IDC-Technologie für Ethernet – Zuverlässiger im industriellen Umfeld

Verkabelungsprojekte in der Industrie und Automation stellen enorme Anforderungen. Die Anlagenverfügbarkeit ist bedeutend wichtiger als bei einem Büro-LAN. Sie steht und fällt mit der Qualität der verwendeten Komponenten. Neben Robustheit müssen Kabel und Steckverbinder für Industrie-Anwendungen hervorragende Übertragungseigenschaften aufweisen. Hinzu kommt, dass beim Installieren eine erhöhte Flexibilität nötig ist, um die Kabel anlagenspezifisch führen zu können. Vor diesem Hintergrund hat sich die IDC-Technologie (IDC=Insulation Displacement Contact, Schneidklemmtechnik) bewährt. Selbst unter extremen Umwelteinflüssen gewährleistet die Schneidklemmtechnik eine hohe Verfügbarkeit. Sie lässt sich in fortschrittliche Steckverbinders insbesondere RJ45-Module (Bild 1) für Kat. 5-/Kat. 6-Verkabelung integrieren und unterstützt die einfache und zeitsparende Montage ohne Spezialwerkzeuge. Was macht die IDC-Technologie so besonders? Obwohl Anschlussblöcke, Ste-cker 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 wichtigste Punkt bei der Entwicklung und Herstellung von Kontakten. 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, und 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 IDC handelt es sich um eine Verbindung, die ohne Löten, Schrauben und Abisolieren auskommt. Das Beschaltungsprinzip ist denkbar einfach (Bilder 3): 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 Grundmaterials bestimmen die Übertragungsqualität und Langzeitzuverlässigkeit der IDC-Kontaktierung. Aufgrund der guten elektrischen und mechanischen Eigenschaften eignet sich IDC für eine Vielzahl von Anwendungen, die eine zuverlässige Verbindung zwischen einem elektrischen Leiter und einem Verbindungselement erfordern, darunter Twisted-Pair-Verkabelungen beziehungsweise RJ45-Verbindungen und Power-Verkabelungen. Welche Technik für welches Anwendungsgebiet? Man kann allgemein zwischen zerstörungsfrei lösbaren und unlösbaren Verbindungen unterscheiden. Darüber hinaus gibt es teilweise wiederbeschaltbare Verbindungen, bei denen der Mantel von einer Schneide oder einem Dorn durchschnitten bzw. durchdrungen wird. IDC gehört zu den zerstörungsfrei lösbaren Verbindungen und wird auch als löt-, schraub- und abisolierfreie Technik, kurz LSA-Technik, bezeichnet. Das Pro und Kontra der unterschiedlichen Verbindungstechniken wurde und wird von Fachleuten immer wieder diskutiert. So schreibt beispielsweise das Institut Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) der Fraunhofer-Gesellschaft unter dem Teilgebiet Signal- und Leistungsübetragung: \“Die Rundleiter-Verdrahtungstechnik ist eine am Markt etablierte und bewährte Technologie. Dennoch bietet sie auch heute noch ein breites Optimierungsfeld mit Möglichkeiten zur weiteren Qualitätsverbesserung und Kostenminimierung…\“. Aus Anwendersicht ist ein Vergleich der derzeit üblichen Techniken praktisch nur möglich, indem man sich am Realfall bzw. an Designvorgaben orientiert, zum Beispiel: – Einsatzgebiet (Spannungs-/Strombelastungen) – Systemkonzept (lösbare/unlösbare Verbindungen, modularer Aufbau usw.) – Verarbeitung (manuell, automatisierte Prozesse) – Handhabung im Feld (Zeit- und Montageaufwand) – Lebensdauer (elektrisch und mechanisch, Steckzyklen) – Übertragungseigenschaften (speziell bei Signal-/HF-Verbindungen) – Umgebungsbedingungen – Kosten-Nutzen-Verhältnis So kann etwa die Einpress-Technologie die optimale Lösung für die Kontaktierung auf einer fest installierten Leiterplatte sein, während sie für eine andere Anwendung mit austauschbaren Baugruppen und Steckverbindungen völlig ungeeignet ist. Und auch ein Blick auf die klassische Schraubverbindung macht deutlich, wie differenziert die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Verbindungstechniken zu betrachten sind: Im Hochspannungs- bzw. Hochvoltbereich unverzichtbar, kommen Schraubverbindungen für ultrakompakte Elektronikdesigns überhaupt nicht in Betracht. Außerdem sind sie ein Negativbeispiel, wenn es um die Montagefreundlichkeit und Zeit-/Kosteneinsparungen geht. Aufgrund der über weite Strecken gleichen Anwendungsbreite bietet sich ein Vergleich zwischen IDC- und Crimp-Technologie an (s. Tabelle). Die Spezifikationen hinsichtlich der maximalen Spannungs- und Strombelastbarkeit sowie der Übertragungseigenschaften variieren von Hersteller zu Hersteller – grundsätzlich ist festzuhalten, dass beide Technologien sowohl für Signal- als auch Leistungsverbindungen verwendet werden können. Schneidklemmen-Entwicklung: dreifache Herausforderung Die Herausforderungen bei der Entwicklung von IDC-Verbindungslösungen liegen neben der Wahl von Grundmaterial und Beschichtungen in der Bestimmung einer optimalen Schneidklemmen-Geometrie. Grundmaterialien (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 u.a. Zinn ein. Die Details der Lösung unterliegen allerdings dem Firmengeheimnis. Die genaue Geometrie, die Materialfestigkeit und Klemmwirkung von Schneidklemmen ermittelt R&M durch Computersimulationen (Bild 4). Das gewählte Grundmaterial und die patentierte Form ermöglichen eine regelmäßige Verteilung der inneren mechanischen Spannungen 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 können die Schneidklemmen auf einen weiten Durchmesserbereich optimiert werden. Ein einziger R&M-Schneidklemmentyp kann Aderquerschnitte von 0,32 bis 0,80mm aufnehmen. Die dritte Herausforderung neben Geometrie und Legierung ist die 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 IEC60352-4. Bei R&M werden zusätzlich kundenspezifische Untersuchungen durchgeführt. Wiederholt werden Chargen einem 15-wöchigen klimatischen Test 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 Anforderungen der IEC60352-4. Anwendung der IDC-Technologie Die IDC-Technologie wurde in den 70er Jahren geboren. 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 (Bild 5), Büro- und Gebäudeverkabelungen und Power-Applikationen hat R&M bereits eine Reihe neuer IDC-Lösungen für Industrial Ethernet herausgebracht. Ein Beispiel ist der FM45. Diese ist der erste werkzeugfrei feldkonfektionierbarer RJ45-Stecker für 8-polige Feldbus- und Ethernet-Verkabelung mit Massivleiter oder Litze und Aderquerschnitten von AWG26 bis AWG22. Aufgrund der Schneidklemmtechnik lässt er sich mit wenigen Handgriffen vor Ort konfektionieren und beschalten. Für die Automatisierungs- und Prozessebene empfiehlt R&M die IP67-Variante des FM45. Auch für Starkstromverkabelungen bietet R&M mit RCO-Power eine IDC-Verbindungslösung an. In weniger als einer Minute wird ohne zusätzliches Werkzeug ein unterbrechungsfreier Abgriff an einem handelsüblichen Rundkabel hergestellt und ein vorkonfektionierter Adapter aufgeschaltet. Die freigelegten Adern legt der Installateur in farblich gekennzeichnete Führungen des Adapters. Beim Einklicken des Beschaltungsdeckels schneiden Kontakte durch die Aderisolation und stellen die Verbindung her. Fazit Profundes Know-how in der Verbindungstechnik und hohe Produktqualität spielen im industriellen Umfeld eine noch bedeutendere Rolle als im Bürobereich, da Netzwerkausfälle in der Automation die wirtschaftlich gravierenden 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, EN50173-3, IEC61918) sind der 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 ausspielen und legen damit die Grundlage für die Zuverlässigkeit einer Netzwerktopologie. Kasten Anfang Schneidklemmtechnik In der Verbindungstechnik der Telekommunikation hat sich die Schneidklemme (auch IDC = Insulation Displacement Contact) als einfache und sichere Verbindungstechnik durchgesetzt. Sie kann auch bei Verbindungen von Spannungsnetzen bis 230VAC/16A angewendet werden. Die Adern liegen geschützt, korrosions- und vibrationssicher in den Schneidklemmen. Das Verfahren vermeidet Wackelkontakte, Übergangswiderstände und Überhitzung. Mit dieser Anschlusstechnik spart der Installateur Zeit und schafft zudem zuverlässige Verbindungen. Die langfristige Stabilität der Verbindung und die Kontaktsicherheit sind nicht mehr vom Können des Installateurs abhängig. Hinzu kommt, dass der mühsame Abisolierungsprozess der Adern vermieden wird. Lose Kleinteile (z.B. Schrauben) werden überflüssig. Schneidklemmen eignen sich besonders gut für runde Installationskabel. Kasten Ende