Industrieverkabelung

Effektive und sichere Feldmontage mit der Schneidklemmtechnik

24.09.2007 | Autor / Redakteur: Rolf Zollinger / Ines Näther

Schneidklemmtechnik — wie der FM45 von R&M — vereinfacht das Beschalten moderner Steckerlösungen auch für industrielle Anwendungen.

Industrial-Ethernet dringt immer weiter in die Fertigung vor, wodurch die Verkabelung und besonders die sensiblen Steckverbindungen hohen mechanischen, klimatischen und chemischen Belastungen ausgesetzt sind. Nur eine zuverlässige Verbindungstechnik garantiert dabei die nötige Netzwerk-Verfügbarkeit und Übertragungsleistung. Aufgrund der weitgehend gleichen Anwendungsbreite bietet sich ein Vergleich zwischen IDC- und Crimp-Technologie an – sie sind sowohl für Signal– als auch Leistungs-Verbindungen verwendbar.

Verkabelungsprojekte in der Industrie und Automation stellen enorme Anforderungen. Die Anlagenverfügbarkeit ist bedeutend wichtiger als bei einem Büro-LAN. Sie steht und fällt mit der Qualität der verwendeten Komponenten. Neben Robustheit müssen Kabel und Steckverbinder für Industrie-Anwendungen hervorragende Übertragungseigenschaften aufweisen. Hinzu kommt, dass beim Installieren eine erhöhte Flexibilität nötig ist, um die Kabel anlagenspezifisch führen zu können.

Vor diesem Hintergrund hat sich die IDC-Schneidklemmtechnik (Insulation Displacement Contact) bewährt, die selbst unter extremen Umwelteinflüssen maximale Verfügbarkeit gewährleistet. Sie lässt sich in fortschrittliche Steckverbinder — insbesondere RJ45-Module für Kat. 5/Kat. 6-Verkabelung — integrieren und unterstützt die einfache und zeitsparende Montage ohne Spezialwerkzeuge.

Parameter einer guten Kontaktierung

Obwohl Anschlussblöcke, Stecker und Buchsen allgemein als eher unscheinbare und einfach zu beherrschende Verbindungselemente gelten, liegen der elektrotechnischen Kontaktierung komplexe physikalische Zusammenhänge zugrunde. Der so genannte Kontaktübergang ist der wichtigste Punkt bei der Entwicklung und Herstellung von Kontakten.

Alle Parameter werden dem elektrischen Widerstand des Übergangs, dem Kontaktwiderstand, unterworfen. Dieser setzt sich aus dem Enge- und dem Fremdschicht-Widerstand zusammen. Der Engewiderstand entsteht durch Unebenheiten der Kontaktfläche. Infolge dessen — mikroskopisch kleine Rauheiten — berühren sich elektrische Kontakte nicht schlüssig auf der gesamten Fläche, sondern an einer Vielzahl von erhabenen Mikroflächen. Bei Strombelastung kommt es dort zu einer Einschnürung der Strombahnen.

Der Fremdschicht-Widerstand berücksichtigt Widerstandsanteile, die durch hauchdünne Oberflächenschichten, z.B. Oxid- oder Korrosionshäute, verursacht werden. Um dies zu vermeiden werden Verzinnungen sowie Edelmetall-Beschichtungen aus Gold, Silber, Palladium oder Platin verwendet. Beide Widerstände sind abhängig von der Kontaktkraft mit der die Berührungsflächen gegeneinander gepresst werden. Mit steigender Kraft vergrößert sich durch elastische oder plastische Verformung die Summe der Mikroflächen, und Fremdschichten können teilweise zerstört werden, wodurch sich der Gesamtwiderstand verringert.

Je nach Anwendung müssen Entwickler von Kontakten bzw. Steckverbindern eine Reihe weiterer Kriterien berücksichtigen, die sowohl in direkter als auch indirekter Beziehung zum eigentlichen Kontaktübergang stehen können. Dazu zählen neben den Beschichtungen etwa die Kontaktträger-Materialien (oder Grundmaterialien), die Kontaktgeometrie, der mechanische Kontaktverschleiß, Gleiteigenschaften sowie eventuelle Verriegelungsmechanismen und Abdichtungen.

Verbindung ohne löten, schrauben und abisolieren

Bei IDC handelt es sich um eine Verbindungslösung, die ohne Löten, Schrauben und Abisolieren auskommt. Das Beschaltungsprinzip ist einfach: Die Ader wird mitsamt ihrer Isolierung in einen V-förmigen Klemmkontakt gedrückt. Beim Eindrücken durchschneiden die scharfen Flanken des Klemmkontakts (Schneidklemme) die Isolierung und es entsteht eine elektrisch leitfähige Verbindung, ein Kontaktübergang, zwischen Ader und Schneidklemme. So erreicht man eine gasdichte und korrosionsbeständige Verbindung. Die Klemmwirkung wird durch die vorgegebene Schneidengeometrie erzielt.

Eine hohe Kontaktkraft, gute Leitfähigkeit und die richtige Form des Grundmaterials bestimmen die Übertragungsqualität und Langzeit-Zuverlässigkeit der IDC-Kontaktierung. Aufgrund der guten elektrischen und mechanischen Eigenschaften eignet sich IDC für viele Anwendungen, die eine zuverlässige Verbindung zwischen einem elektrischen Leiter und einem Verbindungs-Element erfordern, darunter Twisted-Pair-Verkabelungen bzw. RJ45-Verbindungen und Power-Verkabelungen.

Welche Technik für welches Anwendungsgebiet?

Man kann allgemein zwischen zerstörungsfrei lösbaren und unlösbaren Verbindungen unterscheiden. Darüber hinaus gibt es — teilweise wiederbeschaltbare — Verbindungen, bei denen der Mantel von einer Schneide oder einem Dorn durchschnitten bzw. durchdrungen wird. IDC gehört zu den zerstörungsfrei lösbaren Verbindungen und wird auch als löt-, schraub- und abisolierfreie Technik, kurz LSA-Technik, bezeichnet.

Das Pro und Kontra der unterschiedlichen Verbindungstechniken wurde und wird von Fachleuten immer wieder diskutiert. So schreibt beispielsweise das Institut Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) der Fraunhofer-Gesellschaft unter dem Teilgebiet Signal- und Leistungsübetragung: „Die Rundleiter-Verdrahtungstechnik ist eine am Markt etablierte und bewährte Technologie. Dennoch bietet Sie auch heute noch ein breites Optimierungsfeld mit Möglichkeiten zur weiteren Qualitätsverbesserung und Kostenminimierung ...“ (Auszug).

Aus Anwendersicht ist ein Vergleich der derzeit üblichen Techniken praktisch nur möglich, indem man sich am Realfall bzw. an Designvorgaben orientiert:

  • Einsatzgebiet (Spannungs-/Strombelastungen),
  • Systemkonzept (lösbare/unlösbare Verbindungen, modularer Aufbau etc.),
  • Verarbeitung (manuell, automatisierte Prozesse),
  • Handhabung im Feld (Zeit- und Montageaufwand),
  • Lebensdauer (elektrisch und mechanisch, Steckzyklen),
  • Übertragungseigenschaften (speziell bei Signal-/HF-Verbindungen),
  • Umgebungsbedingungen,
  • Kosten-Nutzen-Verhältnis.

So kann etwa die Einpress-Technologie die optimale Lösung für die Kontaktierung auf einer fest installierten Leiterplatte sein, während sie für eine andere Anwendung mit austauschbaren Baugruppen und Steckverbindungen völlig ungeeignet ist.

Und auch ein Blick auf die klassische Schraubverbindung macht deutlich, wie differenziert die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Verbindungstechniken zu betrachten sind: Im Hochspannungs- bzw. Hochvoltbereich unverzichtbar, kommen Schraubverbindungen für ultrakompakte Elektronikdesigns überhaupt nicht in Betracht. Außerdem sind sie ein Negativbeispiel, wenn es um die Montagefreundlichkeit und Zeit-/Kosteneinsparungen geht.

Aufgrund der über weite Strecken gleichen Anwendungsbreite bietet sich ein Vergleich zwischen IDC- und Crimp-Technologie an. Die Spezifikationen hinsichtlich der maximalen Spannungs- und Strombelastbarkeit sowie der Übertragungseigenschaften variieren von Hersteller zu Hersteller — grundsätzlich lassen sich beide Technologien sowohl für Signal- als auch Leistungsverbindungen verwenden.

Schneidklemmen-Entwicklung: dreifache Herausforderung

Die Herausforderungen bei der Entwicklung von IDC-Verbindungen liegen neben der Wahl von Grundmaterial und Beschichtungen in der Bestimmung einer optimalen Schneidklemmen-Geometrie. Grundmaterialien (Legierungen) und Beschichtungen beeinflussen maßgeblich die Langzeitstabilität und Korrosionsbeständigkeit der Schneidklemme. Auf Seiten der Hersteller arbeitet man kontinuierlich an weiteren Verbesserungen. R&M setzt hier unter anderem Zinn ein. Die genaue Geometrie, Materialfestigkeit und Klemmwirkung von Schneidklemmen ermittelt R&M durch Computersimulationen. Das gewählte Grundmaterial und die patentierte Form ermöglichen eine regelmäßige Verteilung der inneren mechanischen Spannungen und gewährleisten bei thermodynamischen und mechanischen Belastungen einen hohen konstanten Kontaktdruck.

Andererseits muss eine Schneidklemme trotz dauerhaft zuverlässiger Klemmwirkung für eine möglichst niedrige Beschaltungskraft ausgelegt sein, um das Eindrücken der Ader zu erleichtern. Ebenfalls durch Computersimulationen können die Schneidklemmen auf einen weiten Durchmesserbereich optimiert werden. Ein einziger R&M-Schneidklemmen-Typ kann Aderquerschnitte von 0,32 bis 0,80 mm aufnehmen.

Die dritte Herausforderung neben Geometrie und Legierung ist die Qualitätssicherung. Eine umfassende Prüfung ist Grundvoraussetzung für eine zuverlässige, langlebige Funktion der Schneidklemmen. Man verwendet hier international normierte Tests gemäß der für IDC-Verbindungen relevanten Norm IEC 60352-4. Bei R&M werden zusätzlich kundenspezifische Untersuchungen durchgeführt. Wiederholt werden Chargen einem 15-wöchigen klimatischen Test unter erhöhter Temperatur und typischen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sowie Versuchen mit salzhaltiger und industrieller Schadgasatmosphäre unterzogen. R&M-Schneidklemmen weisen Übertragungswerte auf, die viermal besser sind als die Anforderungen der IEC 60352-4.

Anwendung der IDC-Technologie

Die IDC-Technologie wurde in den 70er Jahren geboren. Ihre Entstehung und die zunächst weitgehend auf die Telekommunikations- und Datentechnik beschränkte Anwendung lässt sich mit der rasanten Zunahme von Anschlusskapazitäten und hochpoligen Verbindungen bei TK-Anlagen, Netzwerkeinrichtungen und Rechnersystemen erklären.

An der Weiterentwicklung der IDC-Technologie in Richtung einer anwendungs-übergreifenden Verbindungslösung war R&M maßgeblich beteiligt. Neben Produkten mit Schneidklemmtechnik für die Telekommunikation, Büro- und Gebäudeverkabelungen und Power-Applikationen hat R&M bereits eine Reihe neuer IDC-Lösungen für Industrial-Ethernet herausgebracht. Ein Beispiel ist der FM45 — der erste werkzeugfrei feldkonfektionierbarer RJ45-Stecker für 8-polige Feldbus- und Ethernet-Verkabelung mit Massivleiter oder Litze und Aderquerschnitten von AWG 26 bis AWG 22. Aufgrund der Schneidklemmtechnik lässt er sich mit wenigen Handgriffen vor Ort konfektionieren und beschalten. Für die Automatisierungs- und Prozessebene empfiehlt R&M die IP67-Variante des FM45.

Auch für Starkstrom-Verkabelungen bietet R&M mit RCO-Power eine IDC-Verbindungslösung an. In weniger als einer Minute wird ohne zusätzliches Werkzeug ein unterbrechungsfreier Abgriff an einem handelsüblichen Rundkabel hergestellt und ein vorkonfektionierter Adapter aufgeschaltet. Die freigelegten Adern legt der Installateur in farblich gekennzeichnete Führungen des Adapters. Beim Einklicken des Beschaltungsdeckels schneiden Kontakte durch die Aderisolation und stellen die Verbindung her.

Fazit

Profundes Know-how in der Verbindungstechnik und kompromisslose Produktqualität spielen im industriellen Umfeld eine noch bedeutendere Rolle als im Büro, da Netzwerkausfälle in der Automation die wirtschaftlich gravierendsten Folgen haben. Die Initiativen von Anwender- bzw. Feldbus-Nutzerorganisationen (PNO, AIDA, Interbus, ODVA) und die Einführung neuer, speziell für industrielle Umgebungen aufgesetzter Normen (ISO/IEC 24702, EN 50173-3, IEC 61918) sind der beste Beleg dafür, dass Industrial-Ethernet höchste Anforderungen an Layer-1-Produkte stellt. Produkte mit IDC-Technologie weisen Eigenschaften und Leistungswerte auf, welche in klassischen Verkabelungen weniger ins Gewicht fallen. In der Industrie-Kommunikation können sie jedoch ihre Qualitäts- und Sicherheitsvorteile voll ausspielen und geben damit den Ausschlag für den Erfolg und die Zuverlässigkeit einer Netzwerktopologie.

In der Verbindungstechnik der Telekommunikation hat sich die Schneidklemme (auch IDC = Insulation Displacement Contact) als einfache und sichere Verbindung durchgesetzt. Sie lässt sich auch bei Verbindungen von Spannungsnetzen bis 230 VAC/16 A anwenden. Die Adern liegen geschützt, korrosions- und vibrationssicher in den Schneidklemmen. Das Verfahren vermeidet Wackelkontakte, Übergangswiderstände und Überhitzung. Mit dieser Anschlusstechnik spart der Installateur Zeit und schafft zudem zuverlässige Verbindungen. Die langfristige Stabilität der Verbindung und die Kontaktsicherheit sind nicht mehr vom Können des Installateurs abhängig. Hinzu kommt, dass die mühsame Abisolierung der Adern und lose Kleinteile vermieden werden. Schneidklemmen eignen sich besonders gut für runde Installationskabel.

Die Vorteile von IDC, geeignet für Massivleiter und Litzen, ergeben sich aus der Kombination von einfacher Beschaltung und Qualität des Kontaktübergangs. Das Schneidklemm-Prinzip ermöglicht eine abisolierungsfreie, zeitsparende Installation ohne spezielles Werkzeug und ist daher ideal für Konfektionierungen vor Ort. Durch die relativ große Kontaktfläche und den hohen Kontaktdruck entsteht ein gasdichter und korrosionsgeschützter Übergang zwischen Ader und Schneidklemme. Optimal ausgelegte Schneidklemmen gewährleisten eine hohe Übertragungsqualität und dauerhafte Verbindungssicherheit auch unter erschwerten Bedingungen wie Vibrations- und Stossbelastungen in industriellen Anwendungen. IDC-Verbindungen lassen sich jederzeit lösen und wieder beschalten.

Bei der Crimpung wird die Verbindung zwischen Leiter und Anschlusselement, z.B. Kontakt eines Steckverbinders, durch Druck erzeugt. Die Beschaltung wird mit einer speziellen Crimpzange oder Bestückungsmaschine durchgeführt. Exakt abgestimmte Crimpprofile bewirken dabei eine vorgegebene Verformung von Anschlusselement und Leiter. Dies bedeutet aber auch, dass der Installateur für Montagen vor Ort auf eine geeignete Crimpzange angewiesen ist und mit deren korrekter Handhabung vertraut sein muss. Verfahrensbedingte Kräfte bzw. Biege- und Torsionsmomente führen bei der Crimpung zu Materialspannungen, die sich negativ auf die Kontaktsicherheit der Verbindung bei höheren Belastungen auswirken können. Crimp-Verbindungen sind nur bedingt lösbar und meistens nicht reparabel.

Rolf Zollinger, Marketing-Manager Industrial-Cabling bei Reichle & De-Massari (R&M)

Zeit sparend und zuverlässig

Zwei Verbindungstechniken im Vergleich

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