DE4318067A1 - Mehrpolige Steckbuchse für elektronische Signalleitungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrpoligen Steckverbinder mit Stecker und Gegenstecker für digitalisierte elektronische Signale führende Signalleitungen, wobei der Stecker ein Gehäuse aufweist, in dem eine mindestens der Anzahl der Signalleitungen entsprechende Anzahl von Kontaktfedern angeordnet ist, und wobei der Stecker mit dem Gegen­ stecker derart zusammenwirkt, daß beim Stecken zum einen eine Kon­ taktgabe erfolgt und zum anderen die Kontaktfedern aus einer Ruhe­ lage in eine Arbeitslage angehoben werden.

Handelsübliche Steckbuchsen, wie sie üblicherweise im Telefonbereich benutzt werden, sind mit einer Anzahl von Signalleitungen versehen. Beim Stecken des formschlüssig in die Buchse einführbaren und dort einrastbaren Steckers werden die Kontaktstreifen oder die Kontakt­ stifte des Steckers mit den Kontaktfedern in Berührung gebracht, wo­ durch die elektrische Verbindung hergestellt wird. Dabei werden die Kontaktfedern elastisch verformt um den für eine niederohmige Ver­ bindung notwendigen Kontaktdruck zu erzeugen. Durch diese Verformung werden die Kontaktfedern verlagert. Diese Art der Steckverbindung ist für analoge Signale, wie sie beim Telefon benutzt werden, aus­ reichend. Soll ein derartiger Steckverbinder jedoch für die Her­ stellung elektrischer Verbindungen benutzt werden, deren Signallei­ tungen digitalisierte Signale führen, können Störungen auftreten, die die Folge der von den Übertragungsleitungen aufgenommen hoch­ frequenten Signalen sind. Dies liegt daran, daß bei der Übermittlung digitaler Signale "pulse-type" Signale benutzt werden, die harmoni­ sche Störsignale erzeugen. Aus der Schwingungstheorie ist es be­ kannt, derartige Impulse in eine Folge von Sinusschwingungen mit Oberwellen mit ansteigender Frequenz zu zerlegen (harmonische oder Fourier-Analyse). Besonders hohe Harmonische treten auf, wenn die Impulse steile Flanken aufweisen; bei Anstiegszeit im Bereich von 1 ns werden Harmonische erzeugt, die bei f_C = 0,35·T_r ^-1, somit bei 350 MHz liegen. Signalleitungen von Computern können somit Signale führen, deren Harmonische im Bereich von Megahertz bis sogar zu Gigahertz liegen. Diese höheren Harmonischen können nun zu Schwie­ rigkeiten durch Überlagerungen führen, insbesondere wenn im Raum mehrere vernetzte elektronische Datenverarbeitungsanlagen derartige Impulse erzeugen, deren höhere Harmonische sich dabei derart über­ lagern können, daß ein einwandfreies Arbeiten beispielsweise eines Computers in Frage gestellt ist. Um nun derartige Überlagerungen in Grenzen zu halten, sind Filter notwendig, die die unerwünschten höheren Harmonischen abschwächen, ohne das Datensignal in uner­ wünschter Weise zu verändern. Ein Kondensator ist dafür ein geeigne­ tes Schaltelement, um dies zu erreichen, weil dessen Ableitwider­ stand umgekehrt proportional zu der Frequenz ist. Es versteht sich von selbst, daß derartige Filterverbinder insbesondere Schutz bieten soll gegen von außen kommende Störimpulse, wie z. B. Elektro-Magneti­ sche Pulse EMP oder Einstrahlung von Sendefrequenz-Impulsen RFI.

Hieraus stellt sich die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine derartige Steckverbindung durch Umformung der Steckbuchse in ein­ facher Weise für einen Schnittstelleneinsatz nutzbar zu machen, als mit Abschirmung und Filterung versehene, insbesondere im Computer­ bereich einsetzbare Schnittstellen-Verbindung.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das Stecker­ gehäuse als leitfähiges Schirmgehäuse ausgebildet ist, in dem ei­ ne Filteranordnung als Tief- oder Bandpaß angeordnet ist, die ihrer­ seits Kontaktflächen, die mit den beim Stecken des Gegensteckers in Arbeitslage überführten, mit den zugeordneten Leitern des Steckver­ binders elektrisch verbundenen Kontaktfedern zusammenwirken.

Dazu ist vorteilhaft das Gehäuse mit einer Mulde zur Aufnahme des Planarfilters versehen. Durch diese Ausbildung wird eine abgeschirm­ te und mit einem Eingangsfilter versehene Steckbuchse erhalten, die im Zusammenwirken mit dem passenden Stecker eine Eingangsfilterung der auf den einzelnen Signalleitungen liegenden Signalen ermöglicht. Es versteht sich dabei von selbst, daß das Schirmgehäuse mit der masseführenden der Signalleitungen oder mit der Abschirmung des die­ se Signalleitungen enthaltenden Kabels elektrisch verbunden ist. Vorteilhaft wird dazu eine handelsübliche Steckbuchse mit Stecker benutzt, die unter "Modular-Steckverbindung" oder "Western-Steck­ verbindung" bekannt ist, wobei die Steckbuchse mit dem eingebauten Planarfilter vervollständigt wird. Ein solches Filter besteht aus einem Substrat als Träger für das Filter, auf dessen Oberfläche eine Elektrode, im allgemeinen die Masseelektrode, über die gesamte Flä­ che aufgedruckt und mit der Abschirmung über ihre Randzonen verbun­ den ist. Dabei werden die Anschlüsse der Kondensatoren des Planar­ filters von Kontaktflächen gebildet, die zentral auf das Substrat aufgebracht und die mit den Leitern des Verbinders verbunden sind. Zwar wird durch diese Anordnung die Spitzenspannung, die diese Kon­ densatoranordnung auszuhalten in der Lage ist, begrenzt und ein Überschreiten dieses Spitzenwertes führt zu einer Zerstörung des Filters. Dieser Nachteil, der an sich aufwendige und Platz benö­ tigende Spitzenspannungsbegrenzer notwendig machen würde, wird je­ doch dadurch kompensiert, daß wenn der Stecker in den Steckverbinder eingeführt wird, die Kontaktestifte des Steckers zunächst mit den Kontaktfedern des Steckverbinders in Berührung kommen, die sich erst danach an die Kontaktfedern mit dem Kontaktflächen des Filters anle­ gen. Dadurch besteht nicht die Gefahr einer Entladung statischer Auf­ ladungen über die Filterkapazitäten.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Steckverbinder mit Löt­ stiften zum Einlöten in eine Leiterplatte versehen. Dieser auf eine Leiterplatte direkt auflötbare Steckverbinder wird unmittelbar auf die Platine aufgesetzt, die Lötstifte werden mit den korrespondie­ renden Leiterbahnen verlötet. Damit werden extrem kurze interne Ver­ bindungswege geschaffen, die eine unverzerrte Übertragung auch ex­ trem steiler Impulsflanken ermöglichen. Zur Aufnahme des Planarfil­ ters ist eine Mulde auf der der Anschlußseite mit den Lötstiften ab­ gewandten Seite vorgesehen, die zumindest auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten abgekröpfte Auflageleisten zur Aufnahme des Planarfilters aufweist. Mit einer derartigen Mulde kann das Planar­ filter etwa bündig in das Schirmgehäuse eingefügt werden, wobei die durchgehende Gegenelektrode der Kondensatoren die Rolle der Abschir­ mung übernimmt. Es versteht sich von selbst, daß das Planarfilter auch rechtwinklig zur Leiterplatte montiert werden kann, wobei in diesem Falle die Mulde entfallen kann.

Vorteilhaft ist dabei das in die Mulde eingesetzte Planarfilter mit­ tels eines vorzugsweise federnden Einsatzes, der zumindest eine mit dem Schirmgehäuse formschlüssig zusammenwirkende Zunge aufweist, festgelegt ist. Diese abgekröpften Leisten bzw. die federnden Zungen übernehmen neben ihrer Haltefunktion auch die Kontaktierung der Ge­ genelektrode für die Kondensatoren. Der notwendige Kontaktdruck wird dabei durch die Ausbildung der abgekröpften Leisten, in die das Pla­ narfilter mit gutem Preßsitz einfügbar ist, gewährleistet. Bei einem Vorhandensein von federnden Kontaktzungen kann der Sitz des Planar­ filters in den abgekröpften Leisten lockerer gehalten werden, da hier die an dem/den Kontaktrand/-rändern anliegende/-den Kontakt­ zunge/-gen die elektrische Verbindung zwischen dem Schirmgehäuse und der Gegenelektrode der Kondensatoren herstellen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die den Kontaktfedern zuge­ wandte Seite des Planarfilters mit einer Schicht eines Elastomers abgedeckt, das als ausschließlich selektiv normal zur Fläche elek­ trisch leitfähige Folie ausgebildet ist. Durch diese Folieneinlage wird ein elastisches Pufferglied eingefügt, das in der Lage ist, Maßungenauigkeiten der elektrischen Kontaktfedern bezüglich der Kon­ taktflächen der Planarfilters auszugleichen. Derartige selektiv lei­ tenden Folien sind dabei bekannt; sie werden dadurch hergestellt, daß ein Block elektrisch leitender Kohlenstoff-Fäden parallel aus­ gerichtet und gespannt mit einem Elastomer, insbesondere mit einem Silikon-Gummi, gefüllt wird, und daß dieser Block nach Aushärten des Elastomers rechtwinklig zu der Richtung der Kohlenstoff-Fäden in Scheiben geschnitten wird. Durch die selektive Leitfähigkeit recht­ winklig zur Folienebene wird erreicht, daß jeweils nur die zu einer Kontaktfeder korrespondierende Kontaktfläche mit dieser elektrisch in Verbindung steht und so Kurzschlüsse vermieden werden.

Nach der Erfindung wird eine Steckbuchse beispielsweise eines be­ kannten und handelsüblichen Steckverbinders so weitergebildet, daß ohne wesentliche Mehrkosten ein geschirmter und mit einem Filter ver­ sehener Steckverbinder gebildet wird, bei dem die eingesetzten Fil­ ter erst dann eingeschaltet werden, wenn der Stecker in die Steck­ buchse eingeführt ist, während bei nicht eingeführtem Stecker ledig­ lich die Abschirmung aktiv ist. Damit bleiben die Filter solange un­ beaufschlagt, wie keine Leitung angeschlossen ist. Damit wird es möglich, auch handelsübliche und somit preiswerte Steckverbindungen auch für Schnittstellen an Computern einsetzbar zu machen.

Das Wesen der Erfindung wird in einzelnen beispielhaft an Hand einer typische Ausführungsform eines Standard-Steckverbinders in bevorzug­ ter Ausführungsform mit Abschirmhaube und eingesetztem Filterelement näher erläutert; dabei zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Schema-Darstellung eines Steck­ verbinders mit seinem Schirmgehäuse;

Fig. 2 eine perspektivische Schema-Darstellung eines Steck­ verbinders in seinem Schirmgehäuse mit angedeuteter Filtereinheit vor dem Einsetzen (gewendet um 180°);

Fig. 3 Frontansicht eines nicht mit einem Stecker belegten Steckverbinder mit eingesetzter Filtereinheit;

Fig. 4 Schnitt eines nicht mit einem Stecker belegten Steck­ verbinders entspr. Fig. 3;

Fig. 5 Frontansicht eines mit einem Stecker belegten Steck­ verbinders mit eingesetzter Filtereinheit;

Fig. 6 Schnitt eines mit einem Stecker belegten Steckverbinders entspr. Fig. 5.

Die Fig. 1 und 2 zeigen den handelsüblichen Steckverbinder 1 mit den Federkontakten 2, in den durch die Frontöffnung 5 der Stecker 10 (Fig. 4) einsetzbar ist, wobei die Frontöffnung 5 mit Führungsnuten 5.1 versehen ist, die mit entsprechenden Leisten und/oder Rastfedern des Steckers 10 zusammenwirken. Dabei zeigt Fig. 1 die handelsübli­ che Steckverbindung mit dem Abschirmgehäuse, während in der Fig. 2 der mit der Anschirmhaube 3 versehene Steckverbinder 2 von der Seite der Lötstifte 2.1 her dargestellt ist. Der Steckverbinder 1 besteht aus einem zumindest nach einer Seite hin offenen Gehäuse, wobei die offene Seite mit der Öffnung 1.3 das Einsetzen des Steckers 10 (Fig. 5, 6) erlaubt, wobei zusätzliche Nuten bzw. Ausnehmungen 1.4 vorge­ sehen sind, die formschlüssig mit Vorsprüngen am Stecker 10 zusam­ menwirken, wobei in der Praxis zusätzlich Rastmittel zum Festlegen des Steckers 10 in dem Steckverbinder 1 vorgesehen sind. Dieser Steckverbinder 1 wird in die Abschirmhaube 3 eingesetzt und durch Umlegen der seitlichen und oberen Zungen 9.1 in dieser festgelegt; mit einer oberen Zunge 9.2 wird die Abschirmung in den Bereich des eingesetzten Steckers 10 hinein fortgesetzt. Der mit der Abschirm­ haube 3 versehene Steckverbinder 3 wird auf eine (nicht näher dar­ gestellte) Platine aufgesetzt und mittels der an den Steckverbinder 1 angeformten Laschen 1.1 und 1.2 auf dieser festgelegt. Die Enden der Federkontakte 2 bilden die Lötstifte 2.1, mit denen der Steck­ verbinder in eine Leiterplatte eingesetzt und mit den Leiterbahnen verbunden wird, mit denen die Kontaktierung der über den Stecker 10 eingehenden Leitungen auf der Platine hergestellt wird und die eben­ falls zur Festlegung des Steckverbinders 1 auf der Platine beitra­ gen.

Das eingesetzte Filterelement 4 enthält im wesentlichen Kondensato­ ren, die über die Eingangsleitungen kommende Spannungsspitzen abfan­ gen und so das angeschlossene Gerät schützen. Jeder dieser Kondensa­ toren weist eine mit einen der über den Stecker 10 eingehende Leitun­ gen verbindbare Elektroden auf, sowie diesen Elektroden entsprechen­ de Gegenelektroden, die mit der Masse verbindbar sind, wobei jede der Elektroden mit einer der Kontaktstellen 4.2 verbunden ist, wäh­ rend die Gegenelektroden über eine gemeinsame Verbindung mit dem me­ tallisierten Rand 4.1 der Filtereinheit in leitender Verbindung ste­ hen. Die metallisierten Kontaktstellen 4.2 sind auf der den Feder­ kontakten 2 zugewandten Seite des Filterelements 4 herausgeführt und bilden dort die Kontaktinseln, die mit den Federkontakten 2 nach dem Einführen des Steckers 10 leitend verbunden sind. Diese Kontaktseite des Filterelements 4 wird zweckmäßig mit einer elastischen Folie 7 abgedeckt, die nur in Richtung der Normalen zu ihrer Oberfläche leit­ fähig, in Querrichtung dazu jedoch isolierend ist. Eine derartige se­ lektiv leitende Folie wird beispielsweise dadurch gewonnen, daß ein mit parallelen Kohlefasern durchsetzter Silikon-Gummi-Block recht­ winklig zur Richtung der Kohlefasern in "Scheiben" geschnitten wird, wobei die Dicke dieser Scheiben ausreicht, um Maßtoleranzen der Fe­ derkontakte 2 des Steckverbinders 1 zu überbrücken und den Druck die­ ser Federkontakte 2, die während des Einführens des Steckers 10 ange­ hoben werden, aufzunehmen, so daß Verformungen vorgebeugt wird, zu­ sammen mit dem noch nicht eingesetzten Filterelement 4, das mit der selektiv leitenden Abdeckung 4.1 seitlich heraus gestellt ist, und die zur besseren Erkennbarkeit vertikal getrennt dargestellt sind.

Das Filterelement 4 selbst wird in die Öffnung 5 auf der Oberseite der Abschirmhaube 3 eingelegt. Diese Öffnung 5 ist dabei so ausge­ formt, daß seitliche Stege 6.1 und 6.3 verbleiben, die rechtwinklig zur Oberseite der Abschirmhaube 3 abgekantet sind, wobei die seit­ lichen Stege 6.1 nochmals umgekantete Teile 6.2 aufweisen, auf denen die Filtereinheit 4 aufliegt, und über die der Massekontakt zu der Gegenelektrode der Filtereinheit 4 hergestellt wird. Die eingesetzte Filtereinheit 4 wird mittels eines Einsatzblechs 8 in der Einbaulage festgelegt, wobei dieses Einsatzblech Fortsatzzungen 8.1 aufweist, die in Ausnehmungen 6.4 der Abschirmhaube 3 eingreifen, wobei das Einsatzblech vorteilhaft aus einem Federblech geformt und so mit ei­ ner Vorspannung versehen ist, daß die Filtereinheit 4 unter der me­ chanischen Spannung dieses Einsatzbleches 8 steht, so sicher gehal­ ten und so gespannt ist, daß ein für die sichere Kontaktgabe vor­ teilhafter Druck auf das Filterelement 4 ausgeübt wird. Das Ein­ satzblech bildet darüber hinaus auch eine sichere Abschirmung, da die Fortsatzzungen 8.1 an den scharfen Kanten des diese Zungen auf­ nehmenden Ausnehmungen 6.4 sicheren Massekontakt bekommen. Es ist für den Fachmann erkenntlich, daß das Planarfilter 4 nicht nur parallel zur Leiterplatte vorgesehen werden kann sondern genauso gut auch in anderer Lage, z. B. rechtwinklig zur Leiterplatte, je nach Ausführung des Steckverbinders.

Die Fig. 3 und 4 zeigen den Steckverbinder 2 in der Abschirmhaube 3 und mit der auf den Tragleisten 6.2 aufliegende, und mit der se­ lektiv leitenden Folie 7 abgedeckten Filtereinheit 4, wobei in der Darstellung der Fig. 3 der Stecker nicht eingeführt ist, zum einen in Sicht auf die offene, das Einführen des Steckers 10 erlaubenden Seite (Fig. 3) und zum anderen einen schematischen Schnitt durch den Steckverbinder 1 mit aufgesetzter Abschirmhaube 3. Die Darstellungen gründen auf den Fig. 1 und 2, auf deren Bezugszeichen verwiesen wird. Die Kontaktfedern 2 sind hier in Ruhelage, ihre Enden berühren die Kontaktflächen 4.2 (Fig. 2) der Kondensatoren der Filtereinheit 4 bzw. die selektiv leitende Folie 7 nicht.

Im Gegensatz dazu ist in den Darstellungen der Fig. 5 und 6 der Stecker 10 in den Steckverbinder 1 eingesetzt, wie gestrichelt ange­ deutet, wobei der Abgang des Steckers 10 in ein Kabel 10.1 übergeht. Mit seiner Vorderfront, die den Kontaktfedern 2 entsprechende Kon­ taktbahnen aufweist, wird der Stecker 10 so unter die Kontaktfedern 2 gedrückt, daß diese in elektrisch leitende Berührung mit den Kon­ taktbahnen des Steckers 10 kommt und so die durchgehenden, elek­ trisch leitenden Verbindungen für die über den Stecker 10 eingehen­ den Leitungen herstellt. Dabei werden die Kontaktfedern 2 aufwärts gebogen und ihre Enden legen sich an die selektiv leitende Folie 7 an. Durch die Kraft der Federn wird die Folie 7 an den Anlagestellen eingedrückt, was die Anlagefläche vergrößert. Dadurch wird zum einen die Sicherheit der Kontaktgabe über die selektiv leitende Folie 7 er­ höht, zum anderen wird der Druck bei gegebener Kraft verringert, weil durch die "Eindellung" der Folie die Anlagefläche vergrößert wird. Durch diese Verringerung der Druckes wird einer Verformung der Kontaktfedern 2 wirksam vorgebeugt. Auch gestattet die Folie einen gewissen Ausgleich fertigungstechnisch bedingter Toleranzen oder ge­ brauchsmäßiger Schwächung der Federkraft. Die durch den eingesetzten Stecker 10 angehobenen Kontaktfedern 2 liegen mit ihren freien Enden 2.1 an den Kontaktflächen 4.1 der Kondensatoren des Filterelements 4 an und liefern so die zum Einschalten der Kondensatoren des Filter­ elements 4 notwendige Kontaktierung. Wegen dieser beim Einführen des Steckers erfolgende Umschaltung ist das Filterelement 4 nur dann ein­ geschaltet, wenn der Stecker gesteckt ist; ist der Stecker nicht ge­ steckt, ist das Filterelement 4 ausgeschaltet, so daß dann auftre­ tende Impulse oder Entladungen die Kondensatoren des Filterelements 4 nicht beschädigen können.

Claims (6)

1. Mehrpoliger Steckverbinder mit Stecker und Gegenstecker für digitalisierte elektronische Signale führende Signal­ leitungen, wobei der Stecker ein Gehäuse aufweist, in dem eine mindestens der Anzahl der Signalleitungen entspre­ chende Anzahl von Kontaktfedern angeordnet ist, und wobei der Stecker mit dem Gegenstecker derart zusammenwirkt, daß beim Stecken zum einen eine Kontaktgabe erfolgt und zum an­ deren die Kontaktfedern aus einer Ruhelage in eine Ar­ beitslage angehoben werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Steckergehäuse (3) als leitfähiges Schirmgehäuse aus­ gebildet ist, in dem eine Filteranordnung (4) als Tief- oder Bandpaß angeordnet ist, die ihrerseits Kontaktflächen (4.2) aufweist, die mit den beim Stecken des Gegensteckers (10) in Arbeitslage überführten, mit den zugeordneten Lei­ tern des Steckverbinders (1) elektrisch verbundenen Kon­ taktfedern (2) zusammenwirken.

2. Steckverbinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (3) mit einer Mulde (5) zur Aufnahme des Planarfilters (4) versehen ist.

3. Steckverbinder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Steckverbinder (1) mit Lötstiften (1.1) zum Einlöten in eine Leiterplatte versehen ist.

4. Steckverbinder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mulde (5) auf der der Anschlußseite mit den Löt­ stiften (1.1) abgewandten Seite vorgesehen ist und zumin­ dest auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten abge­ kröpfte Auflageleisten (6.2) zur Aufnahme des Planarfil­ ters (4) aufweist.

5. Steckverbinder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das in die Mulde (5) eingesetzte Planarfilter (4) mit­ tels eines vorzugsweise federnden Einsatzes (8), der zu­ mindest eine mit dem Schirmgehäuse (3) formschlüssig zu­ sammenwirkende Zunge (8.1) aufweist, festgelegt ist.

6. Steckverbinder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den Kontaktfedern (2) zugewandte Seite des Planarfilters (4) mit einer Schicht (7) eines Elastomers abgedeckt ist, daß als ausschließlich selektiv normal zur Fläche elektrisch leitfähige Folie ausgebildet ist.