Verbindungstechnik Industrie-Steckverbinder in EMV-gerechtem Design

Redakteur: Andreas Leu

Der Begriff Industrie 4.0 steht für die Vernetzung von Anlagen, Maschinen, Geräten und Menschen — mit dem Ziel einer möglichst flexiblen und effizienten Produktion.

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(Bild: Harting)

Von Sensoren erfasste Daten werden über störungssichere Schnittstellen auf Internetplattformen analysiert, aufbereitet und gespeichert. Steckverbinder sind ein ­unverzichtbarer Bestandteil der Netzwerke.

Die zunehmende Vernetzung führt in vielen Produktionen zu einer parallelen Verlegung von Leistungs-, Signal- und Datenleitungen auf engstem Raum, z. B. am Arm von Robotern. Leistungskabel versorgen Aktoren wie Motoren und Roboter-Antriebe mit Energie. Sensoren geben die erfassten physikalischen Grössen über Signalleitungen weiter an eine Steuerung. Datenleitungen ermöglichen die Kommunikation zwischen den Steuerungen unterschiedlicher Ebenen und die Einbindung in ein übergeordnetes Netzwerk.

Die parallele Verlegung von Leistungs-, Signal- und Datenkabeln (Power – Signal – Data) kann allerdings dazu führen, dass Signal und Datentransfer elektromagnetischen Störungen ausgesetzt sind. Die Leistungskabel gelten im Fall der Durchleitung entsprechend hoher Ströme als Störquellen, die Signal- und Datenleitungen sind Störsenken. Analogsensoren und kapazitive Näherungsschalter reagieren ebenfalls empfindlich auf elektromagnetische Störungen.

Auf den geschalteten Leistungsleitungen, die zu den starken Störern gehören, liegt dabei ein besonderer Fokus. In Europa zwingt die Verordnung für Energie-­Effizienz Maschinen-Hersteller, energieeffiziente ­Motoren zu nutzen. Daraus kann sich ein erheblicher Entwicklungsaufwand ergeben; der Aufwand für die Entwicklung lässt sich aber verringern, indem man ­Motoren nach «altem» Stand der Technik — in der Regel mit weniger effizienten Motoren — per Frequenzumrich­ter so regelt, dass sie nur noch bei Bedarf mit voller Leistung betrieben werden.

Wirkungsvolle Schirmkonzepte

Frequenzumrichter wandeln die sinusförmige Wechselspannung aus dem Netz in eine Spannung um, deren Amplitude und Frequenz veränderlich ist. Hierzu wird die Wechselspannung zunächst gleichgerichtet, dann wird die Gleichspannung mithilfe einer Reihe elektronischer Schaltvorgänge wieder in eine Wechselspannung verwandelt. Die Schaltvorgänge führen zu einem starken Anstieg und einem starken Abfall der Ausgangsspannung. Aufgrund der steilen Spannungsflanken (mehrere kV / µs) entstehen an den Leistungsleitungen, die mit dem Frequenzumrichter verbunden sind, starke elektromagnetische Stör-Strahlungen.

Um trotz dieser Einflüsse ein zuverlässiges System betreiben zu können, benötigt der Maschinenbau elektromagnetisch verträgliche Komponenten. Ein elektrisches Automatisierungssystem gilt dann als EMV-gerecht aufgebaut, wenn es selbst im Umfeld mit elektromagnetischen Störquellen zufriedenstellend arbeitet und keine elektromagnetischen Störungen aussendet, die für andere Systeme unannehmbar wären.

Für die elektromagnetische Verträglichkeit der Lebensadern von Maschinen und Anlagen bedarf es folglich eines wirkungsvollen Schirmungskonzepts. Es setzt voraus, dass geschirmte Leitungen verwendet werden. Ebenso wichtig sind EMV-gerechte Schirmübergaben zwischen den eingesetzten Komponenten. Neben den Leitungen sind das Schaltschränke, Kabelverschraubungen und Steckverbinder.

Die zunehmende Vernetzung der Komponenten geht einher mit einer wachsenden Modularität von Maschinen und Anlagen. Moderne Fertigungsanlagen bestehen aus Modulen, die nach Funktionalität geordnet und separat auswechselbar sind. Das erhöht ihre Flexibilität – es ist möglich, unterschiedliche Maschinenteile bzw. Werkzeuge so zu kombinieren, wie es den jeweiligen Kunden-Anforderungen entspricht. Um die Maschinen-Module mithilfe der Daten-, Signal- und Leistungsübertragung zu integrieren, werden Steckverbinder benötigt, die den EMV-Anforderungen des gesamten Systems entsprechen.

Ein EMV-gerechter Steckverbinder muss zwei Anforderungen genügen:

  • grossflächige Schirmübergabe
  • möglichst lückenlose 360°-rundum-Abschirmung

Je grossflächiger und leitfähiger ein Schirmgeflecht oder ein abschirmendes Gehäuse mit dem Erdpotenzial verbunden ist, desto besser können Störspannungen abgeleitet werden. Jeder Widerstand im Stromfluss des Schirms verstärkt die Störungen und vermindert die Schirmwirkung. Kritische Stellen sind die Übergabepunkte der Schirmung, da hier der homogene Schirm unterbrochen wird. Für eine optimale EMV-Performance müssen die Verbindungen möglichst überlappend, grossflächig, niederohmig und rundum 360°-kontaktierend sein.

Harting hat bereits früh die ersten Spezial-Gehäuse für eine optimale EMV-Performance entwickelt und das Portfolio in den vergangen drei Jahrzehnten entsprechend dem Kundenbedarf erweitert. Alle EMV-­Schnittstellen sind auf eine störungsfreie Schirmübergabe hin optimiert. Sie eignen sich insbesondere auch für robuste Industrie-Umgebungen. Innenliegende Dichtungen gewährleisten eine metallisch leitende, grossflächige und 360°-geschirmte Kontaktierung zwischen den beiden Elementen einer Steckverbindung bzw. zwischen Steckverbinder und Schaltschrank.

Doppelte Sicherheit durch ausgeprägte Labyrinth-Struktur

Allerdings können auch bei durchgängiger Schirmübertragung elektromagnetische Störfelder an den Übergangsstellen des Gehäuses durchdringen. Überlappungen der Gehäusewände mit sogenannter Labyrinth-Struktur sichern die ungestörte Übertragung: Auftreffende oder austretende Störfelder werden an der Struktur reflektiert und so auf ein absolutes Minimum abgeschwächt.

Harting bietet EMV-Steckverbinder sowohl für den industriellen Bereich als auch für den Einsatz bei erhöhten Umweltanforderungen an. Im Aussenbereich sind Steckverbinder Feuchtigkeit und teilweise auch aggressiven Substanzen (wie z. B. Streusalz) aus­gesetzt. Zum Schutz gegen Korrosion besitzen sie deshalb eine passivierende Beschichtung und eine zusätzliche Lackierung.

Modulare Steckverbinder

Das System Han-Modular von Harting ermöglicht dem Kunden, Leistung, Signale und Daten parallel in einem Steckverbinder zu übertragen. Dabei kommen unterschiedliche Module gleicher Bauhöhe und -breite zum Einsatz. Damit sich die Steckverbindungen im Gehäuse nicht gegenseitig stören, besitzen die für die Signal- und Datenübertragung eingesetzten Module integrierte Schirmbleche.

Das Han-Gigabit-Modul ist ein hervorragendes ­Beispiel. Es ermöglicht die Übertragung von extrem hohen Datenraten gleich neben Modulen für die Leistungsübertragung — in einem Steckverbinder. Um die Übertragung auch in dieser Anordnung störsicher zu machen, werden die einzelnen Kontaktpaare durch Metallbleche gegeneinander abgeschirmt. Zusätzlich ist das gesamte Modul von einem metallischen Schirm umgeben.

Ein anderes Beispiel aus der genannten Serie ist das Han-Quintax-Modul. Es ist für den Anschluss zweier separater Busleitungen entwickelt worden. Die Schnittstelle für jede Busleitung ist dabei vollständig von einem metallischen Schirm umgeben. Dadurch wird sowohl die gegenseitige Störung beider Bussysteme als auch der Einfluss externer Störquellen verhindert.

Nicht für jede Anwendung in Maschinenbau und Automatisierung mit Signal- oder Datenübertragung braucht es ein EMV-Gehäuse, inklusive 360°-Kontaktierung und Labyrinth-Struktur. Für die störungssichere Anbindung kleinerer Antriebe und Verbraucher, oder auch für die Steuerspannungs- und Signalübergabe in Maschinen und Anlagen können die aktuell auf den Markt gebrachten platzsparenden Kunststoffsteckverbinder der Reihe Han 1A genügen. Sie sind leicht und hinsichtlich ihres Platzbedarfs optimiert, bringen aber in einer Variante ein vollständiges ­Schirmungskonzept mit, das bei konsequenter Anwendung von ­Signalleitungen der Gruppe II oder im Einflussbereich von Störern der Gruppe III völlig ausreichend sein kann.

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