Nahezu jedes System verwendet irgendeine Art von Steckverbindern. Steckverbinder gibt es in zahlreichen Ausführungen und mit unterschiedlichen Funktionen: Sie können nur intern sein, eine Platine mit einer anderen verbinden, Antennen für die Kommunikation hinzufügen oder extern zur Stromstromversorgung und Signalübertragung dienen. Jeder Steckverbinder bedeutet einen zusätzlichen Widerstand in der Signalkette. Dieser Widerstand kann je nach Steckverbinder für das gewünschte Ergebnis gut oder schlecht sein.
In einer Signalkette gibt es verschiedene Widerstandsquellen. Ganz gleich, wie groß oder aus welchem Material die Leiterbahnen auf der Platine sind, fügen sie einem Schaltkreis einen messbaren Widerstand hinzu (es sei denn, Sie verwenden Supraleiter auf Leiterplatten; in diesem Fall würde ich gerne wissen, wie Sie das geschafft haben). Auch wenn wir Schaltungselemente gerne als „ideal“ betrachten, so liefern sie doch einen Widerstand. Manchmal ist das beabsichtigt, z. B. beim Erstellen von Filtern oder beim Anpassen von Impedanzen für Antennen. Drähte zwischen Elementen sind mit Leiterbahnen vergleichbar und bilden eine weitere Widerstandsquelle. Schließlich kommen wir zum Steckverbinder, bei dem wir vielleicht nur an den Strom oder die Daten denken, die durch ihn hindurchfließen. Aber auch er muss berücksichtigt werden, wenn man sich mit den Auswirkungen von Widerständen auf Schaltkreise beschäftigt.
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Auswirkungen von elektrischem Widerstand
Wie macht sich Widerstand an Anschlussstellen bemerkbar? Zuerst wird man wahrscheinlich einen Spannungsabfall feststellen. Wie bei jedem Widerstand in einem System entsteht ein Spannungsunterschied, wenn Strom durch ihn hindurchfließt. Bei hohen Strömen kann es zu einem Abfall von bis zu 2/10 Volt kommen, was aber im Großen und Ganzen nicht besonders viel ist. Bei Niederspannungssystemen wie FPGAs und Mikroprozessoren, die mit sehr hohen Strömen arbeiten und mit 3,3 V oder weniger betrieben werden, verdienen 2/10 Volt unbedingt Beachtung. Bei Hochspannungssteckverbindern, z. B. für 600 V, verlieren sich 2/10 Volt wahrscheinlich in der Welligkeitsspannung.
Leistungsverlust durch Widerstand
Als Nächstes fällt der Wärme- oder Leistungsverlust auf. Wenn Strom durch ein Widerstandselement fließt, geht Leistung durch Wärme verloren. Und je höher der Widerstand ist, desto höher ist der Leistungsverlust. Der Nachteil ist, dass die Effizienz des Systems abnimmt. Der höchste Leistungsverlust, den ich an einem Steckverbinder festgestellt habe, betrug 1/10 Prozent. Bei einem System, das auf maximalen Wirkungsgrad ausgelegt ist, ist ein Zehntel Prozent beachtlich. Dieser Leistungsverlust durch Wärme führt außerdem dazu, dass sich der Steckverbinder selbst erwärmt. Da die Eigenschaften von Steckverbindern durch erhöhte Temperatur negativ beeinflusst werden, kann die Stabilität Ihres Systems durch einen heißen Steckverbinder beeinträchtigt werden.
Elektrischer Widerstand: Positive Effekte
So viel zu den Nachteilen von Steckverbinderwiderstand. Es gibt jedoch einige Bereiche, in denen ein kontrollierter Steckverbinderwiderstand durchaus wünschenswert ist. Dabei fallen mir zuerst Antennenanpassung und Audioausgabe ein. Bei RF-Steckverbindern soll die Senderausgangsimpedanz so genau wie möglich an die Antennenimpedanz angepasst werden, um eine maximale Ausgangsleistung zu ermöglichen. Häufig basieren RF-Systeme auf einer 50-Ohm-Spezifikation. Bei der Audioausgabe besteht die ideale Impedanzanordnung darin, dass die Verstärkerimpedanz niedriger als die Lautsprecherimpedanz ist, sodass die Steckverbinder einen niedrigen Widerstand besitzen müssen, um dieses Verhältnis nicht zu stören.
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Elektrischer Widerstand – Ein Experiment
Nachdem nun einige Auswirkungen des Widerstands in Steckverbindern bekannt sind, wäre interessant zu erfahren, wie sie sich addieren. Ich habe Daten für eine Handvoll Molex-Steckverbinder zusammengetragen, wobei ich mich hauptsächlich auf Stromsteckverbinder wie die EXTreme-, Sabre- und Mini-Fit-Serien konzentriert habe. Diese Steckverbinder weisen Widerstände von extrem niedrigen 0,15 Milliohm wie in der Zpower-Serie bis 20 Milliohm in den PowerPlus-Signalkontakten auf und unterstützen Spannungen und Ströme von bis zu 600 V bzw. 50 A. Ich hatte ein einfaches Muster aus zunehmender Leistung und abnehmendem Widerstand erwartet, aber das war nicht der Fall. Molex hat nicht nur den Widerstand verringert, sondern auch die Anwendungen, für die die Steckverbinder bestimmt sind, berücksichtigt. Das Ergebnis sind Steckverbinder, die auf spezielle Anforderungen abgestimmt sind.
Je nach Anwendung ist nicht nur der Steckverbinderwiderstand entscheidend, sondern es müssen auch Haltbarkeit, Zyklenzahl, Materialien, Einsatzbereich und Kosten berücksichtigt werden. Im Großen und Ganzen nimmt der Widerstand mit steigender Leistung ab. Bei Stromsteckverbindern versucht man, die Widerstände niedrig zu halten, während es in Signalleitungen zahlreiche verschiedene Widerstände gibt. Widerstand wirkt sich auf das Schaltungsdesign aus, beeinträchtigt die Impedanzanpassung und sollte bei Komponentenentscheidungen ausreichend berücksichtigt werden.