03.09.2014

Zuverlässige Steckverbinder

Ob Maschine, Gebäudeinstallation oder Telekommunikation - aus unserer technisierten Welt sind elektrische Steckverbinder nicht mehr wegzudenken. Umso wichtiger ist es, dass diese unter den Bedingungen der jeweiligen Applikationen zuverlässig ihre Aufgabe verrichten. Aber was heißt zuverlässig überhaupt?


Relaxation

Buchsenkontakte werden aus einem elektrisch leitenden und federnden Material aufgebaut. Für eine Feder gilt, dass die von ihr aufgebrachte Kraft sich aus einer Materialkonstanten, der Federkonstante, multipliziert mit dem zurückgelegten Weg, ergibt. Im entlasteten Zustand haben Buchsenkontakte einen geringeren inneren Durchmesser als die Stiftkontakte. Im gesteckten Zustand führt der Stiftkontakt also zu einer Bewegung der federnden Buchsenlamellen, sodass hieraus eine Federkraft resultiert, die als Normalkraft senkrecht auf den Stiftkontakt wirkt. Federmaterialien haben die grundsätzliche Eigenschaft, dass sie zur Relaxation neigen, also zu einer Verringerung der Federkonstante. Diese Relaxation führt zu einer Abnahme der Federkraft bei gestecktem Stiftkontakt. Sie wird primär durch höhere Temperaturen verursacht und ist irreversibel. Wird der Steckverbinder nun mit einem höheren Strom belastet, führt dies zu einer Kontakterwärmung, welche wiederum die Relaxation begünstigt. Nimmt nun die Normalkraft ab, verringert sich die Berührfläche zwischen Buchsenkontakt und Stiftkontakt, sodass der Übergangswiderstand ansteigt. Dies wiederum verstärkt den Effekt der Kontakterwärmung, wodurch ein sich selbst verstärkender Mechanismus ausgelöst wird, der schnell zum Ausfall des gesamten Kontaktsystems führen kann (Bild 4 und 5).

Bild 1: Wie zuverlässig sind Steckverbinder - hier kommt es auf ihre Ausführung sowie auf Umwelteinflüsse an.
Bild: Phoenix Contact Deutschland GmbH

Hier muss zunächst definiert werden, welche Umwelt- und elektrischen Anforderungen erfüllt werden müssen, und wann ein Steckverbinder dabei als funktionstüchtig gilt. Auch die Gebrauchsdauer, für die die Gebrauchstüchtigkeit unter den Umgebungsbedingungen gelten soll, ist festzulegen. Nur mit Bezug auf diese Faktoren kann die Zuverlässigkeit eines Steckverbinders korrekt beurteilt werden. Dabei muss man sich darüber im Klaren sein, dass unter anderen Umweltbedingungen, elektrischen Parametern, Funktionskriterien oder Lebensdauervorstellungen die Beurteilung der Zuverlässigkeit bei demselben Produkt zu einem anderen Ergebnis kommen kann.

Welche Faktoren bestimmen die Zuverlässigkeit?

In Bezug auf die Zuverlässigkeit müssen mehrere Begriffe definiert werden. Zunächst ist da der Minderungsmechanismus - er beschreibt einen physikalischen, chemischen oder auch anderen Prozess, der zum Ausfall führt. Grund dafür kann z.B. der Einfluss von Flüssigkeiten, Gasen oder mechanischen Effekten sein. Zweitens ist die Ausfallart zu betrachten - sie ist die physikalische Beschreibung der Zustandsänderung eines Steckverbinders, der auf dem Minderungsmechanismus basiert. Dabei kann es sich um die Erhöhung des Kontaktwiderstandes, um verringerte Isolationswiderstände oder um Änderungen der Signalintegritätsparameter handeln. Zuletzt ist noch der Ausfalleffekt zu betrachten, der für den Anwender das Hauptproblem darstellt. Hier geht es dann etwa um den Verlust des Signals, um die Unterbrechung der Stromversorgung, um eine Überhitzung, einen Kurzschluss - oder auch um andere Effekte (Bild 2). In der Praxis ist als Ausfallart die Erhöhung des Kontaktwiderstandes die wichtigste Eigenschaft - sie soll hier näher betrachtet werden. Für die Minderungsmechanismen, die zu einer Erhöhung des Kontaktwiderstandes führen, sind Korrosion, Relaxation und Oberflächenbeschädigung von Bedeutung.

Berührfläche und Buchsenkontakt

Steckverbinder-Kontakte sind grundsätzlich so gestaltet, dass zwischen den beiden Partnern des Kontaktpaares eine Berührfläche entsteht, über die die elektrische Verbindung hergestellt wird. Die in professionellen Anwendungen am meisten verbreitete Gestaltung besteht aus einem runden Buchsen- und Stiftkontakt. Diese Ausführung sorgt dafür, dass mehrere Berührflächen vorhanden sind und dass auch unter ungünstigen Umständen stets mindestens eine Berührfläche die elektrische Verbindung herstellt. Diese Berührfläche ist im gesteckten Zustand gasdicht - Schadgase aus der Umwelt können also nicht zwischen die Flächen dringen und hier zu Korrosion führen. Für die Gasdichtigkeit ist ein ausreichender Andruck durch den Buchsenkontakt auf den Stiftkontakt erforderlich. Bei den Kontaktoberflächen unterscheidet man zwischen unedlen und edlen Systemen. Bei den unedlen Systemen besteht die Oberfläche nicht aus einem Edelmetall. Das ist zwar preisgünstig, kann aber durch Umwelteinflüsse leichter zu Korrosion führen. Bei den edlen Systemen besteht die Kontaktoberfläche aus einer dünnen Edelmetall-Schicht wie etwa Silber oder Gold. Zwischen dem Basismaterial des Kontaktes - üblicherweise Messing - und der edlen Oberfläche sitzt oft noch ein Trägermaterial, das die Haftung der Oberflächen-Beschichtung verbessert und häufig aus Nickel besteht. Vorteilhaft bei diesen Oberflächen ist die hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber korrosiven Umwelteinflüssen. All dies ist notwendig, um die für den Kontaktwiderstand abträglichen Effekte durch Reibkorrosion und Relaxation zu vermeiden (siehe Kastentexte 1 und 2). Je nach zu erwartenden Umwelteinflüssen in der Applikation muss daher ein Steckverbindersystem mit einer Oberfläche ausgewählt werden, das sich im Hinblick auf Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit am besten eignet.

Mit hochwertigen Steckverbindern auf der sicheren Seite

Um hier zu optimieren, muss sich der Anwender die Anforderungen und Umweltbedingungen seiner Applikation näher anschauen. Durch Studium von Datenblättern können potentiell geeignete Produkte für die Buchsen- und Stiftseite identifiziert werden, deren Kontaktoberflächen und Gehäusematerialien aus demselben Werkstoff bestehen und passend erscheinen. Dieses Indiz sollte jedoch bei hohen elektrischen oder Umweltanforderungen durch Tests bestätigt werden. Mit qualitativ hochwertigen Steckverbindern ermöglicht der Anwender die zuverlässige Funktion seiner Anlage. Industriesteckverbinder von Phoenix Contact leisten stets mehr als von den einschlägigen Bauartnormen gefordert und ermöglichen damit langfristig die zuverlässige Funktion einer Anlage (Bild 3).

Reibkorrosion

Aufgrund der Einsatzbedingungen des Steckverbinders kommt es häufig zu einer geringen Relativbewegung an den sich berührenden Flächen von Stift- und Buchsenkontakt. Dies kann durch mechanische Beanspruchungen wie Vibration und Schock, aber auch durch wechselnde Temperaturen in Verbindung mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Materialien geschehen. Die Relativbewegung zwischen wenigen Mikrometern bis hin zu 1mm führt nun zu einem Abtrag des Materials an der Oberfläche und einem Transport dieser Partikel außerhalb der gasdichten Kontaktzone. Hier können die Partikel nun Schadgasen ausgesetzt sein und die Metalloberfläche der Partikel kann korrodieren. Die oxydierten Partikel sind meist viel härter als das Basismaterial, sodass sie wie ein Schleifmittel wirken und den Effekt verstärken. Die Folge ist, dass nun die Kontakte auch außerhalb der gasdichten Berührpunkte beschädigt werden und korrodieren. Daraufhin steigt der Übergangswiderstand zwischen Buchse und Stiftkontakt, was bei höheren Strömen zu einer unzulässigen Erwärmung führen kann und den Effekt der Relaxation auszulösen vermag. Daher versucht man, die Relativbewegung zwischen Buchsen und Stiftkontakt zu verhindern, was aber oft aufgrund der Einsatzbedingungen nicht möglich ist. Oft werden die Kontaktoberflächen mit einer nicht korrodierenden Edelmetall-Oberfläche versehen. Fremde, harte Partikel können so auch in die relativ weiche Oberfläche des Edelmetalls eingebettet werden, sodass sie wirkungslos sind und keine offenen Angriffsflächen für Korrosion bieten (Bild 6).

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