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Scharfe Sachen für die Automation

| Autor / Redakteur: Rolf Zollinger* / Kristin Rinortner

Verkabelung und Steckverbindungen sind im rauen Fertigungsumfeld hohen mechanischen, klimatischen und chemischen Belastungen ausgesetzt. Nur eine zuverlässige Verbindungstechnik wie

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( Archiv: Vogel Business Media )

Verkabelung und Steckverbindungen sind im rauen Fertigungsumfeld hohen mechanischen, klimatischen und chemischen Belastungen ausgesetzt. Nur eine zuverlässige Verbindungstechnik wie die einfach handhabbare Schneidklemmentechnik garantiert hier die nötige Netzwerk-Verfügbarkeit und Übertragungsleistung.

Neben Robustheit müssen Kabel und Steckverbinder für Industrieanwendungen hervorragende Übertragungseigenschaften aufweisen. Hinzu kommt, dass beim Installieren eine erhöhte Flexibilität nötig ist, um die Kabel anlagenspezifisch führen zu können.

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Vor diesem Hintergrund hat sich die IDC-Technologie (IDC – Insulation Displacement Contact, Schneidklemmtechnik) bewährt. Selbst unter extremen Umwelteinflüssen gewährleistet die Schneidklemmtechnik eine maximale Verfügbarkeit. Sie lässt sich in Steckverbinder – insbesondere RJ45-Module (Bild 1) für die Verkabelung nach Kat.5/Kat.6 – 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 hierbei der wichtigste Punkt .

Alle Parameter werden dem elektrischen Widerstand des Übergangs, dem Kontaktwiderstand, unterworfen. Der Kontaktwiderstand setzt sich aus dem Engewiderstand und dem Fremdschichtwiderstand zusammen. Der Engewiderstand entsteht durch Unebenheiten der Kontaktfläche. Infolge dieser Unebenheiten (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 (Bild 2).

Der Fremdschichtwiderstand berücksichtigt Widerstandsanteile, die durch hauchdünne Oberflächenschichten, z.B. Oxid- oder Korrosionshäute, verursacht werden. Um dies zu vermeiden werden Verzinnungen sowie Edelmetallbeschichtungen aus Gold, Silber, Palladium oder Platin verwendet.

Sowohl der Engewiderstand als auch der Fremdschichtwiderstand 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. Fremdschichten können teilweise zerstört werden, wodurch der Gesamtwiderstand verringert wird.

Je nach Anwendungsbereich 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 oben erwähnten Kontaktbeschichtungen z.B. die Kontaktträgermaterialien (oder Grundmaterialien), die Kontaktgeometrie, der mechanische Kontaktverschleiß, Gleiteigenschaften sowie eventuelle Verriegelungsmechanismen und Abdichtungen.

Bei der Schneidklemmentechnik (IDC) handelt es sich um eine Verbindungslösung, die ohne Löten, Schrauben und Abisolieren erfolgt. Das Beschaltungsprinzip ist einfach (Bilder 3 und 4): 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 Grundwerkstoffs bestimmen die Übertragungsqualität und Langzeitzuverlässigkeit der IDC-Kontaktierung. Aufgrund der guten elektrischen und mechanischen Eigenschaften eignet sich die Schneidklemmentechnik für zahlreiche Anwendungen, die eine zuverlässige Verbindung zwischen einem elektrischen Leiter und einem Verbindungselement erfordern, darunter Twisted-Pair-Verkabelungen bzw. RJ45-Verbindungen und Power-Verkabelungen.

Schneidklemmen-Entwicklung: dreifache Herausforderung

Die Herausforderungen bei der Entwicklung von IDC-Verbindungslösungen liegen neben der Wahl von Grundwerkstoff und Beschichtungen im Bestimmen einer optimalen Schneidklemmengeometrie.

Grundwerkstoffe (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, die Materialfestigkeit und Klemmwirkung von Schneidklemmen ermittelt man beim Schweizer Unternehmen durch Computersimulationen (Bild 5). Der Grundwerkstoff und die patentierte Form ermöglichen eine regelmäßige Verteilung der mechanischen Eigenspannungen 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 lassen sich die Schneidklemmen auf einen großen Durchmesserbereich optimieren. Ein einziger Schneidklemmentyp kann Aderquerschnitte von 0,32 bis 0,8 mm aufnehmen.

Die dritte Herausforderung besteht in der 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 Härtetest 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 Vorgaben der IEC 60352-4.

Anwendung der IDC-Technologie

Die IDC-Technologie wurde um das Jahr 1970 entwickelt. 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 anwendungsübergreifenden Verbindungslösung war R&M maßgeblich beteiligt. Neben Produkten mit Schneidklemmtechnik für die Telekommunikation, Büro- und Gebäudeverkabelungen und Power-Applikationen hat das Unternehmen eine Reihe neuer IDC-Lösungen für Industrial Ethernet auf den Markt gebracht.

Ein Beispiel ist der FM45. Hierbei handelt es sich um den ersten werkzeugfrei feldkonfektionierbaren 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 ist die IP67-Variante des FM45 geeignet.

Fazit

Profundes Know-how in der Verbindungstechnik und kompromisslose Produktqualität spielen im industriellen Umfeld eine noch bedeutendere Rolle als im Bürobereich, 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 Industriekommunikation können sie jedoch ihre Qualitäts- und Sicherheitsvorteile voll ausspielen und geben damit den Ausschlag für den Erfolg und die Zuverlässigkeit einer Netzwerktopologie.

Reichle & De-Massari, Tel. +41(0)44 9338408

*Rolf Zollinger ist Marketing Manager Industrial Cabling bei Reichle & De-Massari AG (R&M) in Wetzikon, Schweiz.

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