Omniball® Federkontakte der neuesten Generation

Evolution - von 2D zu 3D

Produkte und Technologien entwickeln sich stetig weiter. Zwar wird das Rad auch nicht ständig neu erfunden, doch neue Materialien und Innovationen führen immer noch zu Produktverbesserungen, Kostenreduzierungen und neuen Anwendungsmöglichkeiten. So verhält es sich auch im Bereich der Verbindungskomponenten, speziell bei den Federkontakten und Federkontaktmodulen. 

Neue Versionen ermöglichen vielfältigere Lösungsmöglichkeiten

In der Vergangenheit waren Federkontakte durch Ihre zweidimensionale Bewegungsrichtung darauf beschränkt lediglich vertikale Kontaktierungen (senkrecht von oben) zu ermöglichen. Jegliche Kräfte von der Seite, wie z.B. eine sehr schräge Kontaktierung, oder drücken und ziehen über eine Oberfläche, führen in der Regel zu Beschädigungen in der Hülse und folglich zum Ausfall der Kontakte. Neue Versionen ermöglichen jetzt den Übergang von der 2-dimensionalen Verwendung in 3-dimensionale. Dies wird durch die Verwendung eine Kugel in der Spitze des Kontaktstiftes ermöglicht. Die neuen Omniball® Federkontakte von Hersteller Mill-Max ermöglichen somit eine flexible Verbindung mit Drücken und Ziehen oder Drehen über eine Kontaktfläche.

Konstruktion und technische Spezifikation

Federkontakte bestehen aus vier Komponenten, den Verschlusskappen, der Hülse, dem Kontaktstift und der Feder. Die drei erstgenannten Komponenten sind Präzisionsdrehteile aus Messing. Die Federn sind aus Berylliumkupfer oder Edelstahl. Alle Komponenten sind goldbeschichtet mit einer Nickelsperrschicht darunter. Hierdurch wird eine exzellente Leitfähigkeit und Rauschverhalten bei einem sehr niedrigen Kontaktwiderstand von nur 20mR bei eingedrücktem Stift auf Arbeitshöhe gewährleistet. Durch die Goldbeschichtung sind die Kontakte sehr korrosionsbeständig. Die Federstifte haben eine

Lebensdauer von 100.000 bis zu einer Million Kontraktionszyklen, sind auf 50G Schock und >10G Vibration getestet (gemäß IEC 60512-6 und 60068-2). Bei vielen und regelmäßigen Kontraktionszyklen liegt die optimale Arbeitshöhte bei halber bis dreiviertel Kompression des Federstiftes. Für eine einmalige Kompression kann der Federstift einiger Versionen auch mit 80-100% voll eingedrückt werden.

Warum und Wo werden Federkontakte eingesetzt

Federkontaktstifte haben gleich mehrere Vorteile. Sie stellen eine Verbindung mit nur einem Bauteil her anstatt mit zweien, wie es die meisten Steckverbinder verlangen. Ein Federkontaktstift kann einfach mit einer Kontaktstelle auf einer Gegenplatine zusammengefügt werden. Dies bedeutet weniger Teile in der Stückliste, weniger zu beschaffende Teile, weniger zu montierende Teile und weniger Teile, um deren Verfügbarkeit und Lieferung man sich kümmern muss. Sollten die Abstände zu groß sein, oder aus optischen/ästhetischen Gründen gewünscht, kann ein passender Gegenkontakt verwendet werden. Diese sind in der Regel einzeln, oder wie die Federkontakte auch, als Mehrfachmodule erhältlich.

In modernen Designs ist der Platz knapp bemessen, und es könnte durchaus sinnvoll sein, mehrere Platinen zu stapeln, um das verfügbare Volumen bestmöglich auszunutzen. Bei vertikaler Stapelung der Platinen sind Stapeltoleranzen zu berücksichtigen, die bei Verwendung von Federkontakten bestmöglich ausgeglichen werden können. Beim Verwenden von traditionellen Stecksystemen besteht diese Möglichkeit durch die Starrheit in der Regel nicht. Damit sind Stapeltoleranzprobleme mit Federkontakten praktisch ausgeschlossen. Herkömmliche Steckverbinder benötigen zudem eine präzise Ausrichtung beim Stecken, da eine Fehlausrichtung zu einer fehlerhaften Verbindung oder einer Beschädigung der Komponenten führen kann. Dies entfällt bei Federkontakten, die eine genügend große „Landefläche“ auf der Gegenseite kontaktieren und somit Stecktoleranzen bestens verzeihen. Damit sind auch schwer einsichtige Kontaktierungen, sogenannte Blindkontaktierungen mit Federkontakten möglich. In Systemen, in denen Schock oder Vibration ein Thema sind, zählen Federkontakte ebenfalls zu den bevorzugten Lösungen gegenüber klassischen Steckern, die auseinanderreißen könnten.

Die Variantenvielfalt wächst ständig, getrieben durch immer neue Anwendungsfälle und Bedürfnisse der Kunden. Diese reicht von sehr dünnen Versionen für Module mit 1,27mm Raster, oder sehr flache Versionen mit ca. 0.3mm Arbeitshöhe über der Leiterplatte bis hin zu neuen Versionen mit langen Federwegen (3mm) oder Leistungen von 2A bis 12A. Die Ausführungen sind mit Lötpin, SMD, mit Lötkelch oder Crimp in horizontalen oder vertikalen Versionen für die direkte Leiterplattenmontage, in einem Kunststoffkörper, oder kundespezifisch in FR-4 Material eingepresst erhältlich. Die neuesten Versionen werden im Folgenden Abschnitt vorgestellt.

Omniball® Federkontakte ermöglichen vielfältige Einsatzmöglichkeiten

Durch die Kugel in der Kontaktspitze sind bei diesen Federkontakten die übliche Einpressbewegungen in Verbindung mit Zieh- oder Drehbewegungen möglich. Durch die spezielle Konstruktion wird eine optimale elektrische und mechanische Zuverlässigkeit gewährleistet. Es gibt Versionen mit SMD-Pad, mit Lötpin in unterschiedlichen Längen für unterschiedlich dicke Leiterplatten, für die Kontaktierung mit der Leiterplatte, oder mit Lötkelch für Kabelanbindung bis zu 20AWG. Die Lötkelchversion hat zudem ein Rändel zum Einpressen in Leiterplatten, oder für kundenspezifische Lösungen in FR-4 Leiterplattenmaterial. Alle Versionen haben in der Hülse eine Phase mit der die Stifte ebenfalls eingepresst werden können. Siehe hierzu Abbildung 3. Die einzelnen Kontakte sind auch in einreihigen oder doppelreihigen Modulen mit seitlichen Führungsstiften und Schraubeinstätzten erhältlich (Abbildung 4). Die Einzelkontakte in den Modulen haben eine Höhe von 6.76mm, wahlweise SMD Kontakte oder Lötpins. Die Module haben ein Raster von 4mm und sind einreihig mit 2-10 und doppelreihig von 4-20 Positionen erhältlich.

Die Omniball® Kontakte haben einen maximalen Federweg von 0.762mm, alle Komponenten sind vergoldet und die Langlebigkeit wurde mit bis zu einer Million Kontraktionszyklen getestet. Die Kugel „rollte“ bei den Tests über 108km bei halb eingedrücktem Federweg und der Kontaktwiderstand lag danach immer noch bei maximal 20mR, die Strombelastbarkeit bei 5.5A (bei einer Erhöhung der Temperatur um 30°C) sowie eine Federspannkraft von 55g bei Mittelstellung.

Omniball® Kontakte sind ideal geeignet für Anwendungen, die neben dem zusammendrücken auch eine Schiebe- oder Rotationsbewegung benötigen, so z.B. bei „twist and lock“ Kabelverbindern, in intelligenten Kameralinsenverschraubungen, Dockingstationen, Schnellverbindern, oder Blindkontaktierungen an schlecht zugänglichen Orten.

Verwendung von Federkontaktmodulen ohne Löten

Verbindungen ohne Löten sind mit doppelseitig gefederten Federkontakten möglich. Die einreihigen Module verwenden größere Federkontakte mit 10A Leistung und haben ein Rastermaß von 4mm bei zwei bis sechs Positionen. Optionale Führungszapfen ermöglichen eine einfache und sichere Platzierung der Module. Befestigt werden die Module mithilfe der seitlichen Gewindeeinsätze (metrisch oder US Maß), oder individuell ohne diese Einsätze. Löten entfällt und ein schneller Austausch im Wartungs- oder Reparaturfall ist gewährleistet. 

Eine noch sicherere Verbindung durch Magnete

Die neueste Innovation bei Federkontaktmodulen ist die Verwendung von Magneten.  Die einreihigen Module, die im vorherigen Abschnitt ohne Löten vorgestellt wurden, verwenden anstatt der Schraubeinsätze Magnete für eine sichere Verbindung mit den passenden Gegenkontaktmodulen. Beide Seiten sind mit langlebigen Neodym Magneten (NdFeB) ausgestattet, die eine Kontaktkraft von 636g aufweisen. Auf diese Weise fügen sich die beiden Seiten ab einem Abstand von 12.7mm passgenau und selbständig aneinander (Abbildung 8). Die Federkontaktseite hat Lötpins für die Montage auf der Platine, die Gegenseite hat rückseitig Lötkelche für Kabel bis 16AWG. Die konkav geformten Gegenkontakte sind im Gehäuse versenkt, so dass stets eine optimale Kompression der Federkontakte gewährleistet ist und keine weiteren mechanischen Abstandshalter nötig sind. Durch diese Konstruktion werden Fehler im Gebrauch minimiert und Überkompression der Feder, weil immer der optimale Abstand gewährleistet ist. Für Anwendungen, die schwer zugänglich sind, oder etwa bei medizinischen Anwendungen, bei denen im Notfall die Verbindung abrupt getrennt werden muss, sind diese neuen Versionen optimal.

Fazit

Neue Anwendungen, findige Entwickler beim Kunden und in den R&D Abteilungen der Hersteller ermöglichen immer neue Produkte, die, wie die neuen Omniball® Federkontakte zeigen, sogar neue Dimensionen erschließen können.