Wandlungsverluste durch eine Gleichspannungsverteilung (Bild oben) werden bei modernen Rechen­zentren mit batterie­gepufferter Energie­versorgung (Bild unten) vermieden.

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Bei DC fehlt dieser Nulldurchgang, weshalb der Lichtbogen dauerhaft stehen bleiben kann. Die hohe freigesetzte Energie kann somit zu schweren Gesundheitsschäden bei Personen in der Nähe sowie zu Brandgefahr und Materialbeschädigungen führen. Diese Gefahr besteht immer dann, wenn zwei Leiter geschlossen oder getrennt werden. Schaltgeräte und Steckverbinder sind hierfür die häufigste Anwendung.

Während sich beim Schaltgerät innerhalb eines Gehäuses Maßnahmen zur Beherrschung dieses Umstandes treffen lassen und die Gefahr nicht nach außen dringen kann, ist dies bei Steckverbindern nicht gegeben.
Normativ unterscheidet man bei Steckverbindern gemäß IEC 61984 nach Ausführungen mit Schaltleistung (connector with breaking capacity, CBC) und ohne Schaltleistung (connector without breaking capacity, COC). Bei Ersteren kann gesteckt oder gezogen werden, während die Kontakte unter Spannung stehen. Bei den Letzteren darf das Stecken oder Ziehen nur spannungsfrei erfolgen.

Gefährdungspotenzial durch Lichtbogen – abhängig von den elektrischen Kennwerten unterscheidet man freie Bereiche (1), Bereiche mit instabilen Lichtbögen (2) sowie ab einer Leistung von 5 W voll ausgebildete Bereiche (3).

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Bereits heute ist in der Automatisierungstechnik eine Versorgungsspannung von 24 V(DC) weit verbreitet. Die hierfür eingesetzten Steckverbinder sind auch als COC klassifiziert, so dass bei bestimmungsgemäßem Gebrauch die Betätigung nur spannungsfrei erfolgt und demzufolge keinerlei Probleme auftreten können.

Mit dem Industrial Ethernet gelangt hingegen immer häufiger das ‚Power over Ethernet‘ (PoE) zur Versorgung der Automatisierungskomponenten in die Fabrikhalle. Hierbei wird über den Kommunikations-Steckverbinder auch eine Spannungsversorgung mit 48 V geführt, die während des Steckens noch nicht anliegt, jedoch beim Ziehen vorhanden ist. Für die im Ethernet üblichen RJ45-Steckverbinder gibt es daher die Prüfnorm IEC 60512-99-001, die es erlaubt, dass nach dieser Norm zusätzlich geprüfte RJ45-Steckverbinder 25 Steckzyklen ohne Einschränkung der Leistungsfähigkeit bestehen.

Ob PoE oder andere DC-Spannungsversorgungssysteme – in der Praxis ist immer mit einer gelegentlichen Fehlbedienung unter Spannung durch Laien aus Unwissenheit oder anderen Gründen zu rechnen. Bei Spannungen über 48 V ist die Gefahr eines Lichtbogens, der so energiereich ist, dass er eine Gesundheits- oder Brandgefahr darstellt, durchaus gegeben. Gegen eine Fehlbedienung hilft in diesem Fall nur ein sogenannter Interlock, der ein Stecken und Ziehen unter Last verhindert oder für Spannungslosigkeit im umgesteckten Zustand sorgt. Der Markt stellt derartige Produkte heute bereit.

Ein gutes Beispiel hierfür sind die Ladesteckverbinder für die Elektro­mobilität. In nur für Fachleute zugäng­lichen Bereichen – wie etwa die Verschaltung von Photovoltaik-Modulen auf dem Dach – ­genügt hingegen eine warnende Kennzeichnung auf dem Steckverbinder. Zusätzlich ist für das Öffnen der Verbindung ein Werkzeug erforderlich. Fortschritte in der Batterietechnik sorgen nicht zuletzt für immer mehr mobile Werkzeuge und Energiespeicher. Steckverbinder und das elek­trische System mit dem Schutzkonzept bilden hier eine Gesamtlösung.

Edelmetall gegen Korrosion

In der Automatisierungstechnik wird mit den gängigen 24 V(DC) und mit PoE, aber auch mit neueren Systemen mit leistungsfähiger Spannungsversorgung wie USB und HDMI gearbeitet. Bei all diesen Systemen besteht aufgrund der geringeren Spannung die Gefahr einer Materialschädigung. Denn bei einem noch so kleinen Lichtbogen erfolgt immer ein mikroskopisch kleiner Abtrag des Materials. Kommt es häufiger zu einem Lichtbogen, so kann der Abtrag so groß werden, dass die schützende Oberfläche entfernt wird und das Basismaterial ungeschützt frei liegt. Schadgase aus der Umwelt können nun zu einer Korrosion führen und den Kontaktwiderstand bis zum Ausfall erhöhen. Diese Gefahr besteht auch dann, wenn die Schadstelle außerhalb des Kontaktbereiches liegt und die Korrosion in den Kontaktbereich hineinwandert.

Beispiel RJ45-Stecker: Liegt die Trennzone (Bild unten) getrennt von der Kontaktzone (Bild oben), wird bei einem Mikro-Lichtbogen der Kontakt nicht in der Kontakt­zone (rot eingekreist) beschädigt und die Funk­tionalität bleibt erhalten.

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Die in professionellen Anwendungen am meisten verbreitete Gestaltung von Steckverbinderkontakten besteht aus einem Buchsen- und Stiftkontakt. Diese Ausführung sorgt dafür, dass mehrere Berührflächen vorhanden sind und auch unter ungünstigen Umständen stets ­mindestens eine Berührfläche die elek­trische Verbindung herstellt. Bei diversen Produkten besteht die Oberfläche allerdings nicht aus einem Edelmetall – sie sind dadurch preisgünstiger, korrodieren aber leichter durch Umwelteinflüsse. Bei hochwertigeren Systemen besteht die Kontaktoberfläche hingegen aus einer dünnen Schicht eines Edelmetalls wie Silber oder Gold. Vorteilhaft bei diesen Oberflächen ist die hohe Widerstands­fähigkeit gegenüber korrosiven Einflüssen und gegen Abrieb durch Vibrationen.

Auf den Punkt gebracht: Ob innerhalb des Schaltschrankes oder im rauen Feld – Schadgase können überall auftreten. Produkte aus dem Büro-, Heim- oder Freizeit-Bereich mit ihren unedlen Ober­flächen eignen sich daher nicht für die ­zuverlässige Übertragung einer Gleichspannungsversorgung im indus­triellen Umfeld.

Autor: Bernd Horrmeyer ist Fachreferent für Standardisierung bei Phoenix Contact, Blomberg.