Was ist ein hochbelastbarer Steckverbinder und wo werden sie in der industriellen Verbindungstechnik eingesetzt?

Eine Vielzahl von Steckverbindern wird in industriellen Anwendungen eingesetzt, um die elektrische Energie, Sensorsignale und Steuerdaten auf Kabeln durch ihre Verbindungsstellen aus und in Automatisierungskomponenten zu führen. Was einen hochbelastbaren Steckverbinder ausmacht (in Steckverbinder-Produktnamen manchmal mit HDC abgekürzt), hängt von der Anwendung ab ... ist also etwas relativ. Es besteht jedoch ein deutlicher Unterschied zwischen robusten Industriesteckverbindern und den leichten RJ- und IEC-Steckverbindern, die in sauberen Innenraum-Automatisierungsanwendungen mit einfachen Ethernet- und leichten Stromversorgungen verwendet werden.

Hochbelastbare Steckverbinder können eine höhere Gesamtrobustheit aufweisen sowie einen verbesserten Schutz gegen Eindringen, reduzierte Entflammbarkeit, einen weiten Betriebstemperaturbereich, Verriegelungen, eine Erdungsabschirmung oder einfach eine zuverlässigere Verbindung mit Formschluss.

Hochbelastbare Kabelverschraubungen gegenüber Steckverbindern

Kabelverschraubungen (manchmal auch Kabelklemmen genannt) sind meist mechanische Komponenten, die Kabel umschließen, wenn diese durch die Begrenzungen von industriellen Schalttafeln sowie anderen Gehäusen, Steckern und Steuerungskörpern aus Blech und Hartkunststoff laufen. Kabelverschraubungen dienen drei Zwecken. Sie

• sichern das Kabel
• verhindern das Durchscheuern der Kabel und anderen Verschleiß
• sorgen für eine Abdichtung um den Kabelabschnitt herum, um das Eindringen von Feuchtigkeit zu verhindern

Die Art und Weise, wie Kabelverschraubungen Kabel verankern, verhindert eine Beschädigung der elektrischen Kontakte, falls am Kabel gezerrt oder es anderweitig belastet wird. Kabelverschraubungen verhindern auch, dass die Kabelmäntel an den scharfen Rändern von Bohrungen durch das Gehäuse reiben, da sich die Verschraubungskörper um diese Ränder herum ausfüllen und aufweiten. Ohne Kabelverschraubungen könnten Kabel, die auch nur der kleinsten Bewegung ausgesetzt sind, von den scharfen Kanten der Gehäusebohrungen schnell aufgeschnitten werden, bis ihre äußere Isolierung komplett durchtrennt ist ... und die Kabeladern kurzgeschlossen sind.

Im Gegensatz zu diesen Kabelverschraubungen (die Kabel umschließen) stehen Steckverbinder, die Kabel abschließen - und in der Regel ein komfortableres Trennen und Wiederverbinden sowie das Verbinden mehrerer Komponenten- und Kabelabschnitte ermöglichen. Typischerweise enthalten hochbelastbare Varianten dieser Steckverbinder ein oder mehrere robuste Merkmale.

Hochbelastbare Kabelsteckverbinder können einen Kabeleinführungsschutz in Form einer universellen Kabelverschraubung, einer Kabelklemme oder einer Dichtung und Verdrehsicherung aufweisen. Unabhängig von der mechanischen Form sichern diese das Kabel und verhindern, dass es aus den Klemmen herausgezogen wird. Ein Kabeleinführungsschutz kann ebenfalls Kabelverschleiß verhindern, genauso wie eigenständige Kabelverschraubungen. Beachten Sie, dass Lamelleneinsätze (Verschraubungen mit mehreren Fingern) bei mäßig robusten Steckverbindern üblich sind, obwohl die Einsätze regelmäßig nachgezogen werden müssen, um den Eindringschutz zu gewährleisten. Verschraubungen mit einer durchgehenden Dichtung, die sich um das Kabel klemmt, sind oft eine zuverlässigere Wahl für hochbelastbare Anwendungen.

Die Haube an einigen schweren Kabelsteckern umschließt die elektrischen Leiter des Steckers und bietet gleichzeitig Isolierung und Schutz gegen Eindringen - sowie eine Verriegelungshülse oder einen Hebel, um die Steckerhälften zusammenzuhalten.

Bei vielen hochbelastbaren Kabelsteckern enthält der Steckereinsatz sowohl Stifte als auch Schrauben oder Crimpkontakte, an denen die leitenden Adern die Stifte kontaktieren. Bei solchen Steckverbindern enthält der Buchseneinsatz sowohl komplementäre Sockel als auch Steckbuchsen oder Crimpkontakte, an denen die leitenden Adern die Buchsen kontaktieren.

Die hochbelastbaren Gehäuse von schweren Kabelsteckverbindern sind vielleicht ihr auffälligstes Merkmal - oft inklusive Isolierung und Schutzart. Das Zubehör kann zusätzliche Schutzabdeckungen und Führungen für Pins umfassen.

Bild 1: Die Steckverbinder der Baureihe Han® verfügen über mehrere sich ergänzende Merkmale, um ziemlich brutalen Umgebungsbedingungen zu widerstehen. (Bildquelle: Harting)

IP-Codes für die Schutzart in hochbelastbaren Steckverbindern

Auch bei hochbelastbaren Steckverbindern ist ein Schutz gegen das Eindringen von Flüssigkeiten und festen Partikeln Standard. Die Schutzart von Steckverbindern wird mit denselben IP-Codes bewertet, die auch für Gehäuse verwendet werden. Die erste Ziffer eines IP-Codes gibt den Schutz vor festen Gegenständen an, wobei die Werte von 0 (kein Schutz) bis 6 reichen - was eine vollständig staubdichte Ausführung bedeutet. Die zweite IP-Code-Ziffer gibt den Schutz gegen Flüssigkeiten an, wobei die Werte von 0 (für keinen Schutz) bis 8 (für kontinuierlichen Schutz gegen Wasser in einer Tiefe von 1 m) oder sogar 9K - für den Schutz gegen Hochdruckstrahlen - reichen. Zum Beispiel widersteht ein IP67-zertifizierter Steckverbinder dem Eindringen von Staub und dem vorübergehenden Eintauchen in Wasser.

Proprietäre Steckervarianten - warum so häufig?

Da hochbelastbare Steckverbinder stark auf mechanische Verschluss- und Dichtungsmerkmale angewiesen sind, handelt es sich bei vielen Optionen auf dem Markt heute entweder um proprietäre Designs oder anwendungsspezifische Steckverbindervarianten. So haben sich ganze Branchen auf die hochbelastbaren Rechtecksteckverbinder für Leistungs- und Steueranschlüsse aus der Harting Han-Serie standardisiert. Tatsächlich wird diese markenrechtlich geschützte Steckverbindermarke manchmal als Synonym für den Begriff „hochbelastbarer Steckverbinder“ im Allgemeinen angesehen.

Bild 2: Steckverbinder der Han-Serie (mit vier bis 26 Pins) sind so etwas wie ein Industriestandard - sie erfüllen verschiedene Anforderungen an Daten- und Stromverbindungen von 50 bis 5000 V und 3 bis 200 A. Zu den Verriegelungsanordnungen gehören ein Einhebel-Han-Easy-Lock für die einfache Einhandbedienung und ein Doppelhebel-Han-Easy-Lock - für eine zuverlässigere Verriegelung, höhere Druckdichtigkeit und den Einsatz bei Kabel-zu-Kabel-Verbindungen. Eine weitere robuste Option ist die Schraubensicherung für maximale Druckdichtigkeit und reduziertes Risiko einer unbefugten Benutzung. (Bildquelle: Harting)

Die Steckverbinder der Han-Serie haben in einer rechteckigen Haube angeordnete Stifte, die mit entsprechenden Buchsen in einem rechteckigen Gehäuse zusammenpassen. Die Steckverbinder sind in der Regel mit Verriegelungshebeln ausgestattet, mit denen das Installationspersonal den Steckverbinder einfach und sicher schließen kann - so ist sichergestellt, dass er nicht auseinandergezogen werden kann ... selbst wenn erhebliche Zugkräfte aufgebracht werden.

Hauben (anschraubbare Steckerabdeckungen) sind am häufigsten bei Stromkabelanschlüssen zu finden; sie sind in Konfigurationen für den oberen und seitlichen Anschluss erhältlich. Die Gehäuse können geschraubt, oberflächenmontiert oder an der Wand montiert werden, um einen Anschluss an Instrumenten oder Maschinen zu ermöglichen. Alternativ können Gehäuse auch Kabel für Kabel-zu-Kabel-Verbindungen abschließen. Hauben und Gehäuse werden typischerweise aus einer Druckgusslegierung hergestellt ... aber auch Gehäuse aus Edelstahl und Kunststoff sind üblich. Einige Hersteller bieten konfigurierbare Steckverbinder an, die unter einer einzigen Haube oder einem Gehäuse gruppiert werden können. Dies kann eine höhere Anzahl von Pins über alle verschiedenen Module hinweg ermöglichen. Solche Steckverbinder sind unter den Marken GWconnect HDC von Molex und HDC von TE Connectivity erhältlich.

Die hochbelastbaren Kabelsteckverbinder für Daten- und Sensorsignalkabel sind leicht unterschiedlich. Hier führen die Steckverbinder der M-Serie. Es handelt sich um robuste Steckverbinder, die sowohl in verschiedenen Datenverbindungen (u.a. auf Basis von Ethernet) als auch in der elektrischen Energieübertragung eingesetzt werden. Die robusten Steckverbinder der M-Serie werden am häufigsten in industriellen Netzwerkanwendungen mit PROFINET, Feldbus und Industrial Ethernet zum Anschluss von Sensoren, Schaltkomponenten und SPSen eingesetzt.

Wie in früheren DigiKey-Artikeln beschrieben, bestehen die Steckverbinder der M-Serie aus runden männlichen und weiblichen Steckverbindern mit metrischen Standard-Gewindehülsen, die die internen Stifte und Buchsen umschließen und schützen. Zu den Standardgrößen gehören 5 mm M5, 8 mm M8, 12 mm M12, 16 mm M16 und 23 mm M23 Steckverbinder. Die Gewindehülse bietet eine sehr robuste und zuverlässige Verbindung, die nicht leicht auseinandergezogen werden kann und eine sehr zuverlässige elektrische Verbindung gewährleistet, wodurch intermittierende Signale minimiert werden. Die Hülse verleiht den Steckverbindern der M-Serie außerdem einen hohen Schutz gegen Eindringen, der in vielen Fällen sogar den Einsatz in abwaschbaren Anwendungen und korrosiven Umgebungen ermöglichen kann. Die gängigsten Größen sind M8- und M12-Steckverbinder, mit zwei, drei, vier, fünf, acht oder 12 Pins. Typischerweise bedienen drei- oder vierpolige Steckverbinder der M-Serie Sensoren und Stromversorgungen; vier- oder achtpolige Steckverbinder der M-Serie bedienen Ethernet- und PROFINET-Geräte; und vier- oder fünfpolige Steckverbinder der M-Serie bedienen Feldbus-, CAN-Bus- und DeviceNet-Automatisierungsgeräte.

Abbildung 3: Die Steckverbinder der M-Serie sind aus hochfestem Aluminium gefertigt und verfügen über eine Ratschenschraube zur schnellen und sicheren Kabelverbindung mit einer Hand. (Bildquelle: LEMO)

Zu den in industriellen Anwendungen verwendeten Datenverbindungen gehören Ethernet, ModbusTCP/IP, EtherCAT, Ethernet/IP und Profinet ... sowie verschiedene proprietäre Formate. RJ-Steckverbinder sind der Standard für alle Implementierungen von Ethernet - bieten aber keinen Schutz gegen Eindringen und sind nicht besonders robust. Obwohl eine Kunststofflasche auf der Steckerseite in die Buchse einrastet (um die Steckerhälften zusammenzuhalten), ist sie ziemlich empfindlich... und lässt die Stecker schon bei leichtem Ziehen aus den Buchsen rutschen. Aus diesem Grund sind Steckverbinder der M-Serie eine überlegene Option, wenn eine automatisierte Installation Bewegungen und gelegentlichem harschem Gebrauch ausgesetzt ist.

Allerdings gibt es hier noch einen weiteren Vorbehalt. Während Standard-Steckverbinder der M-Serie eine geeignete Option für Industriesteckverbinder sind, hängt das Erreichen einer zuverlässigen Verbindung (und des Nennschutzgrads) vom korrekten Anziehen des Steckergewindes durch den Techniker ab. Einige Anbieter von Steckverbindern haben versucht, auch diesen potenziellen Fehlerpunkt zu beheben, indem sie Steckverbinder mit automatischer Verriegelung anbieten. Die vielleicht etablierteste ist die Brad-Serie von Molex, die einen direkten Ersatz für Standard-M12-Steckverbinder darstellt. Bei diesen entfällt die Gewindehülse für einen zuverlässigen Druckverschluss-Mechanismus... so dass ein einfaches Zusammendrücken der Steckerhälften eine perfekte Verriegelung und eine zuverlässige Verbindung ohne Risiko von unterbrochenen Signalen oder Abtrennung gewährleistet. Diese Steckverbinder sind in verschiedenen Konfigurationen erhältlich und umfassen Aufsteck- und Abziehsteckverbinder mit Schutzart IP65.

Abbildung 4: Ultra-Lock-Steckverbinder sind eine Druckverschlussoption mit O-Ringen, die narrensichere Verbindungen und IP69K-Schutz bieten. (Bildquelle: Molex)

Wenn sie für Ethernet-Anwendungen verwendet werden, können die M-Serie und die Brad-Steckverbinder von Molex auch Strom über die PoE-Standards (Power over Ethernet) in drei Konfigurationen - Alternative A, Alternative B und 4PPoE - übertragen, um unterschiedliche Bandbreiten und Stromkapazitäten zu unterstützen.

IEC-Netzstecker für hohe Leistungsanforderungen

Die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) definiert verschiedene Normen für Netzsteckverbinder, die in privaten, gewerblichen und industriellen Anwendungen eingesetzt werden. So deckt IEC 60320 nicht verriegelnde Steckverbinder mit Spannungen und Strömen bis zu 250 V bzw. 16 A ab. Dazu gehören große, aber nicht abgedichtete C13/C14- sowie größere C19/C20-Kupplungen, die bei elektronischen Geräten für industrielle Anwendungen üblich sind - einschließlich Computernetzteilen und Servergehäusen. Diese Kupplungen werden normalerweise nicht als hochbelastbare Steckverbinder angesehen.

Im Gegensatz dazu sind verriegelbare Steckverbinder nach IEC 60309 robust - und für den Einsatz an Industriekabeln vorgesehen, die Spannungen und Ströme bis zu 1000 V bzw. 800 A übertragen. Alle verriegelnden Steckverbinder nach IEC 60309 bieten einen gewissen Grad an Schutz gegen Eindringen von Wasser, wobei die Standardkonfigurationen IP44 (spritzwassergeschützt), IP67 (wasserdicht) oder IP66/67 (strahlwassergeschützt und wasserdicht) sind.

Die Norm sieht auch verriegelnde Steckdosen vor: Steckdosen mit dieser Funktion lassen keine Stromzufuhr zu, wenn sie nicht mit einem Stecker verbunden sind... und der Stecker kann nicht entfernt werden, bis der Strom abgeschaltet wird. Die folgende Farbcodierung gibt den zulässigen Spannungs- und Frequenzbereich für den Anschluss an.

• Gelb zeigt an, dass der IEC60309-Netzstecker für die Übertragung von 100 bis 130 V bei 50 oder 60 Hz geeignet ist.
• Blau zeigt an, dass der IEC60309-Netzstecker für die Übertragung von 200 bis 250 V bei 50 oder 60 Hz geeignet ist.
• Rot zeigt an, dass der IEC60309-Netzstecker für die Übertragung von 380 bis 480 V bei 50 oder 60 Hz geeignet ist ... oft in einer dreiphasigen Konfiguration.

Abbildung 5: Dieser rote farbcodierte Hochlast-Steckverbinder erfüllt die Norm IEC 60309 für die Versorgung von 380 bis 480 V. (Bildquelle: Wikimedia Commons)

Fazit

Hochbelastbare Steckverbinder müssen verschiedene Anforderungen erfüllen. Muss der Steckverbinder Quetschungen durch Stoßbelastungen standhalten - oder auseinandergezogen werden? Ist ein Schutz gegen Staub oder Wasser erforderlich? Welchen Temperaturen muss der Steckverbinder standhalten? Wird der hochbelastbare Steckverbinder in Umgebungen installiert, in denen Entflammbarkeit ein Problem darstellt?

Die Anzahl der Pins sowie die Spannung und der Strom, die von jedem Pin übertragen werden sollen, müssen ebenfalls berücksichtigt werden - ebenso wie die Richtung der Kabeleinführung und der Grad des Kabelschutzes. Bei automatisierten Maschinen, bei denen die Kabel und ihre Steckverbinder Bewegungen ausgesetzt sind, müssen geeignete Verschraubungen und Kabelklemmen vorgesehen werden... und Verdrehsicherungen können ebenfalls sinnvoll sein.

Für elektrische Lasten, die relativ leicht sind, aber in rauen Umgebungen betrieben werden, sind Steckverbinder der M-Serie und ihre Derivate oft eine geeignete Wahl. Für höhere elektrische Belastungen sind Rechtecksteckverbinder möglicherweise die bessere Lösung... zumal sie mit verschiedenen Kabeleinführungsrichtungen, Montagemöglichkeiten und generell modularem Aufbau für nahezu jede komplexe Anforderung konfiguriert werden können. Ansonsten sind für einfache Stromanschlüsse an eine ein- oder dreiphasige Wechselstromversorgung verriegelbare Industriesteckverbinder nach IEC 60309 die führende (wenn nicht die einzige) Wahl.