"Es ist wichtig, dass die spezifische Applikation die Spezifikation bestimmt" , erklärt Alan Jermyn , Product Marketing VP bei Avnet Abacus.Avnet Abacus
Der Wachstumstrend LED-Beleuchtung umfasst mehr als die reine Lichtquelle. Er bedeutet eine Revolution, was die Art der unterstützenden Elektronik betrifft, nicht zuletzt bei den Steckverbindern, die zum Zusammenfassen von LEDs in einem integrierten Emitter oder Modul und zum Anschluss der entstandenen Lichtquelle an den Strom und deren Reaktion auf Steuersignale von außen dienen. Lichtanwendungen waren zwar schon immer elektronisch einfach, doch müssen sie durch die unterschiedlichen Anwendungen vielfältig sein. Die Steckverbinder haben sowohl die Verwendung in der LED-Leuchte als auch die Umstände und Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen. Bindet man beispielsweise einen häuslicher LED-Strahler in eine bereits bestehende Lampenkonfiguration, sollte man die Vorgaben an Größe und vom Wärmemanagement einhalten oder wenn die Produkte für Außenbeleuchtungen vorgesehen sind, müssen sie größeren Temperaturschwankungen widerstehen und Schutz vor Feuchtigkeit aufweisen.
Laut Avnet Abacus sind in gewisser Weise die Designanforderungen an LED-Beleuchtungsanwendungen sehr genau festgelegt. Der Distributor sieht sich hier Größenbegrenzungen und einem Kostendruck gegenüber, da der Lichtsektor ein Markt ist, auf dem es immer mehr um elektronische und nicht mehr wie früher um rein elektrische Lösungen geht. Daher zähle dort Einfachheit – für die Kunden soll nicht nur das Austauschen einer „Glühbirne“ einfach sein, sondern ebenso der Aufbau der ganzen Einheit. Der Lichtmarkt brauche daher Steckverbinder mit langer Lebensdauer und relativ wenigen Steckzyklen. Allerdings habe jede Anwendung ihre eigenen Anforderungen, von denen sich manche ergänzten und andere miteinander kollidierten. Gerade Bühnen- und Studiobeleuchtungen werden häufig bewegt, ein- und ausgesteckt, sodass ein Steckverbinder dort über viele Steckvorgänge halten muss.
Massenhaft Standard- und Einzel-Stecker
Auf einen Blick
Häufig besteht die Herausforderung von LED-Beleuchtungsprodukten darin, den richtigen Steckverbinder auszuwählen. Die Leistungen und Schwächen von Steckverbindern lassen sich nur durch einen direkten Vergleich feststellen. Hilfreich ist es, einen Zulieferer auszusuchen, der auch passende Stromversorgungs-, passive, wärmemanagementfähige und Steuerungsbauteile liefern kann.
In der Massenproduktion sind Hersteller von LED-Beleuchtungen maximalem Kostendruck unterworfen; doch nicht nur dem Kostendruck bei den Stückkosten. Die Verbindungssysteme müssen außerdem einfach sowie schnell in der Montage sein und ihre Wartung muss vor Ort erfolgen können. Gerade Hochleistungs-LEDs führen erhebliche Wärmemengen ab und die Umgebungen, in denen man sie einsetzt, sind unterschiedlich. Die Steckverbinder müssen auch bei länger andauernden hohen Temperaturen zuverlässig funktionieren.
Am einen Ende des Spektrums an Verbindungsoptionen finden sich vielleicht Standard-Board-to-Board-, Wire-to-Board- und Wire-to-Wire-Steckverbindersysteme. Einige Hersteller haben hierzu die Produkte in ihrem Sortiment verändert; diese Varianten bieten sie speziell für Lichtanwendungen an. Es gibt aber auch Hersteller, die speziell auf LEDs zugeschnittene Steckverbinder für bestimmte Arten von Lampen bauen. Für Alan Jermyn, Product Marketing VP bei Avnet Abacus, ist das Wichtigste, dass die spezifische Applikation die Spezifikation bestimmt. „Wir haben Steckverbinder von Amphenol, AVX, FCI, Hirose, Molex, Samtec und TE Connectivity im Sortiment, und viele von ihnen eignen sich für LED-Beleuchtung. Oft lassen sich Standard-Steckverbinder oder anwendungsspezifische Kabelsätze verwenden, die aus diesen Bauteilen zusammengesetzt werden“, erklärt Jermyn. „Doch kann ein spezifisches Bauteil für eine bestimmte Anwendung das Richtige sein. Zum Beispiel, wenn die Anforderung fordert, dass die Montage einfach sein soll.“
Vorhang auf!
Ein Bereich, in dem sich LEDs bereits etabliert haben, ist die Bühnen- und Studiobeleuchtung. Lichtdesigner schätzen die große Flexibilität von LEDs beim Erzeugen von Spezialeffekten, denn sie umschiffen so die Probleme der vergleichsweise großen Wärmeentwicklung und des hohen Energieverbrauchs herkömmlicher Leuchten.
Die Herausforderung besteht hier darin, robuste Konstruktionen montagefreundlich zu gestalten und sie gleichzeitig zu einer hohen Anzahl von Steckzyklen zu befähigen. Sie müssen mindestens der Schutzklasse IP65/67 genügen und ihr physischer Aufbau muss einen gewissen Zugentlastungsgrad aufweisen, damit er den Anforderungen des täglichen Gebrauchs genügt.
Bild 1: Die Rundsteckverbinderserie Ecomate eignet sich für Bühnen- und Studiobeleuchtung drinnen und draußen.Avnet Abacus
Rundsteckverbinder, wie der Ecomate von Amphenol, erfüllen diese Voraussetzungen. Ursprünglich für den Anlagen- und Maschinenbau konzipiert, sind diese Steckverbinder ein Beispiel für ein Produkt, das sich auch für Lichtanwendungen eignet. Die Steckverbinder haben robuste, formgegossene Gehäuse, sind für die Schnellmontage geeignet und weisen eine Kabelverschraubung, einen Spannring und eine kombinierte Zugentlastungs- und Montagedichtung auf. Außerdem sind sie staub- und wasserdicht gemäß Schutzklasse IP65/67 (Bild 1).
Bei Architektur-Anwendungen muss ein Steckverbinder meist noch extremeren Verhältnissen standhalten, beispielsweise dem kompletten Eintauchen in Wasser oder hohen Temperaturschwankungen. Eine Option sind die wasserdichten LTW-Steckverbinder für Außenbereiche von Amphenol. Ursprünglich wurden sie für Militär- und Luftfahrtanwendungen entwickelt.
Merkmale von Beleuchtungsspezialisten
An Stellen, an denen LEDs sich an einen bestehenden Formfaktor ausrichten müssen, kann ein spezieller Steckverbinder die richtige Wahl sein. Für solche Anwendungen eignen sich die Wire-to-Board-Steckverbinder der Baureihen 9159, 9175, 9176 und 9177 von AVX und die Board-to-Board-Steckverbinder 9608 und 9609 für Niedrigstrom-DC-DC-Verbindungen. Die Steckhöhe der beiden Serien beträgt 1,4 mm. Diese Steckhöhe, die niedrigste in der Industrie bekannte, entspricht der Höhe einer SMD-LED. Somit lässt sich der Steckverbinder nahe an der LED platzieren, ohne Schatten zu werfen. Der 9159-Steckverbinder eignet sich ebenfalls für das End-zu-End-Stapeln von Leiterbahnen in LED-Lichtleisten. Mit seiner Höhe von 3 mm und der Gesamtstecklänge von 5,5 mm lassen sich dadurch kompakte Beleuchtungsartikel realisieren. Die Steckverbinder, deren Kontakte eine zugelassene Nennspannung von 125 VAC mit 5 A haben, sind in 2- bis 6-Pin-Ausführungen zu haben, können Kabelquerschnitte von 22 bis 24 AWG aufnehmen und erfordern kein Montagespezialwerkzeug. Ihre Zuverlässigkeit erhöht sich durch eine Verschlussklemme.
Bild 2: Die DF59-Steckverbinder haben ein 2,8-mm-Profil.Avnet Abacus
Auch Hirose präsentiert mit seinem DF59 (Bild 2) ein speziell für LED-Anwendungen konzipiertes Multifunktionssystem mit einem Steckprofil von 2,5 mm. Als Wire-to-Board- und Board-to-Board-Ausführung erhältlich, ist nur ein Gehäusetyp erforderlich – unabhängig davon, ob Kabel- oder Leiterplattenstecker Verwendung finden; dieses spart Bauteile. Die 2- bis 6-Positions-Steckverbinder haben eine Bauhöhe von 2,8 mm und eine Stromstärke von maximal 3 A bei einem Kabeldurchmesser von AWG 22. In Lichtanwendungen sind der Formfaktor und die Einhaltung der Sicherheitsstandards wichtige Faktoren. Wenn der Entwickler auf Netzstrom zurückgreift, muss er besonderen Augenmerk auf die Normen hinsichtlich der Kriechstrecken (Isolierungsabstand auf einer Oberfläche) und Luftstrecken (Isolierungsabstand in der Luft) legen. Die DF59-Steckverbinderreihe von Hirose erfüllt diese Vorgaben ebenso wie andere Steckverbinder mit 2- oder 4-mm-Raster.
Schnelle und einfache Montage sind besondere Trümpfe, die viele der LED-angepassten Steckverbindersysteme von TE Connectivity zeigen. Beim Herstellen von LED-Strahlern und der Modulmontage erweisen sich lötfreie Steckverbindersysteme als kostenreduzierend, denn es geht schneller und einfacher.
Bild 3: Mit Poke-In-Steckverbindern ist bei der Montage von Beleuchtungsmodulen oder -körpern kein Löten mehr erforderlich.Avnet Abacus
Mit der SMIZ-Reihe lötfreier LED-Buchsen von TE Connectivity, die sich mit den Mini Zenigata LEDs von Sharp verwenden lassen, kann man die LEDs mittels zweier Standard-M2-Schrauben direkt mit den Kühlkörpern verbinden. Die zweiteilige Steckverbinder-Einheit besitzt Poke-in-Wire-Anschlüsse für AWG 24-Kabel. Durch eingebaute Zentrierung positioniert sich die LED beim Zusammenstecken genau in der Buchse. Inzwischen verwenden Entwickler mehr Poke-in-Wire-Steckverbinder (Bild 3) in LED-Beleuchtungskörpern, die eine einfache Montage erfordern. Die Steckverbinder stehen als 1- oder 2-polige, durchsteck- oder oberflächenmontierte Ausführungen zur Verfügung, jeder Kontakt ist für 250 VAC, 5 A zugelassen und sie können Kabelquerschnitte von AWG 18 bis 22 mm aufnehmen.
Vertraut und benutzerfreundlich
Obwohl beleuchtungsspezifische Steckverbinder auf den Bedarf zugeschnitten sind, halten Designer aber, wo möglich, an bewährten Lösungen fest. Marco Enge, Interconnect Marketing Manager bei Avnet Abacus, erläutert dazu: „Die Vielfalt von Lichtanwendungen und die riesige Auswahl an Standard-Steckverbinder bedeuten, dass man dem Bedarf oft schon mit Standardprodukten begegnen kann.“
Folgende Universalsteckverbinder von FCI sind ebenfalls auf die Verwendung mit LEDs ausgelegt: Wire-to-Board- und Board-to-Board-Steckverbinder, die High-Density-Mezzanine-Steckverbinder mit Rastern von 0,8 und 1 mm in der MEZ-Select-Reihe sowie modulare Steckverbinder mit 2 oder 2,54 mm.
Bild 4: Mit selbstjustierenden Hermaphrodit-Steckverbindern lässt sich die Anzahl der diskreten Bauteile reduzieren; ein hörbarer Klick zeigt die korrekte Steckverbindung an.Avnet Abacus
Wo die Bauhöhe des Steckverbinders nicht vorrangig ist, sondern die Minimierung des Platzbedarfs entscheidend ist, eignen sich die selbstjustierenden Board-to-Board-Hermaphrodit- und Board-to-Board-Leistungssteckverbinder von Samtec (Bild 4). Die verstecksicheren Verbinder minimieren die Anzahl diskreter Halbleiter-Produkte.
Samtec bietet außerdem Wire-to-Wire- und Wire-to-Board-Steckverbinder für Beleuchtungsanwendungen mit Rastern von 1,27…6,35 mm, darunter auch runde, nach Schutzklasse IP68 abgedichtete Wire-to-Board-Bauteile mit Rastern von 1,27 oder 2,54 mm und eine Auswahl von Plastik- oder Metallgehäusen. Oft eigenen sich marktübliche Steckverbinder – beispielsweise DIN 41612- und D-Typen – bei der Festkörperbeleuchtung, ebenso wie Standard-Flachbandkabelstecker der FFC-, FPC- und CIC-Reihen von FCI. Modular-Jack-Stecker von Samtec finden häufig bei Daten- und PoE-Verbindungen zwischen intelligenten LED-Modulen Einsatz.
Die Besonderen
Bild 5: Die Sicherheitspol-Steckverbinder können die Stromversorgung innerhalb von 0,4 Sekunden unterbrechen.Avnet Abacus
Viele Anwendungen verlangen besondere Steckverbinder, wie im Automobilbereich und bei Straßenbeleuchtungen. Beide Bereiche unterliegen besonderen Sicherheitsstandards und Zulassungspflichten. Oft bedeuten diese Vorgaben Hemmnisse für die Steckverbinder im LED-Bereich. Die passiven Sicherheitspol-Steckverbinder von Molex (Bild 5) orientieren sich an den EU-Vorschriften, welche besagen, dass alle Straßenbeleuchtungen und elektrischen Leitsysteme ein schnelles Stromtrennungssystem aufweisen müssen.
Viele Straßenbeleuchtungen arbeiten mittlerweile mit LEDs. Um den gesetzlichen Vorschriften zu genügen, muss das Steckverbindersystem die Stromversorgung zum Pol oder Schild innerhalb von 0,4 Sekunden nach einem möglichen Aufprall trennen. Die passiven Sicherheitspol-Steckverbinder, die der Schutzklasse IP68 entsprechen und einen wasserdichten Deckel und einen integrierten Polfixierungsstreifen aufweisen, liefert Molex mit Kabeln vormontiert. Die Steckverbinder eignen sich für Straßenbeleuchtungen, Ampeln, Verkehrsleitsäulen oder -pfosten und sind in stromversorgten Vorrichtungen im Straßenverkehr einsetzbar.
Ein Trendsetter: die LED-Beleuchtung
Die LED-Beleuchtungstechnik ist einer der am schnellsten wachsenden Bereiche der Elektronikindustrie. Im Jahr 2011 stieg der LED-Lampen- und -Leuchtenmarkt nach Aussagen der Forschungsgesellschaft Strategies Unlimited um 69 Prozent auf 9,4 Milliarden US-Dollar an. Man geht davon aus, dass dieser Markt zwischen 2011 und 2016 jährlich um weitere 20 Prozent wachsen wird, wobei gewerbliche und industrielle Beleuchtungen als der größte Wachstumssektor gelten.
Luke Smith
(rao)
