Verbindungsmöglichkeiten von LEDs mit Modulen und Treiberplatinen

In allen Bereichen des Alltags finden sich Anwendungen wie beispielsweise im Haushalt, im Automobil, in der Unterhaltungselektronik, bei Hintergrundbeleuchtungen von Displays, im Bereich öffentlicher Beleuchtungen und auch im Straßenverkehr bei Signalen und Beschilderungen, die auf Licht in irgendeiner Form angewiesen sind. Heutzutage wird alles beleuchtet, zudem soll die Beleuchtung möglichst bunt, klein, kostengünstig und langlebig sein. Immer kleinere und immer leuchtstärkere LEDs erfüllen diese Anforderungen.

Bei LED-Lichtsystemen nehmen Steckverbinder je nach Anwendung unterschiedliche Rollen ein. So dienen sie sowohl der modularen Aneinanderreihung von LED-Leuchtstreifen, stellen aber auch die elektrische Verbindung zur LED-Treiberplatine her oder ermöglichen die Sockelung von LEDs. Es gibt eine Vielzahl von einsetzbaren Steckverbindern, die Entwickler bei diesen Anwendungen einsetzen können. Diese sind etwa Board-to-Board-Verbinder für horizontale und vertikale Lösungen, einzelne Buchsen für die Sockelung von LEDs und Buchsenleisten für Displaymodule. Dazu gibt es spezielle Mehrfachmodule, etwa für 7-Segment-Anzeigen und Displays, Doppelmodule als Fassung für LED-Lampen (MR11 und MR16) oder einzelne Stifte und Kontaktbuchsen für die individuellen Lösungen.

LED-Displaymodule

Für LED-Module gibt es verschiedene Möglichkeiten diese steckbar zu machen. So lassen sie sich mit vertikalen oder horizontalen Sockeln auf der Platine oder direkt an der Kante platzieren, sodass sie direkt hinter der durchsichtigen Frontabdeckung im Gehäuse sitzen. Solche Sockel gibt es für Einfach- und Mehrfachmodule als Einlötversion oder auch in SMD-Ausführung. Ansonsten gibt es eine Vielzahl von Präzisionsbuchsen, um die Module direkt in der Platine steckbar zu machen (Bild 1).

LED-Treibermodule

Um Kabel für die Stromversorgung von LED-Treibermodulen nicht direkt in die Platine einlöten zu müssen, gibt es verschiedene Präzisionskontaktstifte in unterschiedlichen Ausführungen wie etwa mit Lötkelch, mit Crimp-Ende oder geschlitzt direkt in die Platine gelötet oder mit Hilfe von Präzisionsbuchsen eingesteckt (Bild 2). LED-Treibermodule werden auch häufig selbst gesteckt oder aneinandergereiht. Hierfür gibt es inzwischen eine Vielzahl horizontaler oder vertikaler Stiftleisten und Buchsenleisten in Rastermaßen von 1 mm, 1,27 mm, 2 mm und 2,54 mm.

Die Verwendung solcher Stifte und Buchsen ermöglicht zudem zusätzliche Steckmöglichkeiten auf den Treibermodulen wie etwa für Messpunkte, Kurzschlussbrücken oder um weitere Module und Bauteile aufzustecken.

Horizontale Verbindungen mehrerer aneinandergereihter LED-Module

Passgenaues Aneinanderreihen von Modulen, um etwa Lichtbänder in LED-Beleuchtungen zu verbinden, benötigt typischerweise Leiterkartensteckverbinder wie in Bild 3 zu sehen. Wenn Entwickler bereits bei der Produktentwicklung von Anfang an auf einheitliche Lösungen achten, dann sind später Module verschiedener Serien besser kombinierbar. Außerdem ist so eine einheitliche Verarbeitung, etwa per Hand (THT-Bauteile/Wellenlöten) oder maschinell mit SMD Bauteilen für Reflow Lötverfahren, möglich.

Bevor Entwickler Steckverbinder für eine Anwendung auswählen, müssen sie verschiedene Fragen zum Einsatz dieser Stecker abklären. Erfolgt der Bestückungsvorgang rein über eine SMD- beziehungsweise über eine THT-Bestückung oder ist auch eine Mischbestückung nötig? Weiterhin ist der zur Verfügung stehende Platz auf der Platine sowie die Höhe der einzelnen Komponenten zu klären. Außerdem zählen Faktoren wie Qualität und Robustheit sowie die Anzahl der Steckvorgänge – wird einmal, selten oder regelmäßig getrennt und wieder verbunden?

Die Beantwortung dieser Fragen leitet dann gleich auf die Kosten und ein vorhandenes Budget weiter. Erst dann können Entwickler sich konkrete Optionen an Steckverbinderlösungen im Detail anschauen. In den Bildern 4 und 5 sind zwei horizontale SMD-Steckverbinder mit einem Raster von 1,27 mm sowie mit einem 2,54 mm großen Raster zu sehen. Mit dieser Kombination aus qualitativ hochwertigen Stift- und Buchsenleisten können LED-Module einfach und vor allem mehrfach gesteckt werden. Hiermit lassen sich längere Ketten von Modulen stecken oder fehlerhafte Module entfernen und ersetzen.

Bild 6 zeigt zwei Leiterplatten, die horizontal miteinander verbunden sind, doch sind sie in diesem Fall mit einer SMD-Brücke zusammengefügt. Diese ist beidseitig gelötet, wodurch eine starre Verbindung entsteht. Für horizontale Verbindungen lassen sich auch Federkontakte oder Module mit passenden Gegenkontakten einsetzen (Bild 7). Diese Verbindung erlaubt einen gewissen Spielraum, sodass die Verkettung von LED-Modulen größere Fertigungstoleranzen zulässt. Lösungen dieser Art sind in der Regel etwas teurer, haben aber einen großen Vorteil bei Anwendungen, die Schock oder Vibrationen ausgesetzt sind und bei denen starre Steckverbindungen eventuell Schaden nehmen könnten.

Eine mechanisch sehr stabile Lösung bietet sich mit THT-Steckverbindern (Bild 8) an, gerade wenn die Platine sowieso gemischt bestückt wird.  Die THT-Versionen haben Vorteile bei der Handbestückung von Platinen und halten größere Kräfte beim Stecken aus.

Stecken von LED-Leuchtmitteln mit G4- und G5.3-Stecksockeln

Beim Übergang von herkömmlichen Leuchtmitteln zu LED-Lampen waren Halogenlampen sehr populär. Diese haben jedoch aufgrund Ihrer schlechten Energieausbeute heute größtenteils ausgedient. LEDs haben im Vergleich zu klassischen Leuchtmitteln und Halogenlampen einen deutlich niedrigeren Stromverbrauch und Energieverlust sowie eine viel längere Lebenserwartung. Um Halogenlampen in bestehenden System zu ersetzen, entstanden LED-Leuchtmittel mit zwei Kontaktstiften. Zur Kontaktierung sind entweder einzelne Buchsen oder fertige Doppelsockel notwendig. MR11-Strahler mit 12 V können sowohl über G4- als auch über G5.3-Stecksockel verfügen, während MR16-Strahler mit 12 V G5.3 Stecksockel besitzen.

Die Rückseite von Einzelbuchsen oder Sockeln ermöglicht ebenfalls unterschiedliche Anschlussmöglichkeiten. Diese gibt es beispielsweise als THT-Einlöt- oder Einpressversion mit offenem oder geschlossenem Boden, mit Lötkelch oder Crimp-Ende zur rückseitigen Kabelmontage oder auch als SMD-Version. Ebenso können Pin-Abstand und Pin-Durchmesser des Leuchtmittels variieren, was Entwickler berücksichtigen müssen, sofern diese Punkte für das verwendete LED-Leuchtmittel relevant sind. Der Pin-Abstand bei G4- und GY4-Typen liegt bei 4 mm und der Pin-Durchmesser bei 0,65 – 0,75 mm. Die GU4- und GZ4-Typen haben den gleichen Pin-Abstand, doch der Pin-Durchmesser liegt hier zwischen 0,95 – 1,05 mm. Bei den G5.3-, GU5.3- und GX5.3-Typen beträgt der Pin-Abstand 5.3mm mit Pin-Dicken von 1,45 – 1,60 mm. Unterschiedliche Versionen von Einzelbuchsen sind auf den Bildern 9 und 16 zu sehen, wohingegen die Bilder 10 bis 15 Sockel für MR11 und MR16 zeigen.

In der Regel bestehen die präzisionsgedrehten Buchsen und Kontaktstifte aus einer Berylliumkupfer-Legierung und haben eine verzinnte oder vergoldete Oberfläche. In die Buchsen eingesetzte Kontaktclips sorgen für eine hochwertige Kontaktierung und einen sicheren Halt. Prototypen für kundenspezifische Lösungen lassen sich in kleinen Mengen und kurzfristig in FR-4 umsetzen, bevor vielleicht später für größere Serienmengen ein neues Spritzgussgehäuse gefertigt wird. Auch die einzelnen Pins und Buchsen können Entwickler nach den eigenen Vorgaben modifizieren, woraus sich dann eine neue Version fertigen lässt. Für Anwendungen, die dauerhaft bei über 150 °C im Betrieb sind, lassen sich in den Buchsen auch Kontaktclips aus einer Berylliumkupfer-Legierung einsetzen. Das sorgt dafür, dass die Federkraft über die Zeit stabil bleibt und so eine sichere Kontaktierung gewährleistet.

(prm)