EMV: Innovatives Schirmkonzept für die Sensor-/Aktor-Verkabelung

| Autor / Redakteur: Manuel Rüter * / Kristin Rinortner

Sensor/Aktor-Steckverbinder: M12- und M8-Rundsteckverbinder mit neuem Schirmkonzept vereinfachen Fertigung und EMV.
Sensor/Aktor-Steckverbinder: M12- und M8-Rundsteckverbinder mit neuem Schirmkonzept vereinfachen Fertigung und EMV. (Bild: Phoenix Contact)

Bei M8- und M12-Steckverbindern wird in der Regel eine Schirmhülse auf den Schirm der Leitung gecrimpt. Aufgrund der steigender Leitungsvarianz und der damit verbundenen Anzahl Crimphülsen ist eine neue Fertigungstechnik notwendig. Verfahren und EMV lassen sich mit der „Advanced Shielding Technology“ wesentlich vereinfachen.

Mit den steigenden Anforderungen in der Fabrikautomation wachsen die Anforderungen an die M8- und M12-Steckverbindungen und Verkabelungslösungen in IP-geschützten Bereichen. Ob es sich dabei um Übertragungseigenschaften handelt, um mechanische Robustheit oder um applikationsspezifische Anforderungen – die Anschlusstechnik wird fortlaufend optimiert.

Wie schon bei der Steigerung der Übertragungseigenschaften auf 10 GBit/s oder bei der Integration neuer Steckgesichter für den industriellen Einsatz – etwa beim X-kodierten M12- oder beim miniaturisierten D-kodierten M8-Steckverbinder - müssen auch die Komponenten im Inneren des Steckverbinders optimiert werden. Mit der „Advanced Shielding Technology“ hat Phoenix Contact keine bereits existierende Technik weiterentwickelt, sondern die Schirmanbindung von Rundsteckverbindern wie dem M8 und M12 neu gedacht.

Neue Verfahren zur Schirmanbindung notwendig

Das konventionelle Verfahren, das Crimphülsen aus Zink-Druckguss oder Edelstahl als Schirmelement vorsieht, sorgt für eine hohe Materialvarianz im Fertigungsprozess. Bedingt ist diese Varianz durch Unterschiede beim Leitungsdurchmesser und bei der Schirmbeschaffenheit sowie durch spezifische Anforderungen an die zu realisierende Schirmanbindung.

In den letzten Jahren wurde die Technik der Schirmhülsen als Crimpvariante immer weiter verfeinert und optimiert. In diesem Zusammenhang wurden Werkstoffe und Fertigungsprozesse ebenfalls optimiert. Die Herausforderung bei der aktuellen Variante, die im Artikel vorgestellt wird, bestand somit nicht darin, die bestehende Crimphülsen-Technik noch um eine minimal optimierte Variante zu erweitern. Sie fokussiert darauf, eine sichere Schirmanbindung auch bei extremer mechanischer Beanspruchung zu erreichen und dabei die bekannten Schwächen von Crimphülsen zu umgehen.

Besonders geeignet für raue Umgebungen

Ob bei Applikationen mit Schleppketten, in Umgebungen mit extremen Witterungsbedingungen oder bei Robotik-Anwendungen mit hohen Anforderungen an die mechanische Verbindung - die Anforderungen an standardisierte Industrie-Steckverbinder steigen ständig.

Die neuartige Schirmungstechnik basiert auf einer Vorumspritzung mit Polyamid (PA). PA schützt die Einzeladern und erhöht die mechanische Robustheit. Gleichzeitig sorgt die Vorumspritzung für den sicheren Halt des Kontaktträgers und dichtet den Steckverbinder gegen eindringende Feuchtigkeit ab.

Der wesentliche Unterschied im Vergleich zu bestehenden Konzepten besteht in der Metallumspritzung mit Spezialzinn. Das Metall umschließt die Polyamid-Vorumspritzung und sorgt für eine stoffschlüssige Verbindung des Schirmgeflechts mit dem Kopf des M8-/M12-Steckverbinders.

Dieser sicheren 360°-Schirmanbindung können auch Stromspitzen bis zu 20 kA - wie sie etwa von Blitzen erzeugt werden – nichts anhaben. Dadurch sind die Produktfamilien, bei denen die Advanced Shielding Technology zum Einsatz kommt, besonders für Outdoor-Applikation wie etwa Windkraftanlagen (Bild 1) prädestiniert. Die verbesserte Widerstandfähigkeit gegen Mikroschirmunterbrechungen erweitert das Einsatzgebiet der Steckverbinder auch um Applikationen mit hohem Schock- und Vibrationsaufkommen – wie etwa in der Robotik.

Bild 1: Advanced Shielding Technology übersteht Stromspitzen bis zu 20 kA – und eignet sich damit auch für die extremen Umweltbedingen in Offshore-Windparks.
Bild 1: Advanced Shielding Technology übersteht Stromspitzen bis zu 20 kA – und eignet sich damit auch für die extremen Umweltbedingen in Offshore-Windparks. (Bild: Phoenix Contact)

Derartige Anwendungen erfordern nicht nur Schleppkettentauglichkeit, sondern ebenfalls eine hohe Beständigkeit gegenüber unterschiedlichen mechanischen Belastungen wie Torsion, Zug oder Druck. Hier bieten die Steckverbinder erheblich mehr Sicherheit im Vergleich zu konventionellen Produkten. Die hohe Robustheit, die bereits durch die Vor- und Metallumspritzung erreicht wird, kann durch den Prozess der Griffkörperumspritzung noch perfektioniert werden. Dabei unterstützt das kompakte Design der Rundsteckverbinder auch die Anforderungen nach Miniaturisierung im Hinblick auf Industrie-4.0-Applikationen (Bild 2).

Bild 2: Advanced Shielding Technology sorgt auch in Schock- und Vibrations-intensiven Anwendungen für eine zukunftssichere Schirm­anbindung.
Bild 2: Advanced Shielding Technology sorgt auch in Schock- und Vibrations-intensiven Anwendungen für eine zukunftssichere Schirm­anbindung. (Bild: Phoenix Contact)

EMV-gerechte Daten-, Signal- und Leistungsübertragung

Zahlreiche Anwender setzen in industriellen Applikationen nicht nur auf konfektionierte geschirmte M8- und M12-Datenleitungen, sondern nutzen geschirmte Lösungen auch für die Leistungs- und Signalverkabelung. Auch hier zeigt die neuartige Technik - im Vergleich zu anderen Schirmungskonzepten - durch das speziell entwickelte Zinn in Verbindung mit der Vorumspritzung eine deutlich höhere Wärmeableitung im Kurzschlussfall (Bild 3). Die besonders für Datenleitungen relevante Störfestigkeit (EMV) verbessert sich im Vergleich zu konventionellen Crimphülsen um bis zu 60%.

Bild 3: Mit einer 360°-Metallumspritzung verbessert Advanced Shielding Technology auch die Wärmeableitung im Kurzschlussfall.
Bild 3: Mit einer 360°-Metallumspritzung verbessert Advanced Shielding Technology auch die Wärmeableitung im Kurzschlussfall. (Bild: Phoenix Contact)

Diese signifikante Verbesserung wird durch die stoffschlüssige Verbindung des Leitungsschirms mit dem Steckverbinder-Kopf – in diesem Fall M8 und M12 - erreicht. So sind bei der Datenübertragung künftig auch Anwendungen mit bis zu 40 GBit/s denkbar, damit ist die Zukunftssicherheit dieser Technik auch für hoch performante Systeme im Highspeed-Datenbereich oder für die Echtzeitkommunikation gegeben.

Zudem wirkt sich der niederohmige Widerstand der Verbindung zwischen Metallumspritzung und Leitungsschirm positiv auf die elektrischen Eigenschaften aus. Auch damit empfiehlt sich die neue Technik im Hinblick auf Industrie 4.0-Projekte.

Crimphülsen: Einfache Fertigung ist ausschlaggebend für den Anwender

Einige Schwierigkeiten bei der Verwendung von Crimphülsen resultieren nicht aus dem Werkstoff oder aus der Crimphülse selbst – die Herausforderungen liegen im Fertigungsprozess. Falsche Hülsen-Durchmesser, zu feste Verbindungen zur Leitung mit dem Risiko der Beschädigung, Nicht-Kontaktierung des Schirms – hier müssen einige Prozessparameter beachtet werden.

Daher sind heute bei geschirmten Produkten manuelle oder teilautomatisierte Prozesse noch die Regel. Die Konsequenz ist eine aufwändige Qualitätssicherung und -kontrolle. Zudem gibt es auf Anwenderseite immer wieder Probleme mit brechenden Schirm­anbindungen in der verpressten Zone am Kabelmantel – ein Fehlerbild, das besonders in bewegten Applikationen durch die mechanische Belastung der Leitung an der Verbindung mit der Crimphülse begünstigt wird.

Außerdem erfordert die hohe Varianz an Einzelteilen einen höheren logistischen Aufwand, was dann aber wieder die Verfügbarkeit beim Anwender erschwert. Die „Advanced Shielding Technology“ ist in der Lage, diese Probleme vollständig zu lösen, denn das Schirmgeflecht wird während der Fertigung nicht mehr mechanisch belastet. Dieses hochautomatisierte Herstellungsverfahren erhöht die Prozesssicherheit erheblich, und Abhängigkeiten von Materialien und Lieferanten gehören der Vergangenheit an.

Event-Tipp: Anwenderkongress Steckverbinder Vom 1. bis 3. Juli 2019 trifft sich die Steckverbinderbranche wieder in Würzburg zum 13. Anwenderkongress Steckverbinder. Fachexperten, Anwender und Hersteller diskutieren auf dem internationalen Kongress aktuelle Entwicklungen wie SPE, UTP, HV-Anwendungen, Schirmung, Single Pair Ethernet oder neue Beschichtungen. Näheres zu Programm und Anmeldung finden Sie unter www.steckverbinder-kongress.de .

Neues Schirmkonzept sorgt für Quantensprung bei der Schirmanbindung

Steigende Anforderungen an die Feldverkabelung erfordern immer neue Entwicklungen bei den Steckverbindern – und das gilt ganz besonders für die Schirmanbindung. Mit der „Advanced Shielding Technology“ leistet Phoenix Contact einen wichtigen Beitrag zur weiteren Optimierung von M8- und M12-Steckverbindern: Sie werden robuster, hochverfügbarer, langlebiger und widerstandsfähiger auch bei Überlastung.

Damit wird ein wichtiger Grundstein gelegt für die EMV-gerechte Verkabelung der Zukunft im Umfeld von Industrie 4.0 oder Industrial Internet of Things (IIOT). Verfügbar ist die neuartige Schirmungstechnik für die Daten-, Signal- und Leistungsübertragung. Zukunftsfähig wird sie auch durch die optimierten Übertragungseigenschaften sowie der besseren Störfestigkeit (EMV) und weil sie die zunehmende Miniaturisierung bei der Feld- und Geräteverkabelung unterstützt.

* Manuel Rüter arbeitet als Produktmanager Passive Netzwerkkomponenten im Bereich Industrial Field Connectivity bei Phoenix Contact in Blomberg.

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