DE3783433T2 - Stecker fuer einen verbinder. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbindungsstecker und eine Leiterplatte mit einem darauf ausgebildeten oder montierten Verbindungsstecker.
• Ein Problem, das in Zusammenhang mit Verbinder-Baugruppen auftritt, insbesondere solchen, die zum Anschluß von Schaltungskarten an Leiterplatten dienen, ist das Einführen oder Herausziehen der Schaltungskarten in oder aus einem Schaltungskartenverbinder, ohne das System vom Netz zu trennen. Hierbei treten Probleme sowohl in bezug auf das Stromnetz als auch in bezug auf die logischen Schaltkreise auf, wie zum Beispiel Stoßströme, Lichtbogenüberschläge und Hochfrequenzrauschen beim Anschließen/Trennen der Verbinder-Baugruppen. Es ist wichtig, Mittel zu schaffen, mit denen einzelne Verbinderelemente ge- oder entkoppelt werden können, ohne daß der normale Betrieb des zugeordneten Systems gestört wird. In Fachkreisen wird das Problem, das beim Koppeln bzw. Entkoppeln eines Verbinders mit oder von einer aktiven Schaltung oder Stromquelle entsteht, als das Problem des "hot plug" (des "heißen Steckers") bezeichnet.
• Eine Lösung für das Problem des "hot plug" ist die logische Erzeugung einer Hochlaufspannung in einer Karte, die von einem langen Anschlußzapfen auf der Karte eingeleitet wird, welcher einen allmählichen Kontakt mit der zu ihm passenden Buchse herstellt, bevor die übrigen Anschlußzapfen der Karte Kontakt herstellen. Die Hochlaufspannung bewirkt eine langsame Ladung der Kondensatoren der Karte. Diese Technik erfordert jedoch komplexe Logik- und Zeitgeberschaltungen und eine gewisse Fingerfertigkeit, um die Karte mit der richtigen Geschwindigkeit einzustecken.
• U.S. -A- 4,079,440 offenbart eine Leiterplatte mit mindestens zwei Verbindungssteckern für den Netzanschluß, von denen einer länger als der andere ist. Die zusammengehörenden Verbindungsstecker sind miteinander über ein Impedanzelement verbunden, wodurch beim Einführen der Leiterplatte in ein elektrisches Netz der längere Verbindungsstecker früher als der kürzere den ersten Kontakt mit dem Netz herstellt; beim Herausziehen der Karte aus dem Netz unterbricht der längere Verbindungsstecker den Kontakt mit dem Netz später als der kürzere.
• Die Erfindung versucht, für das Problem des "hot plug" eine einfachere Lösung zu finden.
• Ein Verbindungsstecker zum Einstecken in eine Buchse zu einem Zeitpunkt, an dem der Stecker oder die Buchse elektrisch unter Spannung stehen, umfaßt, gemäß der Erfindung, einen leitenden Führungszapfen mit einem Außenteil, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenteil mit einer Widerstandsbeschichtung ausgestattet ist, welche gegenüber dem Zapfen isoliert ist, um Stoßströme in einem Schaltungszweig zu verhindern, welcher den Zapfen einschließt, wenn er in eine passende Buchse eingeführt wird.
• Mit Hilfe von Beispielen soll nun beschrieben werden, wie die Erfindung ausgeführt werden kann, unter Hinweis auf die beiliegenden Zeichnungen, in welchen:
• Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung eines Widerstandskontaktzapfens mit einfachem Konus (das heißt einfachem Widerstand) darstellt;
• Fig. 2 einen Schnitt in Höhe der Linie 2-2 der Fig. 1 darstellt;
• Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung eines Widerstandskontaktzapfens mit doppeltem Kegel (das heißt zwei Widerständen) darstellt; und
• Fig. 4 eine graphische Darstellung der Zeit im Vergleich mit Strom und Leistung für die Ausführungsbeispiele der Fig. 1 und 3 darstellt.
• Bevor die Ausführungsbeispiele der Erfindung ausführlicher beschrieben werden, sollen das Umfeld und die Probleme in Zusammenhang mit der "hot plug"-Anschließbarkeit kurz beschrieben werden. Das oben geschilderte Problem des "hot plug" tritt zum Beispiel dann auf, wenn eine gedruckte Schaltkarte an eine ans Netz angeschlossene oder Spannung führende Leiterplatte angeschlossen werden soll. Das erste Problem ist ein Stoßstrom in der Karte, wenn die Leiterplatte versucht, die Entkopplungskondensatoren in der Schaltkarte zu laden. Ein zweites Problem ist die Lichtbogenbildung an den einzelnen Zapfenanschlüssen, wodurch ein Hochfrequenzrauschen erzeugt wird, welches sich im ganzen System, auch in den Signalleitungen, verteilt, was dazu führt, daß Fehler im System auftreten.
• Die Fig. 1 und 2 zeigen in schematischer Form einen Widerstandszapfen zum Einbau in einen (nicht dargestellten) Stecker, der die Erfindung darstellt. Der Widerstandszapfen funktioniert auch als Führungszapfen und enthält einen Zapfen 11 aus leitendem Material, wie zum Beispiel Kupfer, mit Edelmetall beschichtetes Kupfer oder vorzugsweise mit Kupfer beschichtetes Invar®. Eine Außenschicht aus Widerstandsmaterial 13 ist gegenüber der leitenden Oberfläche des Zapfens 11 durch eine Isolierschicht 15 isoliert, der bevorzugte Isolator enthält Glaskeramik. Die Widerstands- und Isolatorschichten 13 und 15 enden kurz vor dem inneren Ende des Zapfens und ermöglichen es dem Ende des Zapfens 11, das einen niedrigen Widerstand hat, beim Einschieben des Zapfens den endgültigen Kontakt herzustellen.
• In der Praxis wäre Zapfen 11 auf einer Leiterplatte, welche für den Anschluß an eine Schaltkarte konzipiert ist, ausgebildet oder montiert. Da pro Spannungsebene ein Zapfen benötigt wird, wären bei der einfachsten Konfiguration mindestens zwei Zapfen für die beiden Spannungsebenen erforderlich, obwohl nur ein Zapfen mit einem Widerstand ausgestattet sein muß. Die Spannungsebenen könnten zum Beispiel eine Spannungsebene von +5 Volt und eine geerdete Spannungsebene umfassen. In der Praxis sind diese Zapfen länger als die normalen E/A- Verbindungszapfen der Karte und funktionieren als Führungszapfen für die Schaltkarten-Baugruppe. Der Widerstandszapfen sollte einen niedrigen Gesamtwiderstand haben, um die Kondensatoren der Karte über ihre Einschublänge zu laden, ohne ein übermäßiges Niederfrequenzrauschen in der zugeordneten (nicht dargestellten) Hauptsammelschiene zu erzeugen.
• Wie bereits oben erwähnt, ist ein Problem der "hot plug"-Technologie der Stoßstrom, der dadurch auftritt, daß die Hauptsammelschiene versucht, die Entkopplungkondensatoren der Kartenebenen zu laden, wenn eine Schaltungskarte in eine "heiße" Leiterplatte eingesteckt wird. Da zur Verhinderung von Stoßströmen nur ein Zapfen mit niedrigem Widerstand benötigt wird, wie bereits oben beschrieben, kann der Widerstand des Zapfens bei einem Nennwert von etwa 2 Ohm liegen. Eine solche Widerstandsschicht kann durch Edelmetall-Dickschichten hergestellt werden. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet für die 2-Ohm-Beschichtung Dickschicht-Palladiumgold. Die Kondensatoren der Schaltkarte werden somit beim Einschieben des Zapfens langsam geladen, während der Anschluß mit dem niedrigen Ohm-Wert bei voll eingeschobenem Zapfen ein vollständiges Laden der Kondensatoren erlaubt.
• Eine separate Funktion, die durch den langen Widerstandsführungszapfen übernommen werden kann, ist die Ausschaltung des logischen Schaltkreises und das Abschalten der Treiber, bevor die übrigen Verbindungszapfen mit der Schaltungskarte Kontakt herstellen. Nachdem die Karte eingeschoben ist, kann die logische Schaltung mit Hilfe des herkömmlichen E/A-Zapfens wieder eingeschaltet werden. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt die Länge des Widerstandsführungszapfens zwischen 2,5 und 3,8 cm (1 und 1 ½ Zoll), im Vergleich mit der Länge eines herkömmlichen Verbindungszapfens von 5 bis 7,5 mm (0,2 bis 0,3 Zoll). Der Durchmesser des Widerstandszapfens ist nicht kritisch und kann dem Durchmesser der E/A-Zapfen entsprechen. Während der niedrige ohmsche Widerstand des Zapfens den Stoßstrom beim Verbinden der Karte und der Leiterplatte begrenzt, löst er jedoch nicht das Problem des Hochfrequenzrauschens, das sich in der Schaltkarte und in der Leiterplatte ausbreitet, und welches durch Lichtbogenüberschlag des Zapfens beim Einschieben entsteht. Es wurde festgestellt, daß ein Widerstandsbereich zwischen 60 und 100 Ohm zur Beseitigung dieses Zustandes benötigt würde. Diese Widerstandswerte wären jedoch zu hoch, um ein einwandfreies Laden der Schaltkartenkondensatoren zu erlauben, und würden das Problem der Stoßströme nicht lösen. Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel löst beide Probleme.
• Wenden wir uns nun der Fig. 3 zu. Hier ist ein Doppelkegelstromzapfen mit Widerstand dargestellt, der die Schaltkarten beim Einstecken in eine ans Netz angeschlossene Leiterplatte vorlädt und der auch eine Lösung für das Problem des Hochfrequenzrauschens bietet. Der in Fig. 3 dargestellte Zapfen umfaßt einen ersten Kontaktbereich mit hohem Widerstand, in Fig. 3 als Bereich a dargestellt, zur Beseitigung des Hochfrequenzrauschens. Der Widerstand des Bereichs a, der jedoch nicht kritisch ist, hat einen Nennwert von 60 Ohm. Wird der Zapfen in den Punkt 23 eingeschoben, fällt der Widerstand der Schaltkarte stufenweise auf einen wesentlich niedrigeren Widerstandswert, und zwar wiederum auf einen Nennwert von 2 Ohm, ab, und bei diesem Wert können die Entkopplungskondensatoren geladen werden, wodurch ein Stoßstrom verhindert wird. An Punkt 25 beträgt der Widerstand für den übrigen Teil des Zapfens im wesentlichen Null Ohm. Bei dieser Bauart wird das Hochfrequenzrauschen beseitigt, während gleichzeitig ein niedriger Widerstand vorhanden ist, der ein Laden der Karten ermöglicht. Wie beim Widerstandszapfen mit einfachem Kegel ermöglicht der niedrige Widerstand wiederum das Laden der Entkopplungskondensatoren, während der höhere Widerstand den Kontaktfunken mit dem daraus resultierenden Hochfrequenzrauschen ausschaltet. Der als Bereich a dargestellte Widerstand von 60 Ohm kann eine Beschichtung aus Rutheniumoxid enthalten, während der 2-Ohm-Widerstand eine Beschichtung aus Palladiumgold enthält. Bereich c enthält eine Beschichtung aus mit Kupfer beschichtetem Invar® zur Erreichung eines minimalen Widerstandswerts.
• Im Betrieb, wenn der Zapfen in den dazu passenden Verbinder 19 eingesteckt wird und an diesem entlanggleitet, wechselt der Widerstand des Zapfens vom Maximum (60 Ohm) über 2 Ohm auf Null (oder wenige Milliohm), die Kondensatoren der Schaltkarte werden allmählich und vollständig geladen, bevor die normalen Stromzapfen Kontakt herstellen. Die Verbindungsbuchse ist von herkömmlicher Bauart, daher wurden Einzelheiten weggelassen. So wird das "hot plugging" für den Benutzer vollständig transparent und ohne Störung anderer Schaltkreise, die gleichzeitig in Betrieb sind, erreicht.
• Wenden wir uns kurz der Fig. 4 zu, in der eine Gruppe von Zeitkurven versus Leistung und Strom für Widerstandszapfen mit einfachem und doppeltem Kegel dargestellt ist. Die Leistungs- und Stromkoordinaten sind in Watt bzw. in Ampere angegeben, währen die Zeitkoordinate in Sekunden angegeben ist. Kurve 31 veranschaulicht die Leistungsaufnahme des einfachen Widerstandszapfens von zwei Ohm bis auf Null. Bei einem Widerstand von Null, der bei Punkt 32 dargestellt ist, ist der Zapfen vollständig in die Verbindungsbuchse eingesteckt. Die Maximalleistung ist erreicht, wenn der Zapfen eingesteckt ist, fällt dann ziemlich schnell auf etwa 50 % maximal und fällt dann bei Punkt 32 exponentiell auf Null. Kurve 33 veranschaulicht die Stromstärke für einen Widerstandszapfen mit einfachem Kegel. Wie erwartet ist die Schwankung beim Einschub gering, bis 0,01 Sekunden, die Zeit, die für den vollen Einschub und einen Widerstand von Null angenommen wird, erreicht sind, und die Stromstärke auf Null abfällt, weil jetzt der Strom über die normalen Stromzapfen zugeführt wird. Kurve 35 zeigt die Leistungskurve des Zapfens mit Doppelkegel, der beim Einstecken zuerst auf einen Maximalwert ansteigt, wenn sich der Widerstand einem Bereich, 23, von 2 Ohm nähert, und dann auf Null abfällt, im wesentlichen wie Kurve 31, von der sich diese Kurve bezogen auf die Anfangseinschubzeit leicht verschiebt. Kurve 37 zeigt die Stromladecharakteristika des Zapfens mit Doppelkegel, die wiederum denen der Kurve 33 nach der Anfangsladeperiode ähnlich, jedoch durch die Anfangsladeperiode gegenüber der Kurve 33 verschoben sind.
• Die Erfindung kann sowohl bei herkömmlichen Verbindungsblock- Baugruppen als auch bei Verbindungsblöcken mit einer Einschubkraft von Null (zero insertion force = ZIF) verwendet werden. Die Erfindung ist geeignet für die Anwendung bei Leiterplatten hoher oder niedriger Dichte und bei gedruckten Schaltkarten.
• Obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Doppelkegelwiderstandszapfen dargestellt und beschrieben wurde, ist natürlich bei spezifischen Anwendungsarten verschiedenen anderen Kombinationen mit mehr als zwei Widerstandswerten oder einem Logarithmenkegelzapfen der Vorzug zu geben.

Claims (6)

1. Verbindungsstecker, der zum Einstecken in eine Buchse bestimmt ist, wenn der Stecker oder die Buchse unter Spannung steht, wobei der Stecker einen leitenden Führungszapfen (11) mit einem Außenabschnitt besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenabschnitt mit einer Widerstandsbeschichtung (13) versehen ist, welche bezüglich des Zapfens isoliert (durch 15) ist, um in einem Schaltungszweig, der den Zapfen, wenn er in einem passenden Sockel gesteckt wird, beinhaltet, Stoßströme zu verhindern.

2. Verbindungsstecker nach Anspruch 1, bei welchem der Abschnitt des Zapfens mit der Widerstandsbeschichtung einen Widerstand von etwa 2 Ohm besitzt.

3. Verbindungsstecker nach Anspruch 1, bei welchem das äußere Ende der Widerstandsbeschichtung einen höheren Widerstand besitzt, als der Rest der Widerstandsbeschichtung, um eine Lichtbogenbildung zu vermeiden, wenn der Stecker in den passenden Sockel gesteckt wird.

4. Verbindungsstecker nach Anspruch 3, bei welchem das äußere Ende des Steckers einen Widerstand von etwa 60 Ohm, der verbleibende Abschnitt mit Widerstandsbeschichtung einen Widerstand von etwa 2 Ohm und der nicht beschichtete innere Abschnitt des Steckers einen Widerstand von im wesentlichen Null aufweisen.

5. Verbindungsstecker nach Anspruch 3 oder 5, bei welchem die Widerstandsbeschichtung des äußeren Endes des Steckers aus Rutheniumoxid und der verbleibende Abschnitt der Widerstandsbeschichtung aus Palladiumgold besteht.

6. Leiterplatte mit einem Stecker nach einem der vorgehenden Ansprüche, der darauf ausgebildet oder montiert ist, und dazu vorgesehen ist, in einen Sockel auf einer Schaltungskarte zu passen.