Klinkenstecker
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Klinkenstecker sind international weit verbreitete elektrische Steckverbinder zur Übertragung von Wechsel- oder Gleichspannung im SELV-Bereich (Safety Extra Low Voltage, Kleinspannung). Die Bauform ist von der EIA als RS-453 und von der IEC unter 60603-11[1] genormt.
Zum Anwendungsbereich von Klinkensteckern, -buchsen und -kupplungen gehört z. B. die Weiterleitung von Audiosignalen oder die Verbindung zu einem Netzteil zur Stromversorgung eines Kleingerätes. Sehr häufig werden Klinkenstecker zum Anschluss eines Kopfhörers verwendet. Gelegentlich dienen sie zur Übertragung digitaler Signale zu Steuerzwecken.
Der Name ist vermutlich abgeleitet von Klinke im Sinne von „Hebel, der die Weiterbewegung eines Maschinenteils hemmen soll“ und bezieht sich auf das für diesen Stecker typische Einrasten des Steckers an der/den Kontaktfeder(n) für das Nutzsignal. Die Kontaktfeder(n) sind bei den gängigen Bauformen der Buchsen und Kupplungen gleichzeitig die einzige mechanische Sicherung der Steckverbindung. Nur wenige Sonderbauformen der Klinkenbuchsen und -kupplungen weisen eine zusätzliche mechanische Verriegelung der Steckverbindung auf, z. B. bei Produkten der Firma Neutrik.
Vorteile der Klinkenverbindung sind die einfache Handhabung bei platzsparender Bauform. Nachteile der Klinkenverbindung sind vor allem der kurzschließende Steckvorgang und die relativ schlechte Kontaktqualität. Lässt die Federspannung der Kontaktfeder mit der Zeit nach, wird nicht nur der Kontakt schlechter, sondern auch die mechanische Steckfestigkeit. Die fehlende mechanische Verriegelung kann im Einzelfall ein Nachteil sein, wenn die sich unerwünscht lösende Steckverbindung zu Schäden führen kann, wie beim Lautsprecheranschluss eines Röhren-Gitarrenverstärkers.
Die Kontaktbelastung beträgt bei den 6,35-mm-Buchsen und Kupplungen bis zu 3 A, die Schaltlast beträgt 0,5 A bei 50 V, die Lebensdauer beträgt mehr als 1000 Steckzyklen bei den Steckern und mehr als 10.000 Zyklen bei den Buchsen.[2]
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[Bearbeiten] Bauformen
Klinkenstecker werden mit verschiedenen Durchmessern hergestellt:
- 2,5 mm (selten), für besonders kleine Geräte verwendet, z. B. Headsets für Mobiltelefone. Findet auch Verwendung zur Datenübertragung bei manchen Taschenrechnern. Diese Steckergröße ist bekannt als „Microklinke“.
- 3,5 mm, meistens an portablen Geräten (z. B. Walkman, MP3-Player) oder Soundkarten, auch bekannt als „Miniklinke“.
- 6,35 mm, an Stereoanlagen und sehr vielen Elektrogeräten aus dem Bereich der Musikproduktion, wie z. B. Mischpulten, Effektgeräten, Synthesizern / Keyboards, E-Pianos, E-Gitarren und Gitarrenverstärkern.
Die „krummen“ Größen gehen auf amerikanische Zoll-Maße zurück: 6,35 mm = 1/4 Zoll, 3,5 mm = 1/8 Zoll, 2,5 mm = 3/32 Zoll.
2. Ring: Rechter Kanal bei Stereo-Steckern, negative Phase bei symmetrischen Verbindungen
3. Spitze: Linker Kanal bei Stereo-Steckern, positive Phase bei symmetrischen Verbindungen
4. Isolatoren
Es gibt Klinkenstecker in Ausführungen mit null (optisch), zwei (Mono), drei (Stereo) und vier (Stereo + Zusatz) Kontakten.
Ebenfalls aus dem amerikanischen kommen die weniger gebräuchlichen Bezeichnungen
- TS (Tip + Sleeve, Spitze + Schaft) für Mono-Stecker und
- TRS (Tip + Ring + Sleeve, Spitze + Ring + Schaft) für Stereo-Stecker.
[Bearbeiten] Mono-Stecker (zweipolig)
Der Mono-Stecker führt an der Spitze das Signal und am hinteren Teil, der Hülse, die Abschirmung und Rückleitung („Masse“).
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Sig GND
Sig = (Ton)signal GND = Masse (Rückleitung)
[Bearbeiten] Stereo-Stecker (dreipolig)
Der Stereo-Stecker ist die Weiterentwicklung des Mono-Steckers. Um den dritten Kontakt für den zweiten Kanal unterzubringen, wurde ein Ring von der Hülse abgetrennt.
Die Spitze des Stereo-Steckers ist mit dem Signal für den linken Kanal belegt, der Ring hinter der Spitze mit dem Signal für den rechten Kanal. Der hintere Teil, die Hülse, ist wie beim Mono-Stecker mit der Abschirmung und Rückleitung belegt.
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L R GND
L = Linkes Tonsignal R = Rechtes Tonsignal GND = gemeinsame Masse (Rückleitung)
[Bearbeiten] Symmetrische Verbindung
In der professionellen Audiotechnik werden meist symmetrische Verbindungen benutzt, bei denen das Signal getrennt von der Abschirmung und dem Massepotenzial über zwei gleichwertige Leitungen - eine phasenrichtige und eine phasenverkehrte - übertragen wird. Da Störungen durch Einstreuungen meist beide Leiter gleich betreffen, kann der Empfänger sie eliminieren, indem er die Differenz beider Signale auswertet. Steckt man einen Monostecker in eine symmetrisch beschaltete Buchse, schließt man die phasenumgekehrte Leitung gegen Masse kurz, was je nach Schaltungsdesign zu Schäden führen kann.
Für eine Phantomspeisung bei Mikrofonen werden vom Empfänger (Verstärker, Mischpult) beide Signalleitungen auf das gleiche, gegen Masse positive Potenzial gelegt (meistens 12 bis 48 Volt).
Für symmetrische Verbindungen werden meistens XLR-Stecker verwendet, aus Platz- oder Kostengründen allerdings auch oft die gleichen Klinkenstecker wie für Stereo-Anschlüsse. Die Spitze des Steckers ist dabei mit dem Signal belegt, der Ring hinter der Spitze mit dem invertierten Signal. Der hintere Teil, die Hülse, ist wie schon beim Mono-Stecker mit der Abschirmung belegt.
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+ - GND
+ = Phasenrichtige Leitung für Tonsignal, Hinleitung für Phantomspeisung - = Phasenumgekehrte Leitung für Tonsignal, Hinleitung für Phantomspeisung GND = Abschirmung für Tonsignal, Rückleitung für Phantomspeisung
[Bearbeiten] Stereo-Stecker mit Zusatzfunktion (4-polig)
Der Stereo-Stecker mit Zusatzfunktion ist eine Variante des Stereo-Steckers. Um den vierten Kontakt für die Zusatzfunktion unterzubringen, wurde ein weiterer Ring von der Hülse abgetrennt.
Üblicherweise ist die Spitze des Stereo-Steckers mit dem Signal für den linken Kanal belegt, der Ring hinter der Spitze mit dem Signal für den rechten Kanal. Der hintere Teil, die Hülse, ist wie schon beim Mono-Stecker mit der Abschirmung und Rückleitung belegt.
Es gibt jedoch auch Geräte, bei denen von dieser Standardbelegung abgewichen wird. Bei einigen Mobiltelefonen liegt der Zusatzkontakt beispielsweise an der Spitze. Bei solchen Geräten ist daher die Verwendung von Standardzubehör unter Umständen nur mit Adaptern möglich.
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L R AUX GND
L = Linkes Tonsignal R = Rechtes Tonsignal AUX = Zusatzsignal GND = gemeinsame Masse (Rückleitung)
(Diese Variante des Klinkensteckers scheint es nur in 2,5 mm und 3,5 mm Größe zu geben.)
[Bearbeiten] Schaltfunktion
Die Buchse oder Kupplung kann mit zusätzlichen Schaltkontakten ausgerüstet sein, die durch den Steckvorgang betätigt werden. Beim Kopfhörer-Anschluss werden oftmals eingebaute Lautsprecher geschaltet, die bei gestecktem Kopfhörer stumm geschaltet werden.
[Bearbeiten] Anwendungen
[Bearbeiten] Kopfhörer-Anschluss
Der dreipolige Stereostecker in der 3,5 mm großen Ausführung ist zur Zeit der marktübliche Steckverbinder bei Kopfhörern für tragbare Geräte; tragbare Miniaturgeräte verwenden auch den 2,5 mm großen Stecker. Bei hochwertigen, nicht tragbaren Geräten und im professionellen Umfeld findet man dagegen 6,35 mm.
Diverse Hersteller setzen auch den vierpoligen 3,5-mm-Klinkenstecker ein, an tragbaren Geräten oft zur Fernsteuerung des Gerätes durch eine kleine Fernbedienung im Kopfhörerkabel. Üblicherweise kann der Zusatzkontakt problemlos nach Masse kurzgeschlossen werden, so dass auch konventionelle Kopfhörer angeschlossen werden können.
Die Firma Apple benutzt den vierten Kontakt an einigen Laptops, um dort ein Composite-Videosignal auszugeben, so dass ein Fernsehgerät mit einem einzigen Stecker angeschlossen werden kann. Auch hier ist der Zusatzkontakt ohne Schäden nach Masse kurzschließbar. Auch bei einigen Sony-Camcordern wird das Composite-Videosignal über den AUX-Kontakt geleitet.
Einige Hersteller nutzen an tragbaren digitalen Audiogeräten eine Klinkenbuchse (3,5 mm), die ein optisches S/P-DIF-Signal auf die Spitze des Klinkensteckers und gleichzeitig ein Stereo-Signal auf die herkömmlichen Metallkontakte führt. So kann die Kopfhörerbuchse wie gewohnt benutzt werden, alternativ kann aber auch ein vollständig aus Kunststoff bestehenden Klinkenstecker („Null-polig“), an dessen Spitze ein Lichtleiter austritt, eingesteckt werden, um das Gerät mit einem optischen digitalen Eingang, z. B. an einem Hifi-Verstärker, zu verbinden. Dabei dienen die Kontakte in der Buchse nur noch dazu, den Stecker zu halten.
[Bearbeiten] Line-Level-Anschluss
Die Anschlussbelegung ist identisch zum Kopfhöreranschluss, jedoch ist der Pegel geringer und die Impedanz höher als am Kopfhörerausgang. Üblich sind 3,5 mm Stereo-Steckverbinder für tragbare Geräte und an Computern, 6,35 mm Steckverbinder in Mono und Stereo im professionellen Umfeld.
Bei mäßiger Lautstärkeeinstellung kann meistens auch der Kopfhöreranschluss als Line-Ausgang missbraucht werden. Ein vorhandener Line-Ausgang ist jedoch in jedem Fall vorzuziehen.
Der marktübliche Steckverbinder für Line-Level ist (außer bei Computern) Cinch, ältere Geräte besitzen oft DIN-Steckverbinder.
[Bearbeiten] Mikrofon-Anschluss
Für Stereo-Mikrofone ist die Anschlussbelegung identisch zum Kopfhöreranschluss, wenn auch mit deutlich niedrigerem Pegel und anderer Impedanz.
Mono-Mikrofone mit Monostecker führen das Signal an der Spitze und Masse am Körper des Steckers, wobei gelegentlich eine Phantomspeisung über die Spitze stattfindet. Mono-Mikrofone mit Stereostecker nutzen die Spitze für das Signal, den Ring für die Speisung, und Masse am Körper des Steckers. Bei Klinkenbuchsen von vielen Soundkarten wird je nach Typ eine unterschiedliche Speisespannung (z.B. 1,5 V oder 5 V) an den Spitzenkontakt angelegt.
Gesangsmikrofone im professionellen Bühnen- und Studiobereich werden in der Regel nicht über Klinken, sondern XLR-Verbinder angeschlossen. Für den Anschluss von Mikrofonen an transportable Geräte (z.B. DAT-Recorder im Reportagebereich) werden jedoch häufig auch Klinkenstecker verwendet.
[Bearbeiten] Insert
Um in den Signalweg z.B. eines Mischpultes Effektgeräte einzuschleifen, werden meist Kabel mit einem Stereo-Stecker an dem einen und zwei Mono-Steckern am anderen Ende genutzt. Hierbei wird beim Einstecken des Stereo-Steckers in die Insert-Buchse das Signal aufgetrennt und auf einen der Mono-Stecker geleitet (üblicherweise vom „Tip“ des Stereosteckers). Dort wird der Eingang des Effektgerätes angeschlossen. Über den anderen Mono-Stecker wird der Ausgang des Effektgerätes wieder auf den „Ring“ des Stereosteckers ins Mischpult zurückgeführt. Diese erlaubt eine einfache Zuordnung des Effektgerätes zu einem Kanal des Mischpultes mit nur einem Steckvorgang. Höherwertige Mischpulte verwenden hierzu allerdings zwei symmetrisch beschaltete Klinkenstecker, einen für Send, den anderen für Return.
[Bearbeiten] Datenübertragung
Den Klinken-Standard nutzen manche Taschenrechner-Hersteller, um ihre Geräte mit Datenübertragung auszustatten. So können einzelne Variablen, aber auch ganze Programme von Taschenrechner zu Taschenrechner aber auch von Taschenrechner zu PC übermittelt werden.
Beim iPod nano wird der (4 polige) Klinkenstecker zur Übertragung eines USB-Signals genutzt.
Schaltsignale z. B. von einem Fußschalter in der Musikelektronik, werden häufig mit 6,35-mm-Klinkensteckern übertragen.
Sensoren z. B. für den Puls an Heimtrainern sind häufig mit Klinkensteckern ausgerüstet. Hierbei ist die fehlende mechanische Verriegelung von Vorteil. Wird das Kabel gespannt, löst sich der Stecker. Es entsteht keine Beschädigung.
Auch zur Datensicherung auf Analog-Cassetten bei älteren Synthesizern kamen Klinkenstecker bzw. -buchsen zum Einsatz.
[Bearbeiten] Stromversorgung
Klinkenstecker für die Stromversorgung von Kleingeräten sind mit 2,5 mm und 3,5 mm Durchmesser üblich. Da die Kontakte offen liegen, kann es mit diesen Steckern, auch schon beim Einstecken, leicht zu einem Kurzschluss kommen, das verwendete Steckernetzteil sollte daher kurzschlussfest ausgelegt sein. In den meisten Fällen werden daher zur Stromversorgung Hohlstecker eingesetzt. Die Polarität an den Kontakten ist nicht genormt.
[Bearbeiten] Lautsprecher-Anschluss
Instrumental-Verstärker in der Beschallungstechnik nutzen traditionell Klinken-Verbinder zum Anschluss interner und/oder externer Lautsprecher. Obwohl seit mehreren Jahren der eigens zum Lautsprecheranschluss geschaffene Speakon-Standard existiert, werden insbesondere bei Geräten der niedrigen bis mittleren Preislage Klinkenbuchsen und -stecker verwendet, obwohl die Nachteile schwer wiegen:
- Die Kontakte sind nicht berührungsgesichert. Der SELV-Spannungsgrenzwert (25 Volt Wechselspannung) wird leicht überschritten.
- Es werden hohe elektrische Leistungen übertragen, die das Klinkenstecksystem in Grenzbereichen belastet. Bei einer Leistung P von 100 Watt und einer Lautsprecher-Impedanz R von 8 Ohm fließt ein Strom I von über 3,5 Ampere
- Beim Einstöpseln des Steckers in die Lautsprecherbox wird der Verstärker kurzgeschlossen und kann zerstört werden.
- Ein- und Ausgänge von Geräten sowie Schalteingänge (alle üblicherweise in 6,35-mm-Klinke) können verwechselt werden, wodurch hohe elektrische Leistungen in empfindliche Eingänge geleitet oder Ausgänge unzulässig parallel geschaltet werden können.
- Röhrenverstärker dürfen nicht ohne Lautsprecher betrieben werden. Löst sich der Steckkontakt, kann der Verstärker zerstört werden.
[Bearbeiten] Aviatik
Klinkenstecker werden in der Aviatik in den Grössen 7,13 mm, 5,2 mm und 6,3 mm eingesetzt: - Weltweit alle Flugzeuge (Motorflugzeuge GA, Verkehrsflugzeuge) mit Ausnahme von Airbus werden mit Klinken-Buchsen für folgende Stecker ausgerüstet:
- Kopfhörer (Hörmuscheln des Headsets): 6,3 mm Klinkenstecker Mono
- Mikrophon (Micro des Headsets): 0.206 Zoll (5,23 mm) Klinkenstecker Mono
- Weltweit alle Helikopter sowie die Flugzeuge (inkl. Kampfjets) der meisten Armeen werden mit Klinken-Buchsen für folgenden Stecker ausgerüstet:
- Kopfhörer, Mikrophon ( Headsets): 0.281 Zoll (7,13 mm) Klinkenstecker mit insgesamt 4 Polen (Spitze plus 3 Ringe)
[Bearbeiten] Probleme
Insbesondere die kleineren Ausführungen des Klinkensteckers (3,5 mm und 2,5 mm) sind mechanisch nicht sehr stabil, so dass Wackelkontakte entstehen können. Aus diesem Grund wird an hochwertigen HiFi-Geräte und im professionellen Einsatz fast ausschließlich die 6,35 mm große Bauform benutzt.
Bei vielen mobilen Geräten sind die Buchsen direkt auf die Platine gelötet. Benutzt man nun keine gewinkelten Klinkenstecker, sondern die geraden Ausführungen, entstehen relativ große Hebelkräfte. Dadurch können Lötstellen brechen, im schlimmsten Fall sogar Teile der Platine.
An vielen Low-Cost-Geräten sind die Kontakte in den Buchsen sehr minderwertig ausgeführt, so dass sie oxidieren und ebenfalls Wackelkontakte verursachen. Davon ist besonders häufig der Massekontakt betroffen, was bei niederohmigen Kopfhörern zu einem Übersprechen der beiden Tonkanäle führen kann. Dazu kommt es, weil sich bei einem hohen Eingangswiderstand an Masse die neue „Masse“ des Kopfhörers von der Masse des Verstärkers unterscheidet. Ist die Verbindung unterbrochen, entsteht sogar ein reines Mono-Signal, das jedoch gegenphasig in den Ohrhörern ankommt(L-R und R-L).
Wie der Cinch-Stecker verbindet der Klinkenstecker zunächst die Signalleitungen und erst dann die Masse-Leitung. Während des Einsteckens kommt die Spitze (linker Kanal) zunächst mit Masse, dann mit der Kontaktfeder des rechten Kanals und schließlich mit der Kontaktfeder des linken Kanals in Berührung, wobei die Kontaktfedern je nach Bauart sogar die Isolationsringe überbrücken. Analog kommt der Ring für den rechten Kanal erst mit Masse in Berührung, bevor er an der Kontaktfeder des rechten Kanals anliegt. Das führt im Moment des Einsteckens fast unweigerlich zu Störgeräuschen, wenn ein Klinkenstecker für Line-Signale benutzt wird.
Bei Kopfhörer-Anschlüssen werden die Verstärkerausgänge beim Einstecken mitunter kurzzeitig kurzgeschlossen, ebenso wie manche Netzgeräte mit Klinkenstecker. Während Kopfhörerverstärker meist kurzzeitig kurzschlussfest sind, sollten alle anderen Steckverbindungen daher nur bei abgeschalteten Geräten angeschlossen werden.
Mono- und Stereo-Klinkensteckverbinder sind elektrisch nicht kompatibel: Mono-Stecker in Stereo-Buchsen schließen den rechten Kanal nach Masse kurz, Stereo-Stecker in Mono-Buchsen haben keine Verbindung für den rechten Kanal. Der rechte Kanal bleibt also stumm.
Bei Klinkensteckern, die zur Stromversorgung benutzt werden, besteht Kurzschluss-Gefahr, wenn man den Stecker mit leitfähigen Gegenständen in Kontakt bringt. Diese Gegenstände können eine leitende Verbindung zwischen Steckerspitze und der Hülse herstellen, was eine Zerstörung des Netzteils zur Folge haben könnte. Außerdem besteht eine Verwechslungsgefahr mit Kopfhörer-, Mikrofon- und Line-Anschlüssen. Bei Verwechslungen können im schlimmsten Fall alle beteiligten Geräte zerstört werden.
Die hier dokumentierte Kontaktbelegung für Audio-Signale wird von allen Herstellern verwendet. Für Stromversorgungen gibt es keine Übereinkunft, je nach Hersteller und Gerät sind alle Kombinationen denkbar: Gleichstrom mit dem Minuspol an GND und Pluspol an der Spitze, Gleichstrom mit dem Minuspol an der Spitze und dem Pluspol an GND oder Wechselstrom an Spitze und GND. Oft ist an den Geräten oder in der Bedienungsanleitung angegeben, welche Belegung genutzt wird, häufig ist es die erstgenannte.
[Bearbeiten] Adapter
Viele Kopfhörer-Hersteller legen ihren Produkten einen Adapter bei, um den Kopfhörer sowohl an Geräten mit 3,5 mm Klinkenbuchse als auch an Geräten mit 6,35 mm Klinkenbuchse betreiben zu können. Ist der Kopfhörer hauptsächlich für den Betrieb an tragbaren Geräten vorgesehen, kommt ein 3,5 mm Stecker am Kabel zum Einsatz, auf den ein Adapterstecker auf 6,35 mm aufgesteckt oder aufgeschraubt werden kann. Umgekehrt nutzen Kopfhörer, die nur gelegentlich an tragbaren Geräten betrieben werden, einen 6,35 mm Stecker mit einem Adapterstecker oder Adapterkabel auf 3,5 mm. Für den Betrieb an besonders kompakten Geräten gibt es Adapterstecker und Adapterkabel, um einen 3,5 mm Stecker an eine 2,5 mm Buchse anzuschließen.
Wenn immer möglich, sollte der Gebrauch von Adaptern vermieden werden, da die Anzahl der oftmals ohnehin schlechten Kontakte mit Adapter verdoppelt wird.
[Bearbeiten] Quellen
- ↑ IEC 60603-11 „Connectors for frequencies below 3 MHz for use with printed boards - Part 11: Detail specification for concentric connectors (dimensions for free connectors and fixed connectors)“
- ↑ Webseite der Firma Neutrik mit einer Produktübersicht und techn. Spezifikationen
