Als eine Folge der rapide zuneh-menden Vernetzung aller Produk­tionsanlagen im Zuge der 4. industriellen ­Revolution steigen die Anforderungen an die Verbindungstechnik für die Fabrik von morgen. Neben einer zuverlässigen sicheren Kontaktierung unter erschwerten Bedingungen (begrenzter Bauraum, Vibration, Schmutz, Temperaturbelastung, Dichtheit) nehmen die Anforde­rungen an Energie-Effi­zienz, Leistungsaufnahme, Miniaturisierung und elektromagnetischer Verträglichkeit deutlich zu.

Über die Derating-Kurve kann der Anwender sehr schnell Rück­schlüsse auf die Strombelastbarkeit des Steckverbindersystems durchführen.

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Für Anwendungen im Kleinspannungsbereich (SELV, PELV) kommen die L- und T-codierten Varianten zum Einsatz. Für Applikationen mit Spannungen über 50 V(AC)/60 V(DC) werden die S- und K-Codierungen benötigt. Letztere können zum Beispiel für den Anschluss von Servomotoren mit einem Leistungsbereich von 630 V/16 A und bei Temperaturen bis 125 °C eingesetzt werden. Bei den K-codierten Steckverbindervarianten sind die Luft- und Kriechstrecken für die Einhaltung einer Bemessungsstoßspannung von 6 kV dimensioniert.

Die L-codierten Steckverbinder-Varianten wiederum erlauben den Einsatz in Sensor-Aktor-Boxen und ermöglichen eine durchgehende standardisierte M12-Verkabelung. Die L-codierten Varianten werden von der Profibus & Profinet Nutzerorganisation in die 'Profinet Cabling and Interconnection Technology Guideline' aufgenommen. Kennzeichnend für diese Variante sind zwei Stromkreise plus zusätzliche Funktionserdung, ein Nennstrom von 16 A und eine Baugröße mit einem Außendurchmesser von maximal 18 mm. Verkabelungen mit Steckverbindern größerer Abmessung wie zum Beispiel 7/8-Zoll-Steckverbinder sind damit nicht mehr erforderlich.

Was hat sich geändert?

Schliffbild eines M12-Powerkontaktes, gecrimpt an einer 1,5-Quadratmillimeter-Litze: Es zeigt für die aus der FEM definierte Kontur einen gas­dichten Hexagonalcrimp ohne Rissbildung.

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Die Anforderung an die M12-Power-Steckverbinder, bei gleichem Bauraum einen Nennstrom von 16 A bei einem Aderquerschnitt von 1,5 mm² übertragen zu können, erforderten einen neuen Kontaktwerkstoff und ein neues Kontakt-Design. So standen unter anderem die Herausforderungen an das Kontaktmaterial nach einer hohen elektrischen Leitfähigkeit im Widerspruch zu den gefor­derten mechanischen Materialkennwerten. Im Gegensatz zu den bisher ver­wendeten Ms-Legierungen besitzt daher der neue, von Belden verwendete Kontaktwerkstoff unter anderem einen deutlich höheren Kupferanteil. Darüber hi­naus galt es das Spannungsfeld zwischen einer hohen Kontaktsteifigkeit und einer guten Umformbarkeit zu lösen – und zwar über iterativ durchgeführte FEM-Simulationen.
 

Die wichtigsten Kenngrößen

Eine wichtige Kenngröße bei Steckverbindern und ein Maß für die Güte der Kontaktierung des Kontaktsystems ist die Strombelastbarkeit. Sie ergibt sich über die Kontakterwärmung (Joulesches Gesetz), die bei einem Stromfluss entsteht. Bei einem stationären Belastungsfall wird die Strombelastbarkeit über die Derating-Kurve entsprechend DIN EN 60512-5-2 beschrieben und durch die thermischen Eigenschaften der eingesetzten Materialien für die Kontakte und Kunststoffteile bestimmt. Die Betriebstemperatur ergibt sich aus der Eigenerwärmung und der Umgebungstemperatur, bei der die Steckverbinder eingesetzt werden können.

Beim Power-Stecker von Belden ist bei den umspritzten und frei konfektionierbaren Varianten eine Steckhilfe in Form eines Pfeiles auf den Gehäuseteilen vorhanden, um den Anwendern eine schnelle Ausrichtung der Steckerstifte und -dosen zu ermöglichen.

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Der vom Hersteller spezifizierte Bemessungsstrom – vorzugsweise nach DIN EN 61984 Kap. 3.27 bei einer Umgebungstemperatur von 40 °C definiert – ist der Strom, den der Steckverbinder dauerhaft führen kann und gleichzeitig durch alle Kontakte fließt. Im Fall der Belden-Lösung sind dies für alle vier Codierungsvarianten 16 A. Zur Temperaturmessung werden Temperaturfühler an den wärmsten Stellen angebracht und zugleich die Umgebungstemperatur gemessen. Mögliche Hotspots lassen sich über Thermografie-Aufnahmen ermitteln. Ein gutes Kontaktsystem zeichnet sich schließlich durch eine gleichmäßige Temperaturverteilung über das gesamte Steckverbindersystem einschließlich des Leiteranschlusses aus.

Weitere wichtige Kenngrößen eines Kontaktsystems sind die Anzahl der Steckzyklen, die in Abhängigkeit des Leistungsniveaus für das Kontaktsystem mit 100, 50 oder 20 Steckzyklen spezifiziert sind, sowie die Güte der Spannungsrelaxation der Federlamellen. Eine sichere Kontaktierung ist gegeben, wenn die Kontaktnormalkraft über die gesamte Lebensdauer den zum Durchdringen der Fremdschichten erforderlichen Mindestwert nicht unterschreitet.

In Kontaktwerkstoffen ist generell eine Spannungsrelaxation zu beobachten. Das bedeutet: Ein unter Spannung stehender elektrischer Kontakt unterliegt bei erhöhten Temperaturen einer thermischen Alterung, wodurch dieser einen Teil seiner Kontaktkraft verliert. Mit Hilfe des Larson-Miller-Parameters lassen sich Berechnungen zum Langzeitverhalten der Restspannung nach thermischer Relaxation durchführen indem eine Beziehung zwischen der Spannungsrelaxation ∆σ (%), der Betriebstemperatur und der Belastungsdauer dargestellt wird.

Gegenüber herkömmlichen Messingwerkstoffen bietet die in den M12-­Powerkontakten von Belden verwen­dete Kupferlegierung ein wesentlich verbessertes Relaxationsverhalten, welches eine Erhöhung des oberen Temperaturbereiches gegenüber der in der Bauartnorm für die M12-Power-Steckverbinder definierten oberen Grenz­temperatur von +85 °C auf +125 °C ermöglicht.

Der Anschluss der Litzen an die Steckverbinder erfolgt üblicherweise mittels Crimptechnik. Damit ist auch vor Ort mit einer handelsüblichen Crimpzange schnell eine hochwertige gasdichte Verbindung an den Steckverbinder herstellbar. Die Crimpverbindung ist in der DIN EN 60352-2 beschrieben und wird im Wesentlichen durch die Auszugskräfte der Litze, den Durchgangswiderstand und über die Beurteilung der Gasdichtheit mittels Schliffbilder bewertet. Standard für die M12-Power-Steckverbinder ist der Litzenquerschnitt mit 1,5 mm2. Um den Spannungsabfall bei größeren Leitungslängen zu minimieren, sind auch Leitungen mit 2,5 mm² und die dazugehörigen Komponenten verfügbar. Kleinere Querschnitte sind optional ebenfalls möglich. Bei EMV-kritischen Anwendungen kann die Applikation komplett mit geschirmten Komponenten aufgebaut werden.

Autor:
Uwe Widmann ist tätig im Bereich Technologie & Standar­disierung bei Belden Deutschland.