Feine Verbindung

<strong>Steckverbinder</strong> – Die zunehmende Dezentralisierung und Miniaturisierung stellt die elektrische Anschlusstechnik vor neue Aufgaben. Gefragt ist nicht nur die Integration von Elektronik.

11. November 2008

Ein oft verkanntes Bauelement nahezu jeder Maschine und elektrotechnischen Einrichtung in der Industrie sind Industriesteckverbinder, deren Entwicklungsgeschichte schon vor mehr als 50 Jahren begann. Heute wie damals besteht ein typischer Industriesteckverbinder aus einem Metall- oder Kunststoffgehäuse zum Schutz vor Umgebungseinflüssen, einem Kontakteinsatz sowie den Kontakten, die untereinander vielfältig austausch- und kombinierbar sind. Einige der aktuell gebräuchlichen Steckverbinderbaureihen sind in ihren bestimmenden Eigenschaften noch immer mit den ersten Industriesteckverbindern vergleichbar. Der Trend zu Modularisierung, Dezentralisierung und Miniaturisierung von Elektronikkomponenten stellt jedoch neue Herausforderungen bezüglich Flexibilität, Platz- und Kosteneinsparungen sowie der Integration von Elektronik.

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 IP 20 eingesetzt, die lediglich einen Berührschutz bieten. Für die Mehrzahl der Applikationen kommt dagegen ein Metallgehäuse mit einem Schutzgrad von IP 65 zum Einsatz, das dicht ist gegenüber dem Eindringen von Fremdkörpern und Sprühwasser. Für den Einsatz im Außenbereich dienen häufig spezielle Gehäuse mit einem Schutzgrad von IP 68 gegen den Eintritt von Wasser auch bei einem dauerhaften Untertauchen des Steckverbinders.

Zur einfacheren Konfektionierung von Steckverbindern mit sensiblen Medien wie Lichtwellenleitern oder Pneumatikschläuchen werden geteilte Metallgehäuse bevorzugt Die Verriegelung zwischen Ober- und Unterteil des Steckverbinders erfolgt dabei über eine Bügel-, Schraub-/Bajonett- oder Push-Pull-Verriegelung.

Vielfalt der Einsätze

Die zahlreichen und unterschiedlichen Applikationen erfordern eine hohe Varianz bei den Kernelementen der Steckverbinder, den Einsätzen. Gängige Steckverbindereinsätze gibt es in unterschiedlichen Baugrößen mit bis zu 600 Kontakten in einem Steckverbindergehäuse. Dabei können in einem einzelnen Steckverbinder unterschiedliche Kontakttypen integriert sein. Die elektrischen Kennwerte reichen bei der Bemessungsspannung von 24 bis 5.000 Volt, beim Bemessungsstrom von 4 bis 650 Ampere und beim Leiterquerschnitt von 0,14 bis 185 Quadratmillimeter.

Je nach Anforderung an die Verarbeitung des Steckverbinders gibt es unterschiedliche Anschlussarten: So lassen sich Schraubanschlüsse mit Standardwerkzeugen montieren, allerdings erfordern sie ein regelmäßiges Nachziehen der Verbindung. Der Anschluss über Schneidklemmen dagegen erfordert zwar kein Abisolieren des Leiters, jedoch hat diese Variante einen hohen Platzbedarf und verlangt eine genaue Abstimmung der Schneidklemmen mit den in Frage kommenden Leiterquerschnitten. Eine platzsparende Anschlussmöglichkeit für große Leiterquerschnitte ohne den Einsatz von Spezialwerkzeugen bietet der Axialschraubanschluss, bei dem ein drehbarer Konus die Einzellitzen des Leiters von innen gegen die Innenwand einer Hülse presst. Der Crimpanschluss dagegen stellt mittels eines speziellen Werkzeugs eine nicht lösbare und gasdichte Verbindung zwischen Leiter und Kontakt her und gestattet höchste Anordnungsdichten der Kontakte im Steckverbinder. Bei Verwendung von automatischen Crimpwerkzeugen ist damit eine rationelle Verarbeitung möglich. Ein Käfigzugfederanschluss wiederum ermöglicht eine vibrationssichere Verbindung, da ständig die Federkraft der Schneidklemme auf die Kontaktstelle einwirkt. Nachteilig bei dieser Anschlusstechnik ist allerdings der hohe Platzbedarf für den Anschluss- und Betätigungsraum im Steckverbinder.

Vermeiden lassen sich diese Nachteile mit einer radialsymmetrischen Federkraftklemme, die die ostwestfälische Harting-Gruppe erstmals auf der Hannover Messe 2007 präsentiert hatte. Diese Anschlusstechnik kombiniert die hohe Packungsdichte der Crimptechnik mit der Vibrationssicherheit und einfachen Anschlussmöglichkeit mit Standardwerkzeugen der Käfigzugfeder bei gleichzeitiger Steckkompatibilität zu den Steckgesichtern der bereits im Markt etablierten Varianten. Kernelement dieser Anschlusstechnik ist eine kegelförmige Kontaktierungszone auf der Anschlussseite des Kontaktes. Eine zylindrische Feder umfasst den Leiter und presst die Litzen sicher an die Kontaktierungszone. Hergestellt oder gelöst wird die Kontaktierung über ein Betätigungselement.

Die zunehmende Integration unterschiedlicher Medien wie Pneumatikleitungen, Lichtwellenleiter und geschirmte Leitungen oder unterschiedlichen Leiterquerschnitten in einem Steckverbinder erfordert modulare Konzepte, mit denen sich diese Schnittstellen flexibel und wirtschaftlich realisieren lassen. Hierzu lassen sich einzelne Module, die in einem Gelenkrahmen sicher gehalten werden, nach dem Baukastenprinzip zu einer individuell auf die jeweilige Applikation zugeschnittene Schnittstelle zusammensetzen.

Neue Konzepte für Datensteckverbinder und Energieversorgungsschnittstellen erfordert auch der zunehmende Trend zur dezentralen Anordnung von Automatisierungskomponenten in industriellen Applikationen. Im Mittelpunkt steht dabei immer die Verbindung der geräteinternen Leiterplatte mit der Außenwelt zur Übertragung der Datenkommunikation, der 24-Volt-Hilfsspannung für die Sensorik und Aktorik sowie der Nutzspannung für Verbraucher wie beispielsweise Antriebe.

Die Realisierung dieser Schnittstellen stellt zahlreiche Herausforderungen: Während auf der Leiterplatte die automatische Verarbeitbarkeit im Vordergrund steht, müssen beim kabelseitigen Ende des Steckverbinders intelligente Gehäusekonzepte und rationelle Anschlusstechniken entwickelt werden. Ein gelungenes Beispiel hierfür ist die Integration von faseroptischen Transceiver-Bausteinen in Industriesteckverbindern, die über Push-Pull-Steckverbinder alternativ in Kunststoff- oder Metallgehäusen angeschlossen werden.

Integrierte Elektronik

Neue Optionen eröffnet auch die fortschreitende Miniaturisierung von elektronischen Bauelementen, die deren Integration auf einer immer kleineren Baufläche gestattet. So ermöglicht die Integration von Elektronik im Steckverbinder zum Beispiel die Bildung einer Einheit von Schnittstelle und elektronischer Funktionalität, wodurch Platz und Kosten eingespart werden können.

Eine dezentrale Datenspeicherung im Industriesteckverbinder ermöglicht zudem die Identifikation von Werkzeugen, beispielsweise in der Automobilindustrie, von Modulen in der Verpackungsindustrie oder eine Speicherung von Prozessparametern wie Betriebsstunden, Prozesstemperaturen oder Fehlercodes. Diese manipulationssichere Form der Datenspeicherung ermöglicht eine präventive Wartung, die Vermeidung von Rüstfehlern und der damit verbundenen Stillstandszeiten sowie eine automatische Anlagenkonfiguration.

Die Signalvorverarbeitung im Steckverbinder ermöglicht zudem die Umwandlung von physikalischen Messgrößen in standardisierte elektrische Signale sowie eine galvanische Trennung von Maschinenteilen. Solche Steckverbinder ersparen damit teure Spezialleitungen und Bauraum und ermöglichen eine flexible Adaption an die vorhandene Applikation.

Claus Kleedörfer, Carina Knübel, Harting/bt

Erschienen in Ausgabe: 08/2008