3. Unterscheidung in zöllige und metrische Baureihen

3.1 Zöllige Prüfkontakte

Die Rasterabstände im Leiterplattenentwurf und damit auch in der Prüftechnik werden meist durch das zöllige Einheitssystem aus dem Amerikanischen bestimmt. So hat beinahe jeder Halbleiterbaustein eine Pinanordnung von 100 mil, 50 mil, 20 mil und so weiter, und im Leiterplattensektor ist überall die Rede von 100 mil-Raster oder Bruchteilen davon. Ungeachtet der Tatsache, dass neben den USA nur noch Myanmar und Liberia mit dem Zollsystem - also inches, feet, yards und miles - arbeiten, wird sich an diesem Standard in der Elektronik so rasch nichts ändern.

Analog dazu wurden schon vor vielen Jahren von US-Herstellern Baureihen entwickelt, die sich masslich an den in den USA üblichen Standardgrössen für Bohrer und andere Werkzeuge orientieren. Viele dieser Ausführungen sind heute weltweit eingeführt und übernommen worden – wenngleich es noch immer in der metrisch denkenden Welt mit grösseren Umständen verbunden ist, diese hier doch etwas exotischen Abmessungen zu beziehen. So finden sich beispielsweise in den technischen Unterlagen unserer amerikanischen Mitbewerber nicht selten Angaben wie „Drill Size #50“, was dem nichtwissenden Europäer zunächst einmal nur ein Schulterzucken entlockt. Angaben in inches kann man ja noch schön umrechnen, aber was bitte schön ist ein „Drill bit #50“?

Jeder Amerikakenner weiss die Antwort: in der Zeit der massiven Einwanderung in die USA, die zugleich als eine Wirtschaftswunderphase galt, fanden sich in den dortigen Fabriken zahlreiche Beschäftigte unterschiedlichster Herkunft und Muttersprache, dies meist nur als angelernte Kräfte. Kommunikationsprobleme waren an der Tagesordnung, Fehler häuften sich. Schnell erdachte man für jeden Bereich an Werkzeugen und Betriebsstoffen ein System, mit dem beispielsweise Bohrer einfach per Nummer bezeichnet wurden, und nicht – wie bei uns üblich – durch ihre exakte Grössenangabe. Diese Nummern – „gauges“ genannt, was im Deutschen eigentlich dem Begriff „Lehre“ entspricht –sprachen eine eindeutige Sprache und wurden von Jedem verstanden. So ist beispielsweise ein Drill #50 ein Bohrer mit dem Durchmesser von .070 inches, respektive bei uns 1,778 mm – die Angabe „#50“ in der Arbeitsanweisung war aber wesentlich einfacher. Ähnliche Gauging-Systeme finden sich beispielsweise bei Kabeln und Litzen, die in USA nach dem AWG-System (American Wire Gauge) einfach durchnummeriert sind, während wir in der „metrischen Welt“ die genaue Angabe des effektiven Leitungsquerschnitts in Quadratmillimetern als Standard bevorzugen. Doch nun zurück zu den Federkontakten…

Bedingt durch die beschriebene Definition des Bohrers an seiner Gauge-Nummer (bleiben wir bei der #50 als Beispiel) entsteht nach dessen Gebrauch in der gebohrten Platte ein Loch, das nun allerdings sicherlich nicht genau 1,778 mm an Durchmesser aufweist. Je nach eingesetztem Material, Maschinendrehzahl, Maschinenart und -qualität, Alter des Bohrers und einigen weiteren Faktoren wird als Resultat eine Bohrung irgendwo zwischen 1,735 bis 1,782 mm herauskommen. Und das ist für eine Presspassung viel zu viel an Toleranz. Zudem hat ja auch die Steckhülse selbst noch eine Durchmessertoleranz, die hier bisher noch nicht berücksichtigt wurde.

Die findigen Tüftler-Kollegen in den USA fanden schon vor Jahrzehnten auch hierfür eine smarte Lösung und verpassten der Steckhülse eine als „Pressring“ bezeichnete Wulst, die beim Einpressen in die beschriebene Bohrung gewisse Toleranzbereiche auszugleichen vermag. Zusätzlich kann die Einpresstiefe über einen relativ grossen Bereich variiert werden, was eine gewisse Flexibilität bei der Auswahl der Plattendicke und des Adapterbaukonzeptes bietet.Auf diesem Grundprinzip aufgebaut kamen dann im Laufe der Jahre und Jahrzehnte immer wieder verschiedene Grössen an Federkontakten und Steckhülsen hinzu, die aber alle eine grosse Ähnlichkeit untereinander aufweisen:

  • Die Steckhülse besitzt mindestens eine, manchmal auch mehrere dieser Pressringe.
  • Der Federkontakt hat ein durchgehend zylindrisches Gehäuse, besitzt also weder einen Kragen noch einen anderen Anschlag.
  • Beim Einsetzen in die Steckhülse rutscht der Federkontakt daher so tief in diese hinein, bis er am Grund der Steck- hülse anschlägt.

Wenige Ausnahmen bestätigen auch hier die Regel. Doch wo liegen denn nun die Unterschiede zu den „metrischen“ Bauformen?

3.2 Metrische Prüfkontakte

Das grundsätzliche Funktionsprinzip ist bei metrischen Modellen dasselbe wie bei zölligen:
Die Steckhülse wird fest verbaut und verkabelt, sie wird in der Regel nicht mehr verändert, auch nicht bei Tausch der Federkontakte. Der Federkontakt besitzt eine Stifthülse als Gehäuse, eine Druckfeder und einen Tastkolben. Nur kennen wir in der metrischen Welt eben keine „Bohrer No. 50“, und selbst mit der Massangabe 1,778 mm würden wir uns ein wenig schwer tun, denn gleich käme die Frage: „Warum denn nicht 1,78 mm , oder besser 1,80 mm, oder am besten gleich 2,0 mm?“. Und genau so kam es auch … während in den USA diverse Hersteller den wachsenden Markt mit den dort üblichen Bauformen bedienten, entwickelte sich hier in Europa zeitgleich und unabhängig von der „Neuen Welt“ ein eigenes System, das aber eben auf die metrischen Standards aufbaute. Streng genommen ist es also nicht ganz korrekt, von einem „Metrischen Kontakt“ zu sprechen, sondern eher von einem „Federkontakt für metrische Einbaustandards“. Dabei ist es egal, ob der Rasterabstand 2,50 oder 2,54mm beträgt, also wieder den erwähnten 100 mil (oder 1/10 Zoll). Solange er passt und das Abstandsmass zwischen den Kontakten gross genug ist, um Kurzschlüsse zu vermeiden, spielt dies keine Rolle. Der Einfachheit halber bleiben wir aber bei der Bezeichnung „Metrische Prüfkontakte“ und schauen uns diese nun etwas genauer an.

Erster, augenfälliger Unterschied: Die Steckhülse hat keinen Pressring, sondern einen Anschlagkragen direkt an der Mündung. Klare Aussage: Einpressen bis Anschlag. Der Federkontakt hat auch einen Kragen, was wiederum signalisiert: In die Steckhülse eindrücken bis zum Anschlag. So ergibt sich eine eindeutige Einbauhöhe der Kontaktspitze über der Montageplatte. Nur: Mit dem zölligen System hatten die amerikanischen Kollegen diese praktische Flexibilität beim Einbau, sie konnten ganz einfach die Höhe anpassen. Wie geht das hier? Ganz einfach: es gibt optional verschiedene Kragenhöhen bei den Federkontakten, meist in Stufen von 1 mm. Und es gibt auch mehrere Baureihen, die sich im Durchmesser gleichen, aber in der Länge und ihrem Hub unterscheiden. Auf diese Weise lassen sich Höhenanpassungen leicht und zuverlässig durchführen. Zusätzlich sind Distanzhülsen verwendbar.

3.3 Auswirkungen auf die Anwendung, Anwendungsbeispiele

Nachdem wir nun die beiden „Welten“ und ihre Entstehungsgeschichte kurz beschrieben haben, betrachten wir in Gegenüberstellung die Vor- und Nachteile der beiden „Kontrahenten“ (was sie in Wirklichkeit nicht sind – vielmehr können sie sich oft sehr gut ergänzen).

1. Die Steckhülse mit Pressring bietet zwar Flexibilität beim Einbau, besitzt aber gleich zwei eklatante Nachteile:

  • Sie kann im Laufe der Zeit nach vielen Druckbetätigungen in der Bohrung nachrutschen. Die Einbauhöhe verändert sich, der Adapter verliert seine Funktion.
  • Die Montagebohrung muss etwas grösser im Durchmesser sein als die Steckhülse an ihrer Mantelfläche. Am Pressring schliesslich wird sie gehalten. Auf diese Weise kann ein winziges, aber doch messbares „Wackeln“ entstehen, das sich an der Spitze des eingesetzten Federkontaktes, und übersetzt über den zwischen 10 bis 16 mm langen Hebelarm, schon deutlich ausprägt: nämlich als mehrere Zehntelmillimeter grosser Offset von der Mittelachse. In anderen Worten: die Treffgenauigkeit der Nadel ist in Frage gestellt.

2. Im Standardraster von 100 mil (entsprechend 2,54 mm) könnte der Bohrungsdurchmesser durchaus etwas grösser sein als 1,78 mm, und dies ohne Gefahr zu laufen, einen Kurzschluss zum Nachbarpin zu erzeugen. In der Tat ist die metrische Steckhülsenbohrung rund 14% grösser im Durchmesser als die des zölligen Standardtyps, und bei den Federkontakten beträgt der Unterschied sogar volle 20%. Für einen elektrisch leitenden Kontakt ist dieser Wert schon erheblich (grösserer Leiterquerschnitt), und auch bezüglich der mechanischen Stabilität liegen die Unterschiede klar auf der Hand: der Kolben eines zölligen 100 mil-Standardpins hat einen Durchmesser von rund 1,0 mm, der des metrischen Pendants liegt bei 1,34 mm. Durch die im Durchmesser grössere Gehäusehülse lassen sich stärkere und langlebigere Druckfedern einbauen, und bei Seitenkräften bricht ein 1,34 mm-Kolben wesentlich später ab als ein Vergleichsmodell mit 1,0 mm.

3. Und wenn wir schon beim Abbrechen sind – was immer wieder mal vorkommen kann, und sei es durch den Crash mit einem Werkzeug oder einen ähnlichen Unfall – zeigt sich noch ein kleiner, aber feiner Unterschied: Während beim zölligen Typ der Rest des abgebrochenen Kontakts tief in der Steckhülse sitzt und sich nur mühevoll entfernen lässt (Korkenzieherprinzip, aber nur bei 1 mm Durchmesser), kann man den Kragen des metrischen Kontaktgehäuses einfach mit einer feinen Zange fassen und den Stift herausziehen.

4. Die metrische Steckhülse erfordert sehr präzise Bohrungen, denn sie besitzt keinen Pressring, der etwas ausgleichend wirken kann. Wir haben allerdings unserer Standardhülsen S 30.00-xx und S 50.00-xx so genannte „Einpresszonen“ gegeben. Dies ist ein etwa 6-7 mm langer Bereich unterhalb des Anschlagkragens, der über mehr Flexibilität verfügt als der sonst zylindrische Teil der Hülse. Besonders beim Einbau in harte FR4-Platten (Epoxid-Glashartgewebe) zeigt diese Lösung ihre Stärken. Sie können die Montagebohrungen getrost mit einem 2,0 mm-Standardbohrer herstellen, und die Hülse passt. Einige Produkte auf dem Markt erfordern hier Sondergrössen von 2,01 oder 2,02 mm Durchmesser, was die Beschaffung der Bohrer unnötig erschwert.

FIXTEST-Bohrtabelle

Sollten Sie jetzt den Eindruck haben, wir würden die metrischen Typen aus irgendeinem Grund bevorzugt darstellen, so täuscht das. Wir sind hier in keine Richtung orientiert, sondern stellen sachlich und unvoreingenommen die Dinge gegenüber, wie sie sind. Die Entscheidung zwischen den beiden Systemen liegt letztendlich bei Ihnen, dem Anwender.