Sichere Kontaktvermittler

Steckverbinder - Die sichere und dennoch leicht lösbare Verbindung von elektrischen Leitungen ist keine triviale Aufgabe, speziell im rauhen Industriealltag. Eine Reihe von konstruktiven Details ermöglicht dennoch preiswerte Steckverbinder in Schutzart IP 67 mit einfacher Montage und vibrationssicherer Verriegelung.

04. Juli 2005

Die wichtigste Forderung an eine moderne industrielle Produktion ist eine möglichst große Flexibilität der Prozesse. Gefragt ist deshalb vor allem die Möglichkeit, möglichst viele Maschinenelemente und Baugruppen auswechseln zu können. Unabdingbar für die Konstruktion von elektrischen Einrichtungen ist daher heute der Einsatz von Steckverbindern, schließlich erlauben es diese Bauteile, eine elektrische Verbindung in einfacher Weise beliebig oft zu lösen und wieder herzustellen und das ohne die Gefahr, die Adern falsch anzuschließen.

Trotz der „narrensicheren“ Bedienung von Steckverbindern erfordert ihr Einsatz jedoch einige Kenntnisse. So definiert beispielsweise die Norm DIN EN 61984, daß Steckverbinder nicht unter Last gesteckt und getrennt werden dürfen. In der Praxis jedoch beachten nicht alle Anwender immer diese Forderung. Die Folge ist, daß die Kontakte beschädigt werden können, was früher oder später zum Ausfall oder zu Problemen führt. Die Ursache für diese Schäden sind Funkenüberschläge und lokale Überhit-zungen beim Trennvorgang unter Last: So schrumpft beim Ziehen des Steckers die Kontaktfläche immer mehr, und der Widerstand steigt, bis er schließlich kurz vor der Trennung so groß wird, daß kein Strom mehr fließen kann. Entsprechend steigt in den Kontakten die Stromdichte, bis schließlich der Schmelzpunkt überschritten wird. Parallel dazu steigt nach dem Ohmschen Gesetz auch die Spannung kurzfristig stark an, bis zuletzt ein Lichtbogen gezündet wird oder zumindest ein Funke entsteht, der die Kontakte beschädigt. Entstehen können solche Funken schon ab Spannungen um 15 Volt und Strömen ab 20 Milliampere.

Durch die Beschädigung der Kontaktoberflächen und der Kontakte lassen sich die Kontakte bald nur noch mit großem Kraftaufwand stecken, und die Verriegelungselemente werden schwergängig. Schwererwiegende Folgen hat jedoch der erhöhte Übergangswiderstand an den beschädigten Kontakten: Sie führen zu erhöhten Temperaturen und verschärfen damit die mechanische und elektrische Belastung weiter. In der Folge ›altert‹ die Steckverbindung immer schneller, bis schließlich die Verbindung ausfällt oder zumindest nicht mehr zufriedenstellend funktioniert.

Die Wahl des geeigneten Steckverbinders für die jeweilige Anwendung ist keine leichte Aufgabe, schließlich hängt die optimale Lösung nicht nur von den elektrischen Anforderungen wie Strom und Spannung bei verschiedenen Temperaturen und Verschmutzungsgraden ab, sondern unter anderem auch von der nötigen Anzahl der Kontakte einschließlich möglicher Reservekontakte für Erweiterungen, dem Leitungs- und Litzenquerschnitt, der Anschluß- und Verriegelungsart sowie der Beständigkeit der Verbindung gegenüber verschiedenen Umwelteinflüssen.

Erschwert wird die Entscheidung zudem durch teilweise mißverständliche Begriffe in den Datenblättern. So finden sich dort immer noch schwer vergleichbare Begriffe wie ›Nennstrom‹ und ›Nennspannung‹ ohne weitere Hinweise, was mit diesen Angaben ausgedrückt werden soll und obwohl die Begriffe in den entsprechenden Normen seit 1989 nicht mehr verwendet werden. Nötig ist hier beispielsweise eine Information, bei welcher Umgebungstemperatur der maximale Strom fließen kann. Der Normbegriff ist deshalb der ›Bemessungsstrom‹--, der bei einer definierten Umgebungstemperatur gemessen wird, wenn alle Kontakte den gleichen maximalen Strom führen. Bei Steckverbindern für höhere Ströme enthalten vorbildliche Datenblätter zudem sogenannte Derating-Kurven, die den Zusammenhang zwischen der Umgebungstemperatur und dem maximalen Strom auf allen Kontakten darstellen: Je höher die Umgebungstemperatur ist, desto geringer ist der maximal erlaubte Strom. Werden jedoch nicht alle Kontakte des Steckverbinders mit den hohen Strömen belegt, können einzelne Kontakte auch höhere Ströme führen die Begrenzung des Stromes liefert hier oft der Kabelquerschnitt der verwendeten Leitung, allerdings können Impulsströme im Bereich vom Millisekunden durchaus 100 Mal höher sein als der angegebene Bemessungsstrom, ohne den Steckverbinder zu beschädigen.

Schwieriger erweist sich in der Praxis die Interpretation der notwendigen maximalen Bemessungsspannung: Ohne weitere Angaben wie Überspannungskategorie und Verschmutzungsgrad sind Spannungsangaben nicht aussagekräftig, schließlich ist die maximal zulässige Spannung um so geringer, je größer die zu erwartende Verschmutzung ist. Ähnlich verhält es sich mit der Überspannungskategorie: Befindet sich der Steckverbinder beispielsweise in einem Netz, in dem durch Schaltvorgänge von Schützen Überspannungen induziert werden, kann es schneller zu einem Überschlag kommen. Höhere Spannungen dürfen dagegen anliegen, wenn im Netz keine Überspannungen auftreten und die Steckverbinder vor Verschmutzung geschützt wird. Definiert sind die Überspannungskategorien und die Verschmutzungsgrade in der internationalen Norm IEC 60664-1g, häufig finden sich jedoch immer noch veraltete Angaben über ›Isolationsgruppen‹ als Zusatzangabe zu den angegebenen Spannungswerten. So entspricht die Überspannungskategorie III, Verschmutzungsgrad 3, ungefähr der ehemaligen Isolationsgruppe C gemäß der VDE-Norm 0110, die jedoch zuletzt 1989 geändert wurde und somit nicht mehr aktuell ist.

Ein weiteres wichtiges Merkmal ist die Schutzart des Steckverbinders durch sein Gehäuse gemäß der Norm IEC 60529 (VDE 0470). Bezeichnet wird diese Schutzart mit zwei Codebuchstaben und den Buchstaben IP. Dabei beschreibt die erste Kennziffer den Schutz gegen feste Fremdkörper, die zweite Kennziffer definiert den Schutz gegen Wasser. Obwohl diese Einteilungen allgemein bekannt sind, werden die Angaben jedoch oft nicht richtig gedeutet. Die Schutzart IP 67 definiert zum Beispiel, daß Wasser nicht in einer solchen Menge eintreten darf, die schädliche Wirkungen verursacht, wenn der Steckverbinder für 30 Minuten 1 Meter tief in Leitungswasser untergetaucht wird. Zu Störungen kann es deshalb kommen, wenn die Schutzart IP 67 irrtümlich gleichgesetzt wird mit »dauerhaft wasserdicht«. Problematisch ist zudem die Aussage über die »schädliche Wirkung«, die einen Interpretationsspielraum zuläßt. Noch schwieriger ist die Interpretation der Schutzart IP 68 (»geschützt gegen die Wirkung beim dauernden Untertauchen in Wasser«): Hier ist vor allem die Frage, was unter »dauernd« zu verstehen ist: Erst bei der weiteren Definition wird beschrieben, daß die Prüfbedingungen härter als IP 67 sein müssen, zudem sollen die Bedingungen zwischen Hersteller und Anwender vereinbart werden: ›Dauernd‹ kann deshalb auch lediglich ›2 Stunden‹ bedeuten. Der Steckverbinder-Spezialist Binder aus Neckarsulm definiert für seine Produkte mit dieser Schutzart daher als Prüfbedingung eine Wassertiefe von 18 Metern über einen Zeitraum von 24 Stunden.

Doch auch derart genaue Angaben ersparen dem Konstrukteur nicht die Qual der Wahl, schließlich beschreibt die Norm lediglich eine Laborprüfung, die eine vergleichbare Angabe ermöglicht und nicht etwa Praxisbedingungen: Beispielsweise werden alle Prüfungen mit sauberem Leitungswasser durchgeführt, mit dem ein Steckverbinder in der industriellen Praxis jedoch eher selten in Kontakt kommt; ebensowenig berücksichtigt die Norm andere Faktoren, wie etwa Korrosion und die chemische Beständigkeit. Als Auswahlhilfe dient hier immerhin die Angabe der verwendeten Materialien.

Einer der wichtigsten Punkte ist zudem der Preis für die geplante Steckverbindung, schließlich wird eine Steckverbindung um so teurer, je spezieller die Anforderungen dafür sind. Für die Konstruktion stellt sich deshalb stets auch die Frage, welche technischen Eigenschaften erfüllt werden müssen und welche eventuell verzichtbar sind. So kann es für den Korrosionsschutz beispielsweise genügen, die Oberfläche durch eine Vernickelung zu schützen, statt ausschließlich teure, nicht korrodierende Materialien zu verwenden. Eine sinnvolle Lösung bietet in vielen Fällen die neue Baureihe 720 von Binder: Diese Steckverbinder besitzen eine Schnappverriegelung aus Kunststoff, die für viele Anwendungsfälle vollkommen ausreicht und verzichten auf zusätzliche Verriegelungselemente aus Messing. Die Steckverbinder erfüllen offiziell die Schutzart IP 67, haben jedoch auch interne Prüfungen nach IP 68 bestanden. Vergoldete Kontakte sichern eine langfristig zuverlässige Verbindung. Zur Wahl stehen die vibrationssicheren Steckverbinder in Ausführungen als Kabel- und Flanschsteckverbinder mit 3, 5, 8 und 12 Polen. Sie sind ausgelegt für Spannungen von 60 bis 250 Volt und bieten die Überspannungskategorie 2 und Verschmutzungsgrad 2. Der umlaufende geschlossene Ring im Steckbereich erlaubt dabei mehr als 500 Steckzyklen.

Peter Schall, Binder

Erschienen in Ausgabe: 05/2004