Federkontakte – kleine Kraftpakete mit bis zu 15A

PC & Industrie 04/2023
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Federkontakte – hohen Integrationsdichte und sehr kleine Bauweise

Federkontakte sind in der heutigen Elektronik nicht mehr wegzudenken. Mit ihrer hohen Integrationsdichte und sehr kleinen Bauweisen erleichtern sie die Montage und senken dadurch erheblich die Kosten. Besonders in der Kommunikationstechnik, wo schlanke und designorientierte Bauweisen gefragt sind, sind Federkontaktstifte die erste Wahl. Sie reduzieren die manuelle Arbeitszeit und eröffnen Industriedesignern und Ingenieuren neue Gestaltungs- und Anordnungsmöglichkeiten.

Die Federkontakte werden zur Strom- und Datenübertragung eingesetzt und können Stromstärken von bis zu 15A pro Pin bewältigen. Sie haben einen hohen Toleranzbereich und eignen sich besonders für die Kontaktierung von unebenen Oberflächen. Dabei haben sie eine lange Lebensdauer von mindestens 10.000 Zyklen. Die Kontaktierung erfolgt durch Antastung eines federunterstützten Stiftes und ermöglicht temporäre elektrische Verbindungen zwischen zwei Geräten. Im Gegensatz zu anderen Steckverbindern im Stanzverfahren benötigen Federkontakte keine Form und werden mit hochpräzisen Drehmaschinen hergestellt, was sie relativ kostengünstig macht.

Aufbau eines Federkontaktes

Ein Kontaktstift besteht aus einem Kolben, einer Feder und einer Stifthülse. Standardmäßig sind Kolben und Stifthülse aus Messing und die Federn aus Edelstahl gefertigt. Kolben und Stifthülse werden zusätzlich mit Gold beschichtet, um eine exzellente elektrische Leitfähigkeit sowie einen hohen Schutz vor Korrosion und Oxidation zu bieten. Optional stehen weitere Materialien wie Nickel, Palladium-Nickel, Messing und Palladium Cobalt in silber und schwarz zur Auswahl, um die Anforderungen spezieller Applikationen zu erfüllen. Dabei sind auch partiell unterschiedliche Beschichtungen der einzelnen Teile möglich.

Right Angle Design Stecker mit Super AP Beschichtung
platzsparender Right-Angle Konnektor mit partieller Super-AP Beschichtung

Sonderbeschichtung

Besonders für Wearables ist die Super AP Beschichtung von großem Interesse. Diese Beschichtung ist äußerst widerstandsfähig gegen elektrolytische bzw. galvanische Korrosion und weist einen sehr geringen Widerstand auf. Im Vergleich zu herkömmlichen Goldbeschichtungen ist die Super AP Beschichtung doppelt so widerstandsfähig gegen Salzwasser, fünfmal resistenter gegen Transpiration und sogar um den Faktor 30 widerstandsfähiger gegen Elektrolyse. Elektrische Kontakte werden somit effektiv vor Korrosion durch Schweiß oder Feuchtigkeit geschützt.

Wearable-Produkte, wie Fitness-Tracker, Smartwatches oder Herzfrequenzmesser, werden oft in Umgebungen verwendet, in denen sie mit Schweiß und Feuchtigkeit in Berührung kommen. Die Super AP Beschichtung minimiert die Korrosion der elektrischen Kontakte und sorgt für eine lange Lebensdauer und eine effektive Funktionsweise der Geräte.

Aufbau Federkontakt
Design Varianten von Federkontakten: Back Drill Design, Bias Design, 4P Design mit Ball, 4P Design mit Cap

Designvarianten von Federkontakten

Federkontakte gibt es in verschiedenen Längen von 1mm bis 41mm. Bei kleineren Bauweisen wird das innovative Back Drill Design angewendet, um die gewünschte Federkraft zu erreichen. Hierbei ist die eingesetzte Feder länger als der hohle Kolben. Ab einer Länge von 3,5mm wird standardmäßig das Bias Design angewendet, bei dem der Kolben an seinem Ende in einem Winkel von bis zu 18° angeschrägt wird. Dies garantiert einen 100%igen Kontakt mit der Stifthülse und reduziert Signalstörungen durch Vibrationen.

Für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Stromtragfähigkeit und Vibrationsbeständigkeit (>3A) wird das Bias Design um das 4P-Design ergänzt. Hierbei wird der Kolben, die Druckfeder und die Hülse um einen Edelstahlball als vierte Komponente ergänzt, um das Verglühen der Druckfeder durch zu geringe Lateralkräfte bei hohen Strömen zu verhindern. Alternativ kann auch eine Kappe eingesetzt werden.

Bei Hochstrom-Anwendungen ab 5A wird das 4P-Design mit Kappe eingesetzt. Hierbei wird die Hülle des Kolbens zusätzlich verstärkt und eine spezielle Struktur im Inneren des Federkontakts erhöht den Kontaktbereich.

Die Federkraft variiert je nach Federkontakttyp zwischen 25 und 400 g. Für eine stabile Signalübertragung wird eine Mindest-Federkraft von 60 g, für eine effiziente Stromübertragung von 110 g empfohlen. Je höher die Federkraft, desto besser wird der Kolben gegen die Gehäusewand gedrückt und ermöglicht einen stabilen Stromfluss. Die Standardbetriebstemperatur der Federkontakte liegt bei -40° bis +85°. Bei Verwendung spezieller Werkstoffe kann der Einsatzbereich langfristig auf bis zu 150°C erweitert werden.

Rolling Head, Federkontakt mit Ball Spitze
Rolling Pins für 360° Rotationen

Spezielle Designvarianten für individuelle Konstruktionen

Die Auswahl an verschiedenen Anschlussarten wie SMD, THT, Crimp- und Lötkelch sowie Designvarianten wie dem Rolling Pin oder dem Screw Pin ermöglicht eine hohe Gestaltungsfreiheit bei der Konstruktion. Der Lötkelch erlaubt beispielsweise eine direkte Kabelkontaktierung mit Feder- und Gegenkontaktierung. In Kombination mit einem passenden Steckgehäuse ist eine einfach zu realisierende, verdrahtete, federbelastete Schnittstellenlösung möglich.

Reguläre Federkontaktstifte sind für vertikale Bewegungen ausgelegt. Federkontakte im Rolling-Pin Design haben eine integrierte Kugel in der Pin-Spitze und ermöglichen fortwährende Kontaktierung in bis zu 360° Drehungen. Um einen 100% Kontakt des Kolbens mit der Stifthülse zu garantieren und Übertragungsstörungen aufgrund von Vibrationen signifikant zu reduzieren, ist der Rolling-Pin auf Basis des Bias-Designs konstruiert. Diese Pins sind derzeit mit einem Nennstrom von 1A-6A erhältlich.

Screw Pin, Federkontakt mit Schraubgewinde
Screw Pin, Federkontakt mit Schraubgewinde

Federkontakte im Screw- oder Right Angle Design: eine Option für kleine Geräte

Wenn Geräte eine Kontaktierung auf sehr kleinem Raum erfordern, sind Federkontakte im Screw- oder Right Angle Design eine Option. Federkontakte im Screw Design haben ein integriertes Schraubgewinde und können platzsparend in eine Leiterplatte geschraubt werden. Right Angle Kontakte hingegen werden direkt bündig auf die Leiterplatte gesetzt. Double-Ended Federkontakte sind eine weitere Designoption und bieten an beiden Enden einen federbelasteten Kontakt. Mit ihnen können temporäre oder dauerhafte Verbindungen zwischen zwei Leiterplatten hergestellt werden. Da es nur eine Hülse gibt, wird zudem das Material und das Gewicht reduziert.

Stecker auf Federkontaktbasis: einfach zu realisieren

Die Realisierung von Steckern auf Federkontaktbasis ist sehr einfach. Mehrere Federkontaktstifte können in einem Kunststoffgehäuse zu einem Federkontakt-Konnektor zusammengefügt werden. Diese Steckverbinder können kundenspezifisch in Bezug auf Rastermaß, Pin-Anzahl und Gehäuseabmessung angepasst werden. Es gibt keine maximale Anzahl von Federkontaktstiften in einem Steckverbinder, so dass auch mehrreihige Lösungen möglich sind, insbesondere wenn hohe Ströme übertragen werden sollen. Der Mindest-Pinabstand variiert je nach Größe und Leistung des Federkontaktstifts. Ein möglicher Pinabstand (Pitch) liegt bei 2,54 mm. Aufgrund der Vielzahl an Federkontakten können auch besonders kleine Steckverbinder, wasserdichte Lösungen bis IP68, spezielle Lösungen für Hochstrom Anwendungen und magnetische Steckverbinder realisiert werden.

Stecker auf Federkontaktbasis Stecker auf Federkontaktbasis

Magnetische Stecker

Im Gegensatz zu herkömmlichen Stecksystemen, die für eine optimale Verrieglung eine gewisse Einstecktiefe benötigen, können magnetische Stecksystem auf Basis von Federkontakten mit einem sehr flachen und planen Design umgesetzt werden. Die Implementierung von Magneten sorgt für eine selbstführende, sowie schock- und vibrationsbeständige Verbindung von Stecker und Gerät. Dies macht die Anwendung sehr einfach und komfortabel, gerade bei schwierigen oder kleinen Einbausituationen.

Durch die Polung der Magnetewird ein falsches Anschließen ausgeschlossen, was eine hohe Kontakt- und Funktionssicherheit gewährleistet. Zudem kann die Magnetkraft durch verschiedene Zusammensetzungen an die jeweilige Anforderung eingestellt und die Grenzwerte empfindlicher Geräte, gerade in der Medizintechnik, ausreichend berücksichtig werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Steckern, ist die Beanspruchung beim Kontaktieren und der damit einhergehende Verschleiß der Buchse bei magnetischen Steckern minimal. Für eine sichere Kontaktierung reicht bereits eine Einbautiefe von wenigen Millimetern. Versieglungen mit Elastomer-Materialien oder das direkte umspritzen des Steckers mit Kunststoff, sorgen für ein System, das sehr gut gereinigt und desinfiziert werden kann. Dabei sind sogar Schutzklassen bis IP68 für Tauchdesinfektionen möglich.

Weiterer Vorteil einer direkten Implementierung bzw. umspritzten Systemlösungen ist, dass Montagezeiten und -kosten erheblich verringert werden können. Auch die Gefahr eindringender Feuchtigkeit und Schmutz ins Innere des Gerätes wird nahezu eliminiert. Prototypen eines individuelle Magnetsteckers können Mittels 3D-Druck und manueller Weiterverarbeitung recht einfach für erste Verbauproben und dem testen der Magnetkraft realisiert werden.

Magnetstecker mit Federkontakten
Kundenspezifischer Magnetstecker mit Federkontakten

 

Konstruktion und Fertigung aus einer Hand

Unsere Experten im Produktdesign sind Ihr Partner für maßgeschneiderte Magnetstecker. Wir bieten eine umfassende Konstruktion und Entwicklung von individuellen Steckverbindern aus einer Hand. Dabei beraten wir Sie gerne bei der Auswahl der optimalen Materialien und stehen Ihnen mit unserer Erfahrung zur Seite.

In unserem Federkontakt-Produktbereich haben wir eine breite Palette von über 300 verschiedenen Standard-Pins, die wir passend zu Ihrer Anwendung auswählen und in maßgeschneiderten Steckverbindern einbauen können. Wir bieten auch kundenspezifische Anpassungen der Federkontakte an, um sicherzustellen, dass sie perfekt zu Ihren spezifischen Anforderungen passen.

Für die automatisierte Leiterplattenbestückung können nahezu alle Federkontakte mit einer Kappe geliefert werden. Dadurch wird eine schnellere Montage und ein einfacheres Handling ermöglicht. Wir stellen sicher, dass die Qualität und Leistung unserer Steckverbinder höchsten Standards entsprechen und die Bedürfnisse unserer Kunden erfüllen.

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