DE102015116134A1

DE102015116134A1 - Steckverbindung

Info

Publication number: DE102015116134A1
Application number: DE102015116134.6A
Authority: DE
Inventors: Gert HAVERMANN
Original assignee: Harting Electric GmbH and Co KG
Current assignee: Harting Electric Stiftung and Co KG
Priority date: 2015-09-24
Filing date: 2015-09-24
Publication date: 2017-03-30
Also published as: US10541496B2; WO2017050316A1; EP3353905A1; CN108141250A; US20180212365A1

Abstract

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Steckverbindung anzugeben, welche die Signalintegrität insbesondere bei hohen Datenraten und einer großen Zahl von Steckzyklen preisgünstig gewährleistet. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zwischen den Pinkontakte (1) eines Steckers und den Buchsenkontakte (2´) eines Gegensteckers jeweils ein Dielektrikum (21´) angeordnet ist, um zwischen ihnen eine galvanische Trennung sowie eine kapazitive Verbindung zu gewährleisten. Dadurch kann die angeschlossene Schaltungselektronik vereinfacht werde. Es kann ein Koppelkondensator eingespart werden und die Impedanzanpassung kann über die geometrische Anordnung der Kontakte (1, 2´) erfolgen. Insbesondere ist vorgesehen, dass mehrere verschiedene Steckverbindungen mit unterschiedlichen Eigenschaften, insbesondere mit unterschiedlichen Impedanzen und Kapazitäten, zur Auswahl bereitgestellt werden. Entsprechend dem Übertragungsprotokoll des zur Übertragung vorgesehenen Signals kann die Auswahl der geeigneten Übertragungseigenschaften dann über die Auswahl einer geeigneten Steckverbindung erfolgen.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Steckverbindung nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
Derartige Steckverbindungen werden beispielsweise im Bahnbereich benötigt, um innerhalb sogenannter Zugkopplungen zwischen einzelnen Wagons Signale, insbesondere hochfrequente digitale Signale, zu übertragen.
Stand der Technik
Im Bereich hoher Datenraten, z.B. im Frequenzbereich von 1 GHz und mehr, werden insbesondere innerhalb von Zugkopplungen häufig Steckverbinder eingesetzt, die beispielsweise zwischen den einzelnen Wagons eines Zuges entsprechend hochfrequente digitale Signale übertragen.
Eine grundsätzliche Schwierigkeit besteht darin, dass konventionellen Steckverbinderkontakten, die zur Übertragung solch hoher Datenraten, also von z.B. 1 GHz und mehr, geeignet sind, in der Regel die nötige Robustheit für den Einsatz in solchen Zugkopplungen fehlt. Weiterhin wird gerade für Zugkopplungen von den Bahngesellschaften eine besonders hohe Zahl von Steckzyklen gefordert, die mit solchen Kontakten nur sehr schwer zu erfüllen ist.
Die Druckschrift DE 20 2013 006 512 U1 beschreibt eine elektrische Zugkopplung mit Übergabekontakten, die sich dadurch auszeichnet, dass sie eine auswechselbare Wechseleinheit besitzt, durch deren mehrfache Auswechslung z.B. 150000 Steckzyklen und mehr problemlos erreichbar sind.
Die Druckschrift EP 2 093 122 B1 beschreibt eine drahtlose Kommunikation zwischen Zugteilen über eine WLAN-Kopplung.
Die Druckschrift WO 2012 034 630 A1 offenbart eine magnetische Elektrokupplung für Eisenbahnen, umfassend ein erstes und ein zweites Kupplungsteil, die jeweils einen Träger aufweisen, in dem mehrere Koppelteile angeordnet sind, mit denen eine elektrische, pneumatische und/oder hydraulische Kopplung von einem Kupplungsteil zum anderen Kupplungsteil hergestellt werden kann. Weiterhin ist mindestens eine Hochfrequenzkopplung vorgesehen, die durch eine gekapselte Antenne in dem einen Kupplungsteil und eine gekapselte Antenne in dem anderen Kupplungsteil gebildet ist.
All diese Vorrichtungen besitzen den Nachteil, dass ihre Herstellung aufwendig und mit entsprechenden Kosten verbunden ist. Die erstgenannten konventionellen galvanischen Verbindungen benötigen im Signalweg eine Impedanzanpassung und weiterhin zumindest eine kapazitive Entkopplung, insbesondere zum Schutz der jeweils angeschlossenen Elektronik und gegebenenfalls noch weitere Schutzschaltungen wie z.B. ESD-Schutzdioden oder Varistoren zur Strombegrenzung. Die drahtlosen Verbindungen sind in der Regel noch aufwendiger, denn sie benötigen üblicherweise ein Modulations-Demodulationseinrichtungen sowie dazugehörige Antennen.
Aufgabenstellung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Steckverbindung anzugeben, welche die Signalintegrität insbesondere bei hohen Datenraten und auch über eine hohe Zahl von Steckzyklen mit einer hohen Resistenz gegen schädliche Umwelteinflüsse wie z.B. Verschmutzung und Feuchtigkeit preisgünstig gewährleistet.
Die Aufgabe wird mit einer Steckverbindung der eingangs erwähnten Art durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Steckverbindung umfasst einen Stecker und einen Gegenstecker, wobei der Stecker mehrere elektrisch leitfähige Pinkontakte besitzt und der Gegenstecker mehrere dazugehörige elektrisch leitfähige Buchsenkontakte besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass im gesteckten Zustand zwischen den einzelnen Pinkontakten des Steckers und den dazugehörigen Buchsenkontakten des Gegensteckers jeweils mindestens ein Dielektrikum angeordnet ist, um den jeweiligen Pinkontakt und die dazugehörigen Buchsenkontakt galvanisch zu trennen und zwischen ihnen eine kapazitive Verbindung zu gewährleisten.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung dient dazu, hochfrequente digitale Signale steckbar zu übertragen, und dabei gleichzeitig für die angeschlossene Elektronik eine Schutzfunktion, z.B. die Funktion eines Koppelkondensators, zu erfüllen und alternativ oder ergänzend für eine geeignete Impedanzanpassung zu sorgen. Die Übertragungseigenschaften der Steckverbindung können sich dabei an den Übertragungsprotokollen der zu übertragenden Signale orientieren.
Weiterhin ist durch den Einsatz der Dielektrika auch aufgrund der damit verbundenen Vermeidung oder zumindest Verringerung des Abriebs der Kontaktoberflächen eine hohe Anzahl von Steckzyklen gewährleistet.
Vorteilhafterweise besitzen die Kontakte, d.h. die Pinkontakte und die Buchsenkontakte, jeweils einen Kabelanschlussbereich und einen Steckbereich. Somit kann es weiterhin vorteilhaft sein, wenn die Dielektrika den jeweiligen Kontakt, d.h. den jeweiligen Pinkontakt und/oder die jeweilige Buchsenkontakt, zumindest in deren jeweiligem Steckbereich im Wesentlichen umschließen, weil dadurch insbesondere in diesem besonders sensiblen Bereich ein besonders guter Korrosionsschutz gewährleistet ist. Der Begriff „im Wesentlichen umschließen“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der jeweilige Kontakt in seinem Steckbereich gegenüber seiner Umgebung vom jeweiligen Dielektrikum umschlossen ist, d.h. der bevorzugt zylindrische Pinkontakt außenseitig und die bevorzugt hohlzylindrische Buchsenkontakt sowohl innen- als auch außenseitig mit dem dielektrischen Material beschichtet ist; die naturgemäß vorhandene elektrisch leitende Verbindung des bevorzugt einstückigen Kontakts zu seinem jeweiligen Kabelanschlussbereich bleibt selbstverständlich erhalten, d.h. sie ist natürlich nicht von dem Dielektrikum unterbrochen.
Durch den Einsatz der Dielektrika und der damit verbundenen galvanischen Entkopplung zwischen dem Buchsenkontakt und dem damit gesteckten Pinkontakt kann bei der Anwendung insbesondere auch die angeschlossene Schaltungselektronik vereinfacht werden. Es können dadurch beispielsweise Koppelkondensatoren und/oder andere Bauteile, die üblicherweise zum Schutz der Elektronik vorgesehen sind, beispielsweise ESD-Schutzdioden und/oder Varistoren zur Strombegrenzung, eingespart werden. Üblicherweise werden gerade solche Bauteile im Bereich der Eisenbahn verwendet, um die entsprechende Elektronik z.B. vor Überspannungen zu schützen, deren Übertragung durch die vorliegende Erfindung wirkungsvoll und preiswert unterdrückt werden kann.
Ergänzend oder alternativ zu dieser Schutzfunktion kann weiterhin auch eine Impedanzanpassung gemäß der vorliegenden Erfindung über die geometrische Anordnung der Kontakte, d.h. der Pin- und Buchsenkontakte, folgendermaßen erfolgen: Es kann mindestens ein Signalausgang und/oder mindestens en Signaleingang einer primärseitigen Elektronik, z.B. über eine elektrische Leitung, elektrisch leitend mit dem Kabelanschlussbereich jeweils eines Pinkontaktes des Steckers fest verbunden, beispielsweise verlötet oder vercrimpt, sein. Weiterhin kann mindestens ein Signaleingang und/oder ein Signalausgang einer sekundärseitigen Elektronik auf gleiche Weise elektrisch leitend mit dem Kabelanschlussbereich jeweils eines entsprechenden Buchsenkontaktes verbunden sein. Dann kann eine im gesteckten Zustand zwischen dem Pinkontakt und dem Buchsenkontakt entstehende Kapazität über die konkrete Ausführung des mindestens einen Dielektrikums, beispielsweise über seine jeweilige Stärke und/oder sein Material, bereits bei der werksseitigen Herstellung des Steckers und des Gegensteckers festgelegt sein.
Die Impedanz dieser Steckverbindung ist ebenfalls bereits bei deren Herstellung insbesondere über die konkrete geometrische Anordnung bestimmter Kontakte, d.h. bestimmter Pinkontakte und Buchsenkontakte, einstellbar und ist somit nach dem Herstellungsprozess für diese Steckverbindung fest vorgegeben. Dazu werden die Pinkontakte und die Buchsenkontakte jeweils in dazugehörigen Isolierkörpern angeordnet, die ebenfalls aus einem dielektrischen Material mit einer Dielektrizitätskonstanten ε_r bestehen.
Das übertragbare Frequenzband kann sowohl über diese Kapazität als auch über die Impedanz eingestellt werden. Diese Größen können somit bereits werkseitig bei der Herstellung der entsprechenden Steckverbinder festgelegt werden, so dass diese Übertragungseigenschaften einer bestimmten Steckverbindung für einen Benutzer vorgegeben sind.
Dementsprechend sieht die Erfindung vor, eine Vielzahl von Steckverbindungen herzustellen und anzubieten, die jeweils eine bestimmte Kapazität und Impedanz besitzen und jeweils für einen bestimmten Übertragungsbereich vorgesehen sind.
Für unterschiedliche Anwendungen kann somit von einem Benutzer, z.B. anhand eines dazugehörigen Datenblatts, eine für seine jeweilige Anwendung geeignete Steckverbindung ausgewählt werden.
Dazu ist es besonders vorteilhaft, zylindrische Pinkontakte oder zumindest im Wesentlichen zylindrische Pinkontakte und hohlzylindrische Buchsenkontakte, oder zumindest im Wesentlichen hohlzylindrische Buchsenkontakte, zu verwenden, weil dies die Konzeption der Anordnung erheblich vereinfacht. Der Begriff „Im Wesentlichen“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Pinkontakte zumindest einen zylindrischen Steckbereich besitzen und dass die Buchsenkontakte zumindest einen hohlzylindrischen Steckbereich besitzen, wobei diese Bereiche an ihren Enden auch abgerundet sein können.
Alternativ oder ergänzend ist es dazu weiterhin vorteilhaft, zumindest einige der Kontakte in regelmäßigen Abständen zueinander in einer Matrix anzuordnen, weil auch dies die Berechenbarkeit der Impedanz erheblich verbessert. Insbesondere können dabei einige der Kontakte das Massepotential der jeweiligen Elektronik besitzen und beispielsweise durch ihre geometrische Anordnung im äußeren Bereich der jeweiligen Matrix zur Schirmung weiterer, in einem inneren Bereich der Matrix angeordneter Kontakte sowie der durch sie übertragenen Signale eingesetzt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, dass auf diese Weise die Übertragungseigenschaften, insbesondere die Kapazität und die Impedanz der Steckverbindung, an bestimmte Übertragungsanforderungen der zu übertragenden Signale insbesondere über den gesamten Signalweg angepasst werden können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung können, wie oben bereits angedeutet, herstellerseitig mehrere verschiedene erfindungsgemäße Steckverbindungen mit unterschiedlichen Übertragungseigenschaften für verschiedene Signale bereitgestellt werden. Insbesondere ist vorgesehen, dass mehrere verschiedene Steckverbindungen mit unterschiedlichen Impedanzen und Kapazitäten, zur Auswahl bereitgestellt werden. Entsprechend dem jeweils vorgesehenen Übertragungsprotokoll kann dann durch den Benutzer beim Einsatz je nach Bedarf die Auswahl einer geeigneten Steckverbindung erfolgen, um so die entsprechenden Übertragungseigenschaften zu gewährleisten. Beispielsweise können die zur Übertragung vorgesehenen Signale standardisierten digitalen kabelgebundenen Übertragungsprotokollen genügen, also beispielsweise den Spezifikationen von PCIe; RapidI/O, Ethernet, oder Displayport oder ähnlichen Protokollen entsprechen.
In jedem Fall ist es von Vorteil, dass der Verschleiß des Kontaktmaterials der Pinkontakte und der Buchsenkontakte, insbesondere deren Kontaktbeschichtung, durch den Einsatz des Dielektrikums verringert wird. Dadurch kann insbesondere auch die Verwendung teurer Edelmetalle, z.B. in Form einer Goldbeschichtung der Kontakte, verringert oder gar vermieden werden.
Dies gilt besonders für diejenigen Kontakte, an denen das Dielektrikum aufgebracht, z.B. angespritzt, ist. Somit ist es besonders vorteilhaft, wenn sowohl die Pinkontakte als auch die Buchsenkontakte jeweils mit einem Dielektrikum versehen sind. Dazu können sowohl die bevorzugt zylindrische Pinkontakte zumindest in ihrem Steckbereich mit einem Dielektrikum ummantelt als auch die Buchsenkontakte ebenfalls mit dielektrischem Material zumindest in ihrem Steckbereich zumindest innenbeschichtet und bevorzugt auch ummantelt sein. Vorteilhafterweise ist ein solcher Pinkontakt dann im gesteckten Zustand in seiner Position gegenüber dem Buchsenkontakt geeignet positioniert, um die angestrebte Kapazität über beide Dielektrika zu gewährleisten.
Dies ist, wie bereits erwähnt, besonders vorteilhaft, weil so auf galvanische Kontaktmaterialien verzichtet werden kann, was insbesondere aufgrund der Hochpreisigkeit entsprechender Materialien, insbesondere Gold, eine Kostenersparnis bedeutet. Das Dielektrikum kann so schließlich im Kontaktbereich auch einen ausreichenden Korrosionsschutz bieten. Lediglich der weniger sensible Kabelanschlussbereich des Kontaktes, der dafür vorgesehen ist, an ein Datenkabel angeschlossen zu werden, benötigt gegebenenfalls noch einen weiteren Korrosionsschutz, z.B. in Form einer herkömmliche Beschichtung.
Vorteilhafterweise können auch herkömmliche Kontakte durch den Einsatz erfindungsgemäßer Gegenkontakte geschont werden. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung kann beispielsweise die Beschichtung, insbesondere eine Goldbeschichtung eines herkömmlichen, bevorzugt zylindrischen Pinkontakte, einen wesentlich geringeren Abrieb erfahren, wenn in der Buchsenkontakt, mit welcher dieser Pinkontakt verwendet wird, zumindest innenseitig ein bevorzugt hohlzylindrisches Dielektrikum angeordnet ist. Umgekehrt kann in einer anderen Ausgestaltung auch eine herkömmliche, d.h. eine z.B. goldbeschichtete, aber nicht dielektrisch innenbeschichtete, Buchsenkontakt einen geringeren Verschleiß erfahren, indem sie mit einem dielektrisch außenbeschichteten Pinkontakt verwendet wird.
Somit bewirken all diese Möglichkeiten einen geringeren Verschleiß der Kontaktoberflächen, und bereits aus diesem Grund eine deutliche Kostenersparnis sowie eine Erhöhung der Anzahl möglicher Steckzyklen.
Schließlich bedeutet eine höhere Zahl von möglichen Steckzyklen auch, dass im Betrieb weniger Wartungsarbeiten vorgenommen werden müssen, was somit nicht nur die Herstellung sondern auch den Betrieb der Steckverbindung vereinfacht und verbilligt und entsprechende Ausfallzeiten vermeidet oder zumindest verringert.
Für die mechanische Stabilität und die präzise Einhaltung einer vorgegebenen Kapazität ist es vorteilhaft, wenn das mindestens eine Dielektrikum den jeweiligen Pinkontakt mit der dazugehörigen Buchsenkontakt im gesteckten Zustand mechanisch verbindet. Ist sowohl der Pinkontakt als auch die Buchsenkontakt jeweils mit einem Dielektrikum beschichtet, so können diese beiden Dielektrika vorteilhafterweise miteinander in mechanischem Kontakt stehen. Dadurch wird schließlich auch der Abstand zwischen dem Pinkontakt und der Buchsenkontakt mit ausreichender Genauigkeit festgelegt.
Durch minimale Unregelmäßigkeiten in den Oberflächen dieser Dielektrika kann naturgemäß zwischen dem Dielektrikum der Pinkontakte und dem Dielektrikum der Buchsenkontakte an einigen Stellen ein geringfügiger Luftspalt entstehen, der beispielsweise zur Steckbarkeit des Pinkontakts mit dem Buchsenkontakt notwendig ist. Dadurch wird die Kapazität dieser Übertragung jedoch nicht merklich verfälscht, zum einen, weil diese Unregelmäßigkeiten eine nur geringfügige Abstandsänderung verursachen, die weniger stark ins Gewicht fällt, zum anderen, weil ein insbesondere zylindrischer Pinkontakt in einem hohlzylindrischen Buchsenkontakt durch eine geringfügige Abweichung von seiner zentralen Position sich zwar von einem Teil der Buchse etwas entfernt, aber ebenso in einem gegenüberliegenden Bereich derselben Buchse dadurch automatisch annähert, so dass die Auswirkung geringfügigen Unregelmäßigkeiten der Oberflächen der Dielektrika auf die Kapazität zwischen dem Pinkontakt und dem Buchsenkontakt und auf die damit verbundenen elektronischen Übertragungseigenschaften in guter Näherung vernachlässigt werden kann.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist die Steckverbindung, wie zuvor bereits angedeutet, eine Matrix von Kontakten auf, welche geometrisch außen liegende und geometrisch innen liegende Kontakte besitzt, wobei die außen liegenden Kontakte elektrisch leitend an die Masse der jeweiligen Elektronik angeschlossen sind und so der Schirmung der innen liegenden Kontakte dienen. Beispielsweise kann der Stecker sechzehn Pinkontakte besitzen, die in regelmäßigen Abständen in einer Matrix von vier Zeilen und vier Spalten angeordnet sind, wodurch eine Gruppe zwölf äußerer und eine weitere Gruppe vier innerer Pinkontakte gebildet sind. Dann weist auch der Gegenstecker äußere und innere Buchsenkontakte auf, die entsprechend, also z.B. in regelmäßigen Abständen in einer quadratischen Matrix von vier Zeilen und vier Spalten angeordnet sind, wodurch insbesondere auch zwölf äußere Buchsenkontakte und vier innere Buchsenkontakte gebildet sind.
Besonders vorteilhaft ist es, dass vier innere Kontakte, also zwei Kontaktpaare, gebildet sind, weil diese dann sowohl ein differentielles Signal als auch ein differentielles Rücksignal führen können. Diese inneren Kontakte können geometrisch in einem quadratischen Muster angeordnet sein, wobei die beiden zu einem differentiellen Paar gehörenden Kontakte zu einander jeweils diagonal angeordnet sind, um das gegenseitige Übersprechen mit den Kontakten des jeweils anderen Paars zu minimieren.
Vorteilhafterweise sind die äußeren Pinkontakte des Steckers elektrisch leitend miteinander verbunden, um gemeinsam elektrisch leitend mit dem Massepotential einer primärseitigen Elektronik verbunden zu werden. Vorteilhafterweise sind auch die äußeren Buchsenkontakte des Gegensteckers elektrisch leitend miteinander verbunden, um gemeinsam elektrisch leitend mit dem Massepotential einer sekundärseitigen Elektronik verbunden zu werden. Im gesteckten Zustand kann so zwischen diesen beiden Massepotentialen, nämlich dem Massepotential der primärseitigen Elektronik und dem Massepotential der sekundärseitigen Elektronik eine kapazitive Verbindung gewährleistet werden. Somit gelten die oben genannten Vorteile der kapazitiven Steckverbindung nicht nur für die Signalleitungen sondern auch für Masseleitungen und ergänzend oder alternativ für einen rückwärtigen Signalstrom und/oder eine Schirmanbindung.
Insbesondere können die vier inneren Pinkontakte des Steckers mit ihren Kabelanschlussbereichen getrennt über vier getrennte Leitungen paarweise mit je einen differentielle Signaleingang und einen differentiellen Signalausgang der primären Elektronik, z.B. durch Verlöten oder Vercrimpen, elektrisch leitend verbunden sein. In gleicher Weise sind dann auch die vier inneren Buchsenkontakte des Gegensteckers paarweise an je einen differentielle Signalausgang und einen differentiellen Signaleingang der sekundären Elektronik angeschlossen. Dadurch ist eine bidirektionale Kommunikationsschnittstelle mit Hin- und Rückleitung und mit hoher Signalintigrität insbesondere auch für besonders hochfrequente Signale gegeben.
Durch die Abstände der differentiellen Kontaktepaare zueinander ist weiterhin die Impedanz anpassbar. Dazu ist es vorteilhaft, zylindrische Kontakte, d.h. zylindrische Pinkontakte und hohlzylindrische Buchsenkontakte, zu verwenden, weil diese die Berechnung und die entsprechende Simulation der Impedanz einer solchen Anordnung erheblich vereinfacht.
Eine geeignete Gesetzmäßigkeit zur Bestimmung der Impedanz des Signalpaares, bestehend aus zylindrischen Kontakten lautet folgendermaßen:
Dabei bedeuten:

ε_r: Dielektrizitätszahl des Materials des Isolierkörpers
Z_o: Impedanz
d: Abstand der Mittelpunkte der zylinderförmigen Kontakte
r: Außenradius der zylinderförmigen Kontakte

Dabei sind die zylindrischen Kontakte im gesteckten Zustand als Kombination aus miteinander gesteckten Pin- und Buchsenkontakt zu verstehen. Der Außenradius r ist also durch den Außenradius des hohlzylindrischen Buchsenkontaktes gegeben.
Für eine angestrebte differentielle Impedanz von 70 Ω bis 120 Ω ergibt sich daraus beispielsweise eine Anordnung der Kontakte eines differentiellen Kontaktpaars zueinander, bei welcher ihr Abstand d näherungsweise gegeben ist, durch die folgende Beziehung: 10 r > d > 3 r. Der Abstand der Differentiellen Paare, die insbesondere in einem quadratischen Muster angeordnet sind, sollte also in diesem Fall größer sein als der dreifache Außenradius r der Buchsenkontakte und kleiner sein als ihre zehnfacher Außenradius r.
Allerdings müssen in weiteren Ausführungsformen die Pinkontakte und Buchsenkontakte der Matrix nicht zwangsläufig in regelmäßigen Abständen angeordnet sein. Vielmehr sind auch unregelmäßige Kontaktmuster möglich. Auch müssen die Pinkontakte und Buchsenkontakte nicht zwangsläufig zylindrisch sein, sondern es sind prinzipiell auch andere Formen möglich, die beispielsweise im Querschnitt eine im Wesentlichen mehreckige Form besitzen können, bei der z.B. die Ecken abgerundet sind.
Ausführungsbeispiel
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
1a eine konventionelle Steckverbindung;
1b eine erste Ausführung einer kapazitiven Steckverbindung;
1c eine zweite Ausführung einer kapazitiven Steckverbindung;
1d eine dritte Ausführung einer kapazitiven Steckverbindung;
1e eine vierte Ausführung einer kapazitiven Steckverbindung;
2 eine kapazitive Steckverbindung mit einem Dielektrikum;
3 eine Matrix, gebildet aus Pin- und Buchsenkontakten.
Die Figuren enthalten teilweise vereinfachte, schematische Darstellungen. Zum Teil werden für gleiche, aber gegebenenfalls nicht identische Elemente identische Bezugszeichen verwendet. Verschiedene Ansichten gleicher Elemente könnten unterschiedlich skaliert sein.
Die 1 zeigt eine Schaltskizze einer konventionellen, d.h. dem Stand der Technik entsprechenden, Steckverbindung. Dabei ist eine primärseitige Elektronik 3 einerseits mit einem dafür vorgesehenen Masseanschluss 33 an eine dazugehörige Bezugsmasse angeschlossen und weiterhin mit einem Ausgang 34 über eine primärseitige Leitung 6 elektrisch leitend, z.B. durch Crimpen oder Verlöten, mit einem Kabelanschlussbereich eines Pinkontaktes 1 verbunden.
Dieser Pinkontakt 1 ist steckseitig elektrisch leitend mit einer konventionellen Buchsenkontakt 2 verbunden. Der Buchsenkontakt 2 ist mit seinem Kabelanschlussbereich über eine sekundärseitige Leitung 6´ und über einen Koppelkondensator 4 galvanisch getrennt an einen Eingang 51 einer sekundärseitigen Elektronik 5 angeschlossen, die weiterhin mit einem dafür vorgesehenen Masseanschluss 53 an eine dazugehörige Bezugsmasse angeschlossen ist.
Die 1b zeigt in einer weiteren Schaltskizze eine erste Ausführung der erfindungsgemäßen Lösung, nämlich eine erste kapazitiven Steckverbindung, umfassend die bereits beschriebene primär- 3 und sekundärseitige 5 Elektronik und die damit verbundenen Kontakte, nämlich den damit elektrisch leitend verbundenen Pinkontakt 1, sowie einen erfindungsgemäßen Buchsenkontakt 2´, welcher sich mit dem Pinkontakt 1 im gesteckten Zustand befindet. Der Pinkontakt 1 ist in dieser Ausführung galvanisch von dem Buchsenkontakt 2´ getrennt, aber kapazitiv mit ihm gekoppelt. Der Buchsenkontakt 2´ ist kabelanschlussseitig über die sekundärseitige Leitung 6´ elektrisch leitend, z.B. durch Crimpen oder Verlöten, mit dem Eingang 51 der bereits beschriebenen sekundärseitigen Elektronik 5 verbunden.
Die 1c zeigt ebenfalls in Form einer Schaltskizze eine zweite Ausführung der erfindungsgemäßen Lösung, nämlich eine zweite kapazitive Steckverbindung. Der Ausgang 34 der primärseitigen Elektronik 3 ist, wie bei der ersten Ausführung zuvor beschrieben, über den Pinkontakt 1 und den Buchsenkontakt 2´ kapazitiv mit dem Eingang 51 der sekundärseitigen Elektronik 5 gekoppelt. Allerdings sind, anders als im vorangegangenen Beispiel, die Masseanschlüsse 33, 53 der primärseitigen 3 und der sekundärseitigen 5 Elektronik ebenfalls über eine solche kapazitive Steckverbindung, bestehend aus einem Pinkontakt 1 und einer erfindungsgemäßen Buchsenkontakt 2´, kapazitiv miteinander gekoppelt. Somit wird auch eine kapazitive Verbindung der beiden Massepotentiale, nämlich des primären Massepotentials 33 und des sekundären Massepotentials 53, hergestellt, was in der Hochfrequenztechnik in verschiedener Hinsicht von Vorteil ist, beispielsweise zum Verringern der Störanfälligkeit.
Der Übersichtlichkeit wegen werden hier und im Folgenden die weiteren derartigen Bauelemente wie Pinkontakte 1 und Buchsenkontakte 2´ in der Zeichnung nicht mit Bezugszeichen versehen.
Die 1d zeigt ebenfalls in einer Schaltskizze eine dritte Ausführung der erfindungsgemäßen Lösung, nämlich eine dritte kapazitive Steckverbindung, die sich von der zuvor beschriebenen zweiten Ausführung lediglich durch ihre Beschaltung unterscheidet. Die primärseitige Elektronik 3´ besitzt zwei differentielle Signalausgänge 34´, 35´ und die sekundärseitige Elektronik 5´ besitzt zwei differentielle Signaleingänge 51´, 52´. Die beiden differentiellen Ausgänge 34´, 35´ der primärseitigen Elektronik 3´ sind über je einen Pinkontakt 1 und einen erfindungsgemäße Buchsenkontakt 2´ kapazitiv mit diesen differentiellen Eingängen 51´, 52´ gekoppelt.
Die 1e zeigt in einer Schaltskizze eine vierte Ausführung, die sich von der dritten Ausführung lediglich dadurch unterscheidet, dass zusätzlich zu der differentiellen Signalübertragung auch die Massepotentiale 33´, 53´ der primären 3´ und der sekundären 5´ Elektronik kapazitiv miteinander gekoppelt sind.
Bei diesen vier Ausführungen der Erfindung wird jeweils ein konventioneller Kontakt 1 und eine erfindungsgemäße Buchse 2´ verwendet, d.h. die Buchse 2´ ist zumindest in ihrem Steckbereich mit einem dielektrischen Material 21´ zumindest innenbeschichtet um die kapazitive Trennung zum Kontakt 1 zu gewährleisten. In einer alternativen Ausführung könnte auch der Kontakt 1 mit einem dielektrischen Material 21´ ummantelt sein oder es könnten sowohl die Buchse 2´ als auch der Kontakt 1 mit dem dielektrischen Material 21´ beschichtet sein.
Die 2 zeigt einen möglichen Aufbau eines solchen kapazitiven Steckverbindung, umfassend den Pinkontakt 1, der zumindest einen zylindrischen Steckbereich 11 besitzt, welcher in den hohlzylindrischen Buchsenkontakt 2´ um einen nicht näher bezeichnete Einstecktiefe einsteckbar ist.
Zwischen dem Pin- und dem Buchsenkontakt ist ein ebenfalls hohlzylindrisches Dielektrikum 21´ angeordnet. Dazu wurde der Hohlraum zwischen Pin- und Buchsenkontakt zu Versuchszwecken mit einem dielektrischen Material gefüllt. Dadurch soll experimentell und per Simulation die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Lösung belegt werden. Es ist leicht nachvollziehbar, dass das dielektrische Material sowohl am Pinkontakt 1 als auch am Buchsenkontakt 2´ angeordnet sein, der entsprechende Kontakt 1, 2´ also damit beschichtet sein kann. Insbesondere können, wie zuvor bereits erwähnt, auch beide Kontakte, d.h. der Pin- 1 und der Buchsenkontakt 2´, gleichzeitig mit dem dielektrischen Material 21´ beschichtet sein. Dies ist sogar besonders vorteilhaft, weil dadurch für die Steckbereiche beider Kontakte ein Korrosions- und Verschleißschutz gewährleistet ist. Zur besseren Steckbarkeit verbleibt dann ein kleiner Luftspalt zwischen den beiden Dielektrika 21´, der aber keine nennenswerten Auswirkungen auf die resultierenden Übertragungseigenschaften der Steckverbindung besitzt.
Durch das mindestens eine Dielektrikum ist somit in jedem Fall ein vorgegebener Abstand zwischen dem Pinkontakt 1 und der Buchsenkontakt 2´ gewährleistet. Dadurch besitzt diese Anordnung eine definierte Kapazität.
Weiterhin ist durch die Einstecktiefe des Steckbereichs 11 des Pinkontaktes 1 in den Buchsenkontakt 2´ ebenfalls ein wichtiger Parameter zur Einstellung der Kapazität gegeben. Insbesondere lässt sich diese Einstecktiefe als Parameter aufgrund ihrer geometrischen Größe besonders exakt einstellen, was bei der Herstellung der Steckverbindung von besonderem Vorteil ist.
Die 3 zeigt eine quadratische Matrix, gebildet aus sechzehn zylindrischen Pin- 1 und Buchsenkontakten 2´, die in regelmäßigen Abständen d angeordnet sind. Somit sind zwölf äußere und vier innere Kontakte gebildet.
Insbesondere sind die vier inneren Kontakte im regelmäßigen Abstand d zueinander angeordnet.
Üblicherweise werden die Kontakte jeweils in einem Isolierkörper angeordnet, wobei der Isolierköper ebenfalls aus einem dielektrischen Material gebildet ist.
Alternativ könnten auch anders geformte Pinkontakte und Buchsenkontakte verwendet werden. Es sollte lediglich durch die Form und Anordnung des Dielektrikums gewährleistet sein, dass der jeweilige Pinkontakt über das dazugehörige Dielektrikum derart mit dem Buchsenkontakt verbindbar ist, dass dabei die Realisierung einer angestrebten Kapazität gewährleistet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden jedoch zylindrische Kontakte bevorzugt eingesetzt, weil dies die Berechnung und Handhabung der Anordnung stark vereinfacht.
Die Pinkontakte und Buchsenkontakte können weiterhin in unregelmäßigen Abständen angeordnet sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird jedoch eine regelmäßige Anordnung zumindest für die vier inneren Kontakte favorisiert, weil dies die Berechnung und Handhabung vereinfacht.
Die primärseitige 3´ und sekundärseitige 5 Elektronik ist in dieser Darstellung aus Übersichtlichkeitsgründen nicht gezeigt. Allerdings ist hier eine primärseitige 6 und eine sekundärseitige 6´ Leitung gezeigt. Diese beiden Leitungen 6, 6´ umfassen jeweils zwei nicht dargestellte Aderpaare zur Übertragung je eines differentiellen Signals. Die beiden Adern jedes Aderpaars werden jeweils an einen der vier mittleren Kontakten bzw. Buchsenkontakte 2´ angeschlossen. Insbesondere werden die beiden Adern jedes Aderpaares an zwei einander diagonal gegenüberliegende innere Kontakte angeschlossen, wodurch sich das Übersprechen auf die jeweils anderen Kontakte minimiert.
Die zwölf äußeren Pinkontakte werden, beispielsweise über eine nicht gezeigte elektrische Leitung, elektrisch leitend miteinander und gemeinsam mit dem Massepotential 33 der primärseitigen Elektronik 3´ verbunden.
Die zwölf äußeren Buchsenkontakte werden, beispielsweise über eine zweite nicht gezeigte elektrische Leitung, elektrisch leitend miteinander und gemeinsam mit dem Massepotential 53 der sekundärseitigen Elektronik 5´, verbunden.
Somit sind auch die beiden Massepotentiale 33´, 53´ über die Steckverbindung kapazitiv miteinander gekoppelt.
Die äußeren Kontakte schirmen so die inneren Kontakte gegen kapazitive Einstreuungen ab.
Bezugszeichenliste

1: Pinkontakt
11: Steckbereich des Pinkontakte
2, 2´: Buchsenkontakt
21´: Dielektrikum
3, 3´: primärseitige Elektronik
33, 33´: Masseanschluss der primärseitigen Elektronik
34: Signalausgang der primärseitigen Elektronik
34´, 35´: differentielle Signalausgänge der primärseitigen Elektronik
4: Koppelkondensator
5, 5´: sekundärseitige Elektronik
51: Signaleingang der sekundärseitigen Elektronik
51´, 52´: differentielle Signaleingänge der sekundärseitigen Elektronik
53, 53´: Masseanschluss der primärseitigen Elektronik
6, 6´: Signalleitung
d: Abstand zwischen den Mittelpunkten der Kontakte
ε_r: Dielektrizitätszahl des Materials des Isolierkörpers
Z_o: Impedanz
r: Außenradius der zylinderförmigen Kontakte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202013006512 U1 [0005]
EP 2093122 B1 [0006]
WO 2012034630 A1 [0007]

Claims

Steckverbindung, umfassend einen Stecker und einen Gegenstecker, wobei der Stecker mehrere elektrisch leitfähige Pinkontakte (1) besitzt und der Gegenstecker mehrere dazugehörige elektrisch leitfähige Buchsenkontakte (2´) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass im gesteckten Zustand zwischen den einzelnen Pinkontakten (1) des Steckers und den dazugehörigen Buchsenkontakten (2´) des Gegensteckers jeweils mindestens ein Dielektrikum (21´) angeordnet ist, um den jeweiligen Pinkontakt (1) und die dazugehörigen Buchsenkontakt (2´) galvanisch zu trennen und eine kapazitive Verbindung zwischen ihnen zu gewährleisten.
Steckverbindung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pinkontakte (1) und Buchsenkontakte (2´) jeweils einen Kabelanschlussbereich und einen Steckbereich aufweisen, und dass der jeweilige Pinkontakt (1) und/oder der dazugehörige Buchsenkontakt (2´) zumindest an ihrem jeweiligen Steckbereich mit dem Dielektrikum (21´) versehen sind.
Steckverbindung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchsenkontakte (2´) hohlzylinderförmig ausgestaltet sind.
Steckverbindung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pinkontakte (1) zylinderförmig ausgestaltet sind oder zumindest einen zylinderförmigen Steckbereich (11) besitzen.
Steckverbindung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Stecker als auch der Gegenstecker je einen Isolierkörper aus einem weiteren dielektrischen Material aufweisen, in dem die Kontakte, nämlich die Pinkontakte (1) und die Buchsenkontakte (2´), jeweils in einer Matrix angeordnet sind.
Steckverbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix äußere Kontakte und innere Kontakte umfasst.
Steckverbindung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Pinkontakte elektrisch leitend miteinander verbunden sind, um gemeinsam elektrisch leitend mit einem Massepotential (33) einer primärseitigen Elektronik (3) verbunden zu werden, und dass die äußeren Buchsenkontakte elektrisch leitend miteinander verbunden sind, um gemeinsam elektrisch leitend mit einem Massepotential (53) einer sekundärseitigen Elektronik (5) verbunden zu werden, so dass die äußeren Kontakte durch die Steckverbindung die beiden Massepotentiale (33, 53) kapazitiv miteinander koppeln und weiterhin eine schirmende Funktion für die inneren Kontakte besitzen.
Steckverbindung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steckverbindung vier innere Kontakte aufweist, die einem quadratischen Muster angeordnet sind, und dafür vorgesehen sind, paarweise an je einen differentiellen Ausgang und je einen differentiellen Eingang der primärseitigen und der sekundärseitigen Elektronik angeschlossen zu werden, wobei die beiden zu einem differentiellen Paar gehörenden Kontakte zu einander jeweils diagonal angeordnet sind, um das gegenseitige Übersprechen mit den Kontakten des jeweils anderen Paars zu minimieren.
Steckverbindung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass über den Außenradius (r) der inneren hohlzylinderförmigen Kontaktbuchsen (2´) und den Abstand ihrer Mittelpunkte (d) zueinander die Impedanz der Steckverbindung werkseitig einstellbar ist.
Steckverbindung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Abstand zwischen den inneren Kontaktpins (1) und der jeweils dazugehörigen Kontaktbuchse (2´) und dem mindestens einen dazwischen angeordneten Dielektrikum (21´) die Koppelkapazität der Steckverbindung werkseitig einstellbar ist.