. Wird nun eine zusätzliche Schirmung angebracht, so lässt sich zeigen, dass zwar ein gewisser Einfluss der Schirmung auf die Impedanz des Verbinders erfolgt, dass dieser Einfluss aber so gering ist, dass die Signaleigenschaften innerhalb der erforderlichen Grenzen bleiben. Dabei muss natürlich darauf geachtet werden, dass die Gehäuseform sicherstellt, dass die Schirmung einen gewissen Mindestabstand zu dem Kontaktelement einhält.
-
In besonders einfacher Art und Weise kann das erfindungsgemäße Impedanzangleichelement dadurch realisiert werden, dass es aus einem Metallblech hergestellt wird. Ein derartiges Metallblech kann entweder in das Gehäuse mit eingespritzt werden oder über eine sogenannte Stitch-Verbindung mit dem Kontaktträger unlösbar verbunden sein. Es kann auch vorteilhaft sein, das Gehäuse mehrteilig, also z. B. aus zwei Hälften, zusammenzusetzen und das Metallblech in einer der beiden Hälften vor dem Zusammenbau einzusetzen. In jedem Fall ist nicht vorgesehen, dass das Impedanzangleichelement nach der Assemblierung nochmals entfernt wird.
-
Das Kontaktelement hat üblicherweise einen Anschlussbereich zum Anschließen einer ersten externen elektrischen Komponente, beispielsweise eines Kabels, und einen Kontaktbereich zum Kontaktieren einer zweiten externen Komponente, beispielsweise des Gegensteckerstifts, wobei der Anschlussbereich und der Kontaktbereich durch einen Verbindungsbereich miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß kann ein Impedanzangleichelement sowohl im Anschlussbereich wie auch im Kontaktbereich und auch in beiden Bereichen gleichzeitig, angeordnet sein. Dadurch wird eine Stabilisierung der Impedanz an allen kritischen Verbindungspunkten erreicht.
-
Besonders vorteilhaft kann die vorliegende Erfindung für elektrische Verbinder eingesetzt werden, bei denen im Anschlussbereich des Kontaktelements ein Crimpverbinder vorgesehen ist.
-
Alternativ kann als Anschlussverbinder auch eine Einpress- oder Lötverbindung und insbesondere eine gewinkelte Ausführung zum Kontaktieren eines Printed Circuit Board (PCB) vorgesehen sein. Es können aber auch andere Verbindungsmöglichkeiten an dieser Stelle vorgesehen sein, wie beispielsweise weitere Steckverbindungen, so dass der erfindungsgemäße elektrische Verbinder einen Adapter bildet.
-
Nachfolgend wird meist konkret darauf Bezug genommen, dass es sich bei dem Kontaktelement um ein Buchsenelement handelt. Selbstverständlich kann aber auch ein Stiftkontakt mit der erfindungsgemäßen Impedanzstabilisierung ausgestattet werden.
-
Das erfindungsgemäße Dominieren der Impedanzeigenschaften durch den Einfluss des Impedanzangleichelements lässt sich besonders sicher dadurch erreichen, dass das Impedanzangleichelement im Wesentlichen parallel entlang beider Längsachsen der Kontaktelemente verläuft.
-
Für eine permanente Verbindung des Impedanzangleichelements mit dem Kontaktträger gibt es verschiedene vorteilhafte Realisierungsmöglichkeiten. Zum einen kann das Impedanzangleichelement in dem elektrisch isolierenden Kontaktträger integriert sein, beispielsweise also in einem Spritzgussverfahren mit eingegossen werden. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass die für die Funktion kritische Einstellung des Abstandes zwischen dem Kontaktelement und dem Impedanzangleichelement mit relativ geringen Toleranzen einstellbar ist. Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, dass das Impedanzangleichelement an der Außenfläche des Kontaktträgers durch ein sogenanntes Stitching oder einen anderen geeigneten Anklemm- oder Anpressvorgang permanent mit dem Kontaktträger verbunden wird. Wie bereits erwähnt, kann es auch vorteilhaft sein, das Gehäuse mehrteilig, also z. B. aus zwei Hälften, zusammenzusetzen und das Metallblech in einer der beiden Hälften vor dem Zusammenbau einzusetzen. In jedem Fall ist nicht vorgesehen, dass das Impedanzangleichelement nach der Assemblierung nochmals entfernt wird, so dass vorzugsweise das Impedanzangleichelement untrennbar mit dem Kontaktträger verbunden ist.
-
Insbesondere wenn das Impedanzangleichelement aus einem Metallblech hergestellt ist, kann es diverse zusätzliche Funktionen an dem elektrischen Verbinder übernehmen. Beispielsweise kann das Impedanzangleichelement mindestens ein Federelement aufweisen, mit dessen Hilfe eine elektrisch leitende Schirmung, die gegebenenfalls den Kontaktträger umgebend montiert wird, an dem Verbinder fixiert werden kann. Somit brauchen auch für den Fall, dass der Verbinder geschirmt werden soll, keine zusätzlichen Halterungen angebracht werden.
-
Weiterhin kann das Impedanzangleichelement einen oder mehrere Klemmvorsprünge zum Ausbilden einer Klemmverbindung im Zusammenwirken mit einer Leiterplatte aufweisen. Mit derartigen sogenannten Board Locks können, wie dies allgemein bekannt ist, Steckverbinder alternativ zu einer Niet- oder Schraubbefestigung auf Leiterplatten montiert und gehalten werden. Der mit einem Board Lock verbundene Steckverbinder wird auf der zu bestückenden Leiterplatte eingedrückt und die Klammern rasten dabei ein oder stehen unter mechanischer Spannung. Der Halt einer solchen Klemmverbindung kann so gewählt werden, dass er ausreicht, um den Steckverbinder beispielsweise während eines Lötvorgangs auf der Leiterplatte festzuhalten. Bei durchkontaktierten Montagebohrungen kann zusätzlich durch Verlöten des Board Locks auch die Zugentlastung des Steckverbinders während des Steck- und Ziehvorgangs wesentlich verbessert werden.
-
Weiterhin kann das Impedanzangleichelement auch mit einem Crimpverbinder ausgestattet werden, um beispielsweise den Schirm eines Kabels zu kontaktieren.
-
Im Fall, dass der elektrische Verbinder gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer elektrisch leitenden Schirmung versehen wird, kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform das mindestens eine Impedanzangleichelement bereits einen Teil dieser Schirmung bilden.
-
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung, wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einige Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen für sich eigenständige erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen. Es zeigen:
-
1 eine Schnittdarstellung durch einen auf einer Leiterplatte montierten elektrischen Verbinder gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform;
-
2 eine Seitenansicht mit sichtbaren verdeckten Kanten der Anordnung aus 1;
-
3 eine weitere Schnittdarstellung der Anordnung aus 2;
-
4 eine Ansicht von vorne auf den Steckverbinder der 2;
-
5 eine Ansicht von oben auf einen Steckverbinder gemäß einer zweiten Ausführungsform;
-
6 ein ersten Schnitt durch die Anordnung aus 5;
-
7 einen zweiten Schnitt durch die Anordnung aus 5.
-
Die vorliegende Erfindung soll nachfolgend mit Bezug auf die Figuren im Detail erläutert werden.
-
1 zeigt in einer Schnittdarstellung den erfindungsgemäßen elektrischen Verbinder 100 bei Montage auf einem Printed Circuit Board, PCB, 114 gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform. Der elektrische Verbinder 100 umfasst einen Kontaktträger 102, der aus einem geeigneten elektrisch isolierenden Material hergestellt ist. Bei der hier gezeigten speziellen Ausführungsform handelt es sich um einen zweipoligen gewinkelten Steckverbinder, wie er beispielsweise für eine Verbindung zwischen einem Printed Circuit Board und einer Signalleitung verwendet wird. Hier sind, wie noch mit Bezug auf die 3 und 4 deutlich wird, zwei Kontaktelemente 104 vorgesehen, die als Buchsenkontakte ausgeführt sind. Die erfindungsgemäßen Prinzipien lassen sich aber selbstverständlich auch auf anderen Anschlussgestaltungen anwenden.
-
Jedes der Kontaktelemente 104 besitzt einen Anschlussbereich 106 mit einem Anschlussverbinder 122, beispielsweise einer Lötverbindung oder einem Einpressverbinder, zum elektrischen Verbinden des Kontaktelements 104 mit einer Leiterplatte 114. Ein Verbindungsbereich 110 leitet über in den eigentlichen Kontaktbereich 108, der zur Verbindung mit einem Gegensteckverbinder eingerichtet ist. In der gezeigten Ausführungsform ist der Kontaktbereich als Kontaktbuchse ausgeführt, die mit einem Gegensteckverbinderstift elektrisch verbunden werden kann.
-
Die Kontaktelemente 104 sind mit Hilfe eines Rastarms 118 in entsprechenden Rastöffnungen 120 des Kontaktträgers 102 gesichert. Weiterhin ist der Kontaktträger 102 in der gezeigten Ausführungsform zweiteilig aufgebaut, so dass sich der Anschlussbereich 106 und der Kontaktbereich 108 in getrennt herstellbaren Teilen des Kontaktträgers 102 befinden.
-
Erfindungsgemäß ist in dem Kontaktträger 102 sowohl im Anschlussbereich 106, wie auch im Kontaktbereich 108, ein metallisches Impedanzangleichelement 112 integriert. Die jeweilige Länge, Breite und der Abstand d1 beziehungsweise d2 zu dem Kontaktelement 104 sind dabei so gewählt, dass sich ein bestimmter Wert für den Wellenwiderstand, beispielsweise 100 Ω, 50 Ω oder 120 Ω einstellt. Dabei liegt die Größenordnung dieser Abstände im Bereich einiger zehntel Millimeter und der Wellenwiderstand wird umso größer, je weiter entfernt das Impedanzangleichelement 112 von dem Kontaktelement 104 angeordnet ist.
-
Es lässt sich zeigen, dass durch die erfindungsgemäße Anordnung des Impedanzangleichelements 112 das Impedanzverhalten des Steckverbinders 100 so stark dominierend beeinflusst wird, dass eine zusätzliche den Kontaktträger umschließende Schirmung nur mehr eine untergeordnete Rolle bei der Beeinflussung des Gesamtwellenwiderstandes spielt. In der gezeigten Ausführungsform sind sowohl im Anschlussbereich 106, wie auch im Kontaktbereich 108 jeweils Impedanzangleichelemente vorgesehen. Dies muss aber nicht zwangsläufig der Fall sein, manchmal ist durch die genau definierte Form der Kontaktbuchsen oder Anschlussverbinder eine ausreichende Einstellung der Impedanz bereits gewährleistet.
-
In der gezeigten Ausführungsform ist das Impedanzangleichelement 112 jeweils als ein metallisches Stanzbiegeteil in den Kunststoff des Kontaktträgers 102 eingegossen. Diese Variante stellt eine besonders präzise herstellbare Form dar, bei der das Impedanzangleichelement 112 besonders gut und stabil an dem Kontaktträger 102 gesichert ist. Es können aber auch andere, vorzugsweise unlösbare, Verbindungsvarianten verwendet werden und insbesondere kann das Impedanzangleichelement auch an der Außenfläche des Kontaktträgers 102 in den Kunststoff gepresst oder geklemmt werden oder das Impedanzangleichelement kann im Inneren eines mehrteiligen, zusammengefügten Gehäuses gehalten sein.
-
Wie aus der Zusammenschau mit den 2 und 4 deutlich wird, können die metallischen Impedanzangleichelemente in vorteilhafter Weise auch zusätzliche Funktionen übernehmen. So sind beispielsweise an das in dem Anschlussbereich 106 befindliche Impedanzangleichelement 112 vier Board Locks 116 angeformt, die eine Klemmverbindung zu der Leiterplatte 114 herstellen. Wie bereits erwähnt, kann dadurch der Verbinder 100 auf der Leiterplatte 114 sicher fixiert werden und für die Steckvorgänge wird eine Zugentlastung auf den Anschlussverbinder 122 zur Kontaktierung der Leiterplatte 114 sicher gestellt. Sowohl im Fall, dass der Anschlussverbinder 122 als Pressfitverbinder ausgeführt ist, wie auch im Fall einer Lötverbindung kann so effektiv verhindert werden, dass Steckvorgänge den elektrischen Kontakt zur Leiterplatte verschlechtern. Nicht dargestellt ist, dass die jeweiligen Impedanzangleichelemente 112 auch entsprechende Vorsprünge haben können, die als Crimpfahnen fungieren können.
-
Weiterhin können auch Verriegelungsvorsprünge oder Federvorsprünge angeformt sein, die eine zusätzliche metallische Schirmung fixieren. In diesem Fall bildet das Impedanzangleichelement, da es elektrisch leitend mit der Schirmung verbunden ist, einen Teil der Schirmung und erlaubt eine wesentlich verbesserte Schirmung auch von der Seite der Leiterplatte her, wenn diese nachträglich hinzugefügt werden soll, ohne den Steckverbinder nochmals von der Leiterplatte lösen zu müssen.
-
Wie aus den 3 und 4 erkennbar, ist das Impedanzangleichelement 112 erfindungsgemäß parallel zu den Kontaktelementen 104 angeordnet und hat zu diesen einen genau definierten Abstand, der so gewählt ist, dass die Impedanz auf einen vorbestimmten Wert für den gegebenen Abstand der beiden Kontaktelemente 104 zueinander eingestellt ist.
-
Für manche Anwendungen kann es erforderlich sein, eine elektrisch leitfähige Abschirmung an dem Verbinder 100 anzubringen, die den Kontaktträger 102 zumindest teilweise umgibt. Die Impedanz wird durch eine solche Abschirmung zwar immer noch beeinflusst, aber da der Einfluss des metallischen Impedanzangleichelements 112 den dominierenden Effekt darstellt, entstehen hierdurch keine Probleme bezüglich der Signalqualität und die Integrität des Signals bleibt innerhalb der geforderten Grenzen. Zu beachten ist, dass eine Schirmung einen gewissen Mindestabstand zu den Kontaktelementen haben muss, damit der Einfluss der Impedanzangleichelemente 112 tatsächlich der dominierende Effekt bleibt.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verbinders 100 ist in den 5 bis 7 gezeigt. Ein wesentlicher Unterschied besteht hier in den Abmessungen der Impedanzangleichelemente 112: Im Anschlussbereich 106 ist ein erstes Impedanzangleichelement 112a länger als bei der ersten Ausführungsform, während das im Kontaktbereich angeordnete Impedanzangleichelement 112b kürzer ist. Weiterhin ist der Kontaktträger 102 bei dieser Ausführungsform im Wesentlichen einteilig und besitzt nur eine die Impedanz angleichende Abdeckkappe 124, die zum Abdecken der gewinkelten Pressfitverbinder zur Leiterplatte 114 vorgesehen ist.
-
Die erfindungsgemäßen Prinzipien wurden voranstehend stets für das Beispiel eines Ethernetanschlusses mit zwei Steckkontakten erläutert. Allerdings lassen sich derartige Impedanzangleichelemente auch für einpolige Steckverbinder oder solche mit mehr als zwei Kontakten realisieren. Dabei können entweder durchgehende Metallflächen für eine gesamte Vielzahl von Kontakten vorgesehen sein, oder aber jeweils einer definierten Gruppe von Kontakten ein separates Impedanzangleichelement zugeordnet werden.
-
Wesentlich ist, dass die erfindungsgemäßen Impedanzangleichelemente stabilisierend auf eine eingestellte Impedanz wirken, so dass es innerhalb vorgegebener Toleranzbereiche für die Signalqualität keinen Unterschied bedeutet, ob zusätzlich eine elektrisch leitende Schirmung an dem Steckverbinder
100 vorgesehen wird. Weiterhin können für die geschirmte und ungeschirmte Version bezüglich Rastermaß und Raumform exakt dieselben Verbinder verwendet werden, was insbesondere im Automobilbereich Zeit und Kosten spart. Bezugszeichen
| 100 | elektrischer Verbinder |
| 102 | Kontaktträger |
| 104 | Kontaktelemente, Kontaktbuchsen |
| 106 | Anschlussbereich der Kontaktbuchsen |
| 108 | Kontaktbereich der Kontaktbuchsen |
| 110 | Verbindungsbereich |
| 112 | Impedanzangleichelement |
| 114 | Leiterplatte |
| 116 | Board Lock |
| 118 | Rastarm |
| 120 | Rastöffnung |
| 122 | Anschlussverbinder |
| 124 | Abdeckkappe |
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102009019626 B3 [0004]
- US 6749444 B2 [0007, 0007]