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Steckverbinder Stand der Technik und Trends

| Autor / Redakteur: Claus Kleedörfer, Carina Knübel* / Ute Drescher

Steckverbinder lassen sich mit einer Reihe für alle geltenden Eigenschaften beschreiben: Metall- oder Kunststoffgehäuse, IP-Schutzgrad, der Kontakteinsatz und Kontakte, die sich untereinander austauschen und kombinieren lassen. konstruktionspraxis erklärt, welcher Steckverbinder sich für welchen Einsatz eignet und welche Trends Industriesteckverbinder in Zukunft beeinflussen.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Industriesteckverbinder gibt es seit mehr als 50 Jahren. Einige der aktuell gebräuchlichen Steckverbinderbaureihen sind in ihren bestimmenden Eigenschaften mit den ersten Industriesteckverbindern immer noch vergleichbar. Ein typischer Industriesteckverbinder besteht heute wie damals aus einem Metall- oder Kunststoffgehäuse mit einem hohen IP-Schutzgrad zum Schutz vor Umgebungseinflüssen, einem Kontakteinsatz und Kontakten die untereinander vielfältig austausch- und kombinierbar sind.

Betrachtet man Steckverbinder und Steckvorrichtungen von der normativen Seite, so bringt der folgende Auszug der DIN EN 61984 (VDE 0627) die Definition auf den Punkt: „Ein Steckverbinder ist ein Bauelement, das es gestattet, elektrische Leiter anzuschließen und dazu bestimmt ist, mit einem passenden Gegenstück Verbindung herzustellen und/oder zu trennen“.

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Und unterscheidet: „Eine Steckvorrichtung ist ein Steckverbinder mit einer Schaltleistung (Connector with Breaking Capacity, CBC), der bei bestimmungsgemäßen Gebrauch, spannungsführend oder unter Last, verbunden oder getrennt werden darf“. In dieser Norm wird der Begriff “spannungsführend” verwendet, wenn die Kontakte eine Spannung führen, aber nicht notwendigerweise Strom fließt. Der Begriff “Last” wird verwendet, wenn ein Strom durch die Kontakte fließt. Steckvorrichtungen sind beispielsweise alle „Stecker“ aus der Installationstechnik, über die Haushaltsgeräte mit Energie versorgt werden.

Einsatz entscheidet über Gehäuse und Schutzart des Steckverbinders

Bei den heute verwendeten Steckverbindern gibt es je nach Einsatzgebiet verschiedene Varianten bei den Gehäusen und der Schutzart. Bei Anwendungen innerhalb eines Schaltschranks werden offene Kunststoffgehäuse mit einem Schutzgrad IP20 eingesetzt, die lediglich einen Berührschutz bieten. Für die Mehrzahl der Applikationen wird ein Metallgehäuse mit einem Schutzgrad von IP65 verwendet und für den Einsatz im Außenbereich werden häufig spezielle Gehäuse mit einem Schutzgrad von IP68 benutzt.

IP 65 beschreibt über die 6 als erste Ziffer den Schutz gegen das Eindringen von Fremdkörpern, die 5 als zweite Ziffer den Schutz gegen Sprühwasser, die 8 als zweite Ziffer den Schutz gegen Wassereintritt beim dauerhaften Untertauchen des Steckverbinders.

Zur einfacheren Konfektionierung von Steckverbindern mit sensiblen Medien wie Lichtwellenleiter oder Pneumatikschläuche werden geteilte Metallgehäuse bevorzugt. Die Verriegelung zwischen Steckverbinderober- und -unterteil erfolgt über eine Bügel-, Schraub-/Bajonett- oder Push-Pull-Verriegelung.

Kernelemte gibt es in hoher Varianz

Die zahlreichen und unterschiedlichen Applikationen erfordern eine hohe Varianz bei den Einsätzen, den Kernelementen der Steckverbinder. Gängige Steckverbindereinsätze gibt es in unterschiedlichen Baugrößen mit bis zu 600 Kontakten in einem Steckverbinder. Dabei können unterschiedliche Kontakttypen in einem Steckverbinder integriert sein. Die elektrischen Kennwerte reichen bei der Bemessungsspannung von 24 V bis 5 kV, beim Bemessungsstrom von 4 A bis 650 A und beim Leiterquerschnitt von 0,14 mm² bis 185 mm².

Je nach Anforderung der Anwender an die Verarbeitung des Steckverbinders gibt es unterschiedliche Anschlussarten:

Schraubanschluss muss regelmäßig nachgezogen werden

Der Schraubanschluss (Buchsenklemmstelle) wird mit Standardwerkzeugen angeschlossen, allerdings erfordern die Leitereigenschaften ein regelmäßiges Nachziehen der Verbindung. Ein Abisolieren des Leiters ist bei der Verwendung eines Schneidklemmanschlusses nicht notwendig, allerdings erfordert diese Variante einen hohen Platzbedarf und eine genaue Abstimmung der Schneidklemmen mit den in Frage kommenden Leiterquerschnitten.

Eine platzsparende Anschlussmöglichkeit für große Leiterquerschnitte ohne Einsatz von Spezialwerkzeugen bietet der Axialschraubanschluss, bei dem ein drehbarer Konus die Einzellitzen des Leiters von innen gegen die Innenwand einer Hülse presst.

Crimpanschluss stellt nichtlösbare Verbindung her

Der Crimpanschluss stellt mittels eines speziellen Werkzeugs eine nichtlösbare und gasdichte Verbindung zwischen Leiter und Kontakt her und gestattet im Steckverbinder höchste Anordnungsdichten der Kontakte. Bei Verwendung von automatischen Crimpwerkzeugen ist eine rationelle Verarbeitung möglich.

Käfigfederanschluss ermöglicht vibrationssichere Verbindung

Ein Käfigzugfederanschluss ermöglicht eine vibrationssichere Verbindung, da ständig die Federkraft der Schneidklemme auf die Kontaktstelle einwirkt. Nachteilig bei dieser Anschlusstechnik ist nur der hohe Platzbedarf für Anschluss- und Betätigungsraum im Steckverbinder. Vorstehend genannten Nachteile werden mit der erstmals auf der Hannover Messe 2007 präsentierten Neuheit einer radialsymmetrischen Federkraftklemme vermieden.

Diese Anschlusstechnik kombiniert die hohe Packungsdichte der Crimptechnik mit der Vibrationssicherheit und einfachen Anschlussmöglichkeit mit Standardwerkzeugen der Käfigzugfeder bei gleichzeitiger Steckkompatibilität zu den Steckgesichtern bereits im Markt etablierter Varianten. Kernelement dieser Anschlusstechnik sind eine kegelförmige Kontakttierungszone auf der Anschlussseite des Kontaktes. Eine zylindrische Feder umfasst den Leiter und presst die Litzen sicher an die Kontaktierungszone. Über einen Betätigungselement wird die Kontaktierung hergestellt oder gelöst.

Die zunehmende Integration von verschiedenen Medien (Pneumatik, Lichtwellenleiter, geschirmte Leitungen) oder unterschiedlichen Leiterquerschnitten in einem Steckverbinder erfordert modulare Konzepte zur flexiblen und wirtschaftlichen Realisierung dieser Schnittstellen.

Steckverbinder aus dem Baukasten zusammenstellen

Einem Baukastenprinzip folgend stellt der Anwender aus einzelnen Modulen, die in einem Gelenkrahmen sicher gehalten werden, die individuell auf seine Applikation zugeschnittene Schnittstelle zusammen. Internetbasierte Konfigurationstools unterstützen dabei die Definition, Dokumentation und Integration in die verwendete CAD-Software dieser Schnittstellen.

Getrieben durch die fortschreitenendefortschreiteinende dezentrale Anordnung von Automatisierungskomponenten in industriellen Applikationen werden neue Konzepte für Datensteckverbinder und Energieversorgungsschnittstellen notwendig. Im Mittelpunkt steht dabei immer die Verbindung der geräteinternen Leiterplatte mit der Aussenwelt, die sich in die drei Hauptgruppen

  • Datenkommunikation
  • 24-V-Hilfsspannung für die Sensorik und Aktorik
  • 400-V-Nutzspannung für Verbraucher wie beispielsweise Antriebe

unterteilt. Die hohe Ingenieurkunst bei der Realisierung dieser Schnittstellen liegt dabei bei der Lösung der unterschiedlichen Problemfelder: Während auf der Leiterplatte die automatische Verarbeitbarkeit mittels bleifreier Fertigungsprozesse im Vordergrund steht, gilt es intelligente Gehäusekonzepte für die Geräte und Steckverbinder sowie rationelle Anschlusstechniken der kabelseitigen Steckverbinder zu realisieren.

Als positives Beispiel gilt dabei die Integration von faseroptischen Transceiverbausteinen in Industriesteckverbindern, die über Push-Pull-Steckverbinder alternativ in Kunststoff- oder Metallgehäusen angeschlossen werden.

Integrierte Elektronik eröffnet Rationalisierungspotenzial

Die fortschreitende Miniaturisierung von elektronischen Bauelementen gestattet zunehmend deren Integration auf kleinster Baufläche. Viele Funktionalitäten können vor Ort realisiert werden. Auch die Integration von Elektronik im Steckverbinder gestattet die Nutzung von Rationalisierungspotentialen, zum Beispiel Schnittstelle und elektronische Funktion eine Einheit bilden. Das spart Platz und Kosten.

Eine dezentrale Datenspeicherung im Industriesteckverbinder ermöglicht in der Anwendung die Identifikation von Werkzeugen, beispielsweise bei Presswerkzeugen in der Automobilindustrie, von Modulen in der Verpackungsindustrie sowie die Speicherung von Prozessparametern wie Betriebsstunden, Prozesstemperaturen, Fehlercodes, usw.

Diese Form der Datenspeicherung bietet viele Vorteile, sie ermöglicht eine präventive Wartung, manipulationssichere Datenspeicherung, die Vermeidung von Rüstfehlern und den damit verbundenen Stillstandszeiten sowie eine automatische Anlagenkonfiguration.

Signale im Steckverbinder vorverarbeiten

Bei vielen Anwendungen kommt die Signalvorverarbeitung im Steckverbinder zum Tragen. Sie ermöglicht die Umwandlung physikalischer Messgrößen in standardisierte elektrische Signale und eine galvanische Trennung von Maschinenteilen. Die Einsparung von teuren Spezialleitungen, Platzersparnis und eine flexible Adaption an vorhandene Applikation sind die Vorteile, die die Singlavorverarbeitung dem Anwender bietet.

Durch Modularisierung, Dezentralisierung und die zunehmende Miniaturisierung von Elektronikkomponenten als industrielle Mega-Trends haben sich die Eigenschaften von Industriesteckverbindern nachhaltig verändert. Der Anwendernutzen erhöht sich durch die Integration neuer Technologien wie komfortablen Schnellanschlusstechniken oder aktiven elektronischen Komponenten. Damit sind und bleiben Industriesteckverbinder des 21. Jahrhunderts „Fit for Future“!

*Claus Kleedörfer ist Director Strategic Markets, Carina Knübel Assitant Strategic Markets bei der HARTING Electric GmbH & Co. KG, Espelkamp.

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